沁河下游河床下切的研究與探析

□原小利（水利部黃河水利委員會(huì)）

□朱雪梅（河南省建筑科學(xué)研究院有限公司）

□彭 凱（沁陽(yáng)沁河河務(wù)局）

一、沁河下游河床下切的現(xiàn)狀

沁河與黃河同屬于多泥沙河流，具有河勢(shì)游蕩、臨高背低、歷史災(zāi)害頻繁以及“善淤、善徙、善決”的特性。因而，沁河是黃河下游唯一一條被納入國(guó)家直接管理的支流。沁河防汛也和黃河防汛一樣，需要確保大堤不決口，河床不抬高，河道不斷流，污染不超標(biāo)。從某種意義上說(shuō)，河床不斷抬高是沁河下游防汛工作的一大隱憂。但自20世紀(jì)80年代以來(lái)，這一狀況發(fā)生了一些明顯的轉(zhuǎn)機(jī)，沁河下游五龍口至丹河口河段33km河床在不斷下切，丹河口至石荊橋33km沖淤平衡，石荊橋至入黃口河段24km淤積嚴(yán)重。這就是說(shuō)沁河下游絕大部分河段的河床不但沒(méi)有抬高，而且呈下切狀態(tài)。下切最嚴(yán)重的堤段是五龍口至丹河口段，例如1982~2008年期間，堤防斷面CS5（沁左9+100-沁右9+199），平均高程下切1.22m，主槽深泓點(diǎn)高程下切6.12m。

二、沁河下游河床下切的原因分析

（一）天然徑流量持續(xù)減少

1986年前,五龍口站以上地區(qū)曾發(fā)生連續(xù)5年降水量偏枯的系列為1977～1982年,多年平均降水量為537mm,與1986～1998年系列多年平均降水量539mm基本相同。前者多年平均天然徑流量為8.02億m3,徑流系數(shù)為0.16；后者多年平均天然徑流量為7.73億m3,徑流系數(shù)為0.15。可見,五龍口以上降雨徑流關(guān)系并沒(méi)有太大變化。

由于沁河大部分穿行在太行山區(qū),地質(zhì)條件為石灰?guī)r、砂巖及頁(yè)巖,砂巖、頁(yè)巖易風(fēng)化,石灰?guī)r溶洞發(fā)育,泉水較多,因此沁河流域的穩(wěn)定下滲率較大,其徑流系數(shù)與一定量級(jí)的雨量有關(guān),當(dāng)連續(xù)幾年降水量偏枯(如年降水量小于600mm),則徑流系數(shù)明顯偏小。20世紀(jì)五六十年代沁河流域徑流系數(shù)之所以偏大(平均為0.25),就是由于該時(shí)期屬豐水期,年平均降水量約為665mm。20世紀(jì)70年代為平水期,徑流系數(shù)減小為0.20。20世紀(jì)八九十年代為枯水期,尤其是90年代年平均降水量?jī)H為525mm,因此流域平均徑流系數(shù)只有0.15。從以上五龍口、山路平兩站不同時(shí)期的相似典型年(時(shí)段)對(duì)比分析可知,近20年上游地區(qū)降水持續(xù)偏少，相應(yīng)導(dǎo)致徑流量偏枯，致使河流夾砂能力嚴(yán)重降低，下游河道來(lái)砂銳減。

（二）人為工程減少河流含沙量

20世紀(jì)90年代，山西省在沁河干流上修建馬連疙瘩、張峰等大中型水利樞紐工程，由于上游干支流產(chǎn)流少，河水大多在上游就被攔截，修建水庫(kù)對(duì)多沙量河流的主要影響是泥沙大量淤積到庫(kù)區(qū)，下游河道的來(lái)沙量自然減少。

（三）上游植被履蓋率增加，減少下流來(lái)砂

1998年以來(lái)我國(guó)實(shí)施大規(guī)模的退耕還林、退牧還草政策，沁河上游各縣市山地植被覆蓋率迅速提高，水土保持工作成效顯著，沁河上游水土流失明顯減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年之后沁河上游來(lái)砂要比20世紀(jì)最后10年減少約30%左右。

（四）大規(guī)模的河道采砂導(dǎo)致河床迅速下切

沁河出山口至水南關(guān)河段是細(xì)度模數(shù)2.3~3.7中粗砂沉積區(qū)域，而這種河砂是建筑業(yè)不可或缺的材料。根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，采砂業(yè)隨之興起，平均每千米就有2艘采砂作業(yè)船，每年的開采量達(dá)140余萬(wàn)立方米，大規(guī)模的開采加上上游來(lái)砂持續(xù)減少的情況下，采砂戶常采取深挖河床、塌老灘的方法攫取過(guò)去沉積在河床下層和灘地下層的舊砂。近10年的超負(fù)荷開采加劇了沁河主河床的嚴(yán)重下切。

三、沁河下游河床下切的利弊分析

客觀地說(shuō)，挖砂疏浚了河道，阻止了河床抬高，但由于河床嚴(yán)重下切、人為改變河勢(shì)流路，導(dǎo)致“斜河”、“橫河”現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，給防洪工程帶來(lái)了發(fā)生重大險(xiǎn)情的隱患；過(guò)度深挖河床為兩岸涵閘引水帶來(lái)了困難，使兩岸數(shù)萬(wàn)畝良田得不到沁河水的自流灌溉，使沿河農(nóng)業(yè)發(fā)展受到影響等等?？傮w來(lái)說(shuō)河床下切利弊兼有，得失顯見。

（一）河道容沙空間增大

河床下切之后，河床自然容砂、容水空間加大，沁河發(fā)生中常以下量級(jí)洪水，在水南關(guān)以上河段基本不會(huì)出槽，老灘不會(huì)落淤，在現(xiàn)有河床空間和現(xiàn)行年均來(lái)砂量條件下，未來(lái)10年基本不會(huì)發(fā)生河床抬高現(xiàn)象。

（二）歸順主流流向，增大行洪能力

河床的下切使河床容水量增大，河床行洪能力相應(yīng)增強(qiáng)。1982年8月2日沁河五龍口站發(fā)生4280m3/s洪水時(shí)沁陽(yáng)西莊以上河段曾發(fā)生漫溢險(xiǎn)情。但同樣的河段若再次發(fā)生類似洪水，該段堤防至少出水1.5m以上。

（三）靠河工程根石失穩(wěn)

由于河床下切，靠河工程根石裸露，河道沖刷加劇，壩前沖刷坑加深加大，水南關(guān)險(xiǎn)工根石在20世紀(jì)80年代時(shí)只外露1m左右，而現(xiàn)在卻外露4m以上，工程基礎(chǔ)失穩(wěn)，根石、坦石在橫向螺旋流和豎向螺旋流的共同作用下，向沖刷坑底部滾動(dòng)，根石、坦石極易出現(xiàn)走失、坍塌險(xiǎn)情。

（四）河勢(shì)上提下挫，壩岸出險(xiǎn)頻率增多

由于不少下切河段的河床是垂直下切，這種灘床關(guān)系的水沙條件下，極易發(fā)生塌灘險(xiǎn)情，特別嚴(yán)重的是濫采濫挖的地方極易導(dǎo)致斜河、橫河現(xiàn)象的發(fā)生，加上河道整治工程缺少統(tǒng)一規(guī)劃布局，工程控溜能力不足，工程著溜位置易發(fā)生變化。部分險(xiǎn)工在小水流路下經(jīng)常不靠溜，甚至不靠河，一旦靠溜，原來(lái)基礎(chǔ)薄弱的壩岸，根石下的土基礎(chǔ)極易被水流快速淘刷，致使根石、坦石失去支撐，不能抵抗洪水的侵蝕，從而發(fā)生坍塌甚至墩蜇險(xiǎn)情。

1996年、2003年沁河發(fā)生了多處重大險(xiǎn)情，其中的王曲、北金村、孔村、馬鋪、水南關(guān)險(xiǎn)情均發(fā)生在斜河、橫河河段處。

四、沁河下游河床下切的發(fā)展趨勢(shì)前瞻

（一）天然徑流量繼續(xù)縮減

近十幾年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，沁河流域的工業(yè)及城市用水均有較大增加，這部分主要用水水源是地下水。由于沁河流域特殊的水文地質(zhì)條件，地表水和地下水重復(fù)量大，開采地下水在某種意義上講就是奪取了地表水，必將導(dǎo)致地面徑流量的減少。

（二）河道沖淤預(yù)測(cè)

根據(jù)《黃河小浪底水庫(kù)樞紐設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)》的研究成果，小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后，可保持鐵謝至花園口段20年以上不淤積，從小浪底水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)的情況看，1999年10月~2006年10月黃河下游累計(jì)沖刷13.22億t泥沙，其中花園口以上河段累計(jì)沖刷4.61億t泥沙。隨著沁河入黃口黃河河床高程的降低，沁河下游河床也將出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（三）下游河道采砂有待于進(jìn)一步強(qiáng)化管理

近年來(lái)，沁河下游無(wú)序采砂日趨嚴(yán)重，特別是西王曲以上河段已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重超采，河床嚴(yán)重下切，人為改變泥砂沖淤平衡，破壞河床形態(tài)，導(dǎo)致行洪能力急劇下降，引起河勢(shì)上提下挫，造成平工段成險(xiǎn)工段，險(xiǎn)工段更險(xiǎn)的局面，如進(jìn)一步發(fā)展，將加劇河勢(shì)惡化，危及堤防安全及兩岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

五、沁河下游河床下切的干涉與控制

（一）加強(qiáng)采砂管理，杜絕濫采濫挖

過(guò)度開采和濫采濫挖是導(dǎo)致沁河河床嚴(yán)重下切的主要原因，要做到對(duì)河床下切的干涉和管控，首先必須從干涉和管控沁河采砂開始，而干涉和管控沁河采砂就必須制定科學(xué)合理的采砂規(guī)劃，規(guī)定可采總量、可采區(qū)域及時(shí)限。而逾越這些規(guī)劃和規(guī)定的范圍，均被視為濫采濫挖或違規(guī)、違法開采，必須停止作業(yè)，及時(shí)驅(qū)離設(shè)備和人員，并給予處罰。

1.規(guī)定年可采總量

無(wú)論從河道管理還是資源管理、市場(chǎng)管理的角度來(lái)說(shuō)，采砂總量的控制都是必要的。要研究河道的正常下切極限、砂資源的承載能力以及市場(chǎng)的需求，在不能逾越河道的適應(yīng)能力、砂資源的承載力的基礎(chǔ)上，確定一個(gè)適度的不飽和供應(yīng)市場(chǎng)的開采總量，反對(duì)砂市場(chǎng)供大于求現(xiàn)象。

2.規(guī)劃可采區(qū)域

采砂雖然有降低河床之利，但并不是任何地方都可以開采，特別是對(duì)黃(沁)河這樣的防洪河流來(lái)說(shuō)，靠近堤防、險(xiǎn)工、涵閘、跨河工程、卡口河道以及其它影響安全、民生和他人利益的地方都是不能隨便開采的，因而劃定可采區(qū)和禁采區(qū)是十分必要的。這就需要相關(guān)部門制定采砂規(guī)劃，規(guī)劃要向社會(huì)公示，經(jīng)上級(jí)主管部門批準(zhǔn)后實(shí)施，而且可采區(qū)應(yīng)和禁采區(qū)實(shí)行動(dòng)態(tài)管理,隨著河床的變化而調(diào)整。由于沁河下游河道是動(dòng)態(tài)變化的,且近年河床演變得較為劇烈,隨著河道來(lái)水來(lái)沙的變化,一些河段仍會(huì)發(fā)生河勢(shì)調(diào)整,有些采區(qū)的河道地形可能會(huì)發(fā)生變化,因此,在開采前和開采的過(guò)程中應(yīng)定期進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)和分析工作,若出現(xiàn)河勢(shì)的明顯調(diào)整,防洪以及沿岸工農(nóng)業(yè)和交通等重要設(shè)施有新的變化和要求時(shí),應(yīng)及時(shí)對(duì)規(guī)劃進(jìn)行修編,并按修編后的規(guī)劃執(zhí)行。

3.規(guī)定可采期

除了可采區(qū)域外，可采時(shí)限也必須有一個(gè)剛性的規(guī)定，因?yàn)閷?duì)于防洪河流來(lái)說(shuō)，伏秋大汛、凌汛以及可預(yù)測(cè)的春汛期間，既不適宜有太多的人員在河道作業(yè)，也不應(yīng)當(dāng)有阻水障礙物在河道存在。另外，汛期水量較大，河道自身可能處在拉深和下切狀態(tài)，再加上采砂的擾動(dòng)，就會(huì)加速其拉深和下切，因此應(yīng)當(dāng)規(guī)定一個(gè)采砂期限，即可采期和禁采期。

（二）創(chuàng)造靠河工程前落淤的邊界條件

靠河工程根石過(guò)度裸露，已成為沁河水南關(guān)以上河段面臨的一個(gè)普遍問(wèn)題。如何進(jìn)一步探索河勢(shì)游蕩的規(guī)律，創(chuàng)造讓工程靠河并在壩前落淤的邊界條件，不失為解決問(wèn)題的一個(gè)辦法。在洪水主溜頂沖堤防折射后回旋至下游時(shí)，水流的沖刷力會(huì)變小，如果在垂直（或斜交）于水流或堤防的方向，建設(shè)潛水壩或安裝小型橡膠壩的方式攔截水流，在局部壅高水位時(shí)，洪水與堤岸相切的壩前水位相應(yīng)升高，這時(shí)在來(lái)水方向拋柳石枕，加速堤壩前落淤，從而使河勢(shì)向河心游蕩，使斜河、橫河向中心線歸順，改變斜河頂沖和槽高灘低的危勢(shì)，因此，這種方法既能解決斜河、橫河頂沖時(shí)的壩岸險(xiǎn)情問(wèn)題，也是解決河道游蕩性問(wèn)題的一種方法。采取這一措施的難點(diǎn)是攔水截流時(shí)水中進(jìn)占的難度較大，但我們可以在未來(lái)水之前根據(jù)可能發(fā)生斜河、橫河河勢(shì)或已經(jīng)存在斜河、橫河河勢(shì)的堤段采取前瞻性的措施，對(duì)可能抬高的水位或淹沒(méi)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量計(jì)算和設(shè)計(jì)，做好中常洪水到來(lái)前的充分準(zhǔn)備。

（三）加固根石確?？亢庸こ贪踩?/h3>

黃河下游河道整治工程的穩(wěn)定性主要受壩垛穩(wěn)定性的制約，而壩垛的穩(wěn)定性主要取決于壩垛根石基礎(chǔ)的強(qiáng)弱（即根石的深度和坡度）。根石加固是通過(guò)根石探測(cè)，掌握壩垛根石的缺石情況，然后有針對(duì)性地對(duì)壩垛缺石部位進(jìn)行加固，從而使根石起到穩(wěn)定邊坡，增加工程根石強(qiáng)度、使工程安全度汛的作用。通過(guò)根石加固，可有效地增加壩體的穩(wěn)定性，提高工程的抗洪能力，增大工程的防洪安全系數(shù)。

六、結(jié)語(yǔ)

河床下切對(duì)于黃沁河下游防洪河道來(lái)說(shuō)是求之不得的好事，是多年來(lái)人們辛勤治理孜孜以求的結(jié)果，對(duì)于保障“四不”目標(biāo)中的“河床不抬高”具有積極意義，但同時(shí)要對(duì)這一現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行研究。

應(yīng)加強(qiáng)對(duì)沁河下游河床下切問(wèn)題的科學(xué)研究。對(duì)沁河河床下切進(jìn)行科學(xué)的干預(yù)和控制，對(duì)河床下切的速度和深度提出一個(gè)具有科學(xué)發(fā)展意義的量化指標(biāo)，因勢(shì)利導(dǎo)地使河床下切這一現(xiàn)象向趨利避害的方向、人水和諧的方向發(fā)展。

沁河下游河床下切問(wèn)題的研究對(duì)黃河河道治理具有借鑒作用。沁河下游防洪河道與黃河下游存在許多類似的特征，因而沁河一直被人們稱為“小黃河”。目前，黃河河床下切也面臨與沁河相同的河勢(shì)游蕩、工程安全、引水難度加大以及水上安全等問(wèn)題。30年來(lái)對(duì)沁河河床下切問(wèn)題的研究，為研究黃河下游河床下切問(wèn)題提供了借鑒。