田勇 李勇 孫一 伊?xí)匝?/p>
摘要:黃河下游灘區(qū)的行洪和沉沙作用未來究竟有多大,是灘區(qū)治理戰(zhàn)略方向確定的關(guān)鍵依據(jù)。利用實測資料,系統(tǒng)分析了黃河下游實測洪水泥沙變化、灘區(qū)不同時期行洪和泥沙淤積變化。結(jié)果表明:受洪水量級大幅減小、河道整治工程相對完善以及灘區(qū)生產(chǎn)堤建設(shè)等綜合因素影響,1986年以來灘區(qū)行洪和沉沙功能與歷史時期相比已顯著減弱。采用數(shù)學(xué)模型對比分析了下游河道“現(xiàn)狀格局”和“徹底廢除生產(chǎn)堤”兩個方案灘區(qū)的沉沙作用,結(jié)果表明:在潼關(guān)年均來沙3億t條件下,未來50 a內(nèi)灘區(qū)基本不發(fā)揮沉沙作用;來沙6億t條件下,未來50 a內(nèi)灘區(qū)發(fā)揮一定的沉沙作用;從灘區(qū)泥沙淤積比例這個關(guān)鍵指標(biāo)看,“廢除生產(chǎn)堤”方案僅比“現(xiàn)狀格局”方案高2%。提出了重新對灘區(qū)行洪和沉沙功能進(jìn)行戰(zhàn)略定位的建議。
關(guān)鍵詞:行洪;沉沙;功能定位;灘區(qū)治理;黃河下游
中圖分類號:TV853;TV882.1
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.02.007
1 黃河下游干流實測洪水泥沙變化
1.1 控制站1980年以后洪峰流量大于10 000 m3/s的洪水顯著減少
1950-1979年30 a間,潼關(guān)站有9a發(fā)生了洪峰流量大于10 000 m/s的洪水。1980之后沒有發(fā)生過洪峰流量大于10 000 m/s的洪水。1999年至今,洪峰流量均小于6 000 m/s。1949-1959年,花園口有Sa發(fā)生了洪峰流量超過10 000 m/s的洪水,其中1958年洪峰流量為22 300 m3/s,超萬洪量(流量超過10 000 m/s的洪量)為9.4億m。1960-1985年,花園口有2a發(fā)生了洪峰流量超過10 000m/s的洪水,其中1982年洪峰流量為15 300 m/s.超萬洪量為5.8億m。1986年至今,花園口沒發(fā)生洪峰流量大于10 000 m/s的洪水。特別是2000年小浪底水庫運用以后,花園口僅2010年發(fā)生了洪峰流量超過4 000m/s的洪水。潼關(guān)和花園口站歷年最大洪峰值見圖1。
1.2 潼關(guān)站1980年以后來沙明顯減少
黃河天然時期(1919-1959年)年均沙量為16億t。1960-1979年潼關(guān)年均沙量為13.7億t,其中1964年、1966年、1967年和1977年沙量超過20億t。1980-1999年潼關(guān)年均來沙7.8億t,其中1981年、1988年、1994年和1996年沙量超過10億t。2000-2017年潼關(guān)年均來沙2.4億t,其中2003年超過6億t。潼關(guān)站逐年實測輸沙量變化見圖2。
2 黃河中下游干支流控制性水庫建設(shè)及其影響
2.1 水庫建設(shè)概況
人民治黃70多a來,中下游興建的干支流水庫群為黃河水沙調(diào)控提供了關(guān)鍵支撐。水庫建設(shè)和防洪庫容信息[1]統(tǒng)計見表1。
2.2 水庫群建設(shè)對下游洪水泥沙的影響
(1)對實測洪水的影響。從防洪角度看,經(jīng)現(xiàn)有工程體系調(diào)控后.1919年以來的實測大洪水基本可做到控制花園口站洪峰流量不超過10 000 m/s.見表2[2]。例如,實測洪峰較大的1954年、1958年和1982年洪水,洪峰流量分別由實測的15 000、22 300、15 300m3/s削減為7 620、9 620、8 670 m/s。
(2)對設(shè)計洪水的影響。三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村5座水庫聯(lián)合調(diào)度,可顯著削減不同頻率洪水的洪峰流量。水庫群調(diào)控后,可將花園口斷面1000 a一遇洪水的洪峰流量由42 300 m/s削減至22 600 m/s.100 a 一遇洪水的洪峰流量由29 200 m/s削減至14 800 m/s,10 a-遇洪水的洪峰流量由16 600 m/S削減至10 000 m/s,見圖3[3]。(3)對輸沙洪水的影響。黃河洪水分為上大洪水、上下較大洪水、下大洪水三類。泥沙主要來源于潼關(guān)以上,對潼關(guān)以上可能來沙的上大洪水和上下較大洪水,在現(xiàn)狀工程體系運用條件下,洪水調(diào)度預(yù)案表明進(jìn)入下游的含沙洪水洪峰流量都控制在10 000 m/s以下。
3 下游灘區(qū)格局變化過程
灘區(qū)格局的形成與黃河下游堤防、河道整治工程和生產(chǎn)堤的發(fā)展歷程息息相關(guān),堤防、河道整治工程、生產(chǎn)堤共同構(gòu)建了灘區(qū)現(xiàn)狀邊界。圖4為夾河灘至高村河段灘區(qū)格局。
3.1 黃河堤防
黃河下游堤防與河道變遷有關(guān)。河南孟津至武陟沁河口為禹王故道,有數(shù)千年的歷史:沁河口至蘭考東壩頭為明清時期的老河道,已有500多a的歷史;東壩頭至山東利津為清咸豐五年(公元1855年)銅瓦廂決口后的河道,已行河163 a。
下游堤防多為明、清時期逐步修建而成,經(jīng)過20世紀(jì)50年代以來的數(shù)次培修加固,已比較完整。標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)完成后,下游堤防的防洪能力將全線提高。
3.2 河道整治工程
下游有計劃進(jìn)行河道整治始于20世紀(jì)50年代,是自下而上分段進(jìn)行的。至1958年,濼口以下工程長度為48.84 km,險工和護(hù)灘工程的總長度約占河道長度的60%,兩種工程相配合,控制了大部分河彎。
三門峽水庫蓄水?dāng)r沙期下游河勢變化劇烈,塌灘迅速,導(dǎo)致20世紀(jì)60年代后期游蕩型河段(白鶴一高村河段)河道整治工作快速發(fā)展,一直延續(xù)到1974年。1966年后重點對高村至陶城鋪的過渡性河段進(jìn)行了整治,其中1965-1974年是高村至陶城鋪河段河道整治大發(fā)展的時期。
1998年“三江”大水后,國家進(jìn)一步加大了水利投資力度。截至2001年黃河下游游蕩型河段共計修建險工(控導(dǎo))(不含沁河和金堤險工)工程2 230道壩垛,工程總長度300.75 km.對控制河勢發(fā)揮了較大作用。
至2008年,黃河下游共建設(shè)險工135處、壩垛護(hù)岸5 279道,工程總長度310.5 km,控導(dǎo)工程219處、壩垛4 573道,工程總長度421.3 km。
3.3 生產(chǎn)堤
為保護(hù)耕地,下游沿岸群眾很早就有修建“民埝”的實踐,后改稱“生產(chǎn)堤”。生產(chǎn)堤在不同時期經(jīng)歷了“修和廢”的多次反復(fù),存廢之爭由來已久,但生產(chǎn)堤基本上長期存在。
由于生產(chǎn)堤的存在,因此大堤長期不靠河,生產(chǎn)堤與大堤之間洪水漫灘落淤概率小,造成灘地越來越低洼,極易發(fā)生“橫河”,生產(chǎn)堤潰決后水流集中直沖大堤,歷史上多次出現(xiàn)因生產(chǎn)堤決口造成大堤決口的情況,如1933年蘭考四明堂決口、1935年鄄城董莊決口等。為減小生產(chǎn)堤潰決后水流集中直沖大堤的風(fēng)險,黃委于1948年8月正式提出了“廢除民埝”的建議。
隨著三門峽水利樞紐工程的開工建設(shè).1958年汛后灘區(qū)又陸續(xù)修筑生產(chǎn)堤,按照“小水保豐收,大水減災(zāi)害”的要求,生產(chǎn)堤要預(yù)留口門,當(dāng)秦廠站發(fā)生洪峰流量大于10 000 m/s的洪水時,相機(jī)扒開生產(chǎn)堤,擴(kuò)大河道排洪能力,削減洪峰,以保證黃河大堤的安全。
1964年汛后至1973年,三門峽水庫滯洪排沙運用,加之1969-1973年黃河枯水多沙,下游河道出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的淤積,主槽平灘流量急劇減小,而且逐漸形成“二級懸河”,暴露出生產(chǎn)堤的較大危害性。1973年,黃委在黃河下游治理工作會議上提出了《關(guān)于廢除黃河下游灘區(qū)生產(chǎn)堤實施的初步意見》,明確提出破除生產(chǎn)堤,修筑避水臺,實行“一水一麥”,一季留足群眾全年口糧。由于對生產(chǎn)堤的危害認(rèn)識不足,因此國務(wù)院關(guān)于廢除生產(chǎn)堤的批示精神并未得到貫徹和落實,國家防辦和黃河防總每年汛前均要求破除,但不時出現(xiàn)生產(chǎn)堤堵復(fù)和新修現(xiàn)象。如1982年8月花園口站出現(xiàn)洪峰流量15 300 m/s的洪水,生產(chǎn)堤大部分被沖決,但洪水之后又被群眾修復(fù)。
1987年防汛工作實行行政首長負(fù)責(zé)制后,清障工作取得了突破性進(jìn)展,按生產(chǎn)堤長度的1/5進(jìn)行了破除,1987年破除生產(chǎn)堤長度100 km。
2004年,豫魯兩省政府明確要求調(diào)水調(diào)沙期間不準(zhǔn)漫灘,各地有組織地全面加修加固了生產(chǎn)堤,不少河段修到了主槽邊。根據(jù)黃河下游河道圖統(tǒng)計,2007年左右黃河下游花園口一濼口生產(chǎn)堤長度為662.5 km.若計算全下游則已達(dá)到1 002.9 km。不同時期生產(chǎn)堤長度統(tǒng)計匯總見表3。
4 下游寬河段灘區(qū)的行洪和滯沙作用及變化
4.1 歷史上灘區(qū)發(fā)揮了巨大的行洪滯洪沉沙作用
黃河下游發(fā)生大洪水時,灘區(qū)就是一個大的行洪滯洪區(qū),對洪水有顯著的滯洪削峰作用。1958年和1982年花園口站洪峰流量分別為22 300、15 300 m/s,對應(yīng)的孫口站洪峰流量分別為15 900、10 100 m/s,分別削峰29%、34%(見表4)?;▓@口至孫口河段滯洪量分別為25.89億、24.54億m,相當(dāng)于故縣水庫和陸渾水庫2017年防洪總庫容的3倍,起到了明顯的滯洪作用,大大減輕了山東窄河段的防洪壓力。
黃河灘區(qū)歷史上具有巨大的沉沙作用。1950年6月-1999年10月,黃河下游河道累計淤積泥沙93億t,其中灘區(qū)落淤沉沙63.70億t,約占整個下游河道淤積量的70%。大漫灘洪水期黃河下游寬河段的灘區(qū)淤積量非常大.1958年和1982年灘地淤積量甚至超過花園口來沙量,見表5。
4.2 現(xiàn)狀格局灘區(qū)行洪功能明顯減弱
對比3場實測漫灘洪水的流速和水深情況(見圖5)可知,在老灘水深變化不大的條件下,1958年高村老灘平均流速為0.9 m/s.1982年、1996年只有0.19 m/s,約為1958年的20%。1958年以后,灘區(qū)河道整治工程、生產(chǎn)堤、公路等建筑物不斷增多,是造成漫灘水流速度明顯降低的原因。在這種流速極低的水流條件下,老灘的行洪作用顯著減弱。
通過數(shù)學(xué)模型計算,給出了1958年型洪水現(xiàn)狀邊界條件下高村站灘槽過流情況(見表6)。從表6可知,1958年高村斷面老灘實測過流比為27%;現(xiàn)狀邊界條件下,數(shù)學(xué)模型計算的1958年型千年一遇洪水老灘過流比降低到12%。在河道流量相近條件下,現(xiàn)狀邊界老灘的行洪作用明顯減弱。
4.3 現(xiàn)狀格局灘區(qū)沉沙功能明顯減弱
圖6為不同時期下游灘區(qū)淤積及分布情況,結(jié)合前文水沙變化和工程建設(shè)情況,對各時期灘區(qū)泥沙淤積綜合分析如下。
1950-1964年,灘區(qū)年均淤沙1.99億t,其中老灘淤積1.32億t(占灘區(qū)淤積量的66%)。該時段黃河下游發(fā)生了7場洪峰流量在10 000 m/S以上的洪水,潼關(guān)年均沙量為15.7億t,河道整治工程尚未系統(tǒng)建設(shè),漫灘洪水比較容易遍及整個灘區(qū)??梢钥闯觯摃r期灘區(qū)淤積絕對量較大,且老灘淤積比例也較大,如1958年洪水,楊小寨和高村斷面灘槽同步抬升(見圖7),灘區(qū)沉沙功能顯著。
1965-1973年,灘區(qū)年均淤沙0.38億t,其中老灘淤積0.14億t(占灘區(qū)淤積量的37%)。該時期黃河下游沒有發(fā)生洪峰流量在10 000 m/s以上的洪水,潼關(guān)年均來沙13.7億t.河道整治工程已經(jīng)大規(guī)模系統(tǒng)建設(shè),生產(chǎn)堤長度接近500 km。可以看出,由于沒有大洪水,加上工程控制,因此該時期灘區(qū)淤積絕對量較小,且老灘淤積比也減小。
1974-1985年,灘區(qū)年均淤沙0.74億t.其中老灘淤積0.56億t(占灘區(qū)淤積量的76%)。黃河下游發(fā)生了2場洪峰流量在10 000 m/s以上的洪水,潼關(guān)年均來沙10.7億t.河道整治工程和生產(chǎn)堤情況與上一時段接近??梢钥闯?,由于發(fā)生了2場大洪水,因此雖然有工程控制,但該時期灘區(qū)淤積絕對量比沒有大洪水的上一時期明顯增大,且老灘淤積比也明顯增大。
1986-1999年,灘區(qū)年均淤沙0.25億t,其中老灘淤積0.12億t(占灘區(qū)淤積量的48%);2000-2016年,灘區(qū)年均淤沙0.03億t,老灘基本沒有泥沙淤積。可以看出,1986年以后,在洪水和泥沙均大幅減少的條件下,由于河道整治工程和生產(chǎn)堤控制,因此中小洪水漫灘只能通過生產(chǎn)堤口門側(cè)向進(jìn)入灘區(qū),灘槽水沙交換顯著減弱,灘區(qū)淤積很少。如1996年發(fā)生了洪峰流量為7 860 m/s的洪水,泥沙淤積主要集中在生產(chǎn)堤口門附近約2 km范圍內(nèi)的灘面上,遠(yuǎn)離主槽的灘區(qū)尤其是堤根附近泥沙淤積很少(見圖8)。
4.4 不同水沙條件下灘區(qū)泥沙淤積分析
考慮潼關(guān)年均來沙量3億t、相應(yīng)四站(龍門、華縣、河津、浂頭四站)年均來水242.32億m以及潼關(guān)年均沙量為6億t、相應(yīng)四站年均來水254.63億m兩種水沙條件,計算了水庫正常運用期(不攔沙),下游河道“現(xiàn)狀格局”和“廢除生產(chǎn)堤”兩個方案灘區(qū)的沉沙作用,其中“現(xiàn)狀格局”是指維持下游現(xiàn)有河道整治工程和生產(chǎn)堤。
計算表明,在來沙3億t條件下,兩個方案下游河道50 a內(nèi)基本處于沖淤平衡或略有沖刷狀態(tài),灘區(qū)基本沒有淤積,也就是說灘區(qū)沒有發(fā)揮沉沙作用;來沙6億t條件下,兩個方案下游河道泥沙淤積都接近50億t(年均1億t),灘區(qū)發(fā)生了淤積,也即灘區(qū)發(fā)揮了一定的沉沙作用。下面重點對潼關(guān)年均來沙6億t條件下的灘區(qū)沉沙作用進(jìn)行分析。
圖9為不同治理方案下黃河下游河道50 a內(nèi)沿程累計沖淤情況?!艾F(xiàn)狀格局”方案累計淤積42.74億t,其中灘區(qū)淤沙10.88億t,占總淤積量的26%;“廢除生產(chǎn)堤”方案整個下游河道50 a累計淤積52.54億t.其中灘區(qū)淤沙14.85億t,占總淤積量的28%。與1950-1999年實測灘區(qū)淤積比例為70%相比,受河道控導(dǎo)工程影響,給定水沙系列下下游洪水淤灘能力已經(jīng)降低,兩個方案中灘區(qū)滯沙功能都明顯減弱。進(jìn)一步對比兩個方案灘區(qū)泥沙淤積比例發(fā)現(xiàn),“廢除生產(chǎn)堤”方案僅比“現(xiàn)狀格局”方案高2%.泥沙淤積橫向分布改善并不明顯,幾乎可以忽略。
5 結(jié)論和建議
黃河下游灘區(qū)格局的形成與堤防、河道整治工程和生產(chǎn)堤的發(fā)展歷程息息相關(guān),堤防、河道整治工程、生產(chǎn)堤共同構(gòu)建了灘區(qū)現(xiàn)狀邊界。研究表明,灘區(qū)行洪和沉沙功能變化受水沙條件和灘區(qū)邊界條件變化的共同影響。
實測洪峰流量在10 000 m/s以上的大漫灘洪水發(fā)生次數(shù)大幅減少,加上灘區(qū)阻水建筑物不斷增多,使得現(xiàn)狀灘區(qū)行洪作用與歷史時期相比明顯減弱。對3場不同時期實測漫灘洪水的分析表明,在老灘水深相近的條件下.1958年高村老灘平均流速為0.9 m/s.1982年和1996年只有0.19 m/s,近年漫灘洪水水流速度比1958年顯著減小。1958年高村斷面實測洪峰流量為17 400 m/s時老灘過流比達(dá)27%,但現(xiàn)狀邊界條件下發(fā)生1958年型千年一遇洪水(洪峰流量19 900m/s)的老灘過流比將降低到12%。
受洪水量級和來沙量大幅減小的影響,現(xiàn)狀灘區(qū)沉沙功能與歷史時期相比也顯著減弱。1950-1964年,灘區(qū)年均淤沙1.99億t,其中老灘淤積1.32億t,灘區(qū)發(fā)揮了重要的沉沙作用。1986年以后,在洪水和泥沙均大幅減少的條件下,灘區(qū)泥沙淤積很少,特別是老灘年淤積量僅為0.1億t左右。數(shù)學(xué)模型研究表明,不考慮水庫攔沙,在潼關(guān)年均來沙3億t條件下,未來50a內(nèi)灘區(qū)不發(fā)揮沉沙作用;來沙6億t條件下,未來50a內(nèi)灘區(qū)將發(fā)揮一定的沉沙作用,從灘區(qū)泥沙淤積比例這個關(guān)鍵指標(biāo)看,“廢除生產(chǎn)堤”方案僅比“現(xiàn)狀格局”方案的灘區(qū)泥沙淤積比例高2%??梢姡谖磥砜赡艿乃硹l件下,僅僅通過廢除灘區(qū)生產(chǎn)堤,并不能明顯改善下游河道泥沙淤積的橫向分布。建議依據(jù)未來灘區(qū)行洪和沉沙功能顯著減弱的特點,結(jié)合水沙調(diào)控體系建設(shè)和下游河道治理工程體系建設(shè)實際,統(tǒng)籌灘區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境建設(shè)需求,重新對灘區(qū)行洪和沉沙功能進(jìn)行戰(zhàn)略定位。
參考文獻(xiàn):
[1]黃河防汛抗旱指揮部,黃河防洪方案匯編(2017)[R].鄭州:黃河防汛抗旱指揮部辦公室,2017:6-12.
[2] 水利部黃河水利委員會,黃河下游治理方略專家論壇[M].鄭州:黃河水利出版社,2004:85.
[3]黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,黃河未來水沙情勢變化及水沙過程設(shè)計[R].鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,2014:95.