黃河口尾閭段河道出汊機(jī)理中的河床邊界條件

楊卓媛，張浮平，徐 馳

（1. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2. 流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010；3. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

現(xiàn)代黃河三角洲平原是由上游來水來沙進(jìn)入黃河口后，通過尾閭段河道出汊擺動(dòng)、改道和泥沙沉積發(fā)展所形成［1］。尾閭段河道出汊為流路發(fā)生大規(guī)模改道提供了基礎(chǔ)條件，因此河道出汊極不利于河口生態(tài)保護(hù)建設(shè)、入海流路維穩(wěn)及三角洲區(qū)域防洪工作［2-5］。因此研究尾閭段河道出汊機(jī)理等相關(guān)問題有助于制定有效的河道出汊防控措施，從而節(jié)約河道治理成本。

以往關(guān)于國內(nèi)外河口尾閭段河道出汊的研究，一部分僅基于河道出汊的歷史實(shí)測數(shù)據(jù)對河道出汊過程進(jìn)行了定性描述［6，7］，還有一部分則是建立數(shù)學(xué)模型并通過控制變量來分析不同影響因素對河道出汊頻率或位置的影響［8-10］。現(xiàn)有研究成果均證實(shí)，導(dǎo)致河道出汊發(fā)生的主要影響因素通常可以歸納為水沙條件及河床邊界條件，河道出汊往往在這兩個(gè)影響因素的相互作用過程中發(fā)生［8，9，11，12］。黃河口尾閭段河道出汊機(jī)理研究涉及出汊類型、出汊特征、水沙與邊界條件等問題，河道出汊的發(fā)生是水沙條件與河床邊界條件相互作用的結(jié)果［13-16］。

黃尾閭段河道出汊機(jī)理中的水沙條件包括徑流作用、潮汐作用等方面，文獻(xiàn)［21］已進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明洪水條件為影響黃河口尾閭段河道出汊的主要?jiǎng)恿σ蛩亍９时疚闹饕獜暮暧^角度闡述河床邊界條件如何影響尾閭段河道出汊。

1 研究區(qū)域概況

自1855 年以來，黃河口尾閭段河道發(fā)生大改道10 次、小改道50多次，河口三角洲整體向渤海淤積延伸形成了一個(gè)巨大的扇形區(qū)域，占據(jù)了5 129 km2的陸地面積和227 km 的海岸線［3］。1976 年5 月，黃河口改道清水溝流路，至今再未發(fā)生大規(guī)模改道［5］。黃河入海口位于萊州灣與渤海灣之間，屬于典型的弱潮陸相型河口，潮差沿三角洲海岸分布呈馬鞍形，平均潮差1.5 m左右［17-19］。黃河口尾閭段上起利津，下至渤海，河段總長度約為106 km（圖1）。按照平面形態(tài)差異及河床演變特點(diǎn)，黃河口尾閭段可進(jìn)一步被劃分為三段:彎曲段、過渡段和口門段［4，5］。以河道內(nèi)水動(dòng)力特點(diǎn)為依據(jù)劃分黃河口尾閭段，則可將利津-清4段劃分為徑流段，將清4-口門段劃分為感潮河段［5］。

圖1 黃河口尾閭段平面示意圖Fig.1 The tail reach of the Yellow River Estuary

2 尾閭段河道出汊機(jī)理分析

中國水利水電科學(xué)研究院以黃河口為原型進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，結(jié)果表明河口尾閭段河道出汊通常發(fā)生于洪水強(qiáng)度較大時(shí)段，出汊點(diǎn)則一般位于河道凹岸抗沖性較弱處［21］。此外，根據(jù)遙感影像資料發(fā)現(xiàn)黃河口尾閭段河道分別于2004 年和2007 年發(fā)生了自然出汊［22］，圖2 對比了2004 年和2007 年汛期黃河口尾閭段沿程斷面最大水深與斷面平灘水深（平灘河槽形態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［16］，發(fā)現(xiàn)斷面水深均小于斷面平灘水深，說明尾閭段河道出汊并非為水流漫灘導(dǎo)致。綜上，可以認(rèn)為黃河口尾閭段近期河道出汊機(jī)理為:汛期洪水強(qiáng)度增大，河岸灘唇受水流沖刷而坍塌，導(dǎo)致發(fā)生出汊［圖3（a）］。

圖2 黃河口尾閭段沿程斷面最大水深及平灘水深變化過程Fig.2 Variation process of maximum water depth and flat water depth along the reach of the Yellow River Estuary in the tail reach

圖3 黃河口尾閭段河道出汊過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the channel avulsion process of the Yellow River Estuary

目前問題的關(guān)鍵在于如何選取合適的參數(shù)或指標(biāo)量化水沙條件和河床邊界條件的變化強(qiáng)度大小，從而確定尾閭段河道出汊的主要影響因素。下面對黃河口物理模型試驗(yàn)所模擬的河道出汊過程的3個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)描述［5，20］:

第一階段，水沙塑槽形成河勢較為穩(wěn)定的單一的、相對順直的河道［圖3（b）］。黃河口尾閭段河道于1976 年改道清水溝流路，初期河床呈多汊散亂狀態(tài)，河道主槽擺動(dòng)劇烈。后經(jīng)過多年水沙塑槽，逐漸形成相對單一順直的河道。此階段尾閭段河道形態(tài)較為順直，河槽斷面形態(tài)窄深，灘地橫比降比較利于水流歸槽，水流能較快地輸送上游來沙入海，總體上河勢穩(wěn)定。即使偶爾出現(xiàn)大洪水事件，較高的水流歸槽率和水流能量也能夠快速緩和河道過洪壓力。

第二階段，水沙變異導(dǎo)致河床邊界條件朝不利于河道過洪的方向調(diào)整，水流塑槽能力逐漸減小，河槽形態(tài)惡化［圖3（c）］。隨上游來水來沙條件的變化，河口段河床淤積抬高且河長持續(xù)延伸，靠近河口的河床比降隨著河道演化相較于尾閭段上游愈加平緩，利津-西河口段河床比降均值基本在5×10-4上下小范圍變化，西河口以下河段河床比降均值則由7×10-4左右逐漸演化為在2×10-4～3×10-4之間波動(dòng)［20］。河槽凸岸側(cè)的枯水河槽淤積明顯，深泓向凹岸擺動(dòng)。惡化的局部河槽形態(tài)反過來削弱了水流輸沙能力，且黃河口尾閭段河道河岸土層大部分屬于質(zhì)地較為松散且在水流沖刷下易分解的粉質(zhì)黏土［22］，造成凹岸側(cè)的低灘沖刷發(fā)展，因此局部河段彎曲現(xiàn)象加劇。同時(shí)，主槽周邊的灘地逐漸高于河漫灘，這種灘地橫比降在漫灘洪水過程中難以起到水流歸槽作用，一定程度上決定了發(fā)生河道出汊的河段范圍。

第三階段，尾閭段河道下游回填淤積速率加快，河岸持續(xù)凹沖凸淤，主槽容沙能力持續(xù)下降，最終一場達(dá)到足夠量級(jí)和歷時(shí)的洪水事件造成局部河段凹岸灘唇?jīng)_塌，從而觸發(fā)河道出汊［圖3（d）］。黃河口實(shí)際觀測資料顯示，當(dāng)尾閭段某處河槽形態(tài)惡化到一定程度時(shí)，僅需量級(jí)超過1 500 m3/s 的洪水事件便可在該區(qū)域觸發(fā)尾閭段河道出汊。

3 河床邊界條件對河道出汊的影響分析

水沙條件與河床邊界條件是導(dǎo)致尾閭段河道發(fā)生出汊的重要影響因素。本文主要針對尾閭段河道出汊機(jī)理中的河床邊界條件展開分析。

3.1 平灘河槽特征參數(shù)的影響

前蘇聯(lián)國立水文研究所提出用河相系數(shù)能夠反映河道平面的穩(wěn)定性，其計(jì)算表達(dá)式為:

河相系數(shù)反映了隨河道尺度增大，河流河寬增加速度較水深增加速度更快的一般性規(guī)律，因此能夠用于反映河流在平面上 的 穩(wěn) 定 程 度［24］。越 小 表 示 河 道 越 穩(wěn) 定，反 之 越 不 穩(wěn)定［23，24］。由于不同斷面與清7以下河段的平灘河寬和平灘水深變化規(guī)律不完全一致，故計(jì)算并點(diǎn)繪了清7 以下河段河相系數(shù)（）在1990-2018年的變化過程，如圖4所示。

圖4 黃河口清7以下河段河相系數(shù)的逐年變化過程Fig.4 Year-by-year change process of river facies coefficients in the reaches of the Yellow River Estuary below Q7

從圖4 中可以看到，總體上呈逐年減小趨勢，說明黃河口清7以下河段的穩(wěn)定性總體向增強(qiáng)的趨勢發(fā)展。此外還可以看出，1990-1999年清7以下河段穩(wěn)定性較差（在11.47～16.21之間波動(dòng)），系數(shù)在該階段后期增大是因?yàn)?992 年和1993 年黃河口下游河道出現(xiàn)了“小水漫灘”，導(dǎo)致1993-1996 年清7 以下河段的不穩(wěn)定性異常增大，另外1996 年清8 人工出汊以后河長縮短使近海段發(fā)生溯源沖刷，故河相系數(shù)略有增大后又趨于減小；1999-2009 年該河段極不穩(wěn)定且變化幅度較大，其中清7 以下河段河相系數(shù)在2004 年與2007 年有異常波動(dòng)（其大小分別為9.55 和8.95），雖相較于1999 年小浪底水庫運(yùn)用前的河相系數(shù)有明顯減小，但該河段2004 年與2007 年的河相系數(shù)大小相較前一年的增幅均超過30%（分別為33.8%和41.6%），這兩年發(fā)生了尾閭段河道出汊；而其他年份的河相系數(shù)相較前一年的變化幅度較小，在1.3%～24.2%之間；2009 年以后黃河口清7 以下河段的河相系數(shù)變化幅度較小，該河段基本穩(wěn)定。

3.2 灘地橫比降的影響

圖5（a），（b）繪制出了清7 斷面和汊2 斷面在2002-2008 年的汛前形態(tài)調(diào)整過程。從圖5 中可以看出，2004 年尾閭段河道出汊發(fā)生于右岸灣頂處，而2007 年發(fā)生于左岸灣頂處，與兩斷面左右岸灘地橫比降的變化規(guī)律一致。兩斷面的灘地形態(tài)在發(fā)生尾閭段河道出汊前后年份里均表現(xiàn)出了相似特點(diǎn):灘地橫比降逐年增加，形成不利于漫灘水流回歸的“倒比降”灘槽［圖5（c）］，從而增加了河道的行洪壓力。由此可知，灘地“倒比降”現(xiàn)象更為嚴(yán)重的一岸更容易發(fā)生河道出汊。

圖5 典型斷面灘地橫比降變化Fig.5 The horizontal gradient change of the beach at a typical section

3.3 深泓擺動(dòng)強(qiáng)度的影響

深泓點(diǎn)是河道斷面主槽中的最深點(diǎn)，沿程斷面的深泓點(diǎn)連線即為河道深泓線［25］。通常情況下，深泓點(diǎn)能反映某一特定斷面流速最大的位置，而靠近深泓線的河岸沖刷，遠(yuǎn)離深泓線的河岸淤積。

圖6 給出了黃河口清7 以下河段2003-2005 年和2006-2008 年的河道深泓線的變化。從圖6 中可以看出，清7 以下河段的河勢變化劇烈，越靠近入海口深泓線的擺動(dòng)幅度越大。由圖6（a）可知，2003 年清7 以下河道深泓線整體貼近右岸，2004年發(fā)生河道出汊后河道深泓線向河道中心擺動(dòng)。從圖6（b）則可看出，2006 年清7 以下河道深泓線明顯貼近左岸，2007 年發(fā)生河道出汊后河道深泓線向右岸擺動(dòng)。可以看出，清7 以下河道深泓線擺動(dòng)方向基本滿足以下規(guī)律:深泓線擺動(dòng)所偏向的一岸更容易發(fā)生河道出汊。

圖6 清7以下河道深泓線變化Fig6 Changes of Shenhong Lines of Rivers Below Q7

為量化河道深泓擺動(dòng)幅度，此處引入深泓擺動(dòng)強(qiáng)度MT作為衡量河道深泓擺動(dòng)幅度的特征物理量，其計(jì)算式為［25］:

采用上述方法統(tǒng)計(jì)了清7 以下河段1996-2018 年的深泓擺動(dòng)強(qiáng)度（圖7）:1996-2018 年清7 以下河段深泓擺動(dòng)強(qiáng)度在0.04～0.16 之間變化。1996 年清8 人工出汊后深泓擺動(dòng)強(qiáng)度最大，達(dá)到0.16，后逐漸減小至0.1 左右。1999 年小浪底水庫投入使用后河段深泓擺動(dòng)強(qiáng)度又逐漸增大，2002-2007 年深泓擺動(dòng)強(qiáng)度在0.14～0.15 之間變化，而后逐漸減小并保持在0.05～0.07之間，除2011 年河段深泓擺動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到0.11。綜上可知，深泓擺動(dòng)強(qiáng)度和方向?qū)拥莱鲢恻c(diǎn)位置有明顯的影響。當(dāng)深泓線擺動(dòng)強(qiáng)度加劇且明顯貼近一側(cè)河岸，該河岸更容易發(fā)生河道出汊。此外，清7 以下河段深泓線擺動(dòng)規(guī)律與尾閭段河道出汊通常發(fā)生于河道凹岸的實(shí)際情況基本相符。

圖7 清7以下河道深泓擺動(dòng)強(qiáng)度變化過程Fig.7 Variation process of Shenhong swing intensity i n river channels below Q7

4 結(jié) 論

（1）基于實(shí)測資料分析揭示了河相系數(shù)是決定黃河口尾閭段河道出汊位置的主要影響因素，灘地橫比降變化特征和深泓線位置變化決定出汊的擺動(dòng)方向。

（2）河床橫向變形過程中，黃河口清7以下河段的局部斷面形態(tài)在來水來沙條件的作用下逐漸朝不利于洪水過流的方向發(fā)展，出汊年份平灘流量明顯減小，河相系數(shù)則明顯增大且較前一年變化幅度超過30%。

（3）黃河口尾閭段斷面灘地橫比降增加并形成不利于漫灘水流回歸主槽的“倒比降”，其中凹岸側(cè)灘地橫比降的“倒比降”現(xiàn)象在出汊年更明顯。

（4）黃河口尾閭段河道的深泓線在2003-2008 年間擺動(dòng)較為頻繁，鄰近出汊年時(shí)深泓擺動(dòng)強(qiáng)度增加且向凹岸側(cè)擺動(dòng)。在河床縱向變形過程中，縱剖面凹度未呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢。