不平衡輸沙條件下河道斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律試驗研究

關(guān)鍵詞：橫斷面；形態(tài)調(diào)整；不平衡輸沙；物理模型試驗；黃河下游

中圖分類號：ＴＶ１４７；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０１８

引用格式：楊芬嬌，韓沙沙，趙連軍，等．不平衡輸沙條件下河道斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：１２７－１３１．

０引言

２１世紀(jì)以來，受氣候變化與人類活動的雙重影響，進(jìn)入黃河下游的水沙條件發(fā)生了顯著變化［１－３］ ，下游河道長期處于非平衡輸沙狀態(tài)，河道持續(xù)沖刷，斷面形態(tài)大幅調(diào)整，嚴(yán)重威脅下游河道防洪安全。雖然河道均為沖刷，但不同河段、不同時段斷面形態(tài)調(diào)整模式有所差異，尤其是２０１８ 年之后，在大水大沙過程作用下斷面形態(tài)呈現(xiàn)出新的特征。斷面形態(tài)調(diào)整直接影響河勢穩(wěn)定，明晰近期水沙情勢、不平衡輸沙條件作用下橫斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律，對未來黃河下游河勢控制、畸形河勢治理等具有重要借鑒意義。

目前針對黃河下游橫斷面的研究主要分為兩類。第一類研究基于地形等實測資料分析典型橫斷面形態(tài)變化特征，計算不同時空尺度的斷面形態(tài)特征參數(shù)（主槽面積、河寬、水深與河相系數(shù)等），并建立各參數(shù)與影響因素之間的經(jīng)驗關(guān)系［４－７］ ，如：Ｗａｎｇ 等［４］ 基于１９６５—２０１５ 年黃河下游花園口—利津區(qū)間８２ 個斷面資料，分析主槽幾何形狀的調(diào)整過程，研究發(fā)現(xiàn)主槽的面積、寬度、深度呈現(xiàn)先減小后增大、再減小、最后再增大的變化趨勢；Ｘｉａ 等［５］ 研究了小浪底水庫運(yùn)行后黃河下游游蕩段斷面尺度與河段尺度平灘河寬的變化過程，并建立了其與平均水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗關(guān)系。第二類研究主要通過數(shù)學(xué)模型計算或物理模型試驗，來模擬河道河床變形過程［８－１２］ ，如：夏軍強(qiáng)等［８－９］ 建立了考慮河床變形的平面二維混合模型，該模型應(yīng)用于黃河下游花園口—來童寨游蕩型河段，較好地模擬了河床的縱向沖淤、灘岸的后退與淤長過程；江恩慧等［１０］通過概化物理模型試驗，對“揭河底”沖刷期河道橫斷面形態(tài)調(diào)整過程進(jìn)行了深入研究，研究表明河道形態(tài)調(diào)整情況與河道邊界密切相關(guān)，可分為寬淺變窄型、整體下切型和局部調(diào)整型３ 種類型。

綜上所述，針對橫斷面形態(tài)調(diào)整，以往學(xué)者開展了大量研究，但是受近期極端天氣與調(diào)水調(diào)沙雙重影響，新的水沙條件作用下，黃河下游河道橫斷面形態(tài)調(diào)整過程仍需進(jìn)一步系統(tǒng)分析。此外，即使經(jīng)特殊處理后的平面二維河床縱向與橫向變形耦合模型，也無法實現(xiàn)模擬河道橫斷面形態(tài)的詳細(xì)調(diào)整過程［１３－１４］ 。因此，本文采用實測資料分析與物理模型試驗相結(jié)合的研究方法，在明晰黃河下游游蕩型河段斷面形態(tài)調(diào)整過程的基礎(chǔ)上，選取典型河段開展物理模型試驗，以期定量揭示不平衡輸沙條件下橫斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律。

１近期黃河下游游蕩段橫斷面形態(tài)調(diào)整過程

筆者收集整理了２００１—２０２１ 年黃河下游游蕩段５４ 個大斷面數(shù)據(jù)，共計２ ２１２ 個測次?；趯崪y地形數(shù)據(jù)，計算了各斷面主槽面積與河相系數(shù)兩個斷面形態(tài)參數(shù)，以明晰近期黃河下游游蕩段橫斷面形態(tài)調(diào)整過程。此外，因游蕩段河槽形態(tài)沿程變化較大，特定斷面難lgkNcVABggH6pANKwR+QzA==以反映河段整體的斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律，故采用基于對數(shù)轉(zhuǎn)換的幾何平均與斷面間距加權(quán)平均相結(jié)合的方法［１５］ 計算了白鶴鎮(zhèn)—花園口（ＢＨＺＨ—ＨＹＫ）、花園口—夾河灘（ＨＹＫ—ＪＨＴ）、夾河灘—高村（ＪＨＴ—ＧＣ）３個河段尺度的斷面形態(tài)參數(shù)。

１）主槽面積變化。典型斷面及河段尺度的主槽面積累計變化情況見圖１，由圖１（ａ）可知，３ 個典型斷面主槽面積全時段表現(xiàn)為增加趨勢，花園口（ＨＹＫ）、高村（ＧＣ）斷面增加速度分別為１８５．７、１４１．５ ｍ^２／ａ，夾河灘（ＪＨＴ）斷面主槽面積前期增加速度較快，后期有所減緩。由圖１（ｂ）可知，３ 個河段尺度的主槽面積總體呈增加趨勢，其中花園口—夾河灘河段增加速度較快，為２４１．７ ｍ^２／ａ。

２）河相系數(shù)變化。典型斷面及河段尺度的河相系數(shù)變化情況見圖２。由圖２ 可知，３ 個斷面河相系數(shù)均表現(xiàn)為前期大幅度減小，后期增減交替但變化幅度不大；３個河段尺度的河相系數(shù)則表現(xiàn)為全時段減小趨勢，從上游到下游河相系數(shù)減小速度分別為－０．２６、－０．５７、－０．２９ ｍ^－０.５／ａ。

２物理模型試驗方案

由上述實測地形資料分析可知，花園口—夾河灘河段斷面形態(tài)變化相對較大，故選取該段中典型河段黑崗口—柳園口河段為原型開展物理模型試驗，試驗河段所在位置見圖３。本試驗在黃河水利科學(xué)研究院模型黃河試驗基地進(jìn)行。模型參照“黃河小浪底至陶城鋪河段大型河工模型”修建，水平比尺６００，垂直比尺６０，模型主體長約３０ ｍ，平均寬約７ ｍ，縱比降為０．１９２‰。試驗懸沙采用中值粒徑為０．０１３ ｍｍ 的粉煤灰，床沙粒徑為０．０６１ ～ ０．０７０ ｍｍ，模型初始地形為２０２０ 年汛后地形。模型比尺及試驗用沙依據(jù)黃河水利科學(xué)研究院多年動床模型選擇，遵循黃河泥沙模型相似定律［１６］ 。

整個試驗場地由前池、模型試驗段、尾門及控制系統(tǒng)等部分組成，沿程布設(shè)ＣＳ３＋１、ＣＳ５＋１、ＣＳ７、ＣＳ８－１共４ 個測驗斷面，各斷面從水邊線開始橫向每隔１０ ｃｍ布設(shè)流速、含沙量觀測點，每隔５ ｃｍ 布置地形觀測點，見圖４ 與圖５。測驗項目包括初始地形及試驗放水結(jié)束后測量的地形（簡稱水后地形），各斷面流速、含沙量、水位、水深（水下地形）、沿程水位。

試驗中保持相同的初始河道邊界條件，開展２０００、３０００、４０００、５０００ ｍ^３／ｓ 四級流量下斷面形態(tài)調(diào)整試驗。為探究不同輸沙狀態(tài)及不同不平衡輸沙程度對斷面形態(tài)調(diào)整的影響，每組試驗控制進(jìn)口流量不變，僅改變進(jìn)口含沙量，使輸沙狀態(tài)呈現(xiàn)次飽和－超飽和－次飽和交替出現(xiàn)的過程。以４０００ｍ^３／ｓ流量為例，試驗水沙過程見表１。

３模型試驗結(jié)果分析

計算各測驗斷面主槽面積與河相系數(shù)，以定量分析橫斷面形態(tài)變化。由于不同水沙過程作用時，斷面形態(tài)參數(shù)變化趨勢較為一致，因此僅以進(jìn)口流量４０００ ｍ^３／ｓ的水沙過程為例進(jìn)行分析。

１）主槽面積變化。分析４ 個測驗斷面主槽面積變化過程，如圖６ 所示。由圖６（ａ）可知，斷面ＣＳ３＋１主槽沖淤交替，主槽面積在含沙量０ ～５０ ｋｇ／ ｍ^３ 遞增過程中呈沖刷變大趨勢，含沙量繼續(xù)增加及遞減至５０ ｋｇ／ ｍ３的過程中總體表現(xiàn)為主槽淤積、面積減小趨勢，含沙量由５０ ｋｇ／ ｍ^３ 繼續(xù)減小時主槽先沖后淤，沖刷不明顯，這可能與前期斷面大幅沖刷導(dǎo)致的河床粗化有關(guān)。由圖６（ｂ）可知，斷面ＣＳ５＋１ 主槽面積呈先增后減再增的趨勢，進(jìn)口含沙量小于５０ ｋｇ／ ｍ^３ 時呈沖刷狀態(tài)，反之淤積。由圖６（ｃ）可知，斷面ＣＳ７ 主槽面積先沖刷增大后持續(xù)減小，分析其主槽面積呈減小趨勢的原因認(rèn)為，一方面是受上游兩斷面的沖淤變化影響，另一方面則是由于該斷面主槽擺動，原主槽逐步淤積，新主槽塑造較慢，因此斷面整體處于淤積狀態(tài)。由圖６（ｄ）可知，斷面ＣＳ８－１ 主槽沖淤變化與進(jìn)口水沙過程較為相符，基本呈沖刷—淤積—再沖刷的演變規(guī)律。

總的來說，除斷面ＣＳ７ 因主槽擺動主槽面積變化與其他斷面稍有差異外，各測驗斷面主槽基本表現(xiàn)為進(jìn)口含沙量較小時主槽沖刷、面積增大；反之則主槽淤積、面積減小。

２）河相系數(shù)變化。分析各測驗斷面河相系數(shù)的變化過程，如圖７ 所示。由圖７（ａ） 可知進(jìn)口流量４０００ ｍ^３／ｓ作用下，測驗斷面ＣＳ３＋１河相系數(shù)波動起伏，基本表現(xiàn)為先減小后增大，水后斷面河相系數(shù)減小。由圖７（ｂ）可知，測驗斷面ＣＳ５＋１ 河相系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，增減轉(zhuǎn)換點對應(yīng)進(jìn)口含沙量為５０ ｋｇ／ ｍ^３ 左右。由圖７（ｃ）可知，斷面ＣＳ７河相系數(shù)先大幅度減小，隨后波動起伏變化幅度較小。由圖７（ｄ）可知，斷面ＣＳ８－１ 河相系數(shù)大體呈先減小后增大再減小再增大的趨勢。

總的來說，各測驗斷面空間位置不同，河相系數(shù)變化過程稍有差異，但總體表現(xiàn)為主槽沖刷時，河相系數(shù)減小，斷面形態(tài)相對窄深，河床趨于穩(wěn)定；主槽淤積時，河相系數(shù)增大，斷面形態(tài)相對寬淺。

４不平衡輸沙條件下橫斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律

基于各斷面測驗數(shù)據(jù)，計算了河段尺度的主槽面積與河相系數(shù)。對比原型實測資料與模型試驗數(shù)據(jù)，分析河段尺度的斷面形態(tài)參數(shù)與水沙各參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明河段尺度的斷面形態(tài)參數(shù)與來沙系數(shù)之間相關(guān)性較好。原型花園口—夾河灘河段主槽面積、河相系數(shù)與花園口站來沙系數(shù)相關(guān)關(guān)系如圖８（ａ）與圖８（ｂ）所示，模型試驗黑崗口—柳園口河段主槽面積、河相系數(shù)與進(jìn)口來沙系數(shù)相關(guān)關(guān)系如圖８（ｃ）與圖８（ｄ）所示。

由圖８ 可知，無論是原型還是模型，河段尺度主槽面積與來沙系數(shù)成指數(shù)負(fù)相關(guān)，河相系數(shù)與來沙系數(shù)成二次函數(shù)關(guān)系，且擬合精度均較好，即不平衡輸沙條件作用下，主槽面積隨來沙系數(shù)的增大而減小，河相系數(shù)則隨來沙系數(shù)的增大先增大后減小。

５結(jié)論

１）基于２００１—２０２１年黃河下游游蕩段５４個大斷面數(shù)據(jù)，計算河段尺度的主槽面積與河相系數(shù)兩個斷面形態(tài)參數(shù)，結(jié)果表明白鶴鎮(zhèn)—花園口、花園口—夾河灘、夾河灘—高村３ 個河段中，花園口—夾河灘河段斷面形態(tài)變化相對較大。

２）選擇斷面形態(tài)變化相對較大的花園口—夾河灘河段中典型河段為原型，開展了相同初始河道邊界條件、不同水沙過程作用下斷面形態(tài)調(diào)整物理模型試驗，模型垂直比尺６００、水平比尺６０。分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各測驗斷面基本呈現(xiàn)進(jìn)口含沙量較小時主槽沖刷、面積增大，河相系數(shù)減小，斷面形態(tài)相對窄深；進(jìn)口含沙量較大時主槽淤積、面積減小，河相系數(shù)增大，斷面形態(tài)相對寬淺的規(guī)律。

３）對比原型資料與試驗數(shù)據(jù)，分析河段尺度斷面形態(tài)參數(shù)與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，主槽面積與來沙系數(shù)成指數(shù)負(fù)相關(guān)，河相系數(shù)與來沙系數(shù)則成二次函數(shù)關(guān)系，擬合精度較高，即不平衡輸沙條件下，主槽面積隨來沙系數(shù)的增大而減小，河相系數(shù)則隨來沙系數(shù)的增大先增大后減小。