黄河下游游荡段河势演变及模拟技术

2023-11-17夏军强程亦菲周美蓉王英珍

中国水利 2023年20期

夏军强，程亦菲，周美蓉，王英珍，2

(1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，430072，武汉；2.上海水利管理事务中心，200000，上海)

河势是指某一河段内的滩槽格局与主流走向，一般包括2类整治工程（控导工程、堤防工程）、3条线（主流线、岸线、堤线）和4个滩（边滩、心滩、浅滩、江心洲等成型堆积体）三大部分。河势演变过程不仅与水沙动力过程、河道形态、河床组成等相关，还受控于堤防、控导、险工等整治工程，影响因素众多，机理复杂。定量模拟游荡段河势变化仍是河流动力学领域的一大难题。基于实测资料，结合河床演变学基本原理，定量分析黄河下游游荡段河势变化特点，并提出相应的模拟技术，对河道整治方案制定具有重要意义。

一、近期游荡段河势演变特点

采用黄河下游不同时期的遥感影像、淤积断面地形等实测资料，确定黄河下游游荡段滩岸岸线及深泓线的变化，定量分析近期游荡段的河势演变特点。

1.滩岸变形特点

黄河下游游荡段主槽宽浅，河岸抗冲性相对较弱。小浪底水库运用后，游荡段河床持续冲深的同时，两侧滩岸大范围崩退。滩岸变形程度可由两岸崩退或淤长的土体体积定量表征。首先，基于Landsat影像提取历年汛后某一较高但尚未漫滩水位下的水边线，并导入Google Earth平台将水边线修正为岸线。通过岸线套绘，计算出游荡段滩岸崩退或淤长的变形面积；随后根据游荡段内淤积断面的地形资料，以断面处滩唇与枯水位之间的垂向距离作为滩岸高度，并对所有断面取算术平均，近似估计出游荡段的平均滩岸高度；最后，将滩岸变形面积与平均滩岸高度相乘，得到游荡段滩岸变形的体积（图1）。

图1 滩岸变形示意

在时间上，游荡段滩岸变形过程可分为3 个阶段（图2a）：小浪底水库运行初期（1999—2006 年），下泄的低含沙水流塑造主槽的能力很强，滩岸崩退剧烈，累计崩退1.8 亿m3，年均崩退量为0.24 亿m3/a。2006—2014 年，游荡段河床逐渐粗化，抗冲能力增强，滩岸崩退程度有所减弱，累计崩退1.1 亿m3，年均崩退量为0.14 亿m3/a。2016 —2020 年，黄河下游来水来沙量增大，大流量洪水过程使得游荡段滩岸崩退程度再次增加，累计崩退3.7 亿m3，年均崩退量为0.93亿m3/a。

图2 游荡段滩岸崩退体积及其对河床冲淤量的贡献

在沿程上，游荡中段（花园口—夹河滩）滩岸变形最为剧烈，1999—2020 年累计崩退2.6 亿m3，占游荡段滩岸总变形量的41%；游荡下段（夹河滩—高村）较为稳定，滩岸累计崩退仅1.4 亿m3，占总量的21%；游荡上段（铁谢—花园口）滩岸变形程度居中，累计崩退2.5亿m3，占总量的38%。其中铁谢至伊洛河口河段内滩岸变形较小，主槽平均展宽仅363 m；伊洛河口至花园口河段由于受到伊洛河和沁河汇入的影响，且整治工程脱流问题突出，变形程度相对较大，个别断面崩退宽度超过1000 m。

滩岸崩退在游荡段河床冲淤中具有较为重要的贡献。小浪底水库运用后（1999—2020年），游荡段平滩河宽增加426 m，平滩水深增加2.1 m。该河段河床的累计冲刷量为13.9×108m3，其中滩岸崩退量为6.6×108m3，床面冲刷量为7.3×108m3，因此滩岸崩退量占河床冲刷量的47%（图2b）。

2.深泓摆动特点

黄河下游游荡段主流摆动频繁，导致深泓摆动幅度大且速率快，河势变化剧烈（图3a）。通过对比固定断面相邻两年的汛后地形数据，可提取出各断面深泓点的摆动方向和宽度；进一步结合基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均方法，计算出游荡段平均深泓摆动宽度。

图3 游荡段深泓摆动方向及宽度的年际变化

从时间变化来看，小浪底水库运用改变了下游游荡段的深泓摆动规律，河段平均深泓摆动宽度减小，河势稳定性提高。在摆动方向上，水库运用后黄河下游游荡段深泓摆动具有往复性，无连续左摆或右摆的趋势（图3b）。1999—2020年游荡段各断面深泓左摆和右摆频率基本相当，深泓摆动的往复性体现了冲积河流自动调整的特点。在摆动宽度上（图3c），游荡段的平均深泓摆动宽度由建库前的226 m/a 减小到124 m/a，河段游荡程度降低。其中2000年水沙条件突变，游荡段深泓摆动宽度最大，为232 m，此后摆动宽度在55～196 m波动。

从空间变化来看，游荡段深泓摆动程度具有中间大、两端小的沿程变化特点。小浪底水库运用后，3个子河段深泓摆动宽度发生不同程度的减小。游荡中段年均摆动宽度最大（191 m/a），相比于水库运行前减小了52%；游荡上段次之，年均摆动宽度为113 m/a，较建库前减小46%；游荡下段年均摆动宽度降低到100 m/a，减小了35%。

二、游荡段河势演变的影响因素

影响河势变化的因素有很多，此处主要分析来水来沙条件、河床边界条件、河道整治工程对黄河下游游荡段河势演变的影响。

1.来水来沙条件的影响

在黄河等多沙河流，常用来沙系数（ξ）和前期水流冲刷强度（Fn）表征来水来沙条件。为研究来水来沙条件对滩岸变形、深泓摆动等河势变化过程的影响，建立了游荡段滩岸变形量及深泓摆动强度与来水来沙条件之间的定量关系：

式中，V为滩岸累计变形量（108m3）；MT为深泓摆动强度；来沙系数分别为汛期平均含沙量与流量；前期水流冲刷强度。结果表明，游荡段累计滩岸净变形体积与来沙系数的决定系数为0.91，说明游荡段滩岸变形影响因素众多，但水沙条件是影响滩岸变形的主控因素。游荡段深泓摆动强度与前4 年平均水流冲刷强度的相关系数为0.55，说明水沙条件对深泓摆动的影响也较大。

2.河床边界条件的影响

不同河段的河床边界条件造成了游荡段河势演变的沿程差异，尤其是在深泓摆动方面。游荡上段两岸分布着黄土低崖和邙山，同时主槽两侧设有控导工程，对水流控制作用较强，且该河段河床组成为卵石夹沙，床沙组成较粗，因此水流冲刷下河槽摆动受到限制，整体河势变化程度较小。游荡中段堤距较宽，两岸分布有老滩，滩岸多为沙质土壤，在水流冲刷下容易坍塌。河道两岸控导工程脱溜或半脱溜问题严重，对水流控制作用较弱，因此河势多变，滩岸极不稳定，深泓摆动强度较大。

此外，滩槽高差能直接反映主槽的宽浅程度，其大小同样影响河势稳定。分析发现，游荡段沿程摆动较小的断面通常具有滩槽高差较大的形态特点。滩槽高差越小，断面形态越宽浅，主槽与深泓摆动程度越大，河势越不稳定。呈现这种演变趋势的主要原因可以总结为：①滩槽高差越小，则滩岸土体中黏粒的含量也越少，抵抗水流冲刷和剪切破坏的能力越弱，河床越不稳定；②滩岸变形直接造成主槽摆动，滩槽高差越小，滩岸崩退后堆积在坡脚处的土体体积也越小，对近岸水流横向冲刷作用的抑制效果越差，水流带走这部分土体所需的时间越短，短期内继续冲刷滩岸，河床横向摆动进一步增大。

3.河道整治工程的影响

河道整治工程的修建，一方面增大了滩岸的抗冲能力，另一方面具有调整水流结构、归顺水流走向的功能，因此对河势的稳定具有正向作用。小浪底水库运用后，游荡段内工程总长度及守护长度均呈上升趋势，河势受整治工程的控制作用增强，是深泓摆幅及滩岸崩退强度显著降低的原因之一。游荡段整治工程对河道的守护长度（即工程靠河长度）由1999年的76 km逐渐增加至2020年的137 km，呈现出逐年增加的趋势，说明工程对于河道的归顺作用逐渐加强。目前游荡段整治工程总长度为215 km，1999年有效工程守护长度占工程总长度的比例为35%，至2020 年这一比例增长至64%，说明游荡段有一半以上的工程可以很好地发挥控导河势功能。

三、游荡段滩岸变形模拟技术

滩岸变形在河势演变过程中起着至关重要的作用，通过数值模拟等手段反演甚至预测滩岸变形过程，不仅有利于加深对游荡段河床演变规律的认识，还可为黄河下游防洪安全保障提供技术参数。

1.一维水沙演进与河床纵横向变形耦合模型

以Osman 和Thorne 的河岸稳定性分析方法为基础，同时考虑侧向水压力、基质吸力及孔隙水压力的作用，结合坡脚冲刷及床面冲淤计算模块，建立了滩岸崩退概化模型。以黄河下游游荡段樊庄断面左岸及夹河滩断面右岸为例，计算了这些滩岸的崩退过程。随后将滩岸崩退计算模块与一维水沙数学模型结合，同时加入滩岸淤长计算模块，建立了一维河道水沙演进与河床纵横向变形（包括床面冲淤及滩岸变形）耦合模型，用不同年份的实测资料对模型进行率定和验证（图4）。首先，通过一维水沙计算模块，计算出游荡段各断面水沙过程及床面冲淤厚度；随后，根据滩岸坡脚土体起动切应力与近岸水流切应力的大小判断出滩岸是发生冲刷还是淤积。若为冲刷，则通过岸坡稳定性分析来判断是否发生崩塌；若为淤积，则使滩岸坡脚直接发生泥沙落淤。

图4 一维水沙演进与河床纵横向变形耦合模型的计算流程图

以2006年为例（图5），黄河下游游荡段滩岸变形以崩退过程为主，该年汛后计算河段平滩宽度为1043 m，实测值为1050 m，仅相差7 m。滩岸崩退与淤长会对河床冲淤产生重要影响。游荡段的滩岸崩退量与河床冲淤总量处于同一数量级，2006年游荡段滩岸崩退量为0.393×108m3，模型计算得到的累计冲刷量为0.441×108m3，滩岸崩退累计冲刷量占总量的89%，表明游荡段滩岸崩退对于河床冲淤影响较大。

图5 2006年游荡段滩岸变形宽度计算值与实测值对比

2.二维水沙演进与河床纵横向变形耦合模型

一维模型中研究范围多为较长河段，但计算结果通常仅能提供断面平均水沙因子及冲淤厚度等有限信息，无法体现水沙变量在横向上的差异。通过耦合二维水沙动力学模块与断面尺度滩岸崩退模块，另外增加河道整治工程对于河床变形的控制作用，建立了考虑河道整治工程影响的水沙输移、床面冲淤与滩岸变形二维耦合模型，用于模拟重点河段的河势变形过程。

该模型中对各网格节点采用不同节点代码进行标记，从而区分出主槽、滩地、有无河道整治工程区域。在滩岸崩退计算过程中，若遇到布设河道整治工程的区域，则滩岸不会发生崩退。在河床冲淤计算过程中，若遇到布设河道整治工程的区域，则需要分情况进行讨论：若发生淤积，则不受影响；若发生冲刷，则冲刷后的网格节点高程不能小于初始网格节点高程，进而反算水流挟沙力及含沙量，使其同时满足考虑工程影响后的悬沙输移及河床变形情况。采用该模型分别计算2018年与2020年典型游荡段（于店—夹河滩）的水沙输移、床面冲淤以及滩岸变形过程。河道整治工程的修建对于河床冲淤变形具有较为重要的影响，未考虑河道整治工程影响时，滩岸崩退幅度增大。图6给出了2018年游荡段水沙输移与滩岸变形的计算结果，夹河滩断面计算流量与含沙量均方根误差分别为584 m3/s和2.22 kg/m3，左岸滩岸崩退强度较大，计算汛后河段平均平滩河宽为912 m，实测值为981 m，相对误差仅为7%。

图6 2018年典型游荡段(于店—夹河滩)水沙输移及滩岸变形过程计算值与实测值对比

四、基于机器学习的游荡段深泓摆动模拟技术

黄河下游游荡段深泓摆动具有多变、迅速、剧烈等显著特点，且影响因素众多。常规的实测资料分析、数值模拟计算等手段，难以实现深泓摆动的定量预测。而利用大量的实测数据，构建基于机器学习的游荡段河势模拟技术，是实现深泓摆动预测的重要途径。本研究采用的机器学习方法为随机森林模型，具有计算速度快、能处理高维及不平衡数据、减少过拟合等优点。利用随机森林模型正确预测深泓摆动的关键在于寻找合适的特征变量，因此需充分利用游荡段实测断面地形、水沙数据及遥感影像资料。在分析统测断面汛期深泓摆动特点的基础上，从水沙条件、前期深泓摆动情况、河床边界条件3个方面确定影响汛期深泓摆动的主要特征变量，以此构建模拟游荡段汛期深泓摆动宽度及方向的随机森林模型，最后利用训练后的模型对游荡段各断面汛期深泓摆动情况进行预测，具体计算步骤如图7所示。水沙条件通常指河道内特定断面的水流流量、含沙量及两者组合等，包括汛期平均流量、含沙量等。已有研究表明进入黄河下游的水沙条件是影响游荡段主槽或深泓摆动的重要因素。前期深泓摆动情况指的是前期非汛期（上一年汛后至当年汛前）深泓摆动宽度及方向，汛期深泓摆动宽度与前期深泓摆动宽度呈反相关关系，这是因为深泓的摆动方向具有往复性特点；河床边界条件指的是深泓点两侧主槽形态特征、次低点位置、河道整治工程、河弯曲率等因素。

图7 游荡段汛期深泓摆动宽度及方向的机器学习方法

采用1986—2020年黄河下游游荡段断面地形、水沙数据及遥感影像资料，计算上述3类特征变量作为自变量，以游荡段28个断面汛期深泓摆动宽度（正负代表方向）为因变量，构建游荡段汛期深泓摆动的随机森林预测模型。从全断面预测结果来看，游荡段所有断面平均准确率为80%，28个断面摆动幅度预测值与实际值的相关系数为0.78（图8a）。该模型能较好地预测游荡段汛期深泓摆动情况。从典型断面预测结果来看，孤柏嘴、八堡、黑岗口、禅房断面方向预测准确率分别为100%、100%、25%、75%，预测摆动宽度与实际值拟合直线的斜率为0.74，相关系数R2为0.80（图8b）。影响汛期深泓摆动的特征变量中，次低点相对距离对这4个典型断面深泓摆动幅度的影响均较大，深泓点两侧主槽形态特征和前期深泓摆动的影响也较为突出。