河道泄洪排沙影响分析论文

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黄河口地区河床主要处于一个堆积的环境，当河流来沙不能全部输送至深海，则在河口地区发生沉积。从纵剖面上看，一般都存在着突出于上下游河段河底连线之上的成型堆积体，其中淤积部位处于河口段与口外滨海段的交接地区，亦即口门附近，称之为拦门沙。拦门沙形成之后，侵蚀基面抬高，对河口泄水排沙不利，导致水位壅高，泥沙沉积，产生溯源淤积，对尾闾河道具有负面的反馈影响。近年来，随着经济社会的持续发展，黄河两岸工农业用水量的持续增长，进入河口的水沙条件发生变异，尾闾河道主槽萎缩严重，防洪压力增大。因此，为减轻黄河下游河道及河口地区的淤积，一些专家提出采取疏浚、拖淤等措施治理河口拦门沙，尽可能保持口门畅通，以利泄洪排沙入海。然而，河口拦门沙演变剧烈，影响因素极为复杂，疏浚效果难于预测。目前黄河口尚未建立实体模型，同时在黄河口拦门沙地区还缺乏挖沙疏浚的实践，尚有很多关键技术问题和理论问题亟待解决。为此，本文采用概化物理模型[1]对河口拦门沙疏浚效果进行试验研究，为黄河口综合治理提供参考。

1试验的基本情况

1.1模型比尺模型设计为水平比尺λL=1000，垂直比尺λH=50，模型下边界设在海底高程达-14m的海域，上边界设在西河口以上1.5km处，模拟尾闾河道及河口长66km(如图1所示)，采用电木粉作为模型沙。由于模型的变率较大，必然造成一定的相似性损失，为尽可能保证模型与天然相似，模型试验按照模型相似率理论进行设计，并通过水位及冲淤量等模型率定试验对有关比尺进行适当的调整，确保主要物理量相似，使试验结果满足研究内容的要求。

图1模型平面布置

天然河道的水流一般处于紊流状态，保证水流相似的条件为重力相似和阻力相似，则流速比尺λV=λ1/2H=7.07，糙率λn=λ1/6H(λH/λL)1/2=0.43。在天然情况下，原型试验段的糙率系数一般在0.009～0.014之间，则要求模型糙率一般在0.0209～0.0325之间。对于动床模型，电木粉的糙率系数在0.02左右，小于设计要求的糙率。但由于概化模型的变率较大，河道的形态阻力和边壁阻力较大，模型的综合糙率基本能够满足设计要求，这一点在验证试验中得到了印证。

悬移质运动相似的条件为悬移、起动和冲淤相似。起动相似条件要求起动流速比尺与流速比尺相等，即λVc=λV。沉降相似比尺λω=λV(λH/λL)0.75=0.75，粒径比尺λd=(λωλV/λγs-γ)1/2=0.45。为保证模型中河床冲淤与原型相似，含沙量比尺经过多次验证试验调整后，模型试验最终采用λs=0.9，即λs=λs*=0.9。冲淤时间比尺：λt2=λLλγ′/λVλS=341。

1.2验证试验自1996年黄河口汊河流路行河以来，进入黄河口的水沙连年偏枯，只有1996年发生了较为典型的洪水，同时又恰逢汊河流路改道行水当年，尾闾河道发生了较大的冲淤变化。因此，选择1996年汛前实测河道和河口地形作为验证试验的初始地形，1996年6～10月实测水沙资料作为验证试验的水沙条件。表1给出了各级典型流量模型试验水位与天然实测水位，可以看出，误差在0.12m以内，表明模型基本达到了阻力相似；表2给出了分段冲淤量的验证结果，基本上能够满足河床冲淤相似性的要求。

1.3方案试验条件

1.3.1地形条件方案试验的初始地形，河道部分根据1996年汛后河道大断面测量资料及2000年实测的1∶1万的河道地形图确定。河口及海域部分根据1996年实测的1∶2.5万河口及海域地形确定。在此基础上，根据清水沟流路顶点高程最大的拦门沙实测地形资料，塑造了拦门沙I+1(见图2)。拦门沙I+1顶点约在S7处，顶坡段长约2km，顶点高程0m，自顶坡起始点向上游为一倒坡，坡度约为-1/2200，倒坡段长约4km，最低高程为-1.8m，坡顶与坡脚高差为1.8m。

1.3.2水沙条件根据试验内容，河道上游来水来沙条件采用恒定水沙过程和非恒定水沙过程。恒定流量分为大、中、小三级，根据该河段的水沙特点确定为1000m3/s、2000m3/s和3000m3/s，相应的含沙量分别为15kg/m3、30kg/m3和40kg/m3，来流持续时间分别为26d、13d和8d，下边界采用固定潮位(分别为平均中潮位0.5m和平均高潮位1.0m)。非恒定水沙过程采用黄委会设计院提供的小浪底水库正常运用期丰、平、枯不同典型年(利津站)资料(见表3)，下边界采用典型潮位过程。

表1不同流量级水位验证(单位：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

误差

-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

误差

0.12

-0.06

-0.06

表2冲淤量验证结果(单位：万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

丰水丰沙(1988)

中水平沙(1995)

枯水枯沙(1991)

径流量/亿m3

295.4

148.7

90.1

输沙量/亿t

9.76

4.53

1.24

1.3.3疏浚概况在拦门沙2.0km长的顶坡段顺水流方向开挖一宽500m、深约2.0m的河槽，同时在拦门沙4km长的倒坡段做相应疏通开挖，使得在拦门沙顶坡段和倒坡段形成一个顺畅的河槽，开挖量相当于原型约为380万m3。

图2河口拦门沙I+1地形

图3疏浚前后的流速分布

2试验成果分析

2.1典型流量的疏浚试验成果分析

2.1.1疏浚前后的流速变化在试验中观测到，河口拦门沙疏浚前，进入河口的径流自寻低洼捷径入海，在径流和潮流的作用下形成口门众多的支汊，每股水流虽有一定的河槽，但比较散乱，出汊摆动比较频繁。

河口拦门沙疏浚后，在口门地区人为塑造了一个比较明显的河槽，水流归顺。在试验中，量测了不同径流和潮位的组合下，河口拦门沙疏浚前后的流速变化。由图3可见，拦门沙疏浚后与疏浚前相比，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%，但随着疏浚部位的回淤，流速逐渐减小。

2.1.2疏浚前后尾闾河道水位的变化疏浚河口拦门沙的主要目的是降低侵蚀基准面，使尾闾河段主槽河床降低，增加主河槽的过水断面，降低水位，提高尾闾河道的泄洪排沙能力。因此，水位的分析包括以下两方面的内容：一是疏浚前后同流量级下水位的升降，反映了同一断面槽蓄能力的变化；二是疏浚前后水面比降的调整，反映了尾闾河段泄洪排沙能力的变化。

图4给出了疏浚前后沿程水位的变化情况。由于疏浚部位处于河海的交汇处，受河流动力和海洋动力的双重作用。可以看出，河口拦门沙的疏浚，降低了侵蚀基准面，在疏浚部位以上的尾闾河道产生了溯源冲刷；由于受平均潮位的控制，疏浚区同流量水位落差向海域方向快速减小至零，即达到平均潮位。因此，疏浚前后同流量的水位落差沿程分布呈V字形。由图可见，拦门沙疏浚后，尾闾河道溯源冲刷的大小和范围与黄河的水沙条件和潮位密切相关。在造床流量范围内，随着流量的增大，溯源冲刷范围增大；相同流量下，潮位增高，溯源冲刷的大小和范围有所减小。

2.1.3疏浚前后尾闾河道水面比降的变化疏浚河口拦门沙的目的是降低侵蚀基准面，在尾闾河道的下端形成一定的水位落差，并由此产生自下而上的溯源冲刷，下面就这一物理图景进行分析。

对于恒定均匀流，一维水流和泥沙方程可以表述如下。

水流连续方程：

Q=BhU

(1)

水流运动方程：

即

(2)

泥沙连续方程：

(3)

式中：z为河床高程；C为谢才系数；γ′为干容重。

输沙率QS的计算公式较多，如采用QS与河床比降J的一次方成正比的公式[2～4]，代入式(3)，并联解上述三式可得河床高程变化的偏微分方程

(4)

式中：K为综合系数。

河口拦门沙疏浚前后，在尾闾河道末端形成了水位落差，其边界条件可以考虑为

,0<x<∞，

0<t<∞

z(x,0)=0

z(0,t)=h(t)

(5)

假设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，发生溯源冲刷后的水面线为一下凹型曲线。由图5可见，河口拦门沙疏浚后，在上游的影响段内，发生了溯源冲刷，并呈下凹曲线型式；在疏浚河段及以下，由于受平均潮位的控制，水面比较平缓。

图4疏浚前后沿程水位差值的变化

由表4可以看出，河口拦门沙疏浚后，在上游溯源冲刷影响的河段内，水面比降变陡。在平均潮位为0.5m的条件下，1000～3000m3/s的水面比降由1.03～1.19增加到1.14～1.29；在平均潮位为1.0m的条件下，1000～3000m3/s的水面比降由1.00～1.17增加到1.06～1.25。当然，随着疏浚河段的回淤和河口淤积延伸，上游河段的水面比降将逐渐减小，直至与水沙条件相适应。

表4疏浚前后尾闾河道比降变化单位：

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河口拦门沙疏浚后的回淤情况在试验中，观测了各典型流量级下的河口拦门沙疏浚回淤情况(表5)。拦门沙疏浚后，施放不同典型流量，疏浚段都发生不同程度的回淤。当施放1000m3/s流量25d后，疏浚河槽回淤185万m3，占疏浚量的48.7%；当施放2000m3/s流量13d后，疏浚河槽回淤122万m3，占疏浚量的32.1%；当施放3000m3/s流量8d后，疏浚河槽回淤98万m3，占疏浚量的25.8%。可见，疏浚段的回淤率与来水来沙条件密切相关，当来流为一般的中小水(Q<2000m3/s)时，疏浚河槽回淤较快；当来流为造床流量(Q=3000m3/s)时，由于尾闾河道本身就发生冲刷，则疏浚河槽回淤较慢。

表5疏浚河槽的回淤情况

流量/(m3/s)

含沙量/(kg/m3)

历时/d

疏浚河槽疏浚情况

回淤量/万m3

回淤率(%)

1000

15

25

185

48.7

2000

30

13

122

32.1

3000

40

8

98

25.8

图5疏浚前后水面线变化

2.2典型水沙过程的疏浚试验成果分析

图6典型中水年疏浚前后的水位流量关系

2.2.1疏浚后对尾闾河道泄洪排沙的影响河口拦门沙疏浚后，降低了局部侵蚀基准面高程，在进入河口的水沙动力作用下，在上游临近的尾闾河道发生了溯源冲刷现象。在试验中观测了疏浚前后不同典型年尾闾河道的水位流量关系，图6给出了典型中水年各断面疏浚前后的水位流量关系。试验结果表明，疏浚河口拦门沙，在一定的时段内，在一定范围的尾闾河道，同流量下的水位均有所下降。各断面的下降幅度不同，而且规律亦有所差异，这与来水来沙条件和边界条件有关。在造床流量范围内，流量越大溯源冲刷范围越大；离疏浚位置越远，同流量水位下降值越小，直至到达某一断面，疏浚前后同流量下的水位流量关系基本相同。各水沙系列尾闾河道的具体情况如下：(1)在施放典型枯水年的汛期水沙条件下，尾闾河道的21km范围内发生了溯源冲刷，靠近疏浚位置的汊2断面同流量水位下降了0.21～0.24m，丁字路口断面同流量水位下降了0.17～0.20m，到达清4断面后，同流量下的水位与疏浚前基本相同。(2)在施放典型中水年的汛期水沙条件下，尾闾河道的32km范围内发生了溯源冲刷，靠近疏浚位置的汊1断面同流量水位下降了0.31～0.43m，丁字路口断面同流量水位下降了0.23～0.35m，到达十八公里断面后，同流量下的水位与疏浚前基本相同。(3)在施放典型大水年的汛期水沙条件下，尾闾河道的35km范围内发生了溯源冲刷，靠近疏浚位置的汊1断面同流量水位下降了0.39～0.47m，丁字路口断面同流量水位下降了0.35～0.43m，到达清2断面后，同流量下的水位与疏浚前基本相同。

2.2.2疏浚河槽的回淤过程在试验中观察到，河口拦门沙疏浚后，由于人为塑造了一个比较明显的河槽，在过流初期，水流归顺和相对集中，主流基本沿开挖的河槽行走。但是随着疏浚段河槽回淤、河口的淤积延伸以及潮起潮落水位变动等因素的影响，水流逐渐漫滩出流，并发生出汊分股的现象，并逐步向疏浚前的状态转变。

在试验中对不同水沙条件下疏浚段的典型断面回淤过程进行了观测，图7给出了典型中水年疏浚河槽的回淤过程。在试验的水沙条件下，疏浚段河槽始终处于回淤状态。从回淤的纵向分布看，靠近海域的疏浚断面回淤量大，靠近尾闾河道的疏浚断面量小。疏浚河槽的回淤量与来沙量的大小有一定的关系，来沙量越大，回淤量也相对越多，经过不同典型年一个汛期的水沙过程，疏浚河槽的回淤量可以达到70%～80%。从河口及海域的整体泥沙淤积分布看，仍然保持疏浚前的自然特性，即来沙量越大，淤积范围越大。从靠近尾闾河道的S2横断面看，小水年横向扩散淤积范围为3km左右，浅滩淤积厚度0～0.2m；中水年横向扩散淤积范围为3.5km左右，浅滩淤积厚度0～0.45m；大水年横向扩散淤积范围为6km左右，浅滩淤积厚度0～0.55m。从靠近海域的S6横断面看，在潮流的作用下，各典型年泥沙横向扩散沉积范围差别不大，横向淤积的厚度不同，来沙量越大，淤积厚度越大，大、中、小水年浅滩最大的淤积厚度分别为2.8m、3.9m和5.0m。

3结语

图7中水年疏浚断面回淤过程

(1)黄河口拦门沙疏浚后，在口门地区人为塑造了一个比较明显的河槽，水流归顺，与疏浚前相比，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%，但随着疏浚部位的回淤，流速逐渐减小。(2)黄河口拦门沙疏浚后，在上游的影响段内，发生了溯源冲刷，水面线呈下凹曲线型式；在疏浚河段及以下，由于受平均潮位的控制，水面比较平缓。(3)疏浚黄河口拦门沙，在一定的时段内，在一定范围的尾闾河道，同流量下的水位均有所下降。试验表明，在施放不同典型年的水沙条件下，尾闾河道可在疏浚点21～35km范围内发生溯源冲刷，同流量水位最大下降0.24～0.47m。(4)在试验的水沙条件下，疏浚段河槽始终处于回淤状态，经过不同典型年一个汛期的水沙过程，疏浚河槽的回淤量可以达到70%～80%。从河口及海域的整体泥沙淤积分布看，仍然保持疏浚前的自然特性，即来沙量越大，淤积范围越大。

致谢：参加本项试验工作的还有付玲燕、谭德新等同志，特此致谢。

参考文献：

［1］曹文洪，胡春宏，等.黄河口拦门沙疏浚效果概化模型试验研究［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2003.

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［3］谢鉴衡，主编.河流泥沙工程学(上册)［M］.北京：水利出版社，1981.

［4］曹叔尤.细沙淤积的溯源冲刷实验研究［A］.水利水电科学研究院论文集(第11集)［C］，北京：水利电力出版社，1983.