黃河尾閭河道縱剖面調(diào)整對入海水沙的響應(yīng)

杜小康 王開榮 竇身堂 謝衛(wèi)明 凡姚申

摘 要：為更全面地認(rèn)識黃河尾閭河道形態(tài)的調(diào)整規(guī)律，基于1977—2017年利津水文站實測水沙資料以及典型斷面資料，探討黃河尾閭河道河床縱剖面形態(tài)在不同時期的變化過程，建立河床縱剖面凹度、縱比降與水沙條件的相關(guān)關(guān)系。研究表明：現(xiàn)行流路尾閭河道縱剖面主槽平均高程整體表現(xiàn)出先上升后降低的特征；縱剖面凹度在清8改汊前后，均表現(xiàn)出先增大后減小的特征，整體為“下凹”型；河道縱比降在流路改道（汊）后達到最大，在流路運用結(jié)束之前逐漸減小；尾閭河道縱剖面調(diào)整過程伴隨著沿程、溯源的沖淤過程，與流路發(fā)展階段和入海水沙過程密切相關(guān)，其中縱剖面凹度與汛期來沙系數(shù)有較密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系；河道縱比降在不同時期對水沙條件表現(xiàn)出不同的響應(yīng)規(guī)律，即當(dāng)溯源淤積起主導(dǎo)作用時河道縱比降與汛期來沙系數(shù)有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)水流的挾沙能力起主導(dǎo)作用時則有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：縱剖面；縱比降；凹度；來沙系數(shù)；尾閭河道；黃河口

中圖分類號：TV856；TV882.1 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.008

引用格式：杜小康，王開榮，竇身堂，等.黃河尾閭河道縱剖面調(diào)整對入海水沙的響應(yīng)[J].人民黃河，2022，44（1）：37-41，51.

AdjustmentofLongitudinalProfileRespondingtoFlowandSedimentofTailChannelinYellowRiverEstuary

DUXiaokang1，WANGKairong1，DOUShentang1，XIEWeiming2，F(xiàn)ANYaoshen1

（1.KeyLaboratoryofYellowRiverSedimentResearch，MWR，YellowRiverInstituteofHydraulicResearch，Zhengzhou450003，China；2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China）

Abstract：InordertocomprehensivelyunderstandtheadjustmentlawofthechannelshapeofthetailchannelintheYellowRiverestuary，thewater sedimentdataandtypicalcrosssectiondataatLijinStationfrom1977to2017wereusedtodiscussthechangingprocessofthelon gitudinalsectionshapeoftailchannelintheYellowRiverestuaryindifferentperiods.Longitudinalconcavityandslopewerechosetorepre sentthelongitudinalprofileandestablishedthecorrelationbetweenlongitudinalprofileoftheriverbedandthewater sedimentconditions. Theresultsshowthata）theaverageelevationofmainchannelattheendofthecurrentflowpathisfirstincreasingandthendecreasing；b）theconcavityoflongitudinalprofileisfirstincreasingandthendecreasingbeforeandafterthetimeofQing8Rivermouthtransfer，which isof“downconcave”type；c）thelongitudinalslopereachestothemaximumaftertransferringandthenisdecreasedgradually；d）thelon gitudinalprofileadjustmentprocessisaccompaniedbythescouringanddepositionprocessalongthedownwardandupward，whichisclosely relatedtothedevelopmentstageoftheflowpathandtheprocessofflow sedimententeringthesea.Thereisaclosenegativecorrelationbe tweenthelongitudinalconcavityandthesedimentcoefficientinfloodseasonand；e）thelongitudinalslopeofriverbedpresentsdifferentre sponsecharacteristicstowater sedimentconditionsindifferentperiods，i.e.whentheupwarddepositionplaysaleadingrole，thereisare markablenegativecorrelationbetweenthelongitudinalgradientofriverbedandthecoefficientofsedimentinfloodseasonandwhenthesedi mentcarryingcapacityplaysaleadingrole，thereisasignificantpositivecorrelation.

Keywords：longitudinalprofile；longitudinalslope；concavity；incomingsedimentcoefficient；tailchannel；YellowRiverEstuary

河流縱剖面是指河流沿水流方向的幾何形態(tài)，通常包括河谷縱剖面、水面縱剖面及河床縱剖面，其中河床縱剖面又包括主槽及高低灘地的縱剖面[1]。黃河尾閭河道受河流和海洋水沙動力、人類活動等因素的影響，形態(tài)調(diào)整劇烈[2]，圍繞其形態(tài)變化，有關(guān)學(xué)者已做了很多研究，王開榮等[3]分析了清水溝流路不同階段河道橫斷面、河床縱剖面形態(tài)的變化規(guī)律，并對未來河床形態(tài)演變規(guī)律進行了預(yù)測；張治昊等[4]分析了水沙變異以來黃河尾閭河道的萎縮演變過程，并提出了尾閭河道萎縮的判別指標(biāo)；張詩媛等[5]研究了不同階段黃河尾閭河道橫斷面的調(diào)整特點及其與水沙條件的響應(yīng)關(guān)系。但是到目前為止，關(guān)于黃河尾閭河道縱剖面調(diào)整過程對來水來沙條件的響應(yīng)方面的研究尚未開展。

筆者基于1977—2017年黃河利津水文站水沙資料、漁洼以下7個典型汛后大斷面資料，定量分析黃河尾閭河道不同階段河床縱剖面的變化過程，建立縱剖面與水沙過程的相關(guān)關(guān)系，揭示不同階段縱剖面對水沙過程的響應(yīng)機制，以期深化對黃河口河道演變規(guī)律的認(rèn)識，為新時期黃河口河道治理與規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與特征指標(biāo)獲取

本文研究范圍為漁洼斷面以下的黃河尾閭河道，使用的大斷面數(shù)據(jù)包括1977—2017年漁洼、清1、清2、清3、清4、清6、清7汛后大斷面資料，水沙數(shù)據(jù)包括黃河利津水文站1977—2017年流量、含沙量。以上資料均來自黃河口水文部門?？v剖面是指主槽縱剖面，縱剖面形態(tài)調(diào)整用縱比降和凹度兩個指標(biāo)來表示[6]，凹度表示河流縱剖面向下凹的程度，縱比降表示一個河段內(nèi)主槽平均高程的落差與相應(yīng)水平距離之比。涉及的主要特征指標(biāo)獲取方法如下。

（1）主槽平均高程。先判別主槽左、右岸灘唇的位置，以較低灘唇的高程為基準(zhǔn)，以積分方式求得主槽過水面積，過水面積與主槽寬度的比值為主槽的平均水深。以較低灘唇的高程減去主槽的平均水深，得到主槽平均高程。

2 尾閭河道縱剖面變化規(guī)律

黃河尾閭河道演變經(jīng)歷著“游蕩散亂—歸股—出汊擺動—改道”循環(huán)過程[7]，自1855年以來，黃河尾閭河道經(jīng)歷了9次大的改道變遷（見圖1），其中現(xiàn)行流路是1976年5月實施人工截流，由刁口河改走清水溝流路入海。隨著黃河口不斷向海洋淤積延伸，黃河三角洲的擺動頂點逐漸下移，由寧海下移到漁洼附近[8]。

本文按照1976年以來黃河人類活動、自然變化的重要時間節(jié)點進行時段劃分，如1986年龍羊峽水庫運用、1996年清8改汊、2000年小浪底水庫運用、2007年自然改汊，選取1977—1985年、1986—1995年、1996—1999年、2000—2007年以及2008—2017年作為特征時段，來探討黃河尾閭河道縱剖面形態(tài)的變化特征。

2.1 縱剖面形態(tài)變化特征

通過計算漁洼至清7各斷面1977—2017年各時段河床典型斷面主槽平均高程，套匯出尾閭河道歷年縱剖面形態(tài)（見圖2），通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在不同時段縱剖面形態(tài)有不同的變化特征。

1977—1985年，清水溝流路行河初期，河道單一順直，河長逐漸增加。清3以上主槽平均高程在1977—1983年下降了2.2m，1983—1985年清3以上主槽平均高程有所恢復(fù)，平均抬升0.9m。清3以下河道1977—1985年主槽平均高程抬升了1.2m。

1986—1995年水沙變異，進入枯水枯沙期，河道逐漸萎縮，主槽平均高程整體抬升了1.8m，各河段抬升幅度較為均勻。

1996—1999年，由于清8改汊，河長縮短，相比于1986—1995年，清3以上河道主槽平均高程有較小幅度的抬升，平均抬高了0.12m，清3以下河道主槽平均高程整體下降了0.23m。

2000—2007年，小浪底水庫運用使主槽平均高程整體呈下降趨勢，2002年調(diào)水調(diào)沙試驗以后，河道整體上受沿程沖刷作用的影響，清2、清4斷面附近河段縱剖面沖刷尤為明顯，最大沖刷深度分別達到4.5、2m，床沙粒徑變粗，河床的抗沖刷能力增強。與此同時，河段過流能力增強導(dǎo)致河段流速減小，水流挾沙能力降低，隨著上游來沙的沉積，清2、清4斷面附近河段主槽高程有小幅度抬升。

2008—2017年，小浪底水庫繼續(xù)蓄水?dāng)r沙，主槽平均高程進一步下降，整體下降約0.8m，為各時段最低。該時段河道依然主要受沿程沖刷作用的影響，但河床的抗沖刷能力進一步增強，清2、清4附近河段最大沖刷深度分別為1.6、1.1m，相較于2000—2007年有所降低。

總體而言，現(xiàn)行清水溝流路1977—2017年主槽平均高程呈現(xiàn)出先抬升后降低的變化特征，1986—1995年主槽平均高程最高，2008—2017年主槽平均高程最低。

2.2 縱剖面凹度變化特征

計算各年份的縱剖面凹度，繪制出縱剖面凹度逐年變化過程（見圖3），縱剖面凹度在1996年清8改汊前后，均表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，1996—1999年縱剖面凹度最小，縱剖面形態(tài)接近直線型，2000—2007年縱剖面凹度最大，即該時段縱剖面下凹程度最明顯。1978—2017年縱剖面凹度大于1，說明現(xiàn)行清水溝流路尾閭河道縱剖面整體呈現(xiàn)下凹的形態(tài)特征，符合沖積型河道自然特性。

當(dāng)尾閭河道處于流路運用初期或水沙條件較好時（1977—1983年、2000—2005年），沿程沖刷作用較強，尤其是清2、清4斷面附近河段河床下切明顯，縱剖面凹度增大。

當(dāng)處于流路運用中期或河長較長時（1984—1985年、2006—2013年），河道沿程沖刷作用減弱，清2、清4斷面附近河段河床下切減弱，縱剖面凹度趨于穩(wěn)定。

清8改汊之前（1986—1995年）和小浪底水庫運用多年后（2014—2017年），河道沿程沖刷逐漸向沿程淤積轉(zhuǎn)化，河道中間部分，尤其是清2、清4斷面附近河段主槽由下切轉(zhuǎn)為抬升，導(dǎo)致縱剖面凹度逐漸減小。

流路改汊后（1996—1999年），尾閭河道比降增大，河道的沿程淤積作用以及溯源沖刷向上游發(fā)展，使縱剖面凹度進一步減小，達到極小值1.1。

綜上所述，縱剖面凹度與流路的沿程沖淤過程密切相關(guān)，具有明顯的階段性特征?；跐O洼至清7斷面的汛后實測資料（其中清7斷面自1985年以后才有汛后實測資料），發(fā)現(xiàn)1985—2017年漁洼至清7河段縱剖面凹度與汛期累計淤積量有較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖4），汛期累計淤積量越大，縱剖面凹度越小，即下凹程度越小。流路的每一次演變，縱剖面凹度均有相似的變化趨勢，但受每條流路所在時期不同的水沙條件以及人為改道（汊）等因素的影響，縱剖面整體凹度大小及變化周期存在一定的差異，例如1996—2017年清8改汊后的縱剖面凹度與1977—1995年的變化規(guī)律相似，但1996—2017年的縱剖面凹度整體上大于1977—1995年的縱剖面凹度，下凹程度更大。與此同時，由于現(xiàn)行清水溝流路發(fā)展尚未到末期，凹度還在繼續(xù)變化，因此凹度變化周期更長。

2.3 河道縱比降變化特征

清7斷面自1985年才有汛后實測資料，為了更加全面地分析尾閭河道縱比降變化，同時計算了1977—1985年漁洼—清4以及1985—2017年漁洼—清7的河段縱比降，對其演變過程進行分析（見圖5）。

1976年5月黃河尾閭河道改道現(xiàn)行清水溝流路初期，河長較短，縱比降較大。1977—1984年，隨著流路的淤積延伸，河長增加，河道縱比降逐漸減小。1985—1995年，隨著溯源淤積作用的不斷增強，河道縱比降在1995年左右達到極小值，為0.87/10000。1996年，受清8改汊的影響，河道縱比降迅速增大。1997年以后，隨著現(xiàn)行清8汊河河長的進一步增加，縱比降逐年減小，2017年達到0.82/10000，小于1996年改汊前縱比降的極小值，并有進一步減小的趨勢。

通過以上分析可知，尾閭河道縱比降在不同的流路運用時期均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律：在流路改道（汊）后，河長突然減小，尾閭河道縱比降會達到最大（1977年、1997年），隨后在本流路運用階段縱比降逐漸減小，直到新一輪的改道（汊）為止。

3 尾閭河道縱剖面變化對入海水沙條件的響應(yīng)機制探討

3.1 汛期入海水沙過程

1976年改走清水溝流路后，黃河干流建成了龍羊峽（1986年）和小浪底（2000年）兩座水庫，根據(jù)水庫的建設(shè)時間，將入海水沙過程分為3個階段（見圖6）： 1977—1985年，黃河汛期平均入海水量、沙量分別為229.05億m3、7.56億t；1986—1999年，黃河汛期平均入海水量、沙量分別為92.50億m3、3.52億t；2000—2017年，黃河汛期平均入海水量、沙量分別為81.79億m3、0.86億t，相比1977—1985年減少了64.3%和88.6%，其中汛期沙量減少更明顯，水沙搭配變得相對有利，對下游斷面形態(tài)的萎縮趨勢有明顯改善[10]。

3.2 縱剖面凹度與汛期水沙條件的關(guān)系

由圖7可知，縱剖面凹度與前4a汛期來沙系數(shù)有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，α=0.7423，β=-0.191，汛期來沙系數(shù)越大，縱剖面凹度越小。說明黃河尾閭河道縱剖面凹度與其他河床形態(tài)參數(shù)一樣，能較好地響應(yīng)入海水沙條件。

3.3 河道縱比降變化與汛期水沙條件的關(guān)系

根據(jù)尾閭河道的河勢演變情況及實測資料，選擇漁洼—清7為典型河段，就其河道縱比降變化特征與水沙條件的響應(yīng)關(guān)系進行探討。以1996年清8改汊作為時間節(jié)點，該時間節(jié)點前后河道縱比降與前4a汛期來沙系數(shù)成截然相反的相關(guān)關(guān)系（見圖8）：1986年龍羊峽水庫建成運用至1996年清8改汊，河道縱比降與前4a汛期來沙系數(shù)負(fù)相關(guān)；1996年清8改汊后至2017年，河道縱比降與前4a汛期來沙系數(shù)正相關(guān)。

1986年龍羊峽水庫建成運用至1996年清8改汊，清水溝流路淤積已逐漸發(fā)展到末期，河道萎縮嚴(yán)重，水流含沙量已超過水流的最大挾沙能力。隨著河長進一步增加，受海水的頂托，流速減小，最大挾沙能力進一步減小，泥沙在口門附近堆積劇烈，溯源淤積作用越來越強烈。因此在該階段，來沙系數(shù)越大，河道比降就越小。

1996年清8改汊后至2017年，漁洼以下河長由72km縮短至55km，縱比降突然增大，流速隨之增大。由于水流的挾沙能力受流速影響較大，在其他條件一定的情況下，當(dāng)流速增加1倍時水流的搬運能力是原來的64倍[12]，因此清8改汊后，挾沙能力相對于改汊前大幅增加，水流的挾沙能力大于水流的含沙量。隨著小浪底水庫的運用，水流含沙量大幅減小，河道過流能力增加，水流挾沙能力進一步增加。因此在該階段，來沙系數(shù)越小，水流挾沙能力越強，從上游搬運的泥沙越多，河道縱比降就越??；來沙系數(shù)越大，水流挾沙能力越弱，從上游搬運的泥沙就越少，河道縱比降就相對較大。

以上研究表明，尾閭河道的溯源淤積作用與水流的挾沙作用對縱比降的影響是此消彼長的。當(dāng)溯源淤積起主導(dǎo)作用時，通常為流路運用的末期，該階段縱比降與來沙系數(shù)有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)水流的挾沙能力起主導(dǎo)作用時，通常為改道后流路運用的初期或中期，該階段縱比降與來沙系數(shù)成明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著流路的繼續(xù)運用，河長會不斷增加，縱比降隨之減小，挾沙能力降低，溯源淤積對縱比降的影響又將逐漸起主導(dǎo)作用。因此，在流路不同的運用時期，隨著挾沙能力作用與溯源淤積作用的相互轉(zhuǎn)換，尾閭河道縱比降對水沙條件表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征。

4 結(jié) 論

（1）黃河尾閭河道縱剖面形態(tài)調(diào)整往往伴隨著沿程、溯源的沖淤過程，與流路發(fā)展階段和入海水沙過程密切相關(guān)，可采用凹度和縱比降兩個指標(biāo)來表示黃河尾閭河道縱剖面形態(tài)。

（2）1977—2017年，現(xiàn)行清水溝流路主槽平均高程呈現(xiàn)先上升后降低的變化特征，1986—1995年主槽平均高程最高，2008—2017年主槽平均高程最低；縱剖面凹度在清8改汊前后均表現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，1978年以后凹度大于1，縱剖面呈下凹形態(tài)，符合沖積型河道自然特性?？v剖面凹度與流路的沿程沖淤過程密切相關(guān)，具有明顯的階段性特征，與前4a汛期來沙系數(shù)有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，汛期來沙系數(shù)越大，縱剖面凹度越小。說明黃河尾閭河道縱剖面凹度與其他河床形態(tài)參數(shù)一樣，能較好地響應(yīng)入海水沙條件。

（3）尾閭河道縱比降在不同的流路運用時期均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律：在流路改道（汊）后，尾閭河道河長突然減小，河道縱比降會達到最大（1977年、1997年），隨后在本流路運用階段縱比降逐漸減小，直到新一輪的改道（汊）為止；尾閭河道的溯源淤積作用與水流的挾沙能力作用對縱比降的影響是此消彼長的，即當(dāng)溯源淤積起主導(dǎo)作用時縱比降與前4a汛期來沙系數(shù)有較好負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)水流的挾沙能力起主導(dǎo)作用時縱比降與前4a汛期來沙系數(shù)成明顯的正相關(guān)關(guān)系。在流路不同的運用時期，隨著挾沙能力作用與溯源淤積作用的相互轉(zhuǎn)換，尾閭河道縱比降對水沙條件表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征。

（4）本文只討論了河道縱剖面對入海水沙的響應(yīng)，關(guān)于縱剖面對河長、海洋動力及其他方面的響應(yīng)機制，后期還需要更深入研究。

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