黄河河口入海流路的稳定类型和改道阈值体系

王开荣 杜小康 韩沙沙

摘 要：对黄河河口入海流路的稳定类型进行分类整理和概括总结，简要回顾其人工改道标准阈值的演化和确定过程，初步构建入海流路实施改道的阈值体系，利用实测资料对典型流量级改道水位阈值、河长阈值、海域容沙阈值及其河口容许累计来沙量阈值进行了论证分析和计算。结果表明：现状流量为3 000 m3/s的改道水位阈值为10.58 m，河长阈值约为89 km，海域容沙阈值约为72.19亿m3，相应的利津站累计来沙量阈值约为120.65亿t。

关键词：河口;流路;稳定类型;阈值体系;黄河

Abstract：This paper classified， sorted and summarized the stability types of the Yellow River estuarine channel into the sea and briefly reviewed the evolution and determination process of the standard threshold of artificial avulsion. In addition， the threshold system for the implementation of the flow path avulsion into the sea was initially constructed. The threshold value of water level， river length， sea area sediment capacity and the threshold value of allowable cumulative sediment volume in estuary were analyzed and calculated by the measured data. The results show that the threshold of current water level is 10.58 m when the current flow reaches 3 000 m3/s， the threshold of river length is 89 km， the threshold of sea area sediment capacity is 7.219 billion m3 and the corresponding threshold of cumulative sediment inflow at Lijin Station is about 12.065 billion tons.

Key words： estuary; channel; stability types; threshold system; Yellow River

黃河河口入海流路的稳定问题一直是众多学者所关注的重要课题，其治理实践有特定的涵义[1]。众所周知，“淤积、延伸、摆动、改道”是黄河河口在一定水沙条件下的自然规律。这一自然规律是黄河河口入海流路难以在平面区域位置保持稳定的具体表现，其中蕴含着不同类型的稳定问题，亟待给予明确;同时，现有的稳定改道阈值单纯用水位特征值作为标准，有一定的局限性，并给人工有计划改道的具体实施带来诸多困扰[2] 。因此，如何在西河口（二）站流量为10 000 m3/s的水位达到12 m（大沽高程）这一改道水位阈值的基础上，进一步补充和提出其他相关阈值指标，进而形成相对完善的黄河河口入海流路稳定阈值体系，也同样值得研究。

1 河口流路的稳定类型和阈值指标

黄河河口地处陆、海相动力综合作用的区域，其演变过程十分剧烈和复杂，既具有冲积性河流演变的基本特征，又受海洋动力因素的显著影响。从实践角度而言，黄河河口及其三角洲的演变过程尽管没有绝对的平衡和稳定，却蕴含着稳定平衡的形成机制和相应的临界阈值。从现有的诸多研究成果来看，按照研究对象的不同和研究方向的差异，黄河河口的稳定可区分为6种不同的稳定类型，总结分析如下。

1.1 河道冲淤平衡型稳定

该型稳定主要是基于河床在纵向、横向上抵御变化（形）的能力而提出的，本质上是判断河床（槽）是否发生冲淤平衡稳定，主要考虑河道水流的挟沙能力及其河床边界组成（主要是粒径），落脚于河床[3]。窦国仁先生曾就此提出如下判别指标和控制阈值[4]：

当稳定系数接近于1.024时，即Ky≈1.024 时，河床稳定，不发生变形情况;Ky<<1.024时，发生冲刷;Ky>>1.024时，发生淤积。

这里需要指出的是：所谓冲积河流的稳定性指标，就是用来表明这种局部的、暂时的相对变异幅度，而不是用来阐明一条河流是否正处在平衡状态[5]。

1.2 自然出汊型稳定

该型稳定是指入海行水河槽自身边界条件不能满足泄洪排沙要求，从而导致水流另寻其他捷径入海的一种结果，落脚于局部河段，尤其是口门附近的尾闾河段，属于自然演变（人工改汊除外）的范畴[6]。Jerolmack等[7]研究提出的出汊评判指标包括无量纲滩槽差SE、横比降优势参数K等[8]，计算公式如下：

1.3 河口沙嘴发育极限型稳定

该型稳定的基本涵义是：在河口沙嘴显著凸出海岸线并进入滨海深水区时，将难以再向海延伸，从而促使河口沙嘴进入下一个演变周期。刘宝银等[9]依据平行四边形法则，建立了符合表达黄河口沙嘴延伸和发育的模型，见式（4），并就此指出当沙嘴发育指数趋近于0时，现行流路上的河口沙嘴将难以再向海延伸。

式中：Ω为黄河口沙嘴延伸和发育指数;L1为沙嘴根部长度;L2为沙嘴主轴长度;ω为沙嘴主轴与河口涨潮流向的夹角;t为河道主槽行水周期;e-it为河道主槽行水周期指数;Si为任一年的造陆面积;α为浪向与正北方向夹角;θ1为沙嘴主轴与正北方向夹角。

1.4 海岸线延伸蚀退平衡型稳定

该型稳定是指在一定来水来沙条件下，河口三角洲岸线的某一区域在某一时段内，因淤积和侵蚀数量相当而导致三角洲总体造陆面积不再增长的一种状态;其所涉及的区域可以是整个黄河三角洲岸线，也可以是处于行河状态的流路所涉及的海岸线区域[10-14]。张治昊等[15]利用1977—2002年实测资料，通过多元回归分析建立了如下黄河口海岸造陆水沙临界综合关系式：

1.5 三角洲冲积扇生长极限型稳定

提出该型稳定的主要依据在于：由河流入海泥沙在河口及其邻近区域不断堆积而逐渐形成的河口三角洲存在地貌学意义的生长极限[16-18]。曹银真[19]提出：三角洲冲积扇发育是不断循环的过程，每一循环过程形成的几何形态基本一致，即冲积扇的纵轴a（即平行于河道的最大长度）、横轴b（即垂直于河道的最大长度）、冲积扇的圆心角之间总保持着一定的比例关系，都有一定的临界几何形态;统计结果表明，现代河口三角洲只要其形态指标a/b值达1.2左右时，河道便发生决口改道（突变），另循比降大、流程短的地带重新塑造新三角洲。

1.6 人工改道标准型稳定

该型稳定属于人工干预下的控制稳定。众所周知：1855年至20世纪70年代，黄河入海流路的改道多属于自然、随机地发生，或者是在极其被动的情况下实施。而在目前，入海流路的改道则完全受制于人类活动的干预和影响，并且是有规划、有计划地予以实施。当前，基于现状条件下现行清水沟流路所能承受的防洪压力乃至黄河下游的堤防标准情况，其河口入海流路的改道阈值标准是西河口（二）站水位在流量为10 000 m3/s时达到12 m。

西河口（二）站12 m水位改道标准是当前黄河河口综合治理进程中一项至关重要的控制指标。其存在的重大实践意义在于：若出现流量为10 000 m3/s的情况，其西河口水位不能超过12 m。若水位超过12 m，为确保防洪安全，必须对其上游相当长的一段堤防进行重新加高加固，但加高黄河堤防绝非治河上策，堤防越高，风险和影响范围就越大[20]。

需要特别指出的是：在上述6个不同的稳定类型中，人工改道标准型稳定在河口治理实践中具有特殊的重要地位。鉴于此，本文围绕这一稳定类型的阈值演化过程和辅助阈值体系作如下进一步分析。

2 流路人工改道标准阈值的演化和确定

纵观1855年以来黄河河口的演变及其治理进程，其流路改道标准阈值的演化和确定经历了如下3个阶段。

第一阶段：1855—1953年自然阈值阶段。河口基本属于自然演变状态，人工干预强度极弱，其稳定阈值没有明确的概念和数值大小。

第二阶段：1953—1992年10 m（大沽高程）改道标准阶段。该阶段是流路稳定判别指标由自然状态下的稳定阈值向人工控制改道标准转变的阶段。1946年开启人民治黄历程，1953年前，黄河由甜水沟、宋春荣沟、神仙沟分流入海。长期分流入海造成上游河道壅水淤积，为改善防洪条件，变分流入海为独流入海，于1953年7月实施了并汊改造。此时的改道一般是相机临时决定的，并无统一、严格的改道标准阈值。1964年因凌汛问题改道刁口河流路后，适逢黄河第三次加高加固黄河大堤（1969—1973年），其下游堤防防御标准为花园口站22 000 m3/s洪水。基于此，20世纪70年代初，根据当时黄河河口堤防的工程标准，把洪峰流量为10 000 m3/s时罗家屋子大体相应的水位达到10 m（大沽高程）作为改道控制水位。

第三阶段：1992年至今12 m（大沽高程）改道标准阶段。20世纪80年代以来，尤其是1983年东营市的建制成立，河口三角洲地区社会经济的持续发展，以及胜利油田的大规模开发，对黄河河口入海流路稳定的要求愈发迫切。基于河口地区防洪工程体系的建设现状，1992年原国家计委正式批复《黄河入海流路规划报告》，明确了“当西河口（二）水位站水位达12 m时，再根据当时河道状况及油田开发需要决定改走北汊1或抬高西河口水位继续走现行河道”。最新的《黄河河口综合治理规划报告》即采用了此改道标准。

河口堤防是防御洪水泛濫、保护河口三角洲地区居民和工农业生产的主要工程举措。现状条件下的黄河河口河道堤防设防标准与黄河下游的堤防有所不同，其包含了两层含义，其一是能保障10 000 m3/s流量过程的行洪安全，其二是西河口水位在流量为10 000 m3/s时达到12 m应实施人工有计划改道。

目前，黄河河口河道堤防（指临黄堤防）全长约75.9 km，其中左岸堤防全长44.4 km，包括北大堤（四段—三十公里险工）长度30 km、北大堤顺六号路延长段（三十公里险工以下至孤东围堤三号险工）长度14.4 km。堤顶高程自上而下为14.88～7.15 m（黄海高程，下同），西河口水位（二）站对应的左岸堤顶高程约为13.50 m（清1断面左岸，换算大沽高程为14.98 m）。左岸堤防全长31.5 km，包括临黄大堤（渔洼—二十一户）长度3.7 km、防洪堤（二十一户以下至防潮坝）长度27.8 km，其堤顶高程自上而下为14.30～8.60 m，西河口水位（二）站对应的右岸堤顶高程约为13.35 m（清1断面右岸，换算大沽高程为14.83 m）。

3 流路改道标准的辅助阈值指标

3.1 辅助阈值指标的构成

目前流路的改道与否是以水位作为控制标准的，由此带来了如下问题：第一，水位并非表征流路末期演变状态的唯一特征值，水面比降、尾闾长度、相应滨海区域容沙能力乃至生产实践的需求等，都在一定程度上影响和决定着入海流路是否要进入改道程序。第二，将水位作为改道的唯一控制标准，需要准确把握河口河段的水位变化，但就黄河河口的基本演变特征而言，预测短时期内的水位变化难度极大。河口河段水位变化十分剧烈，以西河口流量为3 000 m3/s时的水位变化为例，个别年份水位升高值可达0.58 m（1993年），尤其需要指出的是，河口地区的凌汛、风暴潮都有可能导致水位暴涨[21]。1979年1月25日，利津站凌峰流量为1 130 m3/s的水位一度达到了14.76 m，较1978年11月中旬、1979年7月中旬同流量水位分别升高了2.37 m和2.72 m，该数值也超过了1958年流量为10 400 m3/s时的水位13.76 m。显然，将单一水位阈值作为改道决策依据存在一定的局限性，应参考其他相关阈值并据此形成相对完善的改道辅助阈值体系，才会使得改道的决策更为科学和合理。

基于上述原因，围绕西河口12 m水位的改道阈值问题，衍生了其他相关的辅助阈值指标，主要包括典型流量级的改道水位阈值、河长阈值、滨海区域容沙体积阈值，其中海域容沙阈值亦可转化为河口所容许的累计来沙量，见图1。

3.2 典型流量级的改道水位阈值

自20世纪80年代中期以来，黄河口地区来水来沙量急剧锐减，洪峰流量亦大幅度削减。1986—2016年最大日均流量仅为5 220 m3/s（1988年），多年平均最大日平均流量为2 713 m3/s;31 a中只有9 a最大日平均流量超过3 000 m3/s;而且，在目前黄河多水库联合运用和黄河下游滞洪区运用的情况下，河口河段10 000 m3/s洪水出现的概率为千年一遇。鉴于此，十分有必要基于流量为10 000 m3/s时12 m水位的改道标准，分析和计算典型流量级所对应的改道水位阈值。

考虑到在传统的水文分析计算中，流量为3 000 m3/s的水位已被广泛采用这一现实，故选用3 000 m3/s作为典型流量级为宜。之所以把流量为3 000 m3/s的水位作为关系指标，主要是基于在进入河口河段的洪峰过程中3 000 m3/s流量出现的频次最高。统计结果表明：在小浪底水库运用期的2002—2016年15 a中，各年度最大日均流量的平均值为3 164 m3/s，其中有9 a最大日均流量超过了3 000 m3/s，而超过4 000 m3/s流量过程的年份仅有1 a，因此选用3 000 m3/s对应水位作为关系指标既符合未来的水沙情势，又可以利用实测资料获取客观和真实的数据。

将西河口流量为10 000 m3/s时12 m的改道水位转换为流量为3 000 m3/s时的相应水位，并沒有改变现行入海流路的改道标准，同时，转换后的水位指标更切合实际，更容易科学把握。事实上，在开展黄河口入海流路规划和综合治理规划时，其水位指标的转换已经得到了不同程度的运用，并大致给出了其水位差在1.27～1.87 m之间变化[22-24]。

根据2017年实测资料，西河口水位（二）站附近所对应的断面（清1断面）主槽宽度和河床平均高程分别为629.0 m和4.35 m，滩地宽度和滩地平均高程分别为691.4 m和7.53 m，设定主槽综合曼宁糙率系数为0.0125，滩地糙率分别选用0.02、0.03、0.04和0.05，主槽比降为0.007 5%，滩地比降为1.420/1 000，依据曼宁公式则可得到演算成果（见表1）。由此可见：现状条件下流量为3 000 m3/s与10 000 m3/s对应水位的差值在0.98～1.57 m之间。在不考虑河床形态、海平面上升等其他相关因素的情况下，若滩地糙率取值为0.04，其现状流量为3 000 m3/s的改道水位阈值为10.58 m。

3.3 河长阈值

河口流路延伸长度的变化既是表征河口演变的主要特征指标，也是影响河流侵蚀基准面变化的主要因子和制约河口河段水位变化的核心因子。因此，河口入海流路延伸长度的变化一直是开展河口演变规律及其综合治理研究的核心内容。围绕流路的河长阈值（西河口以下）问题，相关研究得出和采用的数值介于76.9～83.0 km之间[23-25]。

流路河长的变化对于河口尾闾河段的水位升降变化和发展趋势具有控制性的影响[26]。利用1965—2002年的部分实测资料，并将罗家屋子水位转换为西河口（二）站水位，可建立其水位与河长间的相关关系（见图2），并得出如下关系式：

依据式（6），并取西河口流量为10 000 m3/s与3 000 m3/s对应水位差1.42 m（滩地糙率取值0.04），在不考虑海平面上升等因素的情况下，可得出河长阈值约为89 km。

3.4 海域容沙阈值

海域容沙阈值是指基于现状海域地形条件，在未来清水沟流路行河达到某种特定状态时，其行河所涉及的海域能够容纳的泥沙数量，此与陈雄波等[27]提出的“流路输沙容量”概念并无本质的区别。1992年原国家计委正式批复的《黄河入海流路规划报告》，曾就不同海域的容沙体积（库容）进行过计算[22]。

笔者利用1996年的实测滨海地形资料，并以三角洲冲积扇生长极限型稳定所得出的几何形态阈值为依据[19]，在预测概化清8汊河未来沙嘴形态的基础上，选择沙嘴顶部宽度介于3～9 km之间，从而进一步明确了流路河长与海域容沙能力的相关关系（见图3），得出了在河长达到89 km的情况下，其海域容沙阈值约为72.19亿m3。

需要说明的是：海域容沙阈值也可以用利津站所容许的累计来沙量所代替。众所周知，进入河口的泥沙输移分配的区域不外乎三个，分别是河道内、滨海区和外海，其中沉淤在河道内、滨海区两个区域的泥沙均会参与造陆并形成流路河长的延伸。根据以往研究成果，在多年平均情况下河道内、滨海区沉淤的泥沙数量占利津来沙量的比例约为70%。据此可大体得出：当海域容沙能力达到阈值72.19亿m3时，其利津站所容许的累计来沙量阈值为103.1亿m3（考虑淤积物干密度介于陆上淤积物和滨海区淤积物干密度之间，取1.17 t/m3）[26，28]，则得出相应的利津站累计来沙量阈值约为120.65亿t。

截至2018年，清8汊河累计来沙量为36.44亿t，尚余84.21亿t的容沙能力空间，若考虑未来河口年均入海沙量为3.0亿t，则清8汊河的行河年限约为28 a。

4 结论及建议

目前，现行清水沟流路的改道水位标准是西河口水位在流量为10 000 m3/s时达到12 m（大沽高程），由此衍生的其他相关辅助阈值指标包括：①典型流量级的改道水位阈值，若滩地糙率取值为0.04，其现状流量为3 000 m3/s的改道水位阈值为10.58 m;②河长阈值，基于水位与河长间的相关关系，可得出河长阈值约为89 km;③海域容沙阈值，通过明确流路河长与海域容沙能力的相关关系，得出在河长阈值达到89 km的情况下，其海域容沙阈值约为72.19亿m3;④利津站累计来沙量阈值，根据进入河口地区的泥沙输移分配比例，得出相应的利津站累计来沙量阈值约为120.65亿t。目前的清8汊河流路尚余84.21亿t的容沙能力空间，若考虑未来河口年均入海沙量为3.0亿t，则清8汊河的行河年限约为28 a。

按照研究对象的不同和研究方向的差异，黄河河口的稳定可分为6个种稳定类型，即河道冲淤平衡型稳定、自然出汊型稳定、河口沙嘴发育极限型稳定、海岸线延伸蚀退平衡型稳定、三角洲冲积扇生长极限型稳定、人工改道标准型稳定。鉴于人工改道标准型稳定在河口治理实践中具有特殊地位，故对其改道阈值体系进行了先期研究。鉴于黄河河口入海流路演变的复杂性以及对流路实施改道的高度敏感性，建议对其他5项稳定指标体系也展开阈值研究，并形成完整的河口入海流路阈值体系。

参考文献：

[1] 王开荣，杜小康，郑珊，等.黄河河口及其流路系统的构成和稳定内涵 [J].人民黄河，2018，40（8）：30-35，47.

[2] 王开荣，陈孝田，赵阳.黄河口现行尾闾流路改道标准及其评价[J].人民黄河，2009，31（5）：23-25.

[3] 陆倩，龚政，李欢，等.平原冲积河流及潮汐河口河相关系研究进展[J].人民长江，2013，44（21）：7-11.

[4] 窦国仁.平原冲积河流及潮汐河口的河床形态[J].水利学报，1964（2）：1-13.

[5] 钱宁.冲积河流稳定性指标的商榷[J].地理学报，1958，24（2）：128-144.

[6] 王恺忱.黄河口演变规律及其对下游河道的影响[C]//黄委会水科所.黄委会水科所科学研究论文集（第2集）.郑州：河南科学技术出版社，1990：154-201.

[7] JEROLMACK D J， PAOLA C. Complexity in a Cellular Modelof River Avulsion[J]. Geomorphology， 2007， 91（3-4）：259-270.

[8] SLINGERLAND R， SMITH N D. Necessary Conditions for a Meandering-River Avulsion[J]. Geology， 1998， 26（5）：435.

[9] 刘宝银，王岩峰，高俊国.近期黄河口沙嘴演变遥感信息的拓扑模型研究[J].海洋学报（中文版），2000，22（2）：41-47.

[10] 常军，刘高焕，刘庆生.黄河口海岸线演变时空特征及其与黄河来水来沙关系[J].地理研究，2004，23（3）：339-346.

[11] 王开荣，茹玉英，陈孝田，等.黄河河口三角洲岸线动态平衡问题的探讨[J].泥沙研究，2007，32（6）：66-70.

[12] 崔步礼，常学礼，陈雅琳，等.黄河水文特征对河口海岸变化的影响[J].自然资源学报，2006，21（6）：957-964.

[13] CUI B L， LI X Y. Coastline change of the Yellow River Estuary and Its Response to the Sediment and Runoff （1976-2005）[J]. Geomorphology， 2011， 127（1）： 32-40.

[14] WANG S J， MARWAN A H， XIE X P. Relationship Between Suspended Sediment Load， Channel Geometry and Land Area Increment in the Yellow River Delta[J]. Catena， 2006， 65（3）： 302-314.

[15] 張治昊，胡春宏.黄河口水沙过程变异及其对河口海岸造陆的影响[J].水科学进展，2007，18（3）：336-341.