黄河下游复航的生态建设方案探讨

张金良 ，张远生，练继建，安催花

(1. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2. 天津大学，天津 300072)

黄河航运历史悠久，早在春秋时期（公元前647年）就有“秦粟输晋，泛舟之役”[1]的记载。清末民初，公路、铁路兴起，黄河水运逐渐衰落。20世纪50至70年代，下游河道(见图1)治理力度加大，下游航运能力得以提高，山东段最高年水运运量曾达到120万t；河南段年吞吐量达数十万吨；80年代中期以后，下游河道淤积萎缩，航运停滞至今，并逐渐成为河南、山东两省交通运输体系短板。利用黄河丰富的水运资源、文化旅游资源和自然生态资源，研究黄河下游复航的生态建设方案，对完善河南、山东两省交通运输体系，促进流域经济社会协调发展，推进黄河生态旅游发展具有重要意义。

图 1 黄河下游河道示意Fig. 1 Schematic diagram of the lower reaches of the Yellow River

关于生态航道建设，目前国内已进行了大量探索，研究集中于生态技术在航道整治中的应用[2-5]、航道生态治理效果评价[6-8]等方面，对黄河下游生态航道建设面临的关键问题及应对措施研究较少。

当前黄河水沙调控体系仍不完善，泥沙问题尚未妥善解决，下游还有299 km游荡型河道河势未完全控制。泥沙淤积、河势游荡、涉水工程碍航等是制约黄河下游生态航道建设的关键问题。本文重点从河道冲淤和河势演变的角度分析黄河下游通航面临的问题，围绕航道疏浚、河势控制、碍航建筑物生态改造等方面进行建设方案探讨，以期为黄河下游生态航道建设提供技术支撑。

1 通航条件分析

1.1 通航条件的演变

黄河水少沙多，水沙关系不协调，导致黄河下游不断淤积抬高。1950—1999年黄河下游累积淤积泥沙约92 亿t。小浪底水库运用以后，通过水库拦沙和调水调沙，至2019年汛前黄河下游共冲刷泥沙30.17 亿t，河道淤积抬升的趋势得到遏制，下游最小平滩流量已达到4 300 m3/s，适宜的中水河槽规模已初步形成，河槽形态也正在向有利于通航的方向发展，以下游宽河段的下官庄断面和窄河段的阴柳科断面为例（图2），中水河槽下切深度分别为2.74和2.36 m，小流量水深大幅增加。除此之外，小浪底水库建成后下游凌情也大幅减轻，高村以上河段常年不封冻。以上变化为黄河下游复航提供了有利的条件。

图 2 下官庄和阴柳科断面形态变化Fig. 2 Morphological change of Xiaguanzhuang and Yinliuke sections

黄河下游自20世纪50年代以来，开始有计划地治理，特别是“十五”以来，依据国务院批复的《黄河流域防洪规划》，对黄河下游进行了多次治理，实施了大量河道整治工程建设，坚持采取“以坝护弯，以弯导溜”的微弯型整治方案，取得了明显成效。目前除高村以上299 km游荡性河段外，黄河下游河势基本得到控制。通过水利水电规划设计总院审查的《黄河下游防洪工程“十四五”可行性研究》将对高村以上河段进行重点治理，共安排控导工程新续建69处，工程长度39.48 km。未来工程实施后，该河段中水流路将基本得到控制，形成贯通黄河下游的稳定流路，为复航和长期通航提供基本条件。

20世纪70年代，黄河开始出现断流。1972—1999年有22年发生断流，其中1997年断流达226 d，断流河道长达704 km，从入海口一直上延至河南开封。1999年3月起，黄河水量统一调度，至2020年，黄河实现连续21年不断流，花园口站、夹河滩站、高村站常年的流量均超过250 m3/s，孙口站、艾山站90%流量保证率也达到了250和220 m3/s，各站相应流量下的水面宽为120～200 m，水深达到了1.0～2.5 m。这些将为下游复航提供最基本的通航保障。未来，随着黄河水沙调控体系工程建设和南水北调西线工程实施，下游通航流量将进一步提高，通航的基本条件将进一步得到保障。

1.2 河道泥沙冲淤趋势预测

黄河古贤水利枢纽工程将于2030年建成，综合考虑未来不同来水来沙情景，分析泥沙淤积对未来黄河航道建设的影响。

1.2.1 泥沙冲淤计算方法 采用一维非恒定流水沙数学模型对未来黄河下游河道泥沙冲淤趋势进行预测。

水流连续方程：

水流运动方程：

式中：B 为 河宽；z为 水位；t为 时间； Q 为 流量；x为 沿流向的坐标； ql为单位时间单位河长汇入（流出）的流量；A为过水断面面积；g为重力加速度；n为糙率。

将悬移质泥沙分为M组，以Sk表示第k组泥沙的含沙量，可得悬移质泥沙的不平衡输沙方程为：

式中：α为恢复饱和系数；ωk为第k组泥沙颗粒的沉速；S∗k为第k组泥沙挟沙力；qls为单位时间单位河长汇入（流出）的沙量。

将以推移质运动的泥沙归为一组，采用平衡输沙法计算推移质输沙率：

式中：qb为 单宽推移质输沙率；qb∗为单宽推移质输沙能力，可由经验公式计算。河床变形方程：

式中：γ′为泥沙干重度。

采用有限体积法对前述数学模型的控制方程进行离散，用SIMPLE算法处理流量与水位的耦合关系。在模型进口给定流量和含沙量过程、出口给定水位过程作为定解条件。

1.2.2 水沙条件 为了分析不同来沙条件下泥沙淤积对河道冲淤的影响，本文设定未来黄河来沙3亿t、6亿t和8亿t共3种情景。考虑古贤水库和现状水库的联合调节作用，采用一维非恒定流水沙数学模型进行古贤水库以下黄河干流河道冲淤计算。经过黄河小北干流河道、三门峡水库、小浪底水库的冲淤调整，3种水沙情景条件下进入黄河下游的水沙特征值见表1。

表 1 不同水沙情景方案进入黄河下游的水沙特征值Tab. 1 Characteristic values of runoff and sediment in different scenarios of water and sediment in the lower Yellow River

1.2.3 河道冲淤 数学模型计算得出的不同水沙情景下游河道冲淤情况见表2。自2017年开始计算，未来30年，在来沙3 亿t情景下，下游河道年均冲刷5 103 万t，各个河段均表现为冲刷；在来沙6 亿t情景下，河道年均冲刷426 万t，从分河段来看，除高村-艾山河段年均淤积1 298 万t外，其他河段表现为冲刷；在来沙8 亿t情景下，河道年均淤积3 125 万t，从分河段来看，淤积主要发生在高村-艾山河段，占全河段淤积量的58.9%。

表 2 不同水沙情景下游河道冲淤Tab. 2 Erosion and deposition in the lower reaches of different water and sediment scenarios

2017—2067 年，在来沙3亿t情景下，下游河道年均冲3 234万t，除高村-艾山河段年均微淤94万t外，其他河段表现为冲刷；在来沙6亿t情景下，河道年均淤积806万t，其中高村-艾山河段淤积量最大，年均淤积达1 216万t；在来沙8亿t情景下，河道年均淤积4 099万t，从分河段来看，高村-艾山河段年均淤积1 718万t，占全河段淤积量的41.9%。

总体来看，目前小浪底仍处于拦沙期，对下游仍有减淤作用，古贤水库2030年建成生效后，与小浪底联合调控水沙，在不同来水来沙条件下，都可在较长时间内维持下游4 000 m3/s左右的中水河槽规模，并可使黄河下游河道淤积维持在较低的水平，为下游航运发展提供非常有利的条件。

2 生态航道建设方案

根据以上黄河下游水沙条件与河道冲淤分析，结合黄河下游生态廊道建设总体规划，以防洪保安全为前提，统筹生态环境保护、绿色航道建设和沿黄经济发展需求，顺应下游滩区“洪水分级设防、泥沙分区落淤、滩槽水沙自由交换、三滩分区治理”的总体布局[9-10]，按照“控导主流、稳定河槽、保护岸滩”的总体思路实施航道生态整治，打造出黄河下游长达800余千米的生态航道。通过“相机排沙减淤、适时挖河扩槽”实现行洪输沙通道和航运通道的长期维持，最终可形成集防洪、生态、经济、文化、航运等功能于一体的黄河下游河道生态体系。

2.1 航道建设标准

黄河下游生态航道通航标准，按照已有航运规划，综合考虑与京杭运河和山东内河水系联通确定。1988年、1998年《黄河水系航运规划报告》提出，2030年前后，黄河下游航道标准达到Ⅳ级；《海河流域综合规划》将京杭运河黄河北岸至天津段规划为内河Ⅲ级航道；《山东省综合交通网中长期发展规划》提出，构建以京杭运河、小清河、黄河、徒骇河航道“一纵三横”为主骨架，配合国家开展京杭运河黄河以北段复航。综合考虑黄河水系规划，和今后京杭运河，以及山东内河水系的联通，下游生态航道建设标准整体按照Ⅳ级航道，局部河段考虑与京杭运河和山东内河水系联通，按照Ⅲ级航道建设。

2.2 主要措施

2.2.1 航道疏浚 当前黄河下游250 m3/s左右的通航流量相应河槽宽度已经达到120～300 m，水深约达到1.0～2.5 m，只需要对通航河槽稍加整治即可满足航道建设标准[11]。但黄河下游存在“槽高、滩低、堤根洼”的断面形态阻碍了滩槽水沙交换和物质能量循环，是黄河下游二级悬河发育、防洪形势严峻、生态系统脆弱的症结所在，需要通过河槽疏浚消除二级悬河，重塑“槽低、滩高”的正向断面形态。因此，对黄河下游河道进行生态疏浚，即是黄河生态治理所需，又可满足通航需求。

根据实测资料分析，黄河下游河道断面存在V型和U型断面两种形态。在相同流量条件下，V型断面疏浚后有利于提高排洪输沙效果，U型断面则有利于保障通航安全。综合考虑，建议对中水河槽进行疏浚，采用V型断面，河相系数应控制为6～10；对枯水河槽疏浚采用U型断面，疏浚宽度不小于90 m。考虑到黄河冲淤调整幅度大，疏浚后水深不小于2.0 m，典型疏浚断面概化见图3。疏浚后250 m3/s流量下水深达到3.3 m，满足Ⅳ级航道通航水深要求。另外，对未来局部河段泥沙淤积形成的碍航段，可采用“挖河扩槽”放淤方式，疏浚航道或碍航浅滩并输送泥沙至滩区改造良田，通过泥沙综合处理利用，实现生态航道的长期运营。

图 3 黄河下游典型疏浚断面概化Fig. 3 Generalized diagram of a typical dredging section in the lower Yellow River

2.2.2 河势控制 黄河下游河道经过长期整治，中水流路已基本得到控制，但对长历时的小流量过程适应能力不足。为稳定小流量流路，满足通航要求，结合当前河道整治工程总体布局，建议采用中水、小水兼治的航道治理措施，即：沿治导线修筑生态潜坝，潜坝与现有控导工程联合稳定小水流路。生态潜坝不仅对水流的流量、流速、冲淤平衡、环境外观等影响最小，而且适宜于创造动植物生存和繁衍的多样性生活空间。修筑的生态潜坝坝顶高程与现状滩面齐平，以此增加小流量送流长度；大流量时，水流漫过生态潜坝，滩槽水沙可自由交换，开仪-裴峪河段小水流量整治示意图见图4。

图 4 开仪-裴峪河段小水流量整治示意Fig. 4 Regulation schematic diagram under low flow of Kaiyi-Peiyu River section

控导工程设计和实施过程中，应根据现场条件选择最优的生态水工技术，如采用生态砖、鱼巢砖等土体生态工程技术，选用石笼席、天然材料垫、间插枝条的抛石、椰壳纤维捆、木框墙、三维土工网垫等生态构件作为工程修筑的主要原料。生态潜坝的工程设计，应结合水体功能区划和周边湿地建设情况，因地制宜地选择潜坝类型，同时应满足通航、景观、生态、游憩等多种功能需求。

2.2.3 碍航建筑物生态改造 浮桥一般以船体作为桥面支撑，属航道阻断构筑物；跨径不足的桥梁，如郑州黄河公路大桥，跨径只有30 m，年久失修，桥面通行能力差，已失去原有基本功能，均予以拆除。对不满足通航净空要求但仍发挥重要通行功能的桥梁，目前可通过技术手段对其提升改造，使其满足通航所需的桥下净空。

一些年代久远、以实用性为主的老桥，与周边环境往往不太协调，且由于河势变化，主流从通航孔跨范围摆动至引桥桥跨范围，导致现状跨径不能满足通航要求。可根据桥位河段河势情况，通过修建河道整治工程或桥梁改建，将主流导向通航孔跨，并适当增加桥面及桥下的绿化工程，打造桥梁伴生生态廊道，以降低桥梁对野生生物的胁迫效应[12]。

表 3 下游沿黄城市航运分级Tab. 3 Classification of shipping along the Yellow River downstream

2.2.4 码头建设 下游码头建设一方面要综合考虑沿黄城市的自然资源禀赋和货运需求，另一方面要考虑环境敏感区的制约因素，码头选址应避开国家自然保护区、饮用水水源地保护区和水产种质资源保护区核心区，确需在水产种质资源保护区实验区建设码头，须进行专题论证，并采取严格的环保措施，避免对珍稀水生生物造成不利影响。综合考虑以上因素，将沿黄城市规划为一级航运城市及二级航运城市。一级航运城市设观光、货运两类码头，二类级航运城市主要考虑规划观光码头，在满足下游货运需求同时，实现全线大河水上观光。下游共规划郑州市、济南市等12个一级航运城市，洛阳市、聊城市等15个二级航运城市，下游沿黄城市航运分级见表3。下游共计规划货运码头12个，旅游观光码头27个，黄河下游码头规划示意见图5。

3 结 语

黄河下游河道持续冲刷，河槽已明显恢复，最小平滩流量达4 300 m3/s，最小通航流量相应水面宽度达120～200 m，水深达1.0～2.5 m；未来通过水沙调控体系的完善和联合运用，可在较长时间内维持下游4 000 m3/s左右的中水河槽，具备一定的复航条件。在黄河下游生态廊道建设总体规划基础上，通过生态疏浚、河势控制、碍航建筑物生态改造和码头建设等一系列有效举措，黄河下游可打造成整体Ⅳ级、局部Ⅲ级航道标准生态航道。生态航道建设后，应综合运用古贤、东庄等水沙调控工程，提升黄河下游河道和滩区治理效果，利用输沙通道结合水沙调控相机“排沙减淤”，适时“挖河扩槽”，解决航道淤积问题，实现生态航道的长期运营稳定。

建议按照“统筹部署、先易后难、先通后畅、逐步提高”的原则，抓紧开展黄河下游生态航道建设规划，加快推进黄河下游生态航道建设，让黄河成为造福人民的幸福河。