河流在长期水沙动力作用下，形成独特的河道形态^[1-3]。但随着全球气候变化^[4-6]和人类对河流的开发利用，不同河流的水文和泥沙特性发生了极大改变^[9-11]，原有河道形态已不再适应水文和水动力条件，发生了快速演变^[12-14]。大沽河是注入胶州湾流程最长、流域面积最广的河流，干流全长179.9 km，于胶州市营海镇码头村注入胶州湾，被誉为青岛的母亲河。长期水沙动力作用下，形成了其特有的河口形态。但是，近年来大沽河口进行了数次整治，河口下游河道演变逐渐从河流主导型转变为潮汐主导型，河道形态已不再适应当前水沙动力条件，势必影响河口的淤积和防洪，增加河口维护成本^[15]。针对这一问题，本文提出适用于当前水沙动力的新方案，并基于文献^[15]所建立的准三维河流动力模型，进一步对河道整治所涉及的不同闸坝位置、堤防形态、橡胶坝宽度、码头断面形态进行模拟，得出最优的河道整治方案。

1 工程初步设计方案

大沽河下游段为大片平原涝洼地区，原河道蜿蜒曲折，主河槽忽宽忽窄，不利于行洪和河道稳定。为了进一步开发利用南庄橡胶坝以下的大沽河河口地区，在大沽河总体规划中，提出了大沽河河口整治工程设想方案，即拟在青兰高速(原胶州湾高速)公路以下再建一座拦蓄水构筑物，使清水和咸水分界点下移，形成面积大于7 km²的淡水水面。新建闸以下的河道滩地进行疏挖，虾池梗进行清理，以提高新建闸以下河道的行洪能力，达到50年一遇的防洪标准。

人工河道不再考虑原有河道形态，而是结合潮流运动规律和航道码头分布，规划设计全新的主槽形态(如图 1)。在青兰高速公路以下开挖宽430 m的人工河道，在此人工河道选择合适的位置建闸(图 1闸坝Ⅰ、闸坝Ⅱ)。对青兰高速公路以下河漫滩按平均宽2.0 km进行清障，将高程2.0 m以上的虾池埂彻底清除，拆除滩内的构筑物。并在淤积和防洪安全预测基础上，进一步对不同堤坝性状、闸坝宽度和码头位置断面宽度进行多方案优化。为了保证人工河道航运正常运行，在主槽偏离人工河道段，开挖宽约100 m、底高程为-4.0 m的人工主槽。但要实现防洪减淤、蓄水通航的最大效益，需要进一步对闸坝位置、堤防形态、河道闸坝进行具体设计以及码头断面形态进行进一步优化。

2 工程方案优化 2.1 闸坝位置优化 2.1.1 河道冲淤计算

计算表明，闸址Ⅰ和闸址Ⅱ方案泥沙淤积规律基本相似。淤积首先从下游逐渐向上游推进。至第2年末，淤积发展至闸下。至第3年末，闸下先淤积平衡。后淤积向下游发展，直至整个河道淤积平衡。图 2给出了闸址Ⅱ方案运行第1年、4年、7年后河口淤积厚度(D_z)分布。

在弯河道方案中码头所在的下游弯道处，涨潮时，潮水挟带泥沙进入河道，规划主槽与原主河槽均落淤。运行一段时间后，规划主槽淤高至低潮位，在低潮位时开始露滩，落潮时滩面海水归至原主河槽，使得原主河槽水动力增强。若持续运行，则规划主槽开挖部分逐渐淤高，最高可至高潮位，而原主河槽由于涨落潮时的归槽作用，使得原有形态得以保持。

在接近闸址处，由于水流相对静止，泥沙匀速沉降，若无开闸时水流扰动，淤积形态较为平整。而在原主河槽与规划主槽水流流向不一致的“横河”处，原主河槽很快淤积，且不易冲刷。

不同闸址的淤积预测对比表明，闸址越往上游，淤积量越大。由图 3可以看出，淤积平衡后，闸址Ⅰ最大淤积量较闸址Ⅱ多100万m³。

2.1.2 洪水位变化和防洪安全预测

闸坝修建后，过水断面宽度由原来的约2 000 m缩窄至430 m，虽然主河槽挖深至-2.5 m，但过水断面的大幅缩小导致了闸前水位造成一定壅高(见图 4)。在闸址Ⅰ的111+500断面和112+000断面，水位差达0.35 m；闸址Ⅱ的112+000断面和112+500断面，水位差达0.36 m。相较于现状地形，边滩清障后，沿程水位降幅较大。

淤积主要对大沽河桥下游区域水位有一定影响，且越靠近闸坝区域，水位的壅高越大。从图 4可以看出，相较于运行初期地形，淤积5年后，50年一遇洪水位闸坝处水位升高约0.2 m；淤积平衡后，闸坝处水位将升高约0.5 m。

由洪水位和堤防高度可以得到109+000断面上游的最小堤防超高值。在上述条件下，运行初期最小堤防超高约为2.0 m。淤积平衡后，人工河道淤积导致洪水位升高，使得最小堤防超高降低约0.3~0.4 m，防洪压力增大。淤积对于坝前区域水位影响较大，淤积平衡后，由于过水断面减小，闸前水位最大升高达0.5 m，而坝址位于119+000断面下游无堤防区域，因此淤积对于该区域防洪也造成不利影响。需要强调的是，若运行过程中滩地无法保证现有2 m的清障地形，则洪水位将会进一步升高，河口将会出现更为严峻的防洪安全问题。因此运行过程中必须对滩地进行人工清淤和维护，对主槽采取泄洪冲沙或人工清淤，以保证河口的防洪效益。

2.2 堤防形态优化

闸坝建成后，合理的堤防和闸坝形态不仅关系到河道防洪和蓄水效益，同时关系到坝体安全、水库内水质和淤积分布。其中一个重要问题就是洪水下泄时，闸坝上游的回流问题^[16-18]。

根据闸坝上游河道地形和堤防初设形状，以50年一遇特征洪水为例，研究不同堤防形态所出现的回流位置和尺度。试验结果流场如图 5所示，图中z表示河底高程。结果表明，在原河道堤防形态条件下，闸坝两边都会出现不同程度的回流，将导致污染物、垃圾及淤泥在回流区累积。因此必须根据不同水流条件下回流位置和尺度，对堤防形态进行优化。如当采用图 5红线所示的弧形堤防形态，则在50年一遇洪水条件下，闸坝上下游不再存在回流问题。

2.3 橡胶坝宽度优化

由于在闸址附近，河道断面由原来的约2 000 m宽缩窄至430 m，同时加上闸坝的影响，水位抬高，且流场发生较大变化，河道浅滩水流向主槽方向聚拢集中，对两侧闸门势必产生不利影响。为减弱这种不利影响，现拟在原人工深槽建闸的两侧边滩加设橡胶坝，蓄水时期，橡胶坝起到拦水作用，洪水期塌坝泄洪。分别对以下4种工况进行模拟：①工况a, 仅人工主河道建有闸门，两侧边滩无橡胶坝；②工况b, 人工主河道建有闸门，两侧边滩橡胶坝均长100 m；③工况c, 人工主河道建有闸门，两侧边滩橡胶坝均长300 m；④工况d, 人工主河道建有闸门，两侧边滩均布设橡胶坝。

图 6为这4种工况的流场，图中不同颜色表示河床高程。从图 6可见，在无橡胶坝的工况a中，闸前水流向人工主槽集中，在靠近左右岸边墩的两侧，流速基本以与主河槽成45°夹角流向闸门。随着橡胶坝长度的增加，这种现象在工况b和c中逐渐减弱。工况d由于不存在断面缩窄，因此流场从上游向下游平顺下泄，主流线基本平行于主河道。

图 7为这4种工况下50年一遇洪水水面线沿程分布。超高表示在闸址处存在断面缩窄时与不存在断面缩窄时的水位差，也就是工况a，b，c与工况d之间的水位差。在工况a中，闸门对水流的壅高现象最明显，约0.20 m，其次是工况b，闸前水位壅高0.16 m。当橡胶坝的长度进一步加长，工况c条件下，两侧橡胶坝分别为300 m时，闸前水位壅高降低为0.06 m。若综合考虑工程规模以及水位壅高等影响，建议两侧橡胶坝长度为300~500 m。在工况c中50年一遇洪水条件下，在109+000断面以上南庄橡胶坝以下河段堤防最小超高2.12 m。

2.4 码头位置断面宽度优化 2.4.1 淤积量和淤积形态分析

大沽河入海口最下游弯道处建有规模较大的码头和造船厂，河道淤积对航运产生不良影响。

试验结果表明，在运行初期，不同方案河道淤积总量差异很小。随着运行时间增加，不同方案淤积总量差异增大。至第5年末，淤积量差异约为50万m³。总的来说，码头所在断面宽度越大，河道总淤积量越大，其中河道宽度L=700 ~750 m时，淤积量随断面宽度减小的减幅最大，5年末减小量约30万m³。不同淤积方案的淤积形态差异不大，只是码头处过流断面越窄，运行初期淤积向上游推进越快。主槽位置淤积厚度大于边滩，1年末淤积还没有完全推进至闸下(图 8)。

2.4.2 冲沙效率分析

选取图 8所示淤积1年末河道地形，利用水库蓄水对河道进行冲沙试验，采用冲沙厚度d_z与淤积厚度D_z之比表征冲沙效率。图 9给出了闸下河道冲沙效率分布形态。结果表明随着断面宽度增加，冲沙效率呈减小趋势。随着宽度变小，冲沙效率增加，码头附近的清淤压力有所减小。不同方案码头位置主槽冲沙效率皆小于15%，说明仅靠蓄水冲沙无法达到码头位置的清淤效果，必须进行人工清淤。

2.4.3 最佳断面宽度

码头最佳断面确定需要综合考虑河道淤积量、清淤效率、码头最大流速以及河岸的稳定性。

若仅考虑淤积总量，随着码头位置河道断面宽度减小，淤积总量有所减小，当断面宽为700~750 m，随宽度减小淤积总量减小幅度最大，至第5年末，码头宽700 m方案比750 m方案淤积总量减小约30万m³。

从冲刷效率比较，随断面减小，冲刷效率有所增大，且宽度为700~750 m时，随断面宽度增加冲刷效率增幅最大。

但断面缩窄并不能解决码头附近主河槽淤积问题，必须采用人工清淤。不过河道缩窄可以增加所在断面的冲刷效率，断面宽为750，700，650，600和550 m时码头所在断面的冲刷效率分别为0.09，0.18，0.21，0.26和0.30。

此外，码头断面宽度也会影响码头流速和停船安全。根据三维水动力模型计算结果，统计得到50年一遇洪水作用下，断面宽为750，700，650，600和550 m时，码头表层最大流速分别为0.87，0.91，0.93，0.95，0.99 m/s，均小于1 m/s，但码头位置并无明显回流(图 10)，因此满足码头停船要求。

综合以上分析，河道宽度拟选取650~700 m，在此范围内，淤积程度较750 m相对减小较多，冲刷速率较750 m增加较多，且同时凸岸位置水流顶冲作用相对较小。

3 优化方案行洪安全分析

通过以上分析，对河道初始高程、码头断面宽度、闸坝和堤防平面形态进行了优化，但是必须考虑优化方案的防洪安全。为此，上游选取50年一遇洪水流量，下游口门水位选取多年最高高潮位(3.23 m)，作为不利水动力条件对沿程洪水位进行试验研究。码头所在断面宽度选取700 m方案。

图 11为河口洪水沿程分布。可见，运行初期，优化方案并不存在防洪安全问题。但随着运行时间的推移，河口呈逐步淤积趋势。且由本次冲沙试验可知，仅靠水库蓄水冲沙无法完全解决河道泥沙问题，必须结合其他人工清淤措施。

4 结语

为了实现防洪减淤、蓄水通航的最大效益，采用数学模型，对河道初始高程、码头断面宽度、闸坝和堤防平面形态进行了优化研究。研究结果表明：

(1) 闸址越往上游，闸址下游淤积总量越大，不同闸址方案的洪水位随着淤积增加而升高。

(2) 闸坝上游弧形堤防形态可以减小和消除洪水期闸坝上游回流，从而减小回流所导致的淤积。

(3) 闸坝两侧边滩增加橡胶坝可同时起到蓄水和防洪作用。当两侧橡胶坝长度大于300 m时，闸坝对洪水水位壅高效应将基本消失。

(4) 码头所在断面宽度对于码头淤积量、冲沙效率以及码头位置停船安全有重大影响，最佳断面宽度拟采用650~700 m。

(5) 优化设计方案实施后满足大沽河口防洪要求，证明当河口水沙动力条件变化较大时，设计适应于河道形态的新方案是可行的。