黄河口尾闾段河道出汊机理中的河床边界条件

杨卓媛，张浮平，徐 驰

（1. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2. 流域水安全保障湖北省重点实验室，湖北 武汉 430010；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）

0 引 言

现代黄河三角洲平原是由上游来水来沙进入黄河口后，通过尾闾段河道出汊摆动、改道和泥沙沉积发展所形成［1］。尾闾段河道出汊为流路发生大规模改道提供了基础条件，因此河道出汊极不利于河口生态保护建设、入海流路维稳及三角洲区域防洪工作［2-5］。因此研究尾闾段河道出汊机理等相关问题有助于制定有效的河道出汊防控措施，从而节约河道治理成本。

以往关于国内外河口尾闾段河道出汊的研究，一部分仅基于河道出汊的历史实测数据对河道出汊过程进行了定性描述［6，7］，还有一部分则是建立数学模型并通过控制变量来分析不同影响因素对河道出汊频率或位置的影响［8-10］。现有研究成果均证实，导致河道出汊发生的主要影响因素通常可以归纳为水沙条件及河床边界条件，河道出汊往往在这两个影响因素的相互作用过程中发生［8，9，11，12］。黄河口尾闾段河道出汊机理研究涉及出汊类型、出汊特征、水沙与边界条件等问题，河道出汊的发生是水沙条件与河床边界条件相互作用的结果［13-16］。

黄尾闾段河道出汊机理中的水沙条件包括径流作用、潮汐作用等方面，文献［21］已进行了相关研究，结果表明洪水条件为影响黄河口尾闾段河道出汊的主要动力因素。故本文主要从宏观角度阐述河床边界条件如何影响尾闾段河道出汊。

1 研究区域概况

自1855 年以来，黄河口尾闾段河道发生大改道10 次、小改道50多次，河口三角洲整体向渤海淤积延伸形成了一个巨大的扇形区域，占据了5 129 km2的陆地面积和227 km 的海岸线［3］。1976 年5 月，黄河口改道清水沟流路，至今再未发生大规模改道［5］。黄河入海口位于莱州湾与渤海湾之间，属于典型的弱潮陆相型河口，潮差沿三角洲海岸分布呈马鞍形，平均潮差1.5 m左右［17-19］。黄河口尾闾段上起利津，下至渤海，河段总长度约为106 km（图1）。按照平面形态差异及河床演变特点，黄河口尾闾段可进一步被划分为三段:弯曲段、过渡段和口门段［4，5］。以河道内水动力特点为依据划分黄河口尾闾段，则可将利津-清4段划分为径流段，将清4-口门段划分为感潮河段［5］。

图1 黄河口尾闾段平面示意图Fig.1 The tail reach of the Yellow River Estuary

2 尾闾段河道出汊机理分析

中国水利水电科学研究院以黄河口为原型进行了物理模型试验，结果表明河口尾闾段河道出汊通常发生于洪水强度较大时段，出汊点则一般位于河道凹岸抗冲性较弱处［21］。此外，根据遥感影像资料发现黄河口尾闾段河道分别于2004 年和2007 年发生了自然出汊［22］，图2 对比了2004 年和2007 年汛期黄河口尾闾段沿程断面最大水深与断面平滩水深（平滩河槽形态参数数据来源于文献［16］，发现断面水深均小于断面平滩水深，说明尾闾段河道出汊并非为水流漫滩导致。综上，可以认为黄河口尾闾段近期河道出汊机理为:汛期洪水强度增大，河岸滩唇受水流冲刷而坍塌，导致发生出汊［图3（a）］。

图2 黄河口尾闾段沿程断面最大水深及平滩水深变化过程Fig.2 Variation process of maximum water depth and flat water depth along the reach of the Yellow River Estuary in the tail reach

图3 黄河口尾闾段河道出汊过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the channel avulsion process of the Yellow River Estuary

目前问题的关键在于如何选取合适的参数或指标量化水沙条件和河床边界条件的变化强度大小，从而确定尾闾段河道出汊的主要影响因素。下面对黄河口物理模型试验所模拟的河道出汊过程的3个阶段进行详细描述［5，20］:

第一阶段，水沙塑槽形成河势较为稳定的单一的、相对顺直的河道［图3（b）］。黄河口尾闾段河道于1976 年改道清水沟流路，初期河床呈多汊散乱状态，河道主槽摆动剧烈。后经过多年水沙塑槽，逐渐形成相对单一顺直的河道。此阶段尾闾段河道形态较为顺直，河槽断面形态窄深，滩地横比降比较利于水流归槽，水流能较快地输送上游来沙入海，总体上河势稳定。即使偶尔出现大洪水事件，较高的水流归槽率和水流能量也能够快速缓和河道过洪压力。

第二阶段，水沙变异导致河床边界条件朝不利于河道过洪的方向调整，水流塑槽能力逐渐减小，河槽形态恶化［图3（c）］。随上游来水来沙条件的变化，河口段河床淤积抬高且河长持续延伸，靠近河口的河床比降随着河道演化相较于尾闾段上游愈加平缓，利津-西河口段河床比降均值基本在5×10-4上下小范围变化，西河口以下河段河床比降均值则由7×10-4左右逐渐演化为在2×10-4～3×10-4之间波动［20］。河槽凸岸侧的枯水河槽淤积明显，深泓向凹岸摆动。恶化的局部河槽形态反过来削弱了水流输沙能力，且黄河口尾闾段河道河岸土层大部分属于质地较为松散且在水流冲刷下易分解的粉质黏土［22］，造成凹岸侧的低滩冲刷发展，因此局部河段弯曲现象加剧。同时，主槽周边的滩地逐渐高于河漫滩，这种滩地横比降在漫滩洪水过程中难以起到水流归槽作用，一定程度上决定了发生河道出汊的河段范围。

第三阶段，尾闾段河道下游回填淤积速率加快，河岸持续凹冲凸淤，主槽容沙能力持续下降，最终一场达到足够量级和历时的洪水事件造成局部河段凹岸滩唇冲塌，从而触发河道出汊［图3（d）］。黄河口实际观测资料显示，当尾闾段某处河槽形态恶化到一定程度时，仅需量级超过1 500 m3/s 的洪水事件便可在该区域触发尾闾段河道出汊。

3 河床边界条件对河道出汊的影响分析

水沙条件与河床边界条件是导致尾闾段河道发生出汊的重要影响因素。本文主要针对尾闾段河道出汊机理中的河床边界条件展开分析。

3.1 平滩河槽特征参数的影响

前苏联国立水文研究所提出用河相系数能够反映河道平面的稳定性，其计算表达式为:

河相系数反映了随河道尺度增大，河流河宽增加速度较水深增加速度更快的一般性规律，因此能够用于反映河流在平面上 的 稳 定 程 度［24］。越 小 表 示 河 道 越 稳 定，反 之 越 不 稳定［23，24］。由于不同断面与清7以下河段的平滩河宽和平滩水深变化规律不完全一致，故计算并点绘了清7 以下河段河相系数（）在1990-2018年的变化过程，如图4所示。

图4 黄河口清7以下河段河相系数的逐年变化过程Fig.4 Year-by-year change process of river facies coefficients in the reaches of the Yellow River Estuary below Q7

从图4 中可以看到，总体上呈逐年减小趋势，说明黄河口清7以下河段的稳定性总体向增强的趋势发展。此外还可以看出，1990-1999年清7以下河段稳定性较差（在11.47～16.21之间波动），系数在该阶段后期增大是因为1992 年和1993 年黄河口下游河道出现了“小水漫滩”，导致1993-1996 年清7 以下河段的不稳定性异常增大，另外1996 年清8 人工出汊以后河长缩短使近海段发生溯源冲刷，故河相系数略有增大后又趋于减小；1999-2009 年该河段极不稳定且变化幅度较大，其中清7 以下河段河相系数在2004 年与2007 年有异常波动（其大小分别为9.55 和8.95），虽相较于1999 年小浪底水库运用前的河相系数有明显减小，但该河段2004 年与2007 年的河相系数大小相较前一年的增幅均超过30%（分别为33.8%和41.6%），这两年发生了尾闾段河道出汊；而其他年份的河相系数相较前一年的变化幅度较小，在1.3%～24.2%之间；2009 年以后黄河口清7 以下河段的河相系数变化幅度较小，该河段基本稳定。

3.2 滩地横比降的影响

图5（a），（b）绘制出了清7 断面和汊2 断面在2002-2008 年的汛前形态调整过程。从图5 中可以看出，2004 年尾闾段河道出汊发生于右岸湾顶处，而2007 年发生于左岸湾顶处，与两断面左右岸滩地横比降的变化规律一致。两断面的滩地形态在发生尾闾段河道出汊前后年份里均表现出了相似特点:滩地横比降逐年增加，形成不利于漫滩水流回归的“倒比降”滩槽［图5（c）］，从而增加了河道的行洪压力。由此可知，滩地“倒比降”现象更为严重的一岸更容易发生河道出汊。

图5 典型断面滩地横比降变化Fig.5 The horizontal gradient change of the beach at a typical section

3.3 深泓摆动强度的影响

深泓点是河道断面主槽中的最深点，沿程断面的深泓点连线即为河道深泓线［25］。通常情况下，深泓点能反映某一特定断面流速最大的位置，而靠近深泓线的河岸冲刷，远离深泓线的河岸淤积。

图6 给出了黄河口清7 以下河段2003-2005 年和2006-2008 年的河道深泓线的变化。从图6 中可以看出，清7 以下河段的河势变化剧烈，越靠近入海口深泓线的摆动幅度越大。由图6（a）可知，2003 年清7 以下河道深泓线整体贴近右岸，2004年发生河道出汊后河道深泓线向河道中心摆动。从图6（b）则可看出，2006 年清7 以下河道深泓线明显贴近左岸，2007 年发生河道出汊后河道深泓线向右岸摆动。可以看出，清7 以下河道深泓线摆动方向基本满足以下规律:深泓线摆动所偏向的一岸更容易发生河道出汊。

图6 清7以下河道深泓线变化Fig6 Changes of Shenhong Lines of Rivers Below Q7

为量化河道深泓摆动幅度，此处引入深泓摆动强度MT作为衡量河道深泓摆动幅度的特征物理量，其计算式为［25］:

采用上述方法统计了清7 以下河段1996-2018 年的深泓摆动强度（图7）:1996-2018 年清7 以下河段深泓摆动强度在0.04～0.16 之间变化。1996 年清8 人工出汊后深泓摆动强度最大，达到0.16，后逐渐减小至0.1 左右。1999 年小浪底水库投入使用后河段深泓摆动强度又逐渐增大，2002-2007 年深泓摆动强度在0.14～0.15 之间变化，而后逐渐减小并保持在0.05～0.07之间，除2011 年河段深泓摆动强度达到0.11。综上可知，深泓摆动强度和方向对河道出汊点位置有明显的影响。当深泓线摆动强度加剧且明显贴近一侧河岸，该河岸更容易发生河道出汊。此外，清7 以下河段深泓线摆动规律与尾闾段河道出汊通常发生于河道凹岸的实际情况基本相符。

图7 清7以下河道深泓摆动强度变化过程Fig.7 Variation process of Shenhong swing intensity i n river channels below Q7

4 结 论

（1）基于实测资料分析揭示了河相系数是决定黄河口尾闾段河道出汊位置的主要影响因素，滩地横比降变化特征和深泓线位置变化决定出汊的摆动方向。

（2）河床横向变形过程中，黄河口清7以下河段的局部断面形态在来水来沙条件的作用下逐渐朝不利于洪水过流的方向发展，出汊年份平滩流量明显减小，河相系数则明显增大且较前一年变化幅度超过30%。

（3）黄河口尾闾段断面滩地横比降增加并形成不利于漫滩水流回归主槽的“倒比降”，其中凹岸侧滩地横比降的“倒比降”现象在出汊年更明显。

（4）黄河口尾闾段河道的深泓线在2003-2008 年间摆动较为频繁，邻近出汊年时深泓摆动强度增加且向凹岸侧摆动。在河床纵向变形过程中，纵剖面凹度未呈现出规律性变化趋势。