维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案

2023-01-30吴默溪安催花梁艳洁陈翠霞

人民黄河 2023年1期

鲁俊，吴默溪，安催花，梁艳洁，陈翠霞

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南郑州 450003）

1 研究背景

黄河是举世闻名的多泥沙河流，多年平均输沙量曾高达16亿t［1－3］，泥沙是造成黄河河道尤其是下游河道淤积严重、防洪防凌问题的根本原因，合理利用“拦、调、排、放、挖”治理措施处置黄河泥沙［4－6］，减少河道泥沙淤积，维持下游河道与滩区稳定，是黄河综合治理的关键。

人民治黄以来，党和政府组织开展了大量且富有成效的泥沙处理和利用实践活动，积累了丰富经验，黄土高原地区大规模的水土流失治理、水土保持措施减少入黄泥沙效果显著。骨干水利枢纽工程拦沙和调水调沙以及河道和河口治理，塑造有利的河床边界和河口条件，在有利的河床边界条件下可多排沙入海［7］。黄河小北干流滩区等放淤泥沙措施［8］，减少了泥沙在河道中的淤积。黄河河口河段挖河固堤工程［9］提高了河道排洪输沙能力。目前黄河水沙发生了显著变化，流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略［10］，流域经济社会发展对治黄提出了新的更高要求，变化环境下科学合理处理黄河泥沙对黄河河道尤其是下游河道与滩区治理［11］尤为重要。2010年前后，胡春宏［12］、安催花等［7］、陈绪坚等［5］、田勇等［13］研究了黄河干流泥沙空间优化配置理论和模型，给出了基于当时边界条件下黄河年均来沙8亿t以上的泥沙处置方案；赵海镜等［14］研究了黄河流域泥沙优化配置评价指标体系和上中游流域泥沙优化配置；蒲强［15］简要介绍了流域泥沙资源优化配置方法及技术；王先甲等［16］综述了湖库泥沙资源化多目标优化配置情况，探讨了泥沙资源优化配置相关研究未来发展方向。总体来看，在流域包括黄河流域在内的泥沙处置和利用方面已取得较为系统的研究成果，但是随着黄河流域水文情势、河道边界与工程以及流域保护治理目标和经济社会发展需求等条件的变化［17］，缺少可以维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案。

本文结合新形势变化，以维持黄河下游河道与滩区稳定为目标，基于不同水沙情景，通过实测资料分析、数学模型等手段，分析入黄泥沙的时空分布、下游河道和滩区的未来演变，提出泥沙处理措施与方案，经综合评价得到实现黄河下游50 a不淤高和滩区稳定、良性维持的最优方案。

2 研究区域、数据和方法

2.1 研究区域

本文重点研究黄河下游河道。黄河泥沙主要来自于中游，而危害主要在下游，下游河道治理事关流域全局特别是黄河中游地区，因此本文研究维持黄河下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案，也涉及黄河中游地区，主要包括中游的重大骨干水利枢纽工程和小北干流河道。

黄河下游是强冲积性河道，是地上悬河，具有“槽高、滩低、堤根洼”的河道断面形态，河道面积4 860 km2，其中滩区面积3 154 km2，滩区内居住人口约190万人，绝大部分滩区位于陶城铺以上宽滩河段。小北干流是黄河中游的强冲积性河道，河道面积约1 100 km2，滩地面积约710 km2。

黄河中游干流已建大型骨干水利枢纽有三门峡、小浪底等水利枢纽，支流在建的有泾河东庄水利枢纽，干流规划建设的有古贤、碛口水利枢纽工程。

2.2 研究数据

黄河中下游河道以及三门峡、小浪底等重要骨干水库的水文数据资料丰富，黄河干支流设置有大量水文观测站和固定的河道统测断面，由黄河水利委员会水文部门进行逐年整编发布。本文研究采用的干支流沙量、河道冲淤量等实测数据来自黄河水文年鉴和黄河水文数据库。

黄河泥沙变化既受自然气候因素的影响，又与黄土高原水土保持等人类活动密切相关，目前对黄河未来沙量的认识不统一［18－19］。考虑研究需要，本文采用黄河中游年均来沙8亿、6亿、3亿t三种情景方案作为泥沙处置方案的基本条件，8亿、6亿t情景方案选取1959—2008年共50 a系列循环1次作为水沙代表系列，3亿t情景方案水沙代表系列选取2000—2013年实测14 a系列连续循环作为水沙代表系列。不同情景水沙系列特征值统计见表1。

2.3 研究方法

（1）入黄泥沙量计算。黄河泥沙主要来源于黄土高原，泥沙进入黄河干流后，一部分淤积在河道和水库，一部分输送至河口填海造陆或输往深海，还有一部分在河道外由人工处理和利用，包括灌区引沙、放（挖）淤固堤等其他措施处理和利用。根据沙量平衡原理［20］计算入黄泥沙量，公式如下：

式中：Ws黄为入黄泥沙量，亿t；Ws入海为入海沙量，用利津站沙量表示，亿t；Ws河淤为河道淤积量，亿t；Ws水库为水库淤积量，亿t；Ws其他为河道外由人工处理和利用的沙量，亿t。

（2）水库河道冲淤计算。采用一维水动力学模型（模型原理及基本控制方程见文献［21］）计算水库河道冲淤量，采用有限体积法对前述数学模型的控制方程进行离散，用基于交错网格的SIMPLE算法处理流量与水位的耦合关系，离散方程求解时在进口给定流量和含沙量过程，出口给定水位过程，挟沙力公式采用适用于高含沙水流计算的张红武公式。该模型已经过黄河小北干流、三门峡水库、小浪底水库和黄河下游及河口大量实测资料检验［21］，能够准确反映计算区域水沙输移和泥沙冲淤特性。

（3）泥沙处置方案评价。为了全面综合评价泥沙处置方案优劣，利用专家调查法［22］，从技术、经济、社会和生态环境等4个方面选出8个评价指标，包括河道冲淤量、平滩流量、静态投资额、单方泥沙处置费、影响滩区人口数量、征地移民补偿费、漫滩次数和利津生态流量保证率。在此基础上，根据模糊优选理论［23］和基于误差反馈的人工神经网络（BP－ANN）建立模型［24］进行综合评价，该模型是通过网络训练获得网络结构、相对隶属度权重，再将各方案的相对隶属度向量代入，计算相对隶属度并进行大小排序，即优劣排序，确定相对较优的方案。

3 入黄泥沙时空分布变化与处置措施

考虑黄河水沙条件变化和中游骨干水库工程运用的影响，统计不同时期的入黄泥沙时空分布，见表2。

表2 黄河中下游入黄泥沙时空分布统计（年均值）亿t

人类活动影响比较小的1950—1959年，年均入黄泥沙量为18.97亿t。该时期输送入海的年均沙量为13.15亿t，占入黄泥沙量的69.3%；黄河小北干流河道、下游河道年均淤积量分别为0.88亿、3.61亿t，合计4.49亿t，占入黄泥沙量的23.7%；灌区引沙量年均为0.89亿t，占入黄泥沙量的4.7%。可以看出，人类活动影响较小的情况下，入黄泥沙的绝大部分被输送到河口地区填海造陆，同时还有一部分淤积在河道内。

三门峡水库1960年建成运用，对黄河中下游泥沙的空间分布产生了重大影响。①1960—1964年三门峡水库蓄水拦沙期，年均入黄泥沙量为19.75亿t，其中：输送入海的年均沙量为11.22亿t，占入黄泥沙量的56.8%；黄河小北干流河道年均淤积量2.20亿t，占入黄泥沙量的11.1%；三门峡水库年均淤积量11.62亿t，占入黄泥沙量的58.8%，潼关高程迅速抬升4.69 m，渭河下游防洪问题凸显；下游河道因水库拦沙年均冲刷5.78亿t；灌区规模较小，引沙量年均为0.25亿t，占入黄泥沙量的1.3%；其他措施利用量主要是黄河下游防洪工程建设用沙，相对较少，年均0.24亿t，占入黄泥沙量的1.2%。②1965—1973年三门峡水库完成两期工程改建［25］，滞洪排沙运用。该时期年均入黄泥沙量为16.79亿t，其中：输送入海的年均沙量为10.74亿t，占入黄泥沙量的64.0%；黄河小北干流河道、下游河道均为淤积，年均淤积量分别为1.81亿、4.39亿t，分别占入黄泥沙量的10.8%、26.1%；三门峡水库库区发生冲刷，年均冲刷量1.33亿t，潼关高程有所下降，降低1.45 m；下游两岸引黄灌区发展迅速，引沙量增大，年均1.10亿t，占入黄泥沙量的6.6%；其他措施利用量为0.08亿t，占入黄泥沙量的0.5%。③1973年以后三门峡水库降低汛期运用水位，蓄清排浑，水沙调节能力大幅减弱，库区冲淤基本平衡。1974—1999年年均入黄泥沙量为9.99亿t，其中：输送入海的年均沙量为6.06亿t，占入黄泥沙量的60.7%；黄河小北干流河道、下游河道均为淤积，年均淤积量分别为0.40亿、1.48亿t，分别占入黄泥沙量的4.0%、14.8%；三门峡、万家寨等中游水库库区有少量淤积，年均淤积量0.17亿t，潼关高程在1986年之前有升有降，1986年之后逐步抬升；灌区引沙量大，年均1.45亿t，占入黄泥沙量的14.5%；其他措施利用量为0.43亿t，占入黄泥沙量的4.3%。可以看出，三门峡水库建成后的3个时期，入黄泥沙量呈减少趋势，水库运用方式的调整虽然改变了库区河道泥沙的空间分布，但输沙入海仍是各个阶段泥沙处置的主导方式。

小浪底水库建成运用后，受中游水土保持作用影响，入黄泥沙量大幅减少。2000—2018年年均入黄泥沙量仅为2.68亿t，其中：输送入海的年均沙量为1.23亿t，占入黄泥沙量的45.9%；因来水条件较为有利，故黄河小北干流河道年均冲刷0.25亿t，下游河道因小浪底水库拦沙和调水调沙而发生了持续冲刷，年均冲刷1.62亿t；中游水库年均淤积2.62亿t，占入黄泥沙量的97.8%，淤积主要集中在小浪底水库，万家寨水库也有小部分淤积，约占水库淤积量的10.0%；灌区引沙量年均为0.37亿t，占入黄泥沙量的13.8%；其他措施利用量为0.33亿t，占入黄泥沙量的12.3%。可以看出，由于入黄泥沙偏少以及小浪底水库的建成运用，因此近期入黄泥沙的空间分布发生了较大变化，由以往输沙入海为主导变为以水库拦沙为主导。从1960年以来的入黄泥沙分布变化看，大型水库是影响泥沙空间分布及河道冲淤的重要因子。

4 下游河道与滩区稳定的泥沙处置方案

4.1 下游河道与滩区演变趋势

根据黄河下游河道平衡输沙的沙量阈值（2.0亿～2.5亿t）［21］可以初步判断，黄河年均来沙8亿、6亿、3亿t情景下游河道无法维持冲淤平衡，河道将淤积抬高。利用水库河道一维水动力学模型定量计算不同水沙情景在现状工程条件下的河道冲淤情况：黄河年均来沙8亿t情景，小浪底水库拦沙库容淤满年限约13 a（到2030年），拦沙库容淤满后50 a（2031—2080年）下游河道年均淤积泥沙2.30亿t，最小平滩流量将减小至1 900 m3／s；黄河年均来沙6亿t情景，小浪底水库拦沙库容淤满年限约19 a（到2036年），拦沙库容淤满后50 a（2037—2086年）下游河道年均淤积泥沙1.30亿t，最小平滩流量将减小至2 500 m3／s；黄河年均来沙3亿t情景，小浪底水库拦沙库容淤满年限约40 a（到2057年），拦沙库容淤满后50 a（2058—2107年）下游河道年均淤积泥沙0.37亿t，最小平滩流量将减小至3 500 m3／s。可以看出，现状工程体系下，小浪底水库调水调沙后续动力不足［26］，拦沙库容淤满后，黄河年均来沙8亿、6亿、3亿t情景下游河道还要继续淤高，中水河槽无法维持，滩区很难维持稳定。黄河年均来沙8亿、6亿、3亿t情景下游河道泥沙冲淤量与平滩流量计算结果见图1和图2。

图1 黄河下游河道泥沙冲淤量计算结果

图2 黄河下游河道平滩流量计算结果

除此之外，现状下游河道与滩区还面临较多问题。小浪底与花园口区间尚有1.8万km2无工程控制区，百年一遇洪峰流量为12 000 m3／s，洪水预见期仅为8 h，滩区受到洪水威胁；黄河下游“槽高、滩低、堤根洼”的二级悬河不良形态和299 km游荡型河段河势未有效控制，遇大洪水或中常洪水有可能引发横河、斜河，危及大堤安全；下游滩区防洪标准低，滩区居民外迁安置规划实施后，仍有近百万人生活在洪水威胁中，滩区防洪运用和经济发展矛盾突出，人水混居导致生态环境破坏加剧，农村环境较差，环境污染风险高，不能满足人民群众日益增长的优美环境需求。

4.2 泥沙处置方案拟定

基于下游河道与滩区存在的上述问题，结合以往泥沙处置经验，要实现黄河下游河道不淤高和滩区稳定、良性维持，必须对泥沙进行合理处置，同时要统筹洪水治理。可采取的措施包括：协调水沙关系，长期控制河道不淤积并维持适宜中水河槽，如建设古贤、东庄等水库以进一步增强拦沙和调水调沙能力，结合泥沙利用进行适当挖河等；加强下游无控区洪水控制，提高滩区防洪标准，进行滩区综合治理，促进滩区高质量发展，如滩区再造、三滩分区生态治理［27］、滩区修建防护堤［28］、建设桃花峪水库［29］等。本文以实现黄河下游50 a不淤高和滩区稳定、良性维持为目标，提出如下泥沙处置方案：方案1为现状工程体系方案，方案2为滩区生态治理方案，方案3为建设防护堤方案，方案4为建设古贤水库＋滩区生态治理方案，方案5为建设古贤、桃花峪水库＋滩区生态治理方案。挖河措施作为以上各方案的补充。

5 泥沙处置方案分析与综合评价

5.1 泥沙处置方案计算

按照2018年水库河道边界条件，利用数学模型对黄河年均来沙8亿、6亿、3亿t三种情景方案不同泥沙处置方案进行水库河道冲淤计算、下游平滩流量和漫滩天数计算，结果见表3。

表3 不同情景不同方案水库河道冲淤量计算结果

以黄河年均来沙3亿t情景计算结果为例，可以看出：

方案1，50 a内下游河道年均冲刷0.09亿t，50 a末平滩流量为4 514 m3／s，50 a内漫滩天数37 d，该方案不能消除二级悬河，小花间洪水对滩区防洪威胁大，黄河下游50 a内不淤高，但在50 a后河道将淤积抬高，滩区不能维持长期稳定。

方案2，50 a内下游河道年均冲刷0.22亿t，50 a末平滩流量为6 217 m3／s，50 a内漫滩天数8 d，该方案滩区生态治理可以消除二级悬河，黄河下游50 a内不淤高，但在50 a后河道将淤积抬高，滩区不能维持长期稳定。

方案3，50 a内下游河道年均冲刷0.16亿t，50 a末平滩流量为4 795 m3／s，50 a内漫滩天数0 d，该方案可以提高滩区防洪标准，但是不能消除二级悬河，黄河下游50 a内不淤高，但在50 a后河道将淤积抬高，滩区不能维持长期稳定。

方案4，50 a内下游河道年均冲刷0.30亿t，50 a末平滩流量为6 829 m3／s，50 a内漫滩天数7 d。该方案黄河下游50 a内不淤高，50 a后也基本不淤高，但不能消除二级悬河，小花间洪水对滩区防洪威胁大，50 a内通过古贤和东庄水库拦沙处理泥沙分别为21.06亿、41.17亿t，相应泥沙处理费用单价为3.3、5.7元／m3，包括生态治理在内的各项泥沙处理措施合成单价为10.0元／m3，各项泥沙处理费用共计560亿元。

方案5，50 a内下游河道年均冲刷0.31亿t，50 a末平滩流量为6 844 m3／s。50 a内漫滩天数5 d。该方案能够消除二级悬河，提高滩区防洪标准，黄河下游50 a内不淤高，50 a后也基本不淤高、滩区长期维持稳定。该方案50 a内通过古贤和东庄水库拦沙量分别为21.06亿、41.17亿t，相应泥沙处理费用单价为3.3、5.7元／m3，包括生态治理在内的各项泥沙处理措施合成单价为10.0元／m3，各项泥沙处理费用共计560亿元。

5.2 泥沙处置方案综合评价

利用建立的评价模型对8亿、6亿、3亿t情景各方案综合效益进行评价，结果见表4。不同水沙情景，方案1、方案2、方案3、方案4、方案5的最优相对隶属度值按大小排序均为方案5＞方案4＞方案2＞方案3＞方案1，方案5计算的最优相对隶属度值最大，表明该方案提出的泥沙处置措施的综合效益最大，即建设古贤、桃花峪水库＋滩区生态治理在未来50 a进行泥沙处置的方案最优。