黃河河口演變與流路穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)研究

余欣 吉祖穩(wěn) 王開榮

摘 要：黃河河口清水溝流路清8汊河已進(jìn)入流路自然演變的末期。為此，界定了出汊、改道、流路穩(wěn)定及黃河河口穩(wěn)定的內(nèi)涵，系統(tǒng)分析了近期黃河河口水沙及流路、海岸的新變化，通過試驗(yàn)研究了尾閭河道出汊機(jī)制，綜合提出出汊閾值、觸發(fā)條件以及黃河河口流路穩(wěn)定綜合判別指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，預(yù)判了清水溝清8汊河的穩(wěn)定性，提出近期流路安排應(yīng)優(yōu)先考慮北汊河。

關(guān)鍵詞：河口演變;海岸侵蝕;出汊機(jī)制;流路穩(wěn)定指標(biāo);黃河

中圖分類號：TV856;TV147;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The current active Yellow River Qingshuigou estuarine course has been in the final phase of its morphological changes. It has defined the connotation of channel avulsion， estuarine course change， active course stabilization and estuarine regional stabilization. Analysis is done of the river flow and sediment load regimes and resultant morphological changes to the current course and coastal shore. Through physical model tests， it studied the mechanism of forming branches at tail channel and comprehensively put forward modeling data that leads to the threshold value and triggering conditions for forming branches and composite index for the current course stabilization. With these， the current active course evolving is forecasted before its changing into another course. It is suggested that the next channel thread should change into the North Pass in order to stabilize the current estuarine course.

Key words： estuarine morphological changes; shore erosion;branch forming mechanism; estuarine course stabilization index; Yellow River

目前，黃河河口清水溝流路西河口以下河長為63 km，接近歷史最大河長65 km，清8汊河已處于“重新出汊”階段，進(jìn)入流路自然演變的末期。在黃河河口來沙偏少、河道整體沖刷而口門段卻仍在出汊的新背景下，本研究重點(diǎn)關(guān)注河口出汊的孕育過程、觸發(fā)機(jī)制及流路穩(wěn)定狀態(tài)預(yù)判等，以期為近期流路安排和綜合治理施策提供依據(jù)[1]。

1 與河口穩(wěn)定相關(guān)概念的界定

談及黃河河口演變與治理，要涉及出汊、改道、流路穩(wěn)定和河口穩(wěn)定等概念，為避免混淆，從防洪保安和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展兩個維度作以闡述和界定。

自然狀態(tài)下黃河河口演變經(jīng)常處于“改道后漫流—?dú)w股并汊—單股無汊—重新出汊—改道”周期變化過程。所謂“出汊”，是指在流路尾閭河段出現(xiàn)的局部擺動，是河口流路演變過程中進(jìn)入后期擺動、失穩(wěn)的重要標(biāo)志，單次的出汊未必導(dǎo)致流路大的調(diào)整?！案牡馈笔侵鸽S著流路的持續(xù)運(yùn)用，出汊頻率提高且出汊點(diǎn)逐漸上移，由出汊累積效應(yīng)引發(fā)的流路遷移。在治理實(shí)踐中，這種“改道”可以是受演變規(guī)律主導(dǎo)誘致的自然遷移，也可以是人為因勢利導(dǎo)的提前干預(yù)?？梢哉J(rèn)為“出汊是流路末端小的改道，改道是出汊累積效應(yīng)的觸發(fā)”。

所謂“流路穩(wěn)定”，是相對于流路的改道而言，是指在劃定的流路區(qū)域范圍內(nèi)，按照現(xiàn)有堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，能夠安全承泄流域來水來沙至相應(yīng)的濱海區(qū)域而未發(fā)生流路改道。流路穩(wěn)定是黃河河口穩(wěn)定的必要而非充要條件。

“黃河河口穩(wěn)定”的內(nèi)涵是“洪水不出堤、流路有計(jì)劃、淤積少反饋、地方有結(jié)合”?！昂樗怀龅獭敝高M(jìn)入河口地區(qū)的洪水在兩岸大堤和規(guī)劃的流路中安全運(yùn)行;“流路有計(jì)劃”指遵循流路自然演變規(guī)律，通過預(yù)判出汊時機(jī)和調(diào)控改道過程，因勢利導(dǎo)，合理使用并提前安排流路運(yùn)用方案;“淤積少反饋”指河口延伸對黃河下游河道淤積反饋影響是可控的;“地方有結(jié)合”指流路安排、治理措施實(shí)施要統(tǒng)籌考慮地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)保護(hù)等。

2 入海水沙及河口演變新特點(diǎn)

2.1 年徑流量和來沙量明顯減少[2]

龍羊峽水庫修建前（1950—1986年），黃河多年平均徑流量（利津站，下同）為419億m3，來沙量10.5億t;小浪底水庫調(diào)節(jié)運(yùn)用前的1986—2002年，黃河年均徑流量157億m3，來沙量3.3億t;2003—2018年黃河年均徑流量回升至183億m3，來沙量進(jìn)一步減小為1.4億t（見圖1）。年均含沙量以小浪底水庫開始調(diào)節(jié)運(yùn)用為分界，之前的1950—2002年平均含沙量為25 kg/m3，之后的2003—2018年下降至8 kg/m3，年平均懸沙中值粒徑無趨勢性變化，見圖2。

2.2 流路持續(xù)延伸并出現(xiàn)兩次尾閭出汊

清水溝行河以來，1976—1996年年均來沙量6.3億t，西河口以下河長自27 km增至1996年汛前的最大河長65 km。1996年5月實(shí)行清8改汊工程，河長縮短16 km。當(dāng)年河口來沙量大，至10月河長延伸近6 km。至2018年，黃河河口多年平均來沙量僅1.3億t，但河口仍不斷淤積延伸至63 km，見圖3。

4 河口流路穩(wěn)定判別指標(biāo)

分析總結(jié)1855年以來黃河河口入海流路10次改道的原因，不考慮人工干預(yù)，進(jìn)一步分析得到黃河口流路不同區(qū)段影響其流路穩(wěn)定的主要驅(qū)動因子，見表2。

基于河口不同地貌單元沖淤演化規(guī)律及其主控機(jī)制，以來沙量大小→流路延伸長度→西河口（二）站3 000 m3/s流量水位變化為信息鏈，基于實(shí)測資料，初步構(gòu)建了以西河口（二）站10 000 m3/s流量水位12 m為控制條件的流路穩(wěn)定判別指標(biāo)體系。

該指標(biāo)體系的核心指標(biāo)有4個：①河口入海沙量，是決定流路使用年限及其穩(wěn)定性的核心指標(biāo)，在一個特定的時段內(nèi)，入海沙量越大，流路失穩(wěn)的可能性越大;②西河口（二）站3 000 m3/s流量水位，反映了河口河道的沖淤狀態(tài)和水位基本特征，考慮黃河干流水庫調(diào)控，進(jìn)入河口河段的洪水中，3 000 m3/s流量出現(xiàn)的頻次最高，選用該流量對應(yīng)水位作為指標(biāo)符合未來的水沙情勢，且實(shí)測數(shù)據(jù)可獲得性也比較高;③尾閭流路河長，既反映了其對水位的影響和控制幅度，也反映了河口來沙量大小、濱海地形和海洋動力作用強(qiáng)弱的對比關(guān)系;④西河口（二）站3 000 m3/s流量對應(yīng)水位與改道水位12 m（10 000 m3/s流量改道標(biāo)準(zhǔn)）的差值，該指標(biāo)反映了西河口（二）站在10 000 m3/s流量水位達(dá)到12 m時的河道邊界條件，包括其河床形態(tài)、河道比降、主槽和灘地糙率等。

式中：H為黃河河口流路穩(wěn)定性的綜合判別指標(biāo)（西河口10 000 m3/s流量對應(yīng)水位），m;∑ni=1Ws為河口利津站自起算年份至第n年的累計(jì)來沙量，億t;k為與海洋動力條件和海洋地形有關(guān)的參數(shù)，其值一般為0.26～0.27，海洋動力越強(qiáng)、濱海三角洲前緣地形越陡，其值越小;c為與起算年份的流路河長有關(guān)的參數(shù)，其大小主要取決于流路或汊河運(yùn)用時的原始河長和運(yùn)用當(dāng)年的流路淤積延伸長度;HC為西河口（二）站3 000 m3/s流量對應(yīng)水位與改道水位12 m（10 000 m3/s流量改道標(biāo)準(zhǔn)）之間的差值，其值為1.27～1.87 m，計(jì)算時應(yīng)依據(jù)當(dāng)時的河道邊界條件，利用曼寧公式進(jìn)行估算;HU為計(jì)算時段內(nèi)海平面和三角洲沉降的相對變幅，m，短期內(nèi)可以忽略不計(jì)，長時間尺度要予以考慮。

目前行河的清水溝流路，系1996年清8改汊后的流路，故以1996年為始算年份，其∑Ws值為36.44億t，取k值為0.272，c值為52.54，利用曼寧公式試算得到HC約為1.38 m，HU忽略不計(jì)，則可得到當(dāng)前西河口10 000 m3/s 流量的水位H為10.66 m，距離水位12 m的改道標(biāo)準(zhǔn)僅1.34 m?？芍?，H越接近于12 m，流路失穩(wěn)的可能性、有計(jì)劃改道的必要性就越大。

5 主要認(rèn)識

通過以上研究，得出以下三點(diǎn)認(rèn)識：

（1）近年來，隨著黃河流域大規(guī)模退耕還林還草措施的實(shí)施、重大水利工程建設(shè)以及流域水資源的開發(fā)利用，黃河口入海水沙量明顯減少。這種減少趨勢存在很大的不可逆轉(zhuǎn)性，在此背景下，流路延伸速度減緩，海岸出現(xiàn)了大范圍蝕退，客觀認(rèn)識并承認(rèn)這一現(xiàn)實(shí)，是研究制定黃河口綜合治理方略和措施的重要前提。

（2）綜合研究提出了黃河口尾閭河道出汊的閾值，即來沙系數(shù)>0.01且出汊指標(biāo)>20，也可簡化為沙嘴形態(tài)系數(shù)>2且大河流量>2 500 m3/s。從流路自然演變和人工有計(jì)劃控制兩個維度，提出以西河口（二）站10 000 m3/s流量水位12 m為控制條件的流路穩(wěn)定綜合判別指標(biāo)，即H=0.000 6（k∑ni=1Ws+c）2-0.02（k∑ni=1Ws+c）+HC+HU+8.19，可用于尾閭出汊、流路失穩(wěn)的預(yù)測預(yù)判。

（3）研究得出清水溝流路清8汊河尾閭正處于出汊的孕育過程中，現(xiàn)行流路10 000 m3/s流量水位距12 m的改道標(biāo)準(zhǔn)僅1.34 m，流路失穩(wěn)的風(fēng)險越來越大，應(yīng)盡早安排近期流路。初步分析，可以先改走清水

溝流路北汊河，理由有三：一是對黃河河口生產(chǎn)力布局影響最小;二是可以為孤東圍堤附近海域補(bǔ)充泥沙，減緩侵蝕下切引起的毀堤風(fēng)險;三是在海堤附近而不用乘船就可以近距離欣賞“黃藍(lán)交界”大河入海景觀。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余欣，張?jiān)h，于守兵，等.黃河口演變與流路穩(wěn)定綜合治理研究[J].人民黃河，2018，40 （3）：1-6.

[2] 余欣，王萬戰(zhàn)，李巖，等.小浪底水庫運(yùn)行以來黃河口演變分析[J].泥沙研究，2016，41（6）： 8-11.

[3] JI Z W， ZHAO X， LU Q，et al. The Evolution Characteristics and Dynamic Mechanism of the Mouth Reach in the Yellow River Estuary[J]. Earth and Environmental Science，2019，344：1-9.

【責(zé)任編輯 許立新】