黃河下游韋灘河段畸形河勢分析

薛博文　李軍華　江恩慧

摘 要：黃河下游游蕩型河道近年來長期處于小流量的過程，局部河段與中水整治工程布局存在不匹配現(xiàn)象，其突出表現(xiàn)為畸形河勢的形成。這一現(xiàn)象不僅會造成灘區(qū)塌灘，而且隨著畸形河道的發(fā)育，有可能形成橫河、斜河等不利河勢，造成主流直接對大堤頂沖的風(fēng)險。2016年以來，隨著下游汛期來水量的增加，原來存在的開儀—趙溝、裴峪—大玉蘭、東安—桃花峪等畸形河勢，已在自然水力條件下消除，河勢逐步規(guī)順，然而韋灘河段存在的畸形河勢仍然存在?；谠驼{(diào)研、模型試驗等手段，對韋灘河段畸形河勢的演化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析。目前黃河下游水沙調(diào)度過程中最大洪峰流量一般為4 000 m3/s左右，此水沙過程下該畸形河勢難以自然消除，若要實現(xiàn)所需的水力條件，需要洪峰流量量級達(dá)到10 000 m3/s。黃河下游水沙調(diào)度目標(biāo)是保灘運用，針對該河段的畸形河勢，建議采用人工切灘的方式，開展人工裁彎。

關(guān)鍵詞：畸形河勢;實體模型;黃河下游

中圖分類號：TV85;TV882.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.005

Analysis of Abnormal River Regime in Weitan Reach of Lower Yellow River

XUE Bowen1，2， LI Junhua2， JIANG Enhui2

（1.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China;

2.Yellow River Institute of Hydraulic Research， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：In recent years， the wandering channel in the lower reaches of the Yellow River has been in the process of small discharge for a long time. This phenomenon will not only cause the collapse of the beach area， but also with the development of the deformed river course， it is possible to form the adverse river conditions such as horizontal flow and inclined flow， which will cause the risk of the mainstream directly rushing to the top of the levee. Since 2016， with the increase of the amount of water coming from the downstream flood season， the original abnormal river regime formed at the sections of Kaiyi-Zhaogou， Peiyu-Dayulan and Dongan-Taohuanyu have been eliminated under the natural hydraulic conditions and the river regime has been smooth gradually. However， the abnormal river regime in the section of Weitan still exists. Based on prototype investigation， model test and other means， this paper systematically analyzed the evolution law of deformed river regime in Weitan section. According to the study， at present， the maximum flood peak discharge in the downstream of the Yellow River is generally about 4 000 m3/s during the water and sediment regulation and this abnormal river regime is difficult to be eliminated naturally in this water and sediment process. In order to achieve the required hydraulic conditions， the flood peak discharge needs to reach 10 000 m3/s. However， because the goal of water and sand regulation downstream is to protect the beach， it is suggested that artificial cutting of the beach should be adopted to carry out artificial cutting of the bend.

Key words： deformed regime; physical model; Lower Yellow River

1 引 言

中華人民共和國成立以來，黃河治理保護(hù)工作取得了舉世矚目的成就，但黃河流域仍存在一些突出難題和問題[1]。黃河下游游蕩型河道近年來長期處于小流量的過程，局部河段與中水整治工程布局存在不匹配現(xiàn)象，其突出表現(xiàn)為畸形河勢的形成[2]。這一現(xiàn)象不僅會造成灘區(qū)塌灘，而且隨著畸形河道的發(fā)育，有可能形成橫河、斜河等不利河勢，造成主流直接對大堤頂沖的風(fēng)險。因此，治理畸形河勢是當(dāng)前黃河治理的重點工作[3]。

隨著專家學(xué)者的不斷深入研究，對于畸形河勢形成機理的認(rèn)識不斷豐富。黃河下游過渡段河道在1966年開展重點河段河道整治以前，曾經(jīng)多次形成畸形河灣，并發(fā)生自然裁彎現(xiàn)象。胡一三等[4-5]通過對4個畸形河灣發(fā)育過程的研究，認(rèn)為在缺少河道整治工程控制且河床土質(zhì)含黏土量低的河段，就會形成連續(xù)畸形河灣，河道邊界中出露的耐沖黏土層在畸形河灣的形成中起著重要的作用。許炯心等[6]對20世紀(jì)80年代中期的游蕩型河段畸形河勢進(jìn)行研究，認(rèn)為在河床調(diào)整過程中，受到特殊邊界條件限制，可能形成畸形河灣。21世紀(jì)初，江恩惠等[7]在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，認(rèn)為畸形河灣的形成受來水來沙過程、河道形態(tài)以及河床物質(zhì)組成3種因素控制，演變過程存在隨機性、不均衡性。

黨的十八大以來，防洪治河工作步入新階段。張林忠等[8]、趙天義等[9]、毋甜等[10]、潘明強等[11]、萬強等[12]對于黃河下游畸形河勢現(xiàn)狀開展規(guī)律性研究，并提出整治措施。2016年以來，隨著下游汛期來水量的增加，開儀—趙溝、裴峪—大玉蘭、東安—桃花峪等處畸形河勢在大水作用下已基本歸順。為此，本文通過對河勢尚未歸順的黃河下游韋灘河段畸形河勢進(jìn)行分析，結(jié)合黃河下游洪水預(yù)演實體模型試驗成果，以期實現(xiàn)整治畸形河勢的目的。

2 韋灘河段河勢演變情況

2.1 韋灘河段概況

黃河下游韋灘畸形河勢河段一般指九堡—三教堂河段，長約30 km，河段內(nèi)主要有九堡險工及下延控導(dǎo)工程、三官廟控導(dǎo)工程、韋灘控導(dǎo)工程、黑石護(hù)灘工程及仁村堤工程、大張莊工程與三教堂護(hù)灘工程。由于河床寬淺，主流游蕩擺動頻繁，因此受北岸三官廟工程前灘地阻水導(dǎo)流影響，出九堡下延工程后主溜迅速南移，形成畸形河勢。

2.2 韋灘河段近年來河勢變化

表1、表2統(tǒng)計了2016年汛前至2018年汛后九堡—三教堂河段河道整治工程靠河情況。2016年，九堡險工及下延控導(dǎo)工程將主溜送至三官廟控導(dǎo)工程3#壩處，受三官廟工程前灘地阻水導(dǎo)流影響，主溜行至10#壩后迅速南移，導(dǎo)致三官廟控導(dǎo)工程下首11#～42#壩均不靠河。而后水流沿黑石斷面呈橫河之勢南行，在韋灘工程上首前坐彎北行，導(dǎo)致韋灘工程脫河，主溜直沖黑石護(hù)灘工程及仁村堤工程，坐彎南行后轉(zhuǎn)向大張莊工程下首3#垛處，大張莊工程-8#～15#壩脫河，主溜沿三教堂護(hù)灘工程3#～7#垛轉(zhuǎn)向黑崗口下延工程，河勢歸順，主流沿治導(dǎo)線行進(jìn)。

2017年，九堡工程將主溜送至三官廟1#壩處，三官廟控導(dǎo)工程靠河長度較上年汛后小幅提升，主溜受河道內(nèi)膠泥層影響迅速南移，主流線與上年汛前相比向西移動，橫河河勢有所改善，主溜行進(jìn)至韋灘上首灘地處坐彎北行，滑過韋灘控導(dǎo)工程下首，主溜向西偏北方向頂沖三教堂護(hù)灘工程，在控導(dǎo)工程作用下，將水流送至黑崗口工程，主流歸順治導(dǎo)線。

2018年，九堡工程將主溜送至三官廟控導(dǎo)工程1#壩處，三官廟工程處主流線與上年相似，南移后坐彎北移，在郭莊斷面處主流線與上年相比擺動幅度明顯，最大擺動角達(dá)到47°，韋灘控導(dǎo)工程脫河，主流于黑石護(hù)灘工程32#垛靠河，主流線與上年同期重疊。主溜行過徐莊斷面后，主流線繼續(xù)擺動，在西三李斷面附近的大張莊工程靠岸，主溜頂沖三教堂護(hù)灘工程，在工程導(dǎo)流作用下，向西南方向行進(jìn)，主流線與上年重疊，歸順治導(dǎo)線。根據(jù)2016—2018年河勢變化（見圖1、圖2）分析發(fā)現(xiàn)，大河主流呈持續(xù)頂沖灘岸趨勢，Ω形畸形河灣整體向西發(fā)育，灘岸持續(xù)沖刷將造成灘地進(jìn)一步坍塌，嚴(yán)重時奪溜行洪，改變下游現(xiàn)有流路河勢，主流威脅黃河大堤，危及堤防安全。

3 黃河下游韋灘河段模型試驗成果

根據(jù)2016—2018年黃河下游洪水預(yù)演實體模型試驗成果[13-15]對韋灘河段畸形河勢演變情況（見圖3、圖4）進(jìn)行分析。

3.1 2016年黃河下游洪水預(yù)演實體模型試驗

2016年洪水預(yù)演實體模型試驗小浪底、黑石關(guān)、武陟三站設(shè)計洪水水沙過程見圖5。試驗初期，5 000 m3/s左右的流量持續(xù)37 h，河段河道彎曲系數(shù)較大，工程靠河情況不理想，河道在韋灘工程上首坐彎北行，韋灘工程脫河，畸形河勢基本不變，而后洪峰前7 697 m3/s流量持續(xù)7 h，18 452 m3/s流量持續(xù)11 h，洪水漫灘，局部洪水順堤行洪，主流向韋灘工程方向演進(jìn)，三教堂護(hù)灘工程頂沖態(tài)勢得到緩解，畸形河勢開始改善。洪水期間，22 532 m3/s流量持續(xù)23 h后，10 000 m3/s量級以上流量持續(xù)68 h，三官廟工程靠溜長度提升，韋灘工程于18 000 m3/s流量持續(xù)3 h時裁彎靠河，三教堂主流頂沖現(xiàn)象基本改善，畸形河勢初步改善。洪峰后期，10 000 m3/s左右的流量持續(xù)151 h，韋灘工程靠河位置上提，大張莊工程基本不靠河，畸形河勢明顯改善。

3.2 2017年黃河下游洪水預(yù)演實體模型試驗

2017年洪水預(yù)演實體模型試驗小浪底、黑石關(guān)、武陟三站設(shè)計洪水累計水沙過程見圖6。試驗初期，5 000 m3/s左右的流量持續(xù)59 h，九堡至三教堂河段彎曲系數(shù)較大，工程靠河情況均不理想，畸形河勢基本不變。洪峰期間，16 360 m3/s流量持續(xù)17 h后，10 000 m3/s左右的流量持續(xù)70 h，工程控制范圍內(nèi)灘地上水，三官廟工程靠河情況改善，韋灘工程前于16 000 m3/s流量持續(xù)5 h時發(fā)生裁彎取直現(xiàn)象，畸形河勢基本消失。洪水后期，在流量為7 185～12 593 m3/s持續(xù)125 h后，三官廟靠溜長度增加，送溜能力增強，韋灘工程前出現(xiàn)塌灘現(xiàn)象，主溜向韋灘工程靠岸，畸形河勢明顯改善。

3.3 2018年黃河下游洪水預(yù)演實體模型試驗

2018年洪水預(yù)演實體模型試驗小浪底、黑石關(guān)、武陟三站設(shè)計洪水水沙過程見圖7。試驗初期，4 000 m3/s以下的流量持續(xù)116 h，畸形河勢基本不變，在韋灘工程前塌灘坐彎形成畸形河道，主槽沿二級灘地向左岸塌灘演化。洪峰來臨前10 000 m3/s以下的流量持續(xù)43 h，韋灘工程前部分嫩灘被淹沒，二級灘地坍塌入槽，畸形河勢開始改善。洪峰期間，10 000 m3/s左右的流量持續(xù)37 h，洪水進(jìn)一步淹沒嫩灘，主流直沖韋灘工程高灘灘沿，畸形彎道于10 000 m3/s流量持續(xù)8 h時發(fā)生裁彎取直現(xiàn)象，畸形河勢明顯改善。洪水后期，5 000 m3/s左右的流量持續(xù)115 h，高灘大部分被侵蝕，三官廟工程靠河穩(wěn)定，韋灘工程和大張莊工程均不靠河，河勢趨于穩(wěn)定。

綜合分析認(rèn)為，模型試驗中，在洪水過程的作用下，雖然韋灘河段的畸形河勢基本消除，但韋灘工程、大張莊工程仍未完全靠河（見圖8），說明工程前灘地較高，多年不曾上水，10 000 m3/s量級洪水不能使韋灘工程完全發(fā)揮作用。2016年，在千年一遇洪水設(shè)計條件下洪峰流量達(dá)到20 000 m3/s量級，雖然洪峰后韋灘工程靠河，但大張莊工程未靠河，控導(dǎo)工程仍未完全發(fā)揮作用，且在該量級洪峰下，“二級懸河”嚴(yán)重河段在洪水漫灘后順堤行洪流速較大，給大堤安全帶來嚴(yán)重威脅。目前黃河下游水沙調(diào)度過程中最大洪峰流量一般為4 000 m3/s左右，此水沙過程下該畸形河勢難以自然消除，若要實現(xiàn)水力條件，需要洪峰流量量級達(dá)到10 000 m3/s，不符合保灘運用的下游水沙調(diào)度目標(biāo)。圖8 原型河勢與模型改善河勢對比同時，河流原型中三官廟以下至黑崗口河段工程對河勢的控制作用較弱，灘地存在大量膠泥沉積，河勢演化存在不確定因素較多。建議參考大宮—王庵畸形河勢整治方案，實施“引河法”裁彎[2]，采用人工切灘的方式，在河灣的最窄處按照 3～7 控制裁彎比，開展人工裁彎。

4 結(jié) 語

通過描述黃河下游韋灘河段近年來河勢變化，統(tǒng)計九堡—三教堂河段工程的靠河情況，對比河勢套繪圖變化發(fā)現(xiàn)，近年來大河主流呈持續(xù)頂沖灘岸趨勢，Ω形畸形河灣整體向西發(fā)育，灘岸持續(xù)沖刷將造成灘地進(jìn)一步坍塌，嚴(yán)重時奪溜行洪，改變下游現(xiàn)有流路河勢，危及堤防安全。

通過分析黃河下游洪水預(yù)演實體模型韋灘河段畸形河勢演變資料可知，目前黃河下游水沙調(diào)度過程中最大洪峰流量一般為4 000 m3/s左右，此水沙過程下該畸形河勢難以自然消除，若要實現(xiàn)所需的水力條件，需要洪峰流量量級達(dá)到10 000 m3/s，不符合保灘運用的下游水沙調(diào)度目標(biāo)。建議參考大宮—王庵畸形河勢整治方案，實施“引河法”裁彎，采用人工切灘的方式，在河灣的最窄處按照 3～7 控制裁彎比，開展人工裁彎。

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【責(zé)任編輯 許立新】

收稿日期：2019-11-30

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC0407403）;國家自然科學(xué)基金重點項目（51539004）;中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（HKY-JBYW-2017-01）

作者簡介：薛博文（1995—），男，吉林遼源人，碩士研究生，研究方向為河流水沙生態(tài)綜合管理和水環(huán)境等

通信作者：江恩慧（1963—），女，河南新安人，教授級高級工程師，博士，研究方向為河流泥沙

E-mail：ehjiang@yrihr.com.cn