黄河口尾闾河道断面形态的萎缩调整规律研究

张治昊，戴 清，李敬义，聂莉莉

（1.中国水利水电科学研究院，北京100044；2.黄河河口管理局，东营257091）

黄河口是黄河水沙的归宿区，是河海动力的交汇区，是黄河流域系统的重要组成部分。人民治黄以来，黄河口的研究和治理工作得到了国家的高度重视，取得了丰硕的成果［1］。黄河口是世界公认的最复杂的河口，老问题未完全解决，新问题又不断涌现。1986年后，黄河口水沙过程发生显著变异，对河口演变造成巨大影响。黄河口尾闾河道作为河海交汇作用最剧烈的地带，为适应水沙过程变异，经历了复杂的响应过程；其间，尾闾河道萎缩的特征最为突出［2］。尾闾河道的萎缩，对黄河防洪安全构成极大威胁，全面深入地研究水沙过程变异造成的尾闾河道萎缩迫在眉睫。本文在深入分析黄河口水沙过程变异的基础上，揭示了黄河口尾闾河道断面形态的萎缩特征，探求了尾闾河道断面形态调整与黄河口水沙过程的响应关系，引入了尾闾河道断面形态萎缩的判别指标，试图为科学治理黄河口提供技术支持。

1 黄河口水沙过程变异特征

黄河口行水清水沟流路以来，水沙过程发生显著变异，除了自然水文情况影响外，主要影响因素还是人类的活动，如大型水利工程的建设和运用会剧烈改变河流下游的来水来沙过程［3］。1986年，黄河上游龙羊峡水库建成并投入运用，对下游来水来沙过程影响巨大，是黄河口水沙过程发生变异的根本原因；2002年，小浪底水库开始调水调沙运用，也使进入下游河道的水沙过程变化较大，综合上述分析，以1986年、2002年为界，将黄河口清水沟流路水沙过程分为1976～1985年、1986～2001年、2002～2006年3个时段，以I时段为基准阶段，用II、III时段与之进行对比，分析黄河口水沙过程变异特征。

1.1 年际间变异

由黄河口利津站水文特征值统计（表1）可见，黄河口水沙过程变异特征主要表现为：（1）来水来沙大幅度减少，II时段河口年均来水量为137.7亿m3，仅为I时段的40.6%，年均来沙量也由I时段的8.31亿t减少到3.51亿t；（2）水沙搭配关系恶化，I时段河口年均来沙系数为0.027，II时段高达0.061，是I时段的2.26倍，表明II时段黄河口水沙搭配关系急剧恶化，为小水带大沙时段；（3）来沙组成有所变细，但变化幅度较小，河口年均中值粒径由I时段0.02 mm变为II时段0.018 mm；（4）利津以下河道水沙量沿程大幅减少，利津以下有王庄等9处引水口，设计引水流量310 m3/s。1986年后，由于黄河口来水来沙减少，而工农业发展的需水量增大，利津以下河道引水量明显增多，所以即便在利津站不断流期间，利津至口门河段水沙量沿程减少也十分严重。（5）III时段黄河口水沙过程变异有所缓解，主要表现为来水量增大，来沙量减少，水沙搭配关系明显改善，由于小浪底水库调水调沙的持续运用，造成下游河道冲刷，河床粗化，进入河口的泥沙颗粒变粗。

表1 利津站水文特征统计Tab.1 Characteristic values of hydrology at Lijin hydrological station

1.2 年内分配变异

由黄河口来水来沙年内分配过程（图1）可见：与I时段相比，II时段黄河口水沙年内分配的丰枯历时、量值大小、变化趋势、极值、变化幅度均发生了变化；最突出的变化是II时段水沙量从8月峰值迅速减至10月枯值，改变了I时段水沙量从汛期峰值缓慢减至12月枯值，表明II时段水沙量8月到10月减小幅度最大。与前两时段相比，III时段黄河口水沙年内分配明显不同，最大的不同之处在于从6月份开始，水沙过程几乎没有峰值，来水来沙量值分别维持在25亿m3、0.35亿t左右，一直持续到10月汛期结束，充分反映出小浪底水库调水调沙运用对黄河口汛期水沙过程有较强的控制作用。

图1 黄河口来水来沙年内分配过程Fig.1 Processes of monthly distribution of flow and sediment in the Yellow River Estuary

1.3 典型水文特征变异

由黄河口典型水文特征统计（表2）可见：与I时段相比，II时段黄河口汛期洪峰流量减少剧烈，且流量级越大，减少的越多；同时，非汛期断流次数不断增多，断流天数不断增加，断流长度不断增长，III时段黄河口 Q≥3 000 m3/s、3 000＞Q≥2 000 m3/s、2 000＞Q≥1500 m3/s三个流量级天数均有增加，说明 III时段黄河口汛期洪水量级有所恢复。1999年后，黄河水利委员会采取了全流域水量统一调度的人工干预措施，利津站断流的继续恶化才得到遏制，但黄河口功能性断流问题仍没有得到彻底解决。

表2 黄河口典型水文特征统计Tab.2 Typical characteristic of hydrology in the Yellow River Estuary

2 黄河口尾闾河道断面形态的萎缩调整

黄河口水沙过程变异后，为适应持续的枯水枯沙条件，尾闾河道萎缩十分明显。表3为尾闾河道相应的3个典型断面不同时段主河槽平滩特征均值统计，由表3可见，水沙过程变异，黄河口尾闾河道横断面形态变化特征主要表现为：（1）平滩宽度缩窄，水深变浅，面积大幅度减小。与I时段相比，利津、渔洼、清6三个断面II时段主河槽平滩河宽均值分别减少了92 m、84 m、285 m；主河槽平滩河宽明显缩窄的同时，3个断面主河槽平滩水深均值也呈减小的趋势，减小的幅度为0.3～1.05 m，由于主河槽平滩河宽和水深同时减少，尾闾河道3个断面平滩面积均值大幅度减少，分别由I时段的2 047 m2、1 984 m2、2 137 m2减少至II时段的1 230 m2、1 644 m2、1 361 m2，减少幅度达20～39%。（2）平滩宽深比有所增大，主河槽更加宽浅。利津、渔洼、清6三个断面主河槽平滩宽深比均值分别由I时段的5.53、10.2、19.1增加至II时段的6.67、11.63、20.1；主河槽平滩宽深比均值增大表明，尾闾河道萎缩过程中，横断面淤积的部位集中在断面主河槽的窄深处，尾闾河道横断面呈宽浅碟型。（3）受黄河口尾闾河道清8出汊工程的影响，近海段横断面形态调整与尾闾上段有所不同。1996年黄河口尾闾河道实施了清8出汊工程，尾闾河道近海段长度大大缩短，比降相应增大，当年汛期适逢黄河“96.8”洪水的大流量水沙过程，尾闾河道清8断面以上河段发生了长距离的溯源冲刷，由距离清8断面较近的清6断面统计资料明显看出，1996年后，清6断面河道主河槽有大幅度的冲深，1996～2001年时段其主河槽平滩水深均值比1986～1995年时段冲深1.01 m，其主河槽平滩面积均值增加148 m2，增大幅度为11%，虽然主河槽平滩面积增大幅度较小，但其主河槽断面形态却有较大程度的调整，其主河槽平滩宽深比均值由1996年前的20.1调整至9.57，说明1996年后近海段主河槽横断面形态变得十分窄深，从而反映出，通过调整口门，增大比降，造成溯源冲刷，对塑造近海段河道横断面形态效果明显。（4）III时段尾闾河道主河槽萎缩程度有所恢复。3个典型断面主河槽冲深十分明显，主河槽平滩水深均值增大0.78～1.03 m，主河槽平滩面积均值增大137～267 m2，由于主河槽平滩河宽均值变化不大，而平滩水深明显增大，所以3个典型断面的主河槽平滩宽深比均值大幅度减小，说明该时段尾闾河道横断面形态均朝着窄深方向调整，小浪底水库调水调沙的成功运用，对于尾闾河道主河槽过水断面的恢复发挥了良好的作用［4］。

表3 黄河口尾闾河道典型横断面主河槽平滩特征值统计表Tab.3 Statistics of bankfull value of tail channels in the Yellow River Estuary

3 尾闾河道断面形态调整与水沙过程的响应关系

3.1 尾闾河道平滩面积与水沙过程的关系

与其他特征参数相比，在表征尾闾河道横断面形态的特征参数中，尾闾河道平滩面积A随黄河口水沙过程的变化最为灵敏，跟随性良好。图2点绘了尾闾河道利津断面平滩面积A与黄河口年际水沙过程的关系，利用回归分析法分别建立了尾闾河道利津、渔洼、清6三个断面平滩面积A与黄河口来水量w、汛期来沙系数ρ的相关关系式（表4）。

图2-a中关系线的变化趋势表明，尾闾河道平滩面积A随黄河口来水量w的增大而增大。黄河口来水量越大，其造床能力越强，尾闾河道淤积减轻，冲刷增强，平滩面积必然扩大。反之，黄河口来水量小，造床能力弱，尾闾河道淤积加重，平滩面积必然减小。图2-b中关系线的变化趋势表明，尾闾河道平滩面积A随黄河口来沙系数ρ的增大而减小。黄河口来沙系数越大，说明相同来水过程，其水流含沙量越大，水沙搭配关系越差，河床淤积必然加重，尾闾河道平滩面积受到损失。

表4中式（1）～式（3）的相关系数 R 值分别为0.83、0.78、0.76，反映出尾闾河道平滩面积A与黄河口来水量w的关系非常密切；式（4）～式（6）的相关系数 R 值分别为 0.72、0.69、0.65，反映出尾闾河道平滩面积A与黄河口来沙系数ρ的关系比较密切，但与来水量w相比，两者的关系明显偏弱。仔细观察表4中式（1）～式（6）的相关系数R值还可发现，3个断面平滩面积A与黄河口水沙过程2个参数的关系R值，都是呈沿程减小的趋势，说明越靠近河口，受到海洋动力、边界条件等其他因素影响越大，尾闾河道演变与黄河口来水来沙过程的关系沿程逐渐减弱。

图2 黄河口尾闾河道利津断面平滩面积与水沙过程关系图Fig.2 Relationship between bankfull area and flow-sediment process of Lijin section

表4 黄河口尾闾河道典型横断面平滩面积与汛期水沙过程关系统计Tab.4 Statistics of the relationship between bankfull area and flow-sediment process of tail channels

3.2 尾闾河道平滩宽深比与水沙过程的关系

式（7）～式（8）的相关系数R值分别为0.61、0.63，反映出尾闾河道平滩宽深比与黄河口水沙过程的关系比尾闾河道平滩面积与黄河口水沙过程的关系要明显偏弱。相比而言，尾闾河道平滩宽深比与黄河口来沙系数ρ的关系比尾闾河道平滩宽深比与来水量w的关系更密切，说明黄河口水沙搭配关系对尾闾河道横断面形态的塑造非常重要，同时来水量的大小对尾闾河道横断面形态的塑造也不容忽视。

图3 黄河口尾闾河道利津断面平滩宽深比与水沙过程关系图Fig.3 Relationship between bankfull width-depth ratio and flowsediment process of Lijin section

4 尾闾河道断面形态萎缩的判别指标

黄河口尾闾河道萎缩导致相同洪水流量尾闾河道水位急剧升高，黄河防洪安全受到极大威胁，已引起政府部门的高度重视［6］。1988年至今，国家多次对黄河口尾闾河道实施了大型拖淤、挖河疏浚等工程措施，对减缓尾闾河道萎缩起到了一定作用，但工程实施过程中，急需引入一个判别指标，作为实施尾闾河道萎缩治理工程的控制标准。

利津断面是黄河口尾闾河道演变的进口控制断面，水文资料较齐全，可作为黄河口尾闾河道萎缩的控制断面。为了对尾闾河道萎缩进行量化控制，首先要提出一个能确切表征断面形态萎缩的变量。尾闾河道断面形态萎缩最突出的特征是过水断面面积损失严重，河道过流能力减小，所以选用利津断面的变量是利津断面第i年过水面积损失占多年平均过水面积的百分比，其中ΔAj为利津断面第i-1年的过水面积减去第i年过水面积的差值；为利津断面多年过能比较确切的表征尾闾河道第i年的萎缩程度。变量水面积的平均值。当变量为正值时越大，利津断面第i年过水面积损失程度越大；变量越小，利津断面第i年过水面积损失程度越小。

影响黄河口尾闾河道萎缩的因素主要有2方面：（1）来水来沙过程：黄河口水沙过程变异是尾闾河道萎缩的主要原因；（2）前期河床边界条件：尾闾河道前期断面形态与河道萎缩关系密切，前期萎缩的断面形态将加剧尾闾河道的萎缩。根据实测资料，运用多元回归方法，建立第i年黄河口尾闾河道断面形态萎缩变量与第i年水沙过程变异参数ξ和利津断面第i-1年宽深比的关系式

其综合相关系数R=0.82，表明相关性良好，将水沙过程变异参数ξ的表达式［2］代入式（9）可得细化后的表达式

由式（11）可知，尾闾河道断面形态萎缩判别指标Tn是变量自1986年后至第n年的累加值，其物理意义十分明确：1986年后，尾闾河道萎缩发展到第n年过水断面面积累计损失的百分比。图4为尾闾河道断面形态萎缩判别指标Tn随年份变化过程，由图4可见，1986～1995年，除1990年外，Tn持续增大，由1986年的0.21增大到1995年的0.5；1996～2001年，Tn有减有增，出现一定波动；2002～2006年，Tn明显呈减小的趋势。Tn的变化反映出，1986～1995年尾闾河道萎缩随时间不断发展加重，最严重的1995年过水断面面积累计损失达50%；1996～2001年，受清8出汊溯源冲刷的影响，尾闾河道过水断面面积有所恢复，但萎缩的趋势并未改变；2002～2006年，小浪底水库调水调沙的成功运用，明显减轻了尾闾河道萎缩程度。

由图4可见，Tn分布在直线Tn=0.2之下的为0 a；分布在直线Tn=0.2和直线Tn=0.3之间的有4a，约占图4中总年数20%；分布在直线Tn=0.3和直线Tn=0.45之间的有13 a，约占图4中总年数60%；分布在直线Tn=0.45之上有4 a，占图4中总年数20%。根据图4中点群上述分布特征，可取Tn值为0.2、0.3、0.45，对河道萎缩发展过程进行阶段划分：Tn＜0.2，尾闾河道尚未出现萎缩阶段；0.2≤Tn＜0.3，尾闾河道萎缩出现和发育阶段；0.3≤Tn＜0.45，尾闾河道萎缩形成和发展阶段；Tn≥0.45，尾闾河道萎缩十分严重阶段。

判别指标Tn对尾闾河道萎缩发展过程的阶段划分，为治理尾闾河道萎缩工程的实施提供了量的控制。当萎缩判别指标Tn达到0.2时，标志着尾闾河道已开始出现萎缩，应加强观察，密切注视河道萎缩是否继续发展；Tn升高到0.3时，有条件的前提下，应采取一定的工程措施减小河道萎缩程度；Tn升高到0.45时，必须采取有力的工程措施或综合性工程措施大幅度减小河道萎缩程度。

图4 黄河口尾闾河道断面形态萎缩判别指标Tn变化过程Fig.4 Variational processes of distinguishing target Tnof atrophy of tail channels in the Yellow River Estuary

5 结论

（1）1986年后，黄河口年际间水沙剧烈减少，水沙搭配关系变坏；年内分配以汛期8～10月减少的幅度最大；汛期洪水与非汛期小水的对比发生质的变化，典型水文条件两极分化；河道水沙沿程衰减严重，入海水量很少，甚至为0；黄河口水沙过程变异是上述各种水沙条件变异综合作用的结果。2002年后，由于小浪底水库调水调沙的持续运用，黄河口水沙过程变异有所缓解，来水量增大，来沙量减少，水沙搭配关系明显改善。

（2）黄河口水沙过程变异，尾闾河道断面形态萎缩十分明显，主要表现为平滩宽度缩窄，平滩水深变浅，平滩面积大幅度减小，平滩宽深比有所增大，断面形态变的更加宽浅。2002年后，尾闾河道断面萎缩有所恢复，平滩水深与平滩面积明显增大，平滩宽深比大幅度减小，断面形态朝着窄深方向调整，说明小浪底水库调水调沙运用对于尾闾河道断面形态的恢复发挥了良好的作用。回归分析表明，尾闾河道断面形态调整与水沙过程有着良好的响应关系，尾闾河道平滩面积随黄河口来水量的增大而增大；随黄河口来沙系数的增大而减小；平滩宽深比随黄河口来水量的增大而减小；随黄河口来沙系数的增大而增大。

（3）黄河口造床流量的减小、河床阻力的增大、河海耦合动力减小均降低了尾闾河道的输水输沙能力，其持续作用的结果是塑造了萎缩的河槽水力几何形态；而萎缩后的河床形态反影响于尾闾河道的输水输沙能力，其结果是加剧了河道萎缩的发展。为解决治理尾闾河道萎缩缺乏控制标准的问题，引入尾闾河道断面形态萎缩的判别指标Tn，Tn的物理意义是1986年后尾闾河道横断面累计损失的过水面积百分比，依据Tn点群分布特征，取Tn值0.2、0.3、0.45作为实施尾闾河道萎缩治理工程的控制界限点。

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