黄河口刁口河流路输沙容量研究

2018-05-22陈雄波陈松伟

中国水利 2018年9期

陈雄波，鲁俊，陈松伟

（黄河勘测规划设计有限公司，450003，郑州）

中华人民共和国成立后，黄河口地区生产发展对防洪要求日益迫切，不允许尾闾河道任意自然改道。1953年改甜水沟、宋春荣沟、神仙沟分流入海为神仙沟独流入海；1964年1月由于河道淤积使水位抬高，凌汛期在罗家屋子爆破分洪，水由刁口河流路入海。至1976年汛前，刁口河淤积延伸，流量为6500m3/s时西河口水位达到当时预计的计划改道水位（大沽高程10m），1976年5月在西河口实施了有计划的人工改道，由清水沟流路入海，行河至今。刁口河故道走向示意图见图1。

刁口河故道停用41年，由于河道多年不行大水，受自然因素影响，护滩风化塌落，主槽不断淤积，主河槽萎缩日趋加剧；另外，故道内土地肥沃，油气资源丰富，口门处海洋资源充足，土地使用空间

一、流路输沙容量概念的提出和意义

根据1950年7月—2010年6月大，多年来故道内相继开发建设了化工厂、农场、码头等，开发了耕地、林地，修建了相应的输水建筑物及蓄水工程，人为改变了故道主河槽的自然形态，目前刁口河故道大部分主河槽已经不复存在，水面宽仅20～30m。实测资料统计，利津水文站多年平均来沙量为7.44亿t，而黄河口造陆平衡的来沙量为3亿t，使得河口演变规律为“淤积、延伸、摆动、改道”，流路变迁频繁。由于今后来沙量仍较大，不宜长期使用一条流路。《黄河河口综合治理规划》规定的流路安排是：近期优先使用清水沟流路，该流路使用结束后启用刁口河备用流路，并加强对同时行河等方案的研究；十八户、马新河是远景的备用流路。

图1 刁口河故道走向示意图

对于多泥沙河流的河口，本文提出“流路输沙容量”的概念，用以表征一条流路从开始启用，到最终被自然或者人为废弃期间通过流路的泥沙总量。

输沙容量表示的是在一定来水来沙条件、一定改道控制条件、一定运用方案下流路全寿命使用周期通过的泥沙总量，提出该概念有如下意义：①有利于优选入海流路，确定刁口河、马新河、十八户等能够通过的泥沙量；②有利于比选流路的运用方式，提出刁口河等备用流路在不同运用方式下的过沙量；③确定流路的输沙容量后，可以确定行河年限，分析黄河口生态环境情况，以利于地方经济社会发展和胜利油田开发。

本文以刁口河为对象，研究该流路的输沙容量。

二、流路输沙容量的计算边界条件和方法

1.设计水沙条件

2012年通过水利部审查的《黄河水沙调控体系建设规划》，计算了3个50年系列，时段为2008年7月—2158年6月。采用该规划的3个50年系列，其中后2个50年系列的水沙平均值完全相同。该规划在2008年7月—2017年6月期间水沙条件处在本次初始地形（2017年汛前）年份之前，无需计算，故本次计算水沙代表系列长度为141年。黄河勘测规划设计有限公司一维水沙数学模型计算结果表明，有、无古贤水库时，各方案的行河年限、对下游反馈影响、对经济社会影响等，结论比较一致，均是有古贤水库方案较优。由于古贤水库建设尚未完全确定，出于安全考虑，设计水沙系列均采用无古贤水库计算结果。

经计算，141年的水沙系列能满足清水沟、刁口河各运用方案均达到西河口流量10000m3/s时水位12m（大沽高程，下同）的改道控制标准，在刁口河达到改道控制标准后，计算各方案刁口河通过的泥沙量。

2.河道边界条件

根据《黄河河口综合治理规划》，刁口河重新启用（单一行河）初期，为了使主流归槽，在部分河段会进行开挖和拖淤，未来河道断面规划底宽为500m，开挖边坡为1∶3，挖后主槽过流能力为3000m3/s。

刁口河运行方案设计时，初始地形均采用开挖后的河道边界条件。具体做法是：在S310省道以南，引河以现河道为西边界，向东开挖；S310省道以北，引河开挖时考虑规划主槽与现有河道平顺连接的要求，向西开挖，这样主流距离规划大堤较远，利于河道管理，也避免了主槽顶冲河堤的风险。刁口河进口在现罗家屋子引黄闸下游3.6km、北大堤桩号13+500处。

3.入海流路运用方案

入海流路改道标准是西河口流量为10000m3/s时水位不超过12m，本次设定采用清水沟、刁口河两条流路联合运用方案，按改道条件使用清水沟、刁口河，清水沟又分清8汊河、北汊、原河道共3条支汊。2017年汛前西河口流量为10000m3/s时水位为10.37m，距改道标准还有1.63m，还有较大的行河空间，且刁口河再次启用需兴建大量河防工程；刁口河作为分洪通道、同时行河的方案，在2022年7月开始具备可执行条件；为比较也设定在2030年启用刁口河方案。刁口河采用开挖后的地形边界条件，清水沟计算初始条件为2017年汛前地形，为了研究方便，对各方案进行编号，并简短说明，见表1。

4.计算方法

采用黄河勘测规划设计有限公司开发的黄河口一维水流泥沙数学模型，计算各方案的河道冲淤变化。河口泥沙数学模型是以水流、泥沙运动力学和河床演变基本规律为基础建立的一维水动力学模型，基本方程是根据质量守恒定律和动量守恒定律推导出的水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程及河床变形方程。该模型在原有的黄河下游河道泥沙冲淤模型中增加了河口淤积延伸公式：

式中：ΔL为河口淤积延伸长度；ΔWs为同一时段内的河口输沙量；p为海洋输沙能力百分数；B为滨海区容沙宽度；H为滨海区淤沙深度，一般采用水下三角洲概化范围内最大水深；γ′为滨海区淤积物干容重。

表1 清水沟、刁口河联合运用方案

采用该模型后，计算的分河段累积冲淤量、河口淤积延伸和主要控制断面水位变化，均与实测资料验证良好；该模型曾在“黄河入海流路改走北汊时机研究”“黄河河口治理规划”“黄河口泥沙问题研究”等项目中得到了广泛应用，均通过审查，说明该模型计算成果可靠。

以2017年汛前河道地形作为初始边界条件，按照设计的水沙系列和流路运用方案，进行水流泥沙计算，直到西河口达到改道控制条件，计算终止。这时统计通过刁口河的泥沙总量，各方案的最大值即为刁口河流路输沙容量。

三、各方案计算结果及成果合理性分析

2060年以后，清水沟、刁口河两条流路均陆续达到改道控制标准，此时通过刁口河的泥沙量见表2。从表中可以看出，刁口河流路输沙容量为187.3 亿 t。

成果合理性分析：①1964年1月—1976年5月刁口河流路行河年限为12年5个月，行河期间流路延长了33km，年平均来沙量为10.99亿t，行河期间入海总沙量约为132亿t。②《黄河河口综合治理规划》中，刁口河在清水沟之后使用，以西河口以下河长不超过80km为控制条件，距岸25km内为堆沙范围，考虑海域淤积不平整容沙体积乘以0.8的系数，以来沙量的70%淤积在堆沙范围内，算得容沙体积为145亿m3，合166亿t，见图2。本次计算的刁口河输沙容量比①大的原因，主要是改道控制标准提高所致；比②大的原因，主要是方案4行河时间最长，充分利用了海洋输沙能力，输往外海的泥沙量较大；但该输沙容量与《黄河河口综合治理规划》相差不大，说明本次计算结果还是比较合理的。