河南黄河河道整治疏浚研究

2022-12-20李利琴倪菲菲周晓丽李玉娜张向萍

人民黄河 2022年12期

李利琴，倪菲菲，周晓丽，李玉娜，张向萍

（1.河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003； 2.郑州市环境保护科学研究所，河南郑州 450052； 3.郑州电力高等专科学校，河南郑州 450000； 4.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003）

河南黄河西起灵宝市，东至台前县，流经三门峡、洛阳、济源、郑州、焦作、新乡、开封、濮阳等8 个省辖市，河道总长711 km，流域面积3.62 万km2，分别占黄河流域总面积的5.1%、河南省总面积的21.7%。白鹤以上为山区河道，长247 km，河道内水库拦沙、防洪减淤为第一目标；白鹤以下为平原河道，长464 km，为设防河段，河道较宽，游荡多变，历来为河道整治的重点。因此，本次河道整治疏浚研究以白鹤以下为重点研究河段。

黄河下游水患历来为世人所瞩目，洪水灾害波及范围广，一旦出现大的险情，将给国民经济带来巨大损失，同时严重破坏生态环境。历史上，河南黄河“善淤、善决、善徙”，难以治理，一是黄河含沙量高，淤积严重，形成“地上悬河”；二是频繁决口改道，有“三年两决口，百年一改道”之称；三是河势摆动剧烈，游荡多变［1］。人民治黄以来，按照规划治导线设计流路布置工程进行河道整治，河道整治工程的系统建设减小了河道的游荡范围，提升了防洪能力。但游荡性河势目前尚未得到有效控制，尤其是白鹤至高村游荡型河段，局部河段仍存在不利河势，洪水威胁大；局部河段主槽过于窄深，洪水流速大，工程出险严重。 2021年秋汛期间，在长历时大流量作用下，受主流顶冲、主流冲刷、回流淘刷影响，河南河段工程险情多发频发。因此，河南黄河游荡型河段实施河道整治疏浚、配合河道整治工程归顺河势、减少工程出险是十分必要的。

1 河道整治存在的问题

1.1 游荡性河势尚未得到有效控制

河南黄河河道具有宽、浅、散、乱的特点，主流多变，经常发生“横河、斜河”，大洪水时易出现“滚河”，甚至冲决大堤。尽管已开展了系统的河道治理，但是高村以上299 km 长的宽河段河道游荡多变的特性依然没有改变［2-3］。高村以上现有控导工程长度不足，仍难以完全控制枯水、洪水等不同情形的河势变化。如2021年秋汛期间，河南河段多处出现河势散乱并引发不同程度的险情。

小浪底水库运用以来，黄河下游水流过程呈现明显的两极分化现象。每年调水调沙期保持15 d 左右的洪水过程，洪水流量一般超过2 600 m3／s、小于平滩流量，洪水过程稳定。其他时段，流量小于1 000 m3／s 的天数明显增加，呈现出明显的短期洪水、长期枯水的两极分化特征。 2018年以来，虽然黄河下游洪水频次相对较多，但两极分化的格局没有改变。

1.2 长历时小水流量长期存在

小浪底水库运用后小水历时延长，使得小流量对河势变化的影响不可忽视。黄河下游的河道整治是针对中水进行的，对长历时小流量的河势演变存在一定的不适应性。在小水的不断作用下，游荡型河段部分工程靠溜部位上提、河势下挫现象明显，工程上首塌滩严重或有被抄后路的危险。

小水流量造床能力较弱，河道不均匀分布的胶泥嘴、黏土层等缺乏大洪水的自然塑造，给长历时小水流量作用下形成畸形河势创造了条件，从而造成部分工程脱河、半脱河或出险。

1.3 洪水风险依然是最大威胁

当前，黄河下游的“悬河”局势没有变，大堤仍存在冲决的风险。如果洪水从北岸决口，洪水淹没区涉及冀、鲁、豫三省，如果洪水从南岸决口，洪水淹没区波及豫、苏、皖三省，洪泛区面积可达12 万km2。该河段一旦决口，影响范围大，损失严重，同时黄淮海平原生态环境将遭受严重破坏，且长期难以恢复。因此，保证黄河大堤安全仍是黄河下游防洪的头等要务。 1985年以来高村以上河段年均发生“横河”9 次，河势变化仍很剧烈，严重威胁堤防安全。

黄河水利委员会对郑州“7·20”暴雨移植分析演算得出，若暴雨中心西移100 ～200 km，主雨区将全部进入黄河流域，天然情况下花园口将出现洪峰流量为31 800 ～37 300 m3／s的洪水，即便经过上中游水库联合拦蓄，花园口洪峰流量仍将超过20 000 m3／s，接近下游千年一遇设防标准，下游发生大洪水的风险依然存在［4］。小浪底大坝至花园口区间为无工程控制区，洪水预见期短；小浪底水库调水调沙后续动力不足，防洪短板突出，对堤防威胁较大。

2 河道整治疏浚总体思路

河南黄河河道整治工程体系布局基本完成，然而中水整治工程体系对长期小水适应性差，工程迎、导、送流能力不能达到规划状态，河势仍未得到有效控制。近4 a 虽为相对丰水期，但统计年均2 000 m3／s 以下流量天数仍有290 d，1 000 m3／s 以下流量天数有145 d。长历时的小流量下，很难靠水流自身力量对河道进行拓宽或者改变不利河势，而采取挖河疏浚措施配合河道整治工程能够起到较理想的效果。

依据河南黄河河势变化特点及窄河段主槽过流能力特征，针对2021年秋汛期各河段不利河势、河道整治工程出险情况，窄河段洪水及工程运行情况，在现有防洪工程体系及规划治导线的基础上，提出河段疏浚措施。如马渡工程河段工程靠河情况较好，但凸岸淤积严重，主槽较窄（见图1），流速较大，工程出险较多，且近几年频繁出险，也是2021年秋汛期间出险严重的工程，坝垛前坍塌严重，因此应疏浚马渡工程河段凸岸，拓宽主槽，减缓流速，减小出险概率。

图1 马渡工程河段2021年汛后河势

河道疏浚是归顺河南黄河游荡型河段不利河势的有效手段之一，对在长期小水流量过程条件下改善河势、控导主流，有效解决大洪水排洪、小水畸形河势发育的问题具有重要作用。通过河南黄河河道疏浚，清除局部阻水障碍，改善工程靠河情况，提高控导河势能力，归顺河势流路；拓宽局部窄河段，提高主槽过流能力，稳定中水河槽，减小工程出险概率，提高防洪能力，保障防洪安全。

河道整治疏浚也是落实《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》《黄河流域综合规划》和《黄河流域防洪规划》等提出的泥沙综合处理方略的有效措施之一［5-6］。

疏浚区域划定主要考虑两点：一是以规划治导线为边缘控制线；二是因势利导开展疏浚，归顺河势流路。以布置逯村疏浚区为例（见图2），在规划治导线范围内，结合现状河势划定疏浚区域（红色实线范围），人工疏浚部分区域（绿色虚线范围），与水流自然冲淤相结合，最终达到疏浚全部区域、调整不利河势的目的。

图2 疏浚区划定示意（逯村）

3 河道整治疏浚方案

3.1 疏浚河段选择

疏浚河段应在分析河南黄河河势变化及工程险情特点的基础上，根据疏浚实施条件等经综合分析后确定。重点选择河势变化复杂、难以通过自然调整实现河势归顺的河段，主槽变窄、过流能力较小、易产生险情的河段，畸形河势、横河、斜河产生且工程险情频发的河段。

全面梳理河南黄河游荡型河段控导工程靠河情况差等不利河势河段，如逯村工程河段、老田庵工程河段、保合寨工程河段、三合村河段等常年不靠河，工程难以发挥自身的控导河势作用；局部较窄及工程出险严重的河段，如马渡工程河段、黑岗口工程河段和夹河滩工程河段等，主槽窄深导致工程前流速变大而易出险；主流分叉、河心滩分布较多的不利河势河段，如蔡集工程河段等，主流南北两股交替，河势不稳定，造成防洪压力大。根据情况分析确定河南黄河游荡型河段铁谢—花园镇河段、驾部—枣树沟河段、桃花峪—马庄河段、马渡工程河段、黑岗口—大宫河段、夹河滩工程河段、蔡集工程河段和三合村—青庄河段需要实施疏浚，共计8 个疏浚河段（见图3）。

图3 疏浚河段位置示意

3.2 疏浚区平面布置

结合疏浚河段河道基本特性、河道演变情况以及疏浚作用，确定其疏浚平面布置原则如下：遵循河道演变规律，以规划治导线为边缘控制线，且距离防洪工程不少于50 m。结合现有河道整治方案及工程布局体系，因势利导，使主流向相对较好的流路方向进行疏浚布置。

为保证疏浚河槽宽度与上下游河槽宽度基本保持一致，分析测算疏浚断面上下游的河槽宽度。根据2019—2021年疏浚断面上下游实测河道大断面资料分析，疏浚河段上下游现状河道主槽宽度一般为500～700 m。结合现状河势，疏浚河段疏浚后河槽宽度应达到500～700 m，与上下游有效衔接，因势利导，逐步调整河势流路。

3.3 疏浚控制高程

疏浚控制高程采用疏浚河段河道比降法和深泓点控制原则确定。根据2021年河南黄河控导工程水尺资料，推求游荡型河段4 000 m3／s 流量水面线；根据2021年汛后河道实测地形资料，将疏浚区域上下游深泓点进行统计，并根据水面线概化河床底部高程线。疏浚河段概化后河底比降为0.02%～0.014%，为保证疏浚后河道断面与上下游之间能够平顺连接，将概化后的河底高程作为疏浚底部控制高程。

综合考虑河道比降法和深泓点控制，在河道比降法的基础上，以不超过所在断面深泓点控制，结合疏浚区滩面平均高程，确定疏浚平均深度。以逯村疏浚河段为例，根据水面线概化河床底部高程线，疏浚区所在范围概化河底高程范围为103.73 ～106.83 m，疏浚区深泓点高程范围为101.72～104.82 m，概化河底高程高于深泓点高程，最终采用概化河底高程范围103.73 ～106.83 m，折算得到疏浚区控制河底平均高程为105.28 m。根据地形资料，逯村疏浚区滩面平均高程为114.00 m，因此疏浚平均深度为8.72 m。

3.4 疏浚实施的有利条件

黄河在白鹤进入平原河道后，河道变宽，流速变小，历史上淤积严重。小浪底水库运用后，受水库拦沙和调水调沙影响，下游河道发生了持续冲刷，河道内淤积的泥沙减小。

一方面，现有来沙条件下实施河道疏浚能够起到好的作用。小浪底水库蓄水运用以来，由于小浪底水库发挥拦沙作用和中游水土保持措施发挥作用，因此进入下游的沙量大幅减少，年均沙量约1.15 亿t，仅为1950年以来长序列多年平均沙量11.72 亿t 的9.8%。下游来沙量的骤减，为河道疏浚起到好的实施效果提供了有利条件，疏浚后不易回淤，疏浚效果能够维持。

另一方面，已实施的泥沙利用工程为实施河道疏浚提供了施工经验。黄河河南段已经开展了大规模的放淤固堤，总长度达到了475 km，淤区面积4 418.67 hm2，采用船淤、泵淤，将主槽、滩地的泥沙抽至背河，挖放结合，减轻淤积，加固堤防［7］。 2003年，在黄河濮阳段开展了二级悬河治理试验，疏浚河槽长5.2 km，疏浚总量达到 200 万 m3［8］。 2005年，针对开封王庵畸形河湾实施切滩导流，成功调整了河势，保障了防洪安全［9-10］。大量的工程实践经验为河道整治疏浚的实施提供了工程技术及施工借鉴。