黃河口尾閭河道斷面形態(tài)的萎縮調(diào)整規(guī)律研究

張治昊，戴 清，李敬義，聶莉莉

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100044；2.黃河河口管理局，東營(yíng)257091）

黃河口是黃河水沙的歸宿區(qū)，是河海動(dòng)力的交匯區(qū)，是黃河流域系統(tǒng)的重要組成部分。人民治黃以來，黃河口的研究和治理工作得到了國家的高度重視，取得了豐碩的成果［1］。黃河口是世界公認(rèn)的最復(fù)雜的河口，老問題未完全解決，新問題又不斷涌現(xiàn)。1986年后，黃河口水沙過程發(fā)生顯著變異，對(duì)河口演變?cè)斐删薮笥绊憽｜S河口尾閭河道作為河海交匯作用最劇烈的地帶，為適應(yīng)水沙過程變異，經(jīng)歷了復(fù)雜的響應(yīng)過程；其間，尾閭河道萎縮的特征最為突出［2］。尾閭河道的萎縮，對(duì)黃河防洪安全構(gòu)成極大威脅，全面深入地研究水沙過程變異造成的尾閭河道萎縮迫在眉睫。本文在深入分析黃河口水沙過程變異的基礎(chǔ)上，揭示了黃河口尾閭河道斷面形態(tài)的萎縮特征，探求了尾閭河道斷面形態(tài)調(diào)整與黃河口水沙過程的響應(yīng)關(guān)系，引入了尾閭河道斷面形態(tài)萎縮的判別指標(biāo)，試圖為科學(xué)治理黃河口提供技術(shù)支持。

1 黃河口水沙過程變異特征

黃河口行水清水溝流路以來，水沙過程發(fā)生顯著變異，除了自然水文情況影響外，主要影響因素還是人類的活動(dòng)，如大型水利工程的建設(shè)和運(yùn)用會(huì)劇烈改變河流下游的來水來沙過程［3］。1986年，黃河上游龍羊峽水庫建成并投入運(yùn)用，對(duì)下游來水來沙過程影響巨大，是黃河口水沙過程發(fā)生變異的根本原因；2002年，小浪底水庫開始調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，也使進(jìn)入下游河道的水沙過程變化較大，綜合上述分析，以1986年、2002年為界，將黃河口清水溝流路水沙過程分為1976～1985年、1986～2001年、2002～2006年3個(gè)時(shí)段，以I時(shí)段為基準(zhǔn)階段，用II、III時(shí)段與之進(jìn)行對(duì)比，分析黃河口水沙過程變異特征。

1.1 年際間變異

由黃河口利津站水文特征值統(tǒng)計(jì)（表1）可見，黃河口水沙過程變異特征主要表現(xiàn)為：（1）來水來沙大幅度減少，II時(shí)段河口年均來水量為137.7億m3，僅為I時(shí)段的40.6%，年均來沙量也由I時(shí)段的8.31億t減少到3.51億t；（2）水沙搭配關(guān)系惡化，I時(shí)段河口年均來沙系數(shù)為0.027，II時(shí)段高達(dá)0.061，是I時(shí)段的2.26倍，表明II時(shí)段黃河口水沙搭配關(guān)系急劇惡化，為小水帶大沙時(shí)段；（3）來沙組成有所變細(xì)，但變化幅度較小，河口年均中值粒徑由I時(shí)段0.02 mm變?yōu)镮I時(shí)段0.018 mm；（4）利津以下河道水沙量沿程大幅減少，利津以下有王莊等9處引水口，設(shè)計(jì)引水流量310 m3/s。1986年后，由于黃河口來水來沙減少，而工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需水量增大，利津以下河道引水量明顯增多，所以即便在利津站不斷流期間，利津至口門河段水沙量沿程減少也十分嚴(yán)重。（5）III時(shí)段黃河口水沙過程變異有所緩解，主要表現(xiàn)為來水量增大，來沙量減少，水沙搭配關(guān)系明顯改善，由于小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的持續(xù)運(yùn)用，造成下游河道沖刷，河床粗化，進(jìn)入河口的泥沙顆粒變粗。

表1 利津站水文特征統(tǒng)計(jì)Tab.1 Characteristic values of hydrology at Lijin hydrological station

1.2 年內(nèi)分配變異

由黃河口來水來沙年內(nèi)分配過程（圖1）可見：與I時(shí)段相比，II時(shí)段黃河口水沙年內(nèi)分配的豐枯歷時(shí)、量值大小、變化趨勢(shì)、極值、變化幅度均發(fā)生了變化；最突出的變化是II時(shí)段水沙量從8月峰值迅速減至10月枯值，改變了I時(shí)段水沙量從汛期峰值緩慢減至12月枯值，表明II時(shí)段水沙量8月到10月減小幅度最大。與前兩時(shí)段相比，III時(shí)段黃河口水沙年內(nèi)分配明顯不同，最大的不同之處在于從6月份開始，水沙過程幾乎沒有峰值，來水來沙量值分別維持在25億m3、0.35億t左右，一直持續(xù)到10月汛期結(jié)束，充分反映出小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用對(duì)黃河口汛期水沙過程有較強(qiáng)的控制作用。

圖1 黃河口來水來沙年內(nèi)分配過程Fig.1 Processes of monthly distribution of flow and sediment in the Yellow River Estuary

1.3 典型水文特征變異

由黃河口典型水文特征統(tǒng)計(jì)（表2）可見：與I時(shí)段相比，II時(shí)段黃河口汛期洪峰流量減少劇烈，且流量級(jí)越大，減少的越多；同時(shí)，非汛期斷流次數(shù)不斷增多，斷流天數(shù)不斷增加，斷流長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，III時(shí)段黃河口 Q≥3 000 m3/s、3 000＞Q≥2 000 m3/s、2 000＞Q≥1500 m3/s三個(gè)流量級(jí)天數(shù)均有增加，說明 III時(shí)段黃河口汛期洪水量級(jí)有所恢復(fù)。1999年后，黃河水利委員會(huì)采取了全流域水量統(tǒng)一調(diào)度的人工干預(yù)措施，利津站斷流的繼續(xù)惡化才得到遏制，但黃河口功能性斷流問題仍沒有得到徹底解決。

表2 黃河口典型水文特征統(tǒng)計(jì)Tab.2 Typical characteristic of hydrology in the Yellow River Estuary

2 黃河口尾閭河道斷面形態(tài)的萎縮調(diào)整

黃河口水沙過程變異后，為適應(yīng)持續(xù)的枯水枯沙條件，尾閭河道萎縮十分明顯。表3為尾閭河道相應(yīng)的3個(gè)典型斷面不同時(shí)段主河槽平灘特征均值統(tǒng)計(jì)，由表3可見，水沙過程變異，黃河口尾閭河道橫斷面形態(tài)變化特征主要表現(xiàn)為：（1）平灘寬度縮窄，水深變淺，面積大幅度減小。與I時(shí)段相比，利津、漁洼、清6三個(gè)斷面II時(shí)段主河槽平灘河寬均值分別減少了92 m、84 m、285 m；主河槽平灘河寬明顯縮窄的同時(shí)，3個(gè)斷面主河槽平灘水深均值也呈減小的趨勢(shì)，減小的幅度為0.3～1.05 m，由于主河槽平灘河寬和水深同時(shí)減少，尾閭河道3個(gè)斷面平灘面積均值大幅度減少，分別由I時(shí)段的2 047 m2、1 984 m2、2 137 m2減少至II時(shí)段的1 230 m2、1 644 m2、1 361 m2，減少幅度達(dá)20～39%。（2）平灘寬深比有所增大，主河槽更加寬淺。利津、漁洼、清6三個(gè)斷面主河槽平灘寬深比均值分別由I時(shí)段的5.53、10.2、19.1增加至II時(shí)段的6.67、11.63、20.1；主河槽平灘寬深比均值增大表明，尾閭河道萎縮過程中，橫斷面淤積的部位集中在斷面主河槽的窄深處，尾閭河道橫斷面呈寬淺碟型。（3）受黃河口尾閭河道清8出汊工程的影響，近海段橫斷面形態(tài)調(diào)整與尾閭上段有所不同。1996年黃河口尾閭河道實(shí)施了清8出汊工程，尾閭河道近海段長(zhǎng)度大大縮短，比降相應(yīng)增大，當(dāng)年汛期適逢黃河“96.8”洪水的大流量水沙過程，尾閭河道清8斷面以上河段發(fā)生了長(zhǎng)距離的溯源沖刷，由距離清8斷面較近的清6斷面統(tǒng)計(jì)資料明顯看出，1996年后，清6斷面河道主河槽有大幅度的沖深，1996～2001年時(shí)段其主河槽平灘水深均值比1986～1995年時(shí)段沖深1.01 m，其主河槽平灘面積均值增加148 m2，增大幅度為11%，雖然主河槽平灘面積增大幅度較小，但其主河槽斷面形態(tài)卻有較大程度的調(diào)整，其主河槽平灘寬深比均值由1996年前的20.1調(diào)整至9.57，說明1996年后近海段主河槽橫斷面形態(tài)變得十分窄深，從而反映出，通過調(diào)整口門，增大比降，造成溯源沖刷，對(duì)塑造近海段河道橫斷面形態(tài)效果明顯。（4）III時(shí)段尾閭河道主河槽萎縮程度有所恢復(fù)。3個(gè)典型斷面主河槽沖深十分明顯，主河槽平灘水深均值增大0.78～1.03 m，主河槽平灘面積均值增大137～267 m2，由于主河槽平灘河寬均值變化不大，而平灘水深明顯增大，所以3個(gè)典型斷面的主河槽平灘寬深比均值大幅度減小，說明該時(shí)段尾閭河道橫斷面形態(tài)均朝著窄深方向調(diào)整，小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的成功運(yùn)用，對(duì)于尾閭河道主河槽過水?dāng)嗝娴幕謴?fù)發(fā)揮了良好的作用［4］。

表3 黃河口尾閭河道典型橫斷面主河槽平灘特征值統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of bankfull value of tail channels in the Yellow River Estuary

3 尾閭河道斷面形態(tài)調(diào)整與水沙過程的響應(yīng)關(guān)系

3.1 尾閭河道平灘面積與水沙過程的關(guān)系

與其他特征參數(shù)相比，在表征尾閭河道橫斷面形態(tài)的特征參數(shù)中，尾閭河道平灘面積A隨黃河口水沙過程的變化最為靈敏，跟隨性良好。圖2點(diǎn)繪了尾閭河道利津斷面平灘面積A與黃河口年際水沙過程的關(guān)系，利用回歸分析法分別建立了尾閭河道利津、漁洼、清6三個(gè)斷面平灘面積A與黃河口來水量w、汛期來沙系數(shù)ρ的相關(guān)關(guān)系式（表4）。

圖2-a中關(guān)系線的變化趨勢(shì)表明，尾閭河道平灘面積A隨黃河口來水量w的增大而增大。黃河口來水量越大，其造床能力越強(qiáng)，尾閭河道淤積減輕，沖刷增強(qiáng)，平灘面積必然擴(kuò)大。反之，黃河口來水量小，造床能力弱，尾閭河道淤積加重，平灘面積必然減小。圖2-b中關(guān)系線的變化趨勢(shì)表明，尾閭河道平灘面積A隨黃河口來沙系數(shù)ρ的增大而減小。黃河口來沙系數(shù)越大，說明相同來水過程，其水流含沙量越大，水沙搭配關(guān)系越差，河床淤積必然加重，尾閭河道平灘面積受到損失。

表4中式（1）～式（3）的相關(guān)系數(shù) R 值分別為0.83、0.78、0.76，反映出尾閭河道平灘面積A與黃河口來水量w的關(guān)系非常密切；式（4）～式（6）的相關(guān)系數(shù) R 值分別為 0.72、0.69、0.65，反映出尾閭河道平灘面積A與黃河口來沙系數(shù)ρ的關(guān)系比較密切，但與來水量w相比，兩者的關(guān)系明顯偏弱。仔細(xì)觀察表4中式（1）～式（6）的相關(guān)系數(shù)R值還可發(fā)現(xiàn)，3個(gè)斷面平灘面積A與黃河口水沙過程2個(gè)參數(shù)的關(guān)系R值，都是呈沿程減小的趨勢(shì)，說明越靠近河口，受到海洋動(dòng)力、邊界條件等其他因素影響越大，尾閭河道演變與黃河口來水來沙過程的關(guān)系沿程逐漸減弱。

圖2 黃河口尾閭河道利津斷面平灘面積與水沙過程關(guān)系圖Fig.2 Relationship between bankfull area and flow-sediment process of Lijin section

表4 黃河口尾閭河道典型橫斷面平灘面積與汛期水沙過程關(guān)系統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of the relationship between bankfull area and flow-sediment process of tail channels

3.2 尾閭河道平灘寬深比與水沙過程的關(guān)系

式（7）～式（8）的相關(guān)系數(shù)R值分別為0.61、0.63，反映出尾閭河道平灘寬深比與黃河口水沙過程的關(guān)系比尾閭河道平灘面積與黃河口水沙過程的關(guān)系要明顯偏弱。相比而言，尾閭河道平灘寬深比與黃河口來沙系數(shù)ρ的關(guān)系比尾閭河道平灘寬深比與來水量w的關(guān)系更密切，說明黃河口水沙搭配關(guān)系對(duì)尾閭河道橫斷面形態(tài)的塑造非常重要，同時(shí)來水量的大小對(duì)尾閭河道橫斷面形態(tài)的塑造也不容忽視。

圖3 黃河口尾閭河道利津斷面平灘寬深比與水沙過程關(guān)系圖Fig.3 Relationship between bankfull width-depth ratio and flowsediment process of Lijin section

4 尾閭河道斷面形態(tài)萎縮的判別指標(biāo)

黃河口尾閭河道萎縮導(dǎo)致相同洪水流量尾閭河道水位急劇升高，黃河防洪安全受到極大威脅，已引起政府部門的高度重視［6］。1988年至今，國家多次對(duì)黃河口尾閭河道實(shí)施了大型拖淤、挖河疏浚等工程措施，對(duì)減緩尾閭河道萎縮起到了一定作用，但工程實(shí)施過程中，急需引入一個(gè)判別指標(biāo)，作為實(shí)施尾閭河道萎縮治理工程的控制標(biāo)準(zhǔn)。

利津斷面是黃河口尾閭河道演變的進(jìn)口控制斷面，水文資料較齊全，可作為黃河口尾閭河道萎縮的控制斷面。為了對(duì)尾閭河道萎縮進(jìn)行量化控制，首先要提出一個(gè)能確切表征斷面形態(tài)萎縮的變量。尾閭河道斷面形態(tài)萎縮最突出的特征是過水?dāng)嗝婷娣e損失嚴(yán)重，河道過流能力減小，所以選用利津斷面的變量是利津斷面第i年過水面積損失占多年平均過水面積的百分比，其中ΔAj為利津斷面第i-1年的過水面積減去第i年過水面積的差值；為利津斷面多年過能比較確切的表征尾閭河道第i年的萎縮程度。變量水面積的平均值。當(dāng)變量為正值時(shí)越大，利津斷面第i年過水面積損失程度越大；變量越小，利津斷面第i年過水面積損失程度越小。

影響黃河口尾閭河道萎縮的因素主要有2方面：（1）來水來沙過程：黃河口水沙過程變異是尾閭河道萎縮的主要原因；（2）前期河床邊界條件：尾閭河道前期斷面形態(tài)與河道萎縮關(guān)系密切，前期萎縮的斷面形態(tài)將加劇尾閭河道的萎縮。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用多元回歸方法，建立第i年黃河口尾閭河道斷面形態(tài)萎縮變量與第i年水沙過程變異參數(shù)ξ和利津斷面第i-1年寬深比的關(guān)系式

其綜合相關(guān)系數(shù)R=0.82，表明相關(guān)性良好，將水沙過程變異參數(shù)ξ的表達(dá)式［2］代入式（9）可得細(xì)化后的表達(dá)式

由式（11）可知，尾閭河道斷面形態(tài)萎縮判別指標(biāo)Tn是變量自1986年后至第n年的累加值，其物理意義十分明確：1986年后，尾閭河道萎縮發(fā)展到第n年過水?dāng)嗝婷娣e累計(jì)損失的百分比。圖4為尾閭河道斷面形態(tài)萎縮判別指標(biāo)Tn隨年份變化過程，由圖4可見，1986～1995年，除1990年外，Tn持續(xù)增大，由1986年的0.21增大到1995年的0.5；1996～2001年，Tn有減有增，出現(xiàn)一定波動(dòng)；2002～2006年，Tn明顯呈減小的趨勢(shì)。Tn的變化反映出，1986～1995年尾閭河道萎縮隨時(shí)間不斷發(fā)展加重，最嚴(yán)重的1995年過水?dāng)嗝婷娣e累計(jì)損失達(dá)50%；1996～2001年，受清8出汊溯源沖刷的影響，尾閭河道過水?dāng)嗝婷娣e有所恢復(fù)，但萎縮的趨勢(shì)并未改變；2002～2006年，小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的成功運(yùn)用，明顯減輕了尾閭河道萎縮程度。

由圖4可見，Tn分布在直線Tn=0.2之下的為0 a；分布在直線Tn=0.2和直線Tn=0.3之間的有4a，約占圖4中總年數(shù)20%；分布在直線Tn=0.3和直線Tn=0.45之間的有13 a，約占圖4中總年數(shù)60%；分布在直線Tn=0.45之上有4 a，占圖4中總年數(shù)20%。根據(jù)圖4中點(diǎn)群上述分布特征，可取Tn值為0.2、0.3、0.45，對(duì)河道萎縮發(fā)展過程進(jìn)行階段劃分：Tn＜0.2，尾閭河道尚未出現(xiàn)萎縮階段；0.2≤Tn＜0.3，尾閭河道萎縮出現(xiàn)和發(fā)育階段；0.3≤Tn＜0.45，尾閭河道萎縮形成和發(fā)展階段；Tn≥0.45，尾閭河道萎縮十分嚴(yán)重階段。

判別指標(biāo)Tn對(duì)尾閭河道萎縮發(fā)展過程的階段劃分，為治理尾閭河道萎縮工程的實(shí)施提供了量的控制。當(dāng)萎縮判別指標(biāo)Tn達(dá)到0.2時(shí)，標(biāo)志著尾閭河道已開始出現(xiàn)萎縮，應(yīng)加強(qiáng)觀察，密切注視河道萎縮是否繼續(xù)發(fā)展；Tn升高到0.3時(shí)，有條件的前提下，應(yīng)采取一定的工程措施減小河道萎縮程度；Tn升高到0.45時(shí)，必須采取有力的工程措施或綜合性工程措施大幅度減小河道萎縮程度。

圖4 黃河口尾閭河道斷面形態(tài)萎縮判別指標(biāo)Tn變化過程Fig.4 Variational processes of distinguishing target Tnof atrophy of tail channels in the Yellow River Estuary

5 結(jié)論

（1）1986年后，黃河口年際間水沙劇烈減少，水沙搭配關(guān)系變壞；年內(nèi)分配以汛期8～10月減少的幅度最大；汛期洪水與非汛期小水的對(duì)比發(fā)生質(zhì)的變化，典型水文條件兩極分化；河道水沙沿程衰減嚴(yán)重，入海水量很少，甚至為0；黃河口水沙過程變異是上述各種水沙條件變異綜合作用的結(jié)果。2002年后，由于小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的持續(xù)運(yùn)用，黃河口水沙過程變異有所緩解，來水量增大，來沙量減少，水沙搭配關(guān)系明顯改善。

（2）黃河口水沙過程變異，尾閭河道斷面形態(tài)萎縮十分明顯，主要表現(xiàn)為平灘寬度縮窄，平灘水深變淺，平灘面積大幅度減小，平灘寬深比有所增大，斷面形態(tài)變的更加寬淺。2002年后，尾閭河道斷面萎縮有所恢復(fù)，平灘水深與平灘面積明顯增大，平灘寬深比大幅度減小，斷面形態(tài)朝著窄深方向調(diào)整，說明小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用對(duì)于尾閭河道斷面形態(tài)的恢復(fù)發(fā)揮了良好的作用?；貧w分析表明，尾閭河道斷面形態(tài)調(diào)整與水沙過程有著良好的響應(yīng)關(guān)系，尾閭河道平灘面積隨黃河口來水量的增大而增大；隨黃河口來沙系數(shù)的增大而減??；平灘寬深比隨黃河口來水量的增大而減?。浑S黃河口來沙系數(shù)的增大而增大。

（3）黃河口造床流量的減小、河床阻力的增大、河海耦合動(dòng)力減小均降低了尾閭河道的輸水輸沙能力，其持續(xù)作用的結(jié)果是塑造了萎縮的河槽水力幾何形態(tài)；而萎縮后的河床形態(tài)反影響于尾閭河道的輸水輸沙能力，其結(jié)果是加劇了河道萎縮的發(fā)展。為解決治理尾閭河道萎縮缺乏控制標(biāo)準(zhǔn)的問題，引入尾閭河道斷面形態(tài)萎縮的判別指標(biāo)Tn，Tn的物理意義是1986年后尾閭河道橫斷面累計(jì)損失的過水面積百分比，依據(jù)Tn點(diǎn)群分布特征，取Tn值0.2、0.3、0.45作為實(shí)施尾閭河道萎縮治理工程的控制界限點(diǎn)。

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