黄河口渔洼河段河势及治理方案研究

梁艳洁，赵正伟

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全国家重点实验室（筹），河南 郑州 450003）

0 引言

黄河口水少沙多，海洋动力相对较弱，历史上黄河流域输送至河口地区的泥沙绝大部分沉积在河口，造成河口流路不断淤积延伸，河道长度增加、比降减小，且长期处于摆动、改道的不稳定状态。黄河口渔洼至入海口河段长约65 km，有堤段两岸堤距5～14 km，控导工程布设不足，河道平面变化大，主槽很不稳定。渔洼—西河口河段长约6.5 km，介于窄河段与入海河段之间，主河槽宽300～500 m，河道呈微弯形；西河口以下为清水沟流路入海段，两岸堤距为6.0～14.0 km，自上而下呈喇叭形；清4 控导工程以下至入海口约33 km 为无工程控制河段，由河道两岸的导流堤约束入海。河口段河道整治工程数量明显少于其临近的黄河下游河段，不能有效控制河势，加上近年来来水量大幅度减少，河道萎缩，更不利于现行清水沟流路的稳定［1－2］。

目前，从河口地区的生态、经济、社会发展需求来看，保持河口流路长期相对稳定是十分必要的，众多学者对稳定河口流路提出了思路和方法［3－4］。李泽刚等［5－6］提出在西河口建设分洪闸和橡胶坝，将刁口河作为分洪通道；李殿魁等［7］提出在西河口修建高位分洪闸分洪至刁口河；陈雄波等［8］提出了清水沟、刁口河流路联合运用方案。

1953 年以后，黄河河口三角洲的摆动顶点从宁海下移至渔洼，进行了3 次大的人工改道（1953 年、1964年、1976 年的改道点即位于此河段）。该区域系现代黄河三角洲的顶点区域，是黄河下游河段与河口尾闾河段的衔接过渡区域。黄河口渔洼以下河道整治工程不足，防洪工程仍不完善，不能有效地控制河势，渔洼至西河口介于上游窄河段与下游入海河段之间，对于河口地区的防洪至关重要。控制和稳定渔洼—西河口河段（以下简称渔洼河段）河势，对于保障河口地区防洪安全、延长清水沟流路使用寿命、促进河口地区生态文明建设与高质量发展具有重要意义。本文通过建立平面二维水动力学模型对渔洼河段在不同来流条件下的流速分布、河道主流线变化等进行研究，进一步分析不同流量级洪水下河道整治工程的适应性，提出适用于现状来水条件、有利于河势稳定的治理方案。

1 渔洼河段河势演变特点及治理现状

1.1 渔洼河段河势演变特点

渔洼河段长约6.5 km，介于窄河段与入海河段之间，主河槽宽300～500 m，堤距6.0～8.0 km，河道纵比降约为0.01%，属于弯曲型河道，河道滩地横比降为0.04%～0.10%。由于20 世纪80 年代中期以来河口来水流量较小，因此河槽淤积萎缩，河势相应调整，河道平面有一定变化，主要表现为工程处溜势的上提或下挫，90 年代小水持续坐弯及整治工程对河势控制不力，一些局部河段河势发生了较大变化，如1993 年汛期苇改闸控导工程全部撇弯脱河，坝前淤滩宽达1 200 m。2000 年小浪底水库投入运用，2002 年小浪底水库开始进行调水调沙，受小浪底水库调控作用影响，西河口河势未发生大的变化。不同时期西河口河道主流线变化见图1。

图1 不同时期西河口河道主流线变化

目前，关于西河口附近河道治理有“大弯”和“小弯”两种方案，“大弯”方案由左岸崔家庄和西河口控导工程合二为一，形成一个大弯道，“小弯”方案由崔家庄挑流至右岸苇改闸控导工程后再至西河口控导工程。“大弯”方案需要建设的工程长度较长，为构造崔家庄、西河口的弯道顶点，两工程间约4 km 的无工程控制区要大量布设工程，而且对崔家庄和十八户工程的规模要求高于“小弯”方案。“大弯”和“小弯”两种方案治导线见图2。

图2 “大弯”和“小弯”方案治导线

1.2 渔洼河段治理工程现状

从1986 年开始渔洼河段陆续新建了十八户、崔家庄、苇改闸、西河口等控导工程（见图3），因这些工程兴建较晚，且大部分是为避免塌滩或引水而修建的，部分工程布局不合理，工程处数、长度都达不到控导河势的要求，河势不能得到有效控制。十八户控导工程迎流能力不足，首段滩岸坍塌严重，已对老控导工程及临黄堤构成威胁；崔家庄工程挑流能力不足，致使其下游对岸的苇改闸工程自1993 年汛期脱流至今，苇改闸以下的大部分工程处的溜势也随着上提或下挫，形成了一弯变、多弯变的局面，造成河岸坍塌，多数河道整治工程的前沿淤积成滩。苇改闸控导工程修建于1986年，1993 年汛末全线脱河，2011 年汛末开始重新靠水走溜，2014 年调水调沙期间局部出现坍塌，2015—2016 年凌汛期也出现了险情。

图3 渔洼河段控导工程布置

2 二维水动力学模型

2.1 控制方程

水流连续方程：

x方向水流运动方程：

式中：z为水位，h为水深，u、v分别为x、y方向的流速，n为糙率系数，D为紊动黏性系数，g为重力加速度，t为时间。

为拟合不规则河道边界，采用正交曲线网格对河道进行网格划分，将式（1）～式（3）转化为正交坐标系曲线方程：

2.2 求解方法与定解条件

根据推导，曲线坐标系下模型基本方程可表示为如下一般形式：

控制方程的离散采用有限体积法，该方法的优点在于能很好地保证水流模型中水量和动量守恒。方程离散采用自动迎风格式，离散方程的求解采用SIMPLEC 算法。

定解条件给定进口流量和出口水位，在出口水位的基础上假定一个比降赋值计算区域的初始水位。

3 渔洼河段河道过流特性

3.1 计算条件及网格布置

目前，黄河下游河道最小平滩流量为4 350 m3／s，调水调沙期间小浪底水库调控流量为2 600～4 000 m3／s，《黄河河口综合治理规划》中渔洼河段整治流量为4 000 m3／s，因此综合分析后采用4 000 m3／s 对渔洼河段过流情况进行分析。鉴于渔洼以下河段的设防流量为10 000 m3／s，并考虑小水情况河道过流，选取1 000、4 000、10 000 m3／s 三种情况进行计算对比。

采用平面二维数学模型对西河口附近渔洼至清3断面24.4 km 的河道进行计算，包括上游来流1 000、4 000、10 000 m3／s 三种情况。计算网格布置见图4，共布置了1.6 万个网格。

图4 计算网格布置

3.2 流场分布

上游流量为1 000 m3／s 时，上游来流在崔庄控导工程作用下，向东南方向顺河槽行进，苇改闸控导工程仅尾部着溜，流速分布见图5（a）。上游流量为4 000 m3／s时，崔庄控导工程挑流作用显著，主流向右岸偏转，苇改闸控导工程大部分着溜，流速分布见图5（b）。上游流量为10 000 m3／s 时，河道滩地和主槽都过流，崔庄、苇改闸控导工程挑流作用明显，流速分布见图5（c）。

图5 渔洼河段流速分布示意

3.3 断面流速分布

在计算区域布置了4 个断面（见图6），通过分析不同来流条件的断面流速，从图7（断面高程为1985国家基准）可以看出，在3 种不同来流情况下，断面流速分布均呈抛物线形。流量为1 000 m3／s 时仅有河道主槽过流，流速最大位置基本与深泓对应；流量为4 000 m3／s时断面1、断面2 流速最大位置向左偏移，断面2、断面3 过流范围增大，断面4 河宽较小，属于卡口断面，最大流速基本位于中间；流量为10 000 m3／s 时断面1、断面2 流速最大位置靠左侧，接近崔庄控导工程，断面3 流速最大位置靠右侧，接近苇改闸控导工程，断面4 流速最大位置不变。

图6 断面布置

图7 断面流速分布

从断面流速变化可以看出，上游来流1 000 m3／s时水流在崔庄工程作用下向河道中间调整，由于流量较小，因此过流范围未达到苇改闸工程，大部分不着溜；上游来流4 000 m3／s 时，在崔庄工程的挑流作用下，苇改闸工程附近靠流；上游来流10 000 m3／s 时，断面3 主流向右岸苇改闸工程明显偏转。

3.4 水流动力轴线分析及治理方案

结合流速分布情况绘制不同来流条件的水流动力轴线（见图8）。来水流量为1 000 m3／s 时，上游段主流线靠近崔庄控导工程，向下游主流线基本处于河道中间，苇改闸控导工程不着流；来水流量为4 000 m3／s 时，崔庄控导工程附近主流线向河道中间偏移，苇改闸控导工程附近主流线向右侧偏移；来水流量为10 000 m3／s时，河道主流线呈S 形，崔庄控导工程中下部靠溜，苇改闸控导工程尾部靠溜。

图8 水流动力轴线分布

根据渔洼河段的防洪需求，结合不同流量级水流动力轴线分布情况，认为“小弯”方案治导线与整体过流情况是吻合的，在4 000 m3／s 流量级条件下河道过流情况与各控导工程相适应，能够使水流归槽、平顺过流，减少水流散乱情况，稳定主槽，提高河道输沙能力。结合渔洼河段过流特性，“小弯”方案更具优势，能够平顺过流的同时可发挥现有控导工程的作用，更有利于河势稳定，同时也有利于胜利油田在西河口引水。

4 结论

1）黄河口渔洼以下河道整治工程较少，河势不稳定，从稳定河势、有利于防洪的角度出发，分析了渔洼河段治理工程现状及河道历史演变规律，提出了该河段治理的必要性。

2）采用平面二维水动力学模型对1 000、4 000、10 000 m3／s三种不同来流情况下西河口附近渔洼至清3 断面24.4 km 河段的水流流态进行了模拟，结果表明1 000 m3／s流量时苇改闸控导工程作用不明显、10 000 m3／s流量时西河口险工靠溜效果不理想、4 000 m3／s 流量时控导工程均能起到控制水流的作用。

3）通过4 个横断面不同流量级的流速分布套汇、河道主流线对比，分析了不同来流条件的断面流速分布特点及河道整治工程的适应性，4 000 m3／s 流量时河道主流与“小弯”方案治导线相适应，对控制河势较为有利。