黃河上游石嘴山河段人工裁彎后引河道調整研究

張興凱，景何仿，喬 橋，李春光

（1.寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 750021； 2.北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021；3.呂梁學院建筑系，山西 呂梁 033400； 4.北方民族大學數學與信息科學學院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

關于彎曲河流上的裁彎取直已經已有較多研究成果，包括彎曲河流的長期演化過程［1］、裁彎初始的機制［2］、牛軛湖和漫灘的沖刷和淤積學［3］、裁彎的類型和在彎曲河流內的分布情況、裁彎和廢棄河道的水動力學［4-6］、以及裁彎后的河道調整［7-9］。對于裁彎取直的研究主要通過野外實測、水槽實驗和數值模擬，但是裁彎發生的原因、形態動力學過程及裁彎前后上下游河道的響應還沒有形成統一的認識，這也說明了裁彎現象的復雜性。

以往關于裁彎取直的研究多數是基于天然裁彎開展的。國外學者利用聲學多普勒剖面儀（ADCP）在美國阿肯色州的White River的5個頸口裁彎獲得了近岸流速，研究了具有復雜平面結構的頸口裁彎的三維流動特征，并為高度彎曲的頸口裁彎總結出了兩個水動力概念模型［5］。隨后，利用三年多收集的高分辨率的水深數據，又研究了其中三個較為活躍的頸口裁彎的河道形態及其演變規律，并提出了一個用來描述頸口裁彎河道演變的概念模型［9］。在不同大小的彎曲河流中頸口裁彎的模式已有較清晰的認識，但是頸口裁彎的演化時間很短，很難捕捉截止過程。在國內，近期以青藏高原偏遠地區的頸口裁彎過程中發展新舊河道的調整為研究，填補了有關彎道動力學和頸口裁彎過程的現有知識空白［1］。LI等利用航拍和遙感影像、水文數據和河岸侵蝕模型揭示了河岸侵蝕造成的潛在頸口裁彎的趨勢［8］。可見，野外觀測和數值模擬有助于科學認識頸口裁彎的水動力調整機制。而天然河流中出現的斜槽裁彎往往與原河道和新河道同步發育，直至牛軛湖出現，這個過程被定義為分汊和匯合，ZINGER等建立了關于斜槽裁彎的概念模型［2］。該概念模型中斜槽裁彎形成過程中出現了回流區、停滯區、流動分離區、螺旋運動和沙壩等，有利于更深刻地研究斜槽裁彎。

相比于天然裁彎，在全球范圍內有許多條河流經歷了大規模的人工裁彎取直，例如匈牙利的Tisza［11］、美國的Mississppi河［12］、德國的Oder河、中國長江的荊江［13］和渭河下游［14］、汾河上的河段（曹家堡下游河段和稷山縣城河段）等。長江中游于20世紀60至70年代在中洲子和上車灣兩處實施人工裁彎工程［16，17］，使得洞庭湖、荊江及三口河道之間的關系發生了調整，河床演變也逐漸發生了變化。因此，李志威等［18］研究了荊江河段4次裁彎后干流河道調整研究，為人工裁彎的研究提供了理論依據。而在國外，基于河流修復項目后形成的斜槽裁彎為研究對象，并在8個月的時間里監測了河道的演變，并得到了一個包含3個階段的斜槽裁彎模型：導致裁彎的初始階段、實際裁彎階段和裁彎后的河道形態調整階段［7］。人工裁彎后，河道長度大幅度的縮短，裁彎效果明顯，水面和床面比降均增大，水流能量變大。盡管一些裁彎取直已經成功實施，但也存在一些失敗案例。例如，德國的Oder河經過人工裁彎后，造成水位下降，流速增加。雖然有利于農田的排水，但斜槽中出現許多淺灘，阻礙了河道的通航。1996年，我國南壘河連續3個彎道實施人工截流，由于河床形態變化過大，導致河道內水流泥沙運移規律發生較大變化，流速顯著增加，造成了上游河道的猛烈侵蝕［13］。因此，對人工裁彎取直后的新河道（引河）調整和流場結構的研究至關重要，直接影響著人工裁彎的成敗。

因此，以黃河寧夏段石嘴山河段上實施的人工裁彎的實測數據資料為基礎，分析了人工裁彎后新河道（引河）的發展過程及河勢演變情況，基于有限體積法的Mike 3 Flow Model 水動力模型，分析了引河內的流場變化，揭示了黃河上游寧夏段增設人工斜槽后河道未來的演變趨勢，為治理黃河上游河道提供理論參考。

1 石嘴山河段人工裁彎的概況

本文研究的四排口河段位于黃河上游寧夏回族自治區石嘴山市平羅縣境內，該河段屬于典型的游蕩性彎道。該河段河道蜿蜒曲折，以細長的“Ω”形彎道為主［圖1（a）］。彎曲河流主槽的寬度為500～1 000 m，平均水寬為650 m，河流縱比降約0.18‰，河床粗糙度0.016～0.027，彎曲率為1.23。平面上呈寬窄相間的藕節狀分布，河道寬淺，水流散亂，沙洲密布，河床組成為細沙、粉細砂，河床抗沖性差，沖淤變化較大，主流游蕩擺動較為劇烈，兩岸主流頂沖點不定，經常出現險情。

圖1 截流工程地形圖Fig.1 Topographic map of the cutoff project

此外，彎道頂點靠近濱河大道，根據Google地圖可以發現，距離最近僅有20 m［圖1（a）］。該河段屬于多年的老險工河段，歷史上每遇較大洪水均發生頂沖榻岸、險情不斷，搶險投入較大，嚴重威脅到周邊群眾安全。寧夏回族自治區以黃河寧夏段二期防洪工程實施為契機，采取人工截流的方法，從根本上消除出現多年的險情。該截流工程于2017年8月開工，2018年5月竣工，在彎道的左岸修建了一系列非淹沒丁壩和聯壩［圖1（b）］，并在天然彎道的右岸開挖了一條引河［圖1（c）］。引河橫斷面為梯形，進口漸變段開口135 m，直線段上開口82 m，下開口40 m，開挖深度5.3 m，坡比1∶4，長度1 886 m，比降0.13‰，進出口底高差25 cm，對應原河道長度約3 312 m，裁彎比0.57。原始的彎道因丁壩群截流而成為廢棄的河道，在未來的時間里逐漸形成牛軛湖，而開挖的引河形成了人工運河。

2 人工裁彎后引河的變化

為了更好地了解人工裁彎后引河的河床變化情況，將2018年4月4日至4月10日設定的三處引河斷面［見圖1（c）］的7次實測地形和2018年7月17日、10月21日實測地形套繪圖，并與3月5日人工裁彎前，引河河床地形進行了比較，如圖2所示。

圖2 引河1號、2號、3號斷面河床高程套繪圖Fig.2 Drawing of riverbed elevation set of 1， 2， 3 sections in Diversion River

自2018年3月4日截流工程開展以來，經過一個多月的時間，引河1號斷面整體沖刷較為明顯，河底高程大幅下降。出現這種情況的主要原因是，隨著流量增大，水流流速逐漸增大，水流挾沙力也逐漸增大，河床出現沖刷。但是在引河1號斷面左岸由于丁壩群的保護，河岸沖刷較小，但是最大水深逐漸向左岸靠攏，到10月21日，最大水深可達10 m。而右岸出現了崩岸現象，河道寬度變大，尤其在10月份最為明顯［圖2（a）］。

引河2號斷面河床同樣出現較大程度的沖刷，且右岸沖刷較為顯著，右岸向右移位30 m左右，整體河寬大幅增加，河床高程下降幅度較大，平均河底高程下降5 m左右。在7月的測量結果中，左岸繼續被沖刷，最大水深位于左岸附近，右岸則淤積明顯。經歷了2018年的汛期（8-10月），該河段遇到了自1985年以來最大的洪水流量（3 580 m3/s），水位變高，10 月的測量結果發現，整體河寬大幅度的增加，河道中心位置處中心處沖刷嚴重，此刻的水深可達到20 m［圖2（b）］。

引河3號斷面河床變化最為顯著［圖2（c）］。在3月5日到3月14日截流工程過程中，該斷面兩岸沖刷較為嚴重，左右兩岸發育30～50 m，整體河寬變化較大，河床明顯抬高，主要原因是上游水流帶來大量泥沙沉積于河底，兩岸崩岸所產生的泥沙也大量積聚下來，引起河床高程的整體抬升。龍口合攏后，河寬繼續增大，河床高程整體變化較為平穩，未出現較大波動。10月份河床形態可以發現，最大水深位于左岸，河道主槽向左側河岸遷移、演變，右側河床發生持續性淤積，形成較大范圍的淺灘。

3 人工裁彎后引河的水流運動特性

利用MIKE3水動力模型，建立了人工裁彎后引河的水動力模型，通過驗證模型的準確性，模擬了引河的水流運動特性。

3.1 模型的建立

引河的地形數據采用2018年10月分實測數據，該數據包括了引河的水下地形數據和兩岸灘地的數據（如圖3），將實測數據轉換生成 .xyz數據，導入網格生成器中，生成地形文件，如圖4。對主槽進行了網格加密處理，主槽采用的最大網格面積為150 m3，其他地區最大網格面積是200 m3，非結構網格劃分完成后，對網格進行了平滑處理，設定網格被平滑了100次，網格生成后檢查網格，查看是否有區域稀疏或者稠密，并將比較小或者不太合理的網格加以修改。共生成34 773 個網格和17 935 個節點數。

圖3 研究區域及斷面的布設Fig.3 Layout of study area and section

圖4 研究區域主河槽和灘地地形及三維地形圖Fig.4 Topography and 3D topographic map of the main channel and beach in the study area

3.2 參數的設置

進口邊界條件：如果有實測的流速分布，則根據實測的流速值給定。若沒有，則進口邊界一般給出流量或者水位過程，給出的值有實測水文資料確定。在本文中，我們將流量作為進口邊界，模擬時入口流量采取的是恒定的流量。模型驗證采用冷啟動，以2018年10月21日實測數據的數據設定為初始水面高度。

出口邊界是自然開邊界，可設定實測的水文資料（水位-流量關系）確定。如果有實測的流速分布，則可以根據實測值給定。在本文中，我們將實測的水位作為進口邊界。出口邊界上所有的物理量按照充分發展計算。

根據流體固壁不可穿透的原理，在不考慮滲透的情況下，可以認為陸地邊界上法向速度為0；根據水流無滑動原理，水體在陸地邊界上的切向速度也為0。

干濕邊界：絕對干水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m和濕水深為0.1 m。

計算時間：時間步長為30 s，驗證時間為2018年10月21日至11月25日共36 d，模擬步數是3 600；模擬時長是4 h，模擬步數為60。

糙率：采用曼寧系數，數值為33 m1/3/s；而其他的參數，比如：風力、冰層、潮汐，波浪等因素均不考慮。

3.3 模型的驗證

在使用三維水動力模型研究引河的水流運動特性之前，先利用實測數據對三維水動力模型進行驗證。利用2018年10月引河實測時的模擬工況用來驗證模型，并利用實測流速與模擬流速進行對比。其中，進水口流量和出水口水位分別為1 612.83 m3/s和1 098.76 m。選取了兩個典型橫斷面（即CS4和CS9）的實測速度用于驗證模型的準確性，如圖5所示。很明顯，這些橫斷面的模擬結果和實測速度較為吻合，計算結果值接近，表明了建立的三維水動力模型精度可滿足要求。

圖5 模擬速度和實測速度的對比圖Fig.5 Comparison of simulated velocity and measured velocity

3.4 模型工況的設定

當流量超過1 200 m3/s，引河入口處右岸的回流區消失［18］，因此我們選取了1 200 m3/s 作為中流量的水文條件分析主槽和灘地的流場結構和形態。此外，選取低流量433 m3/s、洪水期最大流量3 580 m3/s 作為兩種極端的水文條件，共3種不同的水文條件進行數值模擬研究。數值模擬參數見表1。

表1 引河內模擬工況的水文條件和水力指標Tab.1 Hydrologic conditions and hydraulic indexes of simulated condition in Diversion River

4 計算結果與分析

4.1 斜槽內平面流場特性

本節分析了不同入口流量下不同地形的平面流場結構，研究流量和地形對人工斜槽裁彎后斜槽流場結構的影響。其中圖6為引河內的流場分布。

圖6 引河內的平面流場結構圖Fig.6 Plane flow structure diagram in Diversion River

通過圖6分析可以得出：流量最小的工況R1中，來流僅在引河中前進，引河入口處左右岸也存在著回流區。除入口處，引河的左岸并沒有出現回流區，而右岸則出現了2個范圍較大的回流區。隨著入口流量增大的工況R2，引河的左右岸灘地重新被淹沒，被淹沒得灘地處的流速較小，同引河中的流速之間存在著明顯的流動分離，引河的左右岸并沒有出現回流區，右岸僅僅出現了一些微弱的回流區。在流量最大的工況R3，灘地被大面積的淹沒，且靠近主槽的灘地流速明顯變大。引河中游處的河道向著彎道的趨勢發展。引河的左右岸同樣沒有回流區的出現，而左岸灘地被淹沒得面積和寬度略顯增大。

4.2 引河內縱向流速分布

為研究彎曲河流被截流后引河發育的趨勢，本節對引河內的縱向流速進行分析。如圖7所示，對引河內3個典型橫斷面（CS7、CS9和CS11）的縱向流速沿垂線分布進行了分析。其中，縱軸代表了從表層（第20層）到底層（第1層）的不同水深，橫軸代表了每條橫斷面中從左岸到右岸斷面五等分的5條垂線。

圖7 引河內斷面的縱向流速沿垂線分布Fig.7 Longitudinal velocity distribution along the vertical line in Diversion River

如圖7（a）所示，斷面CS7各垂線的縱向流速分布符合河道的垂線流速分布特征，呈現出對數型分布，同景何仿［19］的結果一致。其中Z1、Z5兩條垂線的縱向流速靠近近岸速度明顯小于Z2、Z3、Z4的縱向流速，主要原因是由于斷面CS7左右兩岸均形成了不同大小的回流區，導致近岸速度變小。在垂線Z1中，近岸速度較小，且越靠近水流表面，流速越來越小；遠離近岸的垂線Z2和Z3中，自下而上，流速逐漸增大，垂線Z3中，流速呈現出偏離對數分布的流速值，流速變化趨勢較大，表明了在河中心存在著螺旋運動；位于回流區的Z4和Z5垂線，流速較小，而且流速的分布不規則。

引河中游處的斷面CS9［圖7（b）］兩岸未受到人為因素的干擾，而且隨著引河發育，左岸逐漸向外岸遷移，引河彎曲率變大。斷面CS9的縱向流速分布呈較為規律的對數型分布，遠離丁壩群的橫斷面CS9受到丁壩群的影響很小，可以忽略不計，因此流速分布差異較小。

隨著流量的增大，引河下游處的斷面CS11［圖7（c）］縱向流速變小趨勢明顯，垂線流速的差異越大，靠近右岸的差異值明顯大于左岸。垂線Z1在工況R1中，流速最大值僅為0.20 m/s；而在工況R2中，最大為0.43 m/s；在工況R3中，由于水位的上升，垂線Z1位于灘地附近，流速最大值僅為0.28 m/s。垂線Z2到Z5，越靠近右岸，流速越大，其中工況R3的流速均最大，最大流速為1.28 m/s。

5 結 論

（1）石嘴山河段人工裁彎后，開挖的引河一直處于持續沖刷的狀態，并未達到沖於平衡，且引河出現了床面下切和橫向展寬的現象。由于引河開挖初期彎曲率較小，加之丁壩群的影響，左岸出現明顯的崩岸現象，右岸則出現了淤積現象，且左岸后退的距離較大于右岸淤積的距離。為保證人工斜槽裁彎的成功，防止出現倒灌現象，應在引河的中下游左岸處開展護岸措施。

（2）人工裁彎的實施對新河道的縱向流速分布影響較大，尤其是位于丁壩群末端的橫斷面。該位置處的近床速度則由于回流區的存在，往往出現了異常的流速分布，存在著不規則的分布規律。然而位于引河中下游處的橫斷面則影響很小，幾乎可以忽略，表現出較為一致的縱向流速分布。

（3）人工裁彎后引河內的水位隨著流量的增大逐漸增大，左右岸的灘地被淹沒，且左岸淹沒的面積大于右岸。在不同流量下，引河的入口處出現了回流區，對丁壩的圍堰產生了較大的威脅，嚴重影響著丁壩群截流效果。因此建議相關部門加固丁壩群及聯壩，阻止水流對丁壩群的沖刷作用，以防止出現管涌及潰壩現象。