黃河下游游蕩河段自然形成的穩(wěn)定河道對(duì)黃河治理的啟示

齊 璞,孫贊盈,于守兵

(黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003)

黃河下游游蕩河段自然形成的穩(wěn)定河道對(duì)黃河治理的啟示

齊 璞,孫贊盈,于守兵

(黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,河南鄭州 450003)

黃河下游游蕩性河道具有比降陡、寬淺散亂、河勢(shì)多變的特性,但在雙井至來(lái)童寨約10km河段因?yàn)楹拥囊话稙檎喂こ?另一岸由抗沖刷黏土組成,形成了相對(duì)穩(wěn)定的河道,近20多年中,包括小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后10多年河槽發(fā)生強(qiáng)烈沖刷的時(shí)期,均沒(méi)有發(fā)生過(guò)橫河、斜河等險(xiǎn)情,成為游蕩河段中的特例,為黃河下游游蕩性河道治理指明了方向。建議在老田庵至武莊河段進(jìn)行雙岸整治試點(diǎn),為有效穩(wěn)定游蕩性河道積累經(jīng)驗(yàn)。

游蕩性河道;橫河;斜河;雙岸整治;小浪底水庫(kù);黃河治理

黃河下游游蕩性河道特性是河道比降陡、河床組成為最容易起動(dòng)的粉細(xì)沙,形成河槽寬淺散亂,河勢(shì)多變的演變歷史與特性,不僅高含沙洪水輸送困難,還是造成橫河、斜河不斷產(chǎn)生的大環(huán)境,給防洪造成諸多問(wèn)題。其根源是游蕩性河道河床調(diào)整變化相互制約、破壞,呈現(xiàn)惡性循環(huán)特性[1],始終保持寬淺散亂的狀態(tài),不能形成穩(wěn)定的窄深河槽。

黃河下游游蕩性河道在小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)期下泄清水情況下,河床大幅度下切[2],水位下降2m左右,平灘流量增大(表1)。由于游蕩性河道故有特性,河槽極為寬淺,多數(shù)河段都在擺動(dòng)中下切,常出現(xiàn)橫河、斜河,造成“平工”出險(xiǎn),河勢(shì)失控。但花園口河段雙井至來(lái)童寨約10km河道,自1990年以來(lái)河勢(shì)一直保持基本穩(wěn)定[3],從未出現(xiàn)過(guò)重大險(xiǎn)情,沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)橫河、斜河等不利情況,是東壩頭以上游蕩河段中最好的河段。

表1 小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)下游河道同流量水位變化

1 河道穩(wěn)定特性

圖1給出了來(lái)童寨斷面1987—2000年斷面變化過(guò)程,由于主流穩(wěn)定,沒(méi)有發(fā)生過(guò)主槽擺動(dòng)情況。主要原因是1988洪水河勢(shì)變化淤積出的邊灘為黏土河岸,在1992年和1996年漫灘洪水作用下灘地逐年淤高,主槽略有沖刷,逐漸形成高灘深槽。

來(lái)童寨斷面在小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)河槽發(fā)生強(qiáng)烈沖刷,主槽下降2m多,但仍很穩(wěn)定。圖2為2001年5月至2012年10月的來(lái)童寨斷面變化情況,可見(jiàn)河槽下切過(guò)程沒(méi)有發(fā)生過(guò)擺動(dòng),主槽寬度沒(méi)有變化,均在590m。

圖1 來(lái)童寨斷面1987—2000年斷面變化過(guò)程

圖2 來(lái)童寨斷面2001—2012年斷面變化比較

由2001年5月和2012年10月雙井至趙口河段大斷面資料(表2)統(tǒng)計(jì)可知:在2001年,雙井至八堡河段河槽寬約1 000m,河槽深2～3m;申莊至三壩河段長(zhǎng)10km多,河槽寬400～700m,河槽深3～6m;楊橋至趙口河段河槽寬1 000～1 700m,河槽深1.7～2.3m;其中申莊至三壩是下游游蕩性河道中少有的最窄深、基本穩(wěn)定河段。

表2 雙井至趙口河段平灘河槽寬沿程變化

2 2000年以來(lái)的變化

經(jīng)過(guò)10多年小浪底水庫(kù)下泄清水沖刷,到2012年10月雙井至來(lái)童寨河段雖然能保持基本穩(wěn)定的河道特性,但在土質(zhì)較差河段河槽已經(jīng)開(kāi)始展寬。由表2可見(jiàn),從雙井至趙口河段12個(gè)斷面河槽深度雖然都在增大,河槽過(guò)流能力都在明顯增加,但是大部分河段河槽都有所展寬,只有來(lái)童寨、三壩、武莊3個(gè)斷面河槽寬度有所減小,其中三壩斷面由556m縮窄至371m,是由于2007年興建馬渡下沿102至106壩使主槽寬縮窄了180m所致。河寬最窄的是申莊、來(lái)童寨、三壩斷面;河槽展寬最大的典型斷面為馬渡,由699m展寬到1 530m,展寬了831m,在2012年10月至2013年4月一個(gè)非汛期河槽展寬百米。

圖3為2012年6月22日流量4000m3/s花園口河段航拍圖,可表明花園口河段河寬沿程變化情況,在雙井以上河段水面較寬,一般在1500～2500m,雙井以下河段4000m3/s水面寬變化在500～1600m之間,京港澳高速劉江黃河大橋以下河槽寬只有500～600m。

圖3 2012年6月22日流量4000m3/s時(shí)花園口河段

在2013年6月24日現(xiàn)場(chǎng)查勘該10km多河段河勢(shì)發(fā)現(xiàn),在雙井27號(hào)、28號(hào)壩最窄的河段,河寬只有500m情況下,在大河流量4000m3/s時(shí),水面至灘面高差還有1.6m,以此進(jìn)行泄流能力計(jì)算,河槽中可泄洪能力達(dá)7 500m3/s(即平灘流量);在京港澳高速劉江黃河大橋以下約3km河寬為500m的穩(wěn)定河段中,也具有同樣的特性,水面至灘面的高差更大,達(dá)到2m以上。由此可見(jiàn)黃河下游游蕩性河段主槽泄洪潛力巨大!

3 河道穩(wěn)定的原因分析

在小浪底水庫(kù)2000年投入運(yùn)用后下泄清水相同的水沙條件下,在游蕩性河道中只有雙井至來(lái)童寨段河道穩(wěn)定,其原因不得不從組成這段河道的邊界條件上尋找。

根據(jù)2004年6月現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)在河岸所取土樣的分析結(jié)果(表3),發(fā)現(xiàn)河道穩(wěn)定的主要原因是河岸物質(zhì)主要由耐沖刷黏土組成。如雙井工程下首27號(hào)、28號(hào)壩(申莊斷面下游300m)對(duì)岸土樣分析結(jié)果為粒徑0.0035mm的黏土,粒徑小于0.005mm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到53％以上。來(lái)童寨斷面左岸京港澳高速劉江黃河大橋上游1 500m和下游200m兩處土樣分析,灘地土質(zhì)也含有25％～32％的黏粒,分別為粉質(zhì)黏土或重粉質(zhì)黏土。

表3 雙井至來(lái)童寨河段河岸物質(zhì)組成

游蕩性河道的演變以河道主流劇烈擺動(dòng)著稱。在游蕩性河道的形成與演變歷史過(guò)程中,河床淤積物特性的分布記錄河流的演變歷史,其河床組成的特性分布具有隨機(jī)性,在不同時(shí)間、不同環(huán)境形成的淤積物截然不同。河床淤積物粗細(xì)與當(dāng)時(shí)水流的強(qiáng)弱有關(guān),如在死水河灣中淤積物均為極為耐沖刷黏土沉積體;而在水流流動(dòng)較弱區(qū)域內(nèi)的淤積物,多為啟動(dòng)流速極低的細(xì)粉砂層,形成游蕩性河道河床組成物質(zhì)特有的不均勻性、分布的無(wú)規(guī)律性,為橫河、斜河的產(chǎn)生埋下了隱患[4]。雙井至來(lái)童寨段河道形成穩(wěn)定河槽在游蕩性河道演變中雖然具有偶然性,但揭示了河槽約束水流的演變規(guī)律[5]。

從小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后,河床下切過(guò)程中蔡集、霸王城等多處出險(xiǎn)發(fā)生過(guò)程可知:在游蕩性河道上,普遍存在著“大水趨直,小水坐灣”的演變規(guī)律,當(dāng)洪水試圖沿著最大比降方向流動(dòng)時(shí),遇到耐沖刷的阻水擋水的黏土淤積體時(shí)被迫改變流向,這是產(chǎn)生橫河、斜河的根本原因。因水下的邊界條件無(wú)法預(yù)知,河勢(shì)變化呈現(xiàn)隨機(jī)性,河槽長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定是防止險(xiǎn)情產(chǎn)生的必要條件。如果通過(guò)雙向整治,形成穩(wěn)定河槽,則可從根本上消除橫河、斜河。

4 對(duì)今后黃河治理的啟示

雙井至來(lái)童寨段河道的形成在游蕩性河道的演變中雖然具有其偶然性,但卻說(shuō)明抗沖刷能力強(qiáng)的河岸組成的重要作用,及在不穩(wěn)定游蕩河段進(jìn)行雙向整治的必要性,利用工程措施形成穩(wěn)定的邊界是實(shí)現(xiàn)控制流路穩(wěn)定的關(guān)鍵。游蕩性河道雙向整治可從認(rèn)識(shí)該段河道開(kāi)始,積累經(jīng)驗(yàn)逐步推廣,為實(shí)現(xiàn)黃河水利委員會(huì)穩(wěn)定主槽的治河方略創(chuàng)造條件。

在游蕩性河道比降陡、河槽寬淺散亂且極不穩(wěn)定的情況下建議采取雙向整治工程措施[6],以形成穩(wěn)定河道。由于黃河水沙條件的復(fù)雜性和多沙河流雙向整治工程經(jīng)驗(yàn)的不足,為穩(wěn)妥起見(jiàn),建議選擇黃河下游花園口河段老田庵至武莊35km長(zhǎng)的河段作為試點(diǎn)工程先行實(shí)施。該河段2012年6月22日河道特性見(jiàn)圖3,2013年6月24日現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)河道特性變化亦不大。老田庵至花園口部分的控導(dǎo)工程,如保合寨工程、馬莊工程,由于小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后河床下降2～3m,工程前形成高灘,今后難以靠河?；▓@口至武莊部分控導(dǎo)工程靠河良好,可以得到充分利用。根據(jù)試點(diǎn)河段河勢(shì)特點(diǎn)提出雙岸整治工程布置如圖4所示,花園口以上河段因?yàn)樵锌貙?dǎo)工程無(wú)法利用,只能在清水沖刷形成的大河槽中按直線布置雙岸整治工程;在花園口以下河段雙岸整治工程按原有控導(dǎo)流路布置,尤其是雙井以下河段。在目前大河流量4 000m3/s時(shí),河槽寬度只有500m穩(wěn)定河段(如雙井河段、京港澳高速劉江黃河大橋以下3km多長(zhǎng)的穩(wěn)定河段),不需要布置新的縮窄河道的對(duì)口丁壩,因?yàn)榇藭r(shí)水面寬已經(jīng)小于雙岸整治設(shè)計(jì)河寬(600m)。

今后下游河道整治的主要任務(wù)是在河槽下降2～3m、擺動(dòng)范圍已經(jīng)固定情況下進(jìn)一步穩(wěn)定主槽。以往游蕩性河道整治主要以防洪搶險(xiǎn)為目的,施工主要依靠洪水期工程水流不斷淘刷蝕深進(jìn)行拋石防護(hù)完成,因此施工必須選擇在洪水期。而經(jīng)過(guò)小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)后,修建控導(dǎo)工程的施工條件發(fā)生了變化,

圖4 花園口河段老田庵至武莊35km試點(diǎn)河段雙岸整治工程布置

一年300天枯水情況下,河槽整治均可在枯水期進(jìn)行,施工難度與工程造價(jià)都可大幅度下降,汛期也不需要搶險(xiǎn),工程設(shè)計(jì)可參考航道整治設(shè)計(jì)條件進(jìn)行。為早日實(shí)現(xiàn)黃河水利委員會(huì)提出的游蕩河段穩(wěn)定主槽的治理目標(biāo),形成下游排洪輸沙通道,在小浪底水庫(kù)泥沙多年調(diào)節(jié)運(yùn)用、充分利用洪水排沙的條件下,為實(shí)現(xiàn)黃河下游河床不抬高創(chuàng)造條件,希望盡快實(shí)施雙向整治試點(diǎn)工程。

[1]齊璞,黃河游蕩性河道形成與改造途徑[J].泥沙研究,1989(4):1-8.(QI Pu,Formation of wandering reaches of yellow river and the harnessing strategy[J].Journal of Sediment Research,1989(4):1-8.(in Chinese)).

[2]齊璞,齊洪海,田世民.黃河下游河道2000年以來(lái)的巨變與前景展望[J].水利水電科技進(jìn)展,2013,33(6):23-28.(QI Pu,QI Honghai,TIAN Shimin.Great changes on the Lower Yellow River channel since 2000 and future prospective[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(6):23-28.(in Chinese))

[3]齊璞,于強(qiáng)生,馬榮曾,等.關(guān)于在馬度至趙口河段進(jìn)行雙向整治試點(diǎn)可行性研究[R].鄭州:黃河水利科學(xué)研究院,2006.

[4]齊璞.黃河下游蔡集出險(xiǎn)10周年的思考(橫河、斜河產(chǎn)生原因與搶險(xiǎn))[J].山東黃河,2013(3):3-4.(QI Pu.Reflect on emergency situation of caiji of the Lower Yellow River on the 10-years'anniversary(reason for river flowing transversely,diagonally and rescue method)[J].Yellow River in Shandong,2013(3):3-4.(in Chinese)).

[5]齊璞,梁國(guó)亭,孫贊盈.沖積河型形成條件的探討[J].泥沙研究,2002(3):39-43.(QI Pu,LIANG Guoting,SUN Zanying.A discussion on forming conditions of the alluvial river patterns[J].Journal of Sediment Research,2002(3):39-43.(in Chinese))

[6]齊璞,孫贊盈,齊宏海.再論黃河下游游蕩河道雙向整治方案[J].泥沙研究,2011(3):1-9.(QI Pu,SUN Zanying,QI Honghai.Research on two-banktrainingstrategyfor wandering channels of Lower Yellow River[J].Journal of Sediment Research,2011(3):1-9.(in Chinese))

·簡(jiǎn)訊·

美國(guó)水文化研究所及其水文化研究動(dòng)態(tài)

由David Groenfeldt于2009年創(chuàng)辦的水文化研究所(Water-Culture Institute)是一家位于美國(guó)新墨西哥州圣達(dá)菲的水文化研究機(jī)構(gòu)。該研究所的研究者認(rèn)為人們對(duì)河流、湖泊、泉水和地下水的管理應(yīng)建立在可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,這種理念可以通過(guò)以下3種途徑實(shí)現(xiàn):①應(yīng)用尊重自然權(quán)利的本土智慧和文化傳統(tǒng);②研究與水管理相關(guān)的倫理和價(jià)值系統(tǒng);③鼓勵(lì)廣泛的利益相關(guān)者參與到水決策中。只有吸收本土印第安人智慧和西方傳統(tǒng)倫理精華,自然的需要優(yōu)先于人們短期的欲望,才能實(shí)現(xiàn)水與人類(lèi)的和諧發(fā)展。他們的研究主要圍繞下面4個(gè)主題展開(kāi):

a.河流的權(quán)利。長(zhǎng)久以來(lái),自然河流為人類(lèi)提供了飲用水、食物和航道;人類(lèi)干預(yù)后的河流為人們提供了電能、更加順暢的水運(yùn)和城市與農(nóng)場(chǎng)的水供給。但河流是否也擁有自身的權(quán)利呢?最近的河濱生態(tài)系統(tǒng)研究表明:洪水之類(lèi)的河流自然過(guò)程對(duì)流域的土地和野生動(dòng)物的健康至關(guān)重要。因此把河流當(dāng)作有內(nèi)在價(jià)值的個(gè)體來(lái)對(duì)待應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)河流可持續(xù)化管理的最理性手段。

b.水使用倫理。大規(guī)模工業(yè)化的食品生產(chǎn)比小農(nóng)場(chǎng)、本地化的食品生產(chǎn)總耗水量大得多。煤炭和金屬等礦藏的開(kāi)采造成水污染,水壩嚴(yán)重改變了水生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)人們利用相關(guān)產(chǎn)品的時(shí)候,實(shí)際上也在消耗水。什么才是負(fù)責(zé)任的水使用行為?使用多少和為何種目而使用才合乎水倫理要求呢?

c.水管理。水管理所體現(xiàn)的價(jià)值取決于誰(shuí)來(lái)做決定和這些做決定的人代表誰(shuí)的利益。當(dāng)商業(yè)利益在水決策中占主導(dǎo)地位時(shí),相關(guān)決策只代表相關(guān)商業(yè)活動(dòng)受益者的利益。合乎人類(lèi)良知和水倫理的水管理設(shè)計(jì)能夠?yàn)槎嘀乩鏇_突各方提供一個(gè)溝通平臺(tái),監(jiān)督制衡式的水管理能夠把水生態(tài)系統(tǒng)從追逐短期利益的環(huán)境破壞中拯救出來(lái)。

d.本土印第安人與水。本土印第安人在水權(quán)、農(nóng)業(yè)、水資源的可持續(xù)性和與水相關(guān)的環(huán)境、宗教和精神層面,都擁有自己獨(dú)特的觀念和文化。這種保存下來(lái)的傳統(tǒng)觀念體現(xiàn)了他們對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。印第安人在獲得傳統(tǒng)上由他們控制的水資源方面面臨多重挑戰(zhàn),在文化和精神上對(duì)水的理解被誤解,或被占主導(dǎo)地位的西方社會(huì)忽視,這可能導(dǎo)致相關(guān)水體生態(tài)功能退化或者破壞。

水文化研究所圍繞“將價(jià)值觀念融入水政策中去”的活動(dòng)主要包括:①發(fā)起格蘭德河管理倡議,建立河流管理方面系統(tǒng)化、常規(guī)化的利益相關(guān)者的利益表達(dá)平臺(tái);②發(fā)起將價(jià)值賦予農(nóng)業(yè)的活動(dòng),以新墨西哥州北部和印度東部的農(nóng)業(yè)活動(dòng)為例,從價(jià)值的視角來(lái)研究淡水的主要使用者;③建立水倫理網(wǎng)站(http://www.waterethics.org/),嘗試激發(fā)宗教群體、環(huán)保擁護(hù)者、土著領(lǐng)導(dǎo)者等不同利益團(tuán)體展開(kāi)溝通、辯論和合作;④與聯(lián)合國(guó)教科文組織和法國(guó)水科學(xué)院(the Académie de l’Eau)一起嘗試制定水倫理憲章。

(楚行軍編譯自水文化研究所官方網(wǎng)站(http://www.waterculture.org))

Enlightenment on Yellow River governance from naturally developed stable channels in wandering reaches of lower Yellow River

//QI Pu,SUN Zanying,YU Shoubing(Yellow River Institute of Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China)

The wandering reach of the lower Yellow River has steep slope,wide,shallow,scattered and ill-conditioned channels with varied river regimes.However,in the 10km reach from Shuangjing to Laitongzhai,a stable channel is developed due to the naturally formed“two-bank training project”with one side of the bank being the river restoration project,and the other bank being composed of scour-resisted clay.In the recent two decades,including 10 years after the operation of Xiaolangdi Reservoir,during the period when the channel was severely scoured,there were no dangerous situations such as river flowing transversely or diagonally.This has become a unique example of the wandering reach,which points out the future direction for harnessing the lower Yellow River.We recommend training double banks in the reach between Laotianan and Wuzhuang for accumulating experience that stabilize completely wandering reach.

wandering reach;river flowing transversely;river flowing diagonally;two-bank training;Xiaolangdi Reservoir;Yellow River governance

TV85

:A

:1006-7647(2014)06-0045-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.010

2013-12-10 編輯:熊水斌)

齊璞(1942—),男,北京人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事河床演變與泥沙輸移、河道整治等研究。E-mail:qipuqi@aliyun.com