黄河口拦门沙疏浚对尾闾河道泄洪排沙影响的研究 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。
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图1 模型平面布置
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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。
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图2 河口拦门沙I+1地形
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图3 疏浚前后的流速分布
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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：
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。 | 
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图4 疏浚前后沿程水位差值的变化
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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
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2.2 典型水沙过程的疏浚试验成果分析
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图6 典型中水年疏浚前后的水位流量关系
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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 | 
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图7 中水年疏浚断面回淤过程
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(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.
［2］ Bagnold R A. The Nature of Saltation and Bed Load Transport in Water［J］.Proc. of the Royal Society, Series A, 1973,332:473-504.
［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.
收稿日期：2004-06-09
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50239040)；国家重点基础研究规划(973)项目(G1999043604)
作者简介：曹文洪(1963-)，男，教授级高级工程师，从事泥沙研究。
E-mail:erosion@iwhr.com
