黃河口清水溝流路淤積過程計(jì)算研究

黃河口清水溝流路淤積過程計(jì)算研究

1建立單次沖淤模型關(guān)于黃河口清水溝的使用年限的研究始于20世紀(jì)80年代。根據(jù)魏璐河河床比減少1.10萬人和西河口1000公里流量的洪水流量控制在12m以內(nèi)。尹學(xué)良教授的研究成果表明，清水溝原渠道可利用約50年（1983年）。如果調(diào)整小水，可使用70年。山東省河流事務(wù)局的研究成果表明，清水溝原渠道可使用35年（1987年開始）。黃河社設(shè)計(jì)研究院1989年提出的流路規(guī)劃認(rèn)為，清水溝原渠道可利用30年。20世紀(jì)90年代以后在國家“八五”攻關(guān)補(bǔ)充項(xiàng)目和UNDP項(xiàng)目中,中國水利水電科學(xué)研究院對(duì)清水溝流路(含原河道、汊河和北汊1流路)不同組合下的使用年限進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,研究成果認(rèn)為,在考慮小浪底水庫運(yùn)用的條件下清水溝流路還可行河50年左右,若西河口10000m3/s流量設(shè)防水位提高至13m,則清水溝流路的使用年限可達(dá)到80年左右(1993年起算)。文獻(xiàn)介紹了一、二維連接的黃河口整體沖淤數(shù)模的計(jì)算原理、方法及模型的驗(yàn)證結(jié)果。本文主要介紹該模型的應(yīng)用研究成果。利用這套模型,按設(shè)計(jì)的水沙系列,對(duì)未來黃河口清水溝流路的淤積發(fā)展過程及使用年限進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)流路使用年限、河道向海域延伸的安全距離、淤積量和淤積分布、海域容沙量及海洋輸沙能力等相關(guān)問題進(jìn)行了分析探討,為黃河河口綜合治理規(guī)劃提供了依據(jù)。2流路設(shè)計(jì)方案黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司將清水溝現(xiàn)行清8汊、北汊和原河道(圖1)根據(jù)西河口斷面設(shè)防流量10000m3/s下相應(yīng)水位為12m或西河口以下流路長度達(dá)到65km時(shí)改汊的控制條件設(shè)計(jì)了四個(gè)不同的流路改汊組合方案,如表1所示。流路使用年限指從計(jì)算年份開始到各流路淤積發(fā)展后達(dá)到改汊控制條件時(shí)可使用的年數(shù)。3古賢水庫水沙特性計(jì)算進(jìn)口斷面艾山站水沙系列的選取主要參考小浪底水庫的設(shè)計(jì)水沙系列過程,并考慮有、無古賢水庫二種情況的水庫調(diào)水調(diào)沙過程和經(jīng)下游河道沖淤計(jì)算后得到:①只考慮小浪底水庫運(yùn)用,經(jīng)黃河中下游河道調(diào)節(jié)后的艾山斷面80年水沙過程,以下簡(jiǎn)稱為“無古賢水沙系列”;②考慮小浪底水庫運(yùn)行20年后古賢水庫建成運(yùn)行,聯(lián)合調(diào)節(jié)小浪底水庫出庫水沙,經(jīng)黃河中下游河道調(diào)節(jié)計(jì)算后的艾山斷面80年水沙過程,以下簡(jiǎn)稱為“有古賢水沙系列”。二種設(shè)計(jì)水沙系列艾山水文站的設(shè)計(jì)年水量、年沙量及過程見圖2和圖3。有、無古賢水庫情況艾山站80年平均分別年沙量為5.31億t和5.86億t,古賢水庫運(yùn)用系列比無古賢水庫系列進(jìn)入黃河下游的沙量少43.85億t;水量基本相同,有、無古賢水庫年水量分別為243.2億m3和243.3億m3。4計(jì)算河海聯(lián)合泥沙沖淤計(jì)算按照有、無古賢水庫兩種設(shè)計(jì)水沙系列和區(qū)間引水過程,以2004年汛前斷面為計(jì)算初始河道邊界條件、2000年汛后黃河口水下地形為外海地形條件,取平均海平面(大沽高程1.48m)作為外海邊界條件,進(jìn)行河海聯(lián)合的泥沙沖淤計(jì)算,并預(yù)估四種不同流路組合的流路使用年限。表2給出了各流路組合方案的計(jì)算淤積量和組合流路使用年限。4.1流路組合方案從單股流路可使用情況看,現(xiàn)行清8汊達(dá)到西河口以下河長65km可使用22年;有、無古賢水庫情況下,北汊達(dá)到西河口以下河長65km可分別使用27年和26年。北汊比現(xiàn)行清8汊短,所以北汊達(dá)到西河口以下河長65km可比現(xiàn)行清8流路多使用4～5年。現(xiàn)行清8汊達(dá)到西河口10000m3/s水位12m,在有、無古賢水庫情況下分別可使用34年和32年,而北汊可分別使用37年和34年,說明古賢水庫的運(yùn)用可延長現(xiàn)行清8汊和北汊單一流路使用年限2～3年。從不同流路組合方案看,各方案清水溝流路的使用年限均在50年以上,有古賢水庫條件下,方案一～四的流路組合可分別使用63年、64年、68年和77年,無古賢水庫條件下可分別使用53年、56年、60年和63年,古賢水庫的修建可延長清水溝流路使用年限8～14年。不同流路組合方案比較,相同水沙系列條件下,方案一與方案二的使用年限只差1～3年,說明無論先使用現(xiàn)行清8流路至西河口水位12m還是先使用北汊流路至西河口水位12m,單股流路使用至西河口水位12m后改汊使用另一條汊河流路對(duì)延長清水溝流路的總使用年限的作用不是很明顯。方案三流路組合先使用現(xiàn)行流路至西河口以下河長65km后即轉(zhuǎn)用其它流路依次分別使用至西河口10000m3/s水位12m,在有古賢水庫條件下分別比方案一和方案二可多使用4～5年、無古賢水庫下分別多使用7年和4年。而方案四先分別使用北汊流路和現(xiàn)行流路至西河口以下河長65km,再依次使用原河道、北漢流路和現(xiàn)行流路至西河口10000m3/s水位12m,總的使用年限將更長,有、無古賢水庫下分別達(dá)到77年和63年,比方案三分別增加9年和3年。這說明在三條流路的使用過程中,單一流路達(dá)到使用壽命前有計(jì)劃的人工擺動(dòng)交替使用不同流路,有利于延長清水溝流路的總使用年限。但是,必須注意的是:在組合流路使用過程中,由于各流路的泥沙在海域淤積的范圍有所重疊及下游河道泥沙的前期淤積,在同樣的來水來沙條件下,先行使用的流路必然會(huì)影響隨后使用流路的可使用年限。當(dāng)一條流路一直使用至西河口水位12m時(shí)再轉(zhuǎn)換使用下一條流路,河口向海延伸距離較大,改汊后的溯源沖刷將難以到達(dá)西河口河段,就不能充分發(fā)揮下一條流路的輸沙作用。流路的實(shí)際可使用年限應(yīng)該稍小于表2中的計(jì)算年限。流路組合方案中,現(xiàn)行清8汊、北汊和原河道的終極可使用年限與流路使用的次序和來水來沙條件有關(guān)?？偟膩碚f,原河道由于計(jì)算初期河長較長,為65km,河道的縱比降較緩,相應(yīng)的河道輸沙能力弱,所以可使用年限短,各流路組合方案在有、無古賢水庫條件下可分別使用7～13年;現(xiàn)行清8汊的計(jì)算初始河長居中,所以該流路的可使用年限也介于原河道和北汊之間,為34～38年;北汊初始河長最短,所以最多可使用年限最長,有、無古賢水庫條件下分別達(dá)41年和38年。4.2各流路來水流變對(duì)內(nèi)流路長變化的影響在西河口10000m3/s水位12m的控制條件下,河道向海域延伸究竟有多遠(yuǎn)的距離,即使用清水溝流路不改道,西河口以下最遠(yuǎn)有多長的河長,是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,影響的因素包括來水來沙條件,河道及海域的情況及海流的輸沙能力等。表3為各流路的計(jì)算河長變化表。由表可見,使用現(xiàn)行清8汊或北汊時(shí),西河口以下河長約為75km左右,分別向海域延伸19km和28km,西河口以下的輸沙比降平均為0.105‰～0.110‰;原河道的西河口以下距離可達(dá)81km,還可向海域延伸16km,西河口以下的輸沙比降平均約為0.097‰。本次計(jì)算河道向海域延伸的安全距離與以往的研究成果基本一致。4.3不同林分密度下流路組合方案由于黃河水少沙多、河口不斷淤積延伸,所以黃河下游的河道仍然呈淤積發(fā)展?fàn)顟B(tài),一方面由河口延伸引起向上游的溯源淤積,另一方面是由小流量引起的沿程河道淤積和大流量漫灘水流造成的灘地淤積。計(jì)算結(jié)果表明不同流路組合方案下的黃河下游河道淤積量與來水來沙條件和流路的使用情況有直接的關(guān)系。在有古賢水庫情況下,流路組合方案一～四黃河下游艾山以下至入海斷面河道的淤積量分別為11.7億t、11.4億t、12.6億t和13.6億t,分別占使用年限內(nèi)艾山水文站來沙量的3.42%、3.26%、3.45%和3.27%;無古賢水庫情況下,流路組合方案一～四黃河下游艾山以下河道的淤積量分別為10.1億t、10.8億t、8.7億t和10.1億t,分別占使用年限內(nèi)艾山水文站來沙量的2.91%、2.94%、2.23%和2.50%。黃河泥沙入海后,在海洋動(dòng)力的作用下一部分輸往外海、一部分則在濱海淤積,形成攔門沙且不斷向深海推進(jìn),直接造成黃河入海流路的延伸。從計(jì)算結(jié)果看,有古賢水庫情況下,在組合流路使用年限內(nèi)流路組合方案一～四的入海沙量分別為302.0億t、307.4億t、321.5億t和363.8億t,分別占艾山水文站來沙量的88.1%、88.3%、88.0%和87.6%,其中輸往外海的沙量分別為163.4億t、161.0億t、173.5億t和190.9億t,分別占艾山站沙量的47.70%、46.2%、47.5%和46.0%,四個(gè)方案平均有46.8%的艾山站來沙輸往外海,輸往外海的沙量占入海沙量的百分?jǐn)?shù)分別為54.1%、52.4%、54.0%和52.5%,平均約有53.2%的入海泥沙輸往外海;而無古賢水庫情況下,方案一～四輸往外海的沙量分別為143.9億t、151.9億t、164.8億t和168.0億t,分別占入海沙量的46.7%、46.6%、47.4%和46.7%,平均約有46.9%的入海泥沙被輸往外海。由此可見,由于古賢水庫的運(yùn)用,入海沙量在前50年減少,泥沙顆粒有所變細(xì),由此帶來入海泥沙輸往外海的比例增加。4.4水下容沙量的計(jì)算黃河入海泥沙部分在濱海落淤,部分輸往外海。由于黃河沙量巨大,近海水體能否容納如此巨大的泥沙堆積呢?計(jì)算的濱海泥沙淤積量與實(shí)際可容納量有多大的差別,也是檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果合理性的一個(gè)指標(biāo)。文獻(xiàn)采用1992年至1993年所測(cè)海域水下地形統(tǒng)計(jì)計(jì)算了至西河口80km距離內(nèi)的清水溝海域的容沙量,為197億m3。本次計(jì)算考慮的各條流路下的海域容沙寬度均為20km,計(jì)算的初始地形為2000年汛后實(shí)測(cè)黃河口海域地形圖,計(jì)算得到現(xiàn)行清8汊、北汊和原河道的海域可容沙體積分別為64.0億m3、73.0億m3和43.0億m3(見表4),合計(jì)180.0億m3,考慮到1993年后海域有所淤積、容積減小,所以,可以認(rèn)為本次計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)是基本一致的。4.5輸賞海底的沙量黃河口的海洋輸沙能力是個(gè)十分復(fù)雜的問題,從河相因素來講,與來水來沙及其搭配情況、入海泥沙的級(jí)配有關(guān);從邊界條件來講,與河口岸線的延伸、沙嘴凸起程度等有關(guān);從海洋動(dòng)力方面看,隨潮流、波浪等動(dòng)力要素的變化而變化。在流路使用年限長時(shí)段的沖淤計(jì)算中只考慮水沙系列及各種岸邊線的組合,未考慮特殊時(shí)刻的風(fēng)浪等情況。4.3節(jié)已經(jīng)計(jì)算給出了有、無古賢水庫情況下輸往外海(指-15m等深線以外的海域)的沙量分別占入海沙量52.5%和46.9%,古賢水庫的運(yùn)用使輸入深海的泥沙比例增大。但同時(shí)注意到,不同組合流路使用情況下的年均排沙比差異不大。從年均輸往外海的輸沙量看,有古賢水庫情況下流路組合方案一～四輸往外海的沙量分別為2.59億t/a、2.52億t/a、2.55億t/a和2.48億t/a,平均2.53億t/a;無古賢水庫情況下流路組合方案一～四輸往外海的沙量分別為2.72億t、2.71億t/a、2.75億t/a和2.67億t/a,平均2.71億t/a?？梢?長時(shí)期計(jì)算結(jié)果反映,從年均輸往外海的輸沙量看,黃河口的海洋動(dòng)力較為穩(wěn)定,計(jì)算年均輸往外海的沙量符合目前普遍認(rèn)知的黃河口海洋輸沙能力約2～3億t/a。為了探討不同水沙搭配對(duì)排沙比的影響,還另外計(jì)算了典型水沙搭配下海流輸往深海的排沙比(2000年海域地形),結(jié)果列于表5中。從表5中看出,不同的水沙搭配,排沙比不同。流量相同,含沙量越大,口外淤積量越多,排入深海的比例越小,不同流量的徑流挾帶同樣量級(jí)的含沙量,隨著流量級(jí)的增大,排入深海的比例加大?？傊?河口入海流量越大,含沙量越小,則排入深海的比例越大,反之亦然。5方案實(shí)施年限及沙化本文利用經(jīng)驗(yàn)證的一、二維連接的數(shù)學(xué)模型預(yù)估了黃河口清水溝流路的淤積發(fā)展和流路使用年限,得到以下認(rèn)識(shí):(1)各流路組合方案下清水溝流路使用年限在53～77年間。有、無古賢水庫條件下,原河道可分別使用7～13年,現(xiàn)行清8汊可使用34～38年,北汊可最多使用38～41年。由于各流路的海域泥沙淤積范圍有所重疊,各流路的實(shí)際可使用年