黃河上游石嘴山河段人工裁彎后引河道調(diào)整研究

張興凱，景何仿，喬 橋，李春光

（1.寧夏水利水電工程局有限公司，寧夏 銀川 750021； 2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.呂梁學(xué)院建筑系，山西 呂梁 033400； 4.北方民族大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

關(guān)于彎曲河流上的裁彎取直已經(jīng)已有較多研究成果，包括彎曲河流的長(zhǎng)期演化過(guò)程［1］、裁彎初始的機(jī)制［2］、牛軛湖和漫灘的沖刷和淤積學(xué)［3］、裁彎的類型和在彎曲河流內(nèi)的分布情況、裁彎和廢棄河道的水動(dòng)力學(xué)［4-6］、以及裁彎后的河道調(diào)整［7-9］。對(duì)于裁彎取直的研究主要通過(guò)野外實(shí)測(cè)、水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，但是裁彎發(fā)生的原因、形態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程及裁彎前后上下游河道的響應(yīng)還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，這也說(shuō)明了裁彎現(xiàn)象的復(fù)雜性。

以往關(guān)于裁彎取直的研究多數(shù)是基于天然裁彎開展的。國(guó)外學(xué)者利用聲學(xué)多普勒剖面儀（ADCP）在美國(guó)阿肯色州的White River的5個(gè)頸口裁彎獲得了近岸流速，研究了具有復(fù)雜平面結(jié)構(gòu)的頸口裁彎的三維流動(dòng)特征，并為高度彎曲的頸口裁彎總結(jié)出了兩個(gè)水動(dòng)力概念模型［5］。隨后，利用三年多收集的高分辨率的水深數(shù)據(jù)，又研究了其中三個(gè)較為活躍的頸口裁彎的河道形態(tài)及其演變規(guī)律，并提出了一個(gè)用來(lái)描述頸口裁彎河道演變的概念模型［9］。在不同大小的彎曲河流中頸口裁彎的模式已有較清晰的認(rèn)識(shí)，但是頸口裁彎的演化時(shí)間很短，很難捕捉截止過(guò)程。在國(guó)內(nèi)，近期以青藏高原偏遠(yuǎn)地區(qū)的頸口裁彎過(guò)程中發(fā)展新舊河道的調(diào)整為研究，填補(bǔ)了有關(guān)彎道動(dòng)力學(xué)和頸口裁彎過(guò)程的現(xiàn)有知識(shí)空白［1］。LI等利用航拍和遙感影像、水文數(shù)據(jù)和河岸侵蝕模型揭示了河岸侵蝕造成的潛在頸口裁彎的趨勢(shì)［8］。可見，野外觀測(cè)和數(shù)值模擬有助于科學(xué)認(rèn)識(shí)頸口裁彎的水動(dòng)力調(diào)整機(jī)制。而天然河流中出現(xiàn)的斜槽裁彎往往與原河道和新河道同步發(fā)育，直至牛軛湖出現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程被定義為分汊和匯合，ZINGER等建立了關(guān)于斜槽裁彎的概念模型［2］。該概念模型中斜槽裁彎形成過(guò)程中出現(xiàn)了回流區(qū)、停滯區(qū)、流動(dòng)分離區(qū)、螺旋運(yùn)動(dòng)和沙壩等，有利于更深刻地研究斜槽裁彎。

相比于天然裁彎，在全球范圍內(nèi)有許多條河流經(jīng)歷了大規(guī)模的人工裁彎取直，例如匈牙利的Tisza［11］、美國(guó)的Mississppi河［12］、德國(guó)的Oder河、中國(guó)長(zhǎng)江的荊江［13］和渭河下游［14］、汾河上的河段（曹家堡下游河段和稷山縣城河段）等。長(zhǎng)江中游于20世紀(jì)60至70年代在中洲子和上車灣兩處實(shí)施人工裁彎工程［16，17］，使得洞庭湖、荊江及三口河道之間的關(guān)系發(fā)生了調(diào)整，河床演變也逐漸發(fā)生了變化。因此，李志威等［18］研究了荊江河段4次裁彎后干流河道調(diào)整研究，為人工裁彎的研究提供了理論依據(jù)。而在國(guó)外，基于河流修復(fù)項(xiàng)目后形成的斜槽裁彎為研究對(duì)象，并在8個(gè)月的時(shí)間里監(jiān)測(cè)了河道的演變，并得到了一個(gè)包含3個(gè)階段的斜槽裁彎模型：導(dǎo)致裁彎的初始階段、實(shí)際裁彎階段和裁彎后的河道形態(tài)調(diào)整階段［7］。人工裁彎后，河道長(zhǎng)度大幅度的縮短，裁彎效果明顯，水面和床面比降均增大，水流能量變大。盡管一些裁彎取直已經(jīng)成功實(shí)施，但也存在一些失敗案例。例如，德國(guó)的Oder河經(jīng)過(guò)人工裁彎后，造成水位下降，流速增加。雖然有利于農(nóng)田的排水，但斜槽中出現(xiàn)許多淺灘，阻礙了河道的通航。1996年，我國(guó)南壘河連續(xù)3個(gè)彎道實(shí)施人工截流，由于河床形態(tài)變化過(guò)大，導(dǎo)致河道內(nèi)水流泥沙運(yùn)移規(guī)律發(fā)生較大變化，流速顯著增加，造成了上游河道的猛烈侵蝕［13］。因此，對(duì)人工裁彎取直后的新河道（引河）調(diào)整和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究至關(guān)重要，直接影響著人工裁彎的成敗。

因此，以黃河寧夏段石嘴山河段上實(shí)施的人工裁彎的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，分析了人工裁彎后新河道（引河）的發(fā)展過(guò)程及河勢(shì)演變情況，基于有限體積法的Mike 3 Flow Model 水動(dòng)力模型，分析了引河內(nèi)的流場(chǎng)變化，揭示了黃河上游寧夏段增設(shè)人工斜槽后河道未來(lái)的演變趨勢(shì)，為治理黃河上游河道提供理論參考。

1 石嘴山河段人工裁彎的概況

本文研究的四排口河段位于黃河上游寧夏回族自治區(qū)石嘴山市平羅縣境內(nèi)，該河段屬于典型的游蕩性彎道。該河段河道蜿蜒曲折，以細(xì)長(zhǎng)的“Ω”形彎道為主［圖1（a）］。彎曲河流主槽的寬度為500～1 000 m，平均水寬為650 m，河流縱比降約0.18‰，河床粗糙度0.016～0.027，彎曲率為1.23。平面上呈寬窄相間的藕節(jié)狀分布，河道寬淺，水流散亂，沙洲密布，河床組成為細(xì)沙、粉細(xì)砂，河床抗沖性差，沖淤變化較大，主流游蕩擺動(dòng)較為劇烈，兩岸主流頂沖點(diǎn)不定，經(jīng)常出現(xiàn)險(xiǎn)情。

圖1 截流工程地形圖Fig.1 Topographic map of the cutoff project

此外，彎道頂點(diǎn)靠近濱河大道，根據(jù)Google地圖可以發(fā)現(xiàn)，距離最近僅有20 m［圖1（a）］。該河段屬于多年的老險(xiǎn)工河段，歷史上每遇較大洪水均發(fā)生頂沖榻岸、險(xiǎn)情不斷，搶險(xiǎn)投入較大，嚴(yán)重威脅到周邊群眾安全。寧夏回族自治區(qū)以黃河寧夏段二期防洪工程實(shí)施為契機(jī)，采取人工截流的方法，從根本上消除出現(xiàn)多年的險(xiǎn)情。該截流工程于2017年8月開工，2018年5月竣工，在彎道的左岸修建了一系列非淹沒丁壩和聯(lián)壩［圖1（b）］，并在天然彎道的右岸開挖了一條引河［圖1（c）］。引河橫斷面為梯形，進(jìn)口漸變段開口135 m，直線段上開口82 m，下開口40 m，開挖深度5.3 m，坡比1∶4，長(zhǎng)度1 886 m，比降0.13‰，進(jìn)出口底高差25 cm，對(duì)應(yīng)原河道長(zhǎng)度約3 312 m，裁彎比0.57。原始的彎道因丁壩群截流而成為廢棄的河道，在未來(lái)的時(shí)間里逐漸形成牛軛湖，而開挖的引河形成了人工運(yùn)河。

2 人工裁彎后引河的變化

為了更好地了解人工裁彎后引河的河床變化情況，將2018年4月4日至4月10日設(shè)定的三處引河斷面［見圖1（c）］的7次實(shí)測(cè)地形和2018年7月17日、10月21日實(shí)測(cè)地形套繪圖，并與3月5日人工裁彎前，引河河床地形進(jìn)行了比較，如圖2所示。

圖2 引河1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)斷面河床高程套繪圖Fig.2 Drawing of riverbed elevation set of 1， 2， 3 sections in Diversion River

自2018年3月4日截流工程開展以來(lái)，經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的時(shí)間，引河1號(hào)斷面整體沖刷較為明顯，河底高程大幅下降。出現(xiàn)這種情況的主要原因是，隨著流量增大，水流流速逐漸增大，水流挾沙力也逐漸增大，河床出現(xiàn)沖刷。但是在引河1號(hào)斷面左岸由于丁壩群的保護(hù)，河岸沖刷較小，但是最大水深逐漸向左岸靠攏，到10月21日，最大水深可達(dá)10 m。而右岸出現(xiàn)了崩岸現(xiàn)象，河道寬度變大，尤其在10月份最為明顯［圖2（a）］。

引河2號(hào)斷面河床同樣出現(xiàn)較大程度的沖刷，且右岸沖刷較為顯著，右岸向右移位30 m左右，整體河寬大幅增加，河床高程下降幅度較大，平均河底高程下降5 m左右。在7月的測(cè)量結(jié)果中，左岸繼續(xù)被沖刷，最大水深位于左岸附近，右岸則淤積明顯。經(jīng)歷了2018年的汛期（8-10月），該河段遇到了自1985年以來(lái)最大的洪水流量（3 580 m3/s），水位變高，10 月的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體河寬大幅度的增加，河道中心位置處中心處沖刷嚴(yán)重，此刻的水深可達(dá)到20 m［圖2（b）］。

引河3號(hào)斷面河床變化最為顯著［圖2（c）］。在3月5日到3月14日截流工程過(guò)程中，該斷面兩岸沖刷較為嚴(yán)重，左右兩岸發(fā)育30～50 m，整體河寬變化較大，河床明顯抬高，主要原因是上游水流帶來(lái)大量泥沙沉積于河底，兩岸崩岸所產(chǎn)生的泥沙也大量積聚下來(lái)，引起河床高程的整體抬升。龍口合攏后，河寬繼續(xù)增大，河床高程整體變化較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動(dòng)。10月份河床形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，最大水深位于左岸，河道主槽向左側(cè)河岸遷移、演變，右側(cè)河床發(fā)生持續(xù)性淤積，形成較大范圍的淺灘。

3 人工裁彎后引河的水流運(yùn)動(dòng)特性

利用MIKE3水動(dòng)力模型，建立了人工裁彎后引河的水動(dòng)力模型，通過(guò)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，模擬了引河的水流運(yùn)動(dòng)特性。

3.1 模型的建立

引河的地形數(shù)據(jù)采用2018年10月分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包括了引河的水下地形數(shù)據(jù)和兩岸灘地的數(shù)據(jù)（如圖3），將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成 .xyz數(shù)據(jù)，導(dǎo)入網(wǎng)格生成器中，生成地形文件，如圖4。對(duì)主槽進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，主槽采用的最大網(wǎng)格面積為150 m3，其他地區(qū)最大網(wǎng)格面積是200 m3，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了平滑處理，設(shè)定網(wǎng)格被平滑了100次，網(wǎng)格生成后檢查網(wǎng)格，查看是否有區(qū)域稀疏或者稠密，并將比較小或者不太合理的網(wǎng)格加以修改。共生成34 773 個(gè)網(wǎng)格和17 935 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

圖3 研究區(qū)域及斷面的布設(shè)Fig.3 Layout of study area and section

圖4 研究區(qū)域主河槽和灘地地形及三維地形圖Fig.4 Topography and 3D topographic map of the main channel and beach in the study area

3.2 參數(shù)的設(shè)置

進(jìn)口邊界條件：如果有實(shí)測(cè)的流速分布，則根據(jù)實(shí)測(cè)的流速值給定。若沒有，則進(jìn)口邊界一般給出流量或者水位過(guò)程，給出的值有實(shí)測(cè)水文資料確定。在本文中，我們將流量作為進(jìn)口邊界，模擬時(shí)入口流量采取的是恒定的流量。模型驗(yàn)證采用冷啟動(dòng)，以2018年10月21日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)設(shè)定為初始水面高度。

出口邊界是自然開邊界，可設(shè)定實(shí)測(cè)的水文資料（水位-流量關(guān)系）確定。如果有實(shí)測(cè)的流速分布，則可以根據(jù)實(shí)測(cè)值給定。在本文中，我們將實(shí)測(cè)的水位作為進(jìn)口邊界。出口邊界上所有的物理量按照充分發(fā)展計(jì)算。

根據(jù)流體固壁不可穿透的原理，在不考慮滲透的情況下，可以認(rèn)為陸地邊界上法向速度為0；根據(jù)水流無(wú)滑動(dòng)原理，水體在陸地邊界上的切向速度也為0。

干濕邊界：絕對(duì)干水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m和濕水深為0.1 m。

計(jì)算時(shí)間：時(shí)間步長(zhǎng)為30 s，驗(yàn)證時(shí)間為2018年10月21日至11月25日共36 d，模擬步數(shù)是3 600；模擬時(shí)長(zhǎng)是4 h，模擬步數(shù)為60。

糙率：采用曼寧系數(shù)，數(shù)值為33 m1/3/s；而其他的參數(shù)，比如：風(fēng)力、冰層、潮汐，波浪等因素均不考慮。

3.3 模型的驗(yàn)證

在使用三維水動(dòng)力模型研究引河的水流運(yùn)動(dòng)特性之前，先利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)三維水動(dòng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證。利用2018年10月引河實(shí)測(cè)時(shí)的模擬工況用來(lái)驗(yàn)證模型，并利用實(shí)測(cè)流速與模擬流速進(jìn)行對(duì)比。其中，進(jìn)水口流量和出水口水位分別為1 612.83 m3/s和1 098.76 m。選取了兩個(gè)典型橫斷面（即CS4和CS9）的實(shí)測(cè)速度用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，如圖5所示。很明顯，這些橫斷面的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)速度較為吻合，計(jì)算結(jié)果值接近，表明了建立的三維水動(dòng)力模型精度可滿足要求。

圖5 模擬速度和實(shí)測(cè)速度的對(duì)比圖Fig.5 Comparison of simulated velocity and measured velocity

3.4 模型工況的設(shè)定

當(dāng)流量超過(guò)1 200 m3/s，引河入口處右岸的回流區(qū)消失［18］，因此我們選取了1 200 m3/s 作為中流量的水文條件分析主槽和灘地的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和形態(tài)。此外，選取低流量433 m3/s、洪水期最大流量3 580 m3/s 作為兩種極端的水文條件，共3種不同的水文條件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬參數(shù)見表1。

表1 引河內(nèi)模擬工況的水文條件和水力指標(biāo)Tab.1 Hydrologic conditions and hydraulic indexes of simulated condition in Diversion River

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 斜槽內(nèi)平面流場(chǎng)特性

本節(jié)分析了不同入口流量下不同地形的平面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，研究流量和地形對(duì)人工斜槽裁彎后斜槽流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。其中圖6為引河內(nèi)的流場(chǎng)分布。

圖6 引河內(nèi)的平面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Plane flow structure diagram in Diversion River

通過(guò)圖6分析可以得出：流量最小的工況R1中，來(lái)流僅在引河中前進(jìn)，引河入口處左右岸也存在著回流區(qū)。除入口處，引河的左岸并沒有出現(xiàn)回流區(qū)，而右岸則出現(xiàn)了2個(gè)范圍較大的回流區(qū)。隨著入口流量增大的工況R2，引河的左右岸灘地重新被淹沒，被淹沒得灘地處的流速較小，同引河中的流速之間存在著明顯的流動(dòng)分離，引河的左右岸并沒有出現(xiàn)回流區(qū)，右岸僅僅出現(xiàn)了一些微弱的回流區(qū)。在流量最大的工況R3，灘地被大面積的淹沒，且靠近主槽的灘地流速明顯變大。引河中游處的河道向著彎道的趨勢(shì)發(fā)展。引河的左右岸同樣沒有回流區(qū)的出現(xiàn)，而左岸灘地被淹沒得面積和寬度略顯增大。

4.2 引河內(nèi)縱向流速分布

為研究彎曲河流被截流后引河發(fā)育的趨勢(shì)，本節(jié)對(duì)引河內(nèi)的縱向流速進(jìn)行分析。如圖7所示，對(duì)引河內(nèi)3個(gè)典型橫斷面（CS7、CS9和CS11）的縱向流速沿垂線分布進(jìn)行了分析。其中，縱軸代表了從表層（第20層）到底層（第1層）的不同水深，橫軸代表了每條橫斷面中從左岸到右岸斷面五等分的5條垂線。

圖7 引河內(nèi)斷面的縱向流速沿垂線分布Fig.7 Longitudinal velocity distribution along the vertical line in Diversion River

如圖7（a）所示，斷面CS7各垂線的縱向流速分布符合河道的垂線流速分布特征，呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)型分布，同景何仿［19］的結(jié)果一致。其中Z1、Z5兩條垂線的縱向流速靠近近岸速度明顯小于Z2、Z3、Z4的縱向流速，主要原因是由于斷面CS7左右兩岸均形成了不同大小的回流區(qū)，導(dǎo)致近岸速度變小。在垂線Z1中，近岸速度較小，且越靠近水流表面，流速越來(lái)越??；遠(yuǎn)離近岸的垂線Z2和Z3中，自下而上，流速逐漸增大，垂線Z3中，流速呈現(xiàn)出偏離對(duì)數(shù)分布的流速值，流速變化趨勢(shì)較大，表明了在河中心存在著螺旋運(yùn)動(dòng)；位于回流區(qū)的Z4和Z5垂線，流速較小，而且流速的分布不規(guī)則。

引河中游處的斷面CS9［圖7（b）］兩岸未受到人為因素的干擾，而且隨著引河發(fā)育，左岸逐漸向外岸遷移，引河彎曲率變大。斷面CS9的縱向流速分布呈較為規(guī)律的對(duì)數(shù)型分布，遠(yuǎn)離丁壩群的橫斷面CS9受到丁壩群的影響很小，可以忽略不計(jì)，因此流速分布差異較小。

隨著流量的增大，引河下游處的斷面CS11［圖7（c）］縱向流速變小趨勢(shì)明顯，垂線流速的差異越大，靠近右岸的差異值明顯大于左岸。垂線Z1在工況R1中，流速最大值僅為0.20 m/s；而在工況R2中，最大為0.43 m/s；在工況R3中，由于水位的上升，垂線Z1位于灘地附近，流速最大值僅為0.28 m/s。垂線Z2到Z5，越靠近右岸，流速越大，其中工況R3的流速均最大，最大流速為1.28 m/s。

5 結(jié) 論

（1）石嘴山河段人工裁彎后，開挖的引河一直處于持續(xù)沖刷的狀態(tài)，并未達(dá)到?jīng)_於平衡，且引河出現(xiàn)了床面下切和橫向展寬的現(xiàn)象。由于引河開挖初期彎曲率較小，加之丁壩群的影響，左岸出現(xiàn)明顯的崩岸現(xiàn)象，右岸則出現(xiàn)了淤積現(xiàn)象，且左岸后退的距離較大于右岸淤積的距離。為保證人工斜槽裁彎的成功，防止出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，應(yīng)在引河的中下游左岸處開展護(hù)岸措施。

（2）人工裁彎的實(shí)施對(duì)新河道的縱向流速分布影響較大，尤其是位于丁壩群末端的橫斷面。該位置處的近床速度則由于回流區(qū)的存在，往往出現(xiàn)了異常的流速分布，存在著不規(guī)則的分布規(guī)律。然而位于引河中下游處的橫斷面則影響很小，幾乎可以忽略，表現(xiàn)出較為一致的縱向流速分布。

（3）人工裁彎后引河內(nèi)的水位隨著流量的增大逐漸增大，左右岸的灘地被淹沒，且左岸淹沒的面積大于右岸。在不同流量下，引河的入口處出現(xiàn)了回流區(qū)，對(duì)丁壩的圍堰產(chǎn)生了較大的威脅，嚴(yán)重影響著丁壩群截流效果。因此建議相關(guān)部門加固丁壩群及聯(lián)壩，阻止水流對(duì)丁壩群的沖刷作用，以防止出現(xiàn)管涌及潰壩現(xiàn)象。