梁艷潔，趙正偉

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），河南 鄭州 450003）

0 引言

黃河口水少沙多，海洋動(dòng)力相對(duì)較弱，歷史上黃河流域輸送至河口地區(qū)的泥沙絕大部分沉積在河口，造成河口流路不斷淤積延伸，河道長(zhǎng)度增加、比降減小，且長(zhǎng)期處于擺動(dòng)、改道的不穩(wěn)定狀態(tài)。黃河口漁洼至入?？诤佣伍L(zhǎng)約65 km，有堤段兩岸堤距5～14 km，控導(dǎo)工程布設(shè)不足，河道平面變化大，主槽很不穩(wěn)定。漁洼—西河口河段長(zhǎng)約6.5 km，介于窄河段與入海河段之間，主河槽寬300～500 m，河道呈微彎形；西河口以下為清水溝流路入海段，兩岸堤距為6.0～14.0 km，自上而下呈喇叭形；清4 控導(dǎo)工程以下至入?？诩s33 km 為無(wú)工程控制河段，由河道兩岸的導(dǎo)流堤約束入海。河口段河道整治工程數(shù)量明顯少于其臨近的黃河下游河段，不能有效控制河勢(shì)，加上近年來(lái)來(lái)水量大幅度減少，河道萎縮，更不利于現(xiàn)行清水溝流路的穩(wěn)定［1－2］。

目前，從河口地區(qū)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需求來(lái)看，保持河口流路長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定是十分必要的，眾多學(xué)者對(duì)穩(wěn)定河口流路提出了思路和方法［3－4］。李澤剛等［5－6］提出在西河口建設(shè)分洪閘和橡膠壩，將刁口河作為分洪通道；李殿魁等［7］提出在西河口修建高位分洪閘分洪至刁口河；陳雄波等［8］提出了清水溝、刁口河流路聯(lián)合運(yùn)用方案。

1953 年以后，黃河河口三角洲的擺動(dòng)頂點(diǎn)從寧海下移至漁洼，進(jìn)行了3 次大的人工改道（1953 年、1964年、1976 年的改道點(diǎn)即位于此河段）。該區(qū)域系現(xiàn)代黃河三角洲的頂點(diǎn)區(qū)域，是黃河下游河段與河口尾閭河段的銜接過(guò)渡區(qū)域。黃河口漁洼以下河道整治工程不足，防洪工程仍不完善，不能有效地控制河勢(shì)，漁洼至西河口介于上游窄河段與下游入海河段之間，對(duì)于河口地區(qū)的防洪至關(guān)重要。控制和穩(wěn)定漁洼—西河口河段（以下簡(jiǎn)稱漁洼河段）河勢(shì)，對(duì)于保障河口地區(qū)防洪安全、延長(zhǎng)清水溝流路使用壽命、促進(jìn)河口地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)與高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。本文通過(guò)建立平面二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)漁洼河段在不同來(lái)流條件下的流速分布、河道主流線變化等進(jìn)行研究，進(jìn)一步分析不同流量級(jí)洪水下河道整治工程的適應(yīng)性，提出適用于現(xiàn)狀來(lái)水條件、有利于河勢(shì)穩(wěn)定的治理方案。

1 漁洼河段河勢(shì)演變特點(diǎn)及治理現(xiàn)狀

1.1 漁洼河段河勢(shì)演變特點(diǎn)

漁洼河段長(zhǎng)約6.5 km，介于窄河段與入海河段之間，主河槽寬300～500 m，堤距6.0～8.0 km，河道縱比降約為0.01%，屬于彎曲型河道，河道灘地橫比降為0.04%～0.10%。由于20 世紀(jì)80 年代中期以來(lái)河口來(lái)水流量較小，因此河槽淤積萎縮，河勢(shì)相應(yīng)調(diào)整，河道平面有一定變化，主要表現(xiàn)為工程處溜勢(shì)的上提或下挫，90 年代小水持續(xù)坐彎及整治工程對(duì)河勢(shì)控制不力，一些局部河段河勢(shì)發(fā)生了較大變化，如1993 年汛期葦改閘控導(dǎo)工程全部撇彎脫河，壩前淤灘寬達(dá)1 200 m。2000 年小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用，2002 年小浪底水庫(kù)開始進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，受小浪底水庫(kù)調(diào)控作用影響，西河口河勢(shì)未發(fā)生大的變化。不同時(shí)期西河口河道主流線變化見圖1。

圖1 不同時(shí)期西河口河道主流線變化

目前，關(guān)于西河口附近河道治理有“大彎”和“小彎”兩種方案，“大彎”方案由左岸崔家莊和西河口控導(dǎo)工程合二為一，形成一個(gè)大彎道，“小彎”方案由崔家莊挑流至右岸葦改閘控導(dǎo)工程后再至西河口控導(dǎo)工程?！按髲潯狈桨感枰ㄔO(shè)的工程長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為構(gòu)造崔家莊、西河口的彎道頂點(diǎn)，兩工程間約4 km 的無(wú)工程控制區(qū)要大量布設(shè)工程，而且對(duì)崔家莊和十八戶工程的規(guī)模要求高于“小彎”方案?！按髲潯焙汀靶潯眱煞N方案治導(dǎo)線見圖2。

圖2 “大彎”和“小彎”方案治導(dǎo)線

1.2 漁洼河段治理工程現(xiàn)狀

從1986 年開始漁洼河段陸續(xù)新建了十八戶、崔家莊、葦改閘、西河口等控導(dǎo)工程（見圖3），因這些工程興建較晚，且大部分是為避免塌灘或引水而修建的，部分工程布局不合理，工程處數(shù)、長(zhǎng)度都達(dá)不到控導(dǎo)河勢(shì)的要求，河勢(shì)不能得到有效控制。十八戶控導(dǎo)工程迎流能力不足，首段灘岸坍塌嚴(yán)重，已對(duì)老控導(dǎo)工程及臨黃堤構(gòu)成威脅；崔家莊工程挑流能力不足，致使其下游對(duì)岸的葦改閘工程自1993 年汛期脫流至今，葦改閘以下的大部分工程處的溜勢(shì)也隨著上提或下挫，形成了一彎變、多彎變的局面，造成河岸坍塌，多數(shù)河道整治工程的前沿淤積成灘。葦改閘控導(dǎo)工程修建于1986年，1993 年汛末全線脫河，2011 年汛末開始重新靠水走溜，2014 年調(diào)水調(diào)沙期間局部出現(xiàn)坍塌，2015—2016 年凌汛期也出現(xiàn)了險(xiǎn)情。

圖3 漁洼河段控導(dǎo)工程布置

2 二維水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 控制方程

水流連續(xù)方程：

x方向水流運(yùn)動(dòng)方程：

式中：z為水位，h為水深，u、v分別為x、y方向的流速，n為糙率系數(shù)，D為紊動(dòng)黏性系數(shù)，g為重力加速度，t為時(shí)間。

為擬合不規(guī)則河道邊界，采用正交曲線網(wǎng)格對(duì)河道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將式（1）～式（3）轉(zhuǎn)化為正交坐標(biāo)系曲線方程：

2.2 求解方法與定解條件

根據(jù)推導(dǎo)，曲線坐標(biāo)系下模型基本方程可表示為如下一般形式：

控制方程的離散采用有限體積法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能很好地保證水流模型中水量和動(dòng)量守恒。方程離散采用自動(dòng)迎風(fēng)格式，離散方程的求解采用SIMPLEC 算法。

定解條件給定進(jìn)口流量和出口水位，在出口水位的基礎(chǔ)上假定一個(gè)比降賦值計(jì)算區(qū)域的初始水位。

3 漁洼河段河道過(guò)流特性

3.1 計(jì)算條件及網(wǎng)格布置

目前，黃河下游河道最小平灘流量為4 350 m3／s，調(diào)水調(diào)沙期間小浪底水庫(kù)調(diào)控流量為2 600～4 000 m3／s，《黃河河口綜合治理規(guī)劃》中漁洼河段整治流量為4 000 m3／s，因此綜合分析后采用4 000 m3／s 對(duì)漁洼河段過(guò)流情況進(jìn)行分析。鑒于漁洼以下河段的設(shè)防流量為10 000 m3／s，并考慮小水情況河道過(guò)流，選取1 000、4 000、10 000 m3／s 三種情況進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。

采用平面二維數(shù)學(xué)模型對(duì)西河口附近漁洼至清3斷面24.4 km 的河道進(jìn)行計(jì)算，包括上游來(lái)流1 000、4 000、10 000 m3／s 三種情況。計(jì)算網(wǎng)格布置見圖4，共布置了1.6 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格布置

3.2 流場(chǎng)分布

上游流量為1 000 m3／s 時(shí)，上游來(lái)流在崔莊控導(dǎo)工程作用下，向東南方向順河槽行進(jìn)，葦改閘控導(dǎo)工程僅尾部著溜，流速分布見圖5（a）。上游流量為4 000 m3／s時(shí)，崔莊控導(dǎo)工程挑流作用顯著，主流向右岸偏轉(zhuǎn)，葦改閘控導(dǎo)工程大部分著溜，流速分布見圖5（b）。上游流量為10 000 m3／s 時(shí)，河道灘地和主槽都過(guò)流，崔莊、葦改閘控導(dǎo)工程挑流作用明顯，流速分布見圖5（c）。

圖5 漁洼河段流速分布示意

3.3 斷面流速分布

在計(jì)算區(qū)域布置了4 個(gè)斷面（見圖6），通過(guò)分析不同來(lái)流條件的斷面流速，從圖7（斷面高程為1985國(guó)家基準(zhǔn)）可以看出，在3 種不同來(lái)流情況下，斷面流速分布均呈拋物線形。流量為1 000 m3／s 時(shí)僅有河道主槽過(guò)流，流速最大位置基本與深泓對(duì)應(yīng)；流量為4 000 m3／s時(shí)斷面1、斷面2 流速最大位置向左偏移，斷面2、斷面3 過(guò)流范圍增大，斷面4 河寬較小，屬于卡口斷面，最大流速基本位于中間；流量為10 000 m3／s 時(shí)斷面1、斷面2 流速最大位置靠左側(cè)，接近崔莊控導(dǎo)工程，斷面3 流速最大位置靠右側(cè)，接近葦改閘控導(dǎo)工程，斷面4 流速最大位置不變。

圖6 斷面布置

圖7 斷面流速分布

從斷面流速變化可以看出，上游來(lái)流1 000 m3／s時(shí)水流在崔莊工程作用下向河道中間調(diào)整，由于流量較小，因此過(guò)流范圍未達(dá)到葦改閘工程，大部分不著溜；上游來(lái)流4 000 m3／s 時(shí)，在崔莊工程的挑流作用下，葦改閘工程附近靠流；上游來(lái)流10 000 m3／s 時(shí)，斷面3 主流向右岸葦改閘工程明顯偏轉(zhuǎn)。

3.4 水流動(dòng)力軸線分析及治理方案

結(jié)合流速分布情況繪制不同來(lái)流條件的水流動(dòng)力軸線（見圖8）。來(lái)水流量為1 000 m3／s 時(shí)，上游段主流線靠近崔莊控導(dǎo)工程，向下游主流線基本處于河道中間，葦改閘控導(dǎo)工程不著流；來(lái)水流量為4 000 m3／s 時(shí)，崔莊控導(dǎo)工程附近主流線向河道中間偏移，葦改閘控導(dǎo)工程附近主流線向右側(cè)偏移；來(lái)水流量為10 000 m3／s時(shí)，河道主流線呈S 形，崔莊控導(dǎo)工程中下部靠溜，葦改閘控導(dǎo)工程尾部靠溜。

圖8 水流動(dòng)力軸線分布

根據(jù)漁洼河段的防洪需求，結(jié)合不同流量級(jí)水流動(dòng)力軸線分布情況，認(rèn)為“小彎”方案治導(dǎo)線與整體過(guò)流情況是吻合的，在4 000 m3／s 流量級(jí)條件下河道過(guò)流情況與各控導(dǎo)工程相適應(yīng)，能夠使水流歸槽、平順過(guò)流，減少水流散亂情況，穩(wěn)定主槽，提高河道輸沙能力。結(jié)合漁洼河段過(guò)流特性，“小彎”方案更具優(yōu)勢(shì)，能夠平順過(guò)流的同時(shí)可發(fā)揮現(xiàn)有控導(dǎo)工程的作用，更有利于河勢(shì)穩(wěn)定，同時(shí)也有利于勝利油田在西河口引水。

4 結(jié)論

1）黃河口漁洼以下河道整治工程較少，河勢(shì)不穩(wěn)定，從穩(wěn)定河勢(shì)、有利于防洪的角度出發(fā)，分析了漁洼河段治理工程現(xiàn)狀及河道歷史演變規(guī)律，提出了該河段治理的必要性。

2）采用平面二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)1 000、4 000、10 000 m3／s三種不同來(lái)流情況下西河口附近漁洼至清3 斷面24.4 km 河段的水流流態(tài)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明1 000 m3／s流量時(shí)葦改閘控導(dǎo)工程作用不明顯、10 000 m3／s流量時(shí)西河口險(xiǎn)工靠溜效果不理想、4 000 m3／s 流量時(shí)控導(dǎo)工程均能起到控制水流的作用。

3）通過(guò)4 個(gè)橫斷面不同流量級(jí)的流速分布套匯、河道主流線對(duì)比，分析了不同來(lái)流條件的斷面流速分布特點(diǎn)及河道整治工程的適應(yīng)性，4 000 m3／s 流量時(shí)河道主流與“小彎”方案治導(dǎo)線相適應(yīng)，對(duì)控制河勢(shì)較為有利。