黄河口清8出汊工程的作用及对河口演变的影响
摘要：通过实际查勘、依据多年积累的原型观测资料，分析了清8出汊工程对黄河河口、河床演变的作用；解答了入海口门调整的淤海造陆效果、对河口段河道、防洪、流路演变的贡献等问题；论述了黄河河口演变的机制，揭示了黄河河口第三次小循环的形成、及黄河河口流路在下半个世纪的归宿；得出了人工干预下的河口河道形成机制；提出了地确定黄河口门出汊调整的时机、地点与周期，极大地延长黄河演变单循环过程中最有利于行河周期的可能性及人工干预下复循环演变的存在性。使人工干预河口演变、延长河口流路使用年限成为可能。
关键词：黄河 复循环演变 淤滩采油 河口治理
1 清8出汊工程实施背景及基本情况
利用黄河泥沙淤滩造陆，变滨海区的石油海上开采为陆上开采是近年胜利油田滨海区油汽开发的发展战略之一。在清8出汊工程预行河海域发现储量2亿多吨新滩垦东油藏情况下，胜利石油管理局提出了适当调整清水沟流路入海口门，利用黄河泥沙淤海造陆，变垦东12海域油区石油的海上开采为陆地开采的要求。90年代以来黄河口断流日益加剧，给河道、河口演变带来诸多问题。黄河河口演变的客观形势也要求重新认识河口，采取新的治理对策。实施清8出汊工程不仅是淤滩采油的需要而且为重新认识河口，寻找治理河口新方法提供了契机。清8出汊工程实施方案经山东黄河河务局详细论证并报请黄委会批准后，于1996年汛前实施了人工出汊。该工程5月11日开工，7月18日完工。工程主要包括(图1)：开挖引河5.0km；引河断面为梯形，纵比降1/5000，平面挖深1.0～1.3m。在原河道修筑4.1km长的截流坝； |
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坝顶高出原河道两岸导流堤0.4m。在引河左岸距引河轴线1.5km外，修筑5.5km长的导流堤。在开挖引河两侧破除原河道左岸导流堤，破除口门4个。出汊工程实施后，黄河入海流程较原河道缩短16.6km。
2 清8出汊工程的作用
2.1 出汊对河口段河道演变的作用
2.1.1 出汊河道行水状况及其河道形成机制
1996年黄河入海水沙控制站利津站年水量为167亿m3、年沙量为4.5亿t，分别较多年平均偏小53%和50%，该年河口来水来沙仍属枯水少沙系列。清8出汊后，当年河口段出现了一次较理想的流量过程，对河口口门段成河较为有利。汊河过流后几天内，利津站流量就超过1500m3/s；并且该年黄河两次洪峰在河口段汇合，利津站最大洪峰流量达4130m3/s。汊河行水初期因河口流量较小，水流沿开挖引河下泄入海；此后随着流量的增大，水流沿引河漫溢，在两侧导流堤之间下泄入海；但主流仍在引河内。当利津站流量达到2000m3/s时，截流坝南侧部分被冲开，老河部分过水，过水量约占总水量的30%。利津站流量达到2800m3/s时，洪水沿开挖引河漫溢并冲毁右岸，分别沿引河、老河、导流堤破口处呈三股下泄入海。当利津站流量回落至1500m3/s时，因老河截流坝仍未堵复，老河仍有部分过流，此时出汊点以下河道流速均匀，已形成较明显河槽。出汊点下1km范围内，河宽300～400m，深弘点水深5～6m；1km以下，河槽开始展宽，河宽1～2km，深弘点变浅，并且在出汊点以下9km处，形成向左的微弯，入海口门处水深1.1m左右。整个出汊河段比较顺直，大水过后无分汊现象。出汊工程缩短了入海流程，河口侵蚀基面相对降低，河口段河道发生冲刷。由实测资料分析，出汊点以下河道主槽平面冲深0.5m以上，同时从出汊点以下的汊2河道断面比较图(图2)可看出：出汊河道主槽河底高程亦明显低于该河段原始地面高程，主槽河宽约为开挖河槽的2倍；河两侧出现明显滩唇，滩唇最高点较两侧原始地面高约1.5m。可见，清8以下河道形成机制不象清水沟流路改道初期是单纯的淤滩成槽过程。而系在人为干预下与自然演变相结合发展形成的；即河道主槽形成机制为人工开挖引河，河水冲刷下切、拓宽逐渐淤滩成槽而成。
2.1.2 由河道冲淤变化看清8出汊的作用 近年因河口段连续的枯水枯沙系列、清水沟流路不断延伸，使河口段河道处于连续淤积状态，其表现在河道断面萎缩、河底高程抬高、同流量水位抬升，出现了对河口、防凌不利的局面。清8出汊后河口段河道冲淤状况发生了质的变化。由表1所示的出汊前后利津以下河道冲淤变化可知：出汊前利津以下河道冲淤趋势仍是淤积，并且愈靠近河口淤积愈厚，淤积的溯源特征明显。 |
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1996年清8出汊后，汊河开始行水的7月中旬至9月中旬，2个月的时间，利津以下河道全面发生冲刷，其中利津至西河口河段冲刷830万m3，西河口至清7河段冲刷1440万m3。西河口以下河道的冲刷强度是利津至西河口之间的2.5倍，冲刷厚度也大于西河口以上；溯源冲刷特征明显。当年汛后至1997年汛前，利津站水量较小，且断流多次，致使清8出汊所引起的河道冲刷渐趋减弱。该阶段利津以下河道保持微冲状态；其冲淤特性仍为溯源性冲刷；根据实际查勘，清8出汊缩短黄河入海流程后，潮流影响已上溯到清6至清7断面间。此间口门段冲刷主要以潮流作用为主。1997年汛期，利津站水量只有2.44亿m3，沙量仅有0.0747亿t；河口出现了上罕见的枯水枯沙年份。致使利津至西河口段河道淤积了1210万m3；西河口以下仍冲刷了1110万m3。至1997年汛后，清8出汊引发的河口段冲刷对西河口河段以下还发挥着作用。1997年汛后至1998年汛前，利津站来水5.43亿m3，来沙0.02亿t，因该期严重干旱，河口段引水加大，且有地方部门在清6断面以下约3km处修的截流坝，基本无水量入海。该阶段利津至截流坝段河道冲淤变化不大；截流坝以下河道因距入海口门较近，在潮流作用下继续表现为冲刷。1998年汛期，河口段水沙条件接近1986年后的正常年份，利津站水量为93.6亿m3，沙量为3.53亿t。该年因在河口段的朱家屋子至清6断面间11km范围内实施了“挖河固堤启动工程”实验，挖走了550万m3泥沙，使河口段河道的边界条件在局部发生改变，其对河口段河道冲淤特性有所影响，挖沙河段发生回淤，而其上下河段一定范围内出现冲刷，产生了一定的减淤效果。由于挖沙部位在西河口以上，距河口尾闾尚有50余km，因此其对河口尾闾段影响较小。
表1 清8出汊前后利津以下河道冲淤变化
Lijin cross-section downstream erosion-deposition changes along
the Qing 8 man-made river branch
时段 | 冲淤量(万t) | 冲淤强度(万t/km) | 冲淤厚度(m) | |||
利津至西河口 | 西河口至清7 | 利津至西河口 | 西河口至清7 | 利津至西河口 | 西河口至清7 | |
1995.10～1996.5 | 40 | 490 | 0.84 | 11.8 | 0.01 | 0.06 |
1996.5～1996.9 | -830 | -1440 | -17.5 | -40.5 | -0.19 | -0.22 |
1996.9～1997.5 | -50 | -30 | -0.10 | -0.06 | -0.01 | -0.01 |
1997.5～1997.10 | 1210 | -1110 | 25.51 | -31.15 | 0.27 | -0.14 |
1997.10～1998.5 | -20 | -20 | -0.42 | -0.56 | -0.004 | -0.003 |
1998.5～1998.10 | 132 | -36 | 3.16 | -0.79 | 0.03 | -0.006 |
1886.5～1998.10 | 442 | -2636 | 9.32 | -57.9 | 0.10 | -0.38 |
表2 利津、一号坝、西河口、丁字路口站1990～1998年2000m3/s同流量水位表
Water-level list of discharge-2000m3/s at sta.Lijin、Yihaoba、
Xihekou and Dingzilukou from 1990 to 1998
年份 | 利津(m) | 一号坝(m) | 西河口(m) | 丁字路口((m) |
1990.10 | 12.65 | 10.16 | 8.28 |
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1991.10 | 12.74 | 10.23 | 8.27 | 5.32 |
1992.10 | 13.00 | 10.39 | 8.53 | 5.62 |
1993.10 | 13.32 | 10.85 | 8.93 | 5.95 |
1994.10 | 13.29 | 10.74 | 8.95 | 5.74 |
1995.10 | 13.44 | 10.94 | 9.03 | 6.04 |
1996.10 | 13.11 | 10.47 | 8.42 | 5.07 |
1997.10 | 13.10 |
| 水 小 无 资 料 |
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1998.10 | 13.12 | 10.5 | 8.40 | 4.75 |
2.1.3 由同流量水位、河势及河长变化看清8出汊的作用
由表2知：1990～1995年利津以下各站同流量下水位均呈逐年上升趋势。出汊后河口段同流量下水位均呈现下降趋势。1996年汛后相应于2000m3/s流量的水位四站较1995年10月分别下降了0.33m、0.47m、0.61m、0.97m。同流量水位下降幅度呈下大上小之势，亦说明清8出汊工程实施后河口段河道冲刷的溯源特性。溯源冲刷的范围在西河口以上，约50km。“96.8”洪水在黄河下游造成大漫滩，各河段超过或接近最高水位情况下，河口段没有发生较大范围的漫滩，洪峰流量相应水位较常年有所降低，其与清8出汊工程的实施有直接关系，减轻了河口地区压力。1997年河口段来水来沙且断流天数多，其对延续河口段河道的溯源冲刷极为不利。至1998年利津以下各站2000m3/s流量级的水位利津至一号坝开始缓慢抬升，西河口以下仍保持下降趋势；其与1998年实施“挖河固堤启动工程”所产生的减淤效果有一定的关系。显然不利的水沙条件使清8出汊引发的河口段河道冲刷在逐渐减弱，影响范围逐渐减小。清8出汊人为控制了河口段河势。其对稳定河口段河势的作用是非常明显的。90年代以来清水沟流路河口段河势开始呈现不稳定性，每隔一两年就要发生一次或大或小的摆动。清8出汊后，入海泥沙基本保持一定的方向，河口段河势稳定，河长延伸较快。1996年7月引河行水至同年11月，河口段河长延伸了近9km，西河口以下河长达55km；1997年，因河口段水小沙少，且入海口门已延伸至水深较深海域，河长没有继续延长，与1996年相比，还略有蚀退；1998年虽然河口水沙维持一定的数量，因入海口门凸入海中，口门畅通，口门外水深较大，潮流作用较强，河长变化较小，西河口以下河长约56km。由于影响河口段河道演变的因素是多方面的，单靠调整河道边界条件使河道演变向有利的方向是暂时的。必须以有利的水沙条件配合和加大河口治理的措施，才能达到长期的效果。
2.2 清8出汊工程对河口滨海区演变的作用
2.2.1 出汊前滨海区演变特征
原口门海域因始于1988年汛前的河口截支强干、工程导流等治理措施，入海泥沙基本保持单一入海之势，沙嘴处咸淡水快速混合絮凝，大部分泥沙淤积沉降在口门附近，使河口快速延伸、拦门沙坎顶抬高、拦门沙以内河道形成负比降。径流受壅水作用，摆动点大多发生在拦门沙以内河道，使河口口门方向每年甚至每次较大洪水都发生变动。由实测资料可知，入海泥沙最大淤积中心发生在口门及拦门沙区域，河口沙嘴沿着淤积中心轴线发育延伸。近口门50km2左右区域内，淤积泥沙量占近海泥沙淤积量的70%以上。距离口门此范围以外广大区域泥沙只是轻微淤积，年均不足0.5m，而且距口门越远，淤积程度越轻。
孤东油田以南附近海域系清8出汊预行河海域，该海域位于原口门西北18km处。从黄河入海泥沙分布知，入海泥沙只能影响淤进两侧海岸不足20km范围，因此，孤东油田附近海域属缓慢冲刷形态。桩西海港至孤东油田海岸为第二次亚循环三角洲冲积岸线，海岸平顺，沿岸流为东南轴向，处于0m等值线冲淤平衡界面以内。该界面以内浅水区域等深线蚀退，海域冲刷；界面以外深水区域等深线外延，海域淤积。其淤积程度距河口越远越轻。由此可知清8出汊预行河海域处于0m等值线冲淤平衡界面起始与扩展部分，海岸及浅水海域侵蚀严重，其不利于该海域石油的开采。
2.2.2 清8出汊对海域地形演变的作用
以1995年11月至1996年9月河口海域41个断面数据来表征清8出汊对滨海区演变的影响，其基本特征为：①清水沟流路原口门海域因失去了沙源补给，使该海域凸入海中的沙嘴区由快速堆积向快速蚀退演变。主要冲刷中心2～5m厚度面积9km2，1～5m厚度冲刷区域也位于原口门区域，面积接近30km2，冲刷量为5521万m3，占总冲刷量的65%。②原口门以南海域由缓慢堆积向缓慢冲刷转变：原口门向东南延伸，河口沙嘴南侧三面环海，此处涨潮流北向南、向西南向西北，落潮流基本相反。泥沙淤积主要靠潮流输送。清8出汊后，该海域缺少泥沙补给来源，产生冲刷，冲刷幅度为2至5m，冲刷程度较原口门附近小。③出汊新河海域由蚀退转变为淤进。出汊新河入海泥沙扩散已影响到口门以北80km2区域。该区域海岸部分得到沙源补给，岸线稳步扩展。由图3知，出汊当年新河海域已在原海岸凸出淤积出一个巨大沙嘴，10km海岸线宽度范围内新河淤积造陆24km2；0m岸线延伸距离在东方向上已达9km，显示出入海泥沙淤海造陆的巨大作用。由于1997年利津来沙仅有0.16亿t，河口成陆有限，当年河口沙嘴发生蚀退；1998年利津站来沙3.65亿t，该年淤海造陆16km2，河道延长3km。截至1998年底，清8出汊新河行水2.5年，海域高潮线以上共造陆41km2，沿岸线12km宽度范围河口段河道延伸近10km，口门主流轴向55°(见图4)， |
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新河显示出非常好的行河潜力。清8出汊工程使河口形态、海岸边界条件、河口海洋动力都发生了变化，出汊河口距五号桩M2无潮点距离缩短18km，河口口门海洋动力作用加强，有利于入海泥沙向河口两侧输移，使河口沙嘴在一个较宽范围内淤海造陆，不仅成陆稳定，且更有效地延长海域行水年限。 3 人工干预下复循环演变规律的存在 黄河自1855年夺大清河故道入渤海至1976年的100余年来，在近代三角洲范围内决口、分汊或改道频繁。其中较大的改道有10次。10次改道变迁过程，反映了近代黄河三角洲的演变规律。 |
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其特征为：以宁海为顶点的第1至5次变迁完成第一次大循环，流路横扫整个近代三角洲，历时半个世纪；从1926年第五次改道重行三角洲东北方向，流路摆动顶点下移至渔洼附近，到清水沟流路结束将可能完成第二次亚循环，形成亚三角洲。以清8出汊为标志，三角洲顶点可再下移到清6断面附近，在北起孤东油田海堤，南到清水沟流路原河口或再外延至18户流路北侧之间区域开辟第三次小循环时期。
100余年来，河口10次流路演变规律基本遵循了淤积(散流)——延伸(归一)——分汊(摆动)——改道的单循环自然演变过程。清8出汊新河是清水沟流路主河道基础上在自然分汊环节前主动实施的人工出汊工程。其仍应视为清水沟流路范畴。而清8出汊工程其规模之大，又具有超出以往任何尾闾自然分汊摆动的不同特性：即从工程实施环节上看作是一次分汊摆动，从新河的发育条件、过程、形态上它又具有一条流路的全部特点，也具有一般流路的自然演变环节，亦具有一般流路的行河年限。通过对清8出汊工程本身及其对河口、河床演变的作用分析认识到：清8汊河达到设计行水年限后可再人工安排出汊，即根据河口发展态势选择河口流路规划中的北汊或现口门与原口门两个大沙嘴之间的海湾流路，然后在新形成的第三次小循环三角洲海岸上合理安排新的行河水道。黄河在此三角洲面上规划，具有超过50km长的海岸线安排行水，海域宽广，海动力有利，三角洲距离东营港与羊口港都超过50km，根据黄河入海泥沙扩散规律知黄河泥沙对两港水域影响微弱，年均淤积程度小于0.2m，东营港规划航道完全可通过疏浚解决。此安排解决了海洋石油开采、港口规划建设、黄河入海流路等矛盾冲突，使黄河在下大半个世纪有了可靠归宿，为黄河三角洲生产发展必将做出重要贡献；也为河口治理明确了思路，使对河口的认识在前人的基础上升华到一个新的高度。即把70年代发现的河口流路自然单循环演变规律发展成为90年代后的在分汊环节周期进行出汊调整的人工干预复循环规律。