張防修　史玉品　畢桂真　王明

摘要：針對黃河下游寬河治理的現(xiàn)狀方案和窄河治理的防護堤方案，采用一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型，對設(shè)計年均來沙分別為3億、6億t和8億t的3組系列年水沙情景開展了計算。結(jié)果表明：年均來沙3億t情景下，兩種方案黃河下游均表現(xiàn)為微沖，沖刷量分年、分灘槽、分河段都差別較小，第50 a末兩種方案的最小平灘流量為4 019-4 067 m³/s;年均來沙6億t情景下，兩種方案黃河下游均表現(xiàn)為淤積，防護堤方案在全下游減淤15.78%，減淤主要發(fā)生在花園口一艾山河段，其中花園口一高村、高村一艾山分別減淤22.53%、23.45%.艾山一利津河段稍有增淤，第50 a末黃河下游最小平灘流量為2 389-2 608 m³/s;年均來沙8億t情景下，兩種方案黃河下游淤積量都較大，防護堤方案在全下游減淤16. 78%，在鐵謝一花園口、花園口一高村、高村一艾山河段分別減淤18.40%、20.83%、21. 85%，艾利河段增淤4.99%，至第50 a末黃河下游最小平灘流量為2 058-2 420 m³/s，兩種治理方案對西河口以下河長的延長值影響不是太大。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型;河道沖淤;平灘流量;治理方案;黃河下游

中圖分類號：TV62;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.008

黃河干流河道自河南省孟津縣白鶴鎮(zhèn)由山區(qū)進入平原，于山東墾利縣注入渤海，全長878 km，平面上具有上寬下窄的特點。艾山以上寬河段河寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般河道，大部分在5 km以上，最寬處達(dá)到24 km[l]。黃河下游灘區(qū)既是河道行洪區(qū)的組成部分，也是灘區(qū)人民生產(chǎn)生活的基地，同時承擔(dān)著黃河防洪減災(zāi)的重大壓力。從有歷史記載以來，黃河治理就備受關(guān)注，對于黃河下游的治理主要有兩種策略：“寬河固堤”與“束水攻沙”。前者的核心思想是保持較寬的堤距，充分利用下游廣闊的灘地滯洪沉沙，減輕洪水對堤防的壓力;后者的關(guān)鍵在于利用工程措施縮窄河道，穩(wěn)定主槽，以期通過增大河槽流速提高水流挾沙能力，減緩河道淤積[2]。人民治黃以來，在“寬河固堤”方略指導(dǎo)下，逐步探索形成了“上攔下排、兩岸分滯”的洪水應(yīng)對思路以及“攔、排、調(diào)、放、挖”的泥沙綜合處理措施。同時，結(jié)合小浪底水庫運用和下游河道整治工程建設(shè)等措施，構(gòu)建了黃河下游防洪工程體系，確保了下游河道70余a的安瀾[3-4]。黃河下游治理方略也一直伴隨著社會進步而發(fā)展，隨著社會經(jīng)濟的整體進步和黃河治理的全面推進，灘區(qū)可持續(xù)發(fā)展與防洪之間的矛盾日益突出，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究工作，取得了較多的研究成果[5-9]。目前的黃河水沙情勢與以往時期相比已經(jīng)發(fā)生了較大變化，這些變化是改變?yōu)﹨^(qū)現(xiàn)有治理方略的前提[10]。因此，本文主要針對黃河下游灘區(qū)現(xiàn)狀地形條件下破除生產(chǎn)堤（即現(xiàn)狀方案）和修建防護堤（即防護堤方案）兩種治理方案，采用水沙數(shù)學(xué)模型定量計算黃河下游年均來沙分別為3億、6億、8億t情景（簡稱為3億t情景、6億t情景、8億t情景）下黃河下游未來50 a的河道沖淤規(guī)律，以期為開展下游灘區(qū)治理提供參考。

1 治理方案及設(shè)計系列年水沙情景

1.1 治理方案

綜合考慮排洪輸沙、河道整治、灘區(qū)面積和灘區(qū)人口分布等情況，防護堤堤線布置原則為：堅持有利于輸沙的原則，堤線布置應(yīng)力求平順，不采用折線或急彎;保持上下游河寬漸變，避免相鄰斷面堤距忽寬忽窄;充分利用控導(dǎo)工程，同時有利于工程搶險和管理：防護堤應(yīng)布置在占壓耕地少、搬遷人口少的地帶，盡可能與現(xiàn)狀生產(chǎn)堤結(jié)合：堤線距黃河大堤原則上不小于1.0 km;防護堤布置應(yīng)兼顧兩岸利益。圖1為夾河灘斷面防護堤設(shè)置，防護堤在2013年汛前實測大斷面基礎(chǔ)上布置，設(shè)置后對主槽地形沒有影響，同時縮窄了灘地過水面積?，F(xiàn)狀方案和防護堤方案的堤距見表1。

1.2 設(shè)計系列年水沙情景

設(shè)計系列年水沙情景采用黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司的研究成果，見表2。

3億t情景：進入21世紀(jì)以來，黃河流域下墊面條件發(fā)生了明顯變化，黃河水沙量也隨之發(fā)生變化.2000-2012年四站（龍門、華縣、河津、漱頭）年均來沙量為2.96億t，年均來水量為244億m³，該時段黃河來水來沙過程體現(xiàn)了近一時期人類活動及下墊面的影響，故選用2000-2012年實測13 a水沙系列連續(xù)循環(huán)3次+2001-2011年組成的50 a系列作為人黃水沙代表系列。

年均來沙6億、8億t情景：考慮不同情景方案水利水保措施減沙作用對減水的影響，在設(shè)計水平年水沙條件中選取1956-1999年+1977-1982年50 a系列作為人黃水沙代表系列，兩個系列中四站來水量分別為259億、269億m³。

按照3種情景50 a設(shè)計水沙代表系列，經(jīng)黃河中游水庫群（古賢、三門峽、小浪底水庫）的水沙聯(lián)合調(diào)節(jié)及四站至潼關(guān)河段輸沙量計算，得到進入下游的水沙過程。中游水庫群考慮待建的古賢水利樞紐工程，中游水庫群的水沙聯(lián)合調(diào)節(jié)均不考慮水庫的攔沙作用（即水庫處于正常運用期）。

計算引水采用黃委批準(zhǔn)的黃河取水許可證中逐河段的計劃逐月引水過程，引沙量通過分河段引水流量結(jié)合干流斷面含沙量進行計算。

2 計算結(jié)果分析

2.1 黃河下游沖淤影響分析

2.1.1 3億t情景

由表3可知，兩種治理方案整體表現(xiàn)為微沖，現(xiàn)狀方案全下游沖刷0.26億t，防護堤方案沖刷0.63億t，防護堤方案多沖刷0.37億t。

（1）分河段沖淤量。鐵謝一花園口河段現(xiàn)狀方案與防護堤方案均為沖刷且沖刷量一致，均為1.74億t：花園口一高村河段現(xiàn)狀方案沖刷0.66億t，防護堤方案沖刷0.73億t，防護堤方案多沖刷0.07億t;高村一艾山河段現(xiàn)狀方案淤積2.01億t，防護堤方案淤積1.81億t，防護堤方案減淤0.20億t;艾山一利津河段，現(xiàn)狀方案淤積0.13億t，防護堤方案淤積0.03億t，防護堤方案減淤0.10億t。

（2）全下游分灘槽沖淤量。兩方案主槽均為沖刷，灘地均為淤積?，F(xiàn)狀方案主槽沖刷1.11億t，灘地淤積0.85億t;防護堤方案主槽沖刷1.30億t，灘地淤積0.67億t。防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多沖刷0.19億t，灘地少淤積0.18億t。

（3）分河段、分灘槽沖淤量。鐵謝一花園口河段沒有漫灘發(fā)生，沖淤均發(fā)生在主槽;花園口一高村河段現(xiàn)狀方案主槽沖刷0.70億t、灘地淤積0.04億t，防護堤方案主槽沖刷0.75億t、灘地淤積0.02億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多沖刷0.05億t、灘地少淤積0.02億t;高村一艾山河段現(xiàn)狀方案主槽淤積1.42億t、灘地淤積0.59億t，防護堤方案主槽淤積1.33億t、灘地淤積0.48億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案少淤積0.09億t、灘地少淤積0. 11億t;艾山一利津河段現(xiàn)狀方案主槽沖刷0.09億t、灘地淤積0.22億t，防護堤方案主槽沖刷0.14億t、灘地淤積0.17億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多沖刷0.05億t、灘地少淤積0.05億t。

（4）全下游累計沖淤量。由圖2可知，兩方案累計沖淤量變化趨勢基本一致，計算年內(nèi)沖淤量隨年來水來沙量的不同而變化，第1-13 a、第14 - 26 a、第27-39 a設(shè)計原型為實測13 a水沙系列連續(xù)循環(huán)3次，這3個時段的變化趨勢都是先淤積后沖刷。計算至第11 a累計最大淤積量5.48億t.至第39 a現(xiàn)狀方案累計沖刷量最大為3.37億t，防護堤方案累計沖刷量最大為3.61億t。

（5）分河段累計沖淤量。由圖3-圖6可知，鐵謝一花園口河段現(xiàn)狀方案與防護堤方案累計沖淤量一致，其余各河段兩種治理方案累計淤積量比較一致，并隨年來水來沙量的不同而變化，特別是對于第1- 13a、第14- 26 a、第27-39 a這3個時段的變化趨勢都是先淤積后沖刷。

（6）最小平灘流量變化。由圖7可知，在前35 a兩方案最小平灘流量變化趨勢和數(shù)值比較一致，其變化與艾山斷面前后河段的沖淤趨勢一致：第36-50 a兩方案變化趨勢一致，但數(shù)值稍有差別。到第50 a，現(xiàn)狀方案最小平灘流量為4 019 m³/s，防護堤方案計算最小平灘流量為4 067 m³/s。

結(jié)合3億t情景下的洪水過程（見圖8），計算系列中小黑武（小浪底、黑石關(guān)、武陟）共發(fā)生兩次大流量過程，在第25 a、第38 a小黑武最大流量為6 569 m³/s，其余年份汛期調(diào)控出庫流量為4 000 m3/s左右，非汛期泄放400 - 800 m³/S的恒定流量過程。考慮沿程引水及河道蒸發(fā)、下滲損失，整個系列洪水過程以在主槽行洪為主，隨著下游河道主槽淤積，平灘流量變小，個別斷面會發(fā)生洪水上灘現(xiàn)象。因此，3億t情景下兩種治理方案的差別并不明顯。

2.1.2 6億t情景

由表4可知.6億t情景下兩種治理方案在黃河下游均表現(xiàn)為淤積，現(xiàn)狀方案在全下游淤積52.55億t.防護堤方案淤積44. 24億t，防護堤方案少淤積8.31億t。

（1）分河段沖淤量。鐵謝一花園口河段現(xiàn)狀方案淤積8.02億t，防護堤方案淤積7.83億t，防護堤方案減淤0.19億t：花園口一高村河段現(xiàn)狀方案淤積23.12億t.防護堤方案淤積17.91億t，防護堤方案減淤5.21億t;高村一艾山河段現(xiàn)狀方案淤積13.52億t，防護堤方案淤積10.36億t，防護堤方案減淤3.16億t;艾山一利津河段現(xiàn)狀方案淤積7.89億t，防護堤方案淤積8.14億t，防護堤方案增淤0.25億t。

（2）全下游分灘槽沖淤量。兩方案計算灘槽均為淤積?，F(xiàn)狀方案主槽淤積37.70億t，灘地淤積14. 85億t：防護堤方案主槽淤積33.02億t，灘地淤積11.22億t。防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積4.68億t，灘地少淤積3.63億t。

（3）分河段、分灘槽沖淤量。鐵謝一花園口河段現(xiàn)狀方案主槽淤積4.81億t、灘地淤積3.21億t，防護堤方案主槽淤積4.86億t、灘地淤積2.97億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多淤積0.05億t、灘地少淤積0.24億t;花園口一高村河段現(xiàn)狀方案主槽淤積16.88億t、灘地淤積6.24億t，防護堤方案主槽淤積13.85億t、灘地淤積4.06億t.防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積3.03億t、灘地少淤積2.18億t;高村一艾山河段現(xiàn)狀方案主槽淤積9.72億t、灘地淤積3.80億t，防護堤方案主槽淤積7.81億t、灘地淤積2.55億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積1. 91億t、灘地少淤積1.25億t;艾山一利津河段現(xiàn)狀方案主槽淤積6.29億t、灘地淤積1.60億t，防護堤方案主槽淤積6.50億t、灘地淤積1.64億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多淤積0.21億t、灘地多淤積0.04億t。

（4）全下游累計沖淤量。由圖9可知，兩方案累計沖淤量變化趨勢基本一致，計算年內(nèi)沖淤量隨年來水來沙量的不同而變化，前20 a兩方案計算的累計沖淤過程接近，第20 a以后隨著沖淤發(fā)展及河床邊界調(diào)整，防護堤方案累計沖淤過程比現(xiàn)狀方案整體偏小。第50 a末現(xiàn)狀方案淤積52.55億t.防護堤方案淤積44.24億t。

（5）分河段累計沖淤量。由圖10 -圖13可知，鐵謝一花園口河段兩方案計算累計沖淤量過程比較接近，主要是受該河段地形的影響，該河段平灘流量約為6 800 m³/S.即使考慮主槽淤積的影響，計算方案來水除個別年份可能發(fā)生漫灘外，絕大部分年份洪水在主槽行洪，防護堤的布設(shè)對洪水演進及河道沖淤過程影響較小;花園口一高村河段、高村一艾山河段受防護堤布設(shè)影響較大（灘地寬度由原來的6 km左右變?yōu)榉雷o堤方案的3 km左右），防護堤方案在第20 a以后減淤效果較明顯，至第50 a末防護堤方案分別減淤5.21億、3.16億t;艾山一利津河段累計沖淤過程除了受地形邊界影響外（前期地形的沖淤），進入艾山斷面的水沙過程也影響了該河段的沖淤，考慮沿程的引水及河道蒸發(fā)、下滲損失，兩方案進入艾山的水量、沙量差別不大，兩種方案累計淤積過程發(fā)展趨勢一致。

（6）最小平灘流量變化。由圖14可知，防護堤方案在黃河下游最小平灘流量變化過程比同期現(xiàn)狀方案稍小，到第50 a末，現(xiàn)狀方案最小平灘流量為2 389m3/s，防護堤方案最小平灘流量為2 608 m3/s。這與3億t情景下計算的黃河下游持續(xù)淤積趨勢是一致的。

按照6億t情景方案洪水過程，在第3a、第22 a、第27 a、第45 a、第50 a小黑武最大流量分別為8 000.0、7 335.7、6 472.4、7 395.7、7 615.6 m³/s，其余年份汛期調(diào)控出庫流量為4 000 m³/s左右，非汛期泄放400 - 800 m³/s的恒定流量過程，系列年中有較多年份發(fā)生漫灘，灘地持續(xù)淤積。從計算結(jié)果看，防護堤方案在全下游減淤15.78%，其中鐵謝一花園口、花園口一高村、高村一艾山分別減淤2.25%、22.53%、23.45%，艾山一利津河段增淤3.17%。至第50 a末，防護堤方案最小平灘流量比現(xiàn)狀方案大219 m³/s。

2.1.3 8億t情景

由表5可知，此情景下第50 a末兩種方案在黃河下游均表現(xiàn)為淤積，現(xiàn)狀方案在全下游淤積83.80億t，防護堤方案淤積69.74億t，防護堤方案少淤積14.06億t。

（1）分河段沖淤量。鐵謝一花園口河段現(xiàn)狀方案淤積13.04億t，防護堤方案淤積10.63億t，防護堤方案減淤2. 41億t：花園口一高村河段現(xiàn)狀方案淤積35.43億t，防護堤方案淤積28.05億t，防護堤方案減淤7.38億t;高村一艾山河段現(xiàn)狀方案淤積22.52億t，防護堤方案淤積17.60億t，防護堤方案減淤4.92億t;艾山一利津河段現(xiàn)狀方案淤積12.81億t，防護堤方案淤積13.46億t，防護堤方案增淤0.65億t。

（2）全下游分灘槽沖淤量。兩方案灘槽均為淤積，現(xiàn)狀方案主槽淤積57.36億t、灘地淤積26.44億t，防護堤方案主槽淤積50.48億t、灘地淤積19.26億t。防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積6.88億t，灘地少淤積7.18億t。

（3）分河段、分灘槽沖淤量。鐵謝一花園口河段現(xiàn)狀方案主槽淤積7.29億t、灘地淤積5.75億t，防護堤方案主槽淤積6.59億t、灘地淤積4.04億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積0.70億t、灘地少淤積1.71億t;花園口一高村河段現(xiàn)狀方案主槽淤積25.08億t、灘地淤積10.35億t，防護堤方案主槽淤積20.82億t、灘地淤積7.23億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積4.26億t、灘地少淤積3.12億t;高村一艾山河段現(xiàn)狀方案主槽淤積14.75億t、灘地淤積7.76億t，防護堤方案主槽淤積12.36億t、灘地淤積5.24億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽少淤積2.39億t、灘地少淤積2.53億t;艾山一利津河段現(xiàn)狀方案主槽淤積10.24億t、灘地淤積2.58億t，防護堤方案主槽淤積10.71億t，灘地淤積2.75億t，防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多淤積0.47億t、灘地多淤積0.17億t。

（4）全下游累計沖淤量。由圖15可知，兩方案累計沖淤量變化趨勢基本一致，年內(nèi)沖淤量隨年來水來沙量的不同而變化，前15 a兩方案計算的累計沖淤量接近，第15 a以后隨著沖淤發(fā)展及河床邊界調(diào)整，防護堤方案累計沖淤量比現(xiàn)狀方案整體偏小。至第50 a末，現(xiàn)狀方案淤積83.80億t，防護堤方案淤積69.74億t。

（5）分河段累計沖淤量。由圖16 -圖19可知，鐵謝一花園口河段，前25 a兩方案累計沖淤量基本一致，現(xiàn)狀方案累計淤積7.73億t，防護堤方案淤積7.42億t。第26 a-第50 a現(xiàn)狀方案比防護堤方案淤積速度快，主要原因是現(xiàn)狀方案在花園口以下河段淤積較防護堤方案多，現(xiàn)狀方案花園口以下河段平灘流量比防護堤方案要小，在水沙條件變化不大的情況，現(xiàn)狀方案洪水壅水位偏高，淤積量相對較大：花園口一高村河段、高村一艾山河段受防護堤布設(shè)影響較大，防護堤方案在第15 a以后減淤效果較明顯，至第50 a末，防護堤方案分別減淤7.38億、4.92億t;艾山一利津河段累計沖淤過程除了受地形邊界影響外，進入艾山斷面的水沙過程也影響了該河段的沖淤?？紤]沿程引水及河道蒸發(fā)、下滲損失，兩方案進入艾山的水量基本一致，扣除引沙及上游河道的沖淤，兩方案進入艾山的沙量現(xiàn)狀方案要比防護堤方案稍小，防護堤方案淤積量較現(xiàn)狀方案偏大，至第50 a末防護堤方案在該河段增淤0.64億t。

（6）最小平灘流量變化。由圖20可知，防護堤方案最小平灘流量比同期現(xiàn)狀方案的稍大，現(xiàn)狀方案在第48 a的最小平灘流量為1 979 m³/s.防護堤方案在第49 a計算最小平灘流量為2 220 m³/S。到第50 a末，現(xiàn)狀方案最小平灘流量為2 058 m³/s.防護堤方案最小平灘流量為2 420 m³/s。

按照8億t情景方案洪水過程，在第3a、第22 a、第27 a、第34 a、第45 a、第50 a小黑武最大流量分別為8 000.0、7 585.9、7 615.6、8 000.0、6 333.1、6 472.4m³/s，其余年份汛期調(diào)控出庫流量為4 000 m³/s左右，非汛期泄放400 - 800 m3/s的恒定流量過程，系列年中有較多年份發(fā)生漫灘，灘地持續(xù)淤積。從計算結(jié)果看，防護堤方案在全下游減淤16. 78%，其中鐵謝一花園口、花園口一高村、高村一艾山分別減淤18.4%、20.83%、21.85%，艾山一利津河段增淤4.99%。至第50 a末，防護堤方案最小平灘流量比現(xiàn)狀方案大362m³/s。

2.2 河口沖淤影響分析

2.2.1 利津一清6沖淤量分析

計算出3種來沙情景經(jīng)過利津水文站的水沙過程，建立利津一清6水沙動力學(xué)模型，分別計算了3種情景下該河段的沖淤量。由圖21-圖23可知，3億t情景下兩種方案經(jīng)利津斷面進入河口的水沙過程基本一致，沖淤量差別也較小，至第50 a末，現(xiàn)狀方案、防護堤方案分別淤積1.282億、1.284億t，防護堤方案多淤積0.02億t;6億t情景方案至第50 a末，現(xiàn)狀方案、防護堤方案分別淤積2.410億、2.637億t，防護堤方案多淤積0.227億t;8億t情景至第50 a末，現(xiàn)狀方案、防護堤方案分別淤積2.888億、3.379億t，防護堤方案多淤積0.491億t。

2.2.2 西河口以下河長延長分析

根據(jù)對河口海域地形及淤積物分布的分析，模型計算時淤積延伸平均寬度取60 km，濱海區(qū)平均水深取10 m，泥沙淤沙比例取0.8，出口斷面水位恒定為平均潮位，即大沽高程1.484 m，計算西河口以下河段的延長值。由表7可知，現(xiàn)狀治理方案和防護堤治理方案的西河口以下河長均呈延伸的態(tài)勢，3億t情景下防護堤方案與現(xiàn)狀方案的河長延長值差別不大，防護堤方案多延長0.02 km;6億、8億t情景下防護堤方案分別多延長0.90、1.44 km。

3 結(jié)論

（1）3億t情景下，下游河道接近沖淤平衡或微沖，兩種方案分年、分灘槽、分河段沖淤量都差別不大，至50 a末防護堤方案比現(xiàn)狀方案主槽多沖刷0.19億t，灘地少淤積0.18億t。第50 a末兩種方案平灘流量差別不大，最小平灘流量為4019 -4 067 m³/s，

（2）6億t情景下，兩種方案在黃河下游均為淤積，防護堤方案在全下游減淤15.78%，減淤主要在花園口一艾山河段，其中花園口一高村、高村一艾山分別減淤22. 53%、23. 45%，艾山一利津河段增淤3.17%。至第50 a末，黃河下游最小平灘流量為2 389 -2 608m³/s，防護堤方案最小平灘流量比現(xiàn)狀方案大219m³/s。

（3）8億t情景下，兩種方案在黃河下游均為淤積，防護堤方案在全下游減淤16.78%.減淤主要在鐵謝一艾山河段，其中鐵謝一花園口、花園口一高村、高村一艾山河段分別減淤18.40%、20. 83%、21. 85%，艾山一利津河段增淤4.99%。至第50 a末，黃河下游最小平灘流量為2058 -2 420 m³/s.防護堤方案最小平灘流量比現(xiàn)狀方案大362 m3/s。

（4）兩種治理方案對河口的影響差別不是太大，8億t情景下防護堤方案比現(xiàn)狀方案西河口以下河長延長值大出最多，為1.44 km。

計算結(jié)果受地形條件、水沙搭配、懸沙級配、引水引沙等因素影響，研究采用的3種情景中設(shè)計洪水的最大流量為8 000 m³/s，為進一步論證現(xiàn)狀寬河治理和防護堤窄河治理兩種模式的差異，還需要結(jié)合場次大洪水計算結(jié)果進行綜合比較分析。

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