對(duì)口丁壩雙岸整治對(duì)黃河下游河道沖淤的影響

田世民,張防修,劉香君,韋詩(shī)濤,李東陽(yáng)

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; 2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 鄭州 450008;3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003; 4.河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河南 鄭州 450003)

對(duì)口丁壩雙岸整治對(duì)黃河下游河道沖淤的影響

田世民1,張防修1,劉香君2,韋詩(shī)濤3,李東陽(yáng)4

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; 2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 鄭州 450008;3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003; 4.河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河南 鄭州 450003)

選取低含沙水沙系列、枯水多沙水沙系列以及規(guī)劃設(shè)計(jì)的未來(lái)50 a水沙系列,利用黃河下游一維水沙數(shù)學(xué)模型,模擬計(jì)算了對(duì)口丁壩雙岸治理方案下黃河下游河道在3種水沙系列條件下的沖淤狀況。結(jié)果表明,游蕩性河段采用對(duì)口丁壩方案整治后,輸沙能力得到了提高,該河段多輸送的泥沙一半以上輸送到利津以下,其余部分淤積在高村—利津河段,其中淤積以高村—艾山河段為主,艾山—利津河段的沖淤情況與現(xiàn)狀相比變化不大。

對(duì)口丁壩;雙岸整治;沖淤;黃河下游

黃河下游河道彎曲率在1.07～1.28之間[1],在受到大型水庫(kù)影響之前的1919—1960年,每年進(jìn)入黃河下游的泥沙為16億t,其中4億t淤積在河道中,12億t輸送入海[2]。20世紀(jì)50—80年代,黃河三門(mén)峽站的年均輸沙量為12.9億t,最大年輸沙量為30.3億t[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界河流每年輸送入海的物質(zhì)為100億t,其中懸移質(zhì)泥沙量占62%[4],按照1919—1960年的數(shù)據(jù),黃河每年輸送入海的懸移質(zhì)泥沙占世界總量的19.4%。黃河下游采取寬河固堤的整治方略,整治目標(biāo)是以防洪為主[5],兼顧灘區(qū)村莊和耕地保護(hù)[1],取得了巨大的成績(jī)。隨著黃河干支流水庫(kù)的修建以及黃土高原水土保持工作的逐步推進(jìn),黃河的水沙情勢(shì)發(fā)生了較大改變。1950—1959年潼關(guān)站年均徑流量和輸沙量分別為427.7億m3和18.26億t;1980—1999年分別為369.1億m3和7.8億t;2000—2009年又進(jìn)一步減少至210.4億m3和3.11億t[6]。

在上述背景下,黃河下游流量小于800 m3/s的小水歷時(shí)增加,由1949—1960年占全年的43.78%上升到2000—2013年的63.45%[7],有研究者通過(guò)對(duì)國(guó)外河流治理的調(diào)研建議在黃河下游游蕩性河段進(jìn)行雙岸整治塑造窄深河槽[8-10],并結(jié)合水庫(kù)優(yōu)化調(diào)控塑造高含沙洪水[11-12],認(rèn)為洪水輸沙過(guò)程中底沙運(yùn)動(dòng)比洪水波傳播得慢,由此可以實(shí)現(xiàn)黃河下游河道的長(zhǎng)距離沖刷,提高河道的輸沙能力[13-14]。同時(shí)也有研究者認(rèn)為雙岸整治方案雖然能夠提高整治河段的輸沙能力,但多輸送的泥沙會(huì)在下段河道發(fā)生淤積,即發(fā)生“沖河南,淤山東”的現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題,本文利用黃河下游準(zhǔn)二維數(shù)學(xué)模型,采用不同的水沙系列,計(jì)算了黃河下游花園口—高村游蕩性河段實(shí)施雙岸整治后黃河下游河道的沖淤狀況,分析了各河段的沖淤特性,闡述了雙岸整治對(duì)山東河段的影響。

1 水沙條件

選擇低含沙系列、枯水多沙系列以及小浪底水庫(kù)采用優(yōu)化調(diào)控方式后的未來(lái)50 a水沙系列,分別進(jìn)行計(jì)算。

1.1 低含沙水沙系列

低含沙水沙系列采用2002—2021年花園口站的水沙數(shù)據(jù),其中2002—2010年為花園口站實(shí)測(cè)水沙系列,2011—2021年采用流域規(guī)劃水沙系列。模型計(jì)算初始日為2002年7月1日,終止日為2021年6月30日,共計(jì)19個(gè)水文年。該系列年均徑流量為266億m3,年均輸沙量為2.353億t,其水沙系列特征見(jiàn)表1,各年水沙量見(jiàn)圖1。2002—2010年主要以500～1 000 m3/s的流量級(jí)為主,而2011—2021年則主要以小于500 m3/s和1 000～2 000 m3/s的流量級(jí)為主。

表1 不同水沙系列特征值

圖1 花園口站2002—2020年各年水沙量

1.2 枯水多沙水沙系列

該系列采用1986—1999年花園口站實(shí)測(cè)水沙系列數(shù)據(jù),模型計(jì)算初始日為1986年7月1日,終止日為1999年6月30日,共計(jì)13個(gè)水文年。1986—1999年水沙系列特征見(jiàn)表1,各年水沙量見(jiàn)圖2。該系列年均徑流量為279.12億m3,年均輸沙量為6.97億t,以500～1 000 m3/s的流量級(jí)為主,大于2 000 m3/s的流量出現(xiàn)的天數(shù)很少。

圖2 1986—1999年各年水沙量

1.3 未來(lái)50 a水沙系列

《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》是經(jīng)專(zhuān)家論證并經(jīng)國(guó)務(wù)院批復(fù)的《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃(2010—2030年)》的重要組成部分[15],基于20世紀(jì)80年代以來(lái)水資源開(kāi)發(fā)利用和下墊面的變化情況,采用一系列方法對(duì)天然徑流量系列(1956—2000年)進(jìn)行了一致性處理,得到黃河流域現(xiàn)狀下墊面條件下多年平均天然徑流量為534.79億m3(利津斷面),四站(龍門(mén)站、華縣站、河津站、狀頭站)多年平均天然來(lái)水量487.48億m3,考慮水利水保措施和引水后,預(yù)估未來(lái)50 a 4站平均實(shí)際來(lái)水量約為285億m3。黃河過(guò)去天然來(lái)沙量長(zhǎng)系列均值16億t,黃河流域綜合規(guī)劃提出2020年水平、2030年水平水利水保措施減沙目標(biāo)分別為5.0～5.5億t、6.0～6.5億t。據(jù)此預(yù)估未來(lái)50 a黃河潼關(guān)站輸沙量約為9.5～11億t。

圖3 未來(lái)50 a設(shè)計(jì)水沙系列

在此基礎(chǔ)上,水沙設(shè)計(jì)水平年按2020年考慮,水利水保措施減少入黃泥沙按5億t考慮,用水按25億m3考慮,以1968—1979年、1987—1999年及1962—1986年系列作為代表系列設(shè)計(jì)了未來(lái)50 a水沙系列,相應(yīng)4站多年平均徑流量為293.05億m3、輸沙量為10.56億t。經(jīng)過(guò)三門(mén)峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)后,與伊洛河、沁河水沙系列疊加即為進(jìn)入黃河下游的水沙系列。該系列水沙特征見(jiàn)表1和圖3，年均徑流量和輸沙量分別為300.76億m3和10.02億t,平均含沙量為33.32 kg/m3。經(jīng)小浪底水庫(kù)優(yōu)化調(diào)控后,泥沙主要集中在汛期,汛期徑流量和輸沙量分別占全年的48.7%和98.6%,且大部分集中在2 300 m3/s以上的洪水期,輸沙量為6.68億t,占汛期總輸沙量的67.6%。

2 地形條件

對(duì)于低含沙水沙系列和枯水多沙水沙系列,采用2002年汛后現(xiàn)狀地形、游蕩性河段花園口—高村河段主槽寬度束窄到800 m和500 m等3種地形條件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算河段為花園口—利津。對(duì)于規(guī)劃的未來(lái)50 a水沙系列,采用2013年汛前地形,游蕩性河段花園口—高村河段主槽寬度束窄到600 m進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算河段為小浪底—利津。利用對(duì)口丁壩束窄主槽的示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 主槽束窄概化示意圖

3 計(jì)算結(jié)果

黃河下游一維非恒定流水沙演進(jìn)數(shù)學(xué)模型(YRSSHD1D0112)與國(guó)內(nèi)其他河道沖淤計(jì)算水動(dòng)力學(xué)模型一樣,建立在水流運(yùn)動(dòng)控制方程、泥沙連續(xù)方程和河床變形方程的基礎(chǔ)上。采用Preissmann四點(diǎn)隱差分格式以及MacCormack算法分別對(duì)水流運(yùn)動(dòng)方程和泥沙連續(xù)方程進(jìn)行離散和求解。該模型吸收了國(guó)內(nèi)外最新建模思路和理論,進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),注重泥沙成果的集成,引入最新的懸移質(zhì)挾沙級(jí)配理論等研究成果。該模型通過(guò)對(duì)多年調(diào)水調(diào)沙及歷史洪水方案的驗(yàn)證和計(jì)算,模型計(jì)算參數(shù)及泥沙關(guān)鍵技術(shù)的處理方法能比較好地適合黃河的實(shí)際情況,是通過(guò)黃河水利委員會(huì)評(píng)測(cè)并推薦使用的應(yīng)用級(jí)模型。

3.1 低含沙水沙系列

低含沙水沙系列(2002—2021年)在不同主槽寬度方案下黃河下游各河段的沖淤量見(jiàn)表2。從全下游看,隨著主槽寬度的束窄,全斷面的沖刷量、主槽的沖刷量和灘地的淤積量均有所增加。從各河段來(lái)看,進(jìn)行雙岸整治后的花園口—高村河段沖刷量有所增加,主槽寬度800 m和500 m全斷面沖刷量分別比原始地形增加了3.8%和5.2%,主槽沖刷量分別增加了3.2%和6.8%;高村—艾山河段沖刷量減少,主槽寬度800 m和500 m全斷面沖刷量分別比原始地形減少了27.8%和37.6%,主槽沖刷量減少了6.3%和16.7%;艾山—利津河段沖刷量略有減少,主槽寬度800 m和500 m全斷面沖刷量分別比原始地形減少了0.2%和0.27%,主槽沖刷量減少了1.1%和1.9%,相對(duì)前兩個(gè)河段變化不大。

表2 低含沙水沙條件下黃河下游沖淤量 億t

表3為雙岸整治方案下主槽沖淤量與現(xiàn)狀地形主槽沖淤量之差,以及高村以下河段多淤積量占高村以上河段多沖刷量的比例,可知高村—艾山河段主槽少?zèng)_刷的量占花園口—高村河段主槽多沖刷量的37.14%～48.65%,艾山—利津河段少?zèng)_刷的量占花園口—高村河段多沖刷量的5.41%～5.71%,高村以下河段少?zèng)_刷的量占高村以上河段多沖刷量的42.85%～54.06%。

表3 雙岸整治下各河段主槽少?zèng)_(多淤)量及高村以上河段多沖(少淤)量 億t

3.2 枯水多沙水沙系列

枯水多沙水沙條件下不同主槽寬度方案下黃河下游各河段的沖淤量見(jiàn)表4。從全下游看,隨著主槽寬度的束窄,主槽的淤積量呈減小趨勢(shì),主槽寬度為500 m時(shí)主槽內(nèi)的淤積量最少,但同時(shí)由于主槽寬度的束窄,灘地的淤積量有所增加,主槽寬度越窄,灘地淤積量越大。從各河段來(lái)看,花園口—高村河段主槽的淤積量隨主槽寬度的束窄而減少,主槽寬度800 m時(shí)主槽淤積量比原始地形減少了33.1%,主槽寬度為500 m時(shí)該河段還發(fā)生了少量沖刷;高村—艾山河段主槽的淤積量有所增加,主槽寬度800 m和500 m時(shí)主槽淤積量分別比原始地形增加了23.5%和27.9%;艾山—利津主槽淤積略有增加,但增加量不大。

表5與表3類(lèi)似,高村—艾山河段主槽少?zèng)_刷的量占花園口—高村河段多沖刷量的25.68%～45.71%,艾山—利津河段少?zèng)_刷的量占花園口—高村河段多沖刷量的2.86%～17.57%,高村以下河段少?zèng)_刷的量占高村以上河段多沖刷量的43.25%～48.57%。

表4 枯水多沙水沙條件下黃河下游沖淤量 億t

表5 雙岸整治下各河段主槽少?zèng)_(多淤)量及高村以上河段多沖(少淤)量 億t

3.3 設(shè)計(jì)未來(lái)50 a水沙系列

在設(shè)計(jì)的未來(lái)50 a水沙系列下,黃河下游現(xiàn)狀方案與對(duì)口丁壩雙岸整治方案下的沖淤特性見(jiàn)表6。從淤積總量上看,現(xiàn)狀方案下全下游淤積量為97.23億t,雙岸整治方案下全下游淤積量為92.11億t,比現(xiàn)狀方案少淤積5.12億t,其中主槽少淤積10.83億t,灘地多淤積5.71億t。實(shí)施雙岸整治的花園口—高村河段較現(xiàn)狀地形少淤積8.74億t(主槽少淤積12.98億t,灘地多淤積4.24億t),其余各河段主槽和灘地均較現(xiàn)狀方案多淤積。小浪底—花園口河段全斷面多淤2.15億t,高村—艾山河段多淤1.28億t,艾山—利津河段多淤0.18億t。

表6 設(shè)計(jì)未來(lái)50 a水沙條件下黃河下游沖淤量 億t

小浪底—花園口、高村—艾山和艾山—利津河段主槽少?zèng)_(多淤)量分別為1.11億t、0.85億t和0.19億t，花園口主槽到高村河段主槽多沖(少淤)量為12.98億t，全下游多沖(少淤)量為10.84億t;高村—艾山河段主槽少?zèng)_刷的量占花園口—高村河段多沖刷量的6.55%,艾山—利津河段少?zèng)_刷的量占花園口—高村河段多沖刷量的1.46%,高村以下河段少?zèng)_刷的量占高村以上河段多沖刷量的8.01%。

4 討 論

以上計(jì)算結(jié)果均表明,雙岸整治方案能夠提高整治河段的輸沙能力,花園口—高村整治河段表現(xiàn)出多沖(少淤)的特性,高村以下河段表現(xiàn)出少?zèng)_(多淤)的特性,但主要集中在高村—艾山河段,對(duì)艾山—利津河段影響不大。

雙岸整治方案設(shè)計(jì)的主槽寬度為600 m左右,其主要依據(jù)為實(shí)測(cè)資料點(diǎn)繪的水流流速與河道沖淤曲線,當(dāng)水流流速達(dá)到2 m/s時(shí),河道不會(huì)發(fā)生淤積。基于此,利用黃河下游的糙率和比降,根據(jù)曼寧公式計(jì)算當(dāng)流量大于或等于3 000 m3/s時(shí),水流流速達(dá)到2 m/s所需要的主槽寬度。但以上計(jì)算采用的水沙條件中,流量大于3 000 m3/s出現(xiàn)的頻率較低,顯然達(dá)不到水流流速為2 m/s的要求,因此,計(jì)算結(jié)果與雙岸整治的提倡者的預(yù)想結(jié)果不符合,但符合實(shí)際情況。此外,雖然根據(jù)實(shí)測(cè)資料得到流速大于2 m/s時(shí)河道不發(fā)生淤積,即水流的挾沙能力存在多值關(guān)系,但這一現(xiàn)象如何通過(guò)理論分析并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,有待于下一步深入研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

從數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,在花園口—高村游蕩性河段進(jìn)行雙岸整治后,黃河下游呈現(xiàn)出減淤或多沖的現(xiàn)象,花園口—高村河段輸沙能力(尤其是主槽)得到明顯提高,說(shuō)明總體上雙岸整治能夠在一定程度上提高河道的輸沙能力。

除花園口—高村河段外,黃河下游其他河段均表現(xiàn)出多淤(少?zèng)_)的現(xiàn)象,其中高村以下河道的多淤(少?zèng)_)主要發(fā)生在高村—艾山河段,艾山—利津河段的多淤(少?zèng)_)現(xiàn)象雖然存在,但不明顯,即許多人擔(dān)心的“沖河南,淤山東”的現(xiàn)象確實(shí)存在,但并不顯著。

數(shù)學(xué)模型對(duì)河道沖淤特性的模擬基于對(duì)泥沙基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí),當(dāng)前對(duì)水流挾沙能力的認(rèn)識(shí)仍待進(jìn)一步深化,對(duì)挾沙力的多值關(guān)系需要通過(guò)進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)化為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá),以便更加客觀地反映泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。.

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ImpactsofcounterpartspurdikesonriverchannelerosionanddepositioninLowerYellowRiver//

TIAN Shimin1, ZHANG Fangxiu1, LIU Xiangjun2, WEI Shitao3, LI Dongyang4

(1.KeyLaboratoryofYellowRiverSediment,MWR,InstituteofHydraulicResearch,YRCC,Zhengzhou450003,China; 2.HenanWaterandPowerEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou450008,China; 3.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,China; 4.HenanYellowRiverReconnaissance,DesignandResearchInstitute,Zhengzhou450003,China)

The governance strategies and regulation measures for the Yellow River have always been discussed for generations. In recent years, some researchers suggested controlling the wandering reach with the counterpart spur dikes in the Lower Yellow River to increase the sediment transport capacity. To study the effects of the counterpart spur dikes, three different kinds of runoff and sediment series were selected. The erosion and deposition situation in the Lower Yellow River was simulated by a 1-D numerical model. The results indicate that the sediment transport capacity of the wandering reach can be increased under the remediation of counterpart spur dikes. More than a half of the extra sediment from the wandering reach is transported to the downstream reach of Lijin station. The rest deposits between Gaocun and Lijin station, especially in the reach from Gaocun to Aishan station. The erosion and deposition situation between Aishan and Lijin station varies little before and after the construction of counterpart spur dikes.

counterpart spur dikes; river regulation on both banks; erosion and deposition; Lower Yellow River

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41330751);水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201401002)

田世民(1981—),男,高級(jí)工程師,博士,主要從事河流水沙生態(tài)綜合管理工作。E-mail:tsm1981@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.002

TV85

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1006-7647(2017)06-0009-05

2017-01-20 編輯：鄭孝宇)