不平衡輸沙條件下河道斷面形態調整規律試驗研究

關鍵詞：橫斷面；形態調整；不平衡輸沙；物理模型試驗；黃河下游

中圖分類號：ＴＶ１４７；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０１８

引用格式：楊芬嬌，韓沙沙，趙連軍，等．不平衡輸沙條件下河道斷面形態調整規律試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：１２７－１３１．

０引言

２１世紀以來，受氣候變化與人類活動的雙重影響，進入黃河下游的水沙條件發生了顯著變化［１－３］ ，下游河道長期處于非平衡輸沙狀態，河道持續沖刷，斷面形態大幅調整，嚴重威脅下游河道防洪安全。雖然河道均為沖刷，但不同河段、不同時段斷面形態調整模式有所差異，尤其是２０１８ 年之后，在大水大沙過程作用下斷面形態呈現出新的特征。斷面形態調整直接影響河勢穩定，明晰近期水沙情勢、不平衡輸沙條件作用下橫斷面形態調整規律，對未來黃河下游河勢控制、畸形河勢治理等具有重要借鑒意義。

目前針對黃河下游橫斷面的研究主要分為兩類。第一類研究基于地形等實測資料分析典型橫斷面形態變化特征，計算不同時空尺度的斷面形態特征參數（主槽面積、河寬、水深與河相系數等），并建立各參數與影響因素之間的經驗關系［４－７］ ，如：Ｗａｎｇ 等［４］ 基于１９６５—２０１５ 年黃河下游花園口—利津區間８２ 個斷面資料，分析主槽幾何形狀的調整過程，研究發現主槽的面積、寬度、深度呈現先減小后增大、再減小、最后再增大的變化趨勢；Ｘｉａ 等［５］ 研究了小浪底水庫運行后黃河下游游蕩段斷面尺度與河段尺度平灘河寬的變化過程，并建立了其與平均水流沖刷強度的經驗關系。第二類研究主要通過數學模型計算或物理模型試驗，來模擬河道河床變形過程［８－１２］ ，如：夏軍強等［８－９］ 建立了考慮河床變形的平面二維混合模型，該模型應用于黃河下游花園口—來童寨游蕩型河段，較好地模擬了河床的縱向沖淤、灘岸的后退與淤長過程；江恩慧等［１０］通過概化物理模型試驗，對“揭河底”沖刷期河道橫斷面形態調整過程進行了深入研究，研究表明河道形態調整情況與河道邊界密切相關，可分為寬淺變窄型、整體下切型和局部調整型３ 種類型。

綜上所述，針對橫斷面形態調整，以往學者開展了大量研究，但是受近期極端天氣與調水調沙雙重影響，新的水沙條件作用下，黃河下游河道橫斷面形態調整過程仍需進一步系統分析。此外，即使經特殊處理后的平面二維河床縱向與橫向變形耦合模型，也無法實現模擬河道橫斷面形態的詳細調整過程［１３－１４］ 。因此，本文采用實測資料分析與物理模型試驗相結合的研究方法，在明晰黃河下游游蕩型河段斷面形態調整過程的基礎上，選取典型河段開展物理模型試驗，以期定量揭示不平衡輸沙條件下橫斷面形態調整規律。

１近期黃河下游游蕩段橫斷面形態調整過程

筆者收集整理了２００１—２０２１ 年黃河下游游蕩段５４ 個大斷面數據，共計２ ２１２ 個測次?；趯崪y地形數據，計算了各斷面主槽面積與河相系數兩個斷面形態參數，以明晰近期黃河下游游蕩段橫斷面形態調整過程。此外，因游蕩段河槽形態沿程變化較大，特定斷面難lgkNcVABggH6pANKwR+QzA==以反映河段整體的斷面形態調整規律，故采用基于對數轉換的幾何平均與斷面間距加權平均相結合的方法［１５］ 計算了白鶴鎮—花園口（ＢＨＺＨ—ＨＹＫ）、花園口—夾河灘（ＨＹＫ—ＪＨＴ）、夾河灘—高村（ＪＨＴ—ＧＣ）３個河段尺度的斷面形態參數。

１）主槽面積變化。典型斷面及河段尺度的主槽面積累計變化情況見圖１，由圖１（ａ）可知，３ 個典型斷面主槽面積全時段表現為增加趨勢，花園口（ＨＹＫ）、高村（ＧＣ）斷面增加速度分別為１８５．７、１４１．５ ｍ^２／ａ，夾河灘（ＪＨＴ）斷面主槽面積前期增加速度較快，后期有所減緩。由圖１（ｂ）可知，３ 個河段尺度的主槽面積總體呈增加趨勢，其中花園口—夾河灘河段增加速度較快，為２４１．７ ｍ^２／ａ。

２）河相系數變化。典型斷面及河段尺度的河相系數變化情況見圖２。由圖２ 可知，３ 個斷面河相系數均表現為前期大幅度減小，后期增減交替但變化幅度不大；３個河段尺度的河相系數則表現為全時段減小趨勢，從上游到下游河相系數減小速度分別為－０．２６、－０．５７、－０．２９ ｍ^－０.５／ａ。

２物理模型試驗方案

由上述實測地形資料分析可知，花園口—夾河灘河段斷面形態變化相對較大，故選取該段中典型河段黑崗口—柳園口河段為原型開展物理模型試驗，試驗河段所在位置見圖３。本試驗在黃河水利科學研究院模型黃河試驗基地進行。模型參照“黃河小浪底至陶城鋪河段大型河工模型”修建，水平比尺６００，垂直比尺６０，模型主體長約３０ ｍ，平均寬約７ ｍ，縱比降為０．１９２‰。試驗懸沙采用中值粒徑為０．０１３ ｍｍ 的粉煤灰，床沙粒徑為０．０６１ ～ ０．０７０ ｍｍ，模型初始地形為２０２０ 年汛后地形。模型比尺及試驗用沙依據黃河水利科學研究院多年動床模型選擇，遵循黃河泥沙模型相似定律［１６］ 。

整個試驗場地由前池、模型試驗段、尾門及控制系統等部分組成，沿程布設ＣＳ３＋１、ＣＳ５＋１、ＣＳ７、ＣＳ８－１共４ 個測驗斷面，各斷面從水邊線開始橫向每隔１０ ｃｍ布設流速、含沙量觀測點，每隔５ ｃｍ 布置地形觀測點，見圖４ 與圖５。測驗項目包括初始地形及試驗放水結束后測量的地形（簡稱水后地形），各斷面流速、含沙量、水位、水深（水下地形）、沿程水位。

試驗中保持相同的初始河道邊界條件，開展２０００、３０００、４０００、５０００ ｍ^３／ｓ 四級流量下斷面形態調整試驗。為探究不同輸沙狀態及不同不平衡輸沙程度對斷面形態調整的影響，每組試驗控制進口流量不變，僅改變進口含沙量，使輸沙狀態呈現次飽和－超飽和－次飽和交替出現的過程。以４０００ｍ^３／ｓ流量為例，試驗水沙過程見表１。

３模型試驗結果分析

計算各測驗斷面主槽面積與河相系數，以定量分析橫斷面形態變化。由于不同水沙過程作用時，斷面形態參數變化趨勢較為一致，因此僅以進口流量４０００ ｍ^３／ｓ的水沙過程為例進行分析。

１）主槽面積變化。分析４ 個測驗斷面主槽面積變化過程，如圖６ 所示。由圖６（ａ）可知，斷面ＣＳ３＋１主槽沖淤交替，主槽面積在含沙量０ ～５０ ｋｇ／ ｍ^３ 遞增過程中呈沖刷變大趨勢，含沙量繼續增加及遞減至５０ ｋｇ／ ｍ３的過程中總體表現為主槽淤積、面積減小趨勢，含沙量由５０ ｋｇ／ ｍ^３ 繼續減小時主槽先沖后淤，沖刷不明顯，這可能與前期斷面大幅沖刷導致的河床粗化有關。由圖６（ｂ）可知，斷面ＣＳ５＋１ 主槽面積呈先增后減再增的趨勢，進口含沙量小于５０ ｋｇ／ ｍ^３ 時呈沖刷狀態，反之淤積。由圖６（ｃ）可知，斷面ＣＳ７ 主槽面積先沖刷增大后持續減小，分析其主槽面積呈減小趨勢的原因認為，一方面是受上游兩斷面的沖淤變化影響，另一方面則是由于該斷面主槽擺動，原主槽逐步淤積，新主槽塑造較慢，因此斷面整體處于淤積狀態。由圖６（ｄ）可知，斷面ＣＳ８－１ 主槽沖淤變化與進口水沙過程較為相符，基本呈沖刷—淤積—再沖刷的演變規律。

總的來說，除斷面ＣＳ７ 因主槽擺動主槽面積變化與其他斷面稍有差異外，各測驗斷面主槽基本表現為進口含沙量較小時主槽沖刷、面積增大；反之則主槽淤積、面積減小。

２）河相系數變化。分析各測驗斷面河相系數的變化過程，如圖７ 所示。由圖７（ａ） 可知進口流量４０００ ｍ^３／ｓ作用下，測驗斷面ＣＳ３＋１河相系數波動起伏，基本表現為先減小后增大，水后斷面河相系數減小。由圖７（ｂ）可知，測驗斷面ＣＳ５＋１ 河相系數呈現先減小后增大再減小的趨勢，增減轉換點對應進口含沙量為５０ ｋｇ／ ｍ^３ 左右。由圖７（ｃ）可知，斷面ＣＳ７河相系數先大幅度減小，隨后波動起伏變化幅度較小。由圖７（ｄ）可知，斷面ＣＳ８－１ 河相系數大體呈先減小后增大再減小再增大的趨勢。

總的來說，各測驗斷面空間位置不同，河相系數變化過程稍有差異，但總體表現為主槽沖刷時，河相系數減小，斷面形態相對窄深，河床趨于穩定；主槽淤積時，河相系數增大，斷面形態相對寬淺。

４不平衡輸沙條件下橫斷面形態調整規律

基于各斷面測驗數據，計算了河段尺度的主槽面積與河相系數。對比原型實測資料與模型試驗數據，分析河段尺度的斷面形態參數與水沙各參數的相關關系，結果表明河段尺度的斷面形態參數與來沙系數之間相關性較好。原型花園口—夾河灘河段主槽面積、河相系數與花園口站來沙系數相關關系如圖８（ａ）與圖８（ｂ）所示，模型試驗黑崗口—柳園口河段主槽面積、河相系數與進口來沙系數相關關系如圖８（ｃ）與圖８（ｄ）所示。

由圖８ 可知，無論是原型還是模型，河段尺度主槽面積與來沙系數成指數負相關，河相系數與來沙系數成二次函數關系，且擬合精度均較好，即不平衡輸沙條件作用下，主槽面積隨來沙系數的增大而減小，河相系數則隨來沙系數的增大先增大后減小。

５結論

１）基于２００１—２０２１年黃河下游游蕩段５４個大斷面數據，計算河段尺度的主槽面積與河相系數兩個斷面形態參數，結果表明白鶴鎮—花園口、花園口—夾河灘、夾河灘—高村３ 個河段中，花園口—夾河灘河段斷面形態變化相對較大。

２）選擇斷面形態變化相對較大的花園口—夾河灘河段中典型河段為原型，開展了相同初始河道邊界條件、不同水沙過程作用下斷面形態調整物理模型試驗，模型垂直比尺６００、水平比尺６０。分析試驗數據發現，各測驗斷面基本呈現進口含沙量較小時主槽沖刷、面積增大，河相系數減小，斷面形態相對窄深；進口含沙量較大時主槽淤積、面積減小，河相系數增大，斷面形態相對寬淺的規律。

３）對比原型資料與試驗數據，分析河段尺度斷面形態參數與來沙系數的相關關系發現，主槽面積與來沙系數成指數負相關，河相系數與來沙系數則成二次函數關系，擬合精度較高，即不平衡輸沙條件下，主槽面積隨來沙系數的增大而減小，河相系數則隨來沙系數的增大先增大后減小。