黄河河口不同流路入海泥沙对下游影响二维数模分析

李东风 张红武 钟德钰 胡建永 马梁超 江曹栋

摘 要：黄河河口入海泥沙在涨潮流和拦门沙的阻滞作用下对黄河下游泥沙运动产生重大影响。以已建立的河口海洋水沙二维数学模型为基础，对规划运用初期的清水沟北汊流路、刁口河流路和十八户流路典型水沙过程进行了计算，分析了3条流路入海口的海洋动力和泥沙运动，得到了入海泥沙对黄河下游的影响范围为距泺口断面90～215 km。研究了未来50 a进入下游的水沙设计和流路规划成果，采用清水沟、刁口河联合运用方案，计算了未来50 a入海水沙运动对下游的影响，结果表明：在此方案下，西河口水位维持在10.23～11.18 m。结合黄河三角洲高效生态经济区发展需求，清水沟和刁口河联合运用方案为最优方案，十八户流路海域封闭且海洋动力比较弱，可以作为远景备用流路。

关键词：黄河河口;二维数学模型;入海泥沙;黄河下游;清水沟流路;刁口河流路;十八户流路

中图分类号：TV142;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.004

Abstract： The sediment flowing into the Yellow River estuary has a great influence to the sediment movement in the lower Yellow River under the blocking action of the tidal current and sandbars. Based on the established two-dimensional mathematical model of estuarine water and sediment， the typical water and sediment processes of North Branch estuarine of Qingshuigou， Diaokou River estuarine and Shibahu River estuarine in the early stage of planning and operation were calculated and the marine dynamics and sediment movement of the three channels into the estuary were analyzed. The results show that the influence range of sediment to the lower Yellow River is 90-215 km away from Luokou section. The results of water and sediment design and flow path planning in the next 50 years were studied. The combined operation scheme 4 of Qingshuigou and Diaokou rivers recommended by China Institute of Water Resources and Hydropower and Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd. was adopted to calculate the impact of water and sediment movement on the downstream in the next 50 years. The results show that under this scheme， the water level of Xihekou will be maintained between 10.23 m and 11.18 m. Combined with the development needs of the efficient ecological economic zone in the Yellow River delta， scheme 4 of the joint operation of Qingshuigou and Diaokou river is the optimal flow path and the sea area of Shibahu flow path is closed and the marine power is relatively weak， so it can be used as the future backup flow path.

Key words： Yellow River estuary; 2D numerical simulation; sediment into sea; Lower Yellow River; Qingshuigou flow path; Diaokouhe flow path; Shibahu flow path

1 引 言

黄河流域生态保护和高质量发展已上升为重大国家战略[1]。有计划地稳定使用河口入海流路是黄河三角洲高效生态经济区发展的基础。黄河河口治理与黄河下游治理密切相关，黄河口涨潮和拦门沙阻滞黄河入海水沙运动，对黄河下游防洪将产生不利影响。黄河河口入海流路稳定与黄河下游治理特别是山东黄河密切相关[2]，2013年3月国务院批复的《黄河流域综合规划》在涉及“河口入海流路規划”时指出：“入海流路规划要遵循黄河河口自然演变规律，以保障黄河下游防洪安全为前提，以河口生态良性维持为基础，充分发挥三角洲地区的资源优势，促进地区经济社会的可持续发展。综合考虑各种因素，规划期内仍主要利用清水沟流路行河，保持流路相对稳定，清水沟流路使用结束后，优先启用刁口河备用流路;马新河和十八户作为远景可能的备用流路。”同时，《黄河流域综合规划》在涉及“黄河长治久安的重大战略措施”时还特别强调：“为了尽量减少河口淤积延伸对下游河道的反馈影响，要继续进行现行流路尾闾河道的治理，科学使用清水沟、刁口河、马新河等入海流路，合理使用海域容沙空间;继续进行拦门沙治理，充分发挥海洋动力输沙能力。”

对于黄河河口流路稳定和入海泥沙对黄河下游的影响研究，很多学者从分析实测资料归纳推理回归得出经验公式等方面进行了深入研究，推动了黄河河口治理研究。对于黄河河口治理研究手段的研究，2002年李国英提出建立“数字黄河”[3]和建立黄河数学模拟系统[4]，“黄河数学模拟系统建设要围绕黄土高原土壤侵蚀模型、水库调度模型、黄河下游河道水沙演进模型、河口模型、水质预警预报模型、宁蒙河段冰凌预报模型六大模型系统开展。要充分认识黄河数学模拟系统建设的长期性和复杂性，持之以恒地进行黄河数学模拟系统建设”。其中在论述河口模型时指出“黄河口不同于一般清水河流的河口，受上游来水来沙及海洋潮汐对河口泥沙的顶冲影响，其水沙运动规律较为复杂。应加强机理研究，建立基于黄河口演变规律的数学模型，指导黄河口流路的规划和治理”。

李泽刚[5]分析了黄河入海泥沙扩散、黄河口拦门沙的形成与演变等规律，提出了建设西河口水沙控制工程、进行河口段河道整治和拦门沙治理等稳定黄河河口流路的对策。王恺忱[6]分析了黄河下游及河口河段冲淤特性，进行了黄河河口延伸改道对下游河道的影响研究，用实测资料证实了利津至改道点河段短时段的冲淤主要受制于河口基准面的状况，同时进一步证实了河口尾闾入海流路的绝对长度是河口河段和下游河道冲淤幅度与发展趋势的制约因素。胡春宏等[7-8]分析了黄河口水沙运动与演变基本规律，提出了黄河口治理的方向与措施。张红武[9]2003年提出构建二维河口数学模型及河口治理意见。马睿等[10]基于1958年汛后—2000年汛后利津以下实测资料建立了河口段各部分累计淤积量与利津站累计来沙量的相关关系，利用准二维水沙数学模型对黄河下游及河口段进行耦合模拟，分析了黄河小浪底—河口段现状治理模式和“两道防线”治理模式对黄河河口各部分累计冲淤量、西河口以下河长延伸值等特征量的影响，以及两种模式下黄河河口段未来50 a治理的效果。余欣等[11]界定了出汊、改道、流路稳定及黄河河口稳定的内涵，系统分析了近期黄河河口水沙及流路、海岸的新变化，通过试验研究了尾闾河道出汊机制，提出出汊阈值、触发条件以及河口流路稳定综合判别指标，在此基础上预判了清水沟清8汊河的稳定性，提出近期流路安排应优先考虑北汊河。陈雄波等[12]对清水沟、刁口河流路联合运用方案进行了计算比选分析。王崇浩等[13-15]利用一二维连接数学模型研究了黄河口潮流与泥沙输移过程，对河口演变对下游河道反馈的影响进行了分析，对黄河口清水沟流路冲淤发展与使用年限进行了预测。王万战等[16]分析了黄河口海岸演变规律。王开荣等[17]对黄河现行清水沟流路汊河运用方案进行了探讨。赵连军[18]分析认为，黄河下游河道演变与河口演变影响因素繁多，未来必须借助河工模型试验或数学模型计算等手段开展研究才可能彻底揭示黄河口演变对河道反馈影响的规律。李东风等[19-23]利用差分方法计算了清水沟和刁口河流路入海泥沙运动和对港口的影响，采用有限元方法建立了河口二维数学模型并应用于河口治理研究，研究了外海边界条件的影响。上述成果是在老一辈黄河河口治理专家研究成果的基础上取得的，为黄河河口治理研究打下了坚实的基础。

随着高性能计算机的应用，建立黄河下游长河段河道、海洋二维模型和应用模型预测成为现实，但建立长河段泺口以下河道至海洋的二维水沙数学模型，分析入海泥沙对黄河下游影响的研究未见报道。为进一步完善黄河河口二维水沙数学模型，发挥二维模型在黄河下游和河口治理研究中的优势，2016年国家重点研发计划项目（2016YFC0402500）在第二课题中列入专题（2016YFC0402502），即未来50 a河口入海泥沙淤积延伸对黄河下游的影响，主要利用黄河下游和河口二维水沙数学模型研究未来50 a黄河入海泥沙对黄河下游的影响，本文为其部分成果。

2 基本理论

模型基本方程见文献[19-22]。

（1）初始条件。计算域内，在t=0时刻，给定水位、潮位、流速和含沙量为0。

（2）边界条件。进口边界给定泺口断面水流流量和含沙量。出口边界用潮位变化控制计算域与海域相连接的水边界，根据物理海洋学理论，潮高表达式为

开边界两个端点值由实测资料给定，其端点内部的值由插值方法求得。在闭边界上，认为其法向流速为0，而沿切线方向的流速非0。泥沙运动边界条件除了给出入口断面各节点的含沙量外，在闭边界还应满足法向输沙通量为0。

（3）模型验证。模型验证见文献[19-22]。

3 计算条件分析

根据水利部2010年审查通过的《黄河河口综合治理规划》，入海流路除了清水沟外，还包括刁口河备用流路、远景可能的十八户与马新河流路。规划确定的改道标准为在设防流量10 000 m3/s时，西河口（二）站水位不超过12 m（大沽高程），未来规划的流路是清水沟流路，清水沟流路行河完成后优先启用刁口河备用入海流路，马新河和十八户作为远景可能的备用流路;清水沟流路继续使用清8汊河，满足改道条件后改走清水沟北汊，再次满足改道条件后改走1996年前清水沟流路原河道，使清水沟流路在50 a左右的时间内保持相对稳定。

3.1 计算范围和地形

根據文献资料分析得到的黄河河口入海泥沙河道淤积延伸对黄河下游的影响范围，以及渤海湾电子海图和黄河河道地形等资料，建立模型的范围为：黄河下游河道泺口断面为模型进口，渤海湾足够大的海域为模型的出口。鉴于马新河流路入海泥沙进入渤海湾后海域容沙体积和流路长度等方面的因素，仅布置了清水沟、刁口河和十八户3条流路，建立黄河下游河道与海洋平面二维数学模型。利用2017年汛后大断面数据对地形进行校正，作为计算的初始地形。模型范围和入海流路见图1，各主要断面距泺口断面的距离见表1。

3.2 计算分析

3.2.1 水沙系列设计分析

关于水沙系列研究，陈雄波等[12]依据2012年通过水利部审查的《黄河水沙调控体系建设规划》，对6个入海流路方案采用3个50 a水沙序列进行计算，其中2020年后水沙序列均采用无古贤水库情况，得到的利津站水沙量见表2[12]。

王崇浩等[15]参考小浪底水库的设计水沙序列，并考虑有、无古贤水库的调水调沙过程，经下游河道冲淤计算得到艾山断面未来80 a（2000年起算）水沙过程，见图2。

综合分析未来50 a水沙序列，本次计算使用文献[15]考虑古贤水库的成果，再根据《黄河水沙调控体系建设规划》，按照不同时段和流量级（小于800 m3/s，大于800 m3/s、小于2 600 m3/s，大于2 600 m3/s、小于4 000 m3/s和大于4 000 m3/s）的天数得到泺口断面的水沙过程。

3.2.2 入海流路计算方案的选择

文献[12]设计计算了6个入海流路方案，本次计算使用其推荐的方案4，即在清水沟按汊河、北汊1、北汊2和清水沟原河道行河的基础上，将刁口河作为分洪通道方案。2030年后刁口河分洪通道平时关闭，利津流量在4 000 m3/s以上时刁口河开始过流;利津流量为4 000～7000 m3/s时维持清水沟流路4 000 m3/s的过流量，刁口河过流量为0～3 000 m3/s;利津流量大于7 000 m3/s以后，刁口河仍維持3 000 m3/s的过流量，其余通过清水沟下泄。

以上述条件为计算的初始和边界条件，计算入海泥沙在海洋动力作用下的输运扩散和淤积冲刷情况。选取泺口以下主河槽内和入海径流方向上的655个点分析沿程水位和河床高程的变化，选择重要断面（见图1）分析水位变化，水位分析点选择在主槽位置。

3.3 流路入海泥沙淤积延伸影响分析

按照2018年水沙条件分析河流和河口入海泥沙运动情况。

3.3.1 北汊流路入海口海洋动力分析

图3为泺口以下河段和黄河河口北汊入海后流速等值线与流速矢量叠加图。可以看出：水流从进口流入河道后，在弯曲河道内流动，在宽河段也只在主槽内流动，包括孤东油田的北大堤和滞洪区附近的宽河段。水流流入河口海域后，泥沙在径流作用下运动，一方面向深海方向运动，另一方面在海洋动力作用下呈现出沿岸流的特性;黄河三角洲沿岸海域在三角洲顶点存在的高流速区域（垂线流速的平均值在0.45 m/s以上）和清水沟1996年沙嘴处的高流速区域都与实测资料一致。图4为河道水位和海洋潮位等值线分布图，可以看出，河道内水位比降小，海域内比降大，鉴于海域内水位变幅比较大，海域潮位变幅只显示了0 m等值线。河道水位变化受模型进口泺口水沙过程和潮汐升降等海洋动力条件的影响，同时拦门沙规模不断扩大和河口向外海延伸也对其造成影响。

3.3.2 泥沙运动含沙量分布分析

选择泺口流量为500 m3/s、含沙量为8.0 kg/m3的典型水沙过程对泥沙在河道和河口中的运动进行分析。图5（a）为河道水流含沙量沿程分布，水流从进口流入河道后在弯曲河道主槽内流动，流速比较大，含沙量也比较大，在比较窄的河道流速增大引起河床冲刷，水流含沙量增加到20 kg/m3。图5（b）和（c）为刚开始落潮和涨潮时水流含沙量在口门的平面分布情况。水流流入河口海域后，泥沙一方面在径流作用下向深海方向运动，由于流量比较小，涨潮动力比较大，因此高浑浊度区域在口门附近;另一方面在海洋动力作用下泥沙沿海岸运动，口门两侧水流含沙量较大，与沿岸流的特性一致。受北汊口门沙嘴的影响，落潮时期泥沙沙嘴偏向西北方向，涨潮时偏向东南方向，同时受涨落潮的影响，在口门附近含沙量最大，泥沙聚集在口门，而且含沙量等值线呈椭圆状，中心含沙量最大。由图5（c）可知，落潮结束、刚开始涨潮时口门中心最大含沙量为20 kg/m3;由图5（b）可知，涨潮结束、刚开始落潮时挟沙水流动能最小，含沙量变化有一个滞后过程，此时对应含沙量最大，最大含沙量为32 kg/m3。泥沙在口门聚集是形成拦门沙的重要原因。另外，可见沿海岸和河道出现44 kg/m3的高含沙量区域，主要是在河道、海岸水动力和边界条件的影响下形成的。

3.3.3 淤积冲刷厚度分布分析

入海泥沙3.18亿t/a条件下河道和河口泥沙淤积分布见图6。可以看出，泥沙入海时在潮汐和拦门沙的作用下主要淤积在口门附近，淤积最大厚度为5.23 m，主要淤积在入海水流方向上6～8 km的范围内，而下游河道表现微冲和微淤的状态，口门河道冲刷比较明显，窄河段河床冲刷深度较大，冲刷淤积影响范围为距离泺口断面150～170 km处，即道旭断面和利津断面之间。主要原因是河道泥沙冲刷淤积的结果滞后于海洋动力和拦门沙的影响。

3.3.4 水位和水位差分析

2018年水沙条件下泺口3 000 m3/s流量时汛前和汛后其以下纵剖面的水位和水位差见图7。可以看出：在潮汐和拦门沙的作用下，下游河道和入海口门附近泥沙冲淤引起了水位变化，在3 000 m3/s流量时最大水位差为0.19 m;距河口的最远影响点为泺口以下约90 km处，即董家断面和清河镇断面之间。主要原因是其他条件相同的情况下，3 000 m3/s大流量时，河床冲刷比较严重，冲刷后水位下降比较大，水位差也比较大，影响范围距河口也比较远。

3.4 刁口河入海泥沙淤积对下游河道的影响

在进口边界条件即泺口流量为500 m3/s、水流含沙量为35 kg/m3下，得到刁口河流路1.5亿t/a泥沙流入海域后淤积冲刷计算结果。选择纵剖面水位分析河道水位的变化（选择一日中同一时刻潮位条件下的水位）。从图8可以看出河床淤积与冲刷的分界点为距泺口断面185.33 km处，即利津断面附近。该分界点以下河道淤积，海域淤积厚度较大。

3.5 十八户流路入海泥沙运动及对下游水位的影响

十八户流路入海位置特殊，作为远期备用流路需要进行研究和探索，这里分析泺口流量为3 000 m3/s和含沙量为35 kg/m3条件下入海泥沙运动及对下游的影响。

3.5.1 入海泥沙运动分析

从十八户入海泥沙运动、涨潮和落潮含沙量分布、一日涨潮落潮对河口和下游水位的影响图可以看出，清水沟流路经过30多a的使用，沙嘴突出莱州湾，使十八户入海河口口门处于南北西三面陆地环绕，仅一面与莱州湾连通，使得入海泥沙运动扩散的范围减小。再由图9可以看出，由于潮流等海洋动力较弱，因此向外海输送泥沙的能力减弱，造成入海泥沙淤积，而且淤积在口门附近。

3.5.2 涨潮流对下游水位的影响

由于入海口门附近海域海洋动力较弱，因此涨潮流对河口入海径流影响较小，明显影响距离为入海口以上约15 km。

3.5.3 十八户改道对改道点上下游水位的影响

十八户流路改道位于距离泺口断面约205.2 km位置。从图10可以看出，改道点以下水位明显下降，改道点以上水面比降远小于改道点以下水面比降。主要原因是入海水流流路在十八户改道点附近的弯曲比较大，改道点以上水流在弯道附近的阻力大，水位下降缓慢，改道点距入海口距离短，水沙运动阻力小，水面比降大。

3.6 未來50 a入海泥沙对黄河下游的影响

根据3.2节设计的水沙过程和计算方案，考虑了各流路海域的状况等，对各流路的使用年限进行了分配，清水沟流路按照北汊河使用14 a、北汊1使用12 a、北汊2使用12 a、原河道使用12 a，刁口河作为分洪通道方案，计算未来50 a流路河流和河口入海泥沙淤积对河道的影响。使用Dell工作站并行计算方法，计算1 d相当于模拟计算河流河口入海水沙运动1 a。

（1）河口入海泥沙淤积分析。图11为河口泥沙淤积厚度平面分布图，可以看出：一方面，入海泥沙主要淤积在口门附近，最大淤积厚度等值线呈椭圆状，椭圆长轴与海岸方向一致，说明泥沙在沿岸流的作用下沿海岸方向往复运动;另一方面，从泥沙淤积厚度0 m等值线的范围看，入海泥沙向东南方向输运扩散的距离和范围大于向北部扩散的范围。图12和图13分别为河口口门方向上剖面淤积厚度和河床高程，可以看出：随着入海泥沙的增加，最大淤积厚度不断增大，流路使用初期其最大值增加比较快，向外海淤积的速度也比较快;随着时间的增长，最大淤积厚度增加速度和向外海淤积的速度减小，泥沙主要向口门两侧输运和淤积。

（2）流路改道对下游的影响范围。河口流路改道对下游的影响是一个复杂的过程，其主要表现为：在相同的水沙条件和河床比降条件下，流路改道初期，流路流程短、比降大，同流量下水流流速和挟沙能力增加，河道发生溯源冲刷;随着流路使用时间的增长，溯源冲刷向上游发展的同时，河口入海流路向外海延伸，河道长度增长，溯源冲刷影响逐渐减弱直到结束。根据计算分析，入海泥沙河口淤积延伸对下游的影响范围为距泺口断面90～215 km，流路使用初期对下游的影响距离口门最远，随着流路使用年限的增长对下游的影响越来越小，未来50 a入海泥沙对下游的影响范围在董家断面到利津断面之间。其中：清水沟北汊河河口使用对下游的影响在董家断面附近，北汊1河口使用对下游的影响在前左断面附近，北汊2河口使用对下游的影响在十八户断面附近，原清水沟河道河口使用对下游的影响在利津断面附近。

（3）对西河口水位的影响。根据入海流路改道标准，当西河口流量为10 000 m3/s时水位达到12 m，因计算使用的设计水沙系列并没有10 000 m3/s流量的，故确定西河口水位时，先计算出未来50 a不同流量的利津和西河口水位，再根据文献[24-25]中的西河口和利津水位流量关系曲线，应用水位平行抬高法插值推算分析，最终得到西河口10 000 m3/s流量对应水位在流路使用初期和末期在10.23～11.18 m之间。其中：清水沟清8汊河河口使用14 a西河口水位在10.23～11.09 m之间，北汊1河口使用12 a西河口水位在10.39～11.18 m之间，北汊2河口使用12 a西河口水位在10.51～11.13 m之间，原清水沟河道河口使用12 a西河口水位在10.65～11.15 m之间。

4 结 论

以已建立和验证的黄河河口海洋水沙二维数学模型为基础，计算分析了清水沟北汊流路、刁口河流路和十八户流路入海泥沙运动对黄河下游的影响范围，对清水沟流路按清8汊河、北汊1和北汊2、原河道行河，刁口河作为分洪通道方案计算分析了未来50 a河道和河口入海水沙运动对下游的影响，结果表明该方案清水沟流路可以使用50 a以上。3条入海流路中，十八户流路入海口三面被陆地环绕再加上海洋动力较弱和十八户改道点附近河道弯曲水流阻力大，仅可以作为远景备用流路;刁口河流路入海口附近的海洋动力强度和容沙能力处于清水沟流路和十八户流路之间，宜作为清水沟流路行河结束后优先选择的流路;清水沟流路海洋动力强，泥沙海域容沙能力大，结合工程措施可以将入海泥沙输送到深海。

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【责任编辑 张华岩】