祝天新

(德州市丁東水庫運(yùn)行維護(hù)中心，山東 德州 253500)

黃河冰凌災(zāi)害問題在歷史上以孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)性強(qiáng)、難以防治而成為我國冬春季節(jié)江河中極為突出的自然災(zāi)害，給兩岸人民帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。隨著河流上修建水庫后，上游河道的水位升高，過水面積加大，流速減緩，使挾沙能力降低，黃河來水來沙量的大小直接關(guān)系到黃河口門附近海域的沖淤演變，致使黃河河段出現(xiàn)了新的沖淤演變規(guī)律[2]。所以，對(duì)河道沖淤情況進(jìn)行分析，研究一種河道淤積預(yù)測(cè)方法來分析沖淤演變規(guī)律對(duì)防洪的影響十分重要。傳統(tǒng)的河床沖刷和淤積演化研究主要采用泥沙平衡法、實(shí)測(cè)斷面法、河相關(guān)系法、河工模型法和數(shù)值模擬法等流量條件下的水位變化方法；一些學(xué)者基于最小熵生成和最小能耗率原理、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、采用線性趨勢(shì)法、水體指數(shù)法等提取凌汛致災(zāi)因子蘊(yùn)含的持續(xù)性、突變性規(guī)律，對(duì)河床的沖刷和淤積演化進(jìn)行了分析[3-4]；但是，基本上沒有學(xué)者通過建立水動(dòng)力模型來研究河道沖淤演變規(guī)律變化。基于此，此次研究將采用經(jīng)驗(yàn)公式法、沙量平衡法以回歸模型方法對(duì)河道沖淤量進(jìn)行計(jì)算，分析沖淤變化規(guī)律；通過檢驗(yàn)計(jì)算方法、回歸模型方法和實(shí)測(cè)斷面方法計(jì)算年均沖淤量，來對(duì)河道的淤積和沖刷狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)；最后，通過HEC-RAS軟件建立黃河山東河壩下河道一維水動(dòng)力模型，對(duì)典型洪水、設(shè)計(jì)洪水等進(jìn)行數(shù)值模擬，研究河道沖淤變化規(guī)律對(duì)黃河山東段河道洪水的影響。

1 河道沖淤演變規(guī)律即沖淤預(yù)測(cè)方法研究

1.1 河道總體沖淤情況和變化趨勢(shì)研究

河床沖淤演變是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，變化很大程度上與河流的來水來沙條件以及河流的邊界有關(guān)[5]。研究將以山東黃河菏澤至東營河段為對(duì)象，通過沙量平衡法和斷面法對(duì)河段沖淤量進(jìn)行計(jì)算，分析河道的沖淤演變規(guī)律，并以演變規(guī)律為基礎(chǔ)，采用不同的方法來進(jìn)行河道沖淤厚度的預(yù)測(cè)。研究河道山東黃河菏澤至東營河段的基本特性見表1。

表1 研究河段的河道基礎(chǔ)信息

由表1可知，菏澤～濟(jì)寧、泰安～東營河段的河槽較窄，彎曲率較高，代表河槽受兩岸高地約束，主干較為穩(wěn)固、淤沙堆積少，無需進(jìn)行沖淤分析。濟(jì)寧～聊城河段，心灘發(fā)育，支流多，河床治理工程進(jìn)展緩慢，河床崩塌嚴(yán)重，為不穩(wěn)定的分汊型河床。濱州～槐蔭區(qū)河段是一條沖積平緩、沙質(zhì)、抗沖性能差、心灘稀少、邊灘發(fā)育、險(xiǎn)情頻發(fā)的河流，是一條彎道型河流。槐蔭區(qū)～泰安河段具有寬、窄、寬、淺、流態(tài)紊亂、沙質(zhì)河床抗沖刷能力弱、沖淤起伏大、主流搖擺、險(xiǎn)情頻發(fā)等特點(diǎn)，是一條游蕩型河流[6]。

在河床沖淤變化計(jì)算中，河道大斷面實(shí)測(cè)法和輸沙平衡法[7]是最常用的2種方法。輸沙平衡法又被稱為輸沙率法，指某一時(shí)段內(nèi)水體泥沙數(shù)量的動(dòng)態(tài)相對(duì)保持平衡。即在一定時(shí)段內(nèi)輸入與輸出水體沙量之差等于水體內(nèi)沙量的變化率。輸沙平衡方程如公式(1)所示[7-8]。

ΔWs=Wsj+Wsz+Wsp+Wsf-Wsc-Wsy

(1)

式中，ΔWs—河道沖淤量，kg；Wsj—河段的進(jìn)口沙量，kg；Wsz—支流沙量，kg；Wsp—排水溝排沙量，kg；Wsf—黃風(fēng)積沙沙量，kg；Wsc—河段的出口沙量，kg；Wsy—河段引沙量，kg。

輸沙平衡法的優(yōu)勢(shì)在于，該方法具有時(shí)間和空間上良好的連續(xù)性和完整性。但由于受引退水?dāng)?shù)據(jù)的限制和測(cè)量誤差的影響，導(dǎo)致該段泥沙平衡方法的計(jì)算結(jié)果不能像斷面方法那樣精確、可靠[9]。利用斷面法進(jìn)行斷面間沖淤量計(jì)算的公式為：

(2)

式中，ΔV—相鄰的2個(gè)斷面間的沖淤量，kg；ΔL—相鄰的2個(gè)斷面間距，m；Su和Sd—相鄰的上、下2個(gè)斷面間的沖淤面積，m2。

斷面法的優(yōu)勢(shì)為：①因?yàn)闇y(cè)試斷面布置的間隔很小，而且沖淤量的計(jì)算值只與起始狀態(tài)相關(guān)，而與中間過程無關(guān)，不存在累計(jì)性誤差，所以可以得到精確可靠的河道沖淤量的計(jì)算結(jié)果。②能反映河床沖淤變化規(guī)律[10]。

1.2 河道沖淤預(yù)測(cè)方法及洪水一維河道模型設(shè)計(jì)

此次研究還將根據(jù)計(jì)算分析得到的沖淤規(guī)律和實(shí)測(cè)資料，通過河段來沙系數(shù)和單位沖淤量建立多元回歸模型方法和利用1.1節(jié)的斷面法計(jì)算多年的平均沖淤量，進(jìn)行河道沖淤預(yù)測(cè)。研究以《黃河流域綜合規(guī)劃》中選定的代表性系列為參考，以1985—1995年11a的實(shí)測(cè)水沙資料為數(shù)據(jù)，進(jìn)行黃河山東段2023—2033年的沖刷和淤積預(yù)測(cè)[11]。研究將依據(jù)2010—2020年黃河山東段水沙觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建泰安站泥沙輸移速率與下游河床含沙量之間的多變量回歸模型，并利用該模型對(duì)下游河床進(jìn)行驗(yàn)證，回歸關(guān)系式為：

(3)

河道來沙系數(shù)是指河流含沙量與流量的比值，主要反映河道輸沙能力與水沙變化關(guān)系，來沙系數(shù)越小，表明在相同的流量或水流輸沙能力條件下，相應(yīng)的沙量就越小，從而使河道出現(xiàn)沖刷情況，相反，則會(huì)造成河道淤積情況[12]。

同時(shí)，研究將以實(shí)測(cè)大斷面和研究的河道沖淤變化規(guī)律為基礎(chǔ)，基于HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center-River Analysis System)軟件建立黃河山東段河道一維水動(dòng)力模型，對(duì)典型洪水、設(shè)計(jì)洪水等進(jìn)行數(shù)值模擬，研究河道沖淤變化規(guī)律對(duì)黃河山東段河道洪水的影響[13]。HEC-RAS是一種可用于恒定和非恒定一維水利計(jì)算的河道系統(tǒng)分析軟件。HEC-RAS的主要功能有：恒定流水面線的計(jì)算，非恒定流水流的模擬，動(dòng)邊界下的泥沙輸移以及水質(zhì)分析。該系統(tǒng)還能自動(dòng)生成斷面形態(tài)圖、水流和水位變化曲線、復(fù)合河道的立體剖面圖等多種分析性圖形，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法進(jìn)行水動(dòng)力過程研究的基本流程包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)值模型嵌套以及結(jié)果數(shù)據(jù)后處理。研究設(shè)計(jì)的一維河道水動(dòng)力模型的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 一維水動(dòng)力模型計(jì)算流程

由圖1可知，首先，研究通過實(shí)測(cè)斷面資料提取出河道的地形情況，通過相關(guān)控制站水位和流量達(dá)到邊界和初始條件，并根據(jù)邊界、斷面及河網(wǎng)文件構(gòu)建水動(dòng)力模型；其次，設(shè)計(jì)模型參數(shù)，并通過實(shí)測(cè)水位對(duì)比分析進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整；最終計(jì)算得出河道的最高水位線，得到一維水動(dòng)力模型。此次研究將根據(jù)濟(jì)寧～泰安2010年的實(shí)測(cè)控制站水位、流量數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)大斷面資料數(shù)據(jù)為模型構(gòu)建資料，設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，河道糙率濟(jì)寧～濟(jì)南為0.019～0.037，濟(jì)南～泰安為0.016～0.039，模型的初始水位設(shè)計(jì)為：在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)，河道最下游一個(gè)斷面的實(shí)測(cè)水位，模型設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30s，輸出結(jié)果的時(shí)間步長(zhǎng)為1h。

2 河道沖淤演變規(guī)律即沖淤預(yù)測(cè)結(jié)果分析

2.1 河道沖淤情況和變化規(guī)律結(jié)果分析

研究以1979—2021年黃河山東河段的來沙數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，根據(jù)濟(jì)寧至泰安河段的入沙和引沙數(shù)據(jù)，通過輸沙平衡法對(duì)3個(gè)時(shí)間階段的沖淤情況進(jìn)行計(jì)算和分析，3個(gè)時(shí)間階段為跋山水庫、青峰嶺水庫投運(yùn)時(shí)期(1979—1995年)，跋山水庫、青峰嶺水庫和老嵐水庫共同投運(yùn)時(shí)期(1996—2015年)和近期(2016—2022年)[14-15]，輸沙平衡法計(jì)算年均沖淤量結(jié)果見表2。

表2 輸沙平衡法計(jì)算年均沖淤量結(jié)果 單位：1011kg

由表2可知，在1979—1995年時(shí)段內(nèi)，濟(jì)寧～濟(jì)南和濟(jì)南～泰安河段均處于淤積狀態(tài)，即黃河山東河段均處于淤積狀態(tài)，年均淤積0.345×1011kg；1996—2015年時(shí)段內(nèi)，濟(jì)寧～濟(jì)南河段年平均沖淤量為-0.123×1011kg，處于微沖狀態(tài)，濟(jì)南～泰安河段年平均沖淤量為0.135×1011kg，處于微淤狀態(tài)，全河段整體年均沖淤量為0.012×1011kg，處于微淤狀態(tài)；近期2016—2021年時(shí)段，全河段處于沖刷狀態(tài)，年均沖淤量為-0.109×1011kg，濟(jì)寧～濟(jì)南河段處于微淤狀態(tài)，濟(jì)南～泰安河段處于沖刷狀態(tài)。同時(shí)，提高輸沙平衡法計(jì)算得到的1979—1995年時(shí)段的年均沖淤厚度：濟(jì)寧～濟(jì)南河段為0.061m，濟(jì)南～泰安河段為0.0182；1996—2015年時(shí)段，濟(jì)寧～濟(jì)南河段年均沖淤厚度0.2829m，濟(jì)南～泰安河段為-0.145m；2016—2022年時(shí)段，濟(jì)寧～濟(jì)南河段年均沖淤厚度0.0158m，濟(jì)南～泰安河段為-0.0251m。為了更加直觀地分析黃河山東河段沖淤量的變化規(guī)律，研究將對(duì)1979—2022年的年均沖淤量和累計(jì)值進(jìn)行分析，河段的歷年年均沖淤量累計(jì)變化如圖2所示。

圖2 黃河山東河段年均沖淤量累計(jì)變化圖

由圖2可知，年均沖淤量有明顯波動(dòng)，波動(dòng)范圍均在-2～2之間，在1996年時(shí)年均沖淤量達(dá)到最低，為-0.103×1011kg，表明河段呈沖刷狀態(tài)；在1993年時(shí)，年均沖淤量達(dá)到最高，為1.345×1011kg，為淤積狀態(tài)；整體年均沖淤累計(jì)值有明顯的波動(dòng)，在1991年時(shí)，年均沖淤累計(jì)值最小，為0.796×1011kg；在1985—1991年時(shí)段內(nèi)，累計(jì)值呈下降趨勢(shì)，表明該時(shí)段河段主要成淤積狀態(tài)；在2000年時(shí)，年均沖淤量達(dá)到最大值，為5.763×1011kg；自2002年以來，年均沖淤量較穩(wěn)定，主要以沖刷為主。

2.2 河道沖淤預(yù)測(cè)及河道沖淤對(duì)防洪的影響分析

研究將以年均沖淤變化規(guī)律為基礎(chǔ)，以1985—1995年的實(shí)測(cè)水沙資料為數(shù)據(jù)，進(jìn)行黃河山東段2023—2033年的沖刷和淤積情況預(yù)測(cè)，通過回歸模型方法、經(jīng)驗(yàn)公式方法和實(shí)測(cè)斷面法對(duì)河段沖淤預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 黃河山東段沖淤預(yù)測(cè)結(jié)果

由表3可知，回歸模型計(jì)算的年均沖淤量預(yù)測(cè)值為0.106×1011kg，經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算的預(yù)測(cè)值為0.062×1011kg，通過實(shí)測(cè)斷面法計(jì)算的年均沖淤量預(yù)測(cè)值相差不大，其中2000—2003年時(shí)段預(yù)測(cè)的沖淤量最高為0.106×1011kg，2000—2022年時(shí)段預(yù)測(cè)的沖淤量最低為0.078×1011kg。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值較小，不符合實(shí)際情況，將不選用該值進(jìn)行沖淤預(yù)測(cè)?；貧w模型與實(shí)測(cè)斷面法2000—2020年間的年均沖淤預(yù)測(cè)值相等，所以研究將選擇2000—2020年的實(shí)測(cè)斷面法計(jì)算的年均沖淤量0.106×1011kg，為黃河山東河段年均沖淤量的預(yù)測(cè)值。研究將以年均沖淤量預(yù)測(cè)值為基礎(chǔ)，對(duì)黃河山東濟(jì)寧～泰安各個(gè)河段的年均沖淤量和年均沖淤厚度進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見表4。

表4 黃河山東河段年均沖淤厚度預(yù)測(cè)結(jié)果

由表4可知，濟(jì)寧～聊城河段年均淤積量為52.63×107kg，年均沖淤厚度為0.007m；聊城～濟(jì)南河段年均淤積量和年均淤積厚度值均最小，分別為8.28×107kg和0.003m；濟(jì)南～濱州河段的年均淤積量為100.73×107kg，年均沖淤厚度為0.008m；濱州～槐蔭區(qū)河段的年均淤積量為387.92m3，年均沖淤厚度為0.011m；槐蔭區(qū)～泰安大橋河段均淤積量和年均淤積厚度值均最大，分別為485.47×107kg和0.012m；全河段的年均淤積量為550.12×107kg，年均沖淤厚度為0.011m。由于2010年黃河山東河段發(fā)生了洪水事件，此次研究將以2010年洪水過程為基礎(chǔ)，通過研究設(shè)計(jì)的一維水動(dòng)力模型設(shè)計(jì)洪水，并將設(shè)計(jì)的洪水水位線與實(shí)測(cè)的2010年洪水水位線進(jìn)行對(duì)比分析，水位線對(duì)比結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 黃河山東河段洪水水位線對(duì)比

由圖3可知，圖中深泓線為沿河流方向最大水深處的連線，深泓線波動(dòng)較大，且波動(dòng)不影響水位線的高度；模型設(shè)計(jì)水位線與實(shí)測(cè)最高水位線走向較為平緩，且水位線高度相差不大，模型水位線低于實(shí)測(cè)最高水位線，最大相差為1.6m。通過表2的年均沖淤量計(jì)算結(jié)果可知，1996—2015年時(shí)段內(nèi)，黃河山東河段處于淤積狀態(tài)，淤積量為0.012×1011kg，淤積厚度約為0.23m。黃河山東河段因河床部分泥沙淤積而形成的小流量洪峰，使河道的斷面具有比實(shí)際情況更高的水位，水位上升進(jìn)一步導(dǎo)致洪水的發(fā)生，容易造成洪水沖刷河岸，增加洪水災(zāi)害對(duì)人民財(cái)產(chǎn)安全的危害。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的河床沖淤演變分析方法只通過計(jì)算沖淤量來分析河道斷面形態(tài)，沒有考慮到河道沖淤變化對(duì)防洪的影響，研究將通過檢驗(yàn)計(jì)算、回歸模型和實(shí)測(cè)斷面方法對(duì)河道的淤積和沖刷狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過HEC-RAS軟件構(gòu)建河道一維水動(dòng)力模型來計(jì)算分析河道的沖淤演變規(guī)律。結(jié)果顯示，黃河山東河段年均沖淤量的預(yù)測(cè)值為0.081×1011kg；研究設(shè)計(jì)的模型水位線低于實(shí)測(cè)最高水位線，最大相差為1.6m，即淤積情況下河道斷面具有比實(shí)際情況更高的水位，易加重洪水對(duì)河岸進(jìn)行沖刷的可能性。同時(shí)，此次模型沒有考慮閘、壩、橋梁等人工節(jié)點(diǎn)的作用，今后的研究可以加上人工節(jié)點(diǎn)的設(shè)置。