黄河口拦门沙疏浚对尾闾河道泄洪排沙影响的研究

摘要：本文研究和探讨了黄河口拦门沙疏浚后，尾闾河道水位、流速和水面比降的变化以及疏浚部位的回淤过程。试验结果表明，河口拦门沙疏浚后，在一定时期和一定范围内，可以使尾闾河道发生溯源冲刷。在施放不同典型年的水沙条件下，尾闾河道可在疏浚点以上21～35km范围内发生溯源冲刷，同流量水位最大下降0.24～0.47m。同时，疏浚河槽始终处于回淤状态，经过一个汛期回淤量可达到70%～80%。

关键词：黄河口 拦门沙 疏浚 泄洪 排沙

　　黄河口地区河床主要处于一个堆积的环境，当河流来沙不能全部输送至深海，则在河口地区发生沉积。从纵剖面上看，一般都存在着突出于上下游河段河底连线之上的成型堆积体，其中淤积部位处于河口段与口外滨海段的交接地区，亦即口门附近，称之为拦门沙。拦门沙形成之后，侵蚀基面抬高，对河口泄水排沙不利，导致水位壅高，泥沙沉积，产生溯源淤积，对尾闾河道具有负面的反馈影响。近年来，随着社会的持续，黄河两岸工农业用水量的持续增长，进入河口的水沙条件发生变异，尾闾河道主槽萎缩严重，防洪压力增大。因此，为减轻黄河下游河道及河口地区的淤积，一些专家提出采取疏浚、拖淤等措施治理河口拦门沙，尽可能保持口门畅通，以利泄洪排沙入海。然而，河口拦门沙演变剧烈，影响因素极为复杂，疏浚效果难于预测。目前黄河口尚未建立实体模型，同时在黄河口拦门沙地区还缺乏挖沙疏浚的实践，尚有很多关键技术问题和理论问题亟待解决。为此，本文采用概化物理模型^[1]对河口拦门沙疏浚效果进行试验研究，为黄河口综合治理提供。

1　试验的基本情况

1.1　模型比尺　模型设计为水平比尺λ_L=1000，垂直比尺λ_H=50，模型下边界设在海底高程达-14m的海域，上边界设在西河口以上1.5km处，模拟尾闾河道及河口长66km(如图1所示)，采用电木粉作为模型沙。由于模型的变率较大，必然造成一定的相似性损失，为尽可能保证模型与天然相似，模型试验按照模型相似率理论进行设计，并通过水位及冲淤量等模型率定试验对有关比尺进行适当的调整，确保主要物理量相似，使试验结果满足研究内容的要求。

　　天然河道的水流一般处于紊流状态，保证水流相似的条件为重力相似和阻力相似，则流速比尺λ_V=λ^1/2_H=7.07，糙率λ_n=λ^1/6_H(λ_H/λ_L)^1/2=0.43。在天然情况下，原型试验段的糙率系数一般在0.009～0.014之间，则要求模型糙率一般在0.0209～0.0325之间。对于动床模型，电木粉的糙率系数在0.02左右，小于设计要求的糙率。但由于概化模型的变率较大，河道的形态阻力和边壁阻力较大，模型的综合糙率基本能够满足设计要求，这一点在验证试验中得到了印证。

　　悬移质运动相似的条件为悬移、起动和冲淤相似。起动相似条件要求起动流速比尺与流速比尺相等，即λV_c=λ_V。沉降相似比尺λ_ω=λ_V(λ_H/λ_L)^0.75=0.75，粒径比尺λ_d=(λ_ωλ_V/λ_γs-γ)^1/2=0.45。为保证模型中河床冲淤与原型相似，含沙量比尺经过多次验证试验调整后，模型试验最终采用λ_s=0.9，即λ_s=λ_s^*=0.9。冲淤时间比尺：λ_t2=λ_Lλ_γ′/λ_Vλ_S=341。

1.2　验证试验　自1996年黄河口汊河流路行河以来，进入黄河口的水沙连年偏枯，只有1996年发生了较为典型的洪水，同时又恰逢汊河流路改道行水当年，尾闾河道发生了较大的冲淤变化。因此，选择1996年汛前实测河道和河口地形作为验证试验的初始地形，1996年6～10月实测水沙资料作为验证试验的水沙条件。表1给出了各级典型流量模型试验水位与天然实测水位，可以看出，误差在0.12m以内，表明模型基本达到了阻力相似；表2给出了分段冲淤量的验证结果，基本上能够满足河床冲淤相似性的要求。

1.3.3　疏浚概况　在拦门沙2.0km长的顶坡段顺水流方向开挖一宽500m、深约2.0m的河槽，同时在拦门沙4km长的倒坡段做相应疏通开挖，使得在拦门沙顶坡段和倒坡段形成一个顺畅的河槽，开挖量相当于原型约为380万m³。

2　试验成果分析

2.1　典型流量的疏浚试验成果分析

2.1.1　疏浚前后的流速变化　在试验中观测到，河口拦门沙疏浚前，进入河口的径流自寻低洼捷径入海，在径流和潮流的作用下形成口门众多的支汊，每股水流虽有一定的河槽，但比较散乱，出汊摆动比较频繁。

　　河口拦门沙疏浚后，在口门地区人为塑造了一个比较明显的河槽，水流归顺。在试验中，量测了不同径流和潮位的组合下，河口拦门沙疏浚前后的流速变化。由图3可见，拦门沙疏浚后与疏浚前相比，由于水流集中入海，疏浚部位的流速都有所增大，疏浚后行水之初流速可以增加10%～20%，但随着疏浚部位的回淤，流速逐渐减小。

2.1.2　疏浚前后尾闾河道水位的变化　疏浚河口拦门沙的主要目的是降低侵蚀基准面，使尾闾河段主槽河床降低，增加主河槽的过水断面，降低水位，提高尾闾河道的泄洪排沙能力。因此，水位的分析包括以下两方面的内容：一是疏浚前后同流量级下水位的升降，反映了同一断面槽蓄能力的变化；二是疏浚前后水面比降的调整，反映了尾闾河段泄洪排沙能力的变化。

　　图4给出了疏浚前后沿程水位的变化情况。由于疏浚部位处于河海的交汇处，受河流动力和海洋动力的双重作用。可以看出，河口拦门沙的疏浚，降低了侵蚀基准面，在疏浚部位以上的尾闾河道产生了溯源冲刷；由于受平均潮位的控制，疏浚区同流量水位落差向海域方向快速减小至零，即达到平均潮位。因此，疏浚前后同流量的水位落差沿程分布呈V字形。由图可见，拦门沙疏浚后，尾闾河道溯源冲刷的大小和范围与黄河的水沙条件和潮位密切相关。在造床流量范围内，随着流量的增大，溯源冲刷范围增大；相同流量下，潮位增高，溯源冲刷的大小和范围有所减小。

2.1.3　疏浚前后尾闾河道水面比降的变化　疏浚河口拦门沙的目的是降低侵蚀基准面，在尾闾河道的下端形成一定的水位落差，并由此产生自下而上的溯源冲刷，下面就这一物理图景进行分析。

　　对于恒定均匀流，一维水流和泥沙方程可以表述如下。
　　水流连续方程：

　　水流运动方程：
??即

　　泥沙连续方程：

式中：z为河床高程；C为谢才系数；γ′为干容重。

　　由表4可以看出，河口拦门沙疏浚后，在上游溯源冲刷影响的河段内，水面比降变陡。在平均潮位为0.5m的条件下，1000～3000m³/s的水面比降由1.03～1.19增加到1.14～1.29；在平均潮位为1.0m的条件下，1000～3000m³/s的水面比降由1.00～1.17增加到1.06～1.25。当然，随着疏浚河段的回淤和河口淤积延伸，上游河段的水面比降将逐渐减小，直至与水沙条件相适应。

表4　疏浚前后尾闾河道比降变化　单位：

2.1.4　河口拦门沙疏浚后的回淤情况　在试验中，观测了各典型流量级下的河口拦门沙疏浚回淤情况(表5)。拦门沙疏浚后，施放不同典型流量，疏浚段都发生不同程度的回淤。当施放1000m³/s流量25d后，疏浚河槽回淤185万m³，占疏浚量的48.7%；当施放2000m³/s流量13d后，疏浚河槽回淤122万m³，占疏浚量的32.1%；当施放3000m³/s流量8d后，疏浚河槽回淤98万m³，占疏浚量的25.8%。可见，疏浚段的回淤率与来水来沙条件密切相关，当来流为一般的中小水(Q<2000m³/s)时，疏浚河槽回淤较快；当来流为造床流量(Q=3000m³/s)时，由于尾闾河道本身就发生冲刷，则疏浚河槽回淤较慢。

2.2　典型水沙过程的疏浚试验成果分析

2.2.1　疏浚后对尾闾河道泄洪排沙的影响　河口拦门沙疏浚后，降低了局部侵蚀基准面高程，在进入河口的水沙动力作用下，在上游临近的尾闾河道发生了溯源冲刷现象。在试验中观测了疏浚前后不同典型年尾闾河道的水位流量关系，图6给出了典型中水年各断面疏浚前后的水位流量关系。试验结果表明，疏浚河口拦门沙，在一定的时段内，在一定范围的尾闾河道，同流量下的水位均有所下降。各断面的下降幅度不同，而且亦有所差异，这与来水来沙条件和边界条件有关。在造床流量范围内，流量越大溯源冲刷范围越大；离疏浚位置越远，同流量水位下降值越小，直至到达某一断面，疏浚前后同流量下的水位流量关系基本相同。各水沙系列尾闾河道的具体情况如下：(1)在施放典型枯水年的汛期水沙条件下，尾闾河道的21km范围内发生了溯源冲刷，靠近疏浚位置的汊2断面同流量水位下降了0.21～0.24m，丁字路口断面同流量水位下降了0.17～0.20m，到达清4断面后，同流量下的水位与疏浚前基本相同。(2)在施放典型中水年的汛期水沙条件下，尾闾河道的32km范围内发生了溯源冲刷，靠近疏浚位置的汊1断面同流量水位下降了0.31～0.43m，丁字路口断面同流量水位下降了0.23～0.35m，到达十八公里断面后，同流量下的水位与疏浚前基本相同。(3)在施放典型大水年的汛期水沙条件下，尾闾河道的35km范围内发生了溯源冲刷，靠近疏浚位置的汊1断面同流量水位下降了0.39～0.47m，丁字路口断面同流量水位下降了0.35～0.43m，到达清2断面后，同流量下的水位与疏浚前基本相同。

　　(1)黄河口拦门沙疏浚后，在口门地区人为塑造了一个比较明显的河槽，水流归顺，与疏浚前相比，由于水流集中入海，疏浚部位的流速都有所增大，行水之初流速可以增加10%～20%，但随着疏浚部位的回淤，流速逐渐减小。(2)黄河口拦门沙疏浚后，在上游的影响段内，发生了溯源冲刷，水面线呈下凹曲线型式；在疏浚河段及以下，由于受平均潮位的控制，水面比较平缓。(3)疏浚黄河口拦门沙，在一定的时段内，在一定范围的尾闾河道，同流量下的水位均有所下降。试验表明，在施放不同典型年的水沙条件下，尾闾河道可在疏浚点21～35km范围内发生溯源冲刷，同流量水位最大下降0.24～0.47m。(4)在试验的水沙条件下，疏浚段河槽始终处于回淤状态，经过不同典型年一个汛期的水沙过程，疏浚河槽的回淤量可以达到70%～80%。从河口及海域的整体泥沙淤积分布看，仍然保持疏浚前的自然特性，即来沙量越大，淤积范围越大。




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［1］ 曹文洪，胡春宏，等.黄河口拦门沙疏浚效果概化模型试验研究［R］.北京：水利水电研究院，2003.
［2］ Bagnold R A. The Nature of Saltation and Bed Load Transport in Water［J］.Proc. of the Royal Society, Series A, 1973,332:473-504.
［3］ 谢鉴衡，主编.河流泥沙工程学(上册)［M］.北京：水利出版社，1981.
［4］ 曹叔尤.细沙淤积的溯源冲刷实验研究［A］.水利水电科学研究院论文集(第11集)［C］，北京：水利电力出版社，1983.