黃河下游“二級(jí)懸河”河段堤溝河治理試驗(yàn)研究

劉燕 李軍華 張向

摘 要：目前黃河下游的“二級(jí)懸河”形勢(shì)依然嚴(yán)峻，尤其在東壩頭以下河段，堤根低洼，橫比降均值為縱比降的8倍左右，黃河下游一旦發(fā)生較大洪水，漫灘水流極易在灘區(qū)串溝和堤溝河低洼地帶形成集中過(guò)流，堤溝河流速和水深較大，易造成重大的河勢(shì)變化，形成橫河、斜河，特別是滾河的可能性增大，水流頂沖堤防、順堤行洪都將嚴(yán)重威脅下游堤防的安全，甚至造成黃河大堤的沖決。為此，開展“二級(jí)懸河”形勢(shì)嚴(yán)重河段堤溝河的治理模型試驗(yàn)，與堤溝河現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：堤溝河治理后堤根流速減小，橫比降減小，可緩解“二級(jí)懸河”的不利態(tài)勢(shì)，減輕對(duì)大堤的威脅。

關(guān)鍵詞：二級(jí)懸河;順堤行洪;橫比降;黃河下游

中圖分類號(hào)：TV85;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.009

引用格式：劉燕，李軍華，張向.黃河下游“二級(jí)懸河”河段堤溝河治理試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2022，44（2）：41-44.

Abstract： At present， the situation of “secondary suspended river” in the lower Yellow River is still grim. Especially in the lower reaches of Dongbatou， the dike heel is low and the mean value of the transverse slope is about 8 times of the longitudinal slope. Once a major flood occurs in the lower Yellow River， the overbank flows are very easy to form a concentrated overflow in the series of gullies and low-lying areas of low land area in the beach area. Because of the large velocity and depth of low land area， it is easy to cause significant changes in the river regime and increase the possibility of forming “crossing and oblique river”， especially rolling river. The flow rushing dike and flood transporting along the dike will seriously threaten the safety of dikes in the lower reaches， and even cause the breakdown of the Yellow River dyke. For this reason， the model test of low land area control was carried out in the sections where the situation of “secondary suspended river” was serious. Comparing with the current situation of low land area， the results show that the velocity in the dike heel decreases and the transverse slope decreases after regulation， which can alleviate the disadvantageous situation of “secondary suspended river” and reduce the threat to the dike.

Key words： secondary suspended river;flood transporting along the dike;transverse slope;Lower Yellow River

1 研究背景

目前黃河下游的“二級(jí)懸河”形勢(shì)依然嚴(yán)峻，尤其在東壩頭以下河段，堤根低洼，橫比降均值為縱比降的8倍左右，黃河下游一旦發(fā)生較大洪水，漫灘水流極易在灘區(qū)串溝和堤溝河低洼地帶形成集中過(guò)流，堤溝河流速和水深較大，易造成重大的河勢(shì)變化，形成橫河、斜河，特別是滾河的可能性增大，水流頂沖堤防、順堤行洪都將嚴(yán)重威脅下游堤防的安全，甚至造成黃河大堤的沖決。為此，開展了“二級(jí)懸河”堤溝河的治理模型試驗(yàn)，以期為“二級(jí)懸河”治理可行性研究提供科學(xué)依據(jù)。

2 黃河下游“二級(jí)懸河”形勢(shì)

表1為黃河下游各河段2017年平均唇灘高差和橫比降情況，可看出，2017年唇灘高差最大的是高村至陶城鋪河段，最大超過(guò)1.4 m;其次是花園口至高村河段，唇灘高差右岸大于左岸。臨河灘面平均高程的變化相對(duì)較小，唇灘高差的變化主要反映了灘唇高程的變化。高村至陶城鋪河段橫比降較大，左右側(cè)平均值達(dá)0.093%;花園口至高村河段次之，右側(cè)橫比降大于左側(cè)。

從各河段唇灘高差和橫比降情況可以得出，“二級(jí)懸河”較為嚴(yán)重的河段在高村至陶城鋪之間，且主要分布在左岸習(xí)城灘、陸集灘、清河灘和右岸左營(yíng)灘;花園口至高村“二級(jí)懸河”嚴(yán)重河段主要分布在左岸長(zhǎng)垣灘和右岸蘭東灘。

3 模型試驗(yàn)邊界及水沙條件

3.1 邊界條件

模型模擬范圍自小浪底至陶城鋪河段（見圖1，圖中粗線框內(nèi)為模型模擬河段），原型河道總長(zhǎng)476 km。模型水平比尺λL= 600，垂直比尺λH= 60。該模型是依據(jù)黃科院多年動(dòng)床模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和遵循黃河泥沙模型相似律[1]設(shè)計(jì)的，選取鄭州熱電廠粉煤灰作為模型沙。該模型先后用于小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式研究[2]、黃河下游防洪規(guī)劃治導(dǎo)線檢驗(yàn)與修訂[3]、小浪底至蘇泗莊河段模型試驗(yàn)研究[4]、小浪底至蘇泗莊河道模型2000年汛期洪水預(yù)報(bào)模型試驗(yàn)[5]、2016年黃河下游小浪底至陶城鋪河段洪水預(yù)演實(shí)體模型試驗(yàn)研究[6]、2017年黃河下游小浪底至陶城鋪河段洪水預(yù)演實(shí)體模型試驗(yàn)研究[7]、2018年黃河下游小浪底至陶城鋪河段洪水預(yù)演實(shí)體模型試驗(yàn)研究[8]、黃河下游游蕩性河道河勢(shì)演變規(guī)律及整治方案研究[9]等，模型試驗(yàn)是黃河下游治理最有效的研究手段之一。

模型初始地形采用2017年汛后地形。為提高制模精度，模型初始地形制作時(shí)除了根據(jù)白鶴至陶城鋪河段實(shí)測(cè)的206個(gè)黃河大斷面外，還專門布置、內(nèi)插了370個(gè)小斷面。在小斷面的內(nèi)插和模型制作過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘資料，并特別關(guān)注了沿程各斷面兩岸灘唇的模擬和制作，灘唇的位置與高程均根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面并結(jié)合河勢(shì)圖進(jìn)行內(nèi)插。

對(duì)于2017年以后新修的工程，通過(guò)收集各地河務(wù)局工程施工資料并結(jié)合衛(wèi)星遙感影像、現(xiàn)場(chǎng)查勘時(shí)無(wú)人機(jī)拍攝的工程現(xiàn)狀照片，對(duì)工程和橋梁模型進(jìn)行完善。

生產(chǎn)堤、渠堤、路堤、村莊、片林等均按1999年航攝和2000年調(diào)繪的1∶10 000黃河下游河道地形圖塑制，并結(jié)合最新的衛(wèi)星地圖和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況進(jìn)行了修正。此外，對(duì)河勢(shì)影響較大的浮橋、路堤，在模型中也進(jìn)行了體現(xiàn)。

3.2 堤溝河治理工程布設(shè)概況

《黃河下游河道綜合治理工程可行性研究》報(bào)告中提出加強(qiáng)重要堤段堤河整治，消除堤防沖決隱患，河南黃河河務(wù)局該期治理“二級(jí)懸河”項(xiàng)目采用堤溝河治理工程。堤溝河治理工程位于東壩頭至陶城鋪堤段，主要建筑物為淤填土體。本次試驗(yàn)就是為了檢驗(yàn)堤溝河治理工程的效果。由于僅靠近大堤對(duì)堤溝河進(jìn)行土體淤填，因此漫灘范圍大小與現(xiàn)狀試驗(yàn)僅限堤溝河范圍的區(qū)別，整體灘區(qū)漫灘范圍相差不大，且水位、含沙量與現(xiàn)狀相比沒有明顯變化，此次研究?jī)H從堤溝河處順堤行洪流速和灘地橫比降反映“二級(jí)懸河”的調(diào)整狀況。

堤溝河治理工程總長(zhǎng)126.3 km，涉及河南、山東兩省[10] （見表2），左岸布設(shè)在習(xí)城灘下部、辛莊灘、陸集灘和清河灘，右岸布設(shè)在蘭東灘和左營(yíng)灘，工程設(shè)計(jì)高程為當(dāng)?shù)貫┑仄骄叱?1 m。

3.3 水沙條件

根據(jù)黃河下游大洪水特性，“上大型”洪水通過(guò)三門峽、小浪底水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度，已逐步得到控制;“上下較大型”洪水的發(fā)生概率較小;“下大型”洪水隨著中游水庫(kù)群及支流水庫(kù)相繼投入防洪運(yùn)用，三門峽至小浪底區(qū)間以及伊洛河、沁河洪水得到有效控制，但小浪底至花園口區(qū)間（簡(jiǎn)稱“小花間”）尚有1.8萬(wàn)km2的無(wú)水庫(kù)工程控制區(qū)，該類型洪水洪峰高、漲勢(shì)猛、洪量集中且預(yù)見期很短，對(duì)黃河下游威脅非常嚴(yán)重。

根據(jù)黃委有關(guān)專家咨詢意見，選用《2016年黃河中下游洪水調(diào)度方案》[11]中設(shè)計(jì)的“下大型”洪水——1982年典型100 a一遇設(shè)計(jì)洪水。該設(shè)計(jì)洪水過(guò)程結(jié)束時(shí)流量為10 000 m3/s左右，考慮到洪水過(guò)程的完整性和模型測(cè)驗(yàn)需求，在設(shè)計(jì)流量過(guò)程結(jié)束后，本次試驗(yàn)又增加了4 d的4 000 m3/s和1 000 m3/s流量過(guò)程，相應(yīng)的含沙量分別為30、0 kg/m3。模型各進(jìn)口最終采用的水沙過(guò)程見圖2。模型試驗(yàn)采用水沙過(guò)程總水量為123.05億m3，總沙量為8.04億t;其中小浪底、黑石關(guān)、武陟水量分別為83.38億、29.47億、10.20億m3，沙量分別為6.41億、1.38億、0.25億t。

4 試驗(yàn)成果

4.1 灘區(qū)漫灘情況

圖3～圖7為“二級(jí)懸河”嚴(yán)重河段灘區(qū)漫灘情況，可以看出，蘭東灘漫灘水量不大，習(xí)城灘、陸集灘、左營(yíng)灘和清河灘基本全部漫灘。

4.2 順堤行洪流速及水深變化情況

由于堤溝河被填埋，因此洪水漫灘后，堤根流速減小，堤溝河邊緣串溝行洪流速較大（見表3）?，F(xiàn)狀方案測(cè)得蘭東灘、習(xí)城灘、辛莊灘、陸集灘、左營(yíng)灘和清河灘順堤行洪最大流速分別為1.60、1.50、1.50、2.50、2.10、3.00 m/s;堤河治理方案蘭東灘、習(xí)城灘、辛莊灘、陸集灘、左營(yíng)灘和清河灘順堤行洪最大流速分別為0.48、1.32、1.16、1.75、1.16、1.93 m/s，治理方案遠(yuǎn)小于現(xiàn)狀方案;治理方案蘭東灘、習(xí)城灘、陸集灘、左營(yíng)灘和清河灘堤溝河邊緣串溝行洪最大流速分別為0.61、2.25、2.02、0.39、2.40 m/s，也明顯小于現(xiàn)狀方案順堤行洪流速（習(xí)城灘除外，習(xí)城灘僅蘇泗莊以下進(jìn)行堤河治理），可見堤溝河治理后能減輕對(duì)大堤的威脅[12]。

4.3 灘地橫比降變化

本次堤溝河治理安排了習(xí)城灘三合斷面至彭樓斷面一部分堤段，陸集灘、左營(yíng)灘和清河灘全部堤段。通過(guò)計(jì)算習(xí)城灘、陸集灘、左營(yíng)灘、清河灘的初始狀態(tài)、堤河治理及現(xiàn)狀方案試驗(yàn)后的灘地平均橫比降的變化（見表4），可以發(fā)現(xiàn)，總的來(lái)說(shuō)堤溝河治理后灘區(qū)橫比降較初始狀態(tài)明顯變小，較現(xiàn)狀方案試驗(yàn)后橫比降有所減小。習(xí)城灘由于僅對(duì)三合至彭樓一段堤段治理，且彭樓是習(xí)城灘的出口，此次拉溝成槽，計(jì)算的橫比降較大，直接影響了整個(gè)灘區(qū)橫比降的變化，因此出現(xiàn)試驗(yàn)后橫比降較初始狀態(tài)大的情況。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)黃河下游“二級(jí)懸河”形勢(shì)、100 a一遇洪水條件下灘區(qū)漫灘情況、順堤行洪流速以及對(duì)灘區(qū)橫比降的分析，得出以下結(jié)論。

（1）目前黃河下游“二級(jí)懸河”形勢(shì)仍然嚴(yán)峻，“二級(jí)懸河”較為嚴(yán)重的河段為高村至陶城鋪河段。

（2）由于堤溝河被填埋，因此洪水漫灘后，堤根流速減小，堤溝河邊緣串溝行洪流速較大。

（3）堤溝河治理后灘區(qū)橫比降較初始狀態(tài)明顯變小，較現(xiàn)狀方案試驗(yàn)后橫比降有所減小。

由此可知，堤溝河治理可使堤根流速減小、橫比降減小，緩解“二級(jí)懸河”的不利態(tài)勢(shì)，減輕對(duì)大堤的威脅，但需注意堤溝河填埋后邊緣處行洪的狀況，提前做好應(yīng)對(duì)措施。

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【責(zé)任編輯 許立新】