黄河河口人工出汊时机和北汊河启用分析

2020-11-06于守兵王万战

人民黄河 2020年10期

于守兵王万战

摘要：根据刁口河流路末期自然出汊点不断上提的演变特征以及清8汊河人工出汊的实践，提出黄河河口人工出汊宜在自然出汊点抵达高潮线附近时，并充分利用海域容沙能力、结合重大生产需求进行实施。现行清水沟流路在2004年和2007年出现两次较大规模自然出汊。出汊点上提2.5 km并接近高潮线，口门摆动距离达到7.2 km，表明清8汊河流路已处于“重新出汊”的行河末期。清水沟流路达到改道标准时，沙嘴延伸过长，将继续侵占孤东海域容沙空间。另外，孤东海堤附近海域自清8改汊以来水深最大增加了5 m，在波浪作用下仍将继续冲深。建议近期开展启用北汊河研究，实现缩短河长、充分利用孤东海域容沙能力、减缓孤东海堤侵蚀、支援油田开采等目的。

关键词：河口;人工出汊;清水沟;刁口河;北汊河;黄河

中图分类号：TV147;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.008

Timing of Artificial Avulsion of the Yellow River Estuary and Start Using the Beichahe Course

YU Shoubing， WANG Wanzhan

（Yellow River Institute of Hydraulic Research， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：Artificial avulsion of the Yellow River estuary should be carried out when natural avulsion location had been moved gradually upstream to the high tide line， for better use of sediment storing capacity of the ambient waters and for meeting major social and economic demands. Two large-scale natural avulsions occurred in 2004 and 2007 in the Qing8 Course，with the avulsion locations moving upstream 2.5 km， reaching the high tide line and shifting lower course by as long as 7.2 km， which indicatd the current course had evolved to the last stage. The current course would severely reduce the sediment-storing capacity of the ambient sea area at Gudong sea dike when the avulsion standard was met if the course was kept running the way as it does now. The water depth at the Gudong sea dike had been increased to as deep as 5 m and would continue due to waves and current. It is supposed that an investigation about early man-made changing to Beichahe Course should be done in the years to come to shorten the river length， make full use of sea dynamics and sediment storing capacity， slow down the erosion near the Gudong sea dike and support local oil exploitation.

Key words： river estuary; artificial avulsion; Qingshuigou Course; Diaokouhe Course; Beichahe Course; Yellow River

1 引言

黃河河口来沙量大和口门海洋动力弱的自然禀赋决定了流路变动是不可避免的。自然状态下黄河河口经常处于“初期漫流—归股并汊—单股无汊—重新出汊—改道”周期性演变过程[1]。流路变动根据其位置和影响范围大体分为改道和出汊两种类型。改道泛指发生在三角洲顶点的

入海流路变迁。1855年黄河流入渤海后的改道点是宁海，后来下移至渔洼，最近三条流路改道点在渔洼以下的西河口。出汊是发生在感潮段的流路变动，可分为自然出汊和人工出汊[2]：前者主要是发生在潮区界内20 km长河道范围内的自然变动，如神仙沟和刁口河行河末期的出汊;后者是在潮区界略靠上位置的人工变动，如清8人工出汊。

实施有计划的河口流路人工改道是河口治理的重要措施[3-4]。然而，流路一旦改道，将严重影响区域工农业生产布局，只有在行河潜力达到极限时才会实施。而出汊的变动规模小，且位于可以自由行河的自然保护区内，对生产力布局影响小。在流路尚未达到改道标准时，实施有计划的人工出汊可以为口门留下自由摆动空间，合理利用海域容沙空间，从而保持流路长期相对稳定[2，5]。

目前，流路改道标准已经明确。1992年国家计委批复同意的《黄河入海流路规划报告》确定清水沟流路改道标准为西河口（二）10 000 m3/s流量水位达到12 m[3]，并沿用至今。然而，关于人工出汊的时机尚未有详细论述。1998年有研究[6]提出改走北汊应遵循改道标准，并避免过早或意外改走北汊。2008年有研究[7]从保证防洪安全、减少自然决溢的潜在威胁和加强孤东围堤安全等角度提出立即改走北汊河的建议。在河口来沙持续偏少的情况下，河口流路安排应处理好河道防洪、经济发展和生态保护的关系[5，8-9]，优化配置黄河入海水沙资源。本文根据黄河河口自然出汊的特征及其对流路演变的影响，兼顾经济发展需求，提出人工出汊的时机，并从清8汊河流路目前的演变特征、孤东海域容沙能力变化和减缓海堤蚀退出发，重新审视北汊河的启用时机。

2 区域概况

研究区域包括刁口河和清水沟流路，以及北汊河和孤东附近海域（见图1）。清水沟流路1976年5月开始行河，至1996年5月行河20 a，西河口以下河长达到历史最大值65 km。1996年实施清8改汊工程，已行河23 a，2018年汛后河长为63 km。

北汊河位于清7断面左岸以下500 m处，方向与黄河主河道近于垂直，1986年6月为分流分沙淤积孤东油田以东海域，减轻海潮对孤东围堤的威胁而开挖。之后于1987年10月和1988年6月两次被截堵，截堵原因是当时清水沟流路还有较大行河潜力，按年均来沙7.3亿t计，还可行河8.2 a[10]。按照河口流路规划，当清8汊河达到改道标准后，优先启用北汊河[4]。北汊河位于潮区界上端，距清8改汊点5.5 km，仍属于清水沟流路的组成部分。

本研究采用的资料为黃河水利委员会整编的水文资料、刁口河河势资料、实测大断面资料、滨海区地形资料以及卫星遥感影像等。本文中断面高程、水位和潮位数据若无特别说明，均采用大沽基面。黄河三角洲刁口河和清水沟附近海域为不规则半日潮，本文中的高潮线指不规则半日潮的高高潮位线。

3 人工出汊时机

人工出汊时机主要由自然出汊的破坏性和人工干预需求确定。前者指自然出汊将对流路产生不可预知的破坏性影响，后者指充分利用海域容沙能力和支援经济建设等方面的需求。

3.1 自然出汊点上提至高潮线

黄河自1855年流入渤海以来共形成10条流路，其中发育充分且有较为详细河势资料的只有刁口河流路。1964—1971年汛后，刁口河由初期的游荡散乱逐渐形成单一顺直河槽，并向弯曲发展。沙嘴凸出两侧岸线19 km后进入出汊阶段，罗10断面以下分别于1972年7月、1972年9月、1974年8月和1974年10月发生4次较大规模出汊（见图1）。其中：1974年8月出汊点位于1972年9月形成的新汊河;其他3次大体位于1971年汛后河槽上，出汊点分别距离罗10断面18.6、7.9、2.9 km，即3次出汊点逐渐上提。

刁口河附近海域咀西计站实测平均高潮位为2.89 m，介于1971年汛后罗11断面和罗12断面两侧滩地高程之间（见图2）。由此可知，1972年7月出汊点位于高潮线以下，1972年9月出汊点位于高潮线附近，而1974年10月出汊点上提超过高潮线。尽管出汊点上提、河长缩短，但新流路通过地段和海域在前期已经淤积，河势仍宽浅散乱，并未引起溯源冲刷[11]。同时，刁口河改道点以下20 km处新河河床比原神仙沟相应河床高;罗4断面以下地势平缓，芦苇较多，且存在难以冲刷的胶泥坎，事实上起到局部侵蚀基准面的作用[3]。利津站和罗家屋子站实测流量为3 000 m3/s的水位在1971—1974年分别整体上升0.73 m和0.41 m。根据发展趋势判断，继续使用刁口河流路，则将在罗6断面以下湾顶进一步向左出汊[12]，也即出汊点将大幅上提12 km。

为保障附近公路等基础设施安全，并考虑到刁口河自身行河条件较差，1976年汛前有计划地改道清水沟流路。可以看出，当出汊点上提至高潮线以上时，流路的变动幅度将大幅增加。为避免仓促自然出汊造成的被动和损失，人工出汊宜在出汊点接近或超过高潮线时实施。

3.2 充分利用海域容沙能力和支援经济建设

目前黄河口流路仅实施过1996年清8人工出汊，其实施背景主要有三个方面。其一是河口防洪防凌安全的需要。1996年汛前，清水沟流路西河口以下河长已由改道初期的27 km延伸至65 km，再加上1985年以后河口持续枯水少沙，河道主槽萎缩严重，同流量水位抬升，影响防洪防凌安全。其二是充分利用海域容沙能力。当时清水沟流路尚未达到西河口（二）10 000 m3/s流量水位12 m的改道标准，而在入海口和北汊之间还存在较为广阔的容沙海域。其三是支援经济建设的需要。在清8汊河海域发现储量超过2亿t的新滩垦东油田，石油管理部门提出变海上采油为陆地采油的要求。此外，根据当时对水沙条件的预测，河口将来还可能有较多来沙，对填海造陆有利，故抓紧在小浪底水库2000年蓄水运用之前实施清8人工出汊，以免大量泥沙被小浪底水库拦截。

清8人工出汊规划考虑了出汊口位置、路线、引河断面和截流导流工程等因素，既达到填海造陆、变海上采油为陆地采油的目的，又不影响规划流路的使用，创造了较好的防洪效益和经济效益[13]。人工出汊后当年汛后利津以下2 000 m3/s流量的水位下降0.33～0.97 m，至1997年汛前，溯源冲刷发展到清7断面附近，西河口以下冲刷泥沙1 110万m3[14]。

4 北汊河启用分析

4.1 清8汊河自然出汊点接近高潮线

清8汊河行河以来，1996—2003年基本上处于单一顺直阶段。2004年沙嘴凸出原有海岸10 km，非汛期出现沟汊分流[15]。之后在2004年和2007年调水调沙期出现两次较大规模自然出汊（见图3）。2004年6—7月第三次调水调沙期间，在潮流界出现了向东的自然出汊，口门由原来的东北方向改为东稍偏南方向[16]，出汊点位于汊3断面以下3.9 km，口门摆动距离为2.9 km。2007年6月调水调沙期间，汊3断面以下1.4 km处向北出汊，口门摆动距离为7.2 km，出汊点位置上提2.5 km。2014年汛后主流分为两股，右股口门向东，过流占主流一半。2017年右股过流继续增加。2018年利津站2 000 m3/s以上流量持续20 d，年来沙量3亿t，大水取直后主流回到正北方向。

2017年8月清8汊河口门附近实测高潮位为2.31 m。从2018年汛前汊2和汊3断面高程（见图4）可知，高潮线基本上与汊3断面滩唇左侧550 m以外滩面持平，因此2007年出汊点已经接近高潮线。

4.2 充分利用孤东海域容沙能力和海洋动力输沙

自清8汊河运用以来，孤东海域整体呈现右侧淤积和左侧持续冲刷的形势。受现行沙嘴不断向海推进影响，孤东右侧海域2、5、10 m等深线均已向北部推进。2007—2015年，2 m和5 m等深线向西北推进4.2 km，10 m等深线向北推进3.6 km（见图3）。

对应西河口（二）10 000 m3/s流量水位12 m的改道标准，西河口以下河长约为80 km，即在2018年汛后河长的基础上再延伸17 km（见图1）。随着现行口门的持续延伸，孤东海域容沙空间将会被现行流路进一步侵占。此外，清8汊河流路将形成长达27 km的沙嘴。沙嘴口门具体位置具有一定随机性，若延伸方向仍为目前向北或北偏西方向（见图1），则将与孤东附近海岸联合形成一个“海湾”。北汊河附近海域作为湾顶，海洋动力无疑将会削弱，北汊河启用后泥沙向海域扩散的能力也将大幅度减弱。

4.3 孤东海域减缓蚀退和海上采油变陆地采油

孤东海堤附近海域自1987年海堤建成起就持续侵蚀，堤前水深逐年增加。从平面上来看，与2007年相比，2015年东大堤附近海域2 m等深线已经消失，5 m等深线向大堤方向逼近1.9 km（见图3）。从垂向上来看，实测断面（位置见图3）水深显示，1996年以来水深最大增加5 m（见图5）。孤东海域潮流椭圆为逆时针，流速一般为0.2～0.3 m/s[17]。泥沙起动主要由波浪引起，常浪波高1 m，掀沙区域集中在5 m水深以内[18]。泥沙随潮流输向外海且得不到补充，海堤附近仍将持续冲刷，5 m等深线将进一步向大堤逼近。随着水深增加，风暴增水和波浪能量将加强，并加剧堤脚淘刷。

启用北汊河后，黄河泥沙一方面可以直接补给采油工程附近海域，另一方面通过淤高海域减缓波浪动力。这两方面因素共同作用将有助于减缓孤东海堤蚀退，保障采油工程安全。此外，孤东海域分布有东十二油区，预测储量2.57亿t[4]，长期来看，孤东海域将逐渐淤积成陆，有助于变海上采油为陆地采油，节省采油成本。

5 讨论河口演变后期的“重新出汊”是流路由相对稳定向不稳定发展的标志，出汊之后原流路往往不会立即衰亡。例如，刁口河在1972年开始自然出汊，到1976年才实施人工改道。其原因是新的汊河流路往往选择地势低洼、阻力最小的地带，即选择新的容沙区域[1]，出汊点以下重复新的淤积造床和沙嘴延伸演化。经过若干类似过程，当出汊点上提至高潮线附近时，说明该流路附近海域容沙能力已得到充分利用（见图6）。而且，高潮线以下再次出汊已经无法获得水面落差，出汊点必然向上发展。随着河道溯源淤积充分发展[19]，滩槽高差将减小，洪水将切开滩唇或堤防工程薄弱环节处选择新的入海流路。刁口河经过4次出汊后，流路基本上行经了高潮线（罗12断面上游侧）以下河槽的左右两侧所有区域。因此，从流路演变的自然规律来看，人工出汊宜在自然出汊点抵达高潮线附近时实施，一方面现有流路附近容沙能力已得到充分利用;另一方面可以结合石油开采等需求选择新的容沙区域，避免流路进一步自然出汊的随机性和破坏性，以及给河道防洪带来不可预知风险。

从清水沟流路自然演变阶段来看，近期是实施人工出汊的合适时机。1996年清8汊河行河以来，河口来沙持续偏少，多年平均仅为1.5亿t。再加上小浪底水库的调水调沙运用，清水沟流路利津—汊3河段共冲刷3 665万m3，西河口同流量水位下降0.92 m[20]。问题主要出现在受潮汐影响的感潮段，尽管来沙很少，河口沙嘴仍以0.33 km/a的速率延伸，至2004年沙嘴凸出原有海岸10 km后开始自然出汊。由于河口年来沙量远低于刁口河行河时期的年来沙量11.0亿t，因此出汊的频率和变动幅度也低于刁口河行河时期。2007年再次出汊，口门摆动幅度达到7.2 km。根据河口演变中后期伸向外海的淤积宽度，稳定状态下的口门最大摆动距离不应超过6 km[21]，这次出汊也说明现行流路开始进入不稳定状态。2008—2017年，河口年均来沙量进一步减少至0.83亿t，口门在2014—2017年仍有向东出汊趋势，但在2018年大水后又趋直。从2018年汛后的卫星影像上可看到，汊3附近河槽两侧沙嘴宽度均为4.7 km左右，其以下新的容沙空间已经不大，出汊点将会进一步上提。启用北汊河后，河长缩短18 km，流路经过初期的淤积延伸后将进入单股无汊的相对稳定状态。

6 结论

（1）人工出汊宜在自然出汊点上提至高潮线时实施。此时流路附近海域容沙能力已得到充分利用，流路再次自然出汊的随机性和破坏性将难以预估。

（2）清水沟流路2007年自然出汊點较2004年出汊点上提2.5 km，已接近高潮线，口门摆动距离达到7.2 km，这表明现行流路已处于“重新出汊”的行河末期。

（3）兼顾充分利用孤东海域容沙能力、缓解孤东围堤附近侵蚀以及支援油田生产等因素，建议近期尽快开展启用北汊河时机研究。

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