黃河口漁洼河段河勢及治理方案研究

梁艷潔，趙正偉

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全國家重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003）

0 引言

黃河口水少沙多，海洋動力相對較弱，歷史上黃河流域輸送至河口地區的泥沙絕大部分沉積在河口，造成河口流路不斷淤積延伸，河道長度增加、比降減小，且長期處于擺動、改道的不穩定狀態。黃河口漁洼至入?？诤佣伍L約65 km，有堤段兩岸堤距5～14 km，控導工程布設不足，河道平面變化大，主槽很不穩定。漁洼—西河口河段長約6.5 km，介于窄河段與入海河段之間，主河槽寬300～500 m，河道呈微彎形；西河口以下為清水溝流路入海段，兩岸堤距為6.0～14.0 km，自上而下呈喇叭形；清4 控導工程以下至入海口約33 km 為無工程控制河段，由河道兩岸的導流堤約束入海。河口段河道整治工程數量明顯少于其臨近的黃河下游河段，不能有效控制河勢，加上近年來來水量大幅度減少，河道萎縮，更不利于現行清水溝流路的穩定［1－2］。

目前，從河口地區的生態、經濟、社會發展需求來看，保持河口流路長期相對穩定是十分必要的，眾多學者對穩定河口流路提出了思路和方法［3－4］。李澤剛等［5－6］提出在西河口建設分洪閘和橡膠壩，將刁口河作為分洪通道；李殿魁等［7］提出在西河口修建高位分洪閘分洪至刁口河；陳雄波等［8］提出了清水溝、刁口河流路聯合運用方案。

1953 年以后，黃河河口三角洲的擺動頂點從寧海下移至漁洼，進行了3 次大的人工改道（1953 年、1964年、1976 年的改道點即位于此河段）。該區域系現代黃河三角洲的頂點區域，是黃河下游河段與河口尾閭河段的銜接過渡區域。黃河口漁洼以下河道整治工程不足，防洪工程仍不完善，不能有效地控制河勢，漁洼至西河口介于上游窄河段與下游入海河段之間，對于河口地區的防洪至關重要。控制和穩定漁洼—西河口河段（以下簡稱漁洼河段）河勢，對于保障河口地區防洪安全、延長清水溝流路使用壽命、促進河口地區生態文明建設與高質量發展具有重要意義。本文通過建立平面二維水動力學模型對漁洼河段在不同來流條件下的流速分布、河道主流線變化等進行研究，進一步分析不同流量級洪水下河道整治工程的適應性，提出適用于現狀來水條件、有利于河勢穩定的治理方案。

1 漁洼河段河勢演變特點及治理現狀

1.1 漁洼河段河勢演變特點

漁洼河段長約6.5 km，介于窄河段與入海河段之間，主河槽寬300～500 m，堤距6.0～8.0 km，河道縱比降約為0.01%，屬于彎曲型河道，河道灘地橫比降為0.04%～0.10%。由于20 世紀80 年代中期以來河口來水流量較小，因此河槽淤積萎縮，河勢相應調整，河道平面有一定變化，主要表現為工程處溜勢的上提或下挫，90 年代小水持續坐彎及整治工程對河勢控制不力，一些局部河段河勢發生了較大變化，如1993 年汛期葦改閘控導工程全部撇彎脫河，壩前淤灘寬達1 200 m。2000 年小浪底水庫投入運用，2002 年小浪底水庫開始進行調水調沙，受小浪底水庫調控作用影響，西河口河勢未發生大的變化。不同時期西河口河道主流線變化見圖1。

圖1 不同時期西河口河道主流線變化

目前，關于西河口附近河道治理有“大彎”和“小彎”兩種方案，“大彎”方案由左岸崔家莊和西河口控導工程合二為一，形成一個大彎道，“小彎”方案由崔家莊挑流至右岸葦改閘控導工程后再至西河口控導工程?！按髲潯狈桨感枰ㄔO的工程長度較長，為構造崔家莊、西河口的彎道頂點，兩工程間約4 km 的無工程控制區要大量布設工程，而且對崔家莊和十八戶工程的規模要求高于“小彎”方案?！按髲潯焙汀靶潯眱煞N方案治導線見圖2。

圖2 “大彎”和“小彎”方案治導線

1.2 漁洼河段治理工程現狀

從1986 年開始漁洼河段陸續新建了十八戶、崔家莊、葦改閘、西河口等控導工程（見圖3），因這些工程興建較晚，且大部分是為避免塌灘或引水而修建的，部分工程布局不合理，工程處數、長度都達不到控導河勢的要求，河勢不能得到有效控制。十八戶控導工程迎流能力不足，首段灘岸坍塌嚴重，已對老控導工程及臨黃堤構成威脅；崔家莊工程挑流能力不足，致使其下游對岸的葦改閘工程自1993 年汛期脫流至今，葦改閘以下的大部分工程處的溜勢也隨著上提或下挫，形成了一彎變、多彎變的局面，造成河岸坍塌，多數河道整治工程的前沿淤積成灘。葦改閘控導工程修建于1986年，1993 年汛末全線脫河，2011 年汛末開始重新靠水走溜，2014 年調水調沙期間局部出現坍塌，2015—2016 年凌汛期也出現了險情。

圖3 漁洼河段控導工程布置

2 二維水動力學模型

2.1 控制方程

水流連續方程：

x方向水流運動方程：

式中：z為水位，h為水深，u、v分別為x、y方向的流速，n為糙率系數，D為紊動黏性系數，g為重力加速度，t為時間。

為擬合不規則河道邊界，采用正交曲線網格對河道進行網格劃分，將式（1）～式（3）轉化為正交坐標系曲線方程：

2.2 求解方法與定解條件

根據推導，曲線坐標系下模型基本方程可表示為如下一般形式：

控制方程的離散采用有限體積法，該方法的優點在于能很好地保證水流模型中水量和動量守恒。方程離散采用自動迎風格式，離散方程的求解采用SIMPLEC 算法。

定解條件給定進口流量和出口水位，在出口水位的基礎上假定一個比降賦值計算區域的初始水位。

3 漁洼河段河道過流特性

3.1 計算條件及網格布置

目前，黃河下游河道最小平灘流量為4 350 m3／s，調水調沙期間小浪底水庫調控流量為2 600～4 000 m3／s，《黃河河口綜合治理規劃》中漁洼河段整治流量為4 000 m3／s，因此綜合分析后采用4 000 m3／s 對漁洼河段過流情況進行分析。鑒于漁洼以下河段的設防流量為10 000 m3／s，并考慮小水情況河道過流，選取1 000、4 000、10 000 m3／s 三種情況進行計算對比。

采用平面二維數學模型對西河口附近漁洼至清3斷面24.4 km 的河道進行計算，包括上游來流1 000、4 000、10 000 m3／s 三種情況。計算網格布置見圖4，共布置了1.6 萬個網格。

圖4 計算網格布置

3.2 流場分布

上游流量為1 000 m3／s 時，上游來流在崔莊控導工程作用下，向東南方向順河槽行進，葦改閘控導工程僅尾部著溜，流速分布見圖5（a）。上游流量為4 000 m3／s時，崔莊控導工程挑流作用顯著，主流向右岸偏轉，葦改閘控導工程大部分著溜，流速分布見圖5（b）。上游流量為10 000 m3／s 時，河道灘地和主槽都過流，崔莊、葦改閘控導工程挑流作用明顯，流速分布見圖5（c）。

圖5 漁洼河段流速分布示意

3.3 斷面流速分布

在計算區域布置了4 個斷面（見圖6），通過分析不同來流條件的斷面流速，從圖7（斷面高程為1985國家基準）可以看出，在3 種不同來流情況下，斷面流速分布均呈拋物線形。流量為1 000 m3／s 時僅有河道主槽過流，流速最大位置基本與深泓對應；流量為4 000 m3／s時斷面1、斷面2 流速最大位置向左偏移，斷面2、斷面3 過流范圍增大，斷面4 河寬較小，屬于卡口斷面，最大流速基本位于中間；流量為10 000 m3／s 時斷面1、斷面2 流速最大位置靠左側，接近崔莊控導工程，斷面3 流速最大位置靠右側，接近葦改閘控導工程，斷面4 流速最大位置不變。

圖6 斷面布置

圖7 斷面流速分布

從斷面流速變化可以看出，上游來流1 000 m3／s時水流在崔莊工程作用下向河道中間調整，由于流量較小，因此過流范圍未達到葦改閘工程，大部分不著溜；上游來流4 000 m3／s 時，在崔莊工程的挑流作用下，葦改閘工程附近靠流；上游來流10 000 m3／s 時，斷面3 主流向右岸葦改閘工程明顯偏轉。

3.4 水流動力軸線分析及治理方案

結合流速分布情況繪制不同來流條件的水流動力軸線（見圖8）。來水流量為1 000 m3／s 時，上游段主流線靠近崔莊控導工程，向下游主流線基本處于河道中間，葦改閘控導工程不著流；來水流量為4 000 m3／s 時，崔莊控導工程附近主流線向河道中間偏移，葦改閘控導工程附近主流線向右側偏移；來水流量為10 000 m3／s時，河道主流線呈S 形，崔莊控導工程中下部靠溜，葦改閘控導工程尾部靠溜。

圖8 水流動力軸線分布

根據漁洼河段的防洪需求，結合不同流量級水流動力軸線分布情況，認為“小彎”方案治導線與整體過流情況是吻合的，在4 000 m3／s 流量級條件下河道過流情況與各控導工程相適應，能夠使水流歸槽、平順過流，減少水流散亂情況，穩定主槽，提高河道輸沙能力。結合漁洼河段過流特性，“小彎”方案更具優勢，能夠平順過流的同時可發揮現有控導工程的作用，更有利于河勢穩定，同時也有利于勝利油田在西河口引水。

4 結論

1）黃河口漁洼以下河道整治工程較少，河勢不穩定，從穩定河勢、有利于防洪的角度出發，分析了漁洼河段治理工程現狀及河道歷史演變規律，提出了該河段治理的必要性。

2）采用平面二維水動力學模型對1 000、4 000、10 000 m3／s三種不同來流情況下西河口附近漁洼至清3 斷面24.4 km 河段的水流流態進行了模擬，結果表明1 000 m3／s流量時葦改閘控導工程作用不明顯、10 000 m3／s流量時西河口險工靠溜效果不理想、4 000 m3／s 流量時控導工程均能起到控制水流的作用。

3）通過4 個橫斷面不同流量級的流速分布套匯、河道主流線對比，分析了不同來流條件的斷面流速分布特點及河道整治工程的適應性，4 000 m3／s 流量時河道主流與“小彎”方案治導線相適應，對控制河勢較為有利。