河口泥沙研究综述

人类活动加剧情况下渤海湾河口泥沙运动及减淤研究

一、研究目的与意义

泥沙运动问题的早期关注起因于海洋暴风潮和波浪对海岸、滨海地区的破坏及其由此引发的洪水问题，其它相关问题还包括：全球海平面变化引起的海岸缓慢侵蚀，海岸土地资源流失及海滨亲和环境丧失；可通航水道因泥沙淤积而断航，港口疏浚与维护，船舶在海图未标明浅滩上搁浅；海底人为垃圾、重金属和辐射等污染物堆积而导致的泥沙颗粒污染物藏匿等等。土木工程师由于直接负责防浪墙、码头、海岸治河工程、港口疏浚等工程设计，因而他们对于泥沙运动研究的重要性体会最为深刻[1]。

河口是河流沉积物向海传输的通道，动力环境和盐淡水混合，使得河口泥沙传输过程相当复杂。河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如：长江口的航道整治、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等。全球河流每年向海洋输送的泥沙约为100～200亿t，主要部分沉积在河口三角洲区域，同时河流沉积物是诸多化学物质的输运载体。因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容，对研究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义[2]。尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3-4]。河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如：长江口的航道整治[5-6]、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等，尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程的关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3]。

渤海占我国4大海区总面积的1.6%，面积近8万km2，从环渤海地区中的黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江、锦江等河流输往渤海的沉积物通量达7.5×108t/a的量级，从地质尺度来看，这意味着渤海环境的巨大变化，在短短十几年至数十年的尺度上，入海沉积物的输运和堆积可以使渤海的物理环境发生显著的变化，直至渤海的消失。渤海的平均深度在20世纪70年代为20m，但到了90代已变为18m (大港油田资料)，最深处也不过70m。渤海的变浅当然与黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江、锦江等大小十几条河流所携带的泥沙输往渤海淤积所至[7]。

随着渤海面积的日益缩小，渤海变浅的速度也必然越来越快，最终演化成死海。因此，必须加强河口泥沙运动及泥沙淤积减淤排淤措施的研究才能面对渤海湾河口所产生的挑战。

二、河口泥沙运动基本理论

1、河口类型分类

河口由于地质、地貌、水流、泥沙条件的不同，演变的规律亦异，将不同性质的河口进行分类，有利于系统地概括河口河床演变的普遍规律。但河口河床演变还是一门年轻的学科，不同的研究工作得根据不同的观点及其所掌握的资料，对河口分类有不同的看法。就河口河床本身来说，至今还处于不断演变的过程之中。河口地区是河流与海洋的交汇地带，河流淡水一般由上层流向口外海域，海洋盐水则由下层侵人口门之内，由于水流紊动作用与分子扩散，盐淡水之间必然会产生掺混，即混合现象。盐淡水混合过程是河口区水动力过程的一个重要部分[8]。

为便于叙述，可将历史时期的河口和现代的河口分别进行分类，二者有联系，又有区别，后者是在前者的基础上发展起来的。

历史时期从河口塑造的成因及地貌形态的不同，将河口分为河口湾、三角洲和峡江。

现代河口的分类是以河口河床演变为依据。现代河口河床的冲淤演变主要由于来水来沙量的不平衡。因此许多研究工作者都试图用径流、潮流及其含沙量为指标来划分河口类型。

随着海域来水来沙的递减和陆域来水来沙的递增，M值由小到大有四个临界值，即：

（1）混合指数M<0.1时为强混合型，而泥沙主要来自海域，a<0.01时称为强混合海相河口。

（2）0.1

（3）0.2

（4）当M>1时已属弱混合型，而泥沙主要来自流域，a<0.5时称为弱混合陆相河口。

2、河口泥沙来源

中国入海河流数百条，每年挟带近20亿t泥沙倾注入海成为海岸带滩涂的主要物质来源。这些泥沙一部分在风浪作用下被掀起后随涨潮流又回到河口，故河口泥沙的矿物成分往往与河道泥沙并无二致，但就泥沙运动来说与河道泥沙的运移有显著的区别。

河口泥沙的来源从数量上来说，主要是陆相河沙和海相泥沙。陆相泥沙源于岩石的风化。当岩石风化以后变成各种粘土矿物质，这些粘土矿物质的主要成分是含水硅酸铝。我国大江大河多，淤泥质海岸分布其广，这是我国河口海岸的一个特点。海相泥沙总的来说都是由涨潮流带进河口。同时，人类活动对河口泥沙数量的影响不可忽视，如河口疏浚泥土的处理，如果处理不当，往往使航道回淤严重；城市工业用水和生活用水如果不加处理，直接排放到河口，就数量来说，远远小于流域来沙或海域来沙，但污水中含有大量有机物质以及纤维和脂肪，促使细颗粒泥沙的电化学变化，加速沉降。此外，河口地区因涨落潮流路的变化，滩冲槽淤造成局部泥沙的大量托运，往往是河口河南床剧烈变动的主要原因。

3、河口中泥沙运动基本形式

河流中运动着的泥沙，就其来源而言，可以分为两大类，一类是从流域地表冲蚀而来的；另一类是从原河床上冲起的。在运动过程中，两者有着置换作用。从流域冲蚀下来的泥沙，小部分沉积在河床上，大部分汇流入海，特别是颗粒很细的泥沙，绝大部分都汇流到海里去了；而原来河床上的泥沙，也有一部分为新来的泥沙所置换而汇流入海。而影响流域地表侵蚀的因素，主要与气候、土壤、地貌及人类活动有关系[9]。

河口地区床沙组成物质，一般都比较细，如何区分床沙质和冲泻质比较困难。对于平原型河口来说，粉沙可认为是床沙质，山区型河口的床沙质要粗一些，一般为中沙和细沙甚至亦有砾石组成，至于粘土以下的物质，在未到河口地区以前一泻千里，沿程很少在河槽中停留，因此称为冲泻质。但进入河口地区以后与盐水相遇，絮凝沉降而落淤到床面，成为淤泥，

这就难于区别它为床沙质和冲泻质了。但就无粘性的中细沙和粉沙粒级来说，在河口往复性水流中单个泥沙颗粒运动的基本形式和平原河流一样是推移运动和悬移运动。在泥沙输移过程中，泥沙颗粒在床面的集体运动亦有沙波出现。至于淤泥的运动形式略有差异，它一经扬动即悬浮水中，无推移的过程[10-11]。

泥沙起动是泥沙输运最重要的动力学过程之一，传统的研究是从床面泥沙的受力平衡出发，推导泥沙的临界起动剪应力或流速。近期的研究将泥沙起动的间歇性与湍流的猝发现象联系起来[12]。尤其是，Nino Y.,et al.(1996)[13]采用天然沙进行的实验研究进一步证明了泥沙起动与湍流猝发的喷发事件密切相关的事实：一方面，泥沙颗粒集中在低速条纹附近，这显然与湍流边界层中反向旋转的成对流向涡结构有关，这些泥沙积聚所形成的条纹的几何尺寸与湍流猝发的条纹特征一致；另一方面，泥沙颗粒喷射的角度10b~20b，与低速条纹抬升形成由集中展向涡构成的剪切层的倾角14b极其相似。这充分说明了泥沙起动与湍流喷发事件的密切关系。

4、河口海洋动力输沙

海洋动力一般指潮汐、海流和海浪，渤海的海流以潮流为主。海洋动力中，周而复始的潮流是持续永恒的动力，在河口较长时期的演变中潮流起着主要作用河口地区输沙动力是河流动力(径流)和海洋动力(潮流)综合作用的结果[14-15]。在一定岸边界条件下，潮流动力基本上是一定的，与径流综合作用下的输沙动力主要取决于径流大小。入海径流越大，输沙动力越强。对于同样的输沙动力，当然是沙量越少越容易输送，反之，对于同样的沙量，水动力越强越容易输送。也就是说，输沙的多少要看沙量与水动力的相对关系，既水沙搭配关系。确切地说，对于同样的入海沙量，来沙系数越小，即单位流量级含沙量越低，则在一定时间内输往外海的泥沙越多；反之，来沙系数越大，即单位流量级含沙量越高，则输往外海的泥沙越少。通常用排沙比和排沙绝对量两个指标来判定海洋输沙能力的大小，但二者的变化趋势并不完全一致[16-17]。

对于海岸泥沙运动，首先从研究波浪作用下的泥沙运动开始，最终要归结到港口航道、港池的淤积变化，海岸线的演变以及建筑物周围的冲淤变化等。传统上，按岸滩泥沙颗粒的组成将海岸分为3类，即岩石海岸、砂质海岸和淤泥质海岸。但粉砂质泥沙的运动特征，使得对海岸的分类提出了质疑[18-19]。

三、河口泥沙物理模型研究进展

自从1885年雷诺（Reynolds）首先运用潮汐河口模型试验研究英国默尔塞河口（Mersey Estuary）的潮汐水流以来，已有一百多年的历史，现今潮汐河口模型试验逐渐趋于完善，但其进展是比较缓慢的。到了20世纪20年代，随着船只吃水尝试的不断增加，对航道水深的要求亦相应增加，单纯依靠疏浚很验证增加和维护较大水深，故有不少河口港已采取疏浚结合整治的治理原则，整治工程的规划、堤线的布置是否合理等对模型试验提出了要求，因而各国相继以模型试验来研究潮汐河口治理问题。比如著名的如法国费里哈哥特（VeruonHercourt）的塞纳河口（Seine Estuary）模型试验，英国吉普生（A.H.Gibson）教授的塞汶河口（Seven Estuary）模型试验。二次世界大战之后，随着电子工业的发展，模型中潮汐的产生已由简单的机械装置，发展为运用光电原理的半自动控制，模型已由清水试验发展到盐淡水混合的浑水试验。无论在试验技术和相似条件的考虑方面都前进了一大步，同时现场测验技术也有显著的改进，因而自50年代以来各国河口的治理有了显著的进展，航道水深获得了较大幅度的增加。目前潮汐河口模型已可复演河床的冲淤演变，如西德易北河口动床模型[20]。

在渔港、海岸工程建设中经常需要了解其所在海域水流、波浪、泥沙等物理特性，为了复演和预测工程海域中的物理现象，目前常采用两种模拟手段，一种是水力比尺模型(物理模型)，另一种是数值模拟(数学模型)。物理模型是以一定的比例尺来建造实物模型模拟真实工程情况，它历史悠久，最早可以追溯到1885 年Reynolds 创建Mensey河口模型。由于物理模型形象直观，形态逼真，因此在工程界中应用较广。而数值模拟是对自然现象构造数学模型，建立微分方程组，由于自然现象的复杂性，方程常常是非线性的，因而往往难以求得精确的解析解，这时只能通过引入近似简化方程或者将方程离散求解。由于其计算量庞大，在电子计算机得到广泛应用后才兴起，因此只有近30 多年的历史。随着大容量、高速度、多功能电子计算机的发展和现代近似计算方法的进步，数值模拟也获得了高速度发展与应用[21]。

除一般水力学问题外，物理模型试验已成为航道整治、疏浚挖槽、盐水入侵以及污染扩散等问题的一个很重要的研究手段。物理模型比较直观，特别在涉及河口泥沙冲淤等复杂问题时，能成为研究河口治理的问题的重要工具[22]。

在建立河口物理模型时，为使模型能较好地复演天然情况，模型各项比尺必须满足水流运动相似、泥沙运动相似的条件。同时，还应特别注意模型沙的选择和加糙问题。模型沙的选择是悬沙淤积模型及动床或局部动床模型试验的关键问题之一。选取的模型沙应保证河床的输沙条件相似，一般要求满足沉速、起动流速和糙率等方面的相似条件。常用的轻质材料有塑料沙、木屑、电木粉、核桃粉等[23]。

模型验证试验是整个试验工作的关键。在模型平面比尺和垂直比尺决定以后，模型糙率的大小、试验所用下边界试验潮型的确定，以及模型相应于天然含沙量的大小即含沙量比尺都要通过验证试验来确定。整个试验成果的优劣，关键在于验证试验工作是否踏实细致，务必慎重进行[24-27]。

例如，熊绍隆、曾剑等[28]探讨了不同类型泥沙物理模型的主要相似准则、模型沙选择、时间变态的处理、冲淤验证资料的选取、局部动床的范围、动床模型试验的重复性等问题。

四、河口泥沙数学模型研究进展

河口治理方案的研究需同时考虑波浪、潮流和径流等多种动力作用，应将河口和河道作为一个整体进行模拟研究。对于大尺度河口域和长距离的河道域水流泥沙运动的模拟，数学模型具有很大的优势。

随着高速度大容量电子计算机的迅速发展和河口动力学理论的不断完善，数学模型无论在理论上和计算技术上都发展甚快。由于数学模型具有准、快、经济等优点，已广泛地用于解决各种河口动力问题，如河口整治工程、环境保护工程等问题。除此之外，它亦如物理模型一样，可以用来揭示许多河口物理现象，即数学模型试验，随着计算机图形功能的发展，数值模拟克服了它的非直观性，从而使数值模拟具有更大的能力，将成为河口问题研究的一种重要手段。

数学模型是将描述某种物理现象的数学物理方程进行离散数值化的过程，它的正确与否很大程度上领带于它的离散方法，即数值计算方法。潮汐河口数值计算中几种常用的数值计算方法有：有限差分法、有限单元法和有限分析法。依靠有限差分方法模拟黄河水沙运动,解决了很多黄河河口治理的决策问题。泥质河口泥沙问题的数学模型是：以泥质冲积河流动力学规律为基础，针对河口动力因素的特点所建立的包括三个主要方程式，两个辅助方程和

一个床面稳定边界条件的理论体系[29-31]。

泥沙运动是海岸河口地区一种重要的自然现象。人类在海岸河口地区从事资源开发的生产活动，如建设港口、开挖航道、修建防波堤、围海造陆、架设桥梁等，必须要考虑和了解泥沙运动，因为泥沙运动的结果会产生岸滩冲刷、淤积、岸线变形、港口航道淤积、防波堤等建筑物根底部淘刷等问题，而这些问题是海岸河口地区海岸工程、水利工程、港口航道工程等必须要考虑和解决的问题。泥沙研究已经成为一门重要的学科[32]。河口数学模型包括潮流的数学模型，以及泥沙和河床变形数学模型[33]。

粘性泥沙的输移对海洋环境的变化和河口海岸工程建设的许多方面有至关重要的影响。河口环境的动力因素非常复杂，受径流、潮流、波浪、风及柯氏力等的影响，甚至要考虑风暴潮，河口细颗粒粘性泥沙的沉积与悬浮过程、絮凝与絮凝体的破坏过程、床面泥沙的固结等泥沙问题的研究和了解尚不全面。近年来，在数学模型研发和应用方面有了长足的发展，用于研究河口海岸的泥沙问题。O’Connor和Nicholson开发了流体—粘土输移模型，考虑了粘土的絮凝和固结；Katopodi和Ribberink[34]发展了准三维悬沙模型，模型对波浪、潮流的对流扩散方程利用逼近技术求解；Briand和Kamphuis[35]考虑准三维流速场与当地悬沙的垂直分布关系，发展了泥沙输移计算的一种新方法。Cancino和Neves[36]开发了水动力和细颗粒粘性泥沙输移的三维有限差分斜压模型；Wu和Falconer[37]开发了计算河口盐度和粘性沙输移的分层三维模型。

在潮汐河口中，水流是异常复杂的，它既受浅海潮波的影响，又受上游河川径流的作用，是一种周期性的非恒定往复水流，水流是塑造河床和河道污染扩散的动力，因此水流的数值计算是其它数学模型的基础，水流数值计算准确与否将直接影响到其它数学模型[20,26-28]。

河口潮流数学模型根据其对基本方程简化程度和方式的不同，分为一维、二维（包括平面和垂向）和三维数学模型。它们各有特点、各有利弊[2,38-53]。

以往关于河口泥沙输运的研究较普遍地采用水平二维模型[54-55]。然而，水平二维模型不能反映水流、泥沙的垂向结构，只适用于流速沿垂向分布近似均匀的流动。一般地讲，在单向流动的明渠中，流速分布符合对数率，除极薄的边界层外，几乎均匀，可用水平二维模型描述其中的水流泥沙运动。而在水流往复运动的河口地区，除流速较大的涨落急附近时刻速度分布近似单向明渠流外，其它时刻一般不符合对数率[56]。对此情形，考虑水流、泥沙的垂向结构是必要的。为此，应采用三维模型(对于宽阔型的河口)或垂向二维模型(对于狭长型河口或顺直航道)。就当前计算机软硬件的水平而言，完整的三维模型昂贵而耗时，仅适用于短期预报[57]，应用于大范围、长时期的实际流动问题还存在困难。因此，当前普遍应用准三维模型，即以水平二维模型为基础，对三维问题进行简化。如:J.Lou(1997)和x.Jin(1993)[58]采用ZD、3D藕合的方法，在获得水平二维流场及水位后，解3D动量、连续方程获得三维流场，这样避免了求解全三维问题压力场的困难，减少了计算量；IreneKatopodi,etal(1993)[59]直接采用了对数速度分布；宋志尧等[60]将速度分解为垂向平均值和它们的差值之和，把三维问题简化为一个二维问题和若干个一维问题。水平二维模型的研究和应用己比较成熟，建立准三维模型的关键是寻求高效合理的流速垂向分布的计算模式。

在冲积河流中，人们最终最关心的是泥沙的输移和河床的变化。当在河口中兴建水利工程时，人们需要了解工程对河床起多大的造床作用，其工程效果如何，航道挖槽水深能否维持，而这些都与河流泥沙运移有关。目前，河流泥沙运动机理还没有完全了解，泥沙运动理论还不够完善。尽管如此，由于生产的需要和计算机的不断发展，泥沙数学模型越来越引起人们的兴趣和重视。目前较为完善的泥沙数学模型有一、二维泥沙和河床变形数学模型[61-63]。

曹文洪、何少苓等[64]针对黄河河口海岸岸线变化剧烈和含沙量变幅大的特点，开发和建立了适合黄河河口海岸应用的平面二维动边界非恒定水流泥沙数学模型。李东风、张红武等[35]用有限元方法对黄河河口海域的潮流海洋动力过程进行了数值模拟和分析。周益人[65]通过分析认为同样边界层下单向水流泥沙起动标准可以用于波浪条件，并给出Shields 曲线过渡区的波浪作用下泥沙起动标准曲线和相应的计算公式。黄赛花、孙志林等[66]采用Delft3D 数学潮汐河口洪水水位进行二维数值模拟试验。李孟国对海岸河口泥沙运动的基本方程、数值方法、边界条件、参数选取等进行了归纳总结和评述，并指出，尽管泥沙数学模型目前已经取得了很大进展，但在理论及实用上都需要不断提高、充实和完善，今后泥沙数学模型应该向着具有高效率、高稳定、高精度及通用化、实用化、软件化、可视化、品牌化、商品化方向发展。

五、河口泥沙防淤减淤措施研究进展

河口淤积萎缩是近年来出现的一个严重的泥沙问题。典型的河口泥沙问题是拦门沙。水流挟带泥沙到河口，水势放缓，泥沙淤积，形成三角洲和拦门沙[67]。目前我国泥质河口防淤减淤措施种类不少，包括机械疏浚、水力冲淤、纳潮冲淤、工程措施及生物措施等[68-74]。但主要的有两种。一种是建挡潮闸，用来防潮挡淤，属于防淤措施，在20世纪50-70年代采用较多。具体而言，可分为工程措施，包括修筑导堤和正确确定闸下引河长度，以及植物措施；另一种是机械清淤，具体包括机船拖淤（拖把清淤），机船挖淤，气动清淤，爆破清淤，以及闸门调度。该方法属于减淤措施，目前用得比较多[75-79]。

两种措施虽都有一定的防淤减淤效果，但都有其弱点[80]。建闸挡淤一次性投资大，而且建闸后闸下仍有一定量的淤积。机械清淤（挖泥）效果较好，但需要年年汛前重复清淤，且需要大量排泥场。因此，人们在探索新的防淤减淤措施上下了不少工夫，采用了机械拖淤、纳潮冲淤、导堤工程、生物工程、网坝工程和橡胶坝工程等。上述方式为目前我国较常采用的或将被采用的几种防淤减淤措施，都有一定的效果，但都需要适应各自的条件与要求。因此，在应用时要因地制宜[81]。

王宗文、韦直林等[82]运用经过补充和完善的复合一维水沙数学模型，对黄河河口挖河减淤的效果进行了研究。借助水沙数学模型反映调水调沙情况下“不挖河”状况的河床冲淤过程。不言而喻，数学模型是分析挖河减淤效果的一个有力工具。白玉川和邢焕政[83]以独流减河为例，建立了淤泥质短引河河口泥沙数学模型，对河口泥沙运动规律进行数学模拟研究，并针对河口规划泄洪能力的要求，就河口泥沙清淤方案进行了优化计算，提出了淤泥质河口设计清淤方案的原则[84]。

渤海是我国内陆最大的海湾，也是最大的陆上湿地，它对华北，尤其是京、津、唐区域的气候改善以及生态环境具有不可替代的作用。因此，渤海湾河口的泥沙治理，应在充分理解河口泥沙运动的非恒定过程，以及河口水流、盐度、泥沙相互作用、相互影响关系的条件下，根据国家财力和防洪度汛的要求，结合河口具体的治理方案，按照科学的排淤减淤措施进行清淤[85-86]。

六、永定新河河口泥沙运动研究[87-90]

1、永定新河概况

永定新河位于天津市的北侧, 是天津市北部的防洪屏障。河道开挖于1971年，西起天津市北辰区的屈家店，东至塘沽区的北塘镇入渤海，全长660 km，沿途纳入机场排水河、北京排污河、潮白新河和蓟运河等，是海河流域北系永定河、北运河、潮白河和蓟运河的共

同入海尾闾河道，河口处控制北四河流域面积83万km2，对天津防洪、沿岸及支系河道的排涝等均起到十分重要的作用。永定新河是以深槽行洪为主的复式河道，大张庄以上145 km 为三堤两河，北河宽300 m，南河宽200m，大张庄以下合并为一河，河宽500~ 600 m。设计深槽底宽，大张庄以上南河30 m、北河130 m，大张庄以下为180~ 200 m。河底比降上段26 km为1/ 13000，下段40 km为1/ 9000。永定新河按50年一遇洪水设计，相应泄流量屈家店闸下设计流量1400 m3/ s，河口处设计流量4640 m3/ s。

2、永定新河河口充淤变化概况

永定新河属长引河河口，河道径流小，长期为潮汐水流控制，多年河道淤积和冲刷并存，总体表现为上游河道自进口屈家店闸开始，逐年往下游产生累积性淤积，其淤积末端至河口距离逐渐缩短，冲刷逐年减少。

永定新河深槽常年处于潮汐水流控制之下，涨潮时大量海域泥沙随潮水上溯直达屈家店闸下；落潮时流速减缓，泥沙不断在河道内沉积，改变了河道断面形态。河道淤积从屈家店闸下开始，逐年向下游推移，致使河道行洪能力大幅度下降。

永定新河冲淤过程大致可划分为3个阶段。初期淤积较少，冲刷明显；中期淤积猛增，冲刷趋缓；后期淤积减缓，冲刷停止。初期( 1971- 05~ 1989- 03)共淤积2513万m3，年均淤积140万m3，淤积末端推移至闸下51. 6 km；冲刷920万m3，年均冲刷51万m3。中期( 1989- 03~ 1994- 09)共淤积1700万m3，年均淤积340万m3。淤积量猛增的原因主要是1989年在闸下28 km处修建挡潮埝，1994年淤积末端已延伸到闸下58 km，潮白新河河口( 54+ 500) 由原冲刷1 m 变为淤高2 m，蓟运河河口( 59+ 400)河槽冲刷基本停止，并开始有回淤。后期( 1994- 09~ 1997- 10)共淤积640万m3，年均淤积213万m3，淤积末端已推移至河口，冲刷停止。

3、永定新河治理

永定新河以泄洪为主，自1971年开通行水以来，由于干流来水减少，河道长期被潮流控制，源源不断的海相来沙导致河道严重淤积，淤积末端以2.5 km/ a 的速度往下游推移。目前，淤积末端已推移至河口。河口段的淤积将会严重影响全河道的行洪能力，威胁着城市防洪安全，治理永定新河河口已刻不容缓。同时，随着位于河口地区的天津滨海新区近年的经济腾飞，从坚持可持续发展战略出发，亦迫切要求综合规划治理河口，以满足防洪、航运、渔业和工业取水等方面日益增长的需要。

如果汛前要求河道达到一定泄洪能力，每年需清淤250~320万m3，不但投资巨大，而且因接近河口地区两岸多为水库和虾池占地，排泥场也很难安排。因此，应抓紧在永定新河河口建闸，以避免河槽继续淤积降低泄洪能力，并减少以后全面治理时的清淤投资。

河口建闸后，闸下仍需要每年清淤。其中，闸上河道可按设计要求进行全断面清淤，以保持上游和沿岸各河洪、沥水能顺利下泄。因此，永定新河的永久治理方案仍应选择河口建闸、河道清淤方案。

七、独流减河河口泥沙运动研究[91-94]

1、独流减河河口基本概况

独流减河为大清河系洪水的主要如海通道，它位于天津市南侧，起自西青区第六埠村南，经西青、静海、大港等三个区县至防潮闸，全长67km，其左堤是保卫天津市防洪安全的南部防线。该河始挖与1953年，原设计流量1200m3/s。1969年大清河治理时，对其按3200m3/s 规模进行了开挖，并在入海口处修建工农兵防潮闸（1993年改建后称为独流减河防潮闸）。独流减河是一条以行洪为主，兼有灌溉、排水、水产等多种功能你的河道。

独流减河防潮闸位于天津市大港区，北距海河口26Km，南距子牙新河口12km。全闸共有26孔，其中过流孔22孔，非过流孔4孔，每孔净宽9.8m，闸室总宽287.2m，设计闸上水位3.75m，闸下水位3.35m，流量3200ms/s。独流减河防潮闸的主要功能为平时挡潮卸沙，为大港电厂保水；汛期宣泄洪水，确保大清河下游地区的防洪安全。

独流减河口位于独流减河防潮闸下，属淤泥质河口。河口两侧的海岸线平直，底坡平缓，潮间带宽广平直。河口左侧为大港电厂输水渠，右侧为1#、2#、3#号拌泥场围堰。河口处滩宽水浅，闸下2km范围内纵向比降约为1/2000。

2、独流减河存在问题

独流减河建于1953年，自1969年扩建以来，已运行了近30 年。海口防潮闸常年处于闭闸状态，造成闸下海相泥沙大量淤积，严重影响行洪。此外，堤防沉陷、芦苇阻水，已使河道泄洪能力由原设计的3200 m3/ s下降到2000 m3/ s。当前主要存在以下问题。

( 1) 独流减河防潮闸下严重淤积。闸下2200 m 以内，总淤积量约166万m3。

( 2) 河道芦苇阻水。据调查，独流减河河道芦苇、草地总面积90. 7 km2。现状河道糙率明显加大，严重影响行洪。

( 3) 独流减河堤防沉陷，超高不足，河道行洪时堤身难以保障安全。与原设计堤顶高程相比，右堤平均沉降0. 7m，最大沉降1. 2m。

( 4) 堤坊隐患较多。据初步调查，左右堤共发现獾洞92处，多位于两水夹堤段。此外，独流减河左、右堤共有穿堤建设物22座，设计标准低，年久失修，已严重影响防洪和度汛安全。

( 5) 进洪新闸、老闸存在年久失修、启闭设备陈旧老化、公路桥标准偏低、闸室沉降、闸门阻水等。行洪能力，不能达到设计3600 m3/ s 泄洪规模。此外，由于闸底板较高，不能满足东淀排涝及引水要求，需要对闸进行改建。

自80年代以来海河流域连续出现枯水年，基本没有径流下泄；到1996年8月独流减河经历中度洪水，流量最大达1500m3/s；日均泄量10~100m3/s。径流下泄量减少，潮流上溯动力相对增加，由之导致了河口泥沙大量淤积，严重影响了汛期河口的过流能力。同时又由于相同的原因，海河干流及其河口也发生大量泥沙淤积，河口拦门沙的发育，海河过流的能力急剧减小，其泄量的一半也需重新分配调度入独流减河渲泄，因此，独流减河泄流能力需3200m3/s提高到3600m3/s。但根据独流减河河道及河口现状，其过流能力也只是规划标准的一半左右，急需进行综合规划整治。目前最为紧迫的任务是保证汛期安全，探讨独流减河河口水沙运移规律并优选最佳清淤方案。

3、独流减河治理

为了减轻天津以南洪水对其的压力，1951年秋，独流减河工程再次动工。1953年7月10日，包括70公里河道和8孔进洪闸的独流减河工程全线竣工，当年就分洪生效，不仅大大减轻了大清河下游的水患，也基本解除了海河流域汛期洪水对天津市和津浦铁路的威胁，实现了老百姓多年来的夙愿。1963年特大洪水过后，海河水系综合治理，又于1968年进行扩建。独流减河工程是当时华北地区第二大水利工程。周总理在1954年政府工作报告就说独流减河工程是“过去几年内修建的很多大规模的水利工程”之一。

独流减河堤防在静海县境内只有右堤，从进洪闸至大港区界，长38.6公里。为保证独流减河防洪安全，经市水利局批准对工程老化的管铺头扬水站排水闸进行拆除重建。2006年，由静海县水务局承建的独流减河右堤管铺头扬水站排水闸重建工程开工，该工程总投资180万元，清淤土方1355立方米，桨砌石710立方米，混凝土1231立方米。

八、漳卫新河河口泥沙运动研究[95-100]

1、漳卫新河河口基本概况

漳卫新河承接漳河、卫河两大支流的来水，二河于河北省馆陶县徐万仓村汇合后称卫运河，至四女寺枢纽分为两支，北支为南运河，东支为漳卫新河。漳卫新河是漳、卫河系行洪排涝的主要尾闾通道，于大口河注入渤海湾，全长共202. 7km，控制流域面积约37040km2。

2、漳卫新河河口冲淤情况分析

漳卫新河河口位于渤海湾，属于日潮不等的不规则半日潮地带，日潮不等主要表现为低潮不等十分显著，而高潮不等则不甚明显。据1993～1995年及2003年辛集闸以下河道河口全潮观测资料统计，河口多年平均高潮位为1.57 m( 85国家高程，下同) ，平均低潮位为-1.

21 m；最高高潮位为1.88 m，最低低潮位为- 1.69 m；平均潮差为2. 32m ,最大潮差为3.57m。漳卫新河河口具有陆海双向河口性质，潮流上溯过程的递减较大。潮水自河口沿河道上溯的过程中，由于受到河床阻力，河岸压缩的影响，使动能逐渐减弱，潮位逐渐抬高。

漳卫新河河口位于微侵蚀海岸带，其岸滩淤积物主要是历史陆相泥沙的沉积，表层淤积物是粉沙、淤泥和少量贝壳，泥沙中值粒径为0.01～0. 04mm。河道内床沙的物理特性与河口外基本一致，中值粒径为0.013～0. 038 mm，干容重为1.3～1.5 t /m3。辛集闸以下感潮河段内，淤积物主要是海相来沙，陆域来沙量极少。海相泥沙输出的特点是波浪掀沙、潮流输沙。口外滩涂的泥沙在波浪作用下掀扬并悬浮，然后由涨潮流输移进入河道。据实测资料统计，河口处涨潮平均含沙量为2.0kg/ m3，落潮平均含沙量为1.89kg / m3。观测资料中大潮最大涨潮含沙量为4.32 kg /m3，最大落潮含沙量为3.22 kg/ m3；小潮涨潮平均含沙量为0.87 kg/ m3，落潮平均含沙量为0.8 kg /m3。在风速小于4 m/ s时，涨、落潮基本为清水。潮水中的含沙量除与潮差因素有关外，主要是受风力和风向的影响。

漳卫新河河口为长引河建闸河口，潮水可直接上溯到辛集闸闸下。泥沙淤积首先从近闸段开始，随着淤积的抬高逐渐形成严重淤积段，严重淤积段逐年向下游发展，加快了下游河道的淤积。根据30 年资料统计，闸下河道淤积总量为1742万m3，年均淤积量为57.7 万m3。从淤积纵向形态看，淤积从上游向下游发展，河床堆积抬高幅度从辛集闸向下游呈递减趋势，河道上段淤积最为严重，中段渐缓，下游段出现回淤。从横断面淤积形态看，淤积物主要分布在主河槽内，呈现出主槽河床抬高，主河槽宽度减少，严重淤积段的新滩面高程

达到2.0m。

3、漳卫新河治理

泥沙淤积是感潮河段普遍存在的问题，漳卫新河由于受潮流影响，泥沙淤积问题较难解决。漳卫新河河道的治理，可根据国家财力和防洪度汛的要求，结合河口的治理方案，分年度对河道进行分段清淤。河口段的治理，可研究河口建闸结合清淤方案和双导堤工程方案。可以考虑机械清淤和加高堤防、纳潮冲淤和河道清淤河口建闸等方法。

九、黄河口海岸演变及渤海湾泥沙研究[101-125]

1、黄河口概况及演变

黄河素以水少沙多、含沙量高、洪枯来水来沙极度悬殊而著称于世（Milliman and Meade, 1983；钱意颖等，1993；Ren,1994; Milliman and Syvitski,1992）。黄河入海口属弱潮型河口，流域来沙量远大于潮流、波浪的搬运能力，大量泥沙在河口处堆积，构建了三角洲。河口区巨量的泥沙沉积诱导河口河道的淤高和三角洲流路的频繁迁移，三角洲海岸自1855年以来总体不断向海推进。三角洲的发育不仅为当地社会经济的发展提供了广阔的后备土地资源，也淤出了我国暖温带保存最完整、面积最大的湿地生态保护区，为保护珍稀、濒危鸟类和生物多样性提供了自然条件。由于多沙、海洋动力较弱、河口流路改道频繁、海岸淤积延伸快及其流域环境变化的敏感响应，黄河三角洲成为研究海岸带陆海相互作用的重要区域。

自20世纪70年代以来，受流域自然气候变化和人类活动的影响，黄河入海水沙锐减。利津站（1950～2000）多年平均径流量和输沙量分别为334.7亿m3和8.49亿t，而20世纪90年代年均径流量为122.8亿m3，占多年平均量的36.7%；年均输沙量为3.47亿t，占多年平均量的40.9%（黄河水利委员会，2003）。1972年黄河下游首次出现断流，1997年黄河下游（利津站）全年断流226天，最大断流河道长达700km（叶青超，1998）。伴随着黄河入海水沙条件的变化，河—海动力力量对比也随之改变，入海泥沙在河口的输移、沉积模式和三角洲海岸形态亦会对此做出相应的响应。由于自然和（或）人类活动的影响，特别是流域筑坝或水库修建，引起河流供沙减少或中止，从而导致世界上许多河流（如：尼罗河、科罗拉多河等）三角洲岸线蚀退或湿地的丧失。

1949年以前，黄河口基本处于自然变迁状态，有关黄河口的研究极少（张世奇，2003）。

20 世纪50年代才逐步开始对河口进行调查观测和初步分析研究。随着黄河三角洲地区开发建设的需要，黄河口的研究逐步得到重视和深入。特别是80年代以来，国家通过重大科研或攻关项目（如：“八五”国家重点科技攻关项目子专题“黄河口演变规律及整治研究”、“九五”国家重点科技攻关项目增列了“延长黄河口清水沟流路行水年限的研究”专题等）和国际合作项目（如：80 年代中、美、加联合调查等）加强了对黄河河口的研究，取得了一系列研究成果，为黄河口的研究提供了重要的理论基础和实践指导。但过去的研究主要集中于黄河三角洲流路的演变模式及清水沟流路的使用寿命、河口淤积延伸对下游河道的影响、河口区海洋动力特性与河口淤积相互作用机理、黄河口最大浑浊带和异重流的现场观测及数值模拟、河口拦门沙演变模式以及黄河口二维泥沙数学模型建立等方面，重点要解决的问题是黄河流域减沙和维持三角洲流路的稳定，而关于少水少沙情况下黄河河口的泥沙输移规律、三角洲河道对河口淤积的响应、水下三角洲冲淤变化规律、三角洲岸线对入海水沙量变化的响应以及人为因素对三角洲海岸的影响等方面的研究相对较少。因此，研究新水沙环境条件下黄河口泥沙输移与三角洲的演变，对全面认识黄河口的演变规律，合理利用和治理河口具

有重要的理论和实践意义。

目前，黄河口的研究方法主要包括文献资料、现场观测、数值模拟和定性遥感分析等。遥感为研究地球表面自然现象变化，特别是研究变化迅速、覆盖范围较大、现场调查较难进行的河口海岸带，提供了一种概况性的、低成本低耗时的、重复获取信息的有效手段，能弥补河口研究中现场观测资料的相对缺乏。利用现场光谱测试数据，建立悬浮泥沙浓度定量反演模型，解译卫星遥感影像，获取河口海岸带悬浮泥沙浓度并进一步研究河口泥沙输移和最大浑浊带的时空演变规律已成为遥感和河口学交叉研究的重要课题之一。Landsat TM6热红外数据可以用来分析地球表面热辐射和温度的区域差异。河口海岸带水体表面温度可示踪入海泥沙输移或监测海岸带水体环境变化。地理信息系统（GIS）为地学分析统计提供了强有力的工具。利用地理信息系统（GIS）分析黄河口及滨海区水深数据可以了解不同区域的冲淤和河流入海泥沙在河口区的分配规律，对认识三角洲沿岸岸线淤、蚀变化过程和建立相应的保护措施具有重要的意义。

2、渤海湾概况

渤海海峡形成于晚更新世晚期。海峡以细砂沉积为主,海洋水动力在本区沉积中起着主导作用。渤海海峡以泥质沉积为特征，物质主要来自渤海,每年约有相当于黄河入海通量的1%的物质经由渤海海峡南部输往黄海。

渤海湾正处在中生代古老地台活化地区，位于冀中、黄骅、济阳三拗陷边缘，经历了各个地质时期的构造运动和地貌演变，形成湖盆，并在其上覆有1～7公里巨厚松散沉积层。沿岸几乎全为第三纪沉积物，形成典型的粉砂淤泥质海岸。又因几经海水进退作用，使海湾西岸遗存有沿岸泥炭层和3条贝壳堤（见天津贝壳堤）。海底沉积物均来自河流挟带的大量泥砂，经水动力的分选作用，呈不规则的带状和斑块状分布。一般来说，沿岸粒度较粗，多粉砂和粘土粉砂，东北部沿岸多砂质粉砂；海湾中部粒度较细，多粘土软泥和粉砂质软泥。

渤海湾在蓟运河河口，由于河口输沙量少和受潮流的冲刷，形成一条从西北伸向东南的水下河谷，至渤海中央盆地消失。平均潮差（塘沽）2.5米，最大可能潮差5.1 米。大陆性季风气候显著，冬寒夏热，四季分明。冬季结冰，冰厚20～25厘米。沿岸为淤泥质平原海岸，泥深过膝，宽约1.5～10千米不等。湾内有天津新港。

渤海湾沿岸河流含沙量大，滩涂广阔，淤积严重。流入海湾的主要河流有黄河、海河、蓟运河和滦河。

（1）黄河以水少沙多著称。年均径流量440亿立方米（郑州附近花园口水文站），多年平均输沙量16亿渤海湾吨，约占渤海输沙量的90%以上，是渤海湾现代沉积物主要来源。

（2）海河水系年均径流量为211.6亿立方米，年均输沙量600万吨。1958年海河建闸后，径流量锐减，年均径流量仅7.1亿立方米，年输沙量不足30万吨，对渤海湾地貌发育的影响已大为减小。

（3）蓟运河为蓄泄河道，1922～1957年年均径流量7.4亿立方米，年均输沙量70～100万吨。1958年建闸后，年径流量和年输沙量分别为0.66亿立方米和1.56万吨。

（4）滦河年均径流量47.9亿立方米，年输沙量2210万吨。由上可见，黄河大量泥沙的入海和扩散，是渤海湾泥沙主要来源。滦河入海泥沙的向西南运移，虽为数不多，但仍不容忽视，使渤海湾水下不断淤浅，滩面扩增。如北堡—涧河的滩面，1958～1984年年均向海延伸1.5公里，沉积厚度年均增11.5厘米。为其他海区所罕见。

3、黄河河口治理

黄河是一条驰名中外的多沙河流，它的多沙，一方面构造了广阔的黄淮海大平原，成为历史上中华民族繁衍生息的中心地带；另一方面，在流经平原地区淤积发展过程中形成的悬河状态，历史上曾给两岸人民带来了严重的洪水灾害。近年来，进入黄河下游河道的水沙关系呈进一步恶化趋势，二级悬河形势严峻，黄河下游河道已经演变成非常不利的河道形态，特别是20世纪80—90年代，更形成了“小流量,高水位”的“二级悬河”局面。面对日益严峻的灾害威胁，近年来相继提出了许多针对河口泥沙的治理方案。典型的有：（1）河口疏浚与导流。（2）引海水冲刷。引海水冲刷黄河下游河槽是林秉南院士提出的一项治黄新途径。国内多家课题组对此进行过系列研究。（3）建设西河口水利枢纽。李泽刚教授提出了建设西河口水利枢纽，其目标是实现灵活调度并利用进入河口地区的水沙使河口海岸处于动态平衡。该方案消除了河口淤积对下游的影响，为清水沟流路长期稳定创造了基本条件，同时优化了河口地区水沙综合利用系统。（4）人工有计划改道和出汊。黄河河口每次改道和大的出汊摆动一般均产生溯源冲刷，河口河段水位发生明显下降。该情况充分表明，通过改道扩大堆沙范围，可显著延缓水位升高的速度。（5）加高堤防和加固防护工程。加高堤防和加固防护工程是解决由于三角洲岸线延伸和水沙条件变得不利时引起的河道淤积抬升的相对经济有效的被动措施。（6）挖河固堤工程。近年来，一些专家提出将挖河疏浚作为治理黄河的综合措施之一，通过挖河减少淤积，理顺河势，增加排洪能力，同时，将挖出的泥沙用于加强堤防工程建设，达到“挖”和“放”有机结合的目的。

以往的黄河口整治研究基本上是围绕防洪这一核心开展的，尚未与生态环境保护与建设、水土资源配置有机联系起来。面对新形势、新的水沙环境，应有新的河口治理思路。应研究在如何服从治黄大局，满足河口防洪安全的前提下，发展河口地区经济和保护生态环境，实现人和自然和谐相处，实现黄河口三角洲可持续发展。为此,根据对新水沙环境下黄河口演变规律的认识，按以下几个层面开展新时期黄河口治理对策的研究：通过深入、系统地对挖河疏浚、引海水冲刷、拦门沙治理、双导堤工程以及利用海洋动力输沙等措施整治效果的研究，探讨在新情势下，在不影响下游防洪安全的前提下实现河口流路的相对稳定及遇突发大洪水应急改道的河口流路总体安排措施。对河口地区水、土资源及环境承载能力进行分析、研究。根据河口地区陆地、浅海滩涂、尾闾河道生态环境保护，维持河流生命基本水量和节水要求，分析水资源的综合开发利用潜力及承载能力；根据水资源条件和生态环境保护要求，分析和评估土地资源的开发利用潜力及承载能力；根据黄河入海水量预测、浅海水域生态环境保护要求，分析、评估海洋资源承载能力；根据黄河口水土资源状况、生物多样性状况，根据生态环境保护和可持续发展要求，分析、评估环境承载能力。根据水土资源及环境承载能力的分析，掌握水土资源与生态环境相互依赖的互动关系，进而研究河口水土资源和生态环境的演变及其影响。研究三角洲流路水沙环境的变化，河口岸线淤进、蚀退，三角洲陆地面积变化，河口湿地演进、湿地生态变化、沿海滩涂变迁及产生的后果等；分析黄河来水来沙变化对生态环境的影响，分析水土资源和生态环境演变过程、规律、未来发展趋势及其对河口地区经济可持续发展的正负效应。根据对河口演变趋势和入海流路使用年限的预测、河口地区水土资源和环境承载能力的分析以及河口水土资源和生态环境演变的研究成果，对照国家综合治黄需求、水土资源综合利用、维护黄河口生命功能、生态环境建设与维护等持续发展目标，提出黄河口综合治理对策及水土资源优化配置方案。

黄河河口治理涉及自然、生态、经济、社会各个领域，涉及多部门、多学科，是一个复杂的系统工程。

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