黃河下游河道改造方案初步研究

崔萌 劉生云 張瑞海 朱亞姬

摘要：在當(dāng)前黃河下游灘區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和治河矛盾日益突出的情況下，探討了對黃河下游進(jìn)行河道改造的初步思路，即通過在黃河下游灘區(qū)設(shè)置一定標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤及灘區(qū)滯洪區(qū)，在一定程度上減輕防護(hù)堤與下游設(shè)防大堤間的洪災(zāi)損失。對黃河下游各河段防護(hù)堤防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析論證；通過對不同河段灘區(qū)滯洪容量的分析，提出了滯洪區(qū)設(shè)置河段；通過對不同標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤和灘區(qū)滯洪區(qū)聯(lián)合運(yùn)用的兩類共4個典型方案的分析比較，提出按設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)修建防護(hù)堤、不建灘區(qū)滯洪區(qū)方案作為推薦方案。

關(guān)鍵詞：河道改造；防洪堤；灘區(qū)滯洪區(qū)；黃河下游

中圖分類號：TV212； TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi ；10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.009

1 研究背景

黃河水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，是世界上最復(fù)雜難治的河流。目前黃河下游河道整治工程尚不完善，高村以上游蕩型河道河勢尚未得到有效控制，“二級懸河”發(fā)育，“橫河”“斜河”發(fā)生概率增大，威脅下游防洪安全。特別是下游灘區(qū)居民多，長期以來灘區(qū)安全建設(shè)嚴(yán)重滯后，灘區(qū)近180萬群眾安全缺乏保障；灘區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險大，淹沒頻率高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾生活水平低。隨著流域經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，灘區(qū)內(nèi)、外經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的差距逐漸增大，灘區(qū)已成為貫穿豫魯兩省的“沿黃貧困帶”。為防止小洪水漫灘，減少灘區(qū)淹沒損失，灘區(qū)群眾對生產(chǎn)堤毀而復(fù)修、破而復(fù)堵，對小浪底水庫攔蓄中小洪水保灘提出了更高的要求。針對黃河下游河道和灘區(qū)治理提出的新要求，開展了黃河下游河道與灘區(qū)改造方案的研究，旨在通過對黃河下游河道及灘區(qū)進(jìn)行改造，在黃河下游灘區(qū)設(shè)置一定標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)堤及灘區(qū)滯洪區(qū)，在一定程度上減輕防護(hù)堤與下游設(shè)防大堤間的洪災(zāi)損失，促進(jìn)灘區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解當(dāng)前灘區(qū)發(fā)展與治河防洪日益突出的矛盾。

2 治理方案設(shè)置格局

在黃河下游灘區(qū)內(nèi)按照一定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和堤距新建兩道防護(hù)堤，防護(hù)堤修建后，兩道防護(hù)堤之間為河槽，防護(hù)堤與兩側(cè)黃河大堤之間仍為灘區(qū)。發(fā)生防護(hù)堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時，充分利用河槽行洪輸沙；灘區(qū)是泄洪通道的一部分，在河槽泄洪能力不足時用于擴(kuò)大泄洪斷面，增強(qiáng)泄洪能力。

根據(jù)灘區(qū)地形條件及超防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)洪量分析，考慮在灘區(qū)設(shè)置一定數(shù)量的滯洪區(qū)。當(dāng)發(fā)生超防護(hù)堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)洪水時，根據(jù)滯洪區(qū)可分洪量及來水情況，有計(jì)劃地分洪運(yùn)用。當(dāng)發(fā)生防護(hù)堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水時，考慮防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)與滯洪區(qū)運(yùn)用，分為兩種情況：一是直接按照設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)修建防護(hù)堤，不考慮運(yùn)用滯洪區(qū)；二是修建低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)堤，結(jié)合滯洪區(qū)運(yùn)用使較低標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，方案論證的重點(diǎn)主要在于防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)分析、灘區(qū)滯洪區(qū)設(shè)置以及防護(hù)堤與滯洪區(qū)聯(lián)合運(yùn)用的河道改造方案。

3 防護(hù)堤堤距及標(biāo)準(zhǔn)分析

3.1 防護(hù)堤堤距分析

考慮到防護(hù)堤堤距設(shè)定存在的不同意見[1-2]，本研究對高村以上游蕩型河段擬定兩種堤線布置方案：方案一，基于河勢演變的復(fù)雜性，在研究灘區(qū)防護(hù)堤布設(shè)時，充分考慮河勢變化對防護(hù)堤安全的影響，堤距設(shè)定適當(dāng)留有余地；方案二，以統(tǒng)計(jì)分析的主槽過流量占總流量80%以上的排洪河槽寬度[3-4]為基礎(chǔ)，對畸形河灣等不利河勢采用工程措施進(jìn)行控導(dǎo)，盡可能保持河道平順，以控導(dǎo)工程的連線布置堤線。兩方案下京廣鐵路橋以上河段堤距均值均為4900m，陶城鋪以下河段長清、平陰灘區(qū)堤距均值均為2100m，兩河段堤線布置基本無差別。京廣鐵路橋至高村河段，方案一充分考慮了2000年以來河勢演變情況，京廣鐵路橋一東壩頭及東壩頭一高村河段堤距均值分別為4.40、4.20km；方案二按照排洪河槽寬度，防護(hù)堤基本與現(xiàn)狀控導(dǎo)工程首尾連接，兩河段堤距均值分別為3.10、3.17km。高村至陶城鋪河段，方案一情況下因?yàn)樯舷掠魏拥辣３制巾樳^渡，所以僅高村以下附近斷面堤距逐漸變窄，其余大部分?jǐn)嗝鎯煞桨傅叹嘞嗤?。兩方案各河段堤距見?。

考慮河勢變化對工程安全的影響及河道形態(tài)、護(hù)灘效益等因素，同時結(jié)合近年來的相關(guān)研究成果，防護(hù)堤堤距推薦方案一。m3.2 防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)分析

防護(hù)堤修建后，對防護(hù)堤的保護(hù)對象進(jìn)行逐段分析。京廣鐵路橋以上河段主要涉及溫孟灘的一部分及武陟灘，人口1.64萬，耕地面積0.92萬hm2。京廣鐵路橋一陶城鋪河段被分割為23處灘區(qū)，除左岸原陽灘、長垣灘面積較大、居住人口較多外，其余灘地面積相對較小。陶城鋪以下至北店子河段左岸為設(shè)防大堤，右岸灘區(qū)因山梁阻隔，故灘區(qū)分布有多個小灘，相對連片的大灘主要分布在長清縣、平陰縣，人口共33.39萬，耕地面積2.23萬hm2。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）分析，京廣鐵路橋以上河段設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇（對應(yīng)小浪底出庫流量9400m3/s）；京廣鐵路橋一陶城鋪河段長垣灘防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇（對應(yīng)花園口流量12200m3/s），其他灘區(qū)為10a一遇（對應(yīng)花園口流量10000m3/s）；陶城鋪以下長平灘內(nèi)長清、平陰縣城段防洪標(biāo)準(zhǔn)為30a一遇（對應(yīng)艾山流量10000m3/s），非縣城段灘區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇（對應(yīng)艾山流量9900m3/s）。

4 新建灘區(qū)滯洪區(qū)研究

黃河下游防洪工程體系的上攔工程有三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等5座水庫；下排工程為河道及堤防工程，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為防御花園口站洪峰流量22000m3/s；兩岸分滯工程為東平湖滯洪區(qū)和北金堤滯洪區(qū)。進(jìn)入黃河下游的洪水需經(jīng)過防洪工程體系的聯(lián)合調(diào)度，五庫運(yùn)用后黃河下游各級洪水洪峰流量見表20

防護(hù)堤布設(shè)后，對黃河下游不同頻率洪水超標(biāo)準(zhǔn)洪量與各滯洪區(qū)最大分洪量的關(guān)系進(jìn)行分析，滯洪區(qū)處理超標(biāo)準(zhǔn)洪水洪量是基本可行的，防護(hù)堤與黃河大堤間灘區(qū)設(shè)置滯洪區(qū)如下：京廣鐵路橋以上河段，上段大玉蘭至官莊峪斷面左岸灘區(qū)地勢相對較高，分洪量太小，不考慮設(shè)置滯洪區(qū)；京廣鐵路橋一陶城鋪河段，結(jié)合灘區(qū)位置、地形條件、各灘區(qū)人口分布等因素，面積小于30km2的較小灘區(qū)分洪量有限，不設(shè)置滯洪區(qū)，對面積大于30km2的6個自然灘，結(jié)合防護(hù)堤，通過修筑圍堤形成滯洪區(qū)；陶城鋪以下河段，考慮到滯洪區(qū)自上而下啟用，通過陶城鋪以上滯洪區(qū)運(yùn)用（或結(jié)合東平湖）可處理洪水，不再設(shè)置滯洪區(qū)。同時，考慮到黃河下游灘區(qū)存在一定的縱比降，為使滯洪區(qū)取得較大庫容，通過修建隔堤對滯洪區(qū)進(jìn)行分區(qū)，如原陽灘通過防護(hù)堤及在灘內(nèi)修建隔堤，形成9個分區(qū)，以便獲得更大分洪容積，而且調(diào)度運(yùn)用更為方便。滯洪區(qū)設(shè)置及最大分洪量見表3。

5 河道改造方案

根據(jù)灘區(qū)防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)分析結(jié)果，防護(hù)堤修建后，長垣灘應(yīng)達(dá)到20a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，長平灘長清、平陰縣城段應(yīng)達(dá)到30a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其他灘區(qū)應(yīng)達(dá)到10a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)有兩種途徑，一是直接按照設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)修建防護(hù)堤，不設(shè)置滯洪區(qū)；二是通過修建低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)堤，結(jié)合滯洪區(qū)運(yùn)用達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)及滯洪區(qū)設(shè)置需進(jìn)行方案比選后綜合確定。根據(jù)新建灘區(qū)滯洪區(qū)分析結(jié)果，京廣鐵路橋以上及陶城鋪以下河段不再設(shè)置滯洪區(qū)，因此這兩個河段防護(hù)堤可直接按照設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)，均為防御10 000m3/s洪水。防護(hù)堤與滯洪區(qū)聯(lián)合運(yùn)用多方案分析比較僅針對京廣鐵路橋一陶城鋪河段，根據(jù)防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)及滯洪區(qū)布設(shè)提出兩類方案：第一類為不設(shè)置滯洪區(qū)方案，即方案一；第二類為設(shè)置滯洪區(qū)方案，即方案二至四。

（1）方案一：不設(shè)滯洪區(qū)方案。長垣灘按照防御12 200m3/s洪水（20a一遇標(biāo)準(zhǔn)）設(shè)置防護(hù)堤，其他灘區(qū)按照10a一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置防護(hù)堤。遇超防護(hù)堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)洪水時通過防護(hù)堤預(yù)設(shè)口門進(jìn)行分洪，灘區(qū)與河槽共同行洪運(yùn)用。

（2）方案二：全線防御8 000m3/s洪水方案（簡稱“8000m3/s防護(hù)堤方案”）。京廣鐵路橋以下至陶城鋪河段，防護(hù)堤全部按防御8000m3/s洪水設(shè)防?；▓@口站10a一遇、20a一遇洪水超8000m3/s的洪量分別為9.5億、16.5億m3。

長垣灘要達(dá)到20a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，需通過啟用滯洪區(qū)分滯超標(biāo)準(zhǔn)洪量16.5億m3。此時京廣鐵路橋一東壩頭河段的所有滯洪區(qū)（原陽灘、原封灘、中牟灘、開封灘）分洪7.72億m3后，還需啟用長垣灘（共劃分為11個分區(qū)，最大分洪量10.24億m3）的9～10個分區(qū)，或在啟用蘭考東明灘（最大分洪量6.06億m3）的基礎(chǔ)上再考慮啟用其他滯洪區(qū)。

（3）方案三：防御10000m3/s洪水方案（簡稱“原陽灘分洪方案”）。京廣鐵路橋以下至陶城鋪河段，防護(hù)堤全部按防御10000m3/s洪水設(shè)防?；▓@口站20a一遇洪水超10000m3/s洪量為1.26億m3。根據(jù)進(jìn)入下游河道的洪量和滯洪區(qū)最大可分洪量關(guān)系，處理該量級洪水可通過啟用區(qū)間任何一個滯洪區(qū)解決。由于原陽灘位于最上端，因此利用原陽灘上部的分區(qū)即可處理洪峰流量超10000m3/s的洪水。

通過運(yùn)用原陽灘滯洪區(qū)（共劃分為9個分區(qū)，最大分洪量3.8億m3）的3～4個分區(qū)，分滯超10000m3/s洪量1.26億m3，將原陽灘第4分區(qū)以下河段洪峰流量削減至10000m3/s，相當(dāng)于其下防護(hù)堤全部提高到花園口站20a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其他灘區(qū)實(shí)際防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到或超過設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（4）方案四：組合方案（簡稱“中牟灘分洪方案”）。京廣鐵路橋以下至陶城鋪河段，防護(hù)堤全部按防御10000m3/S洪水設(shè)防?；▓@口站20a一遇洪水超10000m3/S洪量為1.26億m3。與原陽灘比較，中牟灘內(nèi)人口相對較少，為減輕分洪造成的社會影響，當(dāng)發(fā)生10a一遇洪水時，可以首先考慮采用中牟灘分洪，此情況下上游右岸的邙金灘、左岸的原陽灘自然分洪。利用中牟灘分洪1.26億m3（10000m3/s洪水下最大可分洪量為1.54億m3），中牟灘以下防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)提高到20a一遇，此時其他灘區(qū)實(shí)際防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到或超過設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合其他相關(guān)研究成果對以上4個方案進(jìn)行分析：從對下游河道淤灘刷槽影響效果來看，方案二至四漫灘系數(shù)（洪峰流量/平灘流量）為2.0～2.5[5-7]，方案一長垣濰河段防護(hù)堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為12200m3/s，漫灘系數(shù)接近3，對灘槽交換影響較大。從對河道沖淤影響看，設(shè)置滯洪區(qū)會加重主槽淤積，且分沙效果較差。從保灘效果看，4個方案通過防護(hù)堤或結(jié)合滯洪區(qū)運(yùn)用整體上均可處理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，但不設(shè)滯洪區(qū)方案最優(yōu)，中牟灘分洪方案次之，8000m3/s防護(hù)堤方案最差。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，通過計(jì)算各方案差額投資、多年平均保灘效益及差額投資內(nèi)部收益率，方案三較優(yōu)。從對灘區(qū)安全建設(shè)的影響來看，各方案分洪運(yùn)用后對已實(shí)施灘區(qū)安全建設(shè)村臺的安全性影響不大，可不作為影響因素，但從方案實(shí)施后對下一步安全建設(shè)設(shè)施的影響看，不設(shè)滯洪區(qū)方案中防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇，灘區(qū)88.5萬人仍需進(jìn)行安全建設(shè)安置，方案二至四中運(yùn)用的滯洪區(qū)內(nèi)人口需進(jìn)行安全建設(shè)安置，從安置規(guī)?？矗桨杆淖顑?yōu)。從對防洪調(diào)度運(yùn)用及社會影響上看，設(shè)置滯洪區(qū)對大洪水漫灘行洪影響較大，調(diào)度運(yùn)用產(chǎn)生的社會影響較大。綜合分析，不設(shè)滯洪區(qū)方案相對較優(yōu)，作為本研究推薦方案。

推薦方案具體運(yùn)用方式為：發(fā)生10a一遇以下洪水時，河槽過洪，利用防護(hù)堤保障標(biāo)準(zhǔn)以下洪水灘區(qū)防洪安全；發(fā)生10～20a一遇洪水時，陶城鋪以上的長垣灘以及陶城鋪以下的長清、平陰縣城段利用防護(hù)堤保障灘區(qū)防洪安全，其余灘區(qū)全部行洪；發(fā)生20～30a一遇洪水時，陶城鋪以下的長清、平陰縣城段利用防護(hù)堤保障灘區(qū)防洪安全，其余灘區(qū)全部行洪；發(fā)生30a一遇以上洪水時，下游灘區(qū)全部行洪運(yùn)用。

6 結(jié)論

本研究對黃河下游河道改造與灘區(qū)治理方案設(shè)置格局進(jìn)行了分析，通過對灘區(qū)設(shè)置防護(hù)堤及灘區(qū)滯洪區(qū)方案的分析，得出初步研究結(jié)論：為進(jìn)一步緩解黃河下游灘區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和治河日益突出的矛盾，可在目前黃河下游灘區(qū)內(nèi)，按照2.1～4.9km的堤距新建兩道防護(hù)堤，長垣灘修建20a一遇標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤，長平灘長清、平陰縣城段修建30a一遇防護(hù)堤，其他灘區(qū)修建10a一遇標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤。防護(hù)堤修建后，明確兩道防護(hù)堤之內(nèi)為河槽，防護(hù)堤與黃河大堤之間為灘區(qū)；發(fā)生設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時，充分利用河槽行洪輸沙。灘區(qū)是泄洪通道的一部分，在河槽泄洪能力不足時用于擴(kuò)大泄洪斷面，增強(qiáng)泄洪能力，不同河段灘區(qū)根據(jù)防護(hù)堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用概率有所不同，但目前尚未充分考慮方案實(shí)施對黃河下游河道沖淤的影響，同時防護(hù)堤修建后，給未來的洪水預(yù)報、洪水調(diào)度、工程搶險與管理可能帶來不利影響。下一步將結(jié)合該方案與基準(zhǔn)方案河道沖淤結(jié)果的對比分析以及其他因素，對方案進(jìn)行綜合比選論證。

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