黄河尾闾河道纵剖面调整对入海水沙的响应

杜小康 王开荣 窦身堂 谢卫明 凡姚申

摘 要：為更全面地认识黄河尾闾河道形态的调整规律，基于1977—2017年利津水文站实测水沙资料以及典型断面资料，探讨黄河尾闾河道河床纵剖面形态在不同时期的变化过程，建立河床纵剖面凹度、纵比降与水沙条件的相关关系。研究表明：现行流路尾闾河道纵剖面主槽平均高程整体表现出先上升后降低的特征；纵剖面凹度在清8改汊前后，均表现出先增大后减小的特征，整体为“下凹”型；河道纵比降在流路改道（汊）后达到最大，在流路运用结束之前逐渐减小；尾闾河道纵剖面调整过程伴随着沿程、溯源的冲淤过程，与流路发展阶段和入海水沙过程密切相关，其中纵剖面凹度与汛期来沙系数有较密切的负相关关系；河道纵比降在不同时期对水沙条件表现出不同的响应规律，即当溯源淤积起主导作用时河道纵比降与汛期来沙系数有较好的负相关关系，当水流的挟沙能力起主导作用时则有明显的正相关关系。

关键词：纵剖面；纵比降；凹度；来沙系数；尾闾河道；黄河口

中图分类号：TV856；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.008

引用格式：杜小康，王开荣，窦身堂，等.黄河尾闾河道纵剖面调整对入海水沙的响应[J].人民黄河，2022，44（1）：37-41，51.

AdjustmentofLongitudinalProfileRespondingtoFlowandSedimentofTailChannelinYellowRiverEstuary

DUXiaokang1，WANGKairong1，DOUShentang1，XIEWeiming2，FANYaoshen1

（1.KeyLaboratoryofYellowRiverSedimentResearch，MWR，YellowRiverInstituteofHydraulicResearch，Zhengzhou450003，China；2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China）

Abstract：InordertocomprehensivelyunderstandtheadjustmentlawofthechannelshapeofthetailchannelintheYellowRiverestuary，thewater sedimentdataandtypicalcrosssectiondataatLijinStationfrom1977to2017wereusedtodiscussthechangingprocessofthelon gitudinalsectionshapeoftailchannelintheYellowRiverestuaryindifferentperiods.Longitudinalconcavityandslopewerechosetorepre sentthelongitudinalprofileandestablishedthecorrelationbetweenlongitudinalprofileoftheriverbedandthewater sedimentconditions. Theresultsshowthata）theaverageelevationofmainchannelattheendofthecurrentflowpathisfirstincreasingandthendecreasing；b）theconcavityoflongitudinalprofileisfirstincreasingandthendecreasingbeforeandafterthetimeofQing8Rivermouthtransfer，which isof“downconcave”type；c）thelongitudinalslopereachestothemaximumaftertransferringandthenisdecreasedgradually；d）thelon gitudinalprofileadjustmentprocessisaccompaniedbythescouringanddepositionprocessalongthedownwardandupward，whichisclosely relatedtothedevelopmentstageoftheflowpathandtheprocessofflow sedimententeringthesea.Thereisaclosenegativecorrelationbe tweenthelongitudinalconcavityandthesedimentcoefficientinfloodseasonand；e）thelongitudinalslopeofriverbedpresentsdifferentre sponsecharacteristicstowater sedimentconditionsindifferentperiods，i.e.whentheupwarddepositionplaysaleadingrole，thereisare markablenegativecorrelationbetweenthelongitudinalgradientofriverbedandthecoefficientofsedimentinfloodseasonandwhenthesedi mentcarryingcapacityplaysaleadingrole，thereisasignificantpositivecorrelation.

Keywords：longitudinalprofile；longitudinalslope；concavity；incomingsedimentcoefficient；tailchannel；YellowRiverEstuary

河流纵剖面是指河流沿水流方向的几何形态，通常包括河谷纵剖面、水面纵剖面及河床纵剖面，其中河床纵剖面又包括主槽及高低滩地的纵剖面[1]。黄河尾闾河道受河流和海洋水沙动力、人类活动等因素的影响，形态调整剧烈[2]，围绕其形态变化，有关学者已做了很多研究，王开荣等[3]分析了清水沟流路不同阶段河道横断面、河床纵剖面形态的变化规律，并对未来河床形态演变规律进行了预测；张治昊等[4]分析了水沙变异以来黄河尾闾河道的萎缩演变过程，并提出了尾闾河道萎缩的判别指标；张诗媛等[5]研究了不同阶段黄河尾闾河道横断面的调整特点及其与水沙条件的响应关系。但是到目前为止，关于黄河尾闾河道纵剖面调整过程对来水来沙条件的响应方面的研究尚未开展。

笔者基于1977—2017年黄河利津水文站水沙资料、渔洼以下7个典型汛后大断面资料，定量分析黄河尾闾河道不同阶段河床纵剖面的变化过程，建立纵剖面与水沙过程的相关关系，揭示不同阶段纵剖面对水沙过程的响应机制，以期深化对黄河口河道演变规律的认识，为新时期黄河口河道治理与规划提供参考依据。

1 研究区域与特征指标获取

本文研究范围为渔洼断面以下的黄河尾闾河道，使用的大断面数据包括1977—2017年渔洼、清1、清2、清3、清4、清6、清7汛后大断面资料，水沙数据包括黄河利津水文站1977—2017年流量、含沙量。以上资料均来自黄河口水文部门。纵剖面是指主槽纵剖面，纵剖面形态调整用纵比降和凹度两个指标来表示[6]，凹度表示河流纵剖面向下凹的程度，纵比降表示一个河段内主槽平均高程的落差与相应水平距离之比。涉及的主要特征指标获取方法如下。

（1）主槽平均高程。先判别主槽左、右岸滩唇的位置，以较低滩唇的高程为基准，以积分方式求得主槽过水面积，过水面积与主槽宽度的比值为主槽的平均水深。以较低滩唇的高程减去主槽的平均水深，得到主槽平均高程。

2 尾闾河道纵剖面变化规律

黄河尾闾河道演变经历着“游荡散乱—归股—出汊摆动—改道”循环过程[7]，自1855年以来，黄河尾闾河道经历了9次大的改道变迁（见图1），其中现行流路是1976年5月实施人工截流，由刁口河改走清水沟流路入海。随着黄河口不断向海洋淤积延伸，黄河三角洲的摆动顶点逐渐下移，由宁海下移到渔洼附近[8]。

本文按照1976年以来黄河人类活动、自然变化的重要时间节点进行时段划分，如1986年龙羊峡水库运用、1996年清8改汊、2000年小浪底水库运用、2007年自然改汊，选取1977—1985年、1986—1995年、1996—1999年、2000—2007年以及2008—2017年作为特征时段，来探讨黄河尾闾河道纵剖面形态的变化特征。

2.1 纵剖面形态变化特征

通过计算渔洼至清7各断面1977—2017年各时段河床典型断面主槽平均高程，套汇出尾闾河道历年纵剖面形态（见图2），通过对比分析发现，在不同时段纵剖面形态有不同的变化特征。

1977—1985年，清水沟流路行河初期，河道单一顺直，河长逐渐增加。清3以上主槽平均高程在1977—1983年下降了2.2m，1983—1985年清3以上主槽平均高程有所恢复，平均抬升0.9m。清3以下河道1977—1985年主槽平均高程抬升了1.2m。

1986—1995年水沙变异，进入枯水枯沙期，河道逐渐萎缩，主槽平均高程整体抬升了1.8m，各河段抬升幅度较为均匀。

1996—1999年，由于清8改汊，河长缩短，相比于1986—1995年，清3以上河道主槽平均高程有较小幅度的抬升，平均抬高了0.12m，清3以下河道主槽平均高程整体下降了0.23m。

2000—2007年，小浪底水库运用使主槽平均高程整体呈下降趋势，2002年调水调沙试验以后，河道整体上受沿程冲刷作用的影响，清2、清4断面附近河段纵剖面冲刷尤为明显，最大冲刷深度分别达到4.5、2m，床沙粒径变粗，河床的抗冲刷能力增强。与此同时，河段过流能力增强导致河段流速减小，水流挟沙能力降低，随着上游来沙的沉积，清2、清4断面附近河段主槽高程有小幅度抬升。

2008—2017年，小浪底水库继续蓄水拦沙，主槽平均高程进一步下降，整体下降约0.8m，为各时段最低。该时段河道依然主要受沿程冲刷作用的影响，但河床的抗冲刷能力进一步增强，清2、清4附近河段最大冲刷深度分别为1.6、1.1m，相较于2000—2007年有所降低。

总体而言，现行清水沟流路1977—2017年主槽平均高程呈现出先抬升后降低的变化特征，1986—1995年主槽平均高程最高，2008—2017年主槽平均高程最低。

2.2 縱剖面凹度变化特征

计算各年份的纵剖面凹度，绘制出纵剖面凹度逐年变化过程（见图3），纵剖面凹度在1996年清8改汊前后，均表现出先增大后减小的变化特征，1996—1999年纵剖面凹度最小，纵剖面形态接近直线型，2000—2007年纵剖面凹度最大，即该时段纵剖面下凹程度最明显。1978—2017年纵剖面凹度大于1，说明现行清水沟流路尾闾河道纵剖面整体呈现下凹的形态特征，符合冲积型河道自然特性。

当尾闾河道处于流路运用初期或水沙条件较好时（1977—1983年、2000—2005年），沿程冲刷作用较强，尤其是清2、清4断面附近河段河床下切明显，纵剖面凹度增大。

当处于流路运用中期或河长较长时（1984—1985年、2006—2013年），河道沿程冲刷作用减弱，清2、清4断面附近河段河床下切减弱，纵剖面凹度趋于稳定。

清8改汊之前（1986—1995年）和小浪底水库运用多年后（2014—2017年），河道沿程冲刷逐渐向沿程淤积转化，河道中间部分，尤其是清2、清4断面附近河段主槽由下切转为抬升，导致纵剖面凹度逐渐减小。

流路改汊后（1996—1999年），尾闾河道比降增大，河道的沿程淤积作用以及溯源冲刷向上游发展，使纵剖面凹度进一步减小，达到极小值1.1。

综上所述，纵剖面凹度与流路的沿程冲淤过程密切相关，具有明显的阶段性特征。基于渔洼至清7断面的汛后实测资料（其中清7断面自1985年以后才有汛后实测资料），发现1985—2017年渔洼至清7河段纵剖面凹度与汛期累计淤积量有较明显的负相关关系（见图4），汛期累计淤积量越大，纵剖面凹度越小，即下凹程度越小。流路的每一次演变，纵剖面凹度均有相似的变化趋势，但受每条流路所在时期不同的水沙条件以及人为改道（汊）等因素的影响，纵剖面整体凹度大小及变化周期存在一定的差异，例如1996—2017年清8改汊后的纵剖面凹度与1977—1995年的变化规律相似，但1996—2017年的纵剖面凹度整体上大于1977—1995年的纵剖面凹度，下凹程度更大。与此同时，由于现行清水沟流路发展尚未到末期，凹度还在继续变化，因此凹度变化周期更长。

2.3 河道纵比降变化特征

清7断面自1985年才有汛后实测资料，为了更加全面地分析尾闾河道纵比降变化，同时计算了1977—1985年渔洼—清4以及1985—2017年渔洼—清7的河段纵比降，对其演变过程进行分析（见图5）。

1976年5月黄河尾闾河道改道现行清水沟流路初期，河长较短，纵比降较大。1977—1984年，随着流路的淤积延伸，河长增加，河道纵比降逐渐减小。1985—1995年，随着溯源淤积作用的不断增强，河道纵比降在1995年左右达到极小值，为0.87/10000。1996年，受清8改汊的影响，河道纵比降迅速增大。1997年以后，随着现行清8汊河河长的进一步增加，纵比降逐年减小，2017年达到0.82/10000，小于1996年改汊前纵比降的极小值，并有进一步减小的趋势。

通过以上分析可知，尾闾河道纵比降在不同的流路运用时期均表现出相似的变化规律：在流路改道（汊）后，河长突然减小，尾闾河道纵比降会达到最大（1977年、1997年），随后在本流路运用阶段纵比降逐渐减小，直到新一轮的改道（汊）为止。

3 尾闾河道纵剖面变化对入海水沙条件的响应机制探讨

3.1 汛期入海水沙过程

1976年改走清水溝流路后，黄河干流建成了龙羊峡（1986年）和小浪底（2000年）两座水库，根据水库的建设时间，将入海水沙过程分为3个阶段（见图6）： 1977—1985年，黄河汛期平均入海水量、沙量分别为229.05亿m3、7.56亿t；1986—1999年，黄河汛期平均入海水量、沙量分别为92.50亿m3、3.52亿t；2000—2017年，黄河汛期平均入海水量、沙量分别为81.79亿m3、0.86亿t，相比1977—1985年减少了64.3%和88.6%，其中汛期沙量减少更明显，水沙搭配变得相对有利，对下游断面形态的萎缩趋势有明显改善[10]。

3.2 纵剖面凹度与汛期水沙条件的关系

由图7可知，纵剖面凹度与前4a汛期来沙系数有较好的负相关关系，α=0.7423，β=-0.191，汛期来沙系数越大，纵剖面凹度越小。说明黄河尾闾河道纵剖面凹度与其他河床形态参数一样，能较好地响应入海水沙条件。

3.3 河道纵比降变化与汛期水沙条件的关系

根据尾闾河道的河势演变情况及实测资料，选择渔洼—清7为典型河段，就其河道纵比降变化特征与水沙条件的响应关系进行探讨。以1996年清8改汊作为时间节点，该时间节点前后河道纵比降与前4a汛期来沙系数成截然相反的相关关系（见图8）：1986年龙羊峡水库建成运用至1996年清8改汊，河道纵比降与前4a汛期来沙系数负相关；1996年清8改汊后至2017年，河道纵比降与前4a汛期来沙系数正相关。

1986年龙羊峡水库建成运用至1996年清8改汊，清水沟流路淤积已逐渐发展到末期，河道萎缩严重，水流含沙量已超过水流的最大挟沙能力。随着河长进一步增加，受海水的顶托，流速减小，最大挟沙能力进一步减小，泥沙在口门附近堆积剧烈，溯源淤积作用越来越强烈。因此在该阶段，来沙系数越大，河道比降就越小。

1996年清8改汊后至2017年，渔洼以下河长由72km缩短至55km，纵比降突然增大，流速随之增大。由于水流的挟沙能力受流速影响较大，在其他条件一定的情况下，当流速增加1倍时水流的搬运能力是原来的64倍[12]，因此清8改汊后，挟沙能力相对于改汊前大幅增加，水流的挟沙能力大于水流的含沙量。随着小浪底水库的运用，水流含沙量大幅减小，河道过流能力增加，水流挟沙能力进一步增加。因此在该阶段，来沙系数越小，水流挟沙能力越强，从上游搬运的泥沙越多，河道纵比降就越小；来沙系数越大，水流挟沙能力越弱，从上游搬运的泥沙就越少，河道纵比降就相对较大。

以上研究表明，尾闾河道的溯源淤积作用与水流的挟沙作用对纵比降的影响是此消彼长的。当溯源淤积起主导作用时，通常为流路运用的末期，该阶段纵比降与来沙系数有较好的负相关关系；当水流的挟沙能力起主导作用时，通常为改道后流路运用的初期或中期，该阶段纵比降与来沙系数成明显的正相关关系。随着流路的继续运用，河长会不断增加，纵比降随之减小，挟沙能力降低，溯源淤积对纵比降的影响又将逐渐起主导作用。因此，在流路不同的运用时期，随着挟沙能力作用与溯源淤积作用的相互转换，尾闾河道纵比降对水沙条件表现出不同的响应特征。

4 结 论

（1）黄河尾闾河道纵剖面形态调整往往伴随着沿程、溯源的冲淤过程，与流路发展阶段和入海水沙过程密切相关，可采用凹度和纵比降两个指标来表示黄河尾闾河道纵剖面形态。

（2）1977—2017年，现行清水沟流路主槽平均高程呈现先上升后降低的变化特征，1986—1995年主槽平均高程最高，2008—2017年主槽平均高程最低；纵剖面凹度在清8改汊前后均表现出先增大后减小的变化特征，1978年以后凹度大于1，纵剖面呈下凹形态，符合冲积型河道自然特性。纵剖面凹度与流路的沿程冲淤过程密切相关，具有明显的阶段性特征，与前4a汛期来沙系数有明显的负相关关系，汛期来沙系数越大，纵剖面凹度越小。说明黄河尾闾河道纵剖面凹度与其他河床形态参数一样，能较好地响应入海水沙条件。

（3）尾闾河道纵比降在不同的流路运用时期均表现出相似的变化规律：在流路改道（汊）后，尾闾河道河长突然减小，河道纵比降会达到最大（1977年、1997年），随后在本流路运用阶段纵比降逐渐减小，直到新一轮的改道（汊）为止；尾闾河道的溯源淤积作用与水流的挟沙能力作用对纵比降的影响是此消彼长的，即当溯源淤积起主导作用时纵比降与前4a汛期来沙系数有较好负相关关系，当水流的挟沙能力起主导作用时纵比降与前4a汛期来沙系数成明显的正相关关系。在流路不同的运用时期，随着挟沙能力作用与溯源淤积作用的相互转换，尾闾河道纵比降对水沙条件表现出不同的响应特征。

（4）本文只讨论了河道纵剖面对入海水沙的响应，关于纵剖面对河长、海洋动力及其他方面的响应机制，后期还需要更深入研究。

参考文献：

[1] 陆中臣，舒晓明，曹銀真.华北平原河流纵剖面[J].地理研究，1986，5（1）：12-20.

[2] 张治昊，戴清，李敬义，等.黄河口尾闾河道断面形态的萎缩调整规律研究[J].水道港口，2010，31（5）：340-346.

[3] 王开荣，黄海军，张永平.黄河清水沟流路河口尾闾段河床形态萎缩特征[J].海洋地质与第四纪地质，2008，28（2）：15-22.

[4] 张治昊，胡春宏.黄河口水沙变异及尾闾河道的萎缩响应[J].泥沙研究，2005，30（5）：13-21.

[5] 张诗媛，夏军强，万占伟，等.黄河口尾闾河道近40年河床断面及平面形态调整特点[J].水力发电学报，2019，38（1）：63-74.

[6] 夏军强，吴保生，王艳平.近期黄河下游河床调整过程及特点[J].水科学进展，2008，19（3）：301-308.

[7] 余欣，张原锋，于守兵，等.黄河口演变与流路稳定综合治理研究[J].人民黄河，2018，40（3）：1-6.

[8] 王开荣，陈孝田，赵阳.黄河口现行尾闾流路改道标准及其评价[J].人民黄河，2009，31（5）：23-25.

[9] XUECT.HistoricalChangesintheYellowRiverDelta，China[J].MarineGeology，1993，113（3-4）：321-330.

[10] 茹玉英，王开荣，侯志军.黄河口河道对小浪底水库运用的响应[J].泥沙研究，2008，33（3）：63-68.

[11] WUBS，WANGGQ，XIAJQ，etal.ResponseofBankfull DischargetoDischargeandSedimentLoadintheLower YellowRiver[J].Geomorphology，2008，100（3-4）：366-376.

[12] 景可.泾河、北洛河泥沙输移规律[J].人民黄河，1999，21（12）：18-19.

【责任编辑 张 帅】