黄河现状不利河势成因及对策

2016-11-30张心娜王跃红朱玉娟河南黄河勘测设计研究院黄河小浪底水资源投资有限公司范县水利局

河南水利与南水北调 2016年10期

□杜娟□张心娜□王跃红□朱玉娟(河南黄河勘测设计研究院;黄河小浪底水资源投资有限公司；范县水利局)

黄河现状不利河势成因及对策

□杜娟1□张心娜2□王跃红3□朱玉娟3
(1河南黄河勘测设计研究院;2黄河小浪底水资源投资有限公司；3范县水利局)

小浪底水库运用后，进入下游的径流泥沙均大幅减少，河南黄河游荡性河段中水整治工程对河势的控制能力逐渐变化，局部河段不利河势频繁出现。基于近期出现的不利河势类型及演变特点，分析了不利河势成因，并提出治理对策：一是进一步完善中水整治工程，并在此基础上强化洪枯整治；二是对局部不利河势进行针对性的治理；三是加强河道管理。

不利河势；成因；治理对策；游荡性河段；黄河下游

1 河南黄河现状不利河势的类型及其演变特点

黄河下游游荡性河段起于河南孟津白鹤，止于山东东明高村，河道全长299 km。游荡性河道整治始于上世纪70年代初，1980年以后，成为黄河下游河道治理的重点。小浪底水库运用以后，进入下游的径流量和径流过程发生明显变化，小流量过程历时延长，中常洪水量级减小，新的水沙条件下，游荡性河道中水整治工程体系对河势的控制作用受到影响，不利河势时有发生。表1为2000年以后游荡性河道出现的部分典型不利河势统计，根据其特点，基本上可以概括为4种：一是规划流路相反不受工程约束有畸形发育的河势，如九堡至三官庙再至韦滩河段河势；二是横河、斜河等危害防洪安全的不利河势，如2003年蔡集畸形河势，2005年大宫至王庵畸形河势；三是工程脱河或半脱河，河势上提或下挫，造成控导工程间滩地坍塌严重，工程有被抄后路的危险，威胁到防洪安全，近些年发生了一大批这种不利河势，如2009年黑岗口工程上首、2011年武庄工程上首和东安工程河势等；四种是河段内工程靠河情况非常差，河势基本不受工程控制，小水河势处于自由演变状态，如伊洛河口河段、京广铁桥～花园口河段等。具体境况见表1。

游荡性河段不利河势演变大多经历以下几个阶段：一是自小浪底水库清水下泄以来，黄河下游主河槽发生强烈冲刷，随着河床动态调整，水流边界条件也随之变化，局部河段工程靠河长度逐渐减少，河势开始不受控制；二是随着大河流量持续偏小，长时间的小水流量导致河道整治工程送溜不力，河势出现上提下错，险情不断，造成工程上下首滩地坍塌，甚至发生抄工程后路的现象；最后，河道形态愈发复杂化，出现“小水坐湾”的情况，而一旦坐湾，又很难靠水流自身的力量得以调整，流路越来越曲折，局部河段开始形成“横河”、“斜河”。

表1 近期游荡性河道典型不利河势统计表

不利河势的危害性主要表现在：冲击堤防，危及防洪安全；对河道整治工程及滩区造成危害；影响沿黄两岸供水及涉河工程安全。

2 近期不利河势成因分析

2.1 水沙条件变化，中水整治工程体系适应性变差

2.1.1 来水来沙减少

表2为花园口水文站不同时期来水来沙统计情况。小浪底水库运用以后，进入黄河下游的水量和沙量有明显的下降，花园口站来水相对多年均值减少了34.07%，其中汛期减少了53.70%；来沙量较多年均值减少了88.17%，除调水调沙期水库排一部分泥沙外，其余时段基本为清水下泄。详细情况见表2。

表2 花园口水文站不同时期来水来沙情况表

2.1.2 中常洪水频次及量级减小

黄河下游近20 a来的洪水，无论洪水发生的频次，还是洪水的峰和量，与 20世纪 50-60年代相比均明显减小。1950-2012年，花园口站在伏秋大汛期间共发生185次洪峰流量超过4000 m3/s的洪水，年均3.20次，其中1950-1980年年均4.50次，1981-1990年年均3.60次，1991-2012年年均0.60次。＞8000 m3/s的洪水，1950-1980年，年均0.80次，而1981-1990共出现4次，1991年以来没有出现。10000 m3/s以上的洪水均发生在1986年以前，1986年以来出现的最大洪水洪峰流量仅为7860 m3/s，洪水量级明显减小，小浪底水库运用后，洪峰流量又被进一步限制在4000 m3/s左右。

2.1.3 水整治工程体系适应性变差

图1为京广铁桥～东坝头河段不同时段河湾半径统计情况。河湾半径呈现明显减小的趋势，半径＜1000 m的河湾占比，1949-1960年的不足5%，2000年以后则增加至45%以上；相反，半径＞5000 m的河湾占比，1949-1960达到27%，2000年以后仅为1.50%。表明，在小水的长期作用下，水流的惯性与动能不足，水流在与河床相互作用的过程中所要求的流路曲率半径也会较小，河道变得曲折。此外，根据游荡性河道微弯型整治方案确定的河相系数，（k为系数，黄河下游采用k=7～17），整治河宽B与整治流量Q的0.50次方成正比，随着小流量级出现的频率增加，以中水整治流量确定的工程布局体系对水流的适应性逐渐变差，削弱了工程对主流的控制作用，河势变化的不确定性增加。详细情况见图1。

图1 京广铁桥至东坝头河段不同半径河湾数量比例图

2.2 工程配套不完善

黄河下游游荡性河道整治始于上世纪70年代，经过多年的微弯型河道整治实践，制定了系统的整治参数、规划治导线和工程平面规划布局，白鹤～高村游荡性河道共布置节点工程54处，规划工程长度约254 km，截止目前，已建工程长度约为225 km，坝垛2036道，其中2000年以前修建工程长度约为175 km，坝垛1816道。1999-2005年，针对小浪底水库建成后下游游荡性河道整治问题黄委开展了两次大规模的研究，研究期间，河道整治曾一度停止。由于在较长一段时期内，河道工程配套不完善，部分工程长度不足或布局不合理，随着水沙条件变化，当河势上提下挫时，得不到工程有效控制，从而发生不利河势，如2009年黑岗口上首河势、2013年欧坦上首河势等。

2.3 局部河段跨河建筑物影响

随着经济的迅速发展，黄河河道内开发建设活动日趋增多，这些活动在推动了地区经济的发展的同时也给河势稳定、河道管理等各方面带来了不利影响，尤其是跨河建筑物对河势的影响最为明显。以京广铁桥～花园口河段为例，河段内工程靠河情况非常差，河势基本不受工程控制，河段内现有跨河桥梁5座，分别为旧京广铁路桥、新京广铁路桥、郑焦城际铁路桥、107国道黄河公路桥及老田庵浮桥，在该河段上下游附近还有桃花峪黄河大桥、公铁两用桥及京珠高速黄河大桥。模拟新、旧铁路桥对河段河势的影响。可以看出，桥梁对水流有强烈的分散作用，水流过桥后，主流区由集中变为均匀化，桥墩与水流之间的夹角造成了主流区的整体偏移，河段内工程的着流点也会发生改变，从而影响到规划的河道整治工程体系所预期的目标。流场见图2。

图2 新旧铁桥对河势影响模拟流场图

2.4 特殊的地质条件

黄河下游河道的土质主要由3部分组成：一是直径＞0.05 mm的粗沙；二是直径＞2.30×10-2＜0.05 mm的中沙；三是直径＜2.50×10-2mm的细沙。据统计，1950-2012年，进入黄河下游年平均沙量为8.24亿t，河道年平均淤积泥沙量为1.37亿t，其中粗沙淤积量占全部淤积量的81%，粗沙是下游河道淤积的主体。

多由粗沙组成河槽两岸的滩地抗冲刷能力弱，一旦靠河着溜，就很容易发生坍塌，周而复始，滩岸坍塌加剧，不利河势就会迅速发展，不利河势的发生往往都会伴随着强烈的滩岸坍塌。同时，黄河下游游荡性河段受历史洪水冲刷淤积的影响，极个别河段局部也存在淤土层，抗冲刷能力强，会影响到正常河势的发展，同样极易形成不利河势。

3 不利河势治理对策

3.1 进一步完善中水整治工程，并在此基础上强化洪枯整治

通过开展自上而下全面的河道整治，改善和消除现有不利河势，并防止新的不利河势出现。针对目前游荡性河道河势存在的问题和来水的实际情况，应首先按照规划完善中水整治工程，解决工程配套不完善的问题，并在此基础上，采取工程措施，强化中水和小水河槽边界，较以往更多关注引水及其它要求，同时对现有河道排洪河宽进行拓宽，增加排洪河槽过洪能力，保证行洪安全。首先，基于现有中水整治工程，在直线段布置工程以增强工程送流能力，避免主流在工程下首下挫后形成不利河势；其次，沿排洪河槽边界线修建防护工程，进一步稳定中水河槽，防止不利河势发生；再次，对排洪河槽边界线以内中水整治工程，即现有的直线送流段工程进行改造，降低其工程标准，以增加排洪河槽过洪能力，保证大洪水行洪安全。详细情况见图3。

图3 工程平面布置示意图

3.2 对局部不利河势进行针对性的治理

结合不利河势的具体情况，对其进行针对性的治理。常用的措施包括修建永久性的防护工程、对河湾进行临时抢护、对弯道发育成熟的河湾进行裁湾取直等。当不利河势发生的位置在节点工程范围内，特别是工程已经规划的，一般应结合规划修建永久性工程进行治理。如2009年黑岗口上首不利河势，主流上提至规划的工程藏头段，通过藏头段工程的续建截断抄后路水流，较好地控制了河势。临时性的抢护措施投资小，见效快，黄河下游防汛抢险多采用该种方式。常用的措施有抛散石、柳石枕、石笼、土工包护岸、大土工布护底等。重复组装式导流桩坝的试验成功为黄河下游提供了一种新的不利河势防护措施，2013年开封欧坦控导上首不利河势应急抢修中，采用了该种方式，取得了成功，作为临时工程，可以较好地完成它的使命，且可以重复利用，是较为理想的临时性抢护措施。

裁湾是弯道演变由渐变到突变的一种特殊形式，通过裁弯工程可以将迂回曲折的河湾改变为有适度弯曲度的河湾，从而改变不利河势。2006年，在黄河下游对大宫～王庵河段畸形河势进行裁弯整治，取得成功，裁弯后，消除畸形河势，多年来河势一直稳定。

3.3 加强河道管理

随着沿河过河建筑物的增多，相互之间距离较近，密集的建筑物将对河势产生较大影响，河道主管部门今后应严格此类项目审批，充分考虑其叠加影响。对于河道内已建项目，应加强上下游河段河势观测，每年进行河势评估，以现有浮桥为例，每年汛期拆除，恢复时应按照河势评估情况调整其两端位置，尽量减小对河势的影响。