黃河口雙流路同時行河運用年限研究

關(guān)鍵詞：同時行河；沖淤臨界流量；起分流量；行河年限；黃河口

中圖分類號：Ｐ３３３．４；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０１０

引用格式：錢裕，徐東坡，王倩雯，等．黃河口雙流路同時行河運用年限研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：４６－５０．

１研究

背景自１９５０ 年有實測資料以來，年均進入黃河口的沙量達６．５６ 億ｔ，而黃河河口屬于弱潮陸相河口，海洋動力不足以輸送如此巨量的泥沙，造成河口不斷淤積、延伸、擺動、改道。為了給黃河留有出路，規(guī)劃刁口河作為現(xiàn)行清水溝流路行河完成后優(yōu)先啟用的備用流路［１］ 。２０ 世紀８０ 年代以來，受氣候條件和人類活動的雙重影響，黃河來水來沙情勢發(fā)生明顯變化，進入河口的沙量大幅度減少，其中１９８７—１９９９ 年、２０００—２０１９ 年的年均沙量分別為４．２ 億、１．３ 億ｔ，分別占１９８７ 年以前年均沙量的４１％、１３％。受沙量減少影響，現(xiàn)行清水溝流路的延伸速率明顯減緩，據(jù)預(yù)測清水溝還有較長的行河年限。而自１９７６ 年始，刁口河已停河４６ ａ。由于缺少水沙補給，因此刁口河流路范圍內(nèi)陸域蝕退了２５６ ｋｍ２，刁口河尾閭濕地急劇退化［２］ 。雖然自２０１０ 年以來調(diào)水調(diào)沙期間持續(xù)向刁口河濕地補水，生態(tài)環(huán)境得到一定改善，但受補水規(guī)模和范圍的限制，生態(tài)系統(tǒng)逆向演替仍未得到有效遏制［３－４］ 。

隨著黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展成為國家重大發(fā)展戰(zhàn)略［５］ ，在保障河口防洪安全的前提下，研究清水溝、刁口河流路同時行河，實現(xiàn)既能為刁口河流路補給水沙，進一步保護和修復(fù)刁口河范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)，遏制岸線蝕退，又能盡可能減小分流對清水溝流路運用的負面影響是十分必要的。本文采用數(shù)學模型分析清水溝和刁口河流路同時行河時不同分流比對清水溝流路運用年限的影響。

２研究方法和數(shù)據(jù)

２．１研究范圍概況

近代黃河三角洲，一般指以寧海為扇面頂點，北起徒駭河口， 南至支脈河（ 也稱支脈溝） 口， 面積約６ ０００ ｋｍ^２的扇形地區(qū)，大致包括１８５５ 年黃河在蘭考銅瓦廂決口改道奪大清河入渤海以來入海流路改道擺動的范圍。１９５３ 年以后，黃河河口三角洲的擺動頂點從寧海暫時下移至漁洼，并進行了三次大的人工改道，即１９５３ 年并汊為神仙溝獨流入海、１９６４ 年改走刁口河流路、１９７６ 年改走清水溝流路。本文研究對象為利津以下河口河段，包括清水溝流路、刁口河流路及兩條流路的近海海域。其中清水溝流路涉及１９７６—１９９６年行河的原河道、１９９７—２０２２ 年行河的清８ 汊以及規(guī)劃的北汊共３ 條汊河［１，６］ 。清水溝、刁口河同時行河的分流點為西河口，見圖１。

２．２計算方法

本文基于水庫—河道—河口水沙動力學模型，進一步改進多條流路行河、河口淤積延伸、海洋動力蝕退等模塊，形成河口多流路行河水沙演進數(shù)學模型，以實現(xiàn)河口地區(qū)多流路同時行河的模擬計算。其中的主要控制方程如下。

２．３數(shù)據(jù)來源

本文主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為１９６０—２０２０ 年艾山、利津水文站實測日均流量、輸沙率，《黃河流域防洪規(guī)劃修編》項目中利津站未來１００ ａ 設(shè)計日均流量、輸沙率，２０２０ 年汛前實測河道大斷面數(shù)據(jù)和近期濱海水下地形數(shù)據(jù)。

３方案擬定

３．１分流原則

（１） 根據(jù)河口河段具有的“洪沖枯淤” 沖淤特性［２］ ，考慮當大河來流較小時，除生態(tài)需水和社會經(jīng)濟發(fā)展需水外，盡可能不分流，以避免分流造成兩流路淤積。

（ ２）當大河來流大于兩流路沖淤臨界流量之和時，按沖淤臨界流量分流給刁口河，在控制河道淤積的基礎(chǔ)上滿足刁口河流路各項功能需求。

（３）當清水溝流路流量達到平灘流量時，為了保障清水溝灘區(qū)防洪安全，控制清水溝流路按平灘流量行河，多余水量分流給刁口河。

（４）當?shù)罂诤恿髁窟_到平灘流量時，由于刁口河防洪工程較為薄弱，且灘區(qū)保護對象較多，因此優(yōu)先保障刁口河灘區(qū)防洪安全，控制刁口河流路按平灘流量行河，多余水量走清水溝，清水溝轉(zhuǎn)為防洪運用。

３．２分流流量的選擇

為了盡量避免分流造成清水溝淤積［７－１１］ ，根據(jù)場次洪水沖淤特性分析河口河段沖淤臨界流量。統(tǒng)計１９６０ 年以來歷次洪水期間利津水文站平均流量與艾山—利津河段沖淤量的關(guān)系，如圖２ 所示（圖中Ｓ 為含沙量）。由圖２ 可知，隨著流量逐漸增大，艾山—利津河段整體呈現(xiàn)淤積量逐漸減小或者沖刷量逐漸增大的趨勢。從場次洪水沖淤特性分析，進入河口的流量為１ ６００～２ ２００ ｍ^３ ／ ｓ 時河口河段接近沖淤平衡。這與通過分析利津站河槽高程與流量過程的關(guān)系得出河口河段沖淤臨界流量為１ ５００～１ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 接近。

黃河下游特別是高村以下河道減淤要求小浪底水庫出庫流量應(yīng)兩極分化。汛期平水期和非汛期，應(yīng)盡量控制小黑武（小浪底站＋黑石關(guān)站＋武陟站）流量不大于８００ ｍ^３ ／ ｓ，以避免“沖河南、淤山東”；洪水期，為使下游河道取得較好的減淤效果，應(yīng)控制小黑武流量不小于２ ６００ ｍ^３ ／ ｓ?？紤]黃河下游引水和洪水坦化，進入河口地區(qū)的調(diào)控流量應(yīng)不小于２ ２００ ｍ^３ ／ ｓ。

因此，從減輕河口河段淤積的角度考慮，洪水期控制清水溝流路分流流量不小于沖淤臨界流量（１ ６００～２ ２００ ｍ^３ ／ ｓ）、刁口河流量不小于１ ６００ ｍ^３ ／ ｓ，同時假定清水溝、刁口河兩條流路的中水河槽泄流規(guī)模均為４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ，據(jù)此擬定兩個分流方案，見表１。

根據(jù)表１ 中擬定的兩個分流方案，結(jié)合擬定的分流原則， 當大河來流大于３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ （ 方案２ 為３ ２００ ｍ^３ ／ ｓ）時按照１ ６００ ｍ^３ ／ ｓ 向刁口河分流，且維持到清水溝流路流量達到平灘流量４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ；之后維持清水溝流路流量為４ ０００ ｍ^３／ ｓ，逐漸增大刁口河分流流量， 直到刁口河流路流量達到平灘流量４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ；控制刁口河流路流量為４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ，清水溝流路發(fā)生漫灘，轉(zhuǎn)為防洪運用。分流過程如圖３所示。

３．３分流天數(shù)及分水分沙量

根據(jù)擬定的分流方案，刁口河分流流量在１ ６００～４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ之間，方案一、方案二的分流比均在２８．６％～５０．０％之間變化。刁口河分流分沙統(tǒng)計見表２。

受中游水庫群調(diào)蓄和下游河道演進影響，進入河口水沙過程兩極分化，大流量主要集中在３ ６００ ～４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ。由圖３ 可知， 方案一大河來流大于３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ時開始向刁口河分流，且在清水溝漫灘前維持流量１ ６００ ｍ^３ ／ ｓ，因此刁口河流量主要集中在１ ６００ ｍ^３ ／ ｓ。汛期１ ６００ ～ １ ７００ ｍ^３ ／ ｓ 流量天數(shù)年均６．５７ ｄ，占９６．１％，其他流量天數(shù)只有０．２７ ｄ，占３．９％；非汛期分流只發(fā)生在調(diào)水調(diào)沙期，年均１ ｄ；全年分流天數(shù)７．８４ ｄ。汛期１ ６００ ～１ ７００ ｍ^３ ／ ｓ 對應(yīng)的水量為９．０８ 億ｍ^３，占９３．４％，其他流量對應(yīng)的水量為０．６４ 億ｍ^３，占６．６％；非汛期分流１．３８ 億ｍ^３；全年分流１１．１０ 億ｍ^３。

汛期１ ６００～１７００ ｍ^３ ／ ｓ 對應(yīng)沙量為０．４４ 億ｔ，占９１．７％，其他流量對應(yīng)的沙量０．０４ 億ｔ，占８．３％；非汛期分沙０．０２ 億ｔ；全年分沙０．５０ 億ｔ。方案二刁口河流量也主要集中在１ ６００ ｍ^３ ／ ｓ。汛期１ ６００～１ ７００ ｍ^３ ／ ｓ 流量天數(shù)年均１６．５７ ｄ，占９８．４％，其他流量天數(shù)只有０．２７ ｄ，占１． ６％；非汛期分流只發(fā)生在調(diào)水調(diào)沙期， 年均８．０５ ｄ；全年分流天數(shù)２４．８９ ｄ。汛期１ ６００～１ ７００ ｍ^３ ／ ｓ對應(yīng)水量為２２．９０ 億ｍ^３，占９７．３％，其他流量對應(yīng)的水量為０．６４ 億ｍ^３，占２．７％；非汛期分流１１．１３ 億ｍ^３；全年分流３４．６７ 億ｍ^３。汛期１ ６００～１ ７００ ｍ^３ ／ ｓ 對應(yīng)沙量為０．９８ 億ｔ，占９６．１％，其他流量對應(yīng)沙量為０．０４ 億ｔ，占３．９％；非汛期分沙０．１４ 億ｔ；全年分沙１．１６ 億ｔ。

４結(jié)果

４．１行河年限變化

基于數(shù)學模型開展不同分流方案行河的模擬研究，其中基本方案為不分流，僅使用清水溝流路，按照清８ 汊、北汊、原河道先后次序運用，以西河口流量為１０ ０００ ｍ^３ ／ ｓ的水位達到１２ ｍ（大沽高程）為改汊控制條件。分流方案是把清水溝流路作為主河，按照擬定的分流過程向刁口河進行分流。計算表明行河年限、西河口水位受清水溝流路控制。模型計算結(jié)果見表３，由表３ 可知基本方案與分流方案一的總行河年限一致，只是清水溝流路中汊河使用年限略有差異。方案二行河年限為６９ ａ，較基本方案、方案一縮短１６ ａ?？梢姺桨敢荒昃至鳎保保保?億ｍ３、分沙０．５０ 億ｔ，對清水溝行河運用年限幾乎無影響，而方案二年均分流３４．６７億ｍ^３、分沙１．１６ 億ｔ 時，分水分沙較多，對清水溝流路產(chǎn)生了較大影響。

４．２西河口水位變化

考慮到西河口水位作為流路運用的改道控制指標，也是流路運用的評價指標，直接影響流路運用年限，因此本文將模擬計算的各方案西河口流量為１０ ０００ ｍ^３ ／ ｓ的水位進行統(tǒng)計，見表４。由表４ 可知，基本方案清８ 汊、北汊、原河道３ 條汊河運用時西河口流量為１０ ０００ ｍ^３ ／ ｓ 的平均水位分別為１１．０６、１１．２５、１１．７７ ｍ，清水溝流路行河期間平均水位為１１．２７ ｍ。分流方案一，清８ 汊、北汊、原河道３ 條汊河運用時西河口平均水位分別為１１．０６、１１．１９、１１．８４ ｍ，清水溝流路行河期間平均水位為１１．２６ ｍ。分流方案二，清８汊、北汊、原河道３ 條汊河運用時西河口平均水位分別為１１．１３、１１．４３、１１．９５ ｍ，清水溝流路行河期間平均水位為１１．３７ ｍ。方案一各汊河行河期間西河口平均水位較基本方案變化范圍為－０．０６～０．０７ ｍ，清水溝流路行河期間降低０．０１ ｍ，變化不大。方案二各汊河行河期間西河口平均水位較基本方案變化范圍為０．０７ ～ ０．１８ｍ，清水溝流路行河期間升高０．１０ ｍ，存在一定影響。

４．３方案比選

利用刁口河分流，清水溝流路和刁口河流路同時行河，不同分流方案對黃河下游和現(xiàn)行清水溝流路防洪以及入海流路運用具有不同影響。

（１）防洪影響。對黃河下游的反饋影響主要通過西河口水位變化來體現(xiàn)，分流方案一，清水溝流路行河期間西河口流量為１０ ０００ ｍ^３ ／ ｓ 的平均水位１１．２６ ｍ，與基本方案相當，比方案二低０．１１ ｍ，對黃河下游反饋影響小。從對清水溝流路的防洪影響來看，兩個方案在大河流量為４ ０００～５ ６００ ｍ^３ ／ ｓ 時均分流１ ６００ ｍ^３ ／ ｓ，減小漫灘的概率相同，但由于方案一行河期間清水溝平均水位相對較低，因此防洪壓力相對較小。從對黃河下游的反饋影響和清水溝流路的防洪來說，方案一較優(yōu)。

（ ２）流路運用。方案一行河年限為８５ ａ，比方案二行河年限長１６ ａ，且方案一對清水溝流路行河基本沒有影響，因此從充分利用清水溝流路行河潛力來說，方案一優(yōu)勢顯著。

（３）工程投資及運行概率。方案一和方案二刁口河的分流范圍均為１ ６００～４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ，都需要建設(shè)分洪閘、進行河道整治、開挖主槽，工程方案費用基本一致。方案二年分水２４．８９ ｄ，比方案一多１７．０５ ｄ，運行概率比方案一高。因此，從工程投資效益來看，方案二略優(yōu)。

綜上分析可知，分流方案一對清水溝流路運用年限、黃河下游及清水溝流路的防洪影響較小，因此推薦采用起分流量為３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 的雙流路同時行河運用方案。

５結(jié)論

通過研發(fā)河口多流路行河水沙演進數(shù)學模型，研究了河口河段沖淤臨界流量，設(shè)置不分流為基本方案，按照清水溝流路流量３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 起分和３ ２００ ｍ^３ ／ ｓ起分設(shè)置２ 個方案，開展了以清水溝流路為主、刁口河流路為輔兩條流路同時行河時流路運用年限研究，得到以下結(jié)論。

（１）不分流方案與３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 起分方案總行河年限一致，均為８５ ａ，而３ ２００ ｍ３ ／ ｓ 起分方案的行河年限為６９ ａ，比不分流方案和３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 起分方案少了１６ ａ。

（２）３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 起分方案年均分流１１．１０ 億ｍ^３、分沙０．５０ 億ｔ，對清水溝流路運用年限基本無影響，而３ ２００ ｍ^３ ／ ｓ起分方案年均分流３４． ６７ 億ｍ^３、分沙１．１６ 億ｔ，對清水溝流路運用年限產(chǎn)生較大影響。

（３）不分流方案行河期間西河口１０ ０００ ｍ^３ ／ ｓ 流量平均水位為１１．２７ ｍ；３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 起分方案，各汊河行河期間西河口平均水位較不分流方案變化范圍為－０．０６～０．０７ ｍ，整個流路行河期間降低０．０１ ｍ，變化不大；３ ２００ ｍ^３ ／ ｓ 起分方案，各汊河行河期間西河口平均水位較不分流方案變化范圍為０．０７～０．１８ ｍ，整個流路行河期間升高０．１０ ｍ，存在一定影響。

（４）從防洪影響、流路運用年限等方面對２ 個分流方案進行比選，３ ８００ ｍ^３ ／ ｓ 起分方案對清水溝流路運用年限、黃河下游及清水溝流路的防洪影響較小，因此推薦采用該分流方案進行黃河河口雙流路同時行河運用，在盡可能發(fā)揮清水溝流路運用潛力的基礎(chǔ)上，最大限度緩解刁口河尾閭濕地退化。

【責任編輯 張帥】