黄河上游石嘴山河段人工裁弯后引河道调整研究

张兴凯，景何仿，乔 桥，李春光

（1.宁夏水利水电工程局有限公司，宁夏 银川 750021； 2.北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021；3.吕梁学院建筑系，山西 吕梁 033400； 4.北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021）

0 引 言

关于弯曲河流上的裁弯取直已经已有较多研究成果，包括弯曲河流的长期演化过程［1］、裁弯初始的机制［2］、牛轭湖和漫滩的冲刷和淤积学［3］、裁弯的类型和在弯曲河流内的分布情况、裁弯和废弃河道的水动力学［4-6］、以及裁弯后的河道调整［7-9］。对于裁弯取直的研究主要通过野外实测、水槽实验和数值模拟，但是裁弯发生的原因、形态动力学过程及裁弯前后上下游河道的响应还没有形成统一的认识，这也说明了裁弯现象的复杂性。

以往关于裁弯取直的研究多数是基于天然裁弯开展的。国外学者利用声学多普勒剖面仪（ADCP）在美国阿肯色州的White River的5个颈口裁弯获得了近岸流速，研究了具有复杂平面结构的颈口裁弯的三维流动特征，并为高度弯曲的颈口裁弯总结出了两个水动力概念模型［5］。随后，利用三年多收集的高分辨率的水深数据，又研究了其中三个较为活跃的颈口裁弯的河道形态及其演变规律，并提出了一个用来描述颈口裁弯河道演变的概念模型［9］。在不同大小的弯曲河流中颈口裁弯的模式已有较清晰的认识，但是颈口裁弯的演化时间很短，很难捕捉截止过程。在国内，近期以青藏高原偏远地区的颈口裁弯过程中发展新旧河道的调整为研究，填补了有关弯道动力学和颈口裁弯过程的现有知识空白［1］。LI等利用航拍和遥感影像、水文数据和河岸侵蚀模型揭示了河岸侵蚀造成的潜在颈口裁弯的趋势［8］。可见，野外观测和数值模拟有助于科学认识颈口裁弯的水动力调整机制。而天然河流中出现的斜槽裁弯往往与原河道和新河道同步发育，直至牛轭湖出现，这个过程被定义为分汊和汇合，ZINGER等建立了关于斜槽裁弯的概念模型［2］。该概念模型中斜槽裁弯形成过程中出现了回流区、停滞区、流动分离区、螺旋运动和沙坝等，有利于更深刻地研究斜槽裁弯。

相比于天然裁弯，在全球范围内有许多条河流经历了大规模的人工裁弯取直，例如匈牙利的Tisza［11］、美国的Mississppi河［12］、德国的Oder河、中国长江的荆江［13］和渭河下游［14］、汾河上的河段（曹家堡下游河段和稷山县城河段）等。长江中游于20世纪60至70年代在中洲子和上车湾两处实施人工裁弯工程［16，17］，使得洞庭湖、荆江及三口河道之间的关系发生了调整，河床演变也逐渐发生了变化。因此，李志威等［18］研究了荆江河段4次裁弯后干流河道调整研究，为人工裁弯的研究提供了理论依据。而在国外，基于河流修复项目后形成的斜槽裁弯为研究对象，并在8个月的时间里监测了河道的演变，并得到了一个包含3个阶段的斜槽裁弯模型：导致裁弯的初始阶段、实际裁弯阶段和裁弯后的河道形态调整阶段［7］。人工裁弯后，河道长度大幅度的缩短，裁弯效果明显，水面和床面比降均增大，水流能量变大。尽管一些裁弯取直已经成功实施，但也存在一些失败案例。例如，德国的Oder河经过人工裁弯后，造成水位下降，流速增加。虽然有利于农田的排水，但斜槽中出现许多浅滩，阻碍了河道的通航。1996年，我国南垒河连续3个弯道实施人工截流，由于河床形态变化过大，导致河道内水流泥沙运移规律发生较大变化，流速显著增加，造成了上游河道的猛烈侵蚀［13］。因此，对人工裁弯取直后的新河道（引河）调整和流场结构的研究至关重要，直接影响着人工裁弯的成败。

因此，以黄河宁夏段石嘴山河段上实施的人工裁弯的实测数据资料为基础，分析了人工裁弯后新河道（引河）的发展过程及河势演变情况，基于有限体积法的Mike 3 Flow Model 水动力模型，分析了引河内的流场变化，揭示了黄河上游宁夏段增设人工斜槽后河道未来的演变趋势，为治理黄河上游河道提供理论参考。

1 石嘴山河段人工裁弯的概况

本文研究的四排口河段位于黄河上游宁夏回族自治区石嘴山市平罗县境内，该河段属于典型的游荡性弯道。该河段河道蜿蜒曲折，以细长的“Ω”形弯道为主［图1（a）］。弯曲河流主槽的宽度为500～1 000 m，平均水宽为650 m，河流纵比降约0.18‰，河床粗糙度0.016～0.027，弯曲率为1.23。平面上呈宽窄相间的藕节状分布，河道宽浅，水流散乱，沙洲密布，河床组成为细沙、粉细砂，河床抗冲性差，冲淤变化较大，主流游荡摆动较为剧烈，两岸主流顶冲点不定，经常出现险情。

图1 截流工程地形图Fig.1 Topographic map of the cutoff project

此外，弯道顶点靠近滨河大道，根据Google地图可以发现，距离最近仅有20 m［图1（a）］。该河段属于多年的老险工河段，历史上每遇较大洪水均发生顶冲榻岸、险情不断，抢险投入较大，严重威胁到周边群众安全。宁夏回族自治区以黄河宁夏段二期防洪工程实施为契机，采取人工截流的方法，从根本上消除出现多年的险情。该截流工程于2017年8月开工，2018年5月竣工，在弯道的左岸修建了一系列非淹没丁坝和联坝［图1（b）］，并在天然弯道的右岸开挖了一条引河［图1（c）］。引河横断面为梯形，进口渐变段开口135 m，直线段上开口82 m，下开口40 m，开挖深度5.3 m，坡比1∶4，长度1 886 m，比降0.13‰，进出口底高差25 cm，对应原河道长度约3 312 m，裁弯比0.57。原始的弯道因丁坝群截流而成为废弃的河道，在未来的时间里逐渐形成牛轭湖，而开挖的引河形成了人工运河。

2 人工裁弯后引河的变化

为了更好地了解人工裁弯后引河的河床变化情况，将2018年4月4日至4月10日设定的三处引河断面［见图1（c）］的7次实测地形和2018年7月17日、10月21日实测地形套绘图，并与3月5日人工裁弯前，引河河床地形进行了比较，如图2所示。

图2 引河1号、2号、3号断面河床高程套绘图Fig.2 Drawing of riverbed elevation set of 1， 2， 3 sections in Diversion River

自2018年3月4日截流工程开展以来，经过一个多月的时间，引河1号断面整体冲刷较为明显，河底高程大幅下降。出现这种情况的主要原因是，随着流量增大，水流流速逐渐增大，水流挟沙力也逐渐增大，河床出现冲刷。但是在引河1号断面左岸由于丁坝群的保护，河岸冲刷较小，但是最大水深逐渐向左岸靠拢，到10月21日，最大水深可达10 m。而右岸出现了崩岸现象，河道宽度变大，尤其在10月份最为明显［图2（a）］。

引河2号断面河床同样出现较大程度的冲刷，且右岸冲刷较为显著，右岸向右移位30 m左右，整体河宽大幅增加，河床高程下降幅度较大，平均河底高程下降5 m左右。在7月的测量结果中，左岸继续被冲刷，最大水深位于左岸附近，右岸则淤积明显。经历了2018年的汛期（8-10月），该河段遇到了自1985年以来最大的洪水流量（3 580 m3/s），水位变高，10 月的测量结果发现，整体河宽大幅度的增加，河道中心位置处中心处冲刷严重，此刻的水深可达到20 m［图2（b）］。

引河3号断面河床变化最为显著［图2（c）］。在3月5日到3月14日截流工程过程中，该断面两岸冲刷较为严重，左右两岸发育30～50 m，整体河宽变化较大，河床明显抬高，主要原因是上游水流带来大量泥沙沉积于河底，两岸崩岸所产生的泥沙也大量积聚下来，引起河床高程的整体抬升。龙口合拢后，河宽继续增大，河床高程整体变化较为平稳，未出现较大波动。10月份河床形态可以发现，最大水深位于左岸，河道主槽向左侧河岸迁移、演变，右侧河床发生持续性淤积，形成较大范围的浅滩。

3 人工裁弯后引河的水流运动特性

利用MIKE3水动力模型，建立了人工裁弯后引河的水动力模型，通过验证模型的准确性，模拟了引河的水流运动特性。

3.1 模型的建立

引河的地形数据采用2018年10月分实测数据，该数据包括了引河的水下地形数据和两岸滩地的数据（如图3），将实测数据转换生成 .xyz数据，导入网格生成器中，生成地形文件，如图4。对主槽进行了网格加密处理，主槽采用的最大网格面积为150 m3，其他地区最大网格面积是200 m3，非结构网格划分完成后，对网格进行了平滑处理，设定网格被平滑了100次，网格生成后检查网格，查看是否有区域稀疏或者稠密，并将比较小或者不太合理的网格加以修改。共生成34 773 个网格和17 935 个节点数。

图3 研究区域及断面的布设Fig.3 Layout of study area and section

图4 研究区域主河槽和滩地地形及三维地形图Fig.4 Topography and 3D topographic map of the main channel and beach in the study area

3.2 参数的设置

进口边界条件：如果有实测的流速分布，则根据实测的流速值给定。若没有，则进口边界一般给出流量或者水位过程，给出的值有实测水文资料确定。在本文中，我们将流量作为进口边界，模拟时入口流量采取的是恒定的流量。模型验证采用冷启动，以2018年10月21日实测数据的数据设定为初始水面高度。

出口边界是自然开边界，可设定实测的水文资料（水位-流量关系）确定。如果有实测的流速分布，则可以根据实测值给定。在本文中，我们将实测的水位作为进口边界。出口边界上所有的物理量按照充分发展计算。

根据流体固壁不可穿透的原理，在不考虑渗透的情况下，可以认为陆地边界上法向速度为0；根据水流无滑动原理，水体在陆地边界上的切向速度也为0。

干湿边界：绝对干水深为0.005 m，淹没水深为0.05 m和湿水深为0.1 m。

计算时间：时间步长为30 s，验证时间为2018年10月21日至11月25日共36 d，模拟步数是3 600；模拟时长是4 h，模拟步数为60。

糙率：采用曼宁系数，数值为33 m1/3/s；而其他的参数，比如：风力、冰层、潮汐，波浪等因素均不考虑。

3.3 模型的验证

在使用三维水动力模型研究引河的水流运动特性之前，先利用实测数据对三维水动力模型进行验证。利用2018年10月引河实测时的模拟工况用来验证模型，并利用实测流速与模拟流速进行对比。其中，进水口流量和出水口水位分别为1 612.83 m3/s和1 098.76 m。选取了两个典型横断面（即CS4和CS9）的实测速度用于验证模型的准确性，如图5所示。很明显，这些横断面的模拟结果和实测速度较为吻合，计算结果值接近，表明了建立的三维水动力模型精度可满足要求。

图5 模拟速度和实测速度的对比图Fig.5 Comparison of simulated velocity and measured velocity

3.4 模型工况的设定

当流量超过1 200 m3/s，引河入口处右岸的回流区消失［18］，因此我们选取了1 200 m3/s 作为中流量的水文条件分析主槽和滩地的流场结构和形态。此外，选取低流量433 m3/s、洪水期最大流量3 580 m3/s 作为两种极端的水文条件，共3种不同的水文条件进行数值模拟研究。数值模拟参数见表1。

表1 引河内模拟工况的水文条件和水力指标Tab.1 Hydrologic conditions and hydraulic indexes of simulated condition in Diversion River

4 计算结果与分析

4.1 斜槽内平面流场特性

本节分析了不同入口流量下不同地形的平面流场结构，研究流量和地形对人工斜槽裁弯后斜槽流场结构的影响。其中图6为引河内的流场分布。

图6 引河内的平面流场结构图Fig.6 Plane flow structure diagram in Diversion River

通过图6分析可以得出：流量最小的工况R1中，来流仅在引河中前进，引河入口处左右岸也存在着回流区。除入口处，引河的左岸并没有出现回流区，而右岸则出现了2个范围较大的回流区。随着入口流量增大的工况R2，引河的左右岸滩地重新被淹没，被淹没得滩地处的流速较小，同引河中的流速之间存在着明显的流动分离，引河的左右岸并没有出现回流区，右岸仅仅出现了一些微弱的回流区。在流量最大的工况R3，滩地被大面积的淹没，且靠近主槽的滩地流速明显变大。引河中游处的河道向着弯道的趋势发展。引河的左右岸同样没有回流区的出现，而左岸滩地被淹没得面积和宽度略显增大。

4.2 引河内纵向流速分布

为研究弯曲河流被截流后引河发育的趋势，本节对引河内的纵向流速进行分析。如图7所示，对引河内3个典型横断面（CS7、CS9和CS11）的纵向流速沿垂线分布进行了分析。其中，纵轴代表了从表层（第20层）到底层（第1层）的不同水深，横轴代表了每条横断面中从左岸到右岸断面五等分的5条垂线。

图7 引河内断面的纵向流速沿垂线分布Fig.7 Longitudinal velocity distribution along the vertical line in Diversion River

如图7（a）所示，断面CS7各垂线的纵向流速分布符合河道的垂线流速分布特征，呈现出对数型分布，同景何仿［19］的结果一致。其中Z1、Z5两条垂线的纵向流速靠近近岸速度明显小于Z2、Z3、Z4的纵向流速，主要原因是由于断面CS7左右两岸均形成了不同大小的回流区，导致近岸速度变小。在垂线Z1中，近岸速度较小，且越靠近水流表面，流速越来越小；远离近岸的垂线Z2和Z3中，自下而上，流速逐渐增大，垂线Z3中，流速呈现出偏离对数分布的流速值，流速变化趋势较大，表明了在河中心存在着螺旋运动；位于回流区的Z4和Z5垂线，流速较小，而且流速的分布不规则。

引河中游处的断面CS9［图7（b）］两岸未受到人为因素的干扰，而且随着引河发育，左岸逐渐向外岸迁移，引河弯曲率变大。断面CS9的纵向流速分布呈较为规律的对数型分布，远离丁坝群的横断面CS9受到丁坝群的影响很小，可以忽略不计，因此流速分布差异较小。

随着流量的增大，引河下游处的断面CS11［图7（c）］纵向流速变小趋势明显，垂线流速的差异越大，靠近右岸的差异值明显大于左岸。垂线Z1在工况R1中，流速最大值仅为0.20 m/s；而在工况R2中，最大为0.43 m/s；在工况R3中，由于水位的上升，垂线Z1位于滩地附近，流速最大值仅为0.28 m/s。垂线Z2到Z5，越靠近右岸，流速越大，其中工况R3的流速均最大，最大流速为1.28 m/s。

5 结 论

（1）石嘴山河段人工裁弯后，开挖的引河一直处于持续冲刷的状态，并未达到冲於平衡，且引河出现了床面下切和横向展宽的现象。由于引河开挖初期弯曲率较小，加之丁坝群的影响，左岸出现明显的崩岸现象，右岸则出现了淤积现象，且左岸后退的距离较大于右岸淤积的距离。为保证人工斜槽裁弯的成功，防止出现倒灌现象，应在引河的中下游左岸处开展护岸措施。

（2）人工裁弯的实施对新河道的纵向流速分布影响较大，尤其是位于丁坝群末端的横断面。该位置处的近床速度则由于回流区的存在，往往出现了异常的流速分布，存在着不规则的分布规律。然而位于引河中下游处的横断面则影响很小，几乎可以忽略，表现出较为一致的纵向流速分布。

（3）人工裁弯后引河内的水位随着流量的增大逐渐增大，左右岸的滩地被淹没，且左岸淹没的面积大于右岸。在不同流量下，引河的入口处出现了回流区，对丁坝的围堰产生了较大的威胁，严重影响着丁坝群截流效果。因此建议相关部门加固丁坝群及联坝，阻止水流对丁坝群的冲刷作用，以防止出现管涌及溃坝现象。