黄河入海流路自1976年5月实施人工改道, 由清水沟流路入海已40余年, 受入海水沙、海洋动力、边界条件以及人工干预等众多要素的共同影响, 其形态调整剧烈且复杂, 其不断地淤积延伸是黄河下游河道淤积, 河床抬高以及形成地上悬河的主要原因^[1]。为此, 不少学者围绕黄河口尾闾河道演变做了很多研究。其中胡春宏等^[2]基于河道横断面分析了黄河口尾闾河道的萎缩过程及与水沙过程的响应; 杨卓媛等^[3]基于河道横断面, 计算黄河尾闾河道的河段尺度平滩形态参数, 分析了1990—2016年黄河口尾闾段河床形态的调整及过流能力变化过程; 张治昊等^[4]研究了水沙变异条件下河道形态调整规律, 并建立了河道形态萎缩的判别指标。以上诸多研究主要关注典型断面主槽的形态特征及过流能力, 而对于流路范围界限内河道断面整体形态及其沿程变化等地貌特征关注较少。然而黄河口流路范围界限内的整体形态, 尤其是河道的悬河程度, 不仅是黄河口的防洪安全评估的一项不可忽视的重要指标, 而且也是评估现行入海流路运用年限的重要依据。本文尝试以清水沟流路管理范围内渔洼以下河段加测横断面为研究对象, 辨识黄河口现状地貌分布特点和横断面沿程形态特征, 分析其成因, 以期能够从整体上把握现行清水沟流路地貌特征现状, 从而为黄河口地区的防洪安全和经济发展提供参考。

1 数据来源及指标获取 1.1 研究区域及数据来源

本文以现行清水沟流路流域范围界限区域内的地貌及横剖面形态特征开展研究, 根据《黄河河口综合治理规划》, 清水沟流路管理界限是指渔洼以下河段, 左岸边界为北大堤、孤东防潮堤, 右岸边界为南防洪堤、南大堤, 南北约40 km的范围(图 1)。以往研究表明^[5], 黄河口感潮河段一般为15~30 km, 在非汛期, 潮区界大约在清7断面附近(距离口门约30 km), 因此本文将清7断面以下河段作为感潮河段。

本文所采用的数据来自黄河水利委员会水文部门2019年10月测验的9个典型横断面数据(图 1), 其位置和长度如表 1所示, 断面高程系统采用1985年国家高程基准。与以往统测断面不同的是, 渔洼至汊3共7个断面是在以往统测断面的基础上进行延长, 使其能够跨越清水沟流域范围界限; 汊补1断面和汊补2断面是补测的2个新断面, 均位于汊3断面下游, 最下游的汊补2断面距上游渔洼断面65.7 km。通过上述断面测验, 以期掌握整个清水沟流路管理范围界限内的横断面形态特征。

1.2 指标获取方法

(1) 滩地横比降

滩地横比降分为左滩横比降、右滩横比降。在本文中, 滩地横比降采用滩唇与临河滩面高程的差值与滩地宽度的比值。对于有堤防河段, 临河滩面高程取临近大堤除顺堤河以外100 m宽度滩面的平均高程; 对于无堤防河段, 临河滩面取平均高潮线以上100 m宽度范围滩面的平均高程。具体如下式:

$ J=h / L, $

(1)

式中, J代表滩地横比降, h代表滩唇与临堤滩面高程的差值, L代表滩地宽度。

(2) 滩槽高差

临河滩面高程与平滩流量时主槽平均河底高程的差值^[7]。滩槽高差越小, 说明河道萎缩严重, 悬河程度越高。

(3) 唇滩高差

滩唇与临河滩面高差^[7]。本文当中取左、右岸较低滩唇高程与其相应侧临河滩面高程的差值。

(4) 河相系数

采用平滩流量时的河相系数^[8]。

$ \xi=\frac{\sqrt{B}}{H}, $

(2)

式中, ξ为平滩河相系数, B表示主槽平滩河宽, H表示主槽平滩水深。

(5) 主槽平滩过流面积

水位与左右岸最低滩唇高程齐平时的主槽过流面积。先判别主槽左、右岸滩唇的位置, 以较低滩唇的高程为基准, 以积分方式求得主槽过水面积。

2 横断面地貌分布和形态特征 2.1 典型河段横断面地貌分布特征

河口地貌是受河流和海洋动力等作用, 经侵蚀、搬运和堆积过程所形成的相互消长的各种地貌总称, 其既有河流地貌要素, 又有海洋地貌要素。黄河口的河流地貌类型与黄河下游较为相似, 所包含的自然地貌要素有主槽、滩地、自然堤、串沟、心滩等, 包含的人工地貌要素有堤防、生产堤、控导、险工等; 黄河口海洋地貌所包含的自然地貌要素有拦门沙、滩涂、潮沟等, 包含的人工或人工与自然复合的地貌要素有防潮堤、汊河、流域依托陆域等。本文分别选取渔洼、清加6、汊1(二)、汊补2四个代表断面, 对横断面地貌特征进行识别与分析, 其平面位置如图 1所示, 这四个断面代表了清水沟流路四种不同的地貌分布特征, 其中渔洼、清加6断面属于受两岸堤防约束的槽滩地貌, 汊1(二)、汊补2属于不受两岸堤防约束的槽滩地貌。

渔洼断面属于窄约束性槽滩地貌, 该断面附近是近代黄河入海流路的摆动顶点, 位于西河口水位站上游12.2 km, 两岸堤距相对较窄, 约为5.3 km (图 2)。断面主槽单一, 宽度为572 m, 平均高程为4.66 m; 两岸滩地有生产堤、串沟存在, 其中左岸滩地宽3 657 m, 平均高程为7.32 m, 左滩横比降为3.4‰, 右岸滩地宽1 020 m, 平均高程为7.43 m, 右滩横比降为5.1‰; 在左右岸大堤临河侧均有约1 m深的顺堤河, 说明渔洼断面两岸大堤临河侧出现过顺堤行洪现象。左岸北大堤背河侧平均高程为6.2 m, 比左岸临河滩面高程低0.6 m, 为典型的“二级悬河”形态。

清加6断面属于宽约束性槽滩地貌, 位于西河口水位站下游24.37 km, 渔洼断面下游36.57 km, 该断面横跨整个清水沟流路管理范围界限, 自左端孤东防潮堤开始, 至右岸南大堤横跨整个清水沟流流路管理范围(图 3)。清加6断面两岸堤距相对较宽, 约为12.6 km; 两岸大堤背河侧有属于清水沟流路范围的依托陆域存在, 南北向流路管理范围最大宽度可达37.5 km; 清加6断面主槽宽511 m, 平均高程1.39 m; 滩地有生产堤、串沟存在, 右岸有多个入海流路故道存在, 如甜水沟、小岛河等, 左岸滩地宽5 328 m, 平均高程为3.78 m, 左滩横比降为3.9‰, 右岸滩地宽6 808 m, 平均高程为3.53m, 横比降为2.3‰。左岸依托陆域宽11 228 m, 平均高程为1.38 m, 横比降为1.8‰; 右岸依托陆域宽13 586 m, 平均高程为1.89 m, 横比降为0.59‰, 孤东油田在左岸流域依托陆域范围内, 宽为8 600 m。左岸临河侧比背河侧平均高2.4 m, 右岸临河侧比背河侧平均高1.64 m, 断面整体为二级悬河形态。主槽距左岸孤东围堤16 556 m, 距右岸故道甜水沟6 269 m, 距右岸小岛河19 965 m。

汊1(二)断面属于开放性槽滩汊河地貌, 位于西河口水位站下游37.41 km, 渔洼断面下游49.61 km, 位于现行清8汊河沙嘴中部区域(图 1)。汊1(二)断面无堤防约束, 其左右岸陆上边界均系平均高潮线, 宽度约为22.4 km(图 4); 1996年5月之前行河主槽与现行清8汊河主槽共存, 其中清8汊河主槽宽399 m, 主槽平均高程为–0.12 m, 1996年前行河主槽宽408 m, 平均高程为–0.13m; 汊1(二)断面滩地包括左岸滩地、右岸滩地以及现行主槽与1996年前主槽的中间滩地, 其中左滩地宽8 622 m, 平均高程为0.73 m, 左滩横比降约为4.1‰, 右滩地宽12 062 m, 平均高程为1.164 m, 右滩横比降为4.0‰, 中间滩地宽度为918 m, 平均高程为2.37 m。该断面河漫滩地与潮滩共存, 串沟和潮沟发育, 现行河道主槽距左岸北汊河主槽约6.4 km。在现行主槽以及1996年前主槽附近的河滩地范围内分布了大面积喜淡水的芦苇草甸, 在高潮线附近广泛分布有盐地碱蓬, 以及少量的柽柳林, 在高潮线以下受潮水影响, 主要为无植被覆盖的裸滩^[9]。

汊补2断面属于开放性槽滩拦门沙地貌, 该断面无堤防约束, 位于西河口水位站下游53.5 km, 渔洼断面下游65.7 km, 位于清8汊河沙嘴顶部区域(图 1)。其左、右岸陆上边界均系平均高潮线, 宽度约为6.4 km(图 5)。汊补2断面有左、右两个汊河存在, 其中左汊河宽1 057 m, 平均高程–0.17 m; 右汊河宽860 m, 平均高程0.18 m, 在复杂的水沙动力作用下, 主、支汊河可以相互转换。该断面发育有心滩、拦门沙等典型地貌单元, 河漫滩地与潮滩共存, 串沟和潮沟发育, 其中左滩涂宽1 878 m, 平均高程为0.49 m, 左滩横比降约为6.2‰, 右滩涂宽879 m, 平均高程为1.164 m, 右滩横比降为6.6‰, 心滩(拦门沙)宽度为6 808 m, 平均高程为0.93 m。该断面所在河段广泛分布了适宜于较高盐度的互花米草, 以及少量的柽柳林。

2.2 尾闾河道横断面沿程形态特征

根据尾闾河道的特点, 将渔洼以下尾闾河道分为有堤防河段(渔洼断面至其下游下约42 km内河段)和无堤防河段(渔洼断面下游42 km以下河段)。由于清7断面也在渔洼断面下游约42 km处, 因此现状无堤防河段与感潮河段基本重合, 受潮流动力的影响较大, 有堤防河段基本不在感潮河段范围内, 受潮流动力影响较小。

尾闾河道左、右岸滩地平均高程较为一致, 均沿程下降, 主槽平均高程除部分河段略微抬升以外, 整体也呈下降趋势(图 6)。从表 2可以看出, 渔洼至汊补2河段主槽纵比降为0.74‰, 左滩地纵比降为1.04‰, 右滩地纵比降为1.05‰, 滩地纵比降大于主槽纵比降, 左右岸滩地高程沿程下降幅度大于主槽平均高程沿程下降幅度, 无堤防河段纵比降小于有堤防河段纵比降, 主槽及滩地高程沿程逐渐趋缓。整个渔洼以下河道左、右岸滩地平均高程均大于主槽平均高程, 没有出现黄河下游部分河段的滩地高程小于主槽平均高程的情况^[10]。

利用主槽平滩过流面积以及河相系数两个指标来表征尾闾河道主槽的横断面沿程形态特征。由图 7和表 2可知, 主河槽的过流面积沿程减小, 河相系数沿程增加, 主槽形态由窄深逐渐变为宽浅, 水流越来越容易漫滩。在有堤防河段, 主槽平均过流面积为1 643.1 m²; 在无堤防河段, 主槽平滩过流面积为1 373.8 m², 由前文分析可知, 无堤防河段的主槽纵比降小于有堤防河段的主槽纵比降, 因此无堤防河段主槽过流能力小于有堤防河段主槽过流能力。

利用滩槽高差、唇滩高差以及滩地横比降三个指标来表征尾闾河道主槽的横断面沿程形态特征(图 8、图 9)。滩槽高差表现为沿程减小趋势, 唇滩高差表现为沿程先增加后减小的趋势。在有堤防河段, 平均滩槽高差为2.76 m, 平均唇滩高差为1.02 m; 在无堤防河段, 平均滩槽高差为0.96 m, 平均唇滩高差为1.71 m。无堤防河段的滩槽高差明显小于有堤防河段的滩槽高差, 无堤防河段的唇滩高差明显大于有堤防河段的唇滩高差, 相差幅度在65%以上(表 3)。从滩地横比降这个指标来看, 左滩横比降呈沿程增加的变化趋势, 右滩横比降呈现先减小后增加的变化趋势(图 9)。在有堤防河段, 左、右岸滩地横比降较小, 左滩平均横比降为3.1‰, 右滩平均横比降为3.8‰, 右滩平均横比降大于左滩平均横比降(表 3); 在无堤防河段, 左、右岸滩地横比降有不同程度的增加, 左滩平均横比降为5.0‰, 右滩平均横比降为4.6‰, 相对于有堤防河段, 无堤防河段左、右滩横比降分别增加了61.29%和21.05%, 左岸滩地横比降增大幅度更为明显(表 3)。在整个渔洼以下河道, 左、右岸滩地平均横比降均大于3‰, 滩地横比降仍远大于河槽的纵比降。

从以上三个指标来看, 渔洼至汊补2河段无堤防河段的悬河程度形势比有堤防河段更大。根据相关研究, 黄河下游的滩槽高差大多小于2 m, 甚至出现小于0 m的情况^[10], 滩地横比降大多在5‰以上^[12], 从滩槽高差与滩地横比降两个指标来看, 黄河口尾闾河道的悬河程度好于大部分黄河下游河道。

3 尾闾河道横断面形态特征成因

黄河现行清水沟入海流路是在大量淤积以及人工修筑堤防约束水流的基础上逐渐塑造形成, 其横断面形式与黄河下游一样同为复式断面。但由于在渔洼以下约42 km处以下河段无堤防约束, 没有人工干预因子的直接影响, 同时受径流和海洋等多种复杂动力因素的作用, 其形态成因与黄河下游河段相比又有所区别。

3.1 主槽形态特征成因

有堤防河段的平均过流面积为1 643.09 m², 平滩河相系数为5.73, 无堤防河段的平均过流面积为1 373.82 m², 平滩河相系数为12.60。与有堤防河段相比, 无堤防河段的主槽过流面积减小幅度明显, 整体减小了16.3%, 平滩河相系数超过有堤防河段的2倍, 形态变得更为宽浅。

有堤防河段基本在潮区界以上, 该河段平均纵比降为0.85, 明显大于无堤防河段。主槽受径流动力的影响, 几乎不受潮汐顶托的作用, 因此该河段流速较大。以往研究表明^[11], 流速是水流搬运能力的重要影响因素, 在其他条件一定的情况下, 当流速增加1倍, 水流的搬运能力则是原来的64倍。因此该河段水流挟沙能力较强, 落淤较少, 从而主槽形态相对窄深, 过流面积较大。

无堤防河段基本都在潮区界以下, 该河段平均纵比降为0.54, 相对于有堤防河段明显减小, 在距口门附近的汊3至汊补2河段甚至出现倒比降(图 6)。受河道骤然大幅度展宽、水流扩散、潮汐顶托或盐水楔上溯、纵剖面倒比降等因素影响, 水流流速急速下降, 挟沙能力随着流速的降低而大幅下降, 而上游所挟带的泥沙因为水流挟沙能力降低而大量落淤, 从而导致该河段主槽形态更加宽浅, 过流面积相对较小。

3.2 悬河形态特征成因

(1) 唇滩高差和滩地横比降

唇滩高差和滩地横比降这两个指标的成因互相关联, 且都有沿程增大的变化趋势。有堤防河段和无堤防河段平均唇滩高差均大于1 m, 平均滩地横比降均大于3‰。

在有堤防河段, 河道两侧有堤防的约束, 左右岸滩地不受两侧海洋动力的作用。在左、右岸滩地唇滩高差差别不大的情况下, 主槽更靠近堤防的那一侧, 滩地宽度越小, 横比降越大。与此同时, 在有堤防河段分布有生产堤, 生产堤的存在减轻了洪水漫滩的次数, 这将导致淤积主要集中在主槽和嫩滩上, 而生产堤至大堤间的淤积量减少^[12], 从而导致唇滩高差和滩地横比降的增加, 这也是黄河下游典型“二级悬河”的形成原因。

在无堤防河段, 河道两侧无堤防的约束, 左右岸滩涂受海洋动力的直接作用。由于黄河口强浪主要来自东北方向^[13], 因此流路左岸侵蚀作用较强, 左滩横比降大于右滩横比降(表 3), 且左滩平均高程低于右滩地平均高程(表 2)。同时, 现行清8汊河口门附近滩地广泛分布互花米草等植被^[14], 占地面积约3 485 hm², 这些植被减弱了河槽两侧的水流冲刷强度, 促进了泥沙的落淤^[15]; 而平均高潮线附近盐度较大, 植被分布较少, 对水流动力减弱作用较小, 冲刷较强, 从而导致无堤防河段的唇滩高差和滩地横比降的增大, 且左岸滩地的横比降大于右岸滩地的横比降。

(2) 滩槽高差

有堤防河段的平均滩槽高差为2.76, 无堤防河段的平均滩槽高差为0.96。无堤防河段相对于有堤防河段, 滩槽高差减小了65.22%。这是由于一方面根据前述分析可知, 尾闾河段的主槽形态沿程变得更为宽浅, 而过流面积则沿程减少, 因此无堤防河段的主槽深度整体小于有堤防河段; 另一方面, 无堤防河段因为没有堤防的约束, 径流所挟带的泥沙在滩地淤积厚度相对于有堤防河段明显减小, 滩地平均高程下降幅度较主槽平均高程下降幅度更大, 从而导致滩槽高差沿程减小。

4 结论

本文以2019年10月黄河口现行清水沟流路范围渔洼以下河段加测横断面为研究对象, 辨识现状地貌分布特点和横断面沿程形态特征, 并分析其成因。得到主要认识如下:

1) 黄河现行清水沟流路尾闾河道横断面分为窄约束性槽滩地貌、宽约束性槽滩地貌、开放性槽滩汊河地貌、开放性槽滩拦门沙地貌四种地貌类型。其中窄约束性槽滩地貌和宽约束性槽滩地貌包含主槽、滩地、堤防等河流地貌要素, 具有典型的河流地貌类型特征; 而开放性槽滩汊河地貌和开放性槽滩拦门沙地貌除了含有上述部分河流地貌要素, 还包括滩涂、潮沟、拦门沙等海洋地貌要素, 兼具河流与海洋双重地貌特征。

2) 无堤防河段的主槽过流能力明显小于有堤防河段的主槽过流能力。有堤防河段平均主槽河相系数为5.73, 平均过流面积为1 643.09 m², 平均纵比降为0.85‰, 主槽形态较为窄深, 过流面积较大, 纵比降较大, 因此主槽过流能力较强; 无堤防河段平均主槽河相系数为12.60, 平均过流面积为1 373.82 m², 平均纵比降为0.54‰, 主槽形态较为宽浅, 过流面积较小, 纵比降较小, 导致过流能力较小, 因此无堤防河段更容易发生漫滩和出汊。以上两个河段主槽形态差异的形成主要是由于有堤防河段基本在潮区界以上, 无堤防河段基本都在潮区界以下, 与有堤防河段相比, 无堤防河段该河段河道大幅度展宽, 水流扩散, 潮汐顶托作用明显, 水流流速急速下降, 挟沙能力随之降低, 导致落淤较多, 从而使无堤防河段主槽过流面积减小, 形态更加宽浅。

3) 无堤防河段的悬河程度明显大于有堤防河段的悬河程度。与有堤防河段相比, 无堤防河段没有两岸大堤的约束, 径流所挟带的泥沙在滩地淤积厚度相对于有堤防河段明显减小, 而无堤防河段的主槽形态较为宽浅, 从而导致无堤防河段滩槽高差相对较小; 与此同时, 无堤防河段高潮线附近植被分布较少, 受海洋动力直接侵蚀作用较为明显, 而其主槽两侧则由于互花米草等植被的存在促进泥沙落淤, 从而导致无堤防河段的唇滩高差和滩地横比降相对较大。因此无堤防河段的“自然悬河”程度明显大于有堤防河段的“二级悬河”程度。

4) 从滩槽高差、滩地横比降两个指标来看, 现行清水沟流路尾闾河道的悬河程度小于大部分黄河下游的悬河程度。但现行清水沟流路的滩地横比降依然远大于河槽纵比降, 部分河段的大堤临河侧有明显的顺堤河, 再加上两岸滩地串沟、潮沟广泛分布, 当发生漫滩洪水时, 极易造成顺堤行洪, 对黄河口堤防造成极大的威胁。因此黄河口河道的悬河程度, 尤其是有堤防河段的“二级悬河”依然是黄河口综合治理当中一项不可忽视的问题。

5) 本文只对黄河口现状大断面形态及成因进行了初步的探讨, 对于入海水沙、海洋动力等要素对黄河口地貌形态演变的影响尚需进一步的研究。