黃河下游灘區(qū)行洪和沉沙功能演變分析

田勇 李勇 孫一 伊?xí)匝?/p>

摘要：黃河下游灘區(qū)的行洪和沉沙作用未來究竟有多大，是灘區(qū)治理戰(zhàn)略方向確定的關(guān)鍵依據(jù)。利用實測資料，系統(tǒng)分析了黃河下游實測洪水泥沙變化、灘區(qū)不同時期行洪和泥沙淤積變化。結(jié)果表明：受洪水量級大幅減小、河道整治工程相對完善以及灘區(qū)生產(chǎn)堤建設(shè)等綜合因素影響，1986年以來灘區(qū)行洪和沉沙功能與歷史時期相比已顯著減弱。采用數(shù)學(xué)模型對比分析了下游河道“現(xiàn)狀格局”和“徹底廢除生產(chǎn)堤”兩個方案灘區(qū)的沉沙作用，結(jié)果表明：在潼關(guān)年均來沙3億t條件下，未來50 a內(nèi)灘區(qū)基本不發(fā)揮沉沙作用;來沙6億t條件下，未來50 a內(nèi)灘區(qū)發(fā)揮一定的沉沙作用;從灘區(qū)泥沙淤積比例這個關(guān)鍵指標(biāo)看，“廢除生產(chǎn)堤”方案僅比“現(xiàn)狀格局”方案高2%。提出了重新對灘區(qū)行洪和沉沙功能進(jìn)行戰(zhàn)略定位的建議。

關(guān)鍵詞：行洪;沉沙;功能定位;灘區(qū)治理;黃河下游

中圖分類號：TV853;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.02.007

1 黃河下游干流實測洪水泥沙變化

1.1 控制站1980年以后洪峰流量大于10 000 m3/s的洪水顯著減少

1950-1979年30 a間，潼關(guān)站有9a發(fā)生了洪峰流量大于10 000 m/s的洪水。1980之后沒有發(fā)生過洪峰流量大于10 000 m/s的洪水。1999年至今，洪峰流量均小于6 000 m/s。1949-1959年，花園口有Sa發(fā)生了洪峰流量超過10 000 m/s的洪水，其中1958年洪峰流量為22 300 m3/s，超萬洪量（流量超過10 000 m/s的洪量）為9.4億m。1960-1985年，花園口有2a發(fā)生了洪峰流量超過10 000m/s的洪水，其中1982年洪峰流量為15 300 m/s.超萬洪量為5.8億m。1986年至今，花園口沒發(fā)生洪峰流量大于10 000 m/s的洪水。特別是2000年小浪底水庫運用以后，花園口僅2010年發(fā)生了洪峰流量超過4 000m/s的洪水。潼關(guān)和花園口站歷年最大洪峰值見圖1。

1.2 潼關(guān)站1980年以后來沙明顯減少

黃河天然時期（1919-1959年）年均沙量為16億t。1960-1979年潼關(guān)年均沙量為13.7億t，其中1964年、1966年、1967年和1977年沙量超過20億t。1980-1999年潼關(guān)年均來沙7.8億t，其中1981年、1988年、1994年和1996年沙量超過10億t。2000-2017年潼關(guān)年均來沙2.4億t，其中2003年超過6億t。潼關(guān)站逐年實測輸沙量變化見圖2。

2 黃河中下游干支流控制性水庫建設(shè)及其影響

2.1 水庫建設(shè)概況

人民治黃70多a來，中下游興建的干支流水庫群為黃河水沙調(diào)控提供了關(guān)鍵支撐。水庫建設(shè)和防洪庫容信息[1]統(tǒng)計見表1。

2.2 水庫群建設(shè)對下游洪水泥沙的影響

（1）對實測洪水的影響。從防洪角度看，經(jīng)現(xiàn)有工程體系調(diào)控后.1919年以來的實測大洪水基本可做到控制花園口站洪峰流量不超過10 000 m/s.見表2[2]。例如，實測洪峰較大的1954年、1958年和1982年洪水，洪峰流量分別由實測的15 000、22 300、15 300m3/s削減為7 620、9 620、8 670 m/s。

（2）對設(shè)計洪水的影響。三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村5座水庫聯(lián)合調(diào)度，可顯著削減不同頻率洪水的洪峰流量。水庫群調(diào)控后，可將花園口斷面1000 a一遇洪水的洪峰流量由42 300 m/s削減至22 600 m/s.100 a 一遇洪水的洪峰流量由29 200 m/s削減至14 800 m/s，10 a-遇洪水的洪峰流量由16 600 m/S削減至10 000 m/s，見圖3[3]。（3）對輸沙洪水的影響。黃河洪水分為上大洪水、上下較大洪水、下大洪水三類。泥沙主要來源于潼關(guān)以上，對潼關(guān)以上可能來沙的上大洪水和上下較大洪水，在現(xiàn)狀工程體系運用條件下，洪水調(diào)度預(yù)案表明進(jìn)入下游的含沙洪水洪峰流量都控制在10 000 m/s以下。

3 下游灘區(qū)格局變化過程

灘區(qū)格局的形成與黃河下游堤防、河道整治工程和生產(chǎn)堤的發(fā)展歷程息息相關(guān)，堤防、河道整治工程、生產(chǎn)堤共同構(gòu)建了灘區(qū)現(xiàn)狀邊界。圖4為夾河灘至高村河段灘區(qū)格局。

3.1 黃河堤防

黃河下游堤防與河道變遷有關(guān)。河南孟津至武陟沁河口為禹王故道，有數(shù)千年的歷史：沁河口至蘭考東壩頭為明清時期的老河道，已有500多a的歷史;東壩頭至山東利津為清咸豐五年（公元1855年）銅瓦廂決口后的河道，已行河163 a。

下游堤防多為明、清時期逐步修建而成，經(jīng)過20世紀(jì)50年代以來的數(shù)次培修加固，已比較完整。標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)完成后，下游堤防的防洪能力將全線提高。

3.2 河道整治工程

下游有計劃進(jìn)行河道整治始于20世紀(jì)50年代，是自下而上分段進(jìn)行的。至1958年，濼口以下工程長度為48.84 km，險工和護(hù)灘工程的總長度約占河道長度的60%，兩種工程相配合，控制了大部分河彎。

三門峽水庫蓄水?dāng)r沙期下游河勢變化劇烈，塌灘迅速，導(dǎo)致20世紀(jì)60年代后期游蕩型河段（白鶴一高村河段）河道整治工作快速發(fā)展，一直延續(xù)到1974年。1966年后重點對高村至陶城鋪的過渡性河段進(jìn)行了整治，其中1965-1974年是高村至陶城鋪河段河道整治大發(fā)展的時期。

1998年“三江”大水后，國家進(jìn)一步加大了水利投資力度。截至2001年黃河下游游蕩型河段共計修建險工（控導(dǎo)）（不含沁河和金堤險工）工程2 230道壩垛，工程總長度300.75 km.對控制河勢發(fā)揮了較大作用。

至2008年，黃河下游共建設(shè)險工135處、壩垛護(hù)岸5 279道，工程總長度310.5 km，控導(dǎo)工程219處、壩垛4 573道，工程總長度421.3 km。

3.3 生產(chǎn)堤

為保護(hù)耕地，下游沿岸群眾很早就有修建“民埝”的實踐，后改稱“生產(chǎn)堤”。生產(chǎn)堤在不同時期經(jīng)歷了“修和廢”的多次反復(fù)，存廢之爭由來已久，但生產(chǎn)堤基本上長期存在。

由于生產(chǎn)堤的存在，因此大堤長期不靠河，生產(chǎn)堤與大堤之間洪水漫灘落淤概率小，造成灘地越來越低洼，極易發(fā)生“橫河”，生產(chǎn)堤潰決后水流集中直沖大堤，歷史上多次出現(xiàn)因生產(chǎn)堤決口造成大堤決口的情況，如1933年蘭考四明堂決口、1935年鄄城董莊決口等。為減小生產(chǎn)堤潰決后水流集中直沖大堤的風(fēng)險，黃委于1948年8月正式提出了“廢除民埝”的建議。

隨著三門峽水利樞紐工程的開工建設(shè).1958年汛后灘區(qū)又陸續(xù)修筑生產(chǎn)堤，按照“小水保豐收，大水減災(zāi)害”的要求，生產(chǎn)堤要預(yù)留口門，當(dāng)秦廠站發(fā)生洪峰流量大于10 000 m/s的洪水時，相機(jī)扒開生產(chǎn)堤，擴(kuò)大河道排洪能力，削減洪峰，以保證黃河大堤的安全。

1964年汛后至1973年，三門峽水庫滯洪排沙運用，加之1969-1973年黃河枯水多沙，下游河道出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的淤積，主槽平灘流量急劇減小，而且逐漸形成“二級懸河”，暴露出生產(chǎn)堤的較大危害性。1973年，黃委在黃河下游治理工作會議上提出了《關(guān)于廢除黃河下游灘區(qū)生產(chǎn)堤實施的初步意見》，明確提出破除生產(chǎn)堤，修筑避水臺，實行“一水一麥”，一季留足群眾全年口糧。由于對生產(chǎn)堤的危害認(rèn)識不足，因此國務(wù)院關(guān)于廢除生產(chǎn)堤的批示精神并未得到貫徹和落實，國家防辦和黃河防總每年汛前均要求破除，但不時出現(xiàn)生產(chǎn)堤堵復(fù)和新修現(xiàn)象。如1982年8月花園口站出現(xiàn)洪峰流量15 300 m/s的洪水，生產(chǎn)堤大部分被沖決，但洪水之后又被群眾修復(fù)。

1987年防汛工作實行行政首長負(fù)責(zé)制后，清障工作取得了突破性進(jìn)展，按生產(chǎn)堤長度的1/5進(jìn)行了破除，1987年破除生產(chǎn)堤長度100 km。

2004年，豫魯兩省政府明確要求調(diào)水調(diào)沙期間不準(zhǔn)漫灘，各地有組織地全面加修加固了生產(chǎn)堤，不少河段修到了主槽邊。根據(jù)黃河下游河道圖統(tǒng)計，2007年左右黃河下游花園口一濼口生產(chǎn)堤長度為662.5 km.若計算全下游則已達(dá)到1 002.9 km。不同時期生產(chǎn)堤長度統(tǒng)計匯總見表3。

4 下游寬河段灘區(qū)的行洪和滯沙作用及變化

4.1 歷史上灘區(qū)發(fā)揮了巨大的行洪滯洪沉沙作用

黃河下游發(fā)生大洪水時，灘區(qū)就是一個大的行洪滯洪區(qū)，對洪水有顯著的滯洪削峰作用。1958年和1982年花園口站洪峰流量分別為22 300、15 300 m/s，對應(yīng)的孫口站洪峰流量分別為15 900、10 100 m/s，分別削峰29%、34%（見表4）?；▓@口至孫口河段滯洪量分別為25.89億、24.54億m，相當(dāng)于故縣水庫和陸渾水庫2017年防洪總庫容的3倍，起到了明顯的滯洪作用，大大減輕了山東窄河段的防洪壓力。

黃河灘區(qū)歷史上具有巨大的沉沙作用。1950年6月-1999年10月，黃河下游河道累計淤積泥沙93億t，其中灘區(qū)落淤沉沙63.70億t，約占整個下游河道淤積量的70%。大漫灘洪水期黃河下游寬河段的灘區(qū)淤積量非常大.1958年和1982年灘地淤積量甚至超過花園口來沙量，見表5。

4.2 現(xiàn)狀格局灘區(qū)行洪功能明顯減弱

對比3場實測漫灘洪水的流速和水深情況（見圖5）可知，在老灘水深變化不大的條件下，1958年高村老灘平均流速為0.9 m/s.1982年、1996年只有0.19 m/s，約為1958年的20%。1958年以后，灘區(qū)河道整治工程、生產(chǎn)堤、公路等建筑物不斷增多，是造成漫灘水流速度明顯降低的原因。在這種流速極低的水流條件下，老灘的行洪作用顯著減弱。

通過數(shù)學(xué)模型計算，給出了1958年型洪水現(xiàn)狀邊界條件下高村站灘槽過流情況（見表6）。從表6可知，1958年高村斷面老灘實測過流比為27%;現(xiàn)狀邊界條件下，數(shù)學(xué)模型計算的1958年型千年一遇洪水老灘過流比降低到12%。在河道流量相近條件下，現(xiàn)狀邊界老灘的行洪作用明顯減弱。

4.3 現(xiàn)狀格局灘區(qū)沉沙功能明顯減弱

圖6為不同時期下游灘區(qū)淤積及分布情況，結(jié)合前文水沙變化和工程建設(shè)情況，對各時期灘區(qū)泥沙淤積綜合分析如下。

1950-1964年，灘區(qū)年均淤沙1.99億t，其中老灘淤積1.32億t（占灘區(qū)淤積量的66%）。該時段黃河下游發(fā)生了7場洪峰流量在10 000 m/S以上的洪水，潼關(guān)年均沙量為15.7億t，河道整治工程尚未系統(tǒng)建設(shè)，漫灘洪水比較容易遍及整個灘區(qū)?？梢钥闯觯摃r期灘區(qū)淤積絕對量較大，且老灘淤積比例也較大，如1958年洪水，楊小寨和高村斷面灘槽同步抬升（見圖7），灘區(qū)沉沙功能顯著。

1965-1973年，灘區(qū)年均淤沙0.38億t，其中老灘淤積0.14億t（占灘區(qū)淤積量的37%）。該時期黃河下游沒有發(fā)生洪峰流量在10 000 m/s以上的洪水，潼關(guān)年均來沙13.7億t.河道整治工程已經(jīng)大規(guī)模系統(tǒng)建設(shè)，生產(chǎn)堤長度接近500 km。可以看出，由于沒有大洪水，加上工程控制，因此該時期灘區(qū)淤積絕對量較小，且老灘淤積比也減小。

1974-1985年，灘區(qū)年均淤沙0.74億t.其中老灘淤積0.56億t（占灘區(qū)淤積量的76%）。黃河下游發(fā)生了2場洪峰流量在10 000 m/s以上的洪水，潼關(guān)年均來沙10.7億t.河道整治工程和生產(chǎn)堤情況與上一時段接近?？梢钥闯?，由于發(fā)生了2場大洪水，因此雖然有工程控制，但該時期灘區(qū)淤積絕對量比沒有大洪水的上一時期明顯增大，且老灘淤積比也明顯增大。

1986-1999年，灘區(qū)年均淤沙0.25億t，其中老灘淤積0.12億t（占灘區(qū)淤積量的48%）;2000-2016年，灘區(qū)年均淤沙0.03億t，老灘基本沒有泥沙淤積。可以看出，1986年以后，在洪水和泥沙均大幅減少的條件下，由于河道整治工程和生產(chǎn)堤控制，因此中小洪水漫灘只能通過生產(chǎn)堤口門側(cè)向進(jìn)入灘區(qū)，灘槽水沙交換顯著減弱，灘區(qū)淤積很少。如1996年發(fā)生了洪峰流量為7 860 m/s的洪水，泥沙淤積主要集中在生產(chǎn)堤口門附近約2 km范圍內(nèi)的灘面上，遠(yuǎn)離主槽的灘區(qū)尤其是堤根附近泥沙淤積很少（見圖8）。

4.4 不同水沙條件下灘區(qū)泥沙淤積分析

考慮潼關(guān)年均來沙量3億t、相應(yīng)四站（龍門、華縣、河津、浂頭四站）年均來水242.32億m以及潼關(guān)年均沙量為6億t、相應(yīng)四站年均來水254.63億m兩種水沙條件，計算了水庫正常運用期（不攔沙），下游河道“現(xiàn)狀格局”和“廢除生產(chǎn)堤”兩個方案灘區(qū)的沉沙作用，其中“現(xiàn)狀格局”是指維持下游現(xiàn)有河道整治工程和生產(chǎn)堤。

計算表明，在來沙3億t條件下，兩個方案下游河道50 a內(nèi)基本處于沖淤平衡或略有沖刷狀態(tài)，灘區(qū)基本沒有淤積，也就是說灘區(qū)沒有發(fā)揮沉沙作用;來沙6億t條件下，兩個方案下游河道泥沙淤積都接近50億t（年均1億t），灘區(qū)發(fā)生了淤積，也即灘區(qū)發(fā)揮了一定的沉沙作用。下面重點對潼關(guān)年均來沙6億t條件下的灘區(qū)沉沙作用進(jìn)行分析。

圖9為不同治理方案下黃河下游河道50 a內(nèi)沿程累計沖淤情況?！艾F(xiàn)狀格局”方案累計淤積42.74億t，其中灘區(qū)淤沙10.88億t，占總淤積量的26%;“廢除生產(chǎn)堤”方案整個下游河道50 a累計淤積52.54億t.其中灘區(qū)淤沙14.85億t，占總淤積量的28%。與1950-1999年實測灘區(qū)淤積比例為70%相比，受河道控導(dǎo)工程影響，給定水沙系列下下游洪水淤灘能力已經(jīng)降低，兩個方案中灘區(qū)滯沙功能都明顯減弱。進(jìn)一步對比兩個方案灘區(qū)泥沙淤積比例發(fā)現(xiàn)，“廢除生產(chǎn)堤”方案僅比“現(xiàn)狀格局”方案高2%.泥沙淤積橫向分布改善并不明顯，幾乎可以忽略。

5 結(jié)論和建議

黃河下游灘區(qū)格局的形成與堤防、河道整治工程和生產(chǎn)堤的發(fā)展歷程息息相關(guān)，堤防、河道整治工程、生產(chǎn)堤共同構(gòu)建了灘區(qū)現(xiàn)狀邊界。研究表明，灘區(qū)行洪和沉沙功能變化受水沙條件和灘區(qū)邊界條件變化的共同影響。

實測洪峰流量在10 000 m/s以上的大漫灘洪水發(fā)生次數(shù)大幅減少，加上灘區(qū)阻水建筑物不斷增多，使得現(xiàn)狀灘區(qū)行洪作用與歷史時期相比明顯減弱。對3場不同時期實測漫灘洪水的分析表明，在老灘水深相近的條件下.1958年高村老灘平均流速為0.9 m/s.1982年和1996年只有0.19 m/s，近年漫灘洪水水流速度比1958年顯著減小。1958年高村斷面實測洪峰流量為17 400 m/s時老灘過流比達(dá)27%，但現(xiàn)狀邊界條件下發(fā)生1958年型千年一遇洪水（洪峰流量19 900m/s）的老灘過流比將降低到12%。

受洪水量級和來沙量大幅減小的影響，現(xiàn)狀灘區(qū)沉沙功能與歷史時期相比也顯著減弱。1950-1964年，灘區(qū)年均淤沙1.99億t，其中老灘淤積1.32億t，灘區(qū)發(fā)揮了重要的沉沙作用。1986年以后，在洪水和泥沙均大幅減少的條件下，灘區(qū)泥沙淤積很少，特別是老灘年淤積量僅為0.1億t左右。數(shù)學(xué)模型研究表明，不考慮水庫攔沙，在潼關(guān)年均來沙3億t條件下，未來50a內(nèi)灘區(qū)不發(fā)揮沉沙作用;來沙6億t條件下，未來50a內(nèi)灘區(qū)將發(fā)揮一定的沉沙作用，從灘區(qū)泥沙淤積比例這個關(guān)鍵指標(biāo)看，“廢除生產(chǎn)堤”方案僅比“現(xiàn)狀格局”方案的灘區(qū)泥沙淤積比例高2%?？梢姡谖磥砜赡艿乃硹l件下，僅僅通過廢除灘區(qū)生產(chǎn)堤，并不能明顯改善下游河道泥沙淤積的橫向分布。建議依據(jù)未來灘區(qū)行洪和沉沙功能顯著減弱的特點，結(jié)合水沙調(diào)控體系建設(shè)和下游河道治理工程體系建設(shè)實際，統(tǒng)籌灘區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境建設(shè)需求，重新對灘區(qū)行洪和沉沙功能進(jìn)行戰(zhàn)略定位。

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