李東風 張紅武 鐘德鈺 胡建永 馬梁超 江曹棟

摘?要：黃河河口入海泥沙在漲潮流和攔門沙的阻滯作用下對黃河下游泥沙運動產生重大影響。以已建立的河口海洋水沙二維數(shù)學模型為基礎，對規(guī)劃運用初期的清水溝北汊流路、刁口河流路和十八戶流路典型水沙過程進行了計算，分析了3條流路入?？诘暮Ｑ髣恿湍嗌尺\動，得到了入海泥沙對黃河下游的影響范圍為距濼口斷面90～215 km。研究了未來50 a進入下游的水沙設計和流路規(guī)劃成果，采用清水溝、刁口河聯(lián)合運用方案，計算了未來50 a入海水沙運動對下游的影響，結果表明：在此方案下，西河口水位維持在10.23～11.18 m。結合黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)發(fā)展需求，清水溝和刁口河聯(lián)合運用方案為最優(yōu)方案，十八戶流路海域封閉且海洋動力比較弱，可以作為遠景備用流路。

關鍵詞：黃河河口;二維數(shù)學模型;入海泥沙;黃河下游;清水溝流路;刁口河流路;十八戶流路

中圖分類號：TV142;TV882.1?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.004

Abstract： The sediment flowing into the Yellow River estuary has a great influence to the sediment movement in the lower Yellow River under the blocking action of the tidal current and sandbars. Based on the established two-dimensional mathematical model of estuarine water and sediment， the typical water and sediment processes of North Branch estuarine of Qingshuigou， Diaokou River estuarine and Shibahu River estuarine in the early stage of planning and operation were calculated and the marine dynamics and sediment movement of the three channels into the estuary were analyzed. The results show that the influence range of sediment to the lower Yellow River is 90-215 km away from Luokou section. The results of water and sediment design and flow path planning in the next 50 years were studied. The combined operation scheme 4 of Qingshuigou and Diaokou rivers recommended by China Institute of Water Resources and Hydropower and Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd. was adopted to calculate the impact of water and sediment movement on the downstream in the next 50 years. The results show that under this scheme， the water level of Xihekou will be maintained between 10.23 m and 11.18 m. Combined with the development needs of the efficient ecological economic zone in the Yellow River delta， scheme 4 of the joint operation of Qingshuigou and Diaokou river is the optimal flow path and the sea area of Shibahu flow path is closed and the marine power is relatively weak， so it can be used as the future backup flow path.

Key words： Yellow River estuary; 2D numerical simulation; sediment into sea; Lower Yellow River; Qingshuigou flow path; Diaokouhe flow path; Shibahu flow path

1?引?言

黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略[1]。有計劃地穩(wěn)定使用河口入海流路是黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)發(fā)展的基礎。黃河河口治理與黃河下游治理密切相關，黃河口漲潮和攔門沙阻滯黃河入海水沙運動，對黃河下游防洪將產生不利影響。黃河河口入海流路穩(wěn)定與黃河下游治理特別是山東黃河密切相關[2]，2013年3月國務院批復的《黃河流域綜合規(guī)劃》在涉及“河口入海流路規(guī)劃”時指出：“入海流路規(guī)劃要遵循黃河河口自然演變規(guī)律，以保障黃河下游防洪安全為前提，以河口生態(tài)良性維持為基礎，充分發(fā)揮三角洲地區(qū)的資源優(yōu)勢，促進地區(qū)經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。綜合考慮各種因素，規(guī)劃期內仍主要利用清水溝流路行河，保持流路相對穩(wěn)定，清水溝流路使用結束后，優(yōu)先啟用刁口河備用流路;馬新河和十八戶作為遠景可能的備用流路?！蓖瑫r，《黃河流域綜合規(guī)劃》在涉及“黃河長治久安的重大戰(zhàn)略措施”時還特別強調：“為了盡量減少河口淤積延伸對下游河道的反饋影響，要繼續(xù)進行現(xiàn)行流路尾閭河道的治理，科學使用清水溝、刁口河、馬新河等入海流路，合理使用海域容沙空間;繼續(xù)進行攔門沙治理，充分發(fā)揮海洋動力輸沙能力。”

對于黃河河口流路穩(wěn)定和入海泥沙對黃河下游的影響研究，很多學者從分析實測資料歸納推理回歸得出經驗公式等方面進行了深入研究，推動了黃河河口治理研究。對于黃河河口治理研究手段的研究，2002年李國英提出建立“數(shù)字黃河”[3]和建立黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)[4]，“黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)建設要圍繞黃土高原土壤侵蝕模型、水庫調度模型、黃河下游河道水沙演進模型、河口模型、水質預警預報模型、寧蒙河段冰凌預報模型六大模型系統(tǒng)開展。要充分認識黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)建設的長期性和復雜性，持之以恒地進行黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)建設”。其中在論述河口模型時指出“黃河口不同于一般清水河流的河口，受上游來水來沙及海洋潮汐對河口泥沙的頂沖影響，其水沙運動規(guī)律較為復雜。應加強機理研究，建立基于黃河口演變規(guī)律的數(shù)學模型，指導黃河口流路的規(guī)劃和治理”。

李澤剛[5]分析了黃河入海泥沙擴散、黃河口攔門沙的形成與演變等規(guī)律，提出了建設西河口水沙控制工程、進行河口段河道整治和攔門沙治理等穩(wěn)定黃河河口流路的對策。王愷忱[6]分析了黃河下游及河口河段沖淤特性，進行了黃河河口延伸改道對下游河道的影響研究，用實測資料證實了利津至改道點河段短時段的沖淤主要受制于河口基準面的狀況，同時進一步證實了河口尾閭入海流路的絕對長度是河口河段和下游河道沖淤幅度與發(fā)展趨勢的制約因素。胡春宏等[7-8]分析了黃河口水沙運動與演變基本規(guī)律，提出了黃河口治理的方向與措施。張紅武[9]2003年提出構建二維河口數(shù)學模型及河口治理意見。馬睿等[10]基于1958年汛后—2000年汛后利津以下實測資料建立了河口段各部分累計淤積量與利津站累計來沙量的相關關系，利用準二維水沙數(shù)學模型對黃河下游及河口段進行耦合模擬，分析了黃河小浪底—河口段現(xiàn)狀治理模式和“兩道防線”治理模式對黃河河口各部分累計沖淤量、西河口以下河長延伸值等特征量的影響，以及兩種模式下黃河河口段未來50 a治理的效果。余欣等[11]界定了出汊、改道、流路穩(wěn)定及黃河河口穩(wěn)定的內涵，系統(tǒng)分析了近期黃河河口水沙及流路、海岸的新變化，通過試驗研究了尾閭河道出汊機制，提出出汊閾值、觸發(fā)條件以及河口流路穩(wěn)定綜合判別指標，在此基礎上預判了清水溝清8汊河的穩(wěn)定性，提出近期流路安排應優(yōu)先考慮北汊河。陳雄波等[12]對清水溝、刁口河流路聯(lián)合運用方案進行了計算比選分析。王崇浩等[13-15]利用一二維連接數(shù)學模型研究了黃河口潮流與泥沙輸移過程，對河口演變對下游河道反饋的影響進行了分析，對黃河口清水溝流路沖淤發(fā)展與使用年限進行了預測。王萬戰(zhàn)等[16]分析了黃河口海岸演變規(guī)律。王開榮等[17]對黃河現(xiàn)行清水溝流路汊河運用方案進行了探討。趙連軍[18]分析認為，黃河下游河道演變與河口演變影響因素繁多，未來必須借助河工模型試驗或數(shù)學模型計算等手段開展研究才可能徹底揭示黃河口演變對河道反饋影響的規(guī)律。李東風等[19-23]利用差分方法計算了清水溝和刁口河流路入海泥沙運動和對港口的影響，采用有限元方法建立了河口二維數(shù)學模型并應用于河口治理研究，研究了外海邊界條件的影響。上述成果是在老一輩黃河河口治理專家研究成果的基礎上取得的，為黃河河口治理研究打下了堅實的基礎。

隨著高性能計算機的應用，建立黃河下游長河段河道、海洋二維模型和應用模型預測成為現(xiàn)實，但建立長河段濼口以下河道至海洋的二維水沙數(shù)學模型，分析入海泥沙對黃河下游影響的研究未見報道。為進一步完善黃河河口二維水沙數(shù)學模型，發(fā)揮二維模型在黃河下游和河口治理研究中的優(yōu)勢，2016年國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0402500）在第二課題中列入專題（2016YFC0402502），即未來50 a河口入海泥沙淤積延伸對黃河下游的影響，主要利用黃河下游和河口二維水沙數(shù)學模型研究未來50 a黃河入海泥沙對黃河下游的影響，本文為其部分成果。

2?基本理論

模型基本方程見文獻[19-22]。

（1）初始條件。計算域內，在t=0時刻，給定水位、潮位、流速和含沙量為0。

（2）邊界條件。進口邊界給定濼口斷面水流流量和含沙量。出口邊界用潮位變化控制計算域與海域相連接的水邊界，根據(jù)物理海洋學理論，潮高表達式為

開邊界兩個端點值由實測資料給定，其端點內部的值由插值方法求得。在閉邊界上，認為其法向流速為0，而沿切線方向的流速非0。泥沙運動邊界條件除了給出入口斷面各節(jié)點的含沙量外，在閉邊界還應滿足法向輸沙通量為0。

（3）模型驗證。模型驗證見文獻[19-22]。

3?計算條件分析

根據(jù)水利部2010年審查通過的《黃河河口綜合治理規(guī)劃》，入海流路除了清水溝外，還包括刁口河備用流路、遠景可能的十八戶與馬新河流路。規(guī)劃確定的改道標準為在設防流量10 000 m3/s時，西河口（二）站水位不超過12 m（大沽高程），未來規(guī)劃的流路是清水溝流路，清水溝流路行河完成后優(yōu)先啟用刁口河備用入海流路，馬新河和十八戶作為遠景可能的備用流路;清水溝流路繼續(xù)使用清8汊河，滿足改道條件后改走清水溝北汊，再次滿足改道條件后改走1996年前清水溝流路原河道，使清水溝流路在50 a左右的時間內保持相對穩(wěn)定。

3.1?計算范圍和地形

根據(jù)文獻資料分析得到的黃河河口入海泥沙河道淤積延伸對黃河下游的影響范圍，以及渤海灣電子海圖和黃河河道地形等資料，建立模型的范圍為：黃河下游河道濼口斷面為模型進口，渤海灣足夠大的海域為模型的出口。鑒于馬新河流路入海泥沙進入渤海灣后海域容沙體積和流路長度等方面的因素，僅布置了清水溝、刁口河和十八戶3條流路，建立黃河下游河道與海洋平面二維數(shù)學模型。利用2017年汛后大斷面數(shù)據(jù)對地形進行校正，作為計算的初始地形。模型范圍和入海流路見圖1，各主要斷面距濼口斷面的距離見表1。

3.2?計算分析

3.2.1?水沙系列設計分析

關于水沙系列研究，陳雄波等[12]依據(jù)2012年通過水利部審查的《黃河水沙調控體系建設規(guī)劃》，對6個入海流路方案采用3個50 a水沙序列進行計算，其中2020年后水沙序列均采用無古賢水庫情況，得到的利津站水沙量見表2[12]。

王崇浩等[15]參考小浪底水庫的設計水沙序列，并考慮有、無古賢水庫的調水調沙過程，經下游河道沖淤計算得到艾山斷面未來80 a（2000年起算）水沙過程，見圖2。

綜合分析未來50 a水沙序列，本次計算使用文獻[15]考慮古賢水庫的成果，再根據(jù)《黃河水沙調控體系建設規(guī)劃》，按照不同時段和流量級（小于800 m3/s，大于800 m3/s、小于2 600 m3/s，大于2 600 m3/s、小于4 000 m3/s和大于4 000 m3/s）的天數(shù)得到濼口斷面的水沙過程。

3.2.2?入海流路計算方案的選擇

文獻[12]設計計算了6個入海流路方案，本次計算使用其推薦的方案4，即在清水溝按汊河、北汊1、北汊2和清水溝原河道行河的基礎上，將刁口河作為分洪通道方案。2030年后刁口河分洪通道平時關閉，利津流量在4 000 m3/s以上時刁口河開始過流;利津流量為4 000～7000 m3/s時維持清水溝流路4 000 m3/s的過流量，刁口河過流量為0～3 000 m3/s;利津流量大于7 000 m3/s以后，刁口河仍維持3 000 m3/s的過流量，其余通過清水溝下泄。

以上述條件為計算的初始和邊界條件，計算入海泥沙在海洋動力作用下的輸運擴散和淤積沖刷情況。選取濼口以下主河槽內和入海徑流方向上的655個點分析沿程水位和河床高程的變化，選擇重要斷面（見圖1）分析水位變化，水位分析點選擇在主槽位置。

3.3?流路入海泥沙淤積延伸影響分析

按照2018年水沙條件分析河流和河口入海泥沙運動情況。

3.3.1?北汊流路入?？诤Ｑ髣恿Ψ治?/p>

圖3為濼口以下河段和黃河河口北汊入海后流速等值線與流速矢量疊加圖?？梢钥闯觯核鲝倪M口流入河道后，在彎曲河道內流動，在寬河段也只在主槽內流動，包括孤東油田的北大堤和滯洪區(qū)附近的寬河段。水流流入河口海域后，泥沙在徑流作用下運動，一方面向深海方向運動，另一方面在海洋動力作用下呈現(xiàn)出沿岸流的特性;黃河三角洲沿岸海域在三角洲頂點存在的高流速區(qū)域（垂線流速的平均值在0.45 m/s以上）和清水溝1996年沙嘴處的高流速區(qū)域都與實測資料一致。圖4為河道水位和海洋潮位等值線分布圖，可以看出，河道內水位比降小，海域內比降大，鑒于海域內水位變幅比較大，海域潮位變幅只顯示了0 m等值線。河道水位變化受模型進口濼口水沙過程和潮汐升降等海洋動力條件的影響，同時攔門沙規(guī)模不斷擴大和河口向外海延伸也對其造成影響。

3.3.2?泥沙運動含沙量分布分析

選擇濼口流量為500 m3/s、含沙量為8.0 kg/m3的典型水沙過程對泥沙在河道和河口中的運動進行分析。圖5（a）為河道水流含沙量沿程分布，水流從進口流入河道后在彎曲河道主槽內流動，流速比較大，含沙量也比較大，在比較窄的河道流速增大引起河床沖刷，水流含沙量增加到20 kg/m3。圖5（b）和（c）為剛開始落潮和漲潮時水流含沙量在口門的平面分布情況。水流流入河口海域后，泥沙一方面在徑流作用下向深海方向運動，由于流量比較小，漲潮動力比較大，因此高渾濁度區(qū)域在口門附近;另一方面在海洋動力作用下泥沙沿海岸運動，口門兩側水流含沙量較大，與沿岸流的特性一致。受北汊口門沙嘴的影響，落潮時期泥沙沙嘴偏向西北方向，漲潮時偏向東南方向，同時受漲落潮的影響，在口門附近含沙量最大，泥沙聚集在口門，而且含沙量等值線呈橢圓狀，中心含沙量最大。由圖5（c）可知，落潮結束、剛開始漲潮時口門中心最大含沙量為20 kg/m3;由圖5（b）可知，漲潮結束、剛開始落潮時挾沙水流動能最小，含沙量變化有一個滯后過程，此時對應含沙量最大，最大含沙量為32 kg/m3。泥沙在口門聚集是形成攔門沙的重要原因。另外，可見沿海岸和河道出現(xiàn)44 kg/m3的高含沙量區(qū)域，主要是在河道、海岸水動力和邊界條件的影響下形成的。

3.3.3?淤積沖刷厚度分布分析

入海泥沙3.18億t/a條件下河道和河口泥沙淤積分布見圖6?？梢钥闯?，泥沙入海時在潮汐和攔門沙的作用下主要淤積在口門附近，淤積最大厚度為5.23 m，主要淤積在入海水流方向上6～8 km的范圍內，而下游河道表現(xiàn)微沖和微淤的狀態(tài)，口門河道沖刷比較明顯，窄河段河床沖刷深度較大，沖刷淤積影響范圍為距離濼口斷面150～170 km處，即道旭斷面和利津斷面之間。主要原因是河道泥沙沖刷淤積的結果滯后于海洋動力和攔門沙的影響。

3.3.4?水位和水位差分析

2018年水沙條件下濼口3 000 m3/s流量時汛前和汛后其以下縱剖面的水位和水位差見圖7。可以看出：在潮汐和攔門沙的作用下，下游河道和入?？陂T附近泥沙沖淤引起了水位變化，在3 000 m3/s流量時最大水位差為0.19 m;距河口的最遠影響點為濼口以下約90 km處，即董家斷面和清河鎮(zhèn)斷面之間。主要原因是其他條件相同的情況下，3 000 m3/s大流量時，河床沖刷比較嚴重，沖刷后水位下降比較大，水位差也比較大，影響范圍距河口也比較遠。

3.4?刁口河入海泥沙淤積對下游河道的影響

在進口邊界條件即濼口流量為500 m3/s、水流含沙量為35 kg/m3下，得到刁口河流路1.5億t/a泥沙流入海域后淤積沖刷計算結果。選擇縱剖面水位分析河道水位的變化（選擇一日中同一時刻潮位條件下的水位）。從圖8可以看出河床淤積與沖刷的分界點為距濼口斷面185.33 km處，即利津斷面附近。該分界點以下河道淤積，海域淤積厚度較大。

3.5?十八戶流路入海泥沙運動及對下游水位的影響

十八戶流路入海位置特殊，作為遠期備用流路需要進行研究和探索，這里分析濼口流量為3 000 m3/s和含沙量為35 kg/m3條件下入海泥沙運動及對下游的影響。

3.5.1?入海泥沙運動分析

從十八戶入海泥沙運動、漲潮和落潮含沙量分布、一日漲潮落潮對河口和下游水位的影響圖可以看出，清水溝流路經過30多a的使用，沙嘴突出萊州灣，使十八戶入海河口口門處于南北西三面陸地環(huán)繞，僅一面與萊州灣連通，使得入海泥沙運動擴散的范圍減小。再由圖9可以看出，由于潮流等海洋動力較弱，因此向外海輸送泥沙的能力減弱，造成入海泥沙淤積，而且淤積在口門附近。

3.5.2?漲潮流對下游水位的影響

由于入?？陂T附近海域海洋動力較弱，因此漲潮流對河口入海徑流影響較小，明顯影響距離為入海口以上約15 km。

3.5.3?十八戶改道對改道點上下游水位的影響

十八戶流路改道位于距離濼口斷面約205.2 km位置。從圖10可以看出，改道點以下水位明顯下降，改道點以上水面比降遠小于改道點以下水面比降。主要原因是入海水流流路在十八戶改道點附近的彎曲比較大，改道點以上水流在彎道附近的阻力大，水位下降緩慢，改道點距入?？诰嚯x短，水沙運動阻力小，水面比降大。

3.6?未來50 a入海泥沙對黃河下游的影響

根據(jù)3.2節(jié)設計的水沙過程和計算方案，考慮了各流路海域的狀況等，對各流路的使用年限進行了分配，清水溝流路按照北汊河使用14 a、北汊1使用12 a、北汊2使用12 a、原河道使用12 a，刁口河作為分洪通道方案，計算未來50 a流路河流和河口入海泥沙淤積對河道的影響。使用Dell工作站并行計算方法，計算1 d相當于模擬計算河流河口入海水沙運動1 a。

（1）河口入海泥沙淤積分析。圖11為河口泥沙淤積厚度平面分布圖，可以看出：一方面，入海泥沙主要淤積在口門附近，最大淤積厚度等值線呈橢圓狀，橢圓長軸與海岸方向一致，說明泥沙在沿岸流的作用下沿海岸方向往復運動;另一方面，從泥沙淤積厚度0 m等值線的范圍看，入海泥沙向東南方向輸運擴散的距離和范圍大于向北部擴散的范圍。圖12和圖13分別為河口口門方向上剖面淤積厚度和河床高程，可以看出：隨著入海泥沙的增加，最大淤積厚度不斷增大，流路使用初期其最大值增加比較快，向外海淤積的速度也比較快;隨著時間的增長，最大淤積厚度增加速度和向外海淤積的速度減小，泥沙主要向口門兩側輸運和淤積。

（2）流路改道對下游的影響范圍。河口流路改道對下游的影響是一個復雜的過程，其主要表現(xiàn)為：在相同的水沙條件和河床比降條件下，流路改道初期，流路流程短、比降大，同流量下水流流速和挾沙能力增加，河道發(fā)生溯源沖刷;隨著流路使用時間的增長，溯源沖刷向上游發(fā)展的同時，河口入海流路向外海延伸，河道長度增長，溯源沖刷影響逐漸減弱直到結束。根據(jù)計算分析，入海泥沙河口淤積延伸對下游的影響范圍為距濼口斷面90～215 km，流路使用初期對下游的影響距離口門最遠，隨著流路使用年限的增長對下游的影響越來越小，未來50 a入海泥沙對下游的影響范圍在董家斷面到利津斷面之間。其中：清水溝北汊河河口使用對下游的影響在董家斷面附近，北汊1河口使用對下游的影響在前左斷面附近，北汊2河口使用對下游的影響在十八戶斷面附近，原清水溝河道河口使用對下游的影響在利津斷面附近。

（3）對西河口水位的影響。根據(jù)入海流路改道標準，當西河口流量為10 000 m3/s時水位達到12 m，因計算使用的設計水沙系列并沒有10 000 m3/s流量的，故確定西河口水位時，先計算出未來50 a不同流量的利津和西河口水位，再根據(jù)文獻[24-25]中的西河口和利津水位流量關系曲線，應用水位平行抬高法插值推算分析，最終得到西河口10 000 m3/s流量對應水位在流路使用初期和末期在10.23～11.18 m之間。其中：清水溝清8汊河河口使用14 a西河口水位在10.23～11.09 m之間，北汊1河口使用12 a西河口水位在10.39～11.18 m之間，北汊2河口使用12 a西河口水位在10.51～11.13 m之間，原清水溝河道河口使用12 a西河口水位在10.65～11.15 m之間。

4?結?論

以已建立和驗證的黃河河口海洋水沙二維數(shù)學模型為基礎，計算分析了清水溝北汊流路、刁口河流路和十八戶流路入海泥沙運動對黃河下游的影響范圍，對清水溝流路按清8汊河、北汊1和北汊2、原河道行河，刁口河作為分洪通道方案計算分析了未來50 a河道和河口入海水沙運動對下游的影響，結果表明該方案清水溝流路可以使用50 a以上。3條入海流路中，十八戶流路入?？谌姹魂懙丨h(huán)繞再加上海洋動力較弱和十八戶改道點附近河道彎曲水流阻力大，僅可以作為遠景備用流路;刁口河流路入海口附近的海洋動力強度和容沙能力處于清水溝流路和十八戶流路之間，宜作為清水溝流路行河結束后優(yōu)先選擇的流路;清水溝流路海洋動力強，泥沙海域容沙能力大，結合工程措施可以將入海泥沙輸送到深海。

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【責任編輯?張華巖】