黃河下游典型河段分滯洪模式研究

白 勇，趙蕾蕾，張 波

(河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州 450016)

0 引 言

黃河流域地處我國北方，流域內干旱少雨，水資源匱乏。近年來隨著工、農業的迅速發展，黃河下游水沙矛盾日益突出。目前，黃河下游主河槽過流能力逐年減小，淤積萎縮嚴重，“二級懸河”問題突出，下游防洪形勢更加嚴峻。黃河下游具有廣闊的河漫灘，而漫灘洪水是塑造黃河下游河道形態的主要動力之一。要解決黃河下游主槽淤積和“二級懸河”等問題，應當更加深刻的認識黃河下游灘槽之間相互依存和制約的關系及水沙的可調控性。

洪水是黃河下游泥沙輸送的主要動力，河道形態在洪水期沖淤變化激烈，尤其漫灘洪水之后，河道形態往往都會出現較大變化。在以往的研究中，針對漫灘洪水做了大量的研究。韓其為[1]認為洪水發生漫灘后，泥沙淤積在灘地上，水流又回到主槽中，這樣加大下游河段主槽的沖刷；陳立[2]認為漫灘高含沙水流的灘、槽水沙交換是單向的，即進入灘地的泥沙量多余返回主槽的；侯志軍[3]、羅立群[4]、曲少軍[5, 6]認為黃河下游漫灘洪水一般具有淤灘刷槽的特性；王明甫[7]認為灘地的淤積一定程度上減小了主槽的淤積或加大了主槽的沖刷；張原鋒[8]認為當黃河下游漫灘流量與平灘流量的差值比大于0.5左右時，淤灘刷槽效果比較好；李遠發[9]認為對灘槽而言，無論是游蕩型河道還是彎曲型河道，淤灘刷槽規律都是一致的，不同的河型只是淤灘和刷槽的比例不同；曲少軍[5]、張原鋒[10]認為在水沙調控過程中允許洪水在一定范圍內漫灘是可行的。以上這些成果大都是對漫灘洪水灘槽水沙交換規律的研究，沒有涉及漫灘洪水的調控及灘區分滯洪的可行性研究。

洪水漫灘之后，特別是大漫灘洪水由于其不可控性，往往在灘區造成非常大的破壞，并且由于下游“二級懸河”的發展，導致灘區橫比降加大，洪水一旦進入二灘會直沖大堤，對下游防洪安全造成很大隱患。因此研究如何充分利用小浪底水庫的調節能力和現有的河道整治措施，對黃河下游漫灘洪水進行合理的分滯洪，得到適合黃河下游的漫灘洪水分滯洪方式及灘區運用模式。這些對于黃河下游洪水泥沙調控、防洪安全、灘區開發建設等方面具有十分重要的應用價值。

本文通過對黃河下游典型河段進行動床模型試驗，模擬不同量級漫灘洪水在不同邊界條件下的沖淤特性，進行河道最優量級洪水泥沙調控技術研究，得到黃河下游漫灘洪水泥沙過程控制的可行性方案。

1 材料與方法

1.1 試驗河段

黃河下游夾河灘至高村河段邊界條件復雜，該河段灘區面積較大，并且灘區高程低，橫比降大可達(5.15～5.84)×10-4，是灘槽水沙交換的典型河段。因此，選取夾河灘至高村河段作為試驗河段。夾河灘至高村河段長約73 km，平均縱比降1.56×10-4，河道彎曲率1.15。河道右岸有東明灘，左岸有長垣一灘與長垣二灘兩個灘區，具體位置見圖2。

1.2 試驗設計

本次試驗設計兩種邊界條件，第一種選取2006年汛前地形為初始地形，為現狀邊界條件(無控制自然漫灘，圖1)；第二種為規劃邊界條件(控制漫灘洪水)，選取2006年汛前地形為初始地形，并在原有基礎上對生產堤從新規劃布置并加高0.5 m，在灘區設置進出水口門與導流溝控制漫灘洪水。在規劃邊界條件下，為了驗證典型洪水不同條件下的分滯洪效果，設計了三種灘區的分滯洪模式：方案一，三個灘區同時運用；方案二，長垣一灘、長垣二灘運用；方案三，東明灘和長垣二灘運用。具體布置見圖2。

圖1 現狀邊界條件下模型平面圖Fig.1 The model planar graph of present boundary condition

圖2 規劃邊界條件下模型平面圖Fig.2 The model planar graph of plan boundary condition

試驗水沙條件為“82·8”典型洪水概化的6 000、8 000、10 000、12 000及14 000 m3/s 5個不同量級的洪水過程，見圖3。

圖3 不同量級的“82·8”型洪水過程Fig.3 Different flood process of “82·8”

模型主要比尺見表1。

1.3 驗證試驗

驗證試驗的水沙條件為2006年調水調沙期的水沙過程概化而來的，具體水沙過程見圖4。試驗過程中根據2006年高村水文站的水位流量關系控制尾門水位。圖5為試驗過程中的沿程水位圖，從圖中可以看到，各級洪水的流量水位關系與原型基本一致。

表1 模型比尺總匯Tab.1 Model scale sylloge

圖4 驗證試驗夾河灘站水沙過程原型與模型對比Fig.4 Flow and sediment process of verification test in jiahetan

圖5 2006年調水調沙期間模型沿程水位驗證圖(單位：m3/s)Fig.5 Level verification of water and sediment regulation in 2006

2 試驗結果分析

2.1 現狀邊界條件

表2為現狀邊界條件下三個灘區淹沒面積統計。

從表2中可以看到，灘區淹沒總面積隨著洪峰流量的增大基本呈現增大的趨勢。但是由于現狀邊界條件下，洪水進入灘區具有隨機性與不可控性，所以，當洪峰流量最大時，淹沒面積反而有所減小。另外，在試驗過程中還發現由于現狀邊界條件下，洪水無法及時退出灘區，造成灘區淹沒面積大、淹沒時間長及淹沒損失大。

表2 現狀邊界條件下各量級洪水灘區淹沒面積Tab.2 The flooded area of present boundary test

2.2 規劃邊界條件

表3為規劃邊界條件下各量級洪水灘區淹沒面積統計，由于對生產堤進行了從新規劃和加固，在洪水期，控制6 000 m3/s以上的洪水才應用灘區進行分滯洪，所以6 000 m3/s的灘區淹沒面積為0。從表3中可以看到，灘區淹沒總面積隨著洪峰流量的增大而增大。

表3 規劃邊界條件下各量級洪水灘區淹沒面積Tab.3 The flooded area of plan boundary test

另外對比表2與表3還可以看到，除不易控制的14 000 m3/s量級洪水外，其他量級洪水的淹沒總面積均較自然邊界條件下有所減小。這主要由于：①在規劃邊界條件下，進灘洪水有固定口門，進灘后設置有引流溝，使得漫灘洪水進入二灘以后被引入堤溝河附近的低洼地帶，淤高堤溝河，而不會在灘區漫流亂串。②在規劃邊界條件下在三個灘區尾部均設有出水口門，并且采用了復式斷面的出口控制，有助于大水期滯留淤積，也有利于洪水后期灘區水流可以迅速的回歸主槽，避免滯流，因而洪水期間的灘區淹沒面積和時間相對較短。③長垣二灘與東明灘在長垣一灘的下游，這兩個灘區的分滯洪運用，使得漲峰時刻主槽流量控制在6 000 m3/s左右，長垣一灘可以做到不進流，避免了淹沒損失。在洪峰過后，由于漲峰時刻主槽的大量沖刷，使得主槽平灘流量增大，長垣二灘也可以少進流。不但整體淹沒面積可以減小，主槽沖刷效果也可以增大。

比較自然邊界條件下與規劃邊界條件下的幾次試驗結果可以看到，灘區淹沒面積與漫灘洪水的可控性規劃邊界條件明顯優于自然邊界條件。自然漫灘沿灘地散亂流動，控制漫灘可使進灘水流沿地溝河流動并先淤低凹部位，再逐漸沿堤溝河漫流，淤積向前推進，從而可以有效減小灘區橫比降。總體比較，規劃邊界條件優于自然邊界條件。

2.3 典型洪水不同分滯洪方案

通過對現狀邊界條件與規劃邊界條件下將洪峰流量為8 000與10 000 m3/s作為典型洪水，針對典型洪水不同灘區分滯洪效果進行了試驗研究。

2.3.1 洪峰流量8 000 m3/s不同分滯洪方案研究

在8 000 m3/s下針對3個灘區的不同運用，設計3種分滯洪方案進行模型試驗研究，即方案一、方案二和方案三(方案一為三個灘區同時運用；方案二為長垣一灘、長垣二灘運用；方案三為東明灘和長垣二灘運用)。其沖淤結果見表4，灘區淹沒面積見表5。

表4 8 000 m3/s三種分滯洪方案的沖淤量 億t

注：密度是按1.4 t/m3進行計算的。

表5 三種方案下二灘的淹沒面積 km2

由試驗結果可以看到，方案二中由于東明灘沒有運用，淹沒總面積最小，但方案二中長垣一灘滯洪效果較差，主槽沖刷量較小，所以排除方案二的最優性。在方案一和方案三中，東明灘的進灘流量方案三大于方案一，但是由于滯洪時間較短，其淹沒面積方案一相差不大，而長垣二灘在兩方案中的進灘水量差別不大，灘區淹沒面積相差也不大，但是方案三的總淹沒面積小于方案一的總淹沒面積，所以就淹沒損失而言，方案三與方案一相比，方案三的淹沒損失相對較小。另外方案一和方案三中主槽沖刷量方案三優于方案一，且嫩灘淤積量方案三最小。綜合考慮方案三最優。

2.3.2 洪峰流量10 000 m3/s不同分滯洪方案研究

在10 000 m3/s下針對三個灘區的不同運用，設計三種分滯洪方案進行模型試驗研究，結合8 000 m3/s不同分滯洪方案試驗結果，發現長垣一灘面積較小，滯洪效果較差，所以10 000 m3/s只設計兩種方案，即方案一、方案二(方案一為三個灘區同時運用；方案二為東明灘和長垣二灘運用)。其沖淤結果見表6，灘區淹沒面積見表7。

表6 10 000 m3/s兩種分滯洪方案的沖淤量 億t

注：密度是按1.4 t/m3進行計算的。

由試驗結果可以看到，無論從主槽沖刷效果還是灘區淹沒面積來看，方案二均優于方案一。

3 結 語

(1)規劃條件下，控制漫灘有效進灘水流減小、灘區橫比降低，并且不同條件下的分滯洪方案主槽均呈現沖刷，全斷面呈現淤積。

表7 兩種方案下二灘的淹沒面積 km2

(2)對于規劃邊界條件下最大洪峰流量為8 000 m3/s時主槽沖刷量效果最好，且洪水可控性較好，若黃河下游遭遇大漫灘洪水，小浪底水庫可控制下泄洪峰流量為8 000 m3/s。夾河灘-高村河段灘區運用方式，可開啟東明灘、長垣二灘的滯洪沉沙。

(3)在試驗過程中雖然各試驗方案主槽均呈現沖刷，但嫩灘淤積量都比較大。嫩灘淤積問題還需要進一步研究解決。

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[1] 韓其為.黃河下游輸沙及沖淤的若干規律[J]. 泥沙研究,2004,(3):1-13.

[2] 陳 立,詹義正.漫灘高含沙水流灘槽水沙交換的形式與作用[J]. 泥沙研究,1996,(2):45-49.

[3] 侯志軍,李 勇,王衛紅.黃河漫灘洪水灘槽水沙交換模式研究[J].人民黃河,2010,32(10):63-64.

[4] 羅立群,張 敏,王衛紅,等.黃河下游二級懸河段河勢及漫灘模型分析[J].人民黃河,2010,32(4):15-16.

[5] 曲少軍,申冠卿,李 勇,等.黃河下游寬河段漫灘洪水作用初析[J]. 水利水電科技進展,2006,26(3):7-9.

[6] 曲少軍,申冠卿,魏向陽,等.黃河下游河道排洪能力分析[J].人民黃河,2000,22(11):3-4.

[7] 王明甫,陳 立.高含沙水流游蕩型河道灘槽沖淤演變特點及機理分析[J]. 泥沙研究,2000,(1):1-6.

[8] 張原鋒,劉曉燕,張曉華.黃河下游中常洪水調控指標[J]. 泥沙研究,2006,(6):1-5.

[9] 李遠發,武彩萍,朱 超,等.大洪水時黃河下游河道沖淤規律[J]. 人民黃河,2010,32(12):35-36.

[10] 張原鋒,申冠卿.黃河下游維持主槽不萎縮的輸沙需水研究[J]. 泥沙研究, 2009,(3):8-12.