河口河道延伸對黃河下游河道淤積影響分析

師長興

（中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室地貌研究室，北京100101）

1 前 言

河流侵蝕基準面是河流河道演變及縱剖面發(fā)育的一個重要控制因素。海平面被認為是入海河流的終極侵蝕基準面。在這一終極侵蝕基準面上，如果河口泥沙淤積，河道延長，河流比降降低，使河流的沉積過程加強，那么原來處于均衡的河流就會發(fā)生從河口向河源的溯源淤積。侵蝕基準面概念是Powell J.W.在1875年首先提出的，同時他還指出了河流存在局部或暫時的侵蝕基準面，其中包括河床面，他把河床面解釋為一個虛構(gòu)的、穿過整個流域且各部分向河口微緩傾斜的面［1-2］。河床面可以理解為河流的均衡剖面，原因是均衡剖面是現(xiàn)時水沙條件下不再侵蝕下切的面。按這個定義，在一個不動的海平面上，河口泥沙淤積，河道延長，河流比降降低，泥沙在河道淤積，抬高了河床面，可認為是河流暫時侵蝕基準面的抬升。這一基準面的抬升過程起于河口，其效應向上游不斷傳播，河流以均衡剖面或河床面為目標進行調(diào)整。相對于河口延伸，河口改道致河道長度減小，則引起暫時侵蝕基準面的降低并可能發(fā)生溯源沖刷。在少沙河流上或入海泥沙能被海洋動力帶走、河口淤積不大的情況下，這一過程不明顯，但在黃河口這樣河流入海泥沙量大、海洋動力弱的河口，河口泥沙淤積，河道延長，因此引起基準面抬升并造成溯源淤積的現(xiàn)象將不容忽視。黃河下游淤積強烈，明確其原因是制定治河策略的基礎，因此河口變動對下游淤積的影響引起了許多學者的長期關注［3-13］，研究結(jié)果不乏真知灼見，但因為分析角度或使用方法不同，所以所得認識并不相同甚至相反，或認為黃河下游淤積主要屬于河口延伸造成的溯源淤積［5-7］，或認為黃河下游淤積以河道邊界條件不適應來水來沙發(fā)生沿程淤積為主［8-12］。這一問題的復雜性緣于黃河下游河道的沖淤狀態(tài)不僅決定于河口延伸或改道所引起的基準面變化大小，還決定于下游河道邊界條件和不斷變化的來水來沙條件，并需明確所分析問題針對的時間尺度［14］。因此，解決這一問題的方法是建立能夠定量描述一定時間尺度下來水來沙和河口變動及其他要素與下游河道泥沙沖淤的關系模型。本文嘗試通過建立黃河河口改道清水溝以來下游河道沖淤與來水來沙和河口延伸致基準面變化的經(jīng)驗關系模型，對這一問題進行分析探討。

2 資料和方法

黃河口河道于1976年從刁口河改道清水溝，從西河口水位站至河口的河道長度從26 km延長到2016年的60 km，其中1996年至河口長度曾延伸至約66 km。本文利用黃河下游1976—1996年21 a間黃河下游水文站日水沙數(shù)據(jù)、由黃河下游大斷面觀測數(shù)據(jù)計算的斷面沖淤面積以及西河口3 000 m3/s流量下的水位數(shù)據(jù)，通過建立黃河下游分段斷面淤積量與水沙因子和河段比降的關系模型，結(jié)合情景計算，分析河口變動對下游沖淤變化的影響。

本文用反映黃河下游泥沙輸移多來多排特性的輸沙率公式，即Qs＝KQaCbup（其中：Qs為床沙質(zhì)輸沙率或全懸沙輸沙率；K為系數(shù)；Q為流量，m3/s；Cup為上站來水含沙量，kg/m3；a、b 為指數(shù)）［15-17］表示上游來水來沙條件對河段沖淤的影響。同時，在這一關系式中增加河段比降因子，以反映因基準面變化改變河床比降對河床沖淤變化的影響。如此，構(gòu)建黃河下游河道斷面平均沖淤量與水沙因子和河段比降之間的關系形式為

式中：Dc為斷面平均沖淤面積，m2；α與β為系數(shù)；J為河道比降；c為指數(shù)。

曼寧公式及黃河干支流挾沙力公式［18］可分別表示為

式中：U為斷面平均流速，m/s；n為糙率系數(shù)；R為水力半徑，m；Sc為挾沙力，kg/m3；ω 為懸移質(zhì)沉速，cm/s。

由式（2）、式（3）可得 Sc與 J1.125成正比，故而式（1）中指數(shù)c取值為1.125。

為求得式（1）中的 α、β、a、b，從 1976 年汛前開始至1996年汛末，將由大斷面觀測數(shù)據(jù)計算得到的各河段大斷面平均沖淤面積逐年汛后累計值作為Dc，由大斷面數(shù)據(jù)計算當年汛前河段上端和下端斷面過水面積為1 000 m2時的水位，進而由河段上下端水位和河道長度計算河床比降，作為每年的河床比降均值。在4個參數(shù)的可能變化范圍內(nèi)給出一組參數(shù)，計算歷年累計斷面沖淤面積Dc與 α（QCup-βQaJc） 的差值，以滿足差值絕對值之和為最小值，即min［∑abs（Dcα（QCup- βQaJc）］ 所對應的系數(shù)與指數(shù)為其應取的值。計算采用Visual Basic編程實現(xiàn)。為了節(jié)省時間，通過分析初步試算結(jié)果，各參數(shù)的變化范圍確定為：α，10-8～ 10-5；β，10-1～ 10；a，1 ～ 3；b，0 ～ 2。 系數(shù)α、β以幾何級數(shù)100.004321為步長，即每次增加0.01倍，指數(shù)a、b的步長為0.02。 本文不用下游年沖淤面積而用累計沖淤面積，主要是考慮到斷面法測量值存在一定誤差，計算的沖淤量累計值越大其相對誤差越小，而沖淤量累計值越大，在參數(shù)搜索中的作用相對越大。

在得到黃河下游分段斷面沖淤量與水沙因子和河段比降的關系后，為揭示河口變動對下游沖淤的影響，進行了兩種情景下的計算。其一，假定1976年河口改道后，河口河道沒有延長，因此西河口水位將維持在遠比實際情況低的狀態(tài)；其二，假定1976年沒有發(fā)生河口改道，黃河繼續(xù)走刁口河，因此河口河道長度比改走清水溝后要長，三角洲頂點附近西河口處的水位比實際要高。計算出這兩種情景下的下游分段斷面平均和河段總沖淤量與實際對比，即可以顯示河口河道長度變化的影響。計算繼續(xù)走刁口河河道長度的變化及西河口水位變化利用了文獻［19］提出的黃河河口累計來沙與河口河道長度關系以及由河口河道長度和水沙數(shù)據(jù)計算西河口水位的方法。

計算各情景下游河段沖淤量時，先由河口河道長度和水沙條件計算西河口或漁洼水位變化過程，然后按河段上下端水位確定河段比降，河段比降和水沙條件確定河段沖淤量，河段沖淤量和河段平均淤積寬度確定河段上端（或上一河段下端）水位變化，從利津至漁洼段開始，由下向上逐段計算河段上端水位變化和淤積量。其中由河段上下端水位變化計算次年河段的河床比降。這樣可以計算出逐年逐河段的斷面平均沖淤量。水沙系列都用1976—1996年的日平均流量和輸沙率。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型擬合

考慮水文站和大斷面布設情況，將黃河下游分為5個河段，即鐵謝—高村、高村—艾山、艾山—濼口、濼口—利津、利津—漁洼。河段的來水來沙數(shù)據(jù)分別用花園口、高村、艾山、濼口和利津站觀測值。由分河段斷面平均淤積面積逐年累計值與流量和輸沙率日均值以及河段汛前比降系列，按上述方法計算得到各河段式（1）中的參數(shù)（見表1）。各河段斷面平均淤積面積逐年累計量實測值與擬合值的相關系數(shù)也列于表1，可見R2都不小于0.58。濼口以下兩河段相關系數(shù)較小，原因可能是由河床斷面測量計算的淤積量個別年份與實際相差較大有關。以濼口—利津河段為例（見圖1），由1985年汛后至1986年汛后河床斷面測量數(shù)據(jù)計算得到的淤積量約為 1.2億 t（按泥沙容重1.5 t/m3計），而此期濼口輸沙量為2.95億 t，利津為2.75億t，只相差0.2億t，如果再考慮區(qū)間引水引沙量0.164億t，則按上下站輸沙量算得的河段淤積量不足0.04億t。從濼口站輸沙量只有2.95億t看，由河床斷面測量數(shù)據(jù)得到的濼口—利津段1.2億t淤積量可能存在較大的誤差?？梢?，由斷面測量數(shù)據(jù)得到的河床年沖淤量在部分年份可能存在比較大的誤差。但是，由河床斷面計算河段淤積量的優(yōu)點是時段越長相對誤差越小，所以據(jù)其擬合河床沖淤與水沙因子關系，可以得到比較合理的參數(shù)。按上述各情景的計算方法，不過用漁洼1 000 m2過水斷面面積的水位變化系列計算各河段逐年上下端水位和河段斷面平均沖淤面積累計值（見圖2，點符號代表按實際河段比降計算的沖淤面積，線符號代表由漁洼水位變化計算的各河段比降變化及沖淤面積），由此計算得到的河段斷面平均沖淤面積累計值與由實際河段比降計算得到的平均沖淤面積累計值（或圖1中的模擬值）吻合程度較高，說明該方法可用于其他情景計算。

表1 分河段斷面平均沖淤面積與來水來沙及河段比降的關系

3.2 情景分析

圖3 （a）對比了改走清水溝后河口河道長度未再延長情況下西河口水位與現(xiàn)實西河口實測水位的變化過程，可知前者在1996年比后者低2.71 m。結(jié)果表明，河口長度不延長情況下黃河下游分段斷面平均淤積面積相比實際情況下累計減少量，即1976年后河口延伸在下游累計增淤量見圖3（b），可知濼口以下兩河段淤積量明顯增大，濼口以上河段增淤量微乎其微。河口延伸在整個下游增淤量占下游總淤積量的比例變化過程見圖3（c），可知最大為11.5%，至1996年累計增淤量占總淤積量的比例為4.4%。

圖4（a）為假如繼續(xù)走刁口河流路和現(xiàn)實西河口流路的水位變化過程，可見前者比后者在1996年高出1.68 m。計算結(jié)果同樣顯示，繼續(xù)走刁口河流路相比實際走清水溝流路也只在濼口以下兩河段增淤量明顯，見圖4（b），整個下游增淤量占下游總淤積量的比例最大為7.5%，至1996年累計增淤量占總淤積量的比例為2.9%，見圖 4（c）。

至于濼口以下河段（見圖5（a）），相對改走清水溝后河口河道長度未再延長，實際情況下因河口河道延伸導致的增淤量在河段總沖淤量中所占的比例則明顯提高，1983—1991年大于100%，至1996年仍大于50%（見圖5（b））。假如繼續(xù)行走刁口河，相比實際走清水溝的增淤量在河段總淤積量中所占的比例最高可達91%，至1996年多年增淤量占比約為26%。

4 河口變動增/減淤量占比大小形成的歷史原因及其近期隨水沙條件的變化

從上述對比計算分析可見，黃河河口多延伸約20 km，在三角洲頂點導致1.68 m抬升的情況下，在大約20 a時間內(nèi)，濼口以下河道增淤量比較明顯，可以占到該河段總淤積量的25%以上。但河口抬升在20 a內(nèi)對濼口以上的淤積影響不大，就整個下游而言，20 a累計增淤量約占總淤積量的2.9%。相似地，在河口不延伸，即相對實際少延伸近30 km，三角洲頂點抬升量累計減小2.71 m的情況下，也只在濼口以下兩河段的減淤量明顯，整個下游20 a累計減淤量占總淤積量的比例為4.4%。這些數(shù)字表明，黃河下游的淤積主要是現(xiàn)有來水來沙條件不適應下游邊界條件的結(jié)果。這種不相適應緣于流域產(chǎn)沙長期變化和下游地貌長期演化。一方面，近1 000多a來黃河來沙經(jīng)歷了一個逐漸增大的過程，至20世紀中葉增加了一倍多［20-21］，雖然1976—1996年下游來沙量已降到了年均8.6億t（花園口站），但與此同時水量也顯著減小，因此即使已經(jīng)形成了與原來水沙條件相適應的河床邊界條件，這一邊界條件下也將不能滿足輸送增加了的來沙量而發(fā)生持續(xù)淤積。盡管河流有自動調(diào)節(jié)以期適應新的水沙條件的傾向，但是在黃河通過沿程淤積而增大其比降的過程中，不只抬高正在行水的河床，還將不斷改道，填高黃河下游面積達20多萬km2的沖積平原，因此黃河下游的這種調(diào)整過程很可能將十分漫長而不能及時適應逐漸增加來沙的條件。另一方面，黃河下游所在的華北平原是中生代以來發(fā)育的沉陷盆地，全新世以來該平原沉積厚度在20 m上下［22］，目前仍在以1～3 mm/a的速率下沉［23］，而且在黃河下游中上段黃河沖積扇所在區(qū)域下沉速率較大，這進一步延長了黃河自動調(diào)節(jié)需要的時間。第三，從渤海和黃海沿岸黃河曾經(jīng)入海岸段的貝殼堤和沙堤發(fā)育過程看，過去幾千年來，黃河入海口在向外延伸［11］，降低了下游河道的比降，從而也遲滯了黃河自動調(diào)整達到均衡的時間?？偠灾?，以上多種原因造成了現(xiàn)代（1976—1996年）黃河水沙過程與已形成的邊界條件不相適應的狀況，因此新的河口伸縮在黃河下游造成的淤積量的增減占總淤積量的比例很小。

如上所述，歷史上曾發(fā)生因水沙條件變化使黃河下游遠離沖淤平衡態(tài)的現(xiàn)象，近年來隨著黃河中上游流域產(chǎn)輸沙逐漸減少［24-25］，尤其是1999年10月小浪底水庫投入運用以后，黃河下游來水來沙條件已發(fā)生了顯著變化（見圖6，其中2000年以前淤積量來自文獻［26］，2000年以后淤積量來自張原鋒的研究結(jié)果），下游河道不再發(fā)生持續(xù)淤積，反而經(jīng)歷了不斷的沖刷過程（見圖6）。按式（1），假設河口變動造成河段比降由J0變成了J1，則河口變動引起的增減淤量在下游沖淤量的占比可表示為 αβQaCbup（） /［α（QCup-）］，若趨于輸沙平衡，則意味著該式分母接近于0，這樣河口變動引起的增減淤量在下游沖淤量的占比將明顯增大，即在河流趨近輸沙平衡時，下游的沖淤將主要因河口變動而發(fā)生。上述改走清水溝后河口河道長度未再延長情景中，濼口以下河段減淤量于1983—1991年在河段總沖淤量中所占的比例大于100%（見圖5（a）），就是因為濼口以下河段在此期淤積量較小。同理，若因水沙變化造成輸沙不平衡，則越偏離輸沙平衡態(tài)，河口變動引起的增減淤量在下游沖淤量的占比應越小。

盡管近年來輸沙量仍在明顯減少，但是下游沖刷量卻在逐漸降低（見圖6）。若未來下游趨近輸沙平衡，且在少量來沙條件下，河口能維持緩慢但長期持續(xù)的延伸，則將最終促使下游河道從輸沙平衡向緩慢淤積轉(zhuǎn)變。這個過程發(fā)展的速度和幅度將決定于未來來水來沙狀況。量定河口延伸在這個過程中所起的作用需要根據(jù)近20 a的下游沖淤與水沙條件及河口變動等資料重新率定式（1）的參數(shù)，也需要預測未來水沙條件以及海平面的變化等。

5 結(jié) 論

通過建立黃河下游分河段河道斷面平均沖淤量與水沙因子和河段比降之間的關系式，計算分析了1976—1996年來水來沙條件下現(xiàn)河口河道延伸與假設繼續(xù)走刁口河在黃河下游造成的增淤量及其在黃河下游總淤積量的占比，發(fā)現(xiàn)黃河下游在強烈、持續(xù)的淤積中，河口延伸主要在濼口以下河段造成增淤，在該河段淤積量中占比較大，但河口延伸增淤量在黃河下游總淤積量中占比較小，20 a累計增淤量占整個下游總淤積量的不到5%。這種現(xiàn)象主要是長期以來黃河來沙量逐漸增大、黃河下游兩岸沖積平原構(gòu)造下沉、歷史上三角洲建造的結(jié)果。河口變動對下游沖淤的影響程度與來水來沙關系密切，下游河道輸沙越接近平衡，河口變動引起的增減淤量在下游沖淤量的占比越大。近20 a來黃河下游來水來沙量顯著減小，下游河道發(fā)生不斷沖刷，但是沖刷程度逐年減緩。隨著趨于輸沙平衡，河口延伸對下游沖淤過程的影響程度將相對加大，并且在長期緩慢但不斷積累的河口延伸中使下游河道轉(zhuǎn)向低速淤積狀態(tài)。