黄河下游不同治理方案下河道冲淤规律研究
2019-10-21张防修史玉品毕桂真王明
张防修 史玉品 毕桂真 王明
摘要：针对黄河下游宽河治理的现状方案和窄河治理的防护堤方案，采用一维非恒定水沙数学模型，对设计年均来沙分别为3亿、6亿t和8亿t的3组系列年水沙情景开展了计算。结果表明：年均来沙3亿t情景下，两种方案黄河下游均表现为微冲，冲刷量分年、分滩槽、分河段都差别较小，第50 a末两种方案的最小平滩流量为4 019-4 067 m3/s;年均来沙6亿t情景下，两种方案黄河下游均表现为淤积，防护堤方案在全下游减淤15.78%，减淤主要发生在花园口一艾山河段，其中花园口一高村、高村一艾山分别减淤22.53%、23.45%.艾山一利津河段稍有增淤，第50 a末黄河下游最小平滩流量为2 389-2 608 m3/s;年均来沙8亿t情景下，两种方案黄河下游淤积量都较大，防护堤方案在全下游减淤16. 78%，在铁谢一花园口、花园口一高村、高村一艾山河段分别减淤18.40%、20.83%、21. 85%，艾利河段增淤4.99%，至第50 a末黄河下游最小平滩流量为2 058-2 420 m3/s，两种治理方案对西河口以下河长的延长值影响不是太大。
关键词：数学模型;河道冲淤;平滩流量;治理方案;黄河下游
中图分类号：TV62;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.008
黄河干流河道自河南省孟津县白鹤镇由山区进入平原，于山东垦利县注入渤海，全长878 km，平面上具有上宽下窄的特点。艾山以上宽河段河宽远远大于一般河道，大部分在5 km以上，最宽处达到24 km[l]。黄河下游滩区既是河道行洪区的组成部分，也是滩区人民生产生活的基地，同时承担着黄河防洪减灾的重大压力。从有历史记载以来，黄河治理就备受关注，对于黄河下游的治理主要有两种策略：“宽河固堤”与“束水攻沙”。前者的核心思想是保持较宽的堤距，充分利用下游广阔的滩地滞洪沉沙，减轻洪水对堤防的压力;后者的关键在于利用工程措施缩窄河道，稳定主槽，以期通过增大河槽流速提高水流挟沙能力，减缓河道淤积[2]。人民治黄以来，在“宽河固堤”方略指导下，逐步探索形成了“上拦下排、两岸分滞”的洪水应对思路以及“拦、排、调、放、挖”的泥沙综合处理措施。同时，结合小浪底水库运用和下游河道整治工程建设等措施，构建了黄河下游防洪工程体系，确保了下游河道70余a的安澜[3-4]。黄河下游治理方略也一直伴随着社会进步而发展，随着社会经济的整体进步和黄河治理的全面推进，滩区可持续发展与防洪之间的矛盾日益突出，国内外学者对此开展了大量的研究工作，取得了较多的研究成果[5-9]。目前的黄河水沙情势与以往时期相比已经发生了较大变化，这些变化是改变滩区现有治理方略的前提[10]。因此，本文主要针对黄河下游滩区现状地形条件下破除生产堤（即现状方案）和修建防护堤（即防护堤方案）两种治理方案，采用水沙数学模型定量计算黄河下游年均来沙分别为3亿、6亿、8亿t情景（简称为3亿t情景、6亿t情景、8亿t情景）下黄河下游未来50 a的河道冲淤规律，以期为开展下游滩区治理提供参考。
1 治理方案及设计系列年水沙情景
1.1 治理方案
綜合考虑排洪输沙、河道整治、滩区面积和滩区人口分布等情况，防护堤堤线布置原则为：坚持有利于输沙的原则，堤线布置应力求平顺，不采用折线或急弯;保持上下游河宽渐变，避免相邻断面堤距忽宽忽窄;充分利用控导工程，同时有利于工程抢险和管理：防护堤应布置在占压耕地少、搬迁人口少的地带，尽可能与现状生产堤结合：堤线距黄河大堤原则上不小于1.0 km;防护堤布置应兼顾两岸利益。图1为夹河滩断面防护堤设置，防护堤在2013年汛前实测大断面基础上布置，设置后对主槽地形没有影响，同时缩窄了滩地过水面积。现状方案和防护堤方案的堤距见表1。
1.2 设计系列年水沙情景
设计系列年水沙情景采用黄河勘测规划设计有限公司的研究成果，见表2。
3亿t情景：进入21世纪以来，黄河流域下垫面条件发生了明显变化，黄河水沙量也随之发生变化.2000-2012年四站（龙门、华县、河津、漱头）年均来沙量为2.96亿t，年均来水量为244亿m3，该时段黄河来水来沙过程体现了近一时期人类活动及下垫面的影响，故选用2000-2012年实测13 a水沙系列连续循环3次+2001-2011年组成的50 a系列作为人黄水沙代表系列。
年均来沙6亿、8亿t情景：考虑不同情景方案水利水保措施减沙作用对减水的影响，在设计水平年水沙条件中选取1956-1999年+1977-1982年50 a系列作为人黄水沙代表系列，两个系列中四站来水量分别为259亿、269亿m3。
按照3种情景50 a设计水沙代表系列，经黄河中游水库群（古贤、三门峡、小浪底水库）的水沙联合调节及四站至潼关河段输沙量计算，得到进入下游的水沙过程。中游水库群考虑待建的古贤水利枢纽工程，中游水库群的水沙联合调节均不考虑水库的拦沙作用（即水库处于正常运用期）。
计算引水采用黄委批准的黄河取水许可证中逐河段的计划逐月引水过程，引沙量通过分河段引水流量结合干流断面含沙量进行计算。
2 计算结果分析
2.1 黄河下游冲淤影响分析
2.1.1 3亿t情景
由表3可知，两种治理方案整体表现为微冲，现状方案全下游冲刷0.26亿t，防护堤方案冲刷0.63亿t，防护堤方案多冲刷0.37亿t。
（1）分河段冲淤量。铁谢一花园口河段现状方案与防护堤方案均为冲刷且冲刷量一致，均为1.74亿t：花园口一高村河段现状方案冲刷0.66亿t，防护堤方案冲刷0.73亿t，防护堤方案多冲刷0.07亿t;高村一艾山河段现状方案淤积2.01亿t，防护堤方案淤积1.81亿t，防护堤方案减淤0.20亿t;艾山一利津河段，现状方案淤积0.13亿t，防护堤方案淤积0.03亿t，防护堤方案减淤0.10亿t。
（2）全下游分滩槽冲淤量。两方案主槽均为冲刷，滩地均为淤积。现状方案主槽冲刷1.11亿t，滩地淤积0.85亿t;防护堤方案主槽冲刷1.30亿t，滩地淤积0.67亿t。防护堤方案比现状方案主槽多冲刷0.19亿t，滩地少淤积0.18亿t。
（3）分河段、分滩槽冲淤量。铁谢一花园口河段没有漫滩发生，冲淤均发生在主槽;花园口一高村河段现状方案主槽冲刷0.70亿t、滩地淤积0.04亿t，防护堤方案主槽冲刷0.75亿t、滩地淤积0.02亿t，防护堤方案比现状方案主槽多冲刷0.05亿t、滩地少淤积0.02亿t;高村一艾山河段现状方案主槽淤积1.42亿t、滩地淤积0.59亿t，防护堤方案主槽淤积1.33亿t、滩地淤积0.48亿t，防护堤方案比现状方案少淤积0.09亿t、滩地少淤积0. 11亿t;艾山一利津河段现状方案主槽冲刷0.09亿t、滩地淤积0.22亿t，防护堤方案主槽冲刷0.14亿t、滩地淤积0.17亿t，防护堤方案比现状方案主槽多冲刷0.05亿t、滩地少淤积0.05亿t。
（4）全下游累计冲淤量。由图2可知，两方案累计冲淤量变化趋势基本一致，计算年内冲淤量随年来水来沙量的不同而变化，第1-13 a、第14 - 26 a、第27-39 a设计原型为实测13 a水沙系列连续循环3次，这3个时段的变化趋势都是先淤积后冲刷。计算至第11 a累计最大淤积量5.48亿t.至第39 a现状方案累计冲刷量最大为3.37亿t，防护堤方案累计冲刷量最大为3.61亿t。
（5）分河段累计冲淤量。由图3-图6可知，铁谢一花园口河段现状方案与防护堤方案累计冲淤量一致，其余各河段两种治理方案累计淤积量比较一致，并随年来水来沙量的不同而变化，特别是对于第1- 13a、第14- 26 a、第27-39 a这3个时段的变化趋势都是先淤积后冲刷。
（6）最小平滩流量变化。由图7可知，在前35 a两方案最小平滩流量变化趋势和数值比较一致，其变化与艾山断面前后河段的冲淤趋势一致：第36-50 a两方案变化趋势一致，但数值稍有差别。到第50 a，现状方案最小平滩流量为4 019 m3/s，防护堤方案计算最小平滩流量为4 067 m3/s。
结合3亿t情景下的洪水过程（见图8），计算系列中小黑武（小浪底、黑石关、武陟）共发生两次大流量过程，在第25 a、第38 a小黑武最大流量为6 569 m3/s，其余年份汛期调控出库流量为4 000 m3/s左右，非汛期泄放400 - 800 m3/S的恒定流量过程。考虑沿程引水及河道蒸发、下渗损失，整个系列洪水过程以在主槽行洪为主，随着下游河道主槽淤积，平滩流量变小，个别断面会发生洪水上滩现象。因此，3亿t情景下两种治理方案的差别并不明显。
2.1.2 6亿t情景
由表4可知.6亿t情景下两种治理方案在黄河下游均表现为淤积，现状方案在全下游淤积52.55亿t.防护堤方案淤积44. 24亿t，防护堤方案少淤积8.31亿t。
（1）分河段冲淤量。铁谢一花园口河段现状方案淤积8.02亿t，防护堤方案淤积7.83亿t，防護堤方案减淤0.19亿t：花园口一高村河段现状方案淤积23.12亿t.防护堤方案淤积17.91亿t，防护堤方案减淤5.21亿t;高村一艾山河段现状方案淤积13.52亿t，防护堤方案淤积10.36亿t，防护堤方案减淤3.16亿t;艾山一利津河段现状方案淤积7.89亿t，防护堤方案淤积8.14亿t，防护堤方案增淤0.25亿t。
（2）全下游分滩槽冲淤量。两方案计算滩槽均为淤积。现状方案主槽淤积37.70亿t，滩地淤积14. 85亿t：防护堤方案主槽淤积33.02亿t，滩地淤积11.22亿t。防护堤方案比现状方案主槽少淤积4.68亿t，滩地少淤积3.63亿t。
（3）分河段、分滩槽冲淤量。铁谢一花园口河段现状方案主槽淤积4.81亿t、滩地淤积3.21亿t，防护堤方案主槽淤积4.86亿t、滩地淤积2.97亿t，防护堤方案比现状方案主槽多淤积0.05亿t、滩地少淤积0.24亿t;花园口一高村河段现状方案主槽淤积16.88亿t、滩地淤积6.24亿t，防护堤方案主槽淤积13.85亿t、滩地淤积4.06亿t.防护堤方案比现状方案主槽少淤积3.03亿t、滩地少淤积2.18亿t;高村一艾山河段现状方案主槽淤积9.72亿t、滩地淤积3.80亿t，防护堤方案主槽淤积7.81亿t、滩地淤积2.55亿t，防护堤方案比现状方案主槽少淤积1. 91亿t、滩地少淤积1.25亿t;艾山一利津河段现状方案主槽淤积6.29亿t、滩地淤积1.60亿t，防护堤方案主槽淤积6.50亿t、滩地淤积1.64亿t，防护堤方案比现状方案主槽多淤积0.21亿t、滩地多淤积0.04亿t。
（4）全下游累计冲淤量。由图9可知，两方案累计冲淤量变化趋势基本一致，计算年内冲淤量随年来水来沙量的不同而变化，前20 a两方案计算的累计冲淤过程接近，第20 a以后随着冲淤发展及河床边界调整，防护堤方案累计冲淤过程比现状方案整体偏小。第50 a末现状方案淤积52.55亿t.防护堤方案淤积44.24亿t。
（5）分河段累计冲淤量。由图10 -图13可知，铁谢一花园口河段两方案计算累计冲淤量过程比较接近，主要是受该河段地形的影响，该河段平滩流量约为6 800 m3/S.即使考虑主槽淤积的影响，计算方案来水除个别年份可能发生漫滩外，绝大部分年份洪水在主槽行洪，防护堤的布设对洪水演进及河道冲淤过程影响较小;花园口一高村河段、高村一艾山河段受防护堤布设影响较大（滩地宽度由原来的6 km左右变为防护堤方案的3 km左右），防护堤方案在第20 a以后减淤效果较明显，至第50 a末防护堤方案分别减淤5.21亿、3.16亿t;艾山一利津河段累计冲淤过程除了受地形边界影响外（前期地形的冲淤），进入艾山断面的水沙过程也影响了该河段的冲淤，考虑沿程的引水及河道蒸发、下渗损失，两方案进入艾山的水量、沙量差别不大，两种方案累计淤积过程发展趋势一致。
（6）最小平滩流量变化。由图14可知，防护堤方案在黄河下游最小平滩流量变化过程比同期现状方案稍小，到第50 a末，现状方案最小平滩流量为2 389m3/s，防护堤方案最小平滩流量为2 608 m3/s。这与3亿t情景下计算的黄河下游持续淤积趋势是一致的。
按照6亿t情景方案洪水过程，在第3a、第22 a、第27 a、第45 a、第50 a小黑武最大流量分别为8 000.0、7 335.7、6 472.4、7 395.7、7 615.6 m3/s，其余年份汛期调控出库流量为4 000 m3/s左右，非汛期泄放400 - 800 m3/s的恒定流量过程，系列年中有较多年份发生漫滩，滩地持续淤积。从计算结果看，防护堤方案在全下游减淤15.78%，其中铁谢一花园口、花园口一高村、高村一艾山分别减淤2.25%、22.53%、23.45%，艾山一利津河段增淤3.17%。至第50 a末，防護堤方案最小平滩流量比现状方案大219 m3/s。
2.1.3 8亿t情景
由表5可知，此情景下第50 a末两种方案在黄河下游均表现为淤积，现状方案在全下游淤积83.80亿t，防护堤方案淤积69.74亿t，防护堤方案少淤积14.06亿t。
（1）分河段冲淤量。铁谢一花园口河段现状方案淤积13.04亿t，防护堤方案淤积10.63亿t，防护堤方案减淤2. 41亿t：花园口一高村河段现状方案淤积35.43亿t，防护堤方案淤积28.05亿t，防护堤方案减淤7.38亿t;高村一艾山河段现状方案淤积22.52亿t，防护堤方案淤积17.60亿t，防护堤方案减淤4.92亿t;艾山一利津河段现状方案淤积12.81亿t，防护堤方案淤积13.46亿t，防护堤方案增淤0.65亿t。
（2）全下游分滩槽冲淤量。两方案滩槽均为淤积，现状方案主槽淤积57.36亿t、滩地淤积26.44亿t，防护堤方案主槽淤积50.48亿t、滩地淤积19.26亿t。防护堤方案比现状方案主槽少淤积6.88亿t，滩地少淤积7.18亿t。
（3）分河段、分滩槽冲淤量。铁谢一花园口河段现状方案主槽淤积7.29亿t、滩地淤积5.75亿t，防护堤方案主槽淤积6.59亿t、滩地淤积4.04亿t，防护堤方案比现状方案主槽少淤积0.70亿t、滩地少淤积1.71亿t;花园口一高村河段现状方案主槽淤积25.08亿t、滩地淤积10.35亿t，防护堤方案主槽淤积20.82亿t、滩地淤积7.23亿t，防护堤方案比现状方案主槽少淤积4.26亿t、滩地少淤积3.12亿t;高村一艾山河段现状方案主槽淤积14.75亿t、滩地淤积7.76亿t，防护堤方案主槽淤积12.36亿t、滩地淤积5.24亿t，防护堤方案比现状方案主槽少淤积2.39亿t、滩地少淤积2.53亿t;艾山一利津河段现状方案主槽淤积10.24亿t、滩地淤积2.58亿t，防护堤方案主槽淤积10.71亿t，滩地淤积2.75亿t，防护堤方案比现状方案主槽多淤积0.47亿t、滩地多淤积0.17亿t。
（4）全下游累计冲淤量。由图15可知，两方案累计冲淤量变化趋势基本一致，年内冲淤量随年来水来沙量的不同而变化，前15 a两方案计算的累计冲淤量接近，第15 a以后随着冲淤发展及河床边界调整，防护堤方案累计冲淤量比现状方案整体偏小。至第50 a末，现状方案淤积83.80亿t，防护堤方案淤积69.74亿t。
（5）分河段累计冲淤量。由图16 -图19可知，铁谢一花园口河段，前25 a两方案累计冲淤量基本一致，现状方案累计淤积7.73亿t，防护堤方案淤积7.42亿t。第26 a-第50 a现状方案比防护堤方案淤积速度快，主要原因是现状方案在花园口以下河段淤积较防护堤方案多，现状方案花园口以下河段平滩流量比防护堤方案要小，在水沙条件变化不大的情况，现状方案洪水壅水位偏高，淤积量相对较大：花园口一高村河段、高村一艾山河段受防护堤布设影响较大，防护堤方案在第15 a以后减淤效果较明显，至第50 a末，防护堤方案分别减淤7.38亿、4.92亿t;艾山一利津河段累计冲淤过程除了受地形边界影响外，进入艾山断面的水沙过程也影响了该河段的冲淤。考虑沿程引水及河道蒸发、下渗损失，两方案进入艾山的水量基本一致，扣除引沙及上游河道的冲淤，两方案进入艾山的沙量现状方案要比防护堤方案稍小，防护堤方案淤积量较现状方案偏大，至第50 a末防护堤方案在该河段增淤0.64亿t。
（6）最小平滩流量变化。由图20可知，防护堤方案最小平滩流量比同期现状方案的稍大，现状方案在第48 a的最小平滩流量为1 979 m3/s.防护堤方案在第49 a计算最小平滩流量为2 220 m3/S。到第50 a末，现状方案最小平滩流量为2 058 m3/s.防护堤方案最小平滩流量为2 420 m3/s。
按照8亿t情景方案洪水过程，在第3a、第22 a、第27 a、第34 a、第45 a、第50 a小黑武最大流量分别为8 000.0、7 585.9、7 615.6、8 000.0、6 333.1、6 472.4m3/s，其余年份汛期调控出库流量为4 000 m3/s左右，非汛期泄放400 - 800 m3/s的恒定流量过程，系列年中有较多年份发生漫滩，滩地持续淤积。从计算结果看，防护堤方案在全下游减淤16. 78%，其中铁谢一花园口、花园口一高村、高村一艾山分别减淤18.4%、20.83%、21.85%，艾山一利津河段增淤4.99%。至第50 a末，防护堤方案最小平滩流量比现状方案大362m3/s。
2.2 河口冲淤影响分析
2.2.1 利津一清6冲淤量分析
计算出3种来沙情景经过利津水文站的水沙过程，建立利津一清6水沙动力学模型，分别计算了3种情景下该河段的冲淤量。由图21-图23可知，3亿t情景下两种方案经利津断面进入河口的水沙过程基本一致，冲淤量差别也较小，至第50 a末，现状方案、防护堤方案分别淤积1.282亿、1.284亿t，防护堤方案多淤积0.02亿t;6亿t情景方案至第50 a末，现状方案、防护堤方案分别淤积2.410亿、2.637亿t，防护堤方案多淤积0.227亿t;8亿t情景至第50 a末，現状方案、防护堤方案分别淤积2.888亿、3.379亿t，防护堤方案多淤积0.491亿t。
2.2.2 西河口以下河长延长分析
根据对河口海域地形及淤积物分布的分析，模型计算时淤积延伸平均宽度取60 km，滨海区平均水深取10 m，泥沙淤沙比例取0.8，出口断面水位恒定为平均潮位，即大沽高程1.484 m，计算西河口以下河段的延长值。由表7可知，现状治理方案和防护堤治理方案的西河口以下河长均呈延伸的态势，3亿t情景下防护堤方案与现状方案的河长延长值差别不大，防护堤方案多延长0.02 km;6亿、8亿t情景下防护堤方案分别多延长0.90、1.44 km。
3 结论
（1）3亿t情景下，下游河道接近冲淤平衡或微冲，两种方案分年、分滩槽、分河段冲淤量都差别不大，至50 a末防护堤方案比现状方案主槽多冲刷0.19亿t，滩地少淤积0.18亿t。第50 a末两种方案平滩流量差别不大，最小平滩流量为4019 -4 067 m3/s，
（2）6亿t情景下，两种方案在黄河下游均为淤积，防护堤方案在全下游减淤15.78%，减淤主要在花园口一艾山河段，其中花园口一高村、高村一艾山分别减淤22. 53%、23. 45%，艾山一利津河段增淤3.17%。至第50 a末，黄河下游最小平滩流量为2 389 -2 608m3/s，防护堤方案最小平滩流量比现状方案大219m3/s。
（3）8亿t情景下，两种方案在黄河下游均为淤积，防护堤方案在全下游减淤16.78%.减淤主要在铁谢一艾山河段，其中铁谢一花园口、花园口一高村、高村一艾山河段分别减淤18.40%、20. 83%、21. 85%，艾山一利津河段增淤4.99%。至第50 a末，黄河下游最小平滩流量为2058 -2 420 m3/s.防护堤方案最小平滩流量比现状方案大362 m3/s。
（4）两种治理方案对河口的影响差别不是太大，8亿t情景下防护堤方案比现状方案西河口以下河长延长值大出最多，为1.44 km。
计算结果受地形条件、水沙搭配、悬沙级配、引水引沙等因素影响，研究采用的3种情景中设计洪水的最大流量为8 000 m3/s，为进一步论证现状宽河治理和防护堤窄河治理两种模式的差异，还需要结合场次大洪水计算结果进行综合比较分析。
参考文献：
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