黃河河口入海流路的穩(wěn)定類型和改道閾值體系

王開榮 杜小康 韓沙沙

摘 要：對黃河河口入海流路的穩(wěn)定類型進(jìn)行分類整理和概括總結(jié)，簡要回顧其人工改道標(biāo)準(zhǔn)閾值的演化和確定過程，初步構(gòu)建入海流路實施改道的閾值體系，利用實測資料對典型流量級改道水位閾值、河長閾值、海域容沙閾值及其河口容許累計來沙量閾值進(jìn)行了論證分析和計算。結(jié)果表明：現(xiàn)狀流量為3 000 m3/s的改道水位閾值為10.58 m，河長閾值約為89 km，海域容沙閾值約為72.19億m3，相應(yīng)的利津站累計來沙量閾值約為120.65億t。

關(guān)鍵詞：河口;流路;穩(wěn)定類型;閾值體系;黃河

Abstract：This paper classified， sorted and summarized the stability types of the Yellow River estuarine channel into the sea and briefly reviewed the evolution and determination process of the standard threshold of artificial avulsion. In addition， the threshold system for the implementation of the flow path avulsion into the sea was initially constructed. The threshold value of water level， river length， sea area sediment capacity and the threshold value of allowable cumulative sediment volume in estuary were analyzed and calculated by the measured data. The results show that the threshold of current water level is 10.58 m when the current flow reaches 3 000 m3/s， the threshold of river length is 89 km， the threshold of sea area sediment capacity is 7.219 billion m3 and the corresponding threshold of cumulative sediment inflow at Lijin Station is about 12.065 billion tons.

Key words： estuary; channel; stability types; threshold system; Yellow River

黃河河口入海流路的穩(wěn)定問題一直是眾多學(xué)者所關(guān)注的重要課題，其治理實踐有特定的涵義[1]。眾所周知，“淤積、延伸、擺動、改道”是黃河河口在一定水沙條件下的自然規(guī)律。這一自然規(guī)律是黃河河口入海流路難以在平面區(qū)域位置保持穩(wěn)定的具體表現(xiàn)，其中蘊(yùn)含著不同類型的穩(wěn)定問題，亟待給予明確;同時，現(xiàn)有的穩(wěn)定改道閾值單純用水位特征值作為標(biāo)準(zhǔn)，有一定的局限性，并給人工有計劃改道的具體實施帶來諸多困擾[2] 。因此，如何在西河口（二）站流量為10 000 m3/s的水位達(dá)到12 m（大沽高程）這一改道水位閾值的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步補(bǔ)充和提出其他相關(guān)閾值指標(biāo)，進(jìn)而形成相對完善的黃河河口入海流路穩(wěn)定閾值體系，也同樣值得研究。

1 河口流路的穩(wěn)定類型和閾值指標(biāo)

黃河河口地處陸、海相動力綜合作用的區(qū)域，其演變過程十分劇烈和復(fù)雜，既具有沖積性河流演變的基本特征，又受海洋動力因素的顯著影響。從實踐角度而言，黃河河口及其三角洲的演變過程盡管沒有絕對的平衡和穩(wěn)定，卻蘊(yùn)含著穩(wěn)定平衡的形成機(jī)制和相應(yīng)的臨界閾值。從現(xiàn)有的諸多研究成果來看，按照研究對象的不同和研究方向的差異，黃河河口的穩(wěn)定可區(qū)分為6種不同的穩(wěn)定類型，總結(jié)分析如下。

1.1 河道沖淤平衡型穩(wěn)定

該型穩(wěn)定主要是基于河床在縱向、橫向上抵御變化（形）的能力而提出的，本質(zhì)上是判斷河床（槽）是否發(fā)生沖淤平衡穩(wěn)定，主要考慮河道水流的挾沙能力及其河床邊界組成（主要是粒徑），落腳于河床[3]。竇國仁先生曾就此提出如下判別指標(biāo)和控制閾值[4]：

當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)接近于1.024時，即Ky≈1.024 時，河床穩(wěn)定，不發(fā)生變形情況;Ky<<1.024時，發(fā)生沖刷;Ky>>1.024時，發(fā)生淤積。

這里需要指出的是：所謂沖積河流的穩(wěn)定性指標(biāo)，就是用來表明這種局部的、暫時的相對變異幅度，而不是用來闡明一條河流是否正處在平衡狀態(tài)[5]。

1.2 自然出汊型穩(wěn)定

該型穩(wěn)定是指入海行水河槽自身邊界條件不能滿足泄洪排沙要求，從而導(dǎo)致水流另尋其他捷徑入海的一種結(jié)果，落腳于局部河段，尤其是口門附近的尾閭河段，屬于自然演變（人工改汊除外）的范疇[6]。Jerolmack等[7]研究提出的出汊評判指標(biāo)包括無量綱灘槽差SE、橫比降優(yōu)勢參數(shù)K等[8]，計算公式如下：

1.3 河口沙嘴發(fā)育極限型穩(wěn)定

該型穩(wěn)定的基本涵義是：在河口沙嘴顯著凸出海岸線并進(jìn)入濱海深水區(qū)時，將難以再向海延伸，從而促使河口沙嘴進(jìn)入下一個演變周期。劉寶銀等[9]依據(jù)平行四邊形法則，建立了符合表達(dá)黃河口沙嘴延伸和發(fā)育的模型，見式（4），并就此指出當(dāng)沙嘴發(fā)育指數(shù)趨近于0時，現(xiàn)行流路上的河口沙嘴將難以再向海延伸。

式中：Ω為黃河口沙嘴延伸和發(fā)育指數(shù);L1為沙嘴根部長度;L2為沙嘴主軸長度;ω為沙嘴主軸與河口漲潮流向的夾角;t為河道主槽行水周期;e-it為河道主槽行水周期指數(shù);Si為任一年的造陸面積;α為浪向與正北方向夾角;θ1為沙嘴主軸與正北方向夾角。

1.4 海岸線延伸蝕退平衡型穩(wěn)定

該型穩(wěn)定是指在一定來水來沙條件下，河口三角洲岸線的某一區(qū)域在某一時段內(nèi)，因淤積和侵蝕數(shù)量相當(dāng)而導(dǎo)致三角洲總體造陸面積不再增長的一種狀態(tài);其所涉及的區(qū)域可以是整個黃河三角洲岸線，也可以是處于行河狀態(tài)的流路所涉及的海岸線區(qū)域[10-14]。張治昊等[15]利用1977—2002年實測資料，通過多元回歸分析建立了如下黃河口海岸造陸水沙臨界綜合關(guān)系式：

1.5 三角洲沖積扇生長極限型穩(wěn)定

提出該型穩(wěn)定的主要依據(jù)在于：由河流入海泥沙在河口及其鄰近區(qū)域不斷堆積而逐漸形成的河口三角洲存在地貌學(xué)意義的生長極限[16-18]。曹銀真[19]提出：三角洲沖積扇發(fā)育是不斷循環(huán)的過程，每一循環(huán)過程形成的幾何形態(tài)基本一致，即沖積扇的縱軸a（即平行于河道的最大長度）、橫軸b（即垂直于河道的最大長度）、沖積扇的圓心角之間總保持著一定的比例關(guān)系，都有一定的臨界幾何形態(tài);統(tǒng)計結(jié)果表明，現(xiàn)代河口三角洲只要其形態(tài)指標(biāo)a/b值達(dá)1.2左右時，河道便發(fā)生決口改道（突變），另循比降大、流程短的地帶重新塑造新三角洲。

1.6 人工改道標(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)定

該型穩(wěn)定屬于人工干預(yù)下的控制穩(wěn)定。眾所周知：1855年至20世紀(jì)70年代，黃河入海流路的改道多屬于自然、隨機(jī)地發(fā)生，或者是在極其被動的情況下實施。而在目前，入海流路的改道則完全受制于人類活動的干預(yù)和影響，并且是有規(guī)劃、有計劃地予以實施。當(dāng)前，基于現(xiàn)狀條件下現(xiàn)行清水溝流路所能承受的防洪壓力乃至黃河下游的堤防標(biāo)準(zhǔn)情況，其河口入海流路的改道閾值標(biāo)準(zhǔn)是西河口（二）站水位在流量為10 000 m3/s時達(dá)到12 m。

西河口（二）站12 m水位改道標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前黃河河口綜合治理進(jìn)程中一項至關(guān)重要的控制指標(biāo)。其存在的重大實踐意義在于：若出現(xiàn)流量為10 000 m3/s的情況，其西河口水位不能超過12 m。若水位超過12 m，為確保防洪安全，必須對其上游相當(dāng)長的一段堤防進(jìn)行重新加高加固，但加高黃河堤防絕非治河上策，堤防越高，風(fēng)險和影響范圍就越大[20]。

需要特別指出的是：在上述6個不同的穩(wěn)定類型中，人工改道標(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)定在河口治理實踐中具有特殊的重要地位。鑒于此，本文圍繞這一穩(wěn)定類型的閾值演化過程和輔助閾值體系作如下進(jìn)一步分析。

2 流路人工改道標(biāo)準(zhǔn)閾值的演化和確定

縱觀1855年以來黃河河口的演變及其治理進(jìn)程，其流路改道標(biāo)準(zhǔn)閾值的演化和確定經(jīng)歷了如下3個階段。

第一階段：1855—1953年自然閾值階段。河口基本屬于自然演變狀態(tài)，人工干預(yù)強(qiáng)度極弱，其穩(wěn)定閾值沒有明確的概念和數(shù)值大小。

第二階段：1953—1992年10 m（大沽高程）改道標(biāo)準(zhǔn)階段。該階段是流路穩(wěn)定判別指標(biāo)由自然狀態(tài)下的穩(wěn)定閾值向人工控制改道標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變的階段。1946年開啟人民治黃歷程，1953年前，黃河由甜水溝、宋春榮溝、神仙溝分流入海。長期分流入海造成上游河道壅水淤積，為改善防洪條件，變分流入海為獨流入海，于1953年7月實施了并汊改造。此時的改道一般是相機(jī)臨時決定的，并無統(tǒng)一、嚴(yán)格的改道標(biāo)準(zhǔn)閾值。1964年因凌汛問題改道刁口河流路后，適逢黃河第三次加高加固黃河大堤（1969—1973年），其下游堤防防御標(biāo)準(zhǔn)為花園口站22 000 m3/s洪水?；诖耍?0世紀(jì)70年代初，根據(jù)當(dāng)時黃河河口堤防的工程標(biāo)準(zhǔn)，把洪峰流量為10 000 m3/s時羅家屋子大體相應(yīng)的水位達(dá)到10 m（大沽高程）作為改道控制水位。

第三階段：1992年至今12 m（大沽高程）改道標(biāo)準(zhǔn)階段。20世紀(jì)80年代以來，尤其是1983年東營市的建制成立，河口三角洲地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，以及勝利油田的大規(guī)模開發(fā)，對黃河河口入海流路穩(wěn)定的要求愈發(fā)迫切?；诤涌诘貐^(qū)防洪工程體系的建設(shè)現(xiàn)狀，1992年原國家計委正式批復(fù)《黃河入海流路規(guī)劃報告》，明確了“當(dāng)西河口（二）水位站水位達(dá)12 m時，再根據(jù)當(dāng)時河道狀況及油田開發(fā)需要決定改走北汊1或抬高西河口水位繼續(xù)走現(xiàn)行河道”。最新的《黃河河口綜合治理規(guī)劃報告》即采用了此改道標(biāo)準(zhǔn)。

河口堤防是防御洪水泛濫、保護(hù)河口三角洲地區(qū)居民和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要工程舉措?，F(xiàn)狀條件下的黃河河口河道堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與黃河下游的堤防有所不同，其包含了兩層含義，其一是能保障10 000 m3/s流量過程的行洪安全，其二是西河口水位在流量為10 000 m3/s時達(dá)到12 m應(yīng)實施人工有計劃改道。

目前，黃河河口河道堤防（指臨黃堤防）全長約75.9 km，其中左岸堤防全長44.4 km，包括北大堤（四段—三十公里險工）長度30 km、北大堤順六號路延長段（三十公里險工以下至孤東圍堤三號險工）長度14.4 km。堤頂高程自上而下為14.88～7.15 m（黃海高程，下同），西河口水位（二）站對應(yīng)的左岸堤頂高程約為13.50 m（清1斷面左岸，換算大沽高程為14.98 m）。左岸堤防全長31.5 km，包括臨黃大堤（漁洼—二十一戶）長度3.7 km、防洪堤（二十一戶以下至防潮壩）長度27.8 km，其堤頂高程自上而下為14.30～8.60 m，西河口水位（二）站對應(yīng)的右岸堤頂高程約為13.35 m（清1斷面右岸，換算大沽高程為14.83 m）。

3 流路改道標(biāo)準(zhǔn)的輔助閾值指標(biāo)

3.1 輔助閾值指標(biāo)的構(gòu)成

目前流路的改道與否是以水位作為控制標(biāo)準(zhǔn)的，由此帶來了如下問題：第一，水位并非表征流路末期演變狀態(tài)的唯一特征值，水面比降、尾閭長度、相應(yīng)濱海區(qū)域容沙能力乃至生產(chǎn)實踐的需求等，都在一定程度上影響和決定著入海流路是否要進(jìn)入改道程序。第二，將水位作為改道的唯一控制標(biāo)準(zhǔn)，需要準(zhǔn)確把握河口河段的水位變化，但就黃河河口的基本演變特征而言，預(yù)測短時期內(nèi)的水位變化難度極大。河口河段水位變化十分劇烈，以西河口流量為3 000 m3/s時的水位變化為例，個別年份水位升高值可達(dá)0.58 m（1993年），尤其需要指出的是，河口地區(qū)的凌汛、風(fēng)暴潮都有可能導(dǎo)致水位暴漲[21]。1979年1月25日，利津站凌峰流量為1 130 m3/s的水位一度達(dá)到了14.76 m，較1978年11月中旬、1979年7月中旬同流量水位分別升高了2.37 m和2.72 m，該數(shù)值也超過了1958年流量為10 400 m3/s時的水位13.76 m。顯然，將單一水位閾值作為改道決策依據(jù)存在一定的局限性，應(yīng)參考其他相關(guān)閾值并據(jù)此形成相對完善的改道輔助閾值體系，才會使得改道的決策更為科學(xué)和合理。

基于上述原因，圍繞西河口12 m水位的改道閾值問題，衍生了其他相關(guān)的輔助閾值指標(biāo)，主要包括典型流量級的改道水位閾值、河長閾值、濱海區(qū)域容沙體積閾值，其中海域容沙閾值亦可轉(zhuǎn)化為河口所容許的累計來沙量，見圖1。

3.2 典型流量級的改道水位閾值

自20世紀(jì)80年代中期以來，黃河口地區(qū)來水來沙量急劇銳減，洪峰流量亦大幅度削減。1986—2016年最大日均流量僅為5 220 m3/s（1988年），多年平均最大日平均流量為2 713 m3/s;31 a中只有9 a最大日平均流量超過3 000 m3/s;而且，在目前黃河多水庫聯(lián)合運(yùn)用和黃河下游滯洪區(qū)運(yùn)用的情況下，河口河段10 000 m3/s洪水出現(xiàn)的概率為千年一遇。鑒于此，十分有必要基于流量為10 000 m3/s時12 m水位的改道標(biāo)準(zhǔn)，分析和計算典型流量級所對應(yīng)的改道水位閾值。

考慮到在傳統(tǒng)的水文分析計算中，流量為3 000 m3/s的水位已被廣泛采用這一現(xiàn)實，故選用3 000 m3/s作為典型流量級為宜。之所以把流量為3 000 m3/s的水位作為關(guān)系指標(biāo)，主要是基于在進(jìn)入河口河段的洪峰過程中3 000 m3/s流量出現(xiàn)的頻次最高。統(tǒng)計結(jié)果表明：在小浪底水庫運(yùn)用期的2002—2016年15 a中，各年度最大日均流量的平均值為3 164 m3/s，其中有9 a最大日均流量超過了3 000 m3/s，而超過4 000 m3/s流量過程的年份僅有1 a，因此選用3 000 m3/s對應(yīng)水位作為關(guān)系指標(biāo)既符合未來的水沙情勢，又可以利用實測資料獲取客觀和真實的數(shù)據(jù)。

將西河口流量為10 000 m3/s時12 m的改道水位轉(zhuǎn)換為流量為3 000 m3/s時的相應(yīng)水位，并沒有改變現(xiàn)行入海流路的改道標(biāo)準(zhǔn)，同時，轉(zhuǎn)換后的水位指標(biāo)更切合實際，更容易科學(xué)把握。事實上，在開展黃河口入海流路規(guī)劃和綜合治理規(guī)劃時，其水位指標(biāo)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)得到了不同程度的運(yùn)用，并大致給出了其水位差在1.27～1.87 m之間變化[22-24]。

根據(jù)2017年實測資料，西河口水位（二）站附近所對應(yīng)的斷面（清1斷面）主槽寬度和河床平均高程分別為629.0 m和4.35 m，灘地寬度和灘地平均高程分別為691.4 m和7.53 m，設(shè)定主槽綜合曼寧糙率系數(shù)為0.0125，灘地糙率分別選用0.02、0.03、0.04和0.05，主槽比降為0.007 5%，灘地比降為1.420/1 000，依據(jù)曼寧公式則可得到演算成果（見表1）。由此可見：現(xiàn)狀條件下流量為3 000 m3/s與10 000 m3/s對應(yīng)水位的差值在0.98～1.57 m之間。在不考慮河床形態(tài)、海平面上升等其他相關(guān)因素的情況下，若灘地糙率取值為0.04，其現(xiàn)狀流量為3 000 m3/s的改道水位閾值為10.58 m。

3.3 河長閾值

河口流路延伸長度的變化既是表征河口演變的主要特征指標(biāo)，也是影響河流侵蝕基準(zhǔn)面變化的主要因子和制約河口河段水位變化的核心因子。因此，河口入海流路延伸長度的變化一直是開展河口演變規(guī)律及其綜合治理研究的核心內(nèi)容。圍繞流路的河長閾值（西河口以下）問題，相關(guān)研究得出和采用的數(shù)值介于76.9～83.0 km之間[23-25]。

流路河長的變化對于河口尾閭河段的水位升降變化和發(fā)展趨勢具有控制性的影響[26]。利用1965—2002年的部分實測資料，并將羅家屋子水位轉(zhuǎn)換為西河口（二）站水位，可建立其水位與河長間的相關(guān)關(guān)系（見圖2），并得出如下關(guān)系式：

依據(jù)式（6），并取西河口流量為10 000 m3/s與3 000 m3/s對應(yīng)水位差1.42 m（灘地糙率取值0.04），在不考慮海平面上升等因素的情況下，可得出河長閾值約為89 km。

3.4 海域容沙閾值

海域容沙閾值是指基于現(xiàn)狀海域地形條件，在未來清水溝流路行河達(dá)到某種特定狀態(tài)時，其行河所涉及的海域能夠容納的泥沙數(shù)量，此與陳雄波等[27]提出的“流路輸沙容量”概念并無本質(zhì)的區(qū)別。1992年原國家計委正式批復(fù)的《黃河入海流路規(guī)劃報告》，曾就不同海域的容沙體積（庫容）進(jìn)行過計算[22]。

筆者利用1996年的實測濱海地形資料，并以三角洲沖積扇生長極限型穩(wěn)定所得出的幾何形態(tài)閾值為依據(jù)[19]，在預(yù)測概化清8汊河未來沙嘴形態(tài)的基礎(chǔ)上，選擇沙嘴頂部寬度介于3～9 km之間，從而進(jìn)一步明確了流路河長與海域容沙能力的相關(guān)關(guān)系（見圖3），得出了在河長達(dá)到89 km的情況下，其海域容沙閾值約為72.19億m3。

需要說明的是：海域容沙閾值也可以用利津站所容許的累計來沙量所代替。眾所周知，進(jìn)入河口的泥沙輸移分配的區(qū)域不外乎三個，分別是河道內(nèi)、濱海區(qū)和外海，其中沉淤在河道內(nèi)、濱海區(qū)兩個區(qū)域的泥沙均會參與造陸并形成流路河長的延伸。根據(jù)以往研究成果，在多年平均情況下河道內(nèi)、濱海區(qū)沉淤的泥沙數(shù)量占利津來沙量的比例約為70%。據(jù)此可大體得出：當(dāng)海域容沙能力達(dá)到閾值72.19億m3時，其利津站所容許的累計來沙量閾值為103.1億m3（考慮淤積物干密度介于陸上淤積物和濱海區(qū)淤積物干密度之間，取1.17 t/m3）[26，28]，則得出相應(yīng)的利津站累計來沙量閾值約為120.65億t。

截至2018年，清8汊河累計來沙量為36.44億t，尚余84.21億t的容沙能力空間，若考慮未來河口年均入海沙量為3.0億t，則清8汊河的行河年限約為28 a。

4 結(jié)論及建議

目前，現(xiàn)行清水溝流路的改道水位標(biāo)準(zhǔn)是西河口水位在流量為10 000 m3/s時達(dá)到12 m（大沽高程），由此衍生的其他相關(guān)輔助閾值指標(biāo)包括：①典型流量級的改道水位閾值，若灘地糙率取值為0.04，其現(xiàn)狀流量為3 000 m3/s的改道水位閾值為10.58 m;②河長閾值，基于水位與河長間的相關(guān)關(guān)系，可得出河長閾值約為89 km;③海域容沙閾值，通過明確流路河長與海域容沙能力的相關(guān)關(guān)系，得出在河長閾值達(dá)到89 km的情況下，其海域容沙閾值約為72.19億m3;④利津站累計來沙量閾值，根據(jù)進(jìn)入河口地區(qū)的泥沙輸移分配比例，得出相應(yīng)的利津站累計來沙量閾值約為120.65億t。目前的清8汊河流路尚余84.21億t的容沙能力空間，若考慮未來河口年均入海沙量為3.0億t，則清8汊河的行河年限約為28 a。

按照研究對象的不同和研究方向的差異，黃河河口的穩(wěn)定可分為6個種穩(wěn)定類型，即河道沖淤平衡型穩(wěn)定、自然出汊型穩(wěn)定、河口沙嘴發(fā)育極限型穩(wěn)定、海岸線延伸蝕退平衡型穩(wěn)定、三角洲沖積扇生長極限型穩(wěn)定、人工改道標(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)定。鑒于人工改道標(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)定在河口治理實踐中具有特殊地位，故對其改道閾值體系進(jìn)行了先期研究。鑒于黃河河口入海流路演變的復(fù)雜性以及對流路實施改道的高度敏感性，建議對其他5項穩(wěn)定指標(biāo)體系也展開閾值研究，并形成完整的河口入海流路閾值體系。

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