河道泄洪排沙影響分析論文

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黃河口地區河床主要處于一個堆積的環境，當河流來沙不能全部輸送至深海，則在河口地區發生沉積。從縱剖面上看，一般都存在著突出于上下游河段河底連線之上的成型堆積體，其中淤積部位處于河口段與口外濱海段的交接地區，亦即口門附近，稱之為攔門沙。攔門沙形成之后，侵蝕基面抬高，對河口泄水排沙不利，導致水位壅高，泥沙沉積，產生溯源淤積，對尾閭河道具有負面的反饋影響。近年來，隨著經濟社會的持續發展，黃河兩岸工農業用水量的持續增長，進入河口的水沙條件發生變異，尾閭河道主槽萎縮嚴重，防洪壓力增大。因此，為減輕黃河下游河道及河口地區的淤積，一些專家提出采取疏浚、拖淤等措施治理河口攔門沙，盡可能保持口門暢通，以利泄洪排沙入海。然而，河口攔門沙演變劇烈，影響因素極為復雜，疏浚效果難于預測。目前黃河口尚未建立實體模型，同時在黃河口攔門沙地區還缺乏挖沙疏浚的實踐，尚有很多關鍵技術問題和理論問題亟待解決。為此，本文采用概化物理模型[1]對河口攔門沙疏浚效果進行試驗研究，為黃河口綜合治理提供參考。

1試驗的基本情況

1.1模型比尺模型設計為水平比尺λL=1000，垂直比尺λH=50，模型下邊界設在海底高程達-14m的海域，上邊界設在西河口以上1.5km處，模擬尾閭河道及河口長66km(如圖1所示)，采用電木粉作為模型沙。由于模型的變率較大，必然造成一定的相似性損失，為盡可能保證模型與天然相似，模型試驗按照模型相似率理論進行設計，并通過水位及沖淤量等模型率定試驗對有關比尺進行適當的調整，確保主要物理量相似，使試驗結果滿足研究內容的要求。

圖1模型平面布置

天然河道的水流一般處于紊流狀態，保證水流相似的條件為重力相似和阻力相似，則流速比尺λV=λ1/2H=7.07，糙率λn=λ1/6H(λH/λL)1/2=0.43。在天然情況下，原型試驗段的糙率系數一般在0.009～0.014之間，則要求模型糙率一般在0.0209～0.0325之間。對于動床模型，電木粉的糙率系數在0.02左右，小于設計要求的糙率。但由于概化模型的變率較大，河道的形態阻力和邊壁阻力較大，模型的綜合糙率基本能夠滿足設計要求，這一點在驗證試驗中得到了印證。

懸移質運動相似的條件為懸移、起動和沖淤相似。起動相似條件要求起動流速比尺與流速比尺相等，即λVc=λV。沉降相似比尺λω=λV(λH/λL)0.75=0.75，粒徑比尺λd=(λωλV/λγs-γ)1/2=0.45。為保證模型中河床沖淤與原型相似，含沙量比尺經過多次驗證試驗調整后，模型試驗最終采用λs=0.9，即λs=λs*=0.9。沖淤時間比尺：λt2=λLλγ′/λVλS=341。

1.2驗證試驗自1996年黃河口汊河流路行河以來，進入黃河口的水沙連年偏枯，只有1996年發生了較為典型的洪水，同時又恰逢汊河流路改道行水當年，尾閭河道發生了較大的沖淤變化。因此，選擇1996年汛前實測河道和河口地形作為驗證試驗的初始地形，1996年6～10月實測水沙資料作為驗證試驗的水沙條件。表1給出了各級典型流量模型試驗水位與天然實測水位，可以看出，誤差在0.12m以內，表明模型基本達到了阻力相似；表2給出了分段沖淤量的驗證結果，基本上能夠滿足河床沖淤相似性的要求。

1.3方案試驗條件

1.3.1地形條件方案試驗的初始地形，河道部分根據1996年汛后河道大斷面測量資料及2000年實測的1∶1萬的河道地形圖確定。河口及海域部分根據1996年實測的1∶2.5萬河口及海域地形確定。在此基礎上，根據清水溝流路頂點高程最大的攔門沙實測地形資料，塑造了攔門沙I+1(見圖2)。攔門沙I+1頂點約在S7處，頂坡段長約2km，頂點高程0m，自頂坡起始點向上游為一倒坡，坡度約為-1/2200，倒坡段長約4km，最低高程為-1.8m，坡頂與坡腳高差為1.8m。

1.3.2水沙條件根據試驗內容，河道上游來水來沙條件采用恒定水沙過程和非恒定水沙過程。恒定流量分為大、中、小三級，根據該河段的水沙特點確定為1000m3/s、2000m3/s和3000m3/s，相應的含沙量分別為15kg/m3、30kg/m3和40kg/m3，來流持續時間分別為26d、13d和8d，下邊界采用固定潮位(分別為平均中潮位0.5m和平均高潮位1.0m)。非恒定水沙過程采用黃委會設計院提供的小浪底水庫正常運用期豐、平、枯不同典型年(利津站)資料(見表3)，下邊界采用典型潮位過程。

表1不同流量級水位驗證(單位：m)

流量/(m3/s)

1000

2000

3000

西河口

原型

6.75

7.50

8.18

模型

6.72

7.60

8.07

誤差

-0.03

0.10

-0.11

丁字路口

原型

3.38

4.24

4.62

模型

3.50

4.18

4.56

誤差

0.12

-0.06

-0.06

表2沖淤量驗證結果(單位：萬m3)

河段

CS7～清3

清3～清7

清7～汊3

CST～汊3

模型

-975

-665

-361

-2001

原型

-842

-581

-490

-1913

表3典型年水沙特征值

典型年

豐水豐沙(1988)

中水平沙(1995)

枯水枯沙(1991)

徑流量/億m3

295.4

148.7

90.1

輸沙量/億t

9.76

4.53

1.24

1.3.3疏浚概況在攔門沙2.0km長的頂坡段順水流方向開挖一寬500m、深約2.0m的河槽，同時在攔門沙4km長的倒坡段做相應疏通開挖，使得在攔門沙頂坡段和倒坡段形成一個順暢的河槽，開挖量相當于原型約為380萬m3。

圖2河口攔門沙I+1地形

圖3疏浚前后的流速分布

2試驗成果分析

2.1典型流量的疏浚試驗成果分析

2.1.1疏浚前后的流速變化在試驗中觀測到，河口攔門沙疏浚前，進入河口的徑流自尋低洼捷徑入海，在徑流和潮流的作用下形成口門眾多的支汊，每股水流雖有一定的河槽，但比較散亂，出汊擺動比較頻繁。

河口攔門沙疏浚后，在口門地區人為塑造了一個比較明顯的河槽，水流歸順。在試驗中，量測了不同徑流和潮位的組合下，河口攔門沙疏浚前后的流速變化。由圖3可見，攔門沙疏浚后與疏浚前相比，由于水流集中入海，疏浚部位的流速都有所增大，疏浚后行水之初流速可以增加10%～20%，但隨著疏浚部位的回淤，流速逐漸減小。

2.1.2疏浚前后尾閭河道水位的變化疏浚河口攔門沙的主要目的是降低侵蝕基準面，使尾閭河段主槽河床降低，增加主河槽的過水斷面，降低水位，提高尾閭河道的泄洪排沙能力。因此，水位的分析包括以下兩方面的內容：一是疏浚前后同流量級下水位的升降，反映了同一斷面槽蓄能力的變化；二是疏浚前后水面比降的調整，反映了尾閭河段泄洪排沙能力的變化。

圖4給出了疏浚前后沿程水位的變化情況。由于疏浚部位處于河海的交匯處，受河流動力和海洋動力的雙重作用?？梢钥闯?，河口攔門沙的疏浚，降低了侵蝕基準面，在疏浚部位以上的尾閭河道產生了溯源沖刷；由于受平均潮位的控制，疏浚區同流量水位落差向海域方向快速減小至零，即達到平均潮位。因此，疏浚前后同流量的水位落差沿程分布呈V字形。由圖可見，攔門沙疏浚后，尾閭河道溯源沖刷的大小和范圍與黃河的水沙條件和潮位密切相關。在造床流量范圍內，隨著流量的增大，溯源沖刷范圍增大；相同流量下，潮位增高，溯源沖刷的大小和范圍有所減小。

2.1.3疏浚前后尾閭河道水面比降的變化疏浚河口攔門沙的目的是降低侵蝕基準面，在尾閭河道的下端形成一定的水位落差，并由此產生自下而上的溯源沖刷，下面就這一物理圖景進行分析。

對于恒定均勻流，一維水流和泥沙方程可以表述如下。

水流連續方程：

Q=BhU

(1)

水流運動方程：

即

(2)

泥沙連續方程：

(3)

式中：z為河床高程；C為謝才系數；γ′為干容重。

輸沙率QS的計算公式較多，如采用QS與河床比降J的一次方成正比的公式[2～4]，代入式(3)，并聯解上述三式可得河床高程變化的偏微分方程

(4)

式中：K為綜合系數。

河口攔門沙疏浚前后，在尾閭河道末端形成了水位落差，其邊界條件可以考慮為

,0<x<∞，

0<t<∞

z(x,0)=0

z(0,t)=h(t)

(5)

假設h(t)=-ΔhH(t)，其中H(t)=0，t<0；H(t)=1,t≥0

也就是h(0)=-Δh和

解得

(6)

因此，發生溯源沖刷后的水面線為一下凹型曲線。由圖5可見，河口攔門沙疏浚后，在上游的影響段內，發生了溯源沖刷，并呈下凹曲線型式；在疏浚河段及以下，由于受平均潮位的控制，水面比較平緩。

圖4疏浚前后沿程水位差值的變化

由表4可以看出，河口攔門沙疏浚后，在上游溯源沖刷影響的河段內，水面比降變陡。在平均潮位為0.5m的條件下，1000～3000m3/s的水面比降由1.03～1.19增加到1.14～1.29；在平均潮位為1.0m的條件下，1000～3000m3/s的水面比降由1.00～1.17增加到1.06～1.25。當然，隨著疏浚河段的回淤和河口淤積延伸，上游河段的水面比降將逐漸減小，直至與水沙條件相適應。

表4疏浚前后尾閭河道比降變化單位：

方案

Q=1000m3/s

Q=2000m3/s

Q=3000m3/s

Z=0.5m

Z=1.0m

Z=0.5m

Z=1.0m

Z=0.5m

Z=1.0m

疏浚前

1.03

1.00

1.13

1.10

1.19

1.17

疏浚后

1.14

1.06

1.21

1.18

1.29

1.25

2.1.4河口攔門沙疏浚后的回淤情況在試驗中，觀測了各典型流量級下的河口攔門沙疏?；赜偾闆r(表5)。攔門沙疏浚后，施放不同典型流量，疏浚段都發生不同程度的回淤。當施放1000m3/s流量25d后，疏浚河槽回淤185萬m3，占疏浚量的48.7%；當施放2000m3/s流量13d后，疏浚河槽回淤122萬m3，占疏浚量的32.1%；當施放3000m3/s流量8d后，疏浚河槽回淤98萬m3，占疏浚量的25.8%?？梢?，疏浚段的回淤率與來水來沙條件密切相關，當來流為一般的中小水(Q<2000m3/s)時，疏浚河槽回淤較快；當來流為造床流量(Q=3000m3/s)時，由于尾閭河道本身就發生沖刷，則疏浚河槽回淤較慢。

表5疏浚河槽的回淤情況

流量/(m3/s)

含沙量/(kg/m3)

歷時/d

疏浚河槽疏浚情況

回淤量/萬m3

回淤率(%)

1000

15

25

185

48.7

2000

30

13

122

32.1

3000

40

8

98

25.8

圖5疏浚前后水面線變化

2.2典型水沙過程的疏浚試驗成果分析

圖6典型中水年疏浚前后的水位流量關系

2.2.1疏浚后對尾閭河道泄洪排沙的影響河口攔門沙疏浚后，降低了局部侵蝕基準面高程，在進入河口的水沙動力作用下，在上游臨近的尾閭河道發生了溯源沖刷現象。在試驗中觀測了疏浚前后不同典型年尾閭河道的水位流量關系，圖6給出了典型中水年各斷面疏浚前后的水位流量關系。試驗結果表明，疏浚河口攔門沙，在一定的時段內，在一定范圍的尾閭河道，同流量下的水位均有所下降。各斷面的下降幅度不同，而且規律亦有所差異，這與來水來沙條件和邊界條件有關。在造床流量范圍內，流量越大溯源沖刷范圍越大；離疏浚位置越遠，同流量水位下降值越小，直至到達某一斷面，疏浚前后同流量下的水位流量關系基本相同。各水沙系列尾閭河道的具體情況如下：(1)在施放典型枯水年的汛期水沙條件下，尾閭河道的21km范圍內發生了溯源沖刷，靠近疏浚位置的汊2斷面同流量水位下降了0.21～0.24m，丁字路口斷面同流量水位下降了0.17～0.20m，到達清4斷面后，同流量下的水位與疏浚前基本相同。(2)在施放典型中水年的汛期水沙條件下，尾閭河道的32km范圍內發生了溯源沖刷，靠近疏浚位置的汊1斷面同流量水位下降了0.31～0.43m，丁字路口斷面同流量水位下降了0.23～0.35m，到達十八公里斷面后，同流量下的水位與疏浚前基本相同。(3)在施放典型大水年的汛期水沙條件下，尾閭河道的35km范圍內發生了溯源沖刷，靠近疏浚位置的汊1斷面同流量水位下降了0.39～0.47m，丁字路口斷面同流量水位下降了0.35～0.43m，到達清2斷面后，同流量下的水位與疏浚前基本相同。

2.2.2疏浚河槽的回淤過程在試驗中觀察到，河口攔門沙疏浚后，由于人為塑造了一個比較明顯的河槽，在過流初期，水流歸順和相對集中，主流基本沿開挖的河槽行走。但是隨著疏浚段河槽回淤、河口的淤積延伸以及潮起潮落水位變動等因素的影響，水流逐漸漫灘出流，并發生出汊分股的現象，并逐步向疏浚前的狀態轉變。

在試驗中對不同水沙條件下疏浚段的典型斷面回淤過程進行了觀測，圖7給出了典型中水年疏浚河槽的回淤過程。在試驗的水沙條件下，疏浚段河槽始終處于回淤狀態。從回淤的縱向分布看，靠近海域的疏浚斷面回淤量大，靠近尾閭河道的疏浚斷面量小。疏浚河槽的回淤量與來沙量的大小有一定的關系，來沙量越大，回淤量也相對越多，經過不同典型年一個汛期的水沙過程，疏浚河槽的回淤量可以達到70%～80%。從河口及海域的整體泥沙淤積分布看，仍然保持疏浚前的自然特性，即來沙量越大，淤積范圍越大。從靠近尾閭河道的S2橫斷面看，小水年橫向擴散淤積范圍為3km左右，淺灘淤積厚度0～0.2m；中水年橫向擴散淤積范圍為3.5km左右，淺灘淤積厚度0～0.45m；大水年橫向擴散淤積范圍為6km左右，淺灘淤積厚度0～0.55m。從靠近海域的S6橫斷面看，在潮流的作用下，各典型年泥沙橫向擴散沉積范圍差別不大，橫向淤積的厚度不同，來沙量越大，淤積厚度越大，大、中、小水年淺灘最大的淤積厚度分別為2.8m、3.9m和5.0m。

3結語

圖7中水年疏浚斷面回淤過程

(1)黃河口攔門沙疏浚后，在口門地區人為塑造了一個比較明顯的河槽，水流歸順，與疏浚前相比，由于水流集中入海，疏浚部位的流速都有所增大，行水之初流速可以增加10%～20%，但隨著疏浚部位的回淤，流速逐漸減小。(2)黃河口攔門沙疏浚后，在上游的影響段內，發生了溯源沖刷，水面線呈下凹曲線型式；在疏浚河段及以下，由于受平均潮位的控制，水面比較平緩。(3)疏浚黃河口攔門沙，在一定的時段內，在一定范圍的尾閭河道，同流量下的水位均有所下降。試驗表明，在施放不同典型年的水沙條件下，尾閭河道可在疏浚點21～35km范圍內發生溯源沖刷，同流量水位最大下降0.24～0.47m。(4)在試驗的水沙條件下，疏浚段河槽始終處于回淤狀態，經過不同典型年一個汛期的水沙過程，疏浚河槽的回淤量可以達到70%～80%。從河口及海域的整體泥沙淤積分布看，仍然保持疏浚前的自然特性，即來沙量越大，淤積范圍越大。

致謝：參加本項試驗工作的還有付玲燕、譚德新等同志，特此致謝。

參考文獻：

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