对口丁坝双岸整治对黄河下游河道冲淤的影响

田世民,张防修,刘香君,韦诗涛,李东阳

(1.黄河水利科学研究院水利部泥沙重点实验室,河南 郑州 450003; 2.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南 郑州 450008;3.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003; 4.河南黄河勘测设计研究院,河南 郑州 450003)

对口丁坝双岸整治对黄河下游河道冲淤的影响

田世民1,张防修1,刘香君2,韦诗涛3,李东阳4

(1.黄河水利科学研究院水利部泥沙重点实验室,河南 郑州 450003; 2.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南 郑州 450008;3.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003; 4.河南黄河勘测设计研究院,河南 郑州 450003)

选取低含沙水沙系列、枯水多沙水沙系列以及规划设计的未来50 a水沙系列,利用黄河下游一维水沙数学模型,模拟计算了对口丁坝双岸治理方案下黄河下游河道在3种水沙系列条件下的冲淤状况。结果表明,游荡性河段采用对口丁坝方案整治后,输沙能力得到了提高,该河段多输送的泥沙一半以上输送到利津以下,其余部分淤积在高村—利津河段,其中淤积以高村—艾山河段为主,艾山—利津河段的冲淤情况与现状相比变化不大。

对口丁坝;双岸整治;冲淤;黄河下游

黄河下游河道弯曲率在1.07～1.28之间[1],在受到大型水库影响之前的1919—1960年,每年进入黄河下游的泥沙为16亿t,其中4亿t淤积在河道中,12亿t输送入海[2]。20世纪50—80年代,黄河三门峡站的年均输沙量为12.9亿t,最大年输沙量为30.3亿t[3]。据统计,全世界河流每年输送入海的物质为100亿t,其中悬移质泥沙量占62%[4],按照1919—1960年的数据,黄河每年输送入海的悬移质泥沙占世界总量的19.4%。黄河下游采取宽河固堤的整治方略,整治目标是以防洪为主[5],兼顾滩区村庄和耕地保护[1],取得了巨大的成绩。随着黄河干支流水库的修建以及黄土高原水土保持工作的逐步推进,黄河的水沙情势发生了较大改变。1950—1959年潼关站年均径流量和输沙量分别为427.7亿m3和18.26亿t;1980—1999年分别为369.1亿m3和7.8亿t;2000—2009年又进一步减少至210.4亿m3和3.11亿t[6]。

在上述背景下,黄河下游流量小于800 m3/s的小水历时增加,由1949—1960年占全年的43.78%上升到2000—2013年的63.45%[7],有研究者通过对国外河流治理的调研建议在黄河下游游荡性河段进行双岸整治塑造窄深河槽[8-10],并结合水库优化调控塑造高含沙洪水[11-12],认为洪水输沙过程中底沙运动比洪水波传播得慢,由此可以实现黄河下游河道的长距离冲刷,提高河道的输沙能力[13-14]。同时也有研究者认为双岸整治方案虽然能够提高整治河段的输沙能力,但多输送的泥沙会在下段河道发生淤积,即发生“冲河南,淤山东”的现象。针对这一问题,本文利用黄河下游准二维数学模型,采用不同的水沙系列,计算了黄河下游花园口—高村游荡性河段实施双岸整治后黄河下游河道的冲淤状况,分析了各河段的冲淤特性,阐述了双岸整治对山东河段的影响。

1 水沙条件

选择低含沙系列、枯水多沙系列以及小浪底水库采用优化调控方式后的未来50 a水沙系列,分别进行计算。

1.1 低含沙水沙系列

低含沙水沙系列采用2002—2021年花园口站的水沙数据,其中2002—2010年为花园口站实测水沙系列,2011—2021年采用流域规划水沙系列。模型计算初始日为2002年7月1日,终止日为2021年6月30日,共计19个水文年。该系列年均径流量为266亿m3,年均输沙量为2.353亿t,其水沙系列特征见表1,各年水沙量见图1。2002—2010年主要以500～1 000 m3/s的流量级为主,而2011—2021年则主要以小于500 m3/s和1 000～2 000 m3/s的流量级为主。

表1 不同水沙系列特征值

图1 花园口站2002—2020年各年水沙量

1.2 枯水多沙水沙系列

该系列采用1986—1999年花园口站实测水沙系列数据,模型计算初始日为1986年7月1日,终止日为1999年6月30日,共计13个水文年。1986—1999年水沙系列特征见表1,各年水沙量见图2。该系列年均径流量为279.12亿m3,年均输沙量为6.97亿t,以500～1 000 m3/s的流量级为主,大于2 000 m3/s的流量出现的天数很少。

图2 1986—1999年各年水沙量

1.3 未来50 a水沙系列

《黄河流域水资源综合规划》是经专家论证并经国务院批复的《全国水资源综合规划(2010—2030年)》的重要组成部分[15],基于20世纪80年代以来水资源开发利用和下垫面的变化情况,采用一系列方法对天然径流量系列(1956—2000年)进行了一致性处理,得到黄河流域现状下垫面条件下多年平均天然径流量为534.79亿m3(利津断面),四站(龙门站、华县站、河津站、状头站)多年平均天然来水量487.48亿m3,考虑水利水保措施和引水后,预估未来50 a 4站平均实际来水量约为285亿m3。黄河过去天然来沙量长系列均值16亿t,黄河流域综合规划提出2020年水平、2030年水平水利水保措施减沙目标分别为5.0～5.5亿t、6.0～6.5亿t。据此预估未来50 a黄河潼关站输沙量约为9.5～11亿t。

图3 未来50 a设计水沙系列

在此基础上,水沙设计水平年按2020年考虑,水利水保措施减少入黄泥沙按5亿t考虑,用水按25亿m3考虑,以1968—1979年、1987—1999年及1962—1986年系列作为代表系列设计了未来50 a水沙系列,相应4站多年平均径流量为293.05亿m3、输沙量为10.56亿t。经过三门峡水库和小浪底水库调节后,与伊洛河、沁河水沙系列叠加即为进入黄河下游的水沙系列。该系列水沙特征见表1和图3，年均径流量和输沙量分别为300.76亿m3和10.02亿t,平均含沙量为33.32 kg/m3。经小浪底水库优化调控后,泥沙主要集中在汛期,汛期径流量和输沙量分别占全年的48.7%和98.6%,且大部分集中在2 300 m3/s以上的洪水期,输沙量为6.68亿t,占汛期总输沙量的67.6%。

2 地形条件

对于低含沙水沙系列和枯水多沙水沙系列,采用2002年汛后现状地形、游荡性河段花园口—高村河段主槽宽度束窄到800 m和500 m等3种地形条件进行计算,计算河段为花园口—利津。对于规划的未来50 a水沙系列,采用2013年汛前地形,游荡性河段花园口—高村河段主槽宽度束窄到600 m进行计算,计算河段为小浪底—利津。利用对口丁坝束窄主槽的示意图见图4。

图4 主槽束窄概化示意图

3 计算结果

黄河下游一维非恒定流水沙演进数学模型(YRSSHD1D0112)与国内其他河道冲淤计算水动力学模型一样,建立在水流运动控制方程、泥沙连续方程和河床变形方程的基础上。采用Preissmann四点隐差分格式以及MacCormack算法分别对水流运动方程和泥沙连续方程进行离散和求解。该模型吸收了国内外最新建模思路和理论,进行了标准化设计,注重泥沙成果的集成,引入最新的悬移质挟沙级配理论等研究成果。该模型通过对多年调水调沙及历史洪水方案的验证和计算,模型计算参数及泥沙关键技术的处理方法能比较好地适合黄河的实际情况,是通过黄河水利委员会评测并推荐使用的应用级模型。

3.1 低含沙水沙系列

低含沙水沙系列(2002—2021年)在不同主槽宽度方案下黄河下游各河段的冲淤量见表2。从全下游看,随着主槽宽度的束窄,全断面的冲刷量、主槽的冲刷量和滩地的淤积量均有所增加。从各河段来看,进行双岸整治后的花园口—高村河段冲刷量有所增加,主槽宽度800 m和500 m全断面冲刷量分别比原始地形增加了3.8%和5.2%,主槽冲刷量分别增加了3.2%和6.8%;高村—艾山河段冲刷量减少,主槽宽度800 m和500 m全断面冲刷量分别比原始地形减少了27.8%和37.6%,主槽冲刷量减少了6.3%和16.7%;艾山—利津河段冲刷量略有减少,主槽宽度800 m和500 m全断面冲刷量分别比原始地形减少了0.2%和0.27%,主槽冲刷量减少了1.1%和1.9%,相对前两个河段变化不大。

表2 低含沙水沙条件下黄河下游冲淤量 亿t

表3为双岸整治方案下主槽冲淤量与现状地形主槽冲淤量之差,以及高村以下河段多淤积量占高村以上河段多冲刷量的比例,可知高村—艾山河段主槽少冲刷的量占花园口—高村河段主槽多冲刷量的37.14%～48.65%,艾山—利津河段少冲刷的量占花园口—高村河段多冲刷量的5.41%～5.71%,高村以下河段少冲刷的量占高村以上河段多冲刷量的42.85%～54.06%。

表3 双岸整治下各河段主槽少冲(多淤)量及高村以上河段多冲(少淤)量 亿t

3.2 枯水多沙水沙系列

枯水多沙水沙条件下不同主槽宽度方案下黄河下游各河段的冲淤量见表4。从全下游看,随着主槽宽度的束窄,主槽的淤积量呈减小趋势,主槽宽度为500 m时主槽内的淤积量最少,但同时由于主槽宽度的束窄,滩地的淤积量有所增加,主槽宽度越窄,滩地淤积量越大。从各河段来看,花园口—高村河段主槽的淤积量随主槽宽度的束窄而减少,主槽宽度800 m时主槽淤积量比原始地形减少了33.1%,主槽宽度为500 m时该河段还发生了少量冲刷;高村—艾山河段主槽的淤积量有所增加,主槽宽度800 m和500 m时主槽淤积量分别比原始地形增加了23.5%和27.9%;艾山—利津主槽淤积略有增加,但增加量不大。

表5与表3类似,高村—艾山河段主槽少冲刷的量占花园口—高村河段多冲刷量的25.68%～45.71%,艾山—利津河段少冲刷的量占花园口—高村河段多冲刷量的2.86%～17.57%,高村以下河段少冲刷的量占高村以上河段多冲刷量的43.25%～48.57%。

表4 枯水多沙水沙条件下黄河下游冲淤量 亿t

表5 双岸整治下各河段主槽少冲(多淤)量及高村以上河段多冲(少淤)量 亿t

3.3 设计未来50 a水沙系列

在设计的未来50 a水沙系列下,黄河下游现状方案与对口丁坝双岸整治方案下的冲淤特性见表6。从淤积总量上看,现状方案下全下游淤积量为97.23亿t,双岸整治方案下全下游淤积量为92.11亿t,比现状方案少淤积5.12亿t,其中主槽少淤积10.83亿t,滩地多淤积5.71亿t。实施双岸整治的花园口—高村河段较现状地形少淤积8.74亿t(主槽少淤积12.98亿t,滩地多淤积4.24亿t),其余各河段主槽和滩地均较现状方案多淤积。小浪底—花园口河段全断面多淤2.15亿t,高村—艾山河段多淤1.28亿t,艾山—利津河段多淤0.18亿t。

表6 设计未来50 a水沙条件下黄河下游冲淤量 亿t

小浪底—花园口、高村—艾山和艾山—利津河段主槽少冲(多淤)量分别为1.11亿t、0.85亿t和0.19亿t，花园口主槽到高村河段主槽多冲(少淤)量为12.98亿t，全下游多冲(少淤)量为10.84亿t;高村—艾山河段主槽少冲刷的量占花园口—高村河段多冲刷量的6.55%,艾山—利津河段少冲刷的量占花园口—高村河段多冲刷量的1.46%,高村以下河段少冲刷的量占高村以上河段多冲刷量的8.01%。

4 讨 论

以上计算结果均表明,双岸整治方案能够提高整治河段的输沙能力,花园口—高村整治河段表现出多冲(少淤)的特性,高村以下河段表现出少冲(多淤)的特性,但主要集中在高村—艾山河段,对艾山—利津河段影响不大。

双岸整治方案设计的主槽宽度为600 m左右,其主要依据为实测资料点绘的水流流速与河道冲淤曲线,当水流流速达到2 m/s时,河道不会发生淤积。基于此,利用黄河下游的糙率和比降,根据曼宁公式计算当流量大于或等于3 000 m3/s时,水流流速达到2 m/s所需要的主槽宽度。但以上计算采用的水沙条件中,流量大于3 000 m3/s出现的频率较低,显然达不到水流流速为2 m/s的要求,因此,计算结果与双岸整治的提倡者的预想结果不符合,但符合实际情况。此外,虽然根据实测资料得到流速大于2 m/s时河道不发生淤积,即水流的挟沙能力存在多值关系,但这一现象如何通过理论分析并建立相应的数学表达式,有待于下一步深入研究。

5 结 语

从数学模型的计算结果来看,在花园口—高村游荡性河段进行双岸整治后,黄河下游呈现出减淤或多冲的现象,花园口—高村河段输沙能力(尤其是主槽)得到明显提高,说明总体上双岸整治能够在一定程度上提高河道的输沙能力。

除花园口—高村河段外,黄河下游其他河段均表现出多淤(少冲)的现象,其中高村以下河道的多淤(少冲)主要发生在高村—艾山河段,艾山—利津河段的多淤(少冲)现象虽然存在,但不明显,即许多人担心的“冲河南,淤山东”的现象确实存在,但并不显著。

数学模型对河道冲淤特性的模拟基于对泥沙基本运动规律的认识,当前对水流挟沙能力的认识仍待进一步深化,对挟沙力的多值关系需要通过进一步研究转化为严谨的数学表达,以便更加客观地反映泥沙运动规律。.

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ImpactsofcounterpartspurdikesonriverchannelerosionanddepositioninLowerYellowRiver//

TIAN Shimin1, ZHANG Fangxiu1, LIU Xiangjun2, WEI Shitao3, LI Dongyang4

(1.KeyLaboratoryofYellowRiverSediment,MWR,InstituteofHydraulicResearch,YRCC,Zhengzhou450003,China; 2.HenanWaterandPowerEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou450008,China; 3.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,China; 4.HenanYellowRiverReconnaissance,DesignandResearchInstitute,Zhengzhou450003,China)

The governance strategies and regulation measures for the Yellow River have always been discussed for generations. In recent years, some researchers suggested controlling the wandering reach with the counterpart spur dikes in the Lower Yellow River to increase the sediment transport capacity. To study the effects of the counterpart spur dikes, three different kinds of runoff and sediment series were selected. The erosion and deposition situation in the Lower Yellow River was simulated by a 1-D numerical model. The results indicate that the sediment transport capacity of the wandering reach can be increased under the remediation of counterpart spur dikes. More than a half of the extra sediment from the wandering reach is transported to the downstream reach of Lijin station. The rest deposits between Gaocun and Lijin station, especially in the reach from Gaocun to Aishan station. The erosion and deposition situation between Aishan and Lijin station varies little before and after the construction of counterpart spur dikes.

counterpart spur dikes; river regulation on both banks; erosion and deposition; Lower Yellow River

国家自然科学基金重点项目(41330751);水利部公益性行业科研专项(201401002)

田世民(1981—),男,高级工程师,博士,主要从事河流水沙生态综合管理工作。E-mail:tsm1981@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.002

TV85

A

1006-7647(2017)06-0009-05

2017-01-20 编辑：郑孝宇)