于守兵
(黃河水利科學研究院,河南鄭州 450003)
黃河下游游蕩性河道雙岸整治面臨的問題
于守兵
(黃河水利科學研究院,河南鄭州 450003)
為全面認識黃河下游游蕩性河道雙岸整治的效果和可能帶來的影響,對雙岸整治的實施背景和預期效果進行總結,詳細分析了雙岸整治面臨的工程和社會環(huán)境等方面的問題。認為當前黃河下游防洪形勢雖得到改善,但也面臨下游游蕩性河道輸沙能力不足、下游部分河段河勢惡化等問題。指出雙岸整治的主要效果在于通過丁壩等工程實施黃河下游雙岸整治,塑造窄深河槽,利用窄深河槽很強的泄洪輸沙能力并結合小浪底水庫的調(diào)節(jié)運用使得大部分泥沙通過洪水輸運,同時依靠整治工程消除橫河、斜河等不利河勢;雙岸整治面臨的主要問題有:黃河下游大洪水仍有可能出現(xiàn),整治工程帶來的水位壅高,整治河段挾沙能力提高造成的下泄泥沙對山東窄河道和黃河河口產(chǎn)生影響,以及工程實施帶來的土地權屬、引黃供水和環(huán)境影響等問題。
黃河下游;游蕩性河道;雙岸整治;防洪;河勢;輸沙能力
黃河下游河道整治始于20世紀60年代。國家“八五”重點科技攻關項目“黃河治理與水資源開發(fā)利用”研究了多種整治方案,確定采用微彎型整治方案[1-2]。經(jīng)過長期不懈的整治,達到了減少河道游蕩擺動范圍、防止大堤沖決的預期目的[3-4]。但是,目前黃河下游游蕩性河段河槽仍較為寬淺,河道的輸沙能力仍較低。小浪底水庫投入運用后,長期清水、小水條件下局部河勢變化劇烈,出現(xiàn)橫河、斜河等不利情況[5-6]。
隨著黃河干支流一系列水庫的修建和工農(nóng)業(yè)用水的不斷增加,黃河下游的防洪形勢有了一定程度的改善。在此背景下,黃河下游游蕩性河道進一步整治的目標應著眼于“提高河道輸沙能力、減少河道淤積、穩(wěn)定河勢”。為此有專家提出了黃河下游雙岸整治方案[7-9],通過丁壩等工程進行雙岸整治,塑造窄深河槽,提高河道輸沙能力;結合小浪底水庫泥沙多年調(diào)節(jié)運用,利用洪水排沙,實現(xiàn)黃河下游河道不淤或少淤;通過雙岸整治,形成固定河槽,穩(wěn)定河勢。在多沙河流上尚未有雙岸整治成功實施的先例,以及黃河下游游蕩性河道雙岸整治還存在很多不同認識的背景下,總結黃河下游雙岸整治的實施背景和預期效果,探討雙岸整治可能帶來的影響,對黃河下游游蕩性河道整治十分必要。
1.1黃河下游防洪形勢改善
長期以來黃河下游一直面臨特大洪水的威脅,河道整治的主要目的在于防洪,河道設計寬度達到2.0~2.5 km,以保證足夠的排洪能力。20世紀80年代以來,隨著龍羊峽、劉家峽、小浪底等水庫的投入運用以及上中游地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水的增長,黃河下游的來水條件發(fā)生了重大變化。
2013年水利普查統(tǒng)計的黃河流域水庫防洪庫容為252億m3[10],其中小浪底、三門峽、劉家峽、龍羊峽4座水庫的防洪庫容達到156.2億m3,相當于黃河千年一遇洪水12 d的總來水量。通過水庫調(diào)節(jié),花園口千年一遇洪峰流量由42300 m3/s降低為22500 m3/s,百年一遇洪峰流量由29 200 m3/s降低為15700 m3[11]?;▓@口站洪峰流量1982年以來未超過8 100 m3/s,小浪底水庫運用以來未超過5000 m3/s[12]。經(jīng)過多年調(diào)水調(diào)沙,利津以上河道2000—2012年平均沖刷1.26億m3,汛后同流量(2000 m3/s)水位降低1.12~2.34m,平灘流量增加至4100~6900 m3/s[13]。
總體而言,黃河下游出現(xiàn)特大洪水的幾率大幅度減小,而且下游河道的平灘流量有了很大提高,整體的防洪形勢有較大改善,這為黃河下游河道整治目標由防御特大洪水向提高河道輸沙能力奠定了基礎。
1.2黃河下游游蕩性河道挾沙能力不足
泥沙淤積是黃河下游治理的根本問題。針對21世紀黃河的治理思路,水利部提出“堤防不決口、河道不斷流、水質(zhì)不超標、河床不抬高”宏觀治理目標,其中最難實現(xiàn)的是河床不抬高。因此,提高河道挾沙能力將是以后整治的主要目標。黃河下游游蕩性河道過于寬淺,2007年汛后夾河灘以上200km長的河段,實測斷面的主槽寬度在1 500~3 000 m,最寬處達4000 m。
寬淺河道容易導致挾沙能力不足。20世紀70年代以來,含沙量最高的5次洪水平均含沙量沿程變化情況表明[12],在高村以上寬淺河段含沙量降低很快,由220~320 kg/m3迅速降至80~150 kg/m3,艾山以下比降平緩的窄深河段經(jīng)過300 km長的河道,含沙量不僅沒有降低,反而略有增加。因此,提高河道挾沙能力的重要途徑在于縮窄河寬。
1.3黃河下游部分河段河勢惡化
現(xiàn)階段黃河下游河道整治以防洪為主要目標,按照中水河槽進行整治。1986年以來,黃河下游連續(xù)出現(xiàn)枯水,特別是小浪底水庫2000年建成并投入運用后,在長時間低含沙小水作用下,伊洛河口—花園口—黑崗口河段河勢變化劇烈,出現(xiàn)畸形河灣以及河勢下挫等現(xiàn)象[13]。
伊洛河口—花園口河段河勢下挫明顯,工程靠河幾率分別由1993—1999年的61%降低為2006—2010年的51%,原來靠河一直較好的駕部、老田庵、雙井、九堡等工程目前都近乎脫河,花園口險工靠溜位置嚴重下挫。桃花峪—保合寨—南裹頭—花園口河段主流向右擺動幅度較大、南岸坍塌比較嚴重?;▓@口—黑崗口河段工程適應性一直較差,特別是趙口—黑崗口河段,工程靠河幾率僅為55%,并在韋灘處出現(xiàn)較大的畸形河灣,已超出工程控制范圍,有“被抄后路”的危險。
出現(xiàn)這些情況的原因是多方面的,除了工程不配套外,設計整治流量偏大、工程間距離過長、彎道半徑過大導致對小水河勢控制不力也是主要原因。
1.4小浪底水庫的調(diào)節(jié)運用
小浪底水庫控制了黃河91%的徑流量和近100%的泥沙[14]。不管黃河上中游水沙如何變化,絕大部分水量和沙量都要經(jīng)過小浪底水庫的調(diào)節(jié)進入下游河道,這為黃河下游雙岸整治工程塑造協(xié)調(diào)的水沙關系提供了條件。
黃河下游不利的水沙關系是形成游蕩性河道的重要原因。一般地,河流輸沙率Qs與流量Q呈一定的指數(shù)關系,即Qs∝Qm。當指數(shù)m<2.0或m<2.5時[15-16],小水期挾沙過多,導致河槽淤積嚴重,形成寬淺游蕩河道。m值較大時,如支流北洛河和渭河的m值分別為5和4,大水時含沙量高,淤灘刷槽形成窄深河道。黃河下游的m值僅為2.0,這是形成游蕩性河道的重要原因。
2.1窄深河槽較強的泄洪輸沙能力
2.1.1窄深河槽具有極強的泄洪能力
位于彎曲性河道的艾山水文站于1958年7月21日、22日,在河寬476 m、468 m,平均水深8.9 m和10.6m的條件下,分別通過12300m3/s和12500m3/s洪水;濼口水文站于1958年7月22日、23日在主槽寬295 m,平均水深10.6 m和13.1 m的條件下,通過洪峰流量分別為10100 m3/s和11100 m3/s。
對于游蕩性河道,雖然同流量洪水時水面寬遠大于窄河道,但在寬達幾千米的水面中主流帶的寬度常常只有幾百米。由花園口水文站1958年實測過流能力資料可知,主槽寬為600 m時,過流量可超出10000 m3/s,占全斷面過流總量的70%~99%[7]。
在河寬不變的情況下,單寬流量與水深的5/3次方成正比,水深越大,水位漲率越?。?]。另外,隨著流量的增加,河床也在不斷刷深,過流能力也迅速提高。1958年,濼口站流量從5 000 m3/s增至10000 m3/s,平均河底高程沖深3.45 m,主槽平均水深由6.70 m增加到13.1 m,水位只升高2.95 m。
2.1.2窄深河槽具有極強的輸沙能力
在20世紀60年代,麥喬威等[17]研究發(fā)現(xiàn)黃河下游具有“窄深河段多來多排,寬淺河段多來多排多淤、主槽多來多排而灘地多淤”的特點。黃河下游的輸沙率與本站的流量和上站的含沙量有關,通常表示為
式中:K為用實測資料率定的系數(shù);S上為上站的含沙量;α為與河段比降有關的指數(shù);β為與河槽形態(tài)有關的指數(shù)。實測資料表明游蕩性河段的β值在0.6~0.8之間,窄深河段為0.976。也即河槽形態(tài)越窄深越有利于泥沙輸送,接近1時即呈“多來多排”的輸沙特性。實測洪水資料分析也表明,窄深河段的輸沙效率高于寬淺河段,在含沙量較大時也可保持臨界不沖不淤狀況[18]。
“多來多排”輸沙特性出現(xiàn)的條件為流量大于1500m3/s,此時平均糙率n值最小,約為0.01,床面進入高輸沙動平整狀態(tài),較粗的床沙(0.05~0.10mm)在河床上強烈運動,較細的懸沙(<0.05 mm)自然會順利輸送。在黃河下游床沙組成條件下,流速1.8~2.0 m/s可以作為不淤流速設計參考值[19]。
2.2雙岸布置工程整治穩(wěn)定河勢
20世紀30年代恩格思和沈怡等指出黃河下游游蕩河道治理首先是固定中水河槽,其次是刷深河槽[20]。寬河是造成橫河、斜河的主要原因。河槽寬淺一則對水流約束作用差,造成河勢變化具有隨機性;二則由于河道經(jīng)常擺動,河床中耐沖的黏土層與易沖的粉沙層分布復雜,是產(chǎn)生橫河、斜河的物質(zhì)基礎。
黃河下游游蕩性河道由于河槽極為寬淺,很多河段都曾經(jīng)出現(xiàn)過橫河和斜河等畸形河勢。但是雙井至來童寨約10 km長的河道在1990—2012年一直穩(wěn)定為寬600m、深4~6 m的河槽。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),河道穩(wěn)定的主要原因在于左岸有整治工程,右岸物質(zhì)主要由耐沖刷黏土組成,小于0.005 mm的黏粒質(zhì)量分數(shù)為25%~55%[21]。這段穩(wěn)定河道的形成說明抗沖刷河岸是控制河勢和穩(wěn)定流路的關鍵。
此外,花園口—夾河灘河段動床模型試驗表明[22]:雙岸整治工程在小浪底水庫泥沙多年調(diào)節(jié)運用的條件下,攔沙期起到護灘作用,阻止河槽展寬,使沖刷向縱深方向發(fā)展;相機排沙期在洪水排沙輸沙為主、清水沖刷與少量小水挾沙的共同作用下,能維持輸沙的基本平衡。
3.1大洪水仍有可能出現(xiàn)
目前,黃河流域的3個洪水來源區(qū)中,河龍區(qū)間和龍三區(qū)間有三門峽、小浪底等水庫控制,小花區(qū)間(小浪底—花園口)還存在2.7萬km2無控制區(qū)。根據(jù)有關分析,小花區(qū)間未控區(qū)百年一遇洪峰流量為12900 m3/s,在水庫聯(lián)合調(diào)度運用情況下,花園口仍能產(chǎn)生15700 m3/s的洪水。另外,該區(qū)域洪水預見期只有8~10 h,對黃河下游危害很大。
因此,雖然黃河下游的防洪形勢有了很大改觀,但是下游特大洪水的形成因素并未完全消除。發(fā)生大洪水時雙岸整治工程自身的穩(wěn)定性值得慎重考慮。目前,沁河河口村水庫工程即將投入運用。該水庫是控制沁河洪水、徑流的關鍵工程,控制流域面積9223 km2,占黃河小花間流域面積的34%。小花間暴雨洪水預警預報系統(tǒng)業(yè)已建成,黃河小花間無控區(qū)數(shù)學模型正在建設,這可為黃河下游防汛爭取更多的時間。
3.2水位的壅高
雙岸整治工程實施后縮窄了河道的過流面積,增加了工程阻力,這會造成同流量條件下水位的壅高。但另一方面,整治工程控制河道展寬,避免灘地坍塌,使河道主流集中增加河道沖刷,又能在一定程度上降低洪水位壅高幅度。
沖積性河道河床邊界顯著改變后引起水位變化的實例很多。20世紀30年代密西西比河中游長河段整治后水面寬度由1100m縮窄至640m。由于河槽下切,8000 m3/s流量時水位大幅下降。但8 000 m3/s流量以上,由于灘區(qū)生產(chǎn)堤變成大堤而減小了過洪面積,水位抬升0.9~1.2 m[23]。
與密西西比河不同的是,黃河下游河道在大洪水期間河道刷深較為顯著?;▓@口站1958年實測資料分析表明,在整治河寬由1000 m減少到600 m時,流量由5000m3/s升至10000~15000m3/s時水位壅高值只增加0.10~0.20 m??梢姡硬壅螌挾仍?00~1000 m范圍變化時對水位升高的影響并不突出[7]。
3.3下泄泥沙的影響
3.3.1對山東窄河段的影響
黃河下游游蕩性河段雙岸整治實施后,河道挾沙能力提高,這樣輸往山東窄河段的泥沙將會增加。很多學者擔心在這種情況下可能造成窄河段的淤積。對于該問題可以從兩方面進行分析:一方面,雙岸整治工程實施后可以有效地防止游蕩河段小水期河岸坍塌,減小進入窄河段的泥沙;另一方面,從前文所述可知,當流量大于1500 m3/s時,艾山以下河段輸沙特性進入“多來多排”狀態(tài)。因此,在小浪底水庫調(diào)節(jié)運用使得進入下游河段的水沙條件有利的情況下,下泄泥沙對窄河段的影響不會很大。
韓巧蘭等[24]利用黃河下游水動力學泥沙數(shù)學模型,采用小浪底水庫15a設計水沙系列,計算了花園口—夾河灘河段布置雙岸丁壩群后的沖淤以及典型斷面平灘流量變化。與現(xiàn)狀工程相比,花園口—高村河河段淤積量減小,河道平灘流量增加;而高村以下窄河段仍保持較強的過洪能力。如果進一步優(yōu)化小浪底調(diào)水調(diào)沙運用方式,把更多的細泥沙調(diào)到洪水期輸送,山東河道可能會出現(xiàn)不淤或淤積量較小的有利局面。
3.3.2對黃河河口的影響
雙岸整治工程實施后,由于游蕩性河段輸沙能力提高,同時窄河段淤積不會明顯增加,這樣輸送至河口的泥沙不可避免地要增加。由于黃河河口海洋動力條件較弱,雖然統(tǒng)計區(qū)域和時段有所差異,但海洋動力的輸沙能力在1.66億~2.83億t[25-28],而且海洋動力主要是將淺水區(qū)較細的泥沙輸往深海[29],因此,雙岸整治工程實施后口門淤積將不可避免地增加,尾閭不斷延伸,縱剖面趨于平緩,反過來會影響黃河下游河道的挾沙能力。
這種情況下就涉及進入黃河下游泥沙的淤積部位問題。大體來講,泥沙淤槽不如淤灘,淤窄河段不如淤寬河段。而淤積在河口的反饋影響與淤積在游蕩性河段的影響孰大孰小目前尚未進行研究。不過,直觀上理解通過河口延伸對下游造成反饋影響需要一定的傳播時間,而淤積在游蕩性河段的影響則會很快體現(xiàn)出來。而且,目前關于黃河河口淤積反饋影響的范圍仍存在很大分歧,有學者認為僅影響到局部區(qū)域而不是整個黃河下游。
3.4社會環(huán)境問題
3.4.1土地權屬問題
土地權屬問題由雙岸整治規(guī)劃流路與現(xiàn)有河勢不一致引起。下面以雙岸整治推薦試點河段的規(guī)劃方案為例進行說明。由于黃河水沙條件的復雜性和多沙河流雙岸整治經(jīng)驗的不足,經(jīng)過不同河段的比選,建議在黃河下游老田庵—武莊河段進行整治試點研究,并提出相應的規(guī)劃流路與工程布置方案(圖1)[21]?;▓@口—雙井河段和馬渡—武莊河段,規(guī)劃流路與現(xiàn)有河勢差別不大。而在老田庵下延—花園口河段,規(guī)劃流路在現(xiàn)有河勢偏向右岸方向布置。該河段屬于明清故道,已行河500余年。灘區(qū)面積廣闊,耕地、村莊、人口眾多。兩岸行政區(qū)域劃分以河為界,北岸灘地由新鄉(xiāng)市等管轄,南岸由鄭州市管轄。由于整治工程自身永久占地451.7 hm2,且在規(guī)劃流路與現(xiàn)狀流路差別較大的地方,兩岸灘區(qū)土地將重新分配,部分百姓必將失去土地,這都會引起土地權屬糾紛,處理這種矛盾將涉及不同地市的管理協(xié)調(diào)問題,非常棘手。若在整個游蕩性河道實施雙岸整治工程,將會涉及更多的土地、人口和政府部門,難度更大。
3.4.2引黃供水問題
河段內(nèi)灌區(qū)分布有老田庵、馬莊、花園口、東大壩、雙井和馬渡共6個引水口(表1)。從圖1可以看出,整治工程實施后,馬莊和保合寨工程將不再靠河,將影響馬莊引水口的正常使用。這將給兩岸工農(nóng)業(yè)發(fā)展和群眾生活造成一定影響。另外,雙岸整治后河道挾沙能力提高,河床會有一定程度的沖刷下降,從而也會影響引水工程的運用保證率。
圖1 黃河下游雙岸整治試點推薦河段工程布置圖
表1 黃河下游老田庵—武莊河段引水口分布情況
3.4.3環(huán)境影響問題
黃河下游京廣鐵路橋至東壩頭河段大部分灘地為黃河濕地自然保護區(qū)。該保護區(qū)是中國中部地區(qū)濕地生物多樣性分布的重要地段,是中國三大候鳥遷徙通道中線的中心區(qū)域。按照自然生態(tài)條件、生物群落特征、重點保護對象,濕地自然保護區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)3個功能區(qū)域。具體而言,老田庵—保合寨河段位于實驗區(qū),南裹頭—馬莊河段位于緩沖區(qū),花園口附近河段位于實驗區(qū),雙井附近位于核心區(qū),馬渡—武莊河段位于實驗區(qū)。
整治工程的實施將對試點河段周圍環(huán)境造成一定的影響。一方面根據(jù)對口丁壩建設布局,兩岸工程范圍內(nèi)占地約占整個河道面積的30%,且工程選址集中在自然保護區(qū)的核心區(qū)和實驗區(qū)。這將對鳥類繁衍產(chǎn)生影響,并可能破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡,造成珍稀物種滅絕。另一方面,工程規(guī)模較大,工程建設周期較長,整治工程的施工也會對濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大干擾。
隨著黃河下游防洪形勢有較大改善,河道進一步整治應著眼于提高河道挾沙能力和穩(wěn)定河勢。在此背景下,提出了雙岸整治方案,通過對口丁壩等工程塑造窄深河槽,提高河道輸沙能力,減少下游河道淤積,同時穩(wěn)定河勢。
但是,雙岸整治方案仍面臨著一些工程和社會環(huán)境問題。黃河下游小浪底—花園口區(qū)間缺乏洪水控制工程,下游大洪水仍有可能出現(xiàn),整治工程可能會造成大洪水時的水位壅高,增加防洪風險。整治河段挾沙能力提高致使下泄泥沙增加,河口淤積延伸速率增加并可能加重不利的反饋影響。整治工程對現(xiàn)狀流路的調(diào)整造成兩岸土地權屬變更、部分引水口的正常運用和濕地環(huán)境保護問題。這些問題的順利解決對雙岸整治工程的實施起著至關重要的作用。
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Problems regarding two-bank regulation of the wandering lower Yellow River
YU Shoubing
(Yellow River Institute of Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China)
In order to examine the effect and possible influence of the implementation of two-bank regulation of the wandering lower Yellow River,through summary of the background of implementation and the expected effect,project and social environmental problems regarding two-bank regulation are analyzed.Although the flood control situation in the lower Yellow River Basin is improved,there exist some problems,such as the insufficient sediment transport capacity of the wandering lower river and the deteriorated river regime of some lower channels.Two-bank regulation can generate a narrow deep channel through spur dikes or other regulation projects,cause most of the sediment to be transported by floods due to the large sediment transport capacity of the narrow deep channel and the operation of the Xiaolangdi Reservoir,and eliminate adverse river regimes,such as transverse rivers and inclined rivers.It is pointed out that the main problems regarding two-bank regulation are as follows:large floods are still likely to occur in the lower Yellow River,the regulation project leads to rises in the water lever,the increasing sediment-carrying capacity causes the discharged sediment to influence the narrow channels in Shandong Province and the Yellow River Estuary,and the implementation of regulation projects leads to land ownership problems,diversion of water from the Yellow River,and environmental impacts.
lower Yellow River;wandering river;two-bank regulation;flood control;river regime;sediment transport capacity
TV853
A
10067647(2016)05008106
10.3880/j.issn.10067647.2016.05.015
國家自然科學基金(51409111),中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費(HKY-JBYW-2014-20)
于守兵(1980—),男,高級工程師,博士,主要從事河流動力學及河口海岸研究。E-mail:yushoubing@163.com
(20150930 編輯:鄭孝宇)