王开荣, 凡姚申, 韩沙沙, 杜小康

黄河现行清水沟流路汊河运用方案探讨

王开荣1, 2, 凡姚申1, 2, 韩沙沙3, 杜小康1, 2

(1. 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院, 河南 郑州 450003; 2. 水利部 黄河泥沙重点实验室, 河南 郑州 450003; 3. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北 武汉 430072)

对黄河河口现行清水沟流路范围内不同汊河的形成、演化及其特征进行了梳理总结, 围绕汊河不同运用方案的影响效应进行了论证分析。研究表明: 现行清水沟流路范围内的汊河运用方案不适用于多汊河轮流行河模式、同时行河与轮流行河联合模式和同时行河模式, 而采用单一汊河轮流行河模式可以充分发挥海洋输沙动力, 保证河口海域向外海的较大输沙量, 对延长清水沟流路使用年限更有利, 更为科学和经济合理。在现行清8汊河达到改道标准后, 应优先使用老河道汊河, 该方案不仅有利于未来海岸线的均衡发展, 而且更有利于延长清水沟流路的使用年限。

河口; 流路; 汊河; 运用方案; 黄河

作为三角洲系统的重要组成部分, 河口入海流路和汊河是河流向三角洲提供陆源物质补给的直接通道, 组成了三角洲的基本骨架, 其变动过程直接影响着三角洲地貌的冲淤演变, 是三角洲综合治理的关键[1]。长期以来, 黄河口具有输沙量大、淤积快速、改道频繁等显著特点[2-4], 其流路变迁和稳定一直是河口海岸研究的重点和河口综合治理的焦点。

黄河河口入海流路在很多情况下并非完全呈单股行水格局入海, 在某些特殊时期, 往往会出现多条汊河入海的行水格局。最为典型的当属1953年人工并汊形成神仙沟流路之前, 河口尾闾河段所存在着的甜水沟、宋春荣沟、神仙沟三汊河并存的行水格局[5]; 1953年以后, 受尾闾流路自然出汊的影响, 神仙沟流路时期的1960年8月、1963年7月和刁口河流路时期的1972年7月、1972年9月、1974年8月、1974年10月所发生的出汊摆动, 均出现了持续时间不等、长度各异的多条汊河[6-8]。1976年改道清水沟流路以来, 受流路演变以及人类活动干预的影响[9-12], 在流路的不同区域位置亦形成了类型各异、长度不等的多条汊河, 在这些汊河中, 伴随着河口入海流路规划及其治理研究和实践的发展, 有部分规模相对较大的汊河被认为具有运用价值而备受世人关注, 其中主要包括北股汊河、北汊河(含北汊1和北汊2)、1996年前行水的老河道(以下简称“老河道汊河”)和现行的清8汊河流路等4条汊河。目前, 这些汊河的存在既为黄河三角洲地区局部区域实施水沙调控及生态系统的改善与维系提供了行水空间, 同时也带来了事关今后河口综合治理进程的核心和关键问题, 即: 如何制订更为科学、合理的汊河运用方案, 既能确实保障河口地区的防洪防凌安全, 又能充分和科学利用这些汊河尽量延长流路的使用年限, 从而满足河口三角洲地区社会经济持续稳定发展的需求。本文即围绕这一问题开展如下分析。

1 汊河的形成、演化及其特征

目前, 清水沟流路范围内的汊河分布情况见图1。图1显示: 现有4条汊河, 由北至南依次为北股汊河、北汊河、现行清8汊河、老河道汊河, 4条汊河均位于入海流路的左岸, 各汊河的形成演化过程及其现状特征如下所述。

1.1 北股汊河

北股汊河的形成与清水沟流路改道初期的河势变化密切相关。清水沟流路改道初期的1976年5月至1979年5月, 入海河道漫流入海, 河无成形, 其河道主流在清3以上顺南防洪堤流向东偏北方向, 清4断面以下河道在流路的北半部, 即现在的孤东油田一带变动。1979年汛期大洪水期间, 清4断面以下河道向南摆动, 河口口门也随之向南迁移至甜水沟故道大汶流堡正东5 km处, 迁移距离达23 km。此后, 下段河道的南半部基本稳定下来, 变动河段仅限于河口口门附近, 见图2。也正是基于清水沟流路初期这一河势演变的突变过程, 北股汊河被纳入1989年的《黄河入海流路规划报告》[13], 1992年10月, 国家计委批复同意该规划报告。

图1 清水沟流路范围内汊河分布情况示意图

图2 清水沟流路尾闾河段河势变化图

1.2 北汊河

1986年6月, 东营滨海油田为了分流分沙淤积孤东油田以东海域, 减轻海潮对孤东围堤的威胁,在清7断面左岸以下500 m处开挖了北汊河, 方向与行河河道夹角约90°, 共长5 km, 当年汛期尚未运用; 其后分别经历了1986年12月—1987年10月、1987年12月—1988年6月两次分水过程, 至1988年6月被截堵至今, 从而形成了目前平均河宽约110 m、长度约8 km的北汊河。在1989年所编写的《黄河入海流路规划报告》中, 北汊河又被分为了两股汊河, 即北汊1和北汊2, 参见图1。

1.3 现行清8汊河

清8汊河是现行行水汊河, 其形成源于1996年汛前在河口尾闾河段清8断面以上1 050 m处实施的人工出汊工程, 其目的是利用黄河泥沙淤滩造陆, 变海上石油开采为陆上开采[10-11]。该汊河于1996年7月中旬正式过流, 截至2018年12月, 已累计行河逾22年, 期间累计来水3 402亿m3、累计来沙33.78亿t, 在不考虑其它范围内海岸线蚀退的情况下, 共计造陆约92.15 km2, 西河口(二)站以下河长也由汊河初期的49 km延伸至目前的59 km左右。

1.4 老河道汊河

老河道汊河是清水沟流路1976年5月—1996年5月运用后的遗留河道。在其20年运用期间, 累计来水5 065亿m3、来沙128.26亿t, 共计造陆399.82 km2; 同期西河口(二)站3 000 m3/s水位由8.22 m(大沽高程)上升至9.75 m, 其西河口以下河长亦由改道初期的27 km延伸至65.2 km。该汊河在1996年5月停止行河后, 因无泥沙供给, 其海岸发生大面积冲刷蚀退, 至2019年3月总蚀退面积达到了92.85 km2, 致使西河口(二)站以下河长缩短约为57 km。

1.5 不同汊河的特征比较

根据北汊河、清8汊河、老河道汊河所处的位置和滨海区情况, 可大体预测其未来的行河发展区域。其中, 以西河口(二)站为圆心的圆弧半径(=75 km), 系根据河长阈值的相关计算结果(≈89 km)并考虑其尾闾平均弯曲程度得出; 不同汊河海域淤积宽度则依据实践经验和有关规划成果予以划定[13], 见图3。依据图3所示的行河区域, 可大体得出现状条件下不同汊河的平面形态和容沙能力特征, 见表1。

图3 清水沟流路不同汊河行河区域范围示意图

由表1不难看出, 现状条件下, 北汊河的流程最短, 但其尾闾的弯曲程度最大; 清8汊河尽管流程最长, 但其弯曲程度却是最小的; 至于老河道汊河, 目前的流程与清8汊河相差无几, 但尾闾弯曲程度大于清8汊河。就海域状况而言, 北汊河河口海域平均潮差和最大潮流速都是最小的, 而老河道汊河河口海域平均潮差最大, 清8汊河河口海域最大潮流最大; 从海域淤积宽度和容沙体积来看, 老河道汊河也具有较大优势, 容沙体积是北汊河的约1.6倍。

表1 三汊河现状主要特征比较表(2018年基准)

2 汊河运用方案分析

2.1 行河模式选择

21世纪80年代中期以来, 围绕黄河口各流路和汊河的运用时机和运用方案问题, 相关学者们进行过多方探讨和总结, 新近的研究如王崇浩[14]从单一流路出发, 研究了清水沟流路清水沟流路冲淤发展与使用年限预测; 王开荣等[15]从河口三角洲地区经济发展环境、防洪防凌安全、生态环境等三个方面论述了不同入海流路运用模式的影响效应; 王春华等[16]认为根据黄河来水来沙情况, 远期可考虑采用清水沟、刁口河流路轮换行河方式; 陈雄波等从宏观角度介绍了稳定百年的黄河河口入海流路运用方式研究的主要内容[17], 提出了同时使用清水沟、刁口河、十八户流路的“一水三流”行河方式[18]; 徐丛亮等认为黄河口多级流路三角洲的演变模式对今后流路精准安排并保持顶点以上长期稳定具有重要意义[19]。以上研究是从流路角度出发探讨黄河口河道稳定方式的, 而对于同一流路内不同汊河运用方案的研究却很少有涉及, 即使有少量研究(见表2)[13, 20-23], 也仅局限于各汊河的轮流行河模式, 对汊河的其他行河模式及其优劣对比情况几乎没有涉及。

在现状条件下, 清水沟流路汊河运用模式、运用方案的拟定需考虑如下四个方面的因素:

第一, 在北股汊河范围内, 因有一定规模的人口、工农业基础设施存在以及相对完善的交通设施, 故不作行河安排。

第二, 在现行清8汊河未达到西河口(二)站10 000 m3/s水位12 m改道标准(以下简称改道标准)时, 不作改走其他汊河的实施安排。这主要是基于如果强行即时改走北汊, 除了巨大的改汊工程经济投入(包括北汊河的清淤改造并使其达到行洪标准费用)以外, 其清7断面以下的相关护岸工程、测验基础设施等都将被废弃, 从而造成不必要的浪费; 同时, 即时实施改走北汊对于黄河河口的水行政管理、当地的水资源利用、水生态环境、渔业生产、旅游格局乃至湿地自然保护区的保护规划安排, 也均会产生不同程度的干扰。

第三, 其他汊河的改汊时机均选择前期行水汊河达到12 m改道标准时进行, 以避免过多改汊过程对河口正常治理进程的干扰。

第四, 因生态调水、补水或者遭遇大洪水而临时实施的对其他备用流路以及清水沟流路自身范围内其他汊河的分水、分洪安排不属于汊河运用方案的范畴。

考虑上述因素重新梳理后的可供选择的清水沟流路汊河运用方案如表3所示, 由表可见, 其清水沟流路的汊河运用可以有2种行水格局, 4种行河模式, 7种运用方案。

在上表所示的7个汊河运用方案中, 包括独流入海行水格局下的第③、④方案和多流入海行水格局下第⑤、⑥、⑦方案, 均不可避免地存在如下四个问题:

表2 清水沟流路汊河运用次序及使用年限成果表

注: 表中(12 m)和(65 km)分别代表改汊时机的选择标准, 其中, (12 m)是指西河口(二)站10 000m3/s水位达到12 m, (65 km)则指西河口(二)站以下河长达到65 km

表3 清水沟流路的汊河运用方案

注: “→”代表前后行河次序; “ó”代表轮流行河; “+”代表同时行河。

(1) 在现状条件下, 这7种运用方案均需修建必要的水沙调控枢纽, 并配套建设包括防洪工程体系在内的河流综合治理工程体系, 投资巨大, 经济合理性值得商榷。

(2) 在单一汊河尚未达到达到12 m改道标准时就实施轮流行河或多汊河同时行水, 需增加相应的涉河整治建筑物、监测设施, 其河流水行政管理任务的强度、复杂程度将成倍增加, 管理成本也将大幅度增加。

(3) 在黄河河口尾闾河段, “分流必淤”是一种大概率事件[24]。如1953年人工并汊形成神仙沟流路之前, 河口的尾闾河段是三汊河(甜水沟、宋春荣沟、神仙沟)并存的行水格局, 这种行水格局极易导致当地河床淤积的持续加重, 并对上游一定范围的河段产生壅水影响; 另外, 1988年6月在黄河河口实施的“截支强干”包括被迫实施的北汊河截堵等工程, 也从另一个角度充分反映了这种“分流行河”模式的负面效应。

(4) 在多汊河同时行河的情况下, 各汊河的分水(分流)比例其运用时机的选择将极其复杂, 与之相应的入海泥沙的输运趋势以及所形成的海岸线形态会有所不同, 且难以控制和实现各汊河河长变化的均衡发展, 此也会给海域容沙体积的准确评估计算乃至流路稳定状态的科学评判带来诸多困扰。

基于上述原因, 故不推荐第③—⑦方案, 而推荐独流入海行水格局下的单一汊河轮流行河模式, 即方案①与方案②。

2.2 汊河运用方案比选

从表面形态上看, 方案①与方案②的区别在于北汊河、老河道汊河这两条汊河的前后行河顺序; 在清8汊河达到河长阈值后, 若预测清水沟流路具有如图4所示的海岸线形态, 那么, 两方案的区别则落脚于行河初始地形的不同、以及对应滨海区域海洋动力条件的差异。图4中所标注的尺寸是根据冲积扇发育过程中的临界理论所得出的[25], 其中,为冲积扇的纵轴(即平行于河道的最大长度),为横轴(即垂直于河道的最大长度), 研究表明: 无论三角洲发育迟早, 只要它的形态指标/值达1.2左右时, 河道便会发生决口改道(突变)。由图4可知: 若以汊3断面为基准, 在顺行河方向达到河长阈值时, 其平行于河道的最大长度值约为35 km, 据此可通过临界指标/≈1.2反推得出垂直于河道的最大长度值约为30 km, 假定该值出现于清8汊河冲积扇(沙嘴)的根部, 则其冲积扇的根部外边缘可延伸至孤东围堤的中部区域, 很显然, 在清8汊河达到其行河极限状态时, 将占用北汊河的部分行河区域。

图4 清8汊河冲积扇(沙嘴)极限状态预测示意图

方案①与方案②运用初始条件的不同, 将直接导致清水沟流路岸线发育形态的不同和海洋动力输沙效果的差异, 主要体现在: (1)若实施第①方案, 那么在今后相当长时期内, 清水沟流路岸线的淤长范围将主要集中于清水沟范围内的北部海域, 而南部海域则持续处于侵蚀后退状态, 从而导致海岸线的不均衡发展, 此对于减缓河口岸线延伸速率乃至海岸滩涂的可持续开发利用总体布局, 均会造成不利影响; (2)若实施第①方案, 那么在北汊河改道初期, 由于清8汊河所遗留的凸出明显的冲积扇(沙嘴)存在, 会与孤东围堤形成一个相对狭小和封闭的堆沙区域, 海洋动力被严重削弱, 对泥沙的外输极为不利, 会造成流路河长的快速淤长。反之, 若实施第②方案, 则既可以避免老河道汊河海域海洋动力输沙作用的闲置, 又能避免后续北汊河行河初期时的大幅度淤积造陆, 且更有利于利用海洋动力加大泥沙输往外海的比例, 分析如下。

按照各汊河行水状态的不同, 方案①与方案②的运用过程均可划分为3个不同的阶段(见表4), 其中, 第Ⅰ阶段方案①和方案②均处于清8汊河行河时期, 两者演变过程相同; 只有在进入第Ⅱ阶段后, 两者的演变过程才会有所差异, 鉴于此, 本文仅就方案①和方案②两者第Ⅱ阶段的输沙效果进行对比分析, 拟定方案①和方案②各汊河的演变状态及相关参数见表5。

表4 汊河运用阶段划分表

表5 清水沟流路不同汊河运用方案第Ⅱ阶段泥沙外输效率比较表

注: 泥沙来源未考虑海相来沙。

由表5可得到在方案①与方案②情形下, 整个清水沟海域泥沙输往外海的数量计算式, 即:

1=1111+1212+1313,(1)

2=2121+2222+2323。(2)

利用上式对方案①与方案②第Ⅱ阶段泥沙输往外海的量进行对比分析。为统一比较标准, 假定其第Ⅱ阶段的运行周期相同, 且径流携带的泥沙数量一致, 即11=23。在方案①情形下, 老河道汊河海岸线因受长期冲刷影响, 海床质粒径粗化现象突出, 泥沙难以悬浮输移, 故可以认为13≈0; 而在方案②情形下, 因有相对凸出的清8汊河沙嘴对北汊河滨海区域的屏障作用, 故发生幅度较大的海岸侵蚀的可能性相对较小, 且清8汊河沙嘴冲蚀下来的泥沙也有可能受沿岸流作用而输送至北汊河的近岸区域, 因此,21≈0亦可成立。据此, 可建立如下近似比较式:

Δ =2–1≈ (22∙22–12∙12) +(23–11), (3)

式中, Δ代表方案①与方案②初始阶段输往外海的泥沙数量之差,12、12和22、22分别代表方案①北汊河行河时和方案②老汊河行河时清8遗留沙嘴岸线侵蚀与波浪掀沙悬浮所产生的泥沙数量, 由于北汊河和清8汊河之间相对比较接近, 在北汊河行河时, 受北汊河入海泥沙扩散及海域地形的共同影响, 在其海洋动力相对衡定的情况下, 清8汊河的冲刷蚀退及其输往外海泥沙的比例将受到一定程度的抑制, 可有:

12<22&12<22,(4)

2222–1212>0.(5)

式中,23、11分别代表方案②老河道汊河行河期间和方案①北汊河行河期间径流所携带泥沙输往外海的比例, 显然, 在老河道汊河行河期间, 其对应的海域相对广阔, 且入海泥沙的扩散受清8遗留沙嘴的影响较弱, 因此:

23>11,(6)

Δ =2–1>0.(7)

由此说明: 相对于方案①, 方案②更有利于充分发挥海洋动力的输沙作用, 保证河口海域向外海的较大输沙量, 对延长清水沟流路使用年限更为有利。

3 结论及建议

研究表明: 现行清水沟流路范围内的汊河运用方案不适用于多汊河轮流行河模式、同时行河与轮流行河联合模式和同时行河模式, 而采用单一汊河轮流行河模式则更为科学和经济合理。但这并不意味着否认在生态调水、补水或者遭遇大洪水等特殊情形和特定条件下, 而适时开展的对其它汊河、备用流路的相对短时的补水、分水、分洪行为。

在整个清水沟流路系统达到改道标准时, 其海域总容沙体积的大小是一个相对确定的数值, 其包含了清8汊河、北汊河、原河道3条汊河所涉及的所有容沙范围, 因此3条汊河的不同行河次序并不能改变总容沙体积的大小, 但其泥沙输外海泥沙效率则有所差异。在现行清8汊河达到改道标准后, 应优先使用老河道汊河, 此不仅有利于未来海岸线的均衡发展, 而且更有利于延长清水沟流路的使用年限。当然, 这一结论是从宏观和近似的角度得出的, 更为准确的结论尚需在科学拟定未来入海水沙系列的基础上, 利用完善的河口水动力学数学模型进行进一步验证计算。

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Discussion on the operation scheme of the current Qingshuigou channel of the Yellow River

WANG Kai-rong1, 2, FAN Yao-shen1, 2, HAN Sha-sha3, DU Xiao-kang1, 2

(1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, China; 2. Key Laboratory of Yellow River sediment, Ministry of water resources, Zhengzhou 450003, China; 3. State Key Laboratory of water resources and hydropower engineering science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

This paper summarizes the formation, evolution, and characteristics of different branching rivers in the current Qingshuigou channel in the Yellow River estuary; further, it demonstrates and analyzes the effect of different branch river operation schemes. The results show that neither the multi-river-running-in-turn mode, the parallel-running mode, or the combined mode is suitable for the Qingshuigou channel, while the single-river- running-in-turn mode is the most scientific, economical, and reasonable one. This mode can make full use of marine sediment transport energy, ensure a large amount of sediment transport from the estuary to the open sea, and is more beneficial to extend the life of the Qingshuigou channel. After the current Qing8 branch reaches the diversion criteria, the Old Branch river should be used first, which not only favors the balanced development of the future coastline but also extends the life span of the Qingshuigou channel.

river estuaries; river channels; branching river; operation scheme; Yellow River

Dec. 24, 2019

TV148

A

1000-3096(2020)10-0091-10

10.11759/hykx20191224001

2019-12-24;

2020-03-21

国家重点研发计划项目(2017YFC0405502); 国家自然科学基金项目(51779183)

[National Key Research and Development Program of China, No. 2017YFC0405502; National Natural Science Foundation of China, No. 51779183]

王开荣(1963-), 男, 山东泰安人, 高级工程师(教授级), 主要从事河流动力学及河口海岸治理方面的研究, E-mail: kairongw@163.com

(本文编辑: 康亦兼)