水沙变化情势下淮河干流治理方向探讨

2019-05-08虞邦义王久晟

水利规划与设计 2019年4期

倪晋，虞邦义，张辉，王久晟

(安徽省(水利部淮河委员会)水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室，安徽蚌埠 233000)

淮河自然灾害频繁，是我国治理难度最大的河流之一。近年来受人类活动和气候变化等因素的影响，淮河的水沙特征发生了显著的变化[1]，如干流主要测站鲁台子的年均输沙量由1950年代的1800万t，减少至2000年之后的300万t左右[2]。淮河水沙变化如此之大，如此之快，未来趋势如何，淮河治理开发战略决策是否随之有重大调整，已成为新时期淮河治理的重大科技问题。为了更深入地理解淮河水沙演变的特征，本文通过多种水文统计方法对径流量和输沙量的历史变化和未来趋势进行分析，并探讨了淮河干流的治理方向，以期为流域水沙资源的配置和治淮方略的制定提供支撑。

1 水沙变化特征

鲁台子站、吴家渡站均为淮河干流上的重要水文站点，前者几乎控制了淮河水系所有的山区来水，后者基本反映了淮河入洪泽湖的径流总量，且两站的水沙记录自1950年代观测至今，有近70年的径流量和输沙量的连续资料。因此，本文选择这两个站点作为代表分析淮河干流的水沙变化特征。

1.1 水沙历史变化

将淮河干流鲁台子站和吴家渡站1950—2015年共66年系列径流量和含沙量分年代和五年滑动平均统计，结果如图1—4所示。

图1 鲁台子站径流量逐年变化

图2 吴家渡站径流量逐年变化

图3 鲁台子站含沙量逐年变化

图4 吴家渡站含沙量逐年变化

由图1与图2可知，1950—2015年鲁台子站和吴家渡站多年平均径流量分别为211.5亿m3和266.1亿m3，不同年代与五年滑动平均径流量总体呈随机变化特征，并无明显增加或减少的趋势。由图3与图4可知，1950—2015年鲁台子站与吴家渡站多年平均含沙量分别为0.32kg/m3和0.28kg/m3。通过对五年滑动平均值进行线性拟合可知，鲁台子站和吴家渡站含沙量分别以0.0132(kg·m-3)/a、0.0077(kg·m-3)/a的趋势减少，各年代含沙量随时间推移均呈明显递减趋势，2000年以后两站含沙量基本稳定在0.1kg/m3和0.2kg/m3以下。

1.2 来沙未来变化趋势

在水沙历史资料统计的基础上，采用R/S分析法和小波变换进一步预测未来输沙量的变化情势。其中，R/S分析法用来分析输沙量时间序列的趋势性，小波变换用来分析来沙量的周期性变换规律。由于Morlet小波[3]在时间和频率范围内均有较好的特征，本文选用其作为母函数进行分析。

R/S分析法计算结果及未来趋势分析见表1。由表1可知，鲁台子站含沙量时间序列的Hurst指数H=0.6658>0.5，表明未来一段时间输沙过程具有持续性与正相关性，即未来变化趋势将和含沙量历史总体趋势保持相同，结合上述分析可知，鲁台子站含沙量在未来一段时间内整体上呈现减小的趋势；吴家渡站含沙量时间序列的Hurst指数H=0.6437>0.5，也说明吴家渡站含沙量在未来一段时间内总体上呈现减小的态势，鲁台子站与吴家渡站未来含沙量变化趋势大体一致。

表1 近66年吴家渡站来沙量R/S法分析结果及未来趋势判断

Morlet小波分析结果如图5所示，图中实线代表正值，对应多沙期；虚线代表负值，对应少沙期。实线与虚线交汇的地方加粗实线，即等值线为0的地方是突变的时间点，等值线疏密与指标的偏少和偏多时期是对应的。整体上左边的等值线密度大于右边，表明近70年来，鲁台子站和吴家渡站含沙量总体上保持减少的趋势，这与R/S分析法得到的结论相一致；两站输沙过程均以7—8年为振荡周期，在整个研究区域都很明显，具有全域性，且该周期中往往还嵌套着较小尺度的变换周期。由于2015年负位等值线并未封闭，表明两站在2015年以后一段时间将继续处于少沙期。

图5 含沙量序列小波系数实部等值线图

2 治理方向探讨

2.1 进一步扩大主槽

经过多年的治理，淮河中游抗御大洪水的防洪体系已相对比较完整，当前亟待解决的是中小洪水问题。由于淮河主槽浅窄，平滩流量不足，中小洪水位较高，造成洪涝灾害问题突出。根据实测资料分析[2]，淮河干流洪河口至正阳关段平滩流量为1500m3/s，正阳关至涡河口约2500～3000m3/s，涡河口以下约3000～3500m3/s。各段平滩流量仅相当于设计流量的25%左右。平槽泄量太小，使得洪水上滩频率较高，漫滩时间较长，如2003年、2007年两场中等洪水，漫滩时间长达50～60d[4]，严重影响两岸支流及洼地涝水的外排。

要给淮河中小洪水一个通畅的出路，就需要对淮河干流河道进行疏浚，以往的规划中也研究过河道疏浚的方案，但由于担心回淤的问题而未能实施。近年来，淮河泥沙大幅度减少，部分河段由淤转冲[5]，为疏浚扩挖主槽，打开中小洪水通路，提供了有利的外部条件。2007年大水后，淮委会同安徽省水利厅首次采用长距离、大规模疏浚的方式对淮河干流蚌埠至浮山段进行治理。

动床模型的计算分析表明，该工程实施后蚌浮段仍将维持微冲的态势，没有发生大规模的回淤现象。因此将疏浚作为今后一段时期淮河河道整治的主要措施是合适的。

2.2 适当扩大部分河段的滩地

随着淮河干流扩大泄量工程的陆续实施，正阳关以上河道的行洪宽度已拓宽为1.5～2km，堤距较为理想；而正阳关以下许多河段堤距不足1000m，部分卡口河段仅500～600m。对比沿程各河段平均滩宽与平均槽宽可知，正阳关以上平均滩宽是平均槽宽的两倍以上，而正阳关以下河段平均滩宽小于平均平槽河宽，蚌埠以下河段平均滩地宽度更小。

由于淮河干流断面形式基本为高滩深槽模式，滩地过流能力明显不如主槽，退堤100m的效果大约相当于主槽扩大17m2[6]，而且退堤还涉及占地、拆迁安置等诸多问题，因此不论是从经济角度还是实施的难易程度来讲，退堤都是不划算的。正是由于上述原因，在近期淮河治理中，河道被渠化倾向比较明显，干流河道的滩地宽度严重不足。但是，治理河道不能只算经济帐，从河床演变的角度来看，主槽和滩地相互联系，相互影响，关系密切。淮河滩槽高差大，滩地行洪能力低，主流集中，正是河道稳定的良好表现。近年来，随着来沙减少，正阳关以下河道除了深泓下切之外，最明显的特征就是滩坎坍塌，主槽展宽。首先是上游来沙较少，大水年刷尖切滩现象时有发生，造成滩地减少；其二是上滩水流，挟沙量也太少，很难起到淤滩固滩的作用。滩地的减少，不仅降低了正阳关以下河道水沙调节能力，而且使得水流的集中程度降低，滩槽的差别减少，影响河槽的稳定，更有甚者还会造成堤脚被冲淘，影响堤防的安全。因此，建议有条件的河道尽量退堤，维持合理的滩地规模，使河道断面形式趋于合理。