河道整治工程對(duì)游蕩型河道斷面形態(tài)的影響

許琳娟，王森森,2，李軍華，趙萬(wàn)杰,3，李名揚(yáng),3

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

為了保障黃河下游兩岸防洪及灘區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，20世紀(jì)50年代，在黃河下游陶城鋪以下彎曲性河段開始修建控導(dǎo)工程；取得成功后，20世紀(jì)60年代推廣至高村—陶城鋪之間的過(guò)渡性河段；隨著河道整治原則的不斷改進(jìn)，20世紀(jì)80年代，黃河下游高村以上的游蕩型河道開始進(jìn)行重點(diǎn)整治[1]，在“八五”科技攻關(guān)期間，治黃工作者通過(guò)對(duì)黃河下游游蕩型河道河勢(shì)演變規(guī)律進(jìn)行分析，提出了“微彎型整治方案”[2-3]。實(shí)施該方案后，游蕩型河道主流及邊界擺動(dòng)范圍明顯減小，大部分河段河勢(shì)得到初步控制，在一定程度上保護(hù)了堤防安全，緩解了下游防洪壓力。尤其是2006年以來(lái)，河道整治建設(shè)進(jìn)程加快，工程密度大幅增加，其“寬、淺、散、亂”的河槽形態(tài)進(jìn)一步改善。近些年，黃河下游的水沙條件發(fā)生變化使得下游河道的斷面形態(tài)演變更為復(fù)雜。

長(zhǎng)期以來(lái)，治黃工作者及科研人員針對(duì)黃河下游河道的斷面形態(tài)變化開展了大量研究，積累了豐富的成果：厘清了影響斷面形態(tài)的最主要因素[4]；探討了在不同水沙條件下河道斷面形態(tài)演變的機(jī)理[5]以及在不同時(shí)期、在不同水沙條件下河道斷面形態(tài)變化的過(guò)程[6]及調(diào)整規(guī)律[7-8]；分析了黃河水沙變化與河道斷面參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系[9-10]以及河道邊界條件對(duì)斷面形態(tài)的影響[11-12]。在河道形態(tài)參數(shù)自身演變方面，采用實(shí)測(cè)資料、理論推導(dǎo)及物理模型試驗(yàn)等手段，分析了不同時(shí)期黃河下游主槽斷面形態(tài)參數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律和調(diào)整過(guò)程[13-14]，已初步建立了河道橫斷面形態(tài)調(diào)整的理論體系[15]。

以上研究表明，不同來(lái)水來(lái)沙及河道邊界條件均對(duì)河道斷面形態(tài)演變起著非常重要的作用，然而目前的成果大多是基于這兩方面來(lái)分析下游河道形態(tài)的演變，偶有河道整治工程對(duì)其影響的研究也是通過(guò)試驗(yàn)手段進(jìn)行的定性描述[16]，尚缺乏整治工程密度與河道斷面形態(tài)參數(shù)間相關(guān)關(guān)系的定量研究。本文統(tǒng)計(jì)1960—2014年游蕩型河道整治過(guò)程及形成的工程密度，基于黃河下游游蕩段長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水文和斷面地形資料，采用單因素分析方法研究在同流量條件下不同時(shí)期游蕩型河道整治工程密度對(duì)斷面形態(tài)參數(shù)(河寬、水深及河相系數(shù))的影響。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

黃河下游河道不同河段河型特點(diǎn)見圖1。其中，高村以上為游蕩型河道，長(zhǎng)299 km，縱比降為0.172‰～0.265‰，河身相對(duì)順直，灘槽高差較小、灘地廣闊，河道水流散亂、斷面寬淺，主河槽寬度達(dá)3～5 km，主流遷徙不定，河道泥沙沖淤嚴(yán)重，河勢(shì)游蕩強(qiáng)烈，斷面形態(tài)變動(dòng)頻繁，河相系數(shù)變動(dòng)范圍大。新中國(guó)成立前歷史上頻繁決口，黃河下游游蕩型河道是黃河防汛重點(diǎn)河段。新中國(guó)成立后，通過(guò)河道整治工程試驗(yàn)、河勢(shì)演變規(guī)律分析、河段治理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等，對(duì)游蕩型河道進(jìn)行了長(zhǎng)期的綜合整治，在防洪安全、河勢(shì)控制等方面取得諸多成就和成果。

圖1 黃河下游河道

21世紀(jì)初小浪底水利樞紐運(yùn)用以來(lái)，黃河下游的水沙過(guò)程發(fā)生了顯著變化，流量年內(nèi)分配方案更改，進(jìn)入下游的沙量銳減，游蕩型河道整治面臨新的水沙情勢(shì)。近年來(lái)，隨著國(guó)家投資力度增加，河道整治工程修建的步伐明顯加快。2002—2006年，江恩慧等[17-18]開展了黃河下游游蕩型河道河勢(shì)演變的機(jī)理研究，取得重大突破性成果，并應(yīng)用該成果進(jìn)一步優(yōu)化了游蕩型河道整治方案。至此，東壩頭至高村河段的河道整治工程進(jìn)一步完善，東壩頭以上河段的河道整治工程得到了快速發(fā)展。

為更好地反映游蕩型河道工程建設(shè)情況，定義河道整治工程密度為游蕩型河道修建的河勢(shì)控導(dǎo)工程總長(zhǎng)度與河道長(zhǎng)度的比值，該指標(biāo)間接反映了河道整治工程對(duì)該河段河勢(shì)的約束能力。為進(jìn)一步細(xì)化游蕩型河道整治工程建設(shè)周期的劃分，收集了黃河下游游蕩型河道逯村控導(dǎo)工程至三合村控導(dǎo)工程(白鶴—高村河段)的修建及改建的具體過(guò)程，將收集到的數(shù)據(jù)按照年份統(tǒng)計(jì)梳理后，繪制出1960—2014年該河段河道整治工程密度的變化情況，見圖2。這里的河道整治工程只包含對(duì)河勢(shì)起約束作用的控導(dǎo)工程，不包含險(xiǎn)工。從圖2可以看出，該河段的工程密度整體呈逐年增大的趨勢(shì)，結(jié)合圖中變化曲線的拐點(diǎn)以及黃河下游河道整治工程建設(shè)實(shí)際情況，工程建設(shè)大致可分為3個(gè)時(shí)期:即1960—1973年、1974—2005年、2006—2014年。1974—2005年為游蕩型河道河勢(shì)控導(dǎo)工程的密集建設(shè)期，工程密度從1974年的16%增加到2005年的55%，增幅約達(dá)244%。2005年以后，由于河道所受的人工約束已較強(qiáng)，河道整治工作多為已有工程的改建和擴(kuò)建，截至2014年，游蕩型河道河勢(shì)控導(dǎo)工程密度已達(dá)70%以上。

圖2 1960—2014年黃河下游游蕩型河道整治工程密度

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2 游蕩型河道整治工程對(duì)斷面形態(tài)的影響

2.1 游蕩型河道典型河段整治工程密度

以水文站測(cè)量斷面為劃分依據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)鐵謝至花園口和花園口至夾河灘這兩個(gè)河段的河勢(shì)控導(dǎo)工程密度情況，進(jìn)而分析不同的整治工程密度對(duì)河道斷面形態(tài)的影響。鐵謝至花園口河段全長(zhǎng)約為103 km，河段內(nèi)有控導(dǎo)工程17處，截至2014年，控導(dǎo)工程總長(zhǎng)度近80 km。河段內(nèi)首個(gè)控導(dǎo)工程——花園鎮(zhèn)控導(dǎo)工程于1964年開始建設(shè)，工程長(zhǎng)度僅0.44 km。1970年，鐵謝至花園口河段工程密度僅為2.90%，開展河道整治工程建設(shè)后該河段工程密度快速增大，1974年已經(jīng)提升到18.67%。1974年開始大規(guī)模修建河道整治工程，河段內(nèi)的控導(dǎo)工程長(zhǎng)度由1973年的10 km增長(zhǎng)至1974年19 km，工程密度增長(zhǎng)了近1倍。此后，該河段內(nèi)河道整治工程不斷開始建設(shè)、延長(zhǎng)、完善，工程密度逐年增大，見圖3。1974—2014年，河段內(nèi)控導(dǎo)工程的密度從18.67%提升至77.45%，游蕩性河勢(shì)得到了更加有效控制，主流擺動(dòng)范圍明顯縮小，在一定程度上緩解了下游的防洪壓力。

圖3 1960—2014年鐵謝至花園口河段工程密度

花園口至夾河灘河段全長(zhǎng)約為107 km，到2014年河段內(nèi)有河道整治工程22處，全長(zhǎng)約為69 km，河段內(nèi)的工程密度自1960年起呈逐年增大的趨勢(shì)，截至2014年達(dá)到63.87%，見圖4。1989年之后，尤其是2006年以后，河段內(nèi)整治工程的建設(shè)明顯加快，工程密度的增長(zhǎng)率明顯高于1989年之前。

圖4 1960—2014年花園口至夾河灘河段工程密度

2.2 游蕩型河道整治工程密度對(duì)斷面形態(tài)影響

2.2.1不同時(shí)期在同流量條件下河道寬度變化

圖5(a)為鐵謝至花園口河段不同時(shí)期在同流量條件下河道寬度的變化情況。整體來(lái)看，河道整治后河道寬度明顯比河道整治前變窄。隨著時(shí)間的推移，在同流量條件下河道寬度呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)。流量在1 000 m3/s和1 500 m3/s時(shí)，河道寬度分別由1974年前兩個(gè)時(shí)期的1 500 m和1 700 m逐時(shí)期縮小至2011—2014年的708 m和747 m，河道寬度分別縮小52.8%和56.1%。具體來(lái)看，在同流量條件下，1981年(工程密度達(dá)25.62%)之后的河道寬度相比之前一個(gè)時(shí)期明顯縮窄，此后隨著河道整治工程密度逐年增大，斷面河道寬度基本呈逐年減小的趨勢(shì)，說(shuō)明河道整治工程在一定程度上起到了控制河道寬度的效果。2000年至今，隨著小浪底等水利樞紐工程的投入使用，進(jìn)入下游的水沙條件發(fā)生了一定變化，小水流量過(guò)程居多，河道整治工程密度逐年增長(zhǎng)，斷面河道寬度也隨之逐漸減小并得到了較好控制，河道寬度明顯縮窄并維持在500 m至1 000 m。

圖5 不同河段在同流量條件下河道寬度變化

圖5(b)為花園口至夾河灘河段不同時(shí)期在同流量條件下河道寬度的變化情況。由于該河段前期河道整治程度較低，故前期在同流量條件下整治工程對(duì)河道寬度影響不明顯；1992年8月的高含沙洪水刷深主槽、淤高低灘，在一定程度上歸順了主槽，使得截至1993年(工程密度達(dá)29.94%)，在同流量下河道寬度有所增加，該時(shí)間段內(nèi)來(lái)水來(lái)沙對(duì)河道寬度影響較大。該時(shí)期后，隨著整治工程密度的增加，在同流量條件下河道寬度有所減小，一直到2010年，整治工程密度增加到約62.76%，其后工程密度基本保持穩(wěn)定，故從1994到2010年，隨著時(shí)間的推移，在同流量條件下河道寬度持續(xù)減小。2011—2014年，隨著小浪底水庫(kù)的運(yùn)用，下游河道整體保持沖刷狀態(tài)，河道平灘流量增大，過(guò)水能力增強(qiáng)，同時(shí)，該時(shí)期整治工程密度從2011年的62.76%增加到2014年的63.87%，新建、增建的工程很少，故該段時(shí)期內(nèi)水沙條件對(duì)河道寬度影響較大。由此可見，在花園口至夾河灘河段，除特殊年份外，其余年份隨著工程密度的增加，在同流量條件下河道寬度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

由以上兩河段不同時(shí)期的同流量與河道寬度關(guān)系以及河段內(nèi)工程密度隨時(shí)間的變化過(guò)程可知：河道整治工程對(duì)控制斷面河道寬度的作用是顯著的，工程建設(shè)完善、工程密度較大的河段，斷面河道寬度明顯縮窄；而工程密度較小時(shí)，河段的游蕩性尚未得到控制，在同流量下河道寬度變幅較大。

2.2.2不同時(shí)期在同流量條件下水深變化

圖6(a)為鐵謝至花園口斷面不同時(shí)期在同流量條件下水深的變化情況。1980年之前，花園口以上河段河道整治工程特別少，工程密度僅為24.64%，該時(shí)期工程對(duì)水深影響很小。1981—1999年，工程密度增加到50.03%，該時(shí)期內(nèi)在同流量條件下水深整體呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)；而2000—2004年在同流量條件下水深下降，是因?yàn)樵摃r(shí)期工程密度增加較慢，對(duì)水深影響較小，同時(shí)遇上前幾年持續(xù)的枯水少沙年，主槽淤積,水深降低，該時(shí)期水沙條件對(duì)水深影響較大。2004年以后，尤其是2006年以后，國(guó)家加大了對(duì)河道整治工程的投資力度，工程密度增加較快，一直到2014年，均呈現(xiàn)出在同流量條件下水深逐漸增大的趨勢(shì)。

圖6(b)為花園口至夾河灘河段不同時(shí)期在同流量條件下水深的變化情況。與鐵謝至花園口河段水深變化相似，截至1985年，該河段河道整治工程密度僅有21.09%，故該時(shí)期及以前時(shí)期整治工程對(duì)水深影響很小。1986年之后，隨著河道整治工程密度的增加，在同流量條件下水深呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)流量為1 000 m3/s時(shí)，在同流量條件下水深從1981—1985年的1.05 m增加到2011—2014年的2.8 m，增幅為166.7%；當(dāng)流量為1 500 m3/s時(shí)，在同流量下水深從1981—1985年的1.2 m增加到2011—2014年的2.9 m，增幅為141.7%。

圖6 不同河段在同流量條件下水深變化

以上分析表明，河道整治工程對(duì)斷面水深也有一定影響。有些學(xué)者提出，由于整治工程主要通過(guò)改變河道的邊界條件來(lái)約束主流，起到控導(dǎo)主流、穩(wěn)定河勢(shì)的作用[17]，因而工程對(duì)斷面河道寬度的影響是直接的，但對(duì)水深的影響是間接的；同時(shí)，斷面水深變化是河道沖淤的直接結(jié)果[19-22]，河道整治工程對(duì)水深的影響存在一定的滯后性。因此，不管從哪個(gè)層面來(lái)講，在相同水沙條件下，河道整治工程的修建約束了天然水流在橫向上的展寬，水流開始向下淘刷河床，河道逐漸向縱深方向發(fā)展，使得斷面水深逐漸增大。

2.2.3不同時(shí)期在同流量條件下河相系數(shù)變化

圖7 不同河段在同流量條件下河相系數(shù)變化

由于黃河下游游蕩型河道寬淺，水流遷徙不定，河道斷面變化空間大，河相系數(shù)變動(dòng)較大。在進(jìn)行河道整治前，河相系數(shù)變幅較大，河相系數(shù)隨流量增大而劇烈減小。開展河道整治工程之后河相系數(shù)隨流量增大而減小，變化比較穩(wěn)定。在同流量條件下，當(dāng)工程密度達(dá)到50%以上時(shí)，河相系數(shù)基本隨工程密度的增大而減小，反映出河道整治工程對(duì)河道斷面形態(tài)的調(diào)整有重要影響；當(dāng)工程密度小于50%時(shí)，河相系數(shù)受工程影響較小，受水沙條件影響較大。在整治工程修建較完善的近些年，在同流量條件下黃河下游游蕩段河相系數(shù)明顯減小，說(shuō)明在河道整治工程的影響下，斷面趨于窄深，整治工程在一定程度上對(duì)河勢(shì)具有較好的控制作用。

3 結(jié) 論

河道整治工程通過(guò)改變河道邊界條件對(duì)河勢(shì)起到控制作用，影響水流對(duì)河道斷面形態(tài)的塑造。利用1960—2014年黃河下游游蕩型河道鐵謝至花園口、花園口至夾河灘河段大斷面流量和地形資料，結(jié)合河道整治工程密度，比較各河段河道整治過(guò)程中在不同時(shí)期、不同工程密度下的斷面形態(tài)參數(shù)的變化，分析了河道整治工程對(duì)黃河下游游蕩型河道斷面形態(tài)的影響，主要結(jié)論如下：河道整治工程在達(dá)到一定密度時(shí)對(duì)河道斷面形態(tài)有明顯的改善作用，在一定程度上限制了河段的游蕩特性。隨著河道整治工程密度的增大，在同流量條件下河道寬度逐漸減小，水深有所增大，河相系數(shù)逐漸減小，斷面明顯趨于窄深，該斷面形態(tài)有利于河勢(shì)穩(wěn)定，提高主槽輸沙能力。河道整治工程在密度較小時(shí)，不能有效控制河勢(shì)，河段的游蕩特性突出，在同流量條件下的河道寬度、水深、河相系數(shù)都變動(dòng)頻繁，變幅較大。在特殊年份，如豐水、豐沙年份，來(lái)水、來(lái)沙條件對(duì)河道斷面形態(tài)影響較大，當(dāng)河道整治工程密度達(dá)到一定條件(如50%以上)且遇特殊年份時(shí)，應(yīng)對(duì)該情況下影響河道斷面形態(tài)的主要因素做進(jìn)一步深入分析。