黄河下游河道整治的必要性

胡一三

(水利部黄河水利委员会 郑州 450003)

1 概述

1.1 堤防决口类型

堤防决口大体可分为漫决、溃决、冲决3种类型:①水流漫顶或水流接近堤顶在风浪作用下爬过堤顶,使堤防发生破坏而造成的决口,称为 “漫决”。②河流水位尽管低于设计防洪水位,但由于施工质量不能满足要求、堤身或堤基有隐患,水流偎堤后发生渗水、管涌、流土等险情,进而发展为漏洞,因抢护不及,漏洞扩大、堤防溃塌,水流穿堤而过造成的决口,称为 “溃决”。③水流冲刷堤身,造成坍塌,当抢护的速度赶不上坍塌的速度时,塌断堤身而造成的决口,称为 “冲决”。另外,还有因战争等特定目的,人为扒开堤防造成的决口,称为 “扒决”,如1938年郑州花园口决口。堤防决口多为 “溃决”和 “冲决”。历史上统计的漫决次数多,是因为 “漫决”属自然因素造成,非人力抢护不力,上呈 “漫决”就可以减轻责任。

1.2 整治河道防止堤防冲决

为了保证堤防安全,通过加高加固堤防防止“漫决”和 “溃决”。黄河下游河势变化的幅度大、速度快,不论是洪水期还是平水期都会发生大的变化,当河势变化至危及堤防安全时,若抢护不及就会冲塌堤防,甚至河水穿堤而过。因此,需要进行河道整治,控制河势,防止堤防 “冲决”。河道整治是确保防洪安全的一项重要措施。

1.3 下游河道概况

黄河在河南孟津县白鹤镇由峡谷进入平原地区,至山东垦利县注入渤海,长878 km,根据河床演变特点可分为4个河段 (图1)。其中郑州桃花峪以下至入海口的黄河河道称为下游,长786km。

图1 黄河下游河道平面示意

⑴孟津白鹤镇至东明高村河段。

该段河道长299km,堤距宽一般5～l0km,宽处达20km,河道比降0.265‰～0.172‰,弯曲系数1.15。河道淤积严重,水面宽阔,溜势散乱,洲滩发育,为典型的游荡性河型。支流伊洛河、沁河在此段汇入。

⑵东明高村至阳谷陶城铺河段。

该段河道长165km,,堤距宽1.4～8.5km,大部分在5km以上,河道平均比降0.115‰,河道弯曲系数1.33。水流经游荡性河段落淤后,进入该河段的泥沙颗粒变细,河岸抗冲性能较游荡性河段强,并有胶泥嘴分布,因此尽管河势变化仍很大,但已有明显的主槽,属由游荡向弯曲转化的过渡性河型。

⑶阳谷陶城铺至垦利宁海河段。

该段河道长322km,堤距宽0.4～5km,一般1～2km,河道平均比降0.1‰左右。由于两岸堤距较窄,河弯得不到充分发育,河道弯曲系数仅为1.21。河床组成粘粒含量较陶城铺以上增加,加之两岸整治工程的约束,河势变化相对较小,属弯曲性河型。支流汶河在此段汇入。

⑷宁海以下。

该段属河口段,河道长 92km,由于泥沙淤积,河道抬升延长,至一定长度后,比降变缓,过流能力减小,尾闾段摆动,随着河口段的淤积发展,摆动点上移,直至在河口三角洲范围内改道,河长缩短后,河床下切,继而再度出现淤积……,即河口河段处于淤积-延伸-摆动-改道的循环变化过程中。

⑸下游河道横断面形态。

黄河下游的河道为复式断面,由主槽和滩地组成。中小水时水流从主槽通过,大洪水时主槽过流一般占80%左右。兰考东坝头以下有二级滩地,东坝头以上由于受1855年铜瓦厢决口改道溯源冲刷的影响,增加了一级高滩,即有三级滩地 (图2)。一级滩地和枯水槽合称主槽。

图2 二级滩地和三级滩地示意

2 河道整治的必要性分析

黄河下游进行的河道整治是以防洪为主要目的,兼顾工农业发展需要和滩区群众生产、安全要求。

2.1 为确保防洪安全必须进行河道整治

⑴溜势的大幅度提挫造成被动抢险。

在进行河道整治之前,不仅在宽河段,即使在窄河段,河势的大幅度提挫变化也会造成被动抢险。陶城铺以下的弯曲性河段,一般堤距仅1～2km。河床组成中粘粒含量已较以上河段增加,在突然情况下河势变化仍是很大的,在沿堤修建一些险工后,虽有一定的御流作用,但因位于滩地的河弯无工程控制,弯道坍塌后退下延,往往改变险工的靠溜部位,甚至脱河,河势发生大的变化,历史上曾多次因河势变化而造成堤防决口。

1949年汛期,弯曲性河段高水位持续时间长,河势变化大。据当年的防汛资料,有40余处险工靠溜部位发生大幅度上提下挫,东阿李营、济阳朝阳庄等9处老险工脱河。左岸朝阳庄险工脱河后,主流下挫2km至董家道口,右岸滩地急剧坐弯坍塌,左岸葛家店险工靠溜部位下挫并有脱河危险,以下的张辛险工、谷家险工、小街子险工等靠溜部位也相应下挫,造成跟随河势下挫接连不断抢险,“撵河抢险”长达3km,历时40多天,陷防汛于十分被动、危险的境地。

⑵“横河”会造成堤防冲决或严重抢险。

“冲决”是堤防决口的常见形式,“横河”顶冲是造成 “冲决”的主要原因。

在河势演变尤其是游荡性河段河势演变的过程中,当弯道内土质松散,抗冲能力差,弯道出口处为抗冲性强的粘土及亚粘土时,弯道向纵深发展,迫使水流急转弯,形成 “横河”;在洪水急剧消落,滩区弯道靠溜部位突然上提时,流向改变,弯道深化,且在弯道以下出现新滩,形成 “横河”;在水流涨落过程中,当斜向支汊发展成主溜时,也会形成 “横河”。“横河”形成后,水流集中,冲刷力增强,大量塌失滩地,塌至堤防即出现险情。当水流冲塌堤防的速度超过抢护的速度时,就可能塌断堤身,水流穿堤而过,造成决口。由于 “横河”,历史上曾多次造成堤防决口,中华人民共和国成立后也曾多次造成严重抢险,如:

3 清嘉庆八年(1803年)封丘大宫黄河决口前河势示意

①清嘉庆八年 (公元l803年)阴历九月上旬,封丘衡家楼 (即大宫)出现 “横河” (图3)。据记载,该段堤防原为平工段,“外滩宽五、六十丈至一百二十丈,内系积水深塘。因河势忽移南岸,坐滩挺恃河心,逼溜北移,河身挤窄,更值(九月)八、九日西南风暴,塌滩甚疾。两日内将外滩全行塌尽,浸及堤根。”因抢护不及,终于九月十三日造成堤防冲决,二十世纪70年代封丘大宫一带的所谓 “大沙河”,即是这次决口遗留的故道。

②1952年9月,黄河在郑州保合寨险工对岸滩地坐弯,形成 “横河”直冲保合寨险工 (图4),致使已脱河的保合寨险工前滩地急剧坍塌后退,主流直冲保合寨险工。当时流量约2000m3/s,由于溜势集中,淘刷力强,主槽下切,堤前水深在10m以上,水面宽由一千多米缩窄到一百多米。当时抽调4个修防段的工程队员200余人,民工4000余人参加抢险,积极筹运柳桔料,郑州铁路局拨给350个车皮,由专用广花铁路支线星夜赶运抢险石料,一面加帮后戗,一面抢修坝垛。严重时,大堤被冲塌长45m,堤顶塌宽6m,险情十分危急。经十天左右的紧张抢护方化险为夷。共抢修坝垛4道,加固坝垛4道。总计用石6000m3,柳枝60万kg。

图4 保合寨险工1952年9月下旬河势示意

③1964年10月上旬,在保合寨险工以下12km处的花园口险工下首的117～127坝 (东大坝)前发生 “横河”,主流顶冲险工。10月下旬流量为5000m3/s左右,险工前水流急转弯,溜势集中,水面宽缩窄到l50m左右,单宽流量达30～40m3/s,中水持续时间又较长,根石淘刷严重,造成连续抢险。东大坝根石深度一般达13～l6m,最深达17.8m,该坝抢险用石达11600m3。

④京广铁路桥以下因河势没得到控制,1983年又在保合寨险工对岸的北围堤前发生 “横河”(图5),造成严重的抢险。自8月12日至10月23日除去溜势外移的时间,抢险达53个昼夜。在抢险的1772m工段内,共抢修垛25道、护岸25段,围长3855m,先后参加抢险的军民6000余人,用工16万工日,用石3万m3,柳杂料1500万kg。

图5 北围堤1983年9月4日河势示意

⑤1982年8月2日,花园口出现15300m3/s的洪峰,在流量降落到3000m3/s左右时,开封黑岗口险工前出现 “横河” (图6),来自对岸大张庄一带的主流直冲黑岗口险工,坝前水面宽仅200余m,淘刷严重,19～29坝接连出险。经积极抢护,险情仍不断发展,25护岸到26垛迎水面长50m的坦石和23护岸长30m的坦石相继墩蛰入水,7m高的坝基土完全暴露,直接危及堤身安全。经组织军民2000余人紧急抢护,才保证堤防安全。总计用石料6552m3,抛铅丝石笼1084个。

图6 1982年8月上旬黑岗口险工附近河势示意

①中所述 “横河”造成了堤防决口。②～④所述 “横河”抢险发生在不到 20km的河段内。②、③所述 “横河”险些造成冲决,④所述 “横河”虽发生在滩区,如主溜冲开北围堤,右岸几处险工将失去控制溜势的作用,左岸一百多年未靠河的大堤将会出现顺堤行洪的局面,对堤防安全威胁很大。⑤中所述 “横河”直接危及到堤防安全。诸例表明,为确保堤防安全,需要进行河道整治,控导河势,防止或减少 “横河”发生。

⑶河势游荡会造成堤防布满险工。

按照黄河下游弯曲性河道整治经验,有计划地进行河道整治时两岸工程的总长度达到河道长度的80%左右时,即可基本控制河势。而在未进行河道整治的游荡性河段,大溜至堤防时就得被迫修建险工,一岸工程长度超过80%以上时,河势仍然游荡,平工堤段仍会出险。

郑州保合寨至中牟九堡,长48km。该段河道在右岸堤防与左岸1855年高滩间宽约5km的范围内游荡。为了保护堤防安全,右岸先后修建了保合寨、花园口、申庄、马渡、三坝、杨桥、万滩、九堡9处险工,杨桥险工已有300多年的历史,至二十世纪60年代险工总长达43km,占河道长度的90%。二十世纪60年代前后左岸还修了十几处护村工程和2处控导工程。由于两岸的工程是在被动抢险的条件下修建的,两岸工程互相不配套,不能控制河势。1967年汛期,花园口险工不靠溜,大溜自右岸南裹头到左岸原阳高滩,滩地经不住水流的淘刷,1855年高滩大量塌失。先从马庄西南的农场一队开始塌失高滩,经批准新建的6个垛仅修1个因河势下挫而停修。继而由西向东坍塌马庄、胡庄、刘庵、破车庄、西兰庄村南长达5km多的高滩,南北塌宽2～3km,汛末塌至东兰庄村南,并在滩地坐弯,流向急转南下,方向正对右岸东大坝以下的赵兰庄一带 (图7),堤前滩地坍塌迅速,为防在1.4km长没有坝垛保护的平工堤段出险,在溜至堤根前,就在滩地上抢修了6道坝,1个垛,用石3000m3,后河势外移,险情才缓和下来。由此看出,要防止堤防布满险工,必须有计划地进行河道整治。

图7 花园口险工下段1967年汛末河势示意

⑷畸形河弯威胁堤防安全。

在河势未控制的河段,在枯水期形成的一些畸形河弯,有时会危及堤防等建筑物,造成被动抢险。

l993年9月,开封高朱庄抢险就是一例。在黑岗口至封丘大官河段接连出现2个畸形河弯 (图8),造成多处塌滩。在黑岗口险工至柳园口险工的13km内基本都修有工程,黑岗口及柳园口险工靠溜处因有丁坝未有出险。但在黑岗口险工与高朱庄控导工程之间850m的空裆内没有坝垛,在畸形河弯的演变过程中,滩地塌退,距堤仅60～70m。为保大堤安全被迫抢险修建了8个垛。

因此,为确保防洪安全必须进行河道整治。

图8 开封黑岗口至柳园口1993年汛末河势示意

2.2 工农业发展需要整治河道

⑴提高引水保证率是工农业及城市生活用水的迫切要求。

随着国民经济的发展,黄河两岸对引黄供水需求愈来愈高,能否及时供水在一定程度上已经成为工业、农业及城市发展的制约因素。黄河下游已建有94座引黄闸。半个多世纪以来,常常由于河势变化,造成引不到水或引水十分困难。

在过渡性河段,位于右岸菏泽刘庄险工上的刘庄闸门,1959年汛后建成时险工靠溜,引水十分方便。由于以上河段的河势变化,闸门段脱河。为便于刘庄闸门引水,在上游右岸新建了长2000m的截流坝工程,后因抢护不及,坝头端放弃,余下坝长1460m,但仍未解决闸门引水问题。后黄河下游停止引黄灌溉。1965年复灌后,为了引水不得不在滩地上新建引水渠,最长时达3.6km。引水渠经常需要清淤,因多系流沙,每次都要耗用大量的人力。位于游荡性河段的引水闸门,其引水保证率低于过渡性河段。原阳幸福渠灌溉面积20万亩,为了提高引水保证率,修建了3个引水闸,增加了灌溉投资。弯曲性河段,由于二十世纪50年代已有计划地进行了河道整治,闸门引水条件基本可靠。如引黄济青工程的取水口博兴打渔张闸,就是靠滨州韩家墩、龙王崖、王大夫等控导工程保证引水稳定的。

为了保证工农业及城市生活用水,必须整治河道,稳定河势,以提高引水的保证率。只有通过整治,才能改善和稳定引水条件。

⑵溜势稳定是桥梁安全的要求。

中华人民共和国成立前仅有郑州、济南2处铁路桥,现在黄河下游已有铁路及公路桥30余座。因为河宽、桥梁也较长,如长东铁路桥长达10km,主溜区及非主溜区的桥跨及基础深度不同。如河势巨变,主溜区与非主溜区易位,或发生横河造成集中冲刷,均可能危及桥梁安全。

⑶一定的水深是航运的条件。

历史上由于河势多变,黄河航运并不发达。但水运便宜,运送防汛料物更为有利,抢险时可直接运石到用料部位。黄河河宽水浅,通过整治才能集中水流,保证通航所需要的水深。

2.3 滩区人民要求整治河道

⑴滩区居住有百万人口。

为了防洪安全,黄河下游河道宽阔。广大滩区是含沙水流在多次过流落淤塑造而成的。由养分丰富的泥沙淤出的肥沃滩区,适合农作物生长,在生产不发达的时代,粮食亩产远高于背河耕地,尽管多数年份秋庄稼被淹仅能收获夏粮,相对而言滩区却往往成为沿黄县的粮仓。20世纪60年代以前,沿黄河两岸有300多万亩沙荒盐碱地,背河一带生存条件非常差,产量很低。近40年来,背河地区通过引黄河水放淤改土、稻改等措施,改变了盐碱化的面貌,加之农田水利建设等项措施,生产发展很快。从古至今黄河下游滩区都居住着大量群众。

黄河下游计有120多个自然滩,滩面宽0.5～8km不等。其中,面积大于100km2的有7个,100～50km2的有 9个,50～ 30km2的有12个,30km2以下的有90多个。据统计,截至2003年底,黄河下游滩区(含封丘倒灌区)总面积4046.9km2,耕地375.5万亩,村庄1924个,人口179.5万人。耕地及人口主要集中在阳谷陶城铺以上的宽河段。

⑵河势变化造成大量塌滩塌村。

黄河下游河道多淤善变。黄河给滩区人民提供了生存的条件,但常常也给他们带来深重的灾难。在河势变化尤其是剧烈演变的过程中,常常坍塌大量耕地,甚至将村庄塌入河中。据统计,二十世纪50年代时平均每年坍塌滩地多达10万亩,60年代游荡性河段坍塌滩地也非常严重;1949～1976年有256个村庄掉河。塌滩掉村严重影响滩区群众的生产生活,并威胁生命安全。因此,除进行安全建设外,滩区人民还强烈要求整治河道,控制河势,稳滩护村,同时进行滩面治理,防止滩面串沟集中过流。

综上所述,黄河下游必须进行河道整治,控导主溜,稳定河槽,固定靠河险工和控导工程。

3 结语

黄河下游治理的首要任务是保证防洪安全。

在长期与洪水斗争的过程中体会到,河势变化尤其是主流的提挫与摆动常会造成堤防抢险,甚至造成堤防决口。溜势的大幅度提挫会造成长期被动抢险,河势游荡会使堤防布满险工,增加防洪负担。畸形河弯尤其是“横河”又会直接危及堤防安全。黄河是河南、山东两省沿黄地区的主要水源,工农业及城市的发展在某种程度上受制于从黄河的引水量,引水的可靠程度直接影响发展速度。黄河堤距宽,跨河交通桥梁的安全直接与主流的位置和方向有关。居住在滩区的一百多万居民,在河势变化的过程中会承受塌滩塌村造成的灾难。因此,不论从黄河两岸保护区考虑,还是从滩区考虑,黄河下游均必须采取措施,控导主流,稳定河势,保堤护滩,有计划地进行河道整治。