黄河下游滩区防护堤方案的技术可行性
2019-10-21张敏李勇
张敏 李勇
摘要：随着黄河下游河道整治工程的完善和水库调控能力的增强，下游漫滩大洪水发生概率大大减小，滩区原本的“滞洪沉沙”功能发生了改变。在新的水沙和边界条件下，是否采取新的“防护堤方案”引起了各方关注。从黄河下游近60 a水沙、边界条件和冲淤分布变化角度入手，分析防护堤方案的技术可行性。结果表明：年均来沙3亿t情景下，防护堤方案对河道冲淤及防洪的影响都相对较小，防护堤方案值得进一步深化研究;年均来沙6亿t和8亿t情景下，为确保下游河道防洪安全，防护堤方案应慎重实施。
关键词：防护堤方案;滩区边界条件;冲淤分布;黄河下游
中图分类号：TV853;TV882.1
文献标志码：A
doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.005
黄河以含沙量高著称于世，且具有水少沙多、水沙关系不协调的显著特征。历史上黄河频繁决口泛滥，给两岸广大地区带来了深重的灾难。在与洪水长期斗争的过程中，人们研究了各种对策，创造出多种多样的工程及非工程措施，其中工程措施按其作用一般可分为挡、排、蓄、分（滞）几种类型[1]。以王化云为代表的老一辈治黄专家，先后提出、实施了“除害兴利，综合利用”“宽河固堤”“蓄水拦沙”“上拦下排，两岸分滞”等一系列治黄思想、方略。2004年，黄委组织召开了黄河下游河道治理方略高层专家讨论会和黄河下游治理方略专家研讨会，提出当前和今后一段时期黄河下游河道的治理方略为“稳定主槽、调水调沙，宽河固堤，政策补偿”[1]。
2000年小浪底水库拦沙运用后，除了调水调沙期外，黄河下游漫滩大洪水发生概率大大减小。随着水沙和边界条件的改变，黄河下游的横向冲淤分布也发生了调整，原本具有“滞洪沉沙”功能的滩地，由于控导工程、生产堤等的修建，因此滩区封闭程度不断增大，部分滩地失去了大水期间的沉沙功能。长期以来，滩区社会经济发展落后，群众收入水平低下，加之水利、交通、能源、教育和卫生等基础设施建设滞后，滩区已经成为豫鲁两省最贫困的地区之一[2]。
在新的水沙和边界条件下，是仍然采取“宽河固堤”的政策，还是对黄河下游河道进行改造，引起了各方关注[3-5]。本文对黄河下游水沙变化和淤积横向分布规律进行了分析，以期为滩区防护堤方案的实施提供技术支撑。滩区防护堤方案即在综合考虑排洪输沙、河道整治、滩区面积及位置和人口分布等情况的基础上，充分利用现有控导工程，并与现状生产堤结合，兼顾两岸利益，将控导工程、生产堤连接起来，形成防洪标准为10-20 a一遇的防护堤。
1 小浪底水库拦沙运用以来水沙特点
小浪底水库自1999年10月运用以来，以长期下泄清水、小水为主。由表1、图1、图2可知，2000年以来花园口站年均来水量为250亿m3.其中2012年来水量最大，约400亿m3。而花园口站1985年之前各时期年均来水量均在423亿m3以上，水量最丰沛的时期为三门峡水库清水下泄时期（1961-1964年），年均来水量为607亿m3。2000-2016年的年均水量仅为1950-1960年的55%。2000-2016年年均来沙量为0.9亿t，自2004年之后来沙量持续减小，2009年达到最小。而花园口站2000年之前各时期的年均来沙量均在6.8亿t以上，沙量最大的时期为1950-1960年（年均14.3亿t）。2000-2016年年均来沙量仅为1950-1960年的6%。
可以看出，2000年后水沙条件发生了显著变化，尤其是来沙。各流量级分布也发生了变化（见图3），1960-1986年流量大于5 000 m3/s的水量约占总水量的17%，1986-1999年仅占2%，至2000-2016年则没有，41%的流量集中在500～1 000 m3/s。因此，小水、清水是2000年以后水流条件的常态。
2 边界条件变化对滩区淤积分布的影响
2.1 河道整治工程
1949年前高村以上河段道整治工程较少，仅有险工15处、护滩工程3处。至1958年，由于河势变化等原因又增加了5处险工和部分护滩工程[6]。1960年三门峡水库投入运用后，洪水虽然得到一定控制，但中水流量持续时间延长，主溜缺乏控制，造成塌灘严重，河势恶化，使得出险多、险情大、抢护难，防守十分被动。因此，20世纪60年代后期河道整治开始快速发展，一直延续到1974年[7]。1974年后建设步伐有所放缓，1986-1989年受国家投资限制，河道整治工程修建较少，1990年后河道整治工程投资明显增加。截至1999年汛前，黄河下游共有河道整治工程340处、坝垛9 166道，工程长度662 km[8-9]，其中：险工135处，坝垛5 279道，工程长度311 km;控导工程205处，坝垛3 887道，工程长度351 km。大量河道整治工程的修建使得主流摆幅大大减小，河势较为稳定。
2.2 滩区生产堤的发展历程
新中国成立以后生产堤的修建主要分为4个阶段[10-12]。
（1）1947年黄河归故后，滩区居民为了保护生产，修建了部分生产堤。生产堤补充完善后，对于短时间内保护当时滩区农业生产起到了积极作用，但是由于生产堤缩小了行洪断面，因此壅高了大水水位，减弱了滩区滞洪沉沙能力。随着1954年开始实施“宽河固堤”政策，要求全部废滩区群众自发修建的生产堤。
（2） 1958-1973年兴修生产堤阶段。1958年汛后，提出了下游“防小水，不防大水”的原则，修补并增加了大量生产堤。1959年提出了生产堤预留口门的要求。至1964年，全河预留口门72处。1960年三门峡水库投入运用后下泄清水，期间河势游荡多变，“横河”“斜河”时有发生，塌滩掉村现象经常出现，部分生产堤被淹没冲塌成不连续堤段。1969年以后，三门峡水库采用滞洪排沙运用，下游河道逐渐淤积，由于下游存在生产堤，因此漫滩概率相对减小，“二级悬河”慢慢形成。
（3）1973年，黄委提出了《关于废除黄河下游滩区生产堤实施的初步意见》。1974年，国务院提出黄河下游滩区应迅速废除生产堤，修筑避水台。但是，废除生产堤并未有效落实，生产堤长度有增无减。“82·8”洪水后，生产堤大部分溃决，但洪水过后滩区居民又进行了自发修复。1987年，生产堤清障工作有了突破性进展。1992年，黄河防总要求豫鲁两省破除生产堤。截至1993年，共破除生产堤263.5 km，约占当时生产堤总长的50%。之后，不时出现生产堤被重新堵上和新修现象。“96·8”洪水过后，滩区居民又重新在控导工程之间抢修了生产堤。
（4）2002年、2003年小流量漫滩之后，滩区居民要求修生产堤的呼声提高，地方政府再次明确修生产堤。2004年，各地有组织地全面加修加固生产堤。目前，黄河下游滩区生产堤主要分布在开封、新乡、濮阳、菏泽、济宁、济南、泰安等地。
2.3 滩区边界条件变化及对滩区水动力条件、行洪和滞洪能力的影响
一般条件下，黄河下游横断面一般由主槽、嫩滩和二滩三部分组成。主槽是河道排洪输沙的主要通道，嫩滩是主槽在摆动过程中滩地坍塌形成的，没有明显的滩地横比降，嫩滩范围因植被稀少，故阻力较小，亦有较高的过流能力。二滩受植被、村庄、道路等的影响，过流能力较嫩滩和主槽要弱得多。
（1）滩区水动力条件显著减弱，流速下降，过洪能力显著降低。天然条件下，滩区水面纵比降与河道纵比降基本接近。但是，随着滩区大量修建生产堤，再加上控导工程不断完善，滩区水动力条件明显减弱。滩区水面纵比降明显减小，例如“96·8”洪水期间（见图4），东坝头至高村河段的滩区水面纵比降为0.002 4% -0.010 4%，而主槽水面纵比降为0.015 8%，滩区水面比降约相当于主河槽的15% - 66%。若假定滩区水面纵比降等于主槽水面纵比降，则推算滩地综合糙率可达0.06，甚至超过0.10，较20世纪50年代滩地综合糙率偏大2-4倍[13]。根据曼宁公式，在滩区糙率不变，滩面比降减小为原比降的50%的情况下，则相应流速减小为原流速的71%，再考虑到植被、村庄等不利影响，滩区实际流速减小更多。另外，由于滩区阻水建筑物增多，滩区水体难以形成顺畅的贯通性流动，因此滩区水流能量更多地消耗在生产堤口门、滩区道路和渠堤口门处。
（2）漫滩洪水滩槽水沙交換模式改变，交换次数减少。天然条件下，在黄河下游漫滩洪水期间，滩区（生产堤到大堤间的二级滩地）水体与中水河槽是一个融合的整体。同时，滩区阻水建筑物相对稀少且水面比降较大，滩区水流同样具有较大的流速和较高的过洪能力，加之滩区生产堤和控导工程较少，因此滩区水沙交换频繁。
漫滩水流一般是在主河槽湾顶附近集中人滩，人滩水流的含沙量与主槽水流的含沙量相近，使得人滩的沙量也较大。若假定人滩含沙量等于主槽含沙量、出滩含沙量为人滩含沙量的20%.亦即有80%的人滩沙量淤积在滩地上，则基于输沙量平衡可以求得滩槽水沙交换次数Ⅳ与滩地平均淤积厚度Zb（m）具有如下关系：
N=1 400 Zb/（0.8SH）（1）
式中：H和S分别为滩区水深和含沙量。
1958年7月洪水期长垣滩区堤河附近淤积厚度约1m，按平均水深2.5 m、大河含沙量70 kg/m3计算，滩槽水沙交换次数约为10次。但是，在现有边界条件下，滩区进水是通过生产堤口门的侧向进水，人滩水量较小、含沙量低，同时人滩水沙又难以退回主槽，致使滩槽水沙交换显著减弱，一般情况下漫滩洪水滩槽水沙交换只有1次。
（3）滩区边界条件变化对滞洪能力的影响。1965-1999年下游河道主槽大量淤积，同流量（3 000m3/s）水位及滩唇附近滩面高程抬升3-4 m，而远离主槽的滩区淤积很少，尤其堤根附近很少淤积，逐渐形成了滩唇高仰、堤根低洼的“二级悬河”局面。有些滩区堤根附近的滩面更加低洼，在滩区中下部已经形成了深2-4 m的“水盆”地形（见图5）。同时，受滩区下游出口滩唇高仰的影响，滩区“水盆”内的漫滩水体即便在洪水过后也难以自行回归主槽，这为蓄滞洪区的设置提供了有利条件。
2.4 河道边界条件变化对滩地横向淤积分布的影响
（1）现有控导工程（生产堤）与大堤之间的淤积量较少，不足全断面的18%。自1960-1964年三门峡水库蓄水拦沙导致河道强烈冲刷后，黄河下游就开始了淤积抬升的过程。1965-1999年全下游共淤积50.1亿m3，其中60%淤积在高村以上河段。从横向淤积分布来说，1965-1999年现有控导工程（生产堤）与大堤之间的滩区淤积量不足全断面的18%，且这部分淤积主要发生在大漫滩洪水期间。
铁谢到利津河段1965-1973年和1986-1999年间河道处于持续淤积抬升时期。1965-1973年铁谢至利津共淤积23.71亿m3，生产堤与大堤之间淤积1.12亿m3、占全断面的5%，主槽淤积占87%。1986-1999年，全断面共淤积22.38亿m3，生产堤与大堤间淤积1.58亿m3、占全断面的7%，主槽淤积占85%，宽600 m的深槽部分淤积8.35亿m3、占全断面的370-/0。而1974-1985年河道有冲有淤，主槽冲刷4.45亿m3，嫩滩淤积1.99亿m3，淤积大部分发生在滩地，约6.13亿m3。
（2）控导工程（生产堤）与大堤间滩区的淤积主要发生在大漫滩洪水期。1974-1999年，主槽淤积14.68亿m3，嫩滩淤积3.65亿m3，滩地淤积7.71亿m3。该时期为三门峡水库蓄清排浑控制运用期，共发生5次较大的漫滩洪水过程，分别为“1975·9”“1976·8”“1982·8”“1988·8”“1996·8”洪水。这5次洪水过程主槽共冲刷7.62亿m3、嫩滩淤积7.25亿m3，生产堤外滩地淤积5.88亿m3，其中滩地淤积量占1974-1999年总淤积量的76%。艾山以上生产堤外滩地淤积量占全下游淤积量的74%。艾山以上生产堤与大堤间的滩地共淤积泥沙4.72亿m3，占1974-1999年生产堤以外滩地淤积量5.33亿m3的90%。
综上所述，由于河道工程和生产堤以及滩区人口的增多，加之道路、渠堤和村庄等的修建，因此黄河下游滩区已经没有20世纪五六十年代天然滩区的风貌。滩区变得越来越封闭，失去了漫滩洪水“淤滩刷槽”的边界条件。再加上中游水库的陆续修建和小浪底水库的调控，进入下游的大漫滩洪水越来越少。目前滩区边界条件即使没有防护堤，其滞洪沉沙功能也在逐渐衰退。
3 滩区防护堤方案可行性分析
（1）防护堤建成后将大大提高滩区的防护标准。京广铁路桥以上防洪标准为花园口断面10 a一遇洪水设计流量10 000 m3/s，与温孟滩围堤设防标准一致。京广铁路桥一陶城铺河段在长垣滩区的防洪标准为流量12 200 m3/s（20 a一遇），其他河段均为流量10 000 m3/s的防洪标准。陶城铺以下河段防洪标准全部为流量10 000 m3/s。
（2）防护堤方案具有较大的经济社会效益。为适应滩区经济社会快速发展以及滩区全面建成小康社会、滩区安全建设等需要，在现有控导工程连坝、部分现有生产堤的基础上设置了防护堤方案。按照《防洪标准》（ GB 50201-2013）确定了典型滩区的设防标准：长垣滩区防护堤设防标准为20 a一遇，相应花园口洪峰流量为12 200 m3/s;其他滩区防护堤设防标准均为10 a一遇，相应花园口洪峰流量为10 000 m3/S。
参照黄河下游河道风险图分析方法，分析计算了花园口一艾山河段（洪水演进的计算河段）滩区防护堤方案的社会经济效益。与现状方案（破除生产堤方案）相比，防护堤方案年均减少漫滩淹没面积26.6万hm2、受灾人口25.3万、经济损失7.0亿元，分别占现状方案淹没损失的93%、82%、64%。其中，10 a一遇洪水减少的淹没损失最为明显，可分别减少淹没面积913.0 km2、受灾人口65.3万、经济损失36.9亿元[14]。
（3）防护堤方案对提高输沙能力的作用。在大流量出现概率明显减小的情况下，防护堤方案对全断面具有一定的。束水攻沙”作用，防护堤之间的水流相对更加集中，在一定程度上减少了河道淤积、提高了河道输沙能力。在防护堤方案年均来沙3亿t（情景1）条件下，下游河道接近冲淤平衡或微冲，防护堤方案比现状方案淤积少;年均来沙6亿t（情景2）、8亿t（情景3）条件下，累计淤积量分别为40亿-53亿t、79亿～84亿t，防护堤方案比现状方案分别减淤13%、11%。防护堤建设有利于提高河道的输沙能力（排沙比提高约2%），具有一定的增冲或减淤作用，其中主槽、滩地分别减淤7.82亿、7.52亿t，分别占防护堤方案淤积量的13.5%、28.3%.对滩地的减淤作用相对更大一些：全断面少淤15.34亿t，占防护堤方案淤积量的18.2% [15]。
（4）防护堤方案对下游防洪的影響。防护堤方案使得设防标准内洪水（10 a一遇和5 a一遇）从花园口演进到艾山的峰现时间提前23 - 52 h：超过滩区防护标准的洪水（1 000 a一遇和100 a一遇）受防护堤口门运用的影响，情况比较复杂，总体来讲峰现时间将滞后。防护堤方案缩窄了滩地过洪宽度，对洪水水位抬升有一定影响。与现状方案相比，防护堤方案4种典型洪水的水位均呈抬升状态，花园口一孙口河段洪水位抬升0.5 - 1.0 m。
花园口发生30 a和50 a一遇洪水时，防护堤方案对东平湖滞洪区运用有一定影响，主要是缩短了洪水从花园口演进到孙口的时间，使孙口站峰现时间提前，导致人员、物资撤迁时间缩短。对于100 a 一 遇、1 000 a一遇洪水，由于洪量较大，因此防护堤作用有限。洪水从花园口演进到孙口时间差别不大。总体而言，花园口发生100 a一遇、1 000 a 一遇洪水时，防护堤方案对东平湖滞洪区运用基本没有影响[15]。
（5）滩区防护堤方案工程投资规模。根据滩区防护堤的布设情况，共需修建滩区防护堤及围堤592.78km，其中围堤6.25 km，新建滩区防护堤498.77 km，利用控导工程加高加固防护堤87.75 km。设置分洪退水口门44个，改建涵闸48座等。防护堤方案总投资141.93亿元，其中工程投资107.96亿元，移民占压投资30.84亿元，防汛料物储备投资3.13亿元（滩区安全建设及移民安置未计人投资）[14]。
4 结论
（1）年均来沙3亿t情景。防护堤方案能够有效减少10-20 a 一遇中常洪水的漫滩淹没损失，基本保障滩区生产生活安全，有利于推进滩区全面建成小康社会，具有显著的社会效益和经济效益。若2030年古贤水库建成生效，利用其93.6亿m3拦沙库容拦沙、再加上与小浪底水库（现有约40亿m3拦沙库容）联合调度运用，可保证未来70 a（2020-2090年）下游河道不淤积。若70 a以后的50 a间年均来沙约3亿t，则防护堤方案对河道冲淤及防洪的影响都相对较小，防护堤方案值得进一步深化研究。
（2）年均来沙6亿、8亿t情景。若70 a以后的50 a年均来沙仍然出现6亿、8亿t的情景，并且碛口水库（属于待建水库，位于黄河北干流中部，开发任务为以防洪减淤为主，兼顾发电、供水等综合利用）不能按规划时间建设，则现状方案下游河道淤积厚度将分别达到1.5、2.0 m。同时，由于长期小水，因此河道淤积也将主要集中在现有控导工程（生产堤）范围内（控导工程与大堤间滩地淤积很少），“二级悬河”程度将进一步加剧，下游河道防洪减淤形势可能与2000年的情况较为接近甚至更加严峻。因此，在年均来沙6亿t和8亿t条件下，为确保下游河道防洪安全，防护堤方案应慎重实施。
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