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黄河下游滩区治理的最佳方案(齐璞)
http://www.irtces.org    2009年6月1日09:26    作者:齐璞
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齐 璞(黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003)

提要:经过多年的研究,黄河大洪水发生的机会大幅度减少,下游河道具有极强的泄洪输沙能力,刷槽和淤滩没有必然的联系。为了保持洪水的造床和输沙入海的能力,不需要宽河消峰;小浪底水库投入运用以后,下游河道均发生了冲刷,但是夹河滩以上河道依然宽浅散乱,急需双岸整治,形成稳定的窄深河槽;通过小浪底水库泥沙多年调节优化后水沙组合,将泥沙调节到洪水期输送,可以控制主槽不抬高。主槽过流能力增大了,漫滩机会减少了,滩区问题才能得到合理的解决。



    黄河下游滩区治理不是一个孤立的问题,解决下游滩区问题必须从黄河的治理总体出发。近年来对黄河窄深河槽泄洪输沙规律新认识,为黄河下游河道的治理指明方向。
    1.黄河来水来沙条件变化与治理的新任务
    华北地区的河流相继都变成干河,只偶尔才有洪水下泄,黄河流域也属干旱地区,水库大量兴建与水土保持、灌溉的发展,已使黄河实测洪水大幅度减小。
    干流上已有的大型水利枢纽达十几座,仅龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底四库防洪库容就达156.2亿m3(相当黄河千年一遇洪水12天的总量),在主要支流上也兴建许多大型水库,如伊河陆浑、洛河故县水库,防洪库容分别为6.77亿m3和 6.98亿m3。千年一遇洪水花园口站洪峰流量由42300m3/s降为22500m3/s;百年一遇洪水的洪峰流量由29200 m3/s降为15700m3/s;若发生1958年的22300m3/s洪水花园口站洪峰流量将降为9620m3/s;自1982年发生15300m3/s大洪水以来,近30年来花园口站洪峰流量没有大于8100m3/s,洪水已经得到有效控制,大洪水发生的机会大幅度减少。
    由于龙羊峡、刘家峡水库的联合运用及工农业用水的增长,汛期进入下游的水量大幅度减少,洪峰流量的减小,洪水造床作用减弱,水少沙多的矛盾更加突出。
    黄河干支流上已有的大型水利枢纽,为了兴利要多年调节,使丰水年的水量大幅度减小,一般洪水的洪峰、洪量也变少。水库的防洪运用,消峰淤沙作用已代替天然洪水漫滩后滞洪,滞沙作用,洪水漫滩机会也会大量减少。黄河今后水沙发生的变化,使得应用上世纪50,60年代的洪水资料分析得出认识,对今后黄河下游河道的演变研究及治理意义不大。但应充分考虑以下条件:
    (1)目前黄河下游河道不是一条自然的宽河,居住181万人,359万亩耕地,生产堤的存在与不能破除已使黄河下游河道已变成了“窄河”。
    (2)造成下游滩区主要问题的根本原因是河槽不断的淤积,河床逐年的抬高,平滩流量不断的减小,与游荡型河道宽浅散乱,才产生诸多防洪问题。
    保持洪水的造床和输沙入海的能力,充分利用下游河道在洪水期的输沙潜力多输沙入海。主槽过流能力增大了,洪水漫滩机会减少了,将来的黄河下游河道一般不需要宽河削峰。因为黄河山东河道设计的泄洪能力为10000m3/s, 
    总上所述,大洪水发生的机会大幅度减少是不可逆转的,但黄河进入下游的水沙条件应通过小浪底水库泥沙多年调节优化,相机利用洪水排沙,为利用窄深河槽极强的泄洪能力创造了条件。
    2.黄河下游河道具有极强的泄洪输沙能力
    由于黄河下游河道比降陡,有万分之一到万分之二,流速可以达到三到四每秒米,且在涨水期河床不断冲刷,水深迅速增大,最大洪峰时河床最低,过流能力最大;与淮河泄洪河道比降三万分之一的情况不同。王化云主任在世的时就多次说过,黄河的洪水峰高量小,河道比降大,排洪能力强。所以利用河道排洪输沙入海的潜力是非常大的。
    (1)黄河下游河道具有极强的泄洪能力[1]
    河道比降万分之二的花园口站:在1977年经过7月和8月两场高含沙洪水塑造,8月8日实测主槽宽467m、483m,相应水深为5.4m,5.3m,平均流速3.85 m/s、3.73m/s,流量达8980m3/s和9540m3/s。
    河道比降万分之一的艾山站:在1958年7月21日、22日,在河宽476m、468m,平均水深8.9m和10.6m的条件下,分别下泄12300m3/s和12500m3/s洪水;泺口水文站在1958年7月22日、23日,主槽宽295m,平均水深10.6m和13.1m的条件下,通过的洪峰流量分别为10100m3/s和11100m3/s。由此表明,主槽的过流能力很大,只要能保持较大的水深,泄洪要求的河宽并不是很大。
    (2)窄深河槽具有极大的输沙潜力[2]
    对高含沙水流而言,因黄河泥沙组成细,含沙量增高后流体的黏性增大,适宜输送的含沙量不是低含沙量,而是含沙量大于200kg/m3以上,800kg/m3以下的高含沙水流。而窄深河床对水流的阻力并没有增加所致,仍可利用曼宁公式进行水力计算。以往造成高含沙洪水在黄河下游河道严重淤积,在输送中产生异常现象的主要原因是高村以上游荡性河道的河槽极为宽浅所致。
    黄河下游等河道,没有因比降的沿程变缓而使水流的流速降低,而是比降变缓,河宽减小,水深增加,从而使流速沿程增大,维持输沙平衡, 因此洪水在几百千米、甚至上千千米长,比降变化相差甚至十倍(万分之六至万分之零点六)的冲积河道均可产生强烈冲刷
    3.刷槽和淤滩没有必然的联系
     “淤滩刷槽”在黄河技术干部中是广为流传的,很少有人怀疑。然而如果仔细推敲还真有问题。
    一场大洪水过后,滩地大量淤积,主槽强烈冲刷,从表面看似乎它们之间有关联,但通过对河槽冲刷过程的分析,则会发现河槽冲刷发生在涨水期,而在落水期,不管高、低含沙洪水主槽都是淤积,甚至在比降变幅相差十倍的情况下也是如此。
    洪水“涨冲落淤”的输沙特性。早在1922年美国水利工程师费礼门[3],根据京杭运河与黄河汇口石洼、位山、姜沟三处洪水期,洪峰流量8000~10000m3/s,最大含沙量9%~10%(重量比),实测河道断面在涨水期能自行刷深,落水期河床不断淤高的情况。钱宁在黄河下游河床演变一书中根据大量的实测资料[4],也发现洪水具有“涨冲落淤”的输沙特性,秦厂水文站1954年洪水期河床冲淤与洪水过程中“涨冲落淤”的对应关系; 1959年花园口水文站在汛期6场洪水,其中包括平均含沙量169kg/m3的高含沙洪水,涨水时主槽河床均冲刷,落水主槽河床均淤积的情况。
    主河槽的冲刷主要发生在涨水期,在落水期不管含沙量大小,均处于淤积状态。由于涨水期的冲刷深度往往大于落水期的淤积厚度,因此洪水期河床呈现冲刷状态。1958年大水时,花园口、泺口两站断面实测资料(见图1)表明,大水过程中河槽涨冲落淤。涨水期平均河底高程和最低河底高程均在降低,洪峰的时候河底高程达到最低。泄洪能力的增加主要是靠河床冲刷、水深增大实现的。

    洪水漫滩以后,由于滩地糙率增大,水流缓慢,因此泥沙在滩地发生沉积,漫滩清水只有在落水时才能够在下游险工的上首回归主槽,退水过程比较缓慢,流量相对较小,改变不了落水时河槽的淤积状态。误认为漫滩清水在落水期回归主槽造成刷槽的假说是不能成立的。
    从动床模型试验也证明了,洪水漫滩后,由于产生了自然堤,就阻断了滩槽水流的交换;水槽复式断面试验的结果发现,水流漫滩了以后,滩槽水流的能量交换,使主槽的流速反而降低;如果洪水不漫滩,主槽会发生更强烈的冲刷。
    “二级悬河”产生的原因主要是小水挟沙过多,河道又不能摆动造成的。“二级悬河”与“一级悬河”产生的原因是相同的。
    破除生产堤,既不利于滩区群众的生产、生活,也不利于黄河输沙入海,更没有必要利用滩区政策补偿来推动破除生产堤。治河部门主要的任务是把河道治理好,把河槽的过洪能力增大,让它少漫滩,少扰民。
    1974年国务院27号文件认为,生产堤阻了水,影响了滩槽水流交换,加重了河槽的淤积。现在看30年前这个文件,当时的论证是粗糙的,没有详细分析河槽的冲刷究竟是在什么时期。若没有这个文件的影响,2003年汛期蔡集出险不会造成这么严重淹没损失。为了有利于推动下游游荡型河道治理,建议废止关于破除生产堤的决定。按照以人为本的国策,该文件已经不符合时代发展的要求,当今的政府和滩区的181万的群众都希望有一个安定的生产、生活环境。我们要千方百计创造这个条件,这是治黄者的主要责任。
    4.三门峡水库近年平水发电,利用洪水排沙的经验,为小浪底水库泥沙多年
    调节,相机利用洪水排沙,优化来水来沙条件提供了科学根据,
    在“拦、排、调、放、挖”,以调为核心的治河方略,优化水沙搭配。可以要增加洪水的造床和输沙作用,只有把泥沙调到洪水期输送才能充分利用下游窄深河道“多来多排”的输沙规律多输沙入海;只有把泥沙调节成含沙量较高时输送才能节省输沙用水。
    小浪底水库进行泥沙多年调节运用,会有更多的泥沙调节到洪水期输送,远大于三门峡水库的调节作用,为进一步整治游荡性河道创造了条件。
    在黄河“八五”攻关中,首次对小浪底水库泥沙多年调节[6],利用洪水排沙,制定了水库运用原则,并对方案进行了详细的计算。因此,小浪底水库的运用方式由初期的削减高含沙洪水发展到利用洪水排沙。以后,在水规总院的支持下,对小浪底水库的泥沙多年调节方式,又做了四年的工作[8]。
    在洪水期水库主动泄空,库水位迅速大幅降低,随着主槽强烈冲刷,河床高程降低,滩槽高差的增大,土体荷重增加。随之土体内发生超孔隙水压力,引发土体向主槽坍塌,为利用洪水排沙,高含沙水流形成创造了有利条件[11]。
    小浪底水利枢纽的设计防洪库容40.5亿m3,相应的防洪限制水位为254m。水库调水调沙可控制在库水位为200~254m进行。小浪底水利枢纽运用从1997年10月截流,其中1999年10月至2007年10月,小浪底库区淤积量为24亿m3,表明水库仍处于拦沙运用初期。
    衡量水库调水调沙运用方式的优劣主要标准有二条,其一是有多少泥沙能够调到洪水期输送,其二是有多少水量通过水库的调节得到利用。
    由小浪底水库分析计算结果可知,水库的淤积量大于30亿m3后,才能利用洪水冲刷排沙。相同的来水来沙条件,库区淤积量小,水库冲刷机会多,但冲刷效率低;当首次起冲量大时,库区淤积量多,冲刷效率高,但冲刷机会少,两者综合作用的结果,看不出优劣。同样的来水条件和库区泄空水位,水库淤积量大时,冲刷效率高,出库的含沙量大。通过对小浪底水库泥沙多年调节系列年的计算,可以使更多(70%-90%)的泥沙调节到洪水期输送。进入下游的水沙为供兴利的清水流和挟带泥沙的洪水,由水库主动空库泄洪排沙,淤土滑塌所形成的调沙库容可以长期重复使用,为保证黄河下游河槽长期不淤创造了有利的来水来沙条件。
    5.游荡河段的整治任务是稳定主槽
    黄河下游游荡型河道,由于它宽浅散乱,从防洪、高含沙量洪水输沙来说都需要,形成一个稳定、窄深河槽。只有稳定主槽形成窄深河槽才能保证防洪的安全;只有形成窄深河槽才能提高河道的输沙能力,充分利用下游河道在洪水期的输沙潜力多输沙入海,把游荡性河道改造成窄深、归顺、稳定的高效排洪输沙通道,既保护了滩区,也提高了河道的输沙能力,一举两得。
    治河就应该把形成中水河槽作为首要任务,在以往的治黄当中忽略了这点。李国英主任当任后,就提出了塑造中水河槽的问题,提出了“稳定主槽、调水调沙”的治河方略,抓到了游荡型河道宽浅散乱,产生诸多防洪问题和输沙能力低的根本。有于具有比降陡、河槽不稳定的特性,不同水沙条件下河槽形态的变化是相互制约,相互破坏的,如汛期变窄深,非汛期变宽浅、高含沙洪水塑造的窄深河槽,在其它水沙作用下遭到破坏,游荡性河道河槽总是宽浅形态。游荡性河流就像在比降陡的地形条件下没有兴建跌水的不稳定渠道。为此游荡性河道需进行双岸整治,是稳定主槽的技术措施,治理目标是形成窄槽宽滩,窄槽用于排洪输沙,宽滩用于大洪水时滞洪削峰。如果要使排沙流量3000 m3/s时河槽不淤,下游游荡河道整治河宽是600m。将来小浪底水库的调水调沙利用洪水输送泥沙时,不会对山东河道产生负面影响。
    在水利部科技司和李主任的支持下,对双岸整治做了深入的研究,也做了模型试验,进行双岸整治以后,一旦形成窄深河道,平滩流量会迅速的增加,由初期的3000 m3/s增加到6000m3/s,前景很诱人。所以双岸整治对于解决黄河下游的洪水泥沙问题和滩区问题意义非常重大,希望能够进行试点。
    6.实现黄河下游河床不抬高的可能性
    黄河下游河床不淤高是不是有可能?关于黄河河床不抬高,是汪部长在2001年我们在搞黄河治理新思路的时候提出的。根据小浪底水库投入运用以后,水沙条件可以控制的情况下,黄河下游河床是有可能不抬高的。
    改变进入下游的水沙搭配是治理下游的前提,其作用往往不引人重视,如三门峡水库的“蓄清排浑”运用避免了非汛期小水挟沙后淤槽,有利于中水河槽的形成。三门峡水库从1973年开始蓄清排浑运用,利用潼关以下槽库容进行调沙,虽然仍有不尽人意的小水排沙的情况发生,但对黄河下游河道仍有明显的减淤作用,使得花园口以上河道基本不淤。图2给出黄河下游4个河段1950年至2007年断面法累计冲淤量的变化过程表明,在1950-1960年的天然情况下,花园口以上100km长的河道的淤积量与花园口至高村200km长的河道;高村至艾山197km长河道淤积量相当。但1960年以后至2000年小浪底水库投入运用前40年间花


    园口以上河道基本不淤,由此可看出三门峡水库改建后蓄清排浑运用的减淤作用。应当指出蓄清排浑的运用方式,是针对三门峡水库特定条件下形成的,有其局限性。
    小浪底水库投入运用以后,由于黄委会运用的比较好,使得河南河道、山东河道都发生了冲刷。河南河道大概冲深1.5m,山东河道冲深1米,河道的总冲刷量达10亿m3。
    通过小浪底水库泥沙多年调节,把泥沙调节到洪水时输送,是可以控制主槽不抬高,甚至下切。因为每当发生高含沙量洪水时,主河槽都是冲的。小浪底水库初期运用下泄清水,淤满调沙库容以后,进行泥沙多年调节,相机利用洪水排沙,这两个组合起来,有可能使下游河床不抬高。
    主槽过流能力增大了,洪水漫滩机会减少了,才能使黄河滩区人们与自然和谐相处,滩区180万群众得到解放,359万亩耕地得到充分利用, 是以人为本、科学发展观对现今黄河下游河道治理的客观要求。
当主槽过流能力达到10000m3/s时,采取工程措施进行纵向控制,使冲刷逐渐向下游发展,最终以可以使高村甚至艾山以上河段基本不淤,黄河下游二级悬河及滩区治理的主要问题可得到解决。
    这是黄河下游滩区治理最佳方案,由窄河发展到窄槽宽滩,即窄槽用于排洪输沙,宽滩用于较大洪水时滞洪削峰。要大力推广小浪底水库的移民区温孟滩的治理模式,充分发挥窄槽宽滩不淤方案作用,使滩区得到解放。

参考文献
[1]齐 璞、孙赞盈、刘 斌、黎桂喜,黄河下游游荡河段双岸整治方案研究(J)、水利学报、2003(5):98-106
[2]齐 璞、余 欣、孙赞盈、齐宏海,黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)[J],泥沙研究,2008年8月,第4期:74-81
[3]费理门,黄河洪水问题(1922),历代治黄文选下册,河南人民出版社,1978年:123-135
[4]钱宁,周文浩.黄河下游河床演变[M] (图102、表37).北京:科学出版社,1963:125-170.
[5]齐 璞、孙赞盈、侯起秀、彭红等,黄河洪水的非恒定性对输沙及河床冲淤的影响[J].水利学报,2005(6):637-643
[6]齐 璞、刘月兰、李世滢、赵业安等,黄河水沙变化与下游河道减淤措施(M),黄河水利出版社1997年:27-99
[7] 齐 璞、孙赞盈等,小浪底水库泥沙多年调节运用与下游河道进一步治理研究(R)、2001年12月(水信息网http//www.hwcc.com.cn. 学者之家)
[8]齐 璞、姬美秀、孙赞盈,水库泄空冲刷高含沙水流形成机理[J],水利学报2006(8):906-912
[9] 齐璞、高航、孙赞盈、,彭红,.淤滩与刷槽之间没有必然的联系,《人民黄河》,2005.10:p16~18
[10] 齐璞、高航,.论“稳定主槽、调水调沙”的治河方略,《科学》,2006.11:p7~10
并《人民黄河》,2006.4;
[11] 高航、齐璞、彭红,黄河下游“多来多排”的输沙机理与不淤河槽设计,《人民黄河》,2007.7.:p14~16
[12]齐璞、高航、余欣、王敏,黄河利用洪水排沙不必刻意拦粗排细,《.水利水电科技进展》,2008(2);p19~24.
[13] 齐璞、孙赞盈,二级悬河的成因与生产堤存废,《山东黄河》,2008(5);p15~18.
[14].齐璞、孙赞盈,论黄河下游调水调沙与束水输沙,《人民黄河》,2008.7;p1~2

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