黃河現行清水溝流路汊河運用方案探討

王開榮, 凡姚申, 韓沙沙, 杜小康

黃河現行清水溝流路汊河運用方案探討

王開榮1, 2, 凡姚申1, 2, 韓沙沙3, 杜小康1, 2

(1. 黃河水利委員會 黃河水利科學研究院, 河南 鄭州 450003; 2. 水利部 黃河泥沙重點實驗室, 河南 鄭州 450003; 3. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室, 湖北 武漢 430072)

對黃河河口現行清水溝流路范圍內不同汊河的形成、演化及其特征進行了梳理總結, 圍繞汊河不同運用方案的影響效應進行了論證分析。研究表明: 現行清水溝流路范圍內的汊河運用方案不適用于多汊河輪流行河模式、同時行河與輪流行河聯合模式和同時行河模式, 而采用單一汊河輪流行河模式可以充分發揮海洋輸沙動力, 保證河口海域向外海的較大輸沙量, 對延長清水溝流路使用年限更有利, 更為科學和經濟合理。在現行清8汊河達到改道標準后, 應優先使用老河道汊河, 該方案不僅有利于未來海岸線的均衡發展, 而且更有利于延長清水溝流路的使用年限。

河口; 流路; 汊河; 運用方案; 黃河

作為三角洲系統的重要組成部分, 河口入海流路和汊河是河流向三角洲提供陸源物質補給的直接通道, 組成了三角洲的基本骨架, 其變動過程直接影響著三角洲地貌的沖淤演變, 是三角洲綜合治理的關鍵[1]。長期以來, 黃河口具有輸沙量大、淤積快速、改道頻繁等顯著特點[2-4], 其流路變遷和穩定一直是河口海岸研究的重點和河口綜合治理的焦點。

黃河河口入海流路在很多情況下并非完全呈單股行水格局入海, 在某些特殊時期, 往往會出現多條汊河入海的行水格局。最為典型的當屬1953年人工并汊形成神仙溝流路之前, 河口尾閭河段所存在著的甜水溝、宋春榮溝、神仙溝三汊河并存的行水格局[5]; 1953年以后, 受尾閭流路自然出汊的影響, 神仙溝流路時期的1960年8月、1963年7月和刁口河流路時期的1972年7月、1972年9月、1974年8月、1974年10月所發生的出汊擺動, 均出現了持續時間不等、長度各異的多條汊河[6-8]。1976年改道清水溝流路以來, 受流路演變以及人類活動干預的影響[9-12], 在流路的不同區域位置亦形成了類型各異、長度不等的多條汊河, 在這些汊河中, 伴隨著河口入海流路規劃及其治理研究和實踐的發展, 有部分規模相對較大的汊河被認為具有運用價值而備受世人關注, 其中主要包括北股汊河、北汊河(含北汊1和北汊2)、1996年前行水的老河道(以下簡稱“老河道汊河”)和現行的清8汊河流路等4條汊河。目前, 這些汊河的存在既為黃河三角洲地區局部區域實施水沙調控及生態系統的改善與維系提供了行水空間, 同時也帶來了事關今后河口綜合治理進程的核心和關鍵問題, 即: 如何制訂更為科學、合理的汊河運用方案, 既能確實保障河口地區的防洪防凌安全, 又能充分和科學利用這些汊河盡量延長流路的使用年限, 從而滿足河口三角洲地區社會經濟持續穩定發展的需求。本文即圍繞這一問題開展如下分析。

1 汊河的形成、演化及其特征

目前, 清水溝流路范圍內的汊河分布情況見圖1。圖1顯示: 現有4條汊河, 由北至南依次為北股汊河、北汊河、現行清8汊河、老河道汊河, 4條汊河均位于入海流路的左岸, 各汊河的形成演化過程及其現狀特征如下所述。

1.1 北股汊河

北股汊河的形成與清水溝流路改道初期的河勢變化密切相關。清水溝流路改道初期的1976年5月至1979年5月, 入海河道漫流入海, 河無成形, 其河道主流在清3以上順南防洪堤流向東偏北方向, 清4斷面以下河道在流路的北半部, 即現在的孤東油田一帶變動。1979年汛期大洪水期間, 清4斷面以下河道向南擺動, 河口口門也隨之向南遷移至甜水溝故道大汶流堡正東5 km處, 遷移距離達23 km。此后, 下段河道的南半部基本穩定下來, 變動河段僅限于河口口門附近, 見圖2。也正是基于清水溝流路初期這一河勢演變的突變過程, 北股汊河被納入1989年的《黃河入海流路規劃報告》[13], 1992年10月, 國家計委批復同意該規劃報告。

圖1 清水溝流路范圍內汊河分布情況示意圖

圖2 清水溝流路尾閭河段河勢變化圖

1.2 北汊河

1986年6月, 東營濱海油田為了分流分沙淤積孤東油田以東海域, 減輕海潮對孤東圍堤的威脅,在清7斷面左岸以下500 m處開挖了北汊河, 方向與行河河道夾角約90°, 共長5 km, 當年汛期尚未運用; 其后分別經歷了1986年12月—1987年10月、1987年12月—1988年6月兩次分水過程, 至1988年6月被截堵至今, 從而形成了目前平均河寬約110 m、長度約8 km的北汊河。在1989年所編寫的《黃河入海流路規劃報告》中, 北汊河又被分為了兩股汊河, 即北汊1和北汊2, 參見圖1。

1.3 現行清8汊河

清8汊河是現行行水汊河, 其形成源于1996年汛前在河口尾閭河段清8斷面以上1 050 m處實施的人工出汊工程, 其目的是利用黃河泥沙淤灘造陸, 變海上石油開采為陸上開采[10-11]。該汊河于1996年7月中旬正式過流, 截至2018年12月, 已累計行河逾22年, 期間累計來水3 402億m3、累計來沙33.78億t, 在不考慮其它范圍內海岸線蝕退的情況下, 共計造陸約92.15 km2, 西河口(二)站以下河長也由汊河初期的49 km延伸至目前的59 km左右。

1.4 老河道汊河

老河道汊河是清水溝流路1976年5月—1996年5月運用后的遺留河道。在其20年運用期間, 累計來水5 065億m3、來沙128.26億t, 共計造陸399.82 km2; 同期西河口(二)站3 000 m3/s水位由8.22 m(大沽高程)上升至9.75 m, 其西河口以下河長亦由改道初期的27 km延伸至65.2 km。該汊河在1996年5月停止行河后, 因無泥沙供給, 其海岸發生大面積沖刷蝕退, 至2019年3月總蝕退面積達到了92.85 km2, 致使西河口(二)站以下河長縮短約為57 km。

1.5 不同汊河的特征比較

根據北汊河、清8汊河、老河道汊河所處的位置和濱海區情況, 可大體預測其未來的行河發展區域。其中, 以西河口(二)站為圓心的圓弧半徑(=75 km), 系根據河長閾值的相關計算結果(≈89 km)并考慮其尾閭平均彎曲程度得出; 不同汊河海域淤積寬度則依據實踐經驗和有關規劃成果予以劃定[13], 見圖3。依據圖3所示的行河區域, 可大體得出現狀條件下不同汊河的平面形態和容沙能力特征, 見表1。

圖3 清水溝流路不同汊河行河區域范圍示意圖

由表1不難看出, 現狀條件下, 北汊河的流程最短, 但其尾閭的彎曲程度最大; 清8汊河盡管流程最長, 但其彎曲程度卻是最小的; 至于老河道汊河, 目前的流程與清8汊河相差無幾, 但尾閭彎曲程度大于清8汊河。就海域狀況而言, 北汊河河口海域平均潮差和最大潮流速都是最小的, 而老河道汊河河口海域平均潮差最大, 清8汊河河口海域最大潮流最大; 從海域淤積寬度和容沙體積來看, 老河道汊河也具有較大優勢, 容沙體積是北汊河的約1.6倍。

表1 三汊河現狀主要特征比較表(2018年基準)

2 汊河運用方案分析

2.1 行河模式選擇

21世紀80年代中期以來, 圍繞黃河口各流路和汊河的運用時機和運用方案問題, 相關學者們進行過多方探討和總結, 新近的研究如王崇浩[14]從單一流路出發, 研究了清水溝流路清水溝流路沖淤發展與使用年限預測; 王開榮等[15]從河口三角洲地區經濟發展環境、防洪防凌安全、生態環境等三個方面論述了不同入海流路運用模式的影響效應; 王春華等[16]認為根據黃河來水來沙情況, 遠期可考慮采用清水溝、刁口河流路輪換行河方式; 陳雄波等從宏觀角度介紹了穩定百年的黃河河口入海流路運用方式研究的主要內容[17], 提出了同時使用清水溝、刁口河、十八戶流路的“一水三流”行河方式[18]; 徐叢亮等認為黃河口多級流路三角洲的演變模式對今后流路精準安排并保持頂點以上長期穩定具有重要意義[19]。以上研究是從流路角度出發探討黃河口河道穩定方式的, 而對于同一流路內不同汊河運用方案的研究卻很少有涉及, 即使有少量研究(見表2)[13, 20-23], 也僅局限于各汊河的輪流行河模式, 對汊河的其他行河模式及其優劣對比情況幾乎沒有涉及。

在現狀條件下, 清水溝流路汊河運用模式、運用方案的擬定需考慮如下四個方面的因素:

第一, 在北股汊河范圍內, 因有一定規模的人口、工農業基礎設施存在以及相對完善的交通設施, 故不作行河安排。

第二, 在現行清8汊河未達到西河口(二)站10 000 m3/s水位12 m改道標準(以下簡稱改道標準)時, 不作改走其他汊河的實施安排。這主要是基于如果強行即時改走北汊, 除了巨大的改汊工程經濟投入(包括北汊河的清淤改造并使其達到行洪標準費用)以外, 其清7斷面以下的相關護岸工程、測驗基礎設施等都將被廢棄, 從而造成不必要的浪費; 同時, 即時實施改走北汊對于黃河河口的水行政管理、當地的水資源利用、水生態環境、漁業生產、旅游格局乃至濕地自然保護區的保護規劃安排, 也均會產生不同程度的干擾。

第三, 其他汊河的改汊時機均選擇前期行水汊河達到12 m改道標準時進行, 以避免過多改汊過程對河口正常治理進程的干擾。

第四, 因生態調水、補水或者遭遇大洪水而臨時實施的對其他備用流路以及清水溝流路自身范圍內其他汊河的分水、分洪安排不屬于汊河運用方案的范疇。

考慮上述因素重新梳理后的可供選擇的清水溝流路汊河運用方案如表3所示, 由表可見, 其清水溝流路的汊河運用可以有2種行水格局, 4種行河模式, 7種運用方案。

在上表所示的7個汊河運用方案中, 包括獨流入海行水格局下的第③、④方案和多流入海行水格局下第⑤、⑥、⑦方案, 均不可避免地存在如下四個問題:

表2 清水溝流路汊河運用次序及使用年限成果表

注: 表中(12 m)和(65 km)分別代表改汊時機的選擇標準, 其中, (12 m)是指西河口(二)站10 000m3/s水位達到12 m, (65 km)則指西河口(二)站以下河長達到65 km

表3 清水溝流路的汊河運用方案

注: “→”代表前后行河次序; “ó”代表輪流行河; “+”代表同時行河。

(1) 在現狀條件下, 這7種運用方案均需修建必要的水沙調控樞紐, 并配套建設包括防洪工程體系在內的河流綜合治理工程體系, 投資巨大, 經濟合理性值得商榷。

(2) 在單一汊河尚未達到達到12 m改道標準時就實施輪流行河或多汊河同時行水, 需增加相應的涉河整治建筑物、監測設施, 其河流水行政管理任務的強度、復雜程度將成倍增加, 管理成本也將大幅度增加。

(3) 在黃河河口尾閭河段, “分流必淤”是一種大概率事件[24]。如1953年人工并汊形成神仙溝流路之前, 河口的尾閭河段是三汊河(甜水溝、宋春榮溝、神仙溝)并存的行水格局, 這種行水格局極易導致當地河床淤積的持續加重, 并對上游一定范圍的河段產生壅水影響; 另外, 1988年6月在黃河河口實施的“截支強干”包括被迫實施的北汊河截堵等工程, 也從另一個角度充分反映了這種“分流行河”模式的負面效應。

(4) 在多汊河同時行河的情況下, 各汊河的分水(分流)比例其運用時機的選擇將極其復雜, 與之相應的入海泥沙的輸運趨勢以及所形成的海岸線形態會有所不同, 且難以控制和實現各汊河河長變化的均衡發展, 此也會給海域容沙體積的準確評估計算乃至流路穩定狀態的科學評判帶來諸多困擾。

基于上述原因, 故不推薦第③—⑦方案, 而推薦獨流入海行水格局下的單一汊河輪流行河模式, 即方案①與方案②。

2.2 汊河運用方案比選

從表面形態上看, 方案①與方案②的區別在于北汊河、老河道汊河這兩條汊河的前后行河順序; 在清8汊河達到河長閾值后, 若預測清水溝流路具有如圖4所示的海岸線形態, 那么, 兩方案的區別則落腳于行河初始地形的不同、以及對應濱海區域海洋動力條件的差異。圖4中所標注的尺寸是根據沖積扇發育過程中的臨界理論所得出的[25], 其中,為沖積扇的縱軸(即平行于河道的最大長度),為橫軸(即垂直于河道的最大長度), 研究表明: 無論三角洲發育遲早, 只要它的形態指標/值達1.2左右時, 河道便會發生決口改道(突變)。由圖4可知: 若以汊3斷面為基準, 在順行河方向達到河長閾值時, 其平行于河道的最大長度值約為35 km, 據此可通過臨界指標/≈1.2反推得出垂直于河道的最大長度值約為30 km, 假定該值出現于清8汊河沖積扇(沙嘴)的根部, 則其沖積扇的根部外邊緣可延伸至孤東圍堤的中部區域, 很顯然, 在清8汊河達到其行河極限狀態時, 將占用北汊河的部分行河區域。

圖4 清8汊河沖積扇(沙嘴)極限狀態預測示意圖

方案①與方案②運用初始條件的不同, 將直接導致清水溝流路岸線發育形態的不同和海洋動力輸沙效果的差異, 主要體現在: (1)若實施第①方案, 那么在今后相當長時期內, 清水溝流路岸線的淤長范圍將主要集中于清水溝范圍內的北部海域, 而南部海域則持續處于侵蝕后退狀態, 從而導致海岸線的不均衡發展, 此對于減緩河口岸線延伸速率乃至海岸灘涂的可持續開發利用總體布局, 均會造成不利影響; (2)若實施第①方案, 那么在北汊河改道初期, 由于清8汊河所遺留的凸出明顯的沖積扇(沙嘴)存在, 會與孤東圍堤形成一個相對狹小和封閉的堆沙區域, 海洋動力被嚴重削弱, 對泥沙的外輸極為不利, 會造成流路河長的快速淤長。反之, 若實施第②方案, 則既可以避免老河道汊河海域海洋動力輸沙作用的閑置, 又能避免后續北汊河行河初期時的大幅度淤積造陸, 且更有利于利用海洋動力加大泥沙輸往外海的比例, 分析如下。

按照各汊河行水狀態的不同, 方案①與方案②的運用過程均可劃分為3個不同的階段(見表4), 其中, 第Ⅰ階段方案①和方案②均處于清8汊河行河時期, 兩者演變過程相同; 只有在進入第Ⅱ階段后, 兩者的演變過程才會有所差異, 鑒于此, 本文僅就方案①和方案②兩者第Ⅱ階段的輸沙效果進行對比分析, 擬定方案①和方案②各汊河的演變狀態及相關參數見表5。

表4 汊河運用階段劃分表

表5 清水溝流路不同汊河運用方案第Ⅱ階段泥沙外輸效率比較表

注: 泥沙來源未考慮海相來沙。

由表5可得到在方案①與方案②情形下, 整個清水溝海域泥沙輸往外海的數量計算式, 即:

1=1111+1212+1313,(1)

2=2121+2222+2323。(2)

利用上式對方案①與方案②第Ⅱ階段泥沙輸往外海的量進行對比分析。為統一比較標準, 假定其第Ⅱ階段的運行周期相同, 且徑流攜帶的泥沙數量一致, 即11=23。在方案①情形下, 老河道汊河海岸線因受長期沖刷影響, 海床質粒徑粗化現象突出, 泥沙難以懸浮輸移, 故可以認為13≈0; 而在方案②情形下, 因有相對凸出的清8汊河沙嘴對北汊河濱海區域的屏障作用, 故發生幅度較大的海岸侵蝕的可能性相對較小, 且清8汊河沙嘴沖蝕下來的泥沙也有可能受沿岸流作用而輸送至北汊河的近岸區域, 因此,21≈0亦可成立。據此, 可建立如下近似比較式:

Δ =2–1≈ (22?22–12?12) +(23–11), (3)

式中, Δ代表方案①與方案②初始階段輸往外海的泥沙數量之差,12、12和22、22分別代表方案①北汊河行河時和方案②老汊河行河時清8遺留沙嘴岸線侵蝕與波浪掀沙懸浮所產生的泥沙數量, 由于北汊河和清8汊河之間相對比較接近, 在北汊河行河時, 受北汊河入海泥沙擴散及海域地形的共同影響, 在其海洋動力相對衡定的情況下, 清8汊河的沖刷蝕退及其輸往外海泥沙的比例將受到一定程度的抑制, 可有:

12<22&12<22,(4)

2222–1212>0.(5)

式中,23、11分別代表方案②老河道汊河行河期間和方案①北汊河行河期間徑流所攜帶泥沙輸往外海的比例, 顯然, 在老河道汊河行河期間, 其對應的海域相對廣闊, 且入海泥沙的擴散受清8遺留沙嘴的影響較弱, 因此:

23>11,(6)

Δ =2–1>0.(7)

由此說明: 相對于方案①, 方案②更有利于充分發揮海洋動力的輸沙作用, 保證河口海域向外海的較大輸沙量, 對延長清水溝流路使用年限更為有利。

3 結論及建議

研究表明: 現行清水溝流路范圍內的汊河運用方案不適用于多汊河輪流行河模式、同時行河與輪流行河聯合模式和同時行河模式, 而采用單一汊河輪流行河模式則更為科學和經濟合理。但這并不意味著否認在生態調水、補水或者遭遇大洪水等特殊情形和特定條件下, 而適時開展的對其它汊河、備用流路的相對短時的補水、分水、分洪行為。

在整個清水溝流路系統達到改道標準時, 其海域總容沙體積的大小是一個相對確定的數值, 其包含了清8汊河、北汊河、原河道3條汊河所涉及的所有容沙范圍, 因此3條汊河的不同行河次序并不能改變總容沙體積的大小, 但其泥沙輸外海泥沙效率則有所差異。在現行清8汊河達到改道標準后, 應優先使用老河道汊河, 此不僅有利于未來海岸線的均衡發展, 而且更有利于延長清水溝流路的使用年限。當然, 這一結論是從宏觀和近似的角度得出的, 更為準確的結論尚需在科學擬定未來入海水沙系列的基礎上, 利用完善的河口水動力學數學模型進行進一步驗證計算。

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Discussion on the operation scheme of the current Qingshuigou channel of the Yellow River

WANG Kai-rong1, 2, FAN Yao-shen1, 2, HAN Sha-sha3, DU Xiao-kang1, 2

(1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 2. Key Laboratory of Yellow River sediment, Ministry of water resources, Zhengzhou 450003, China; 3. State Key Laboratory of water resources and hydropower engineering science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This paper summarizes the formation, evolution, and characteristics of different branching rivers in the current Qingshuigou channel in the Yellow River estuary; further, it demonstrates and analyzes the effect of different branch river operation schemes. The results show that neither the multi-river-running-in-turn mode, the parallel-running mode, or the combined mode is suitable for the Qingshuigou channel, while the single-river- running-in-turn mode is the most scientific, economical, and reasonable one. This mode can make full use of marine sediment transport energy, ensure a large amount of sediment transport from the estuary to the open sea, and is more beneficial to extend the life of the Qingshuigou channel. After the current Qing8 branch reaches the diversion criteria, the Old Branch river should be used first, which not only favors the balanced development of the future coastline but also extends the life span of the Qingshuigou channel.

river estuaries; river channels; branching river; operation scheme; Yellow River

Dec. 24, 2019

TV148

A

1000-3096(2020)10-0091-10

10.11759/hykx20191224001

2019-12-24;

2020-03-21

國家重點研發計劃項目(2017YFC0405502); 國家自然科學基金項目(51779183)

[National Key Research and Development Program of China, No. 2017YFC0405502; National Natural Science Foundation of China, No. 51779183]

王開榮(1963-), 男, 山東泰安人, 高級工程師(教授級), 主要從事河流動力學及河口海岸治理方面的研究, E-mail: kairongw@163.com

(本文編輯: 康亦兼)