倪 晉，虞邦義，張 輝，王久晟

(安徽省(水利部淮河委員會(huì))水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000)

淮河自然災(zāi)害頻繁，是我國(guó)治理難度最大的河流之一。近年來(lái)受人類活動(dòng)和氣候變化等因素的影響，淮河的水沙特征發(fā)生了顯著的變化[1]，如干流主要測(cè)站魯臺(tái)子的年均輸沙量由1950年代的1800萬(wàn)t，減少至2000年之后的300萬(wàn)t左右[2]。淮河水沙變化如此之大，如此之快，未來(lái)趨勢(shì)如何，淮河治理開發(fā)戰(zhàn)略決策是否隨之有重大調(diào)整，已成為新時(shí)期淮河治理的重大科技問(wèn)題。為了更深入地理解淮河水沙演變的特征，本文通過(guò)多種水文統(tǒng)計(jì)方法對(duì)徑流量和輸沙量的歷史變化和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行分析，并探討了淮河干流的治理方向，以期為流域水沙資源的配置和治淮方略的制定提供支撐。

1 水沙變化特征

魯臺(tái)子站、吳家渡站均為淮河干流上的重要水文站點(diǎn)，前者幾乎控制了淮河水系所有的山區(qū)來(lái)水，后者基本反映了淮河入洪澤湖的徑流總量，且兩站的水沙記錄自1950年代觀測(cè)至今，有近70年的徑流量和輸沙量的連續(xù)資料。因此，本文選擇這兩個(gè)站點(diǎn)作為代表分析淮河干流的水沙變化特征。

1.1 水沙歷史變化

將淮河干流魯臺(tái)子站和吳家渡站1950—2015年共66年系列徑流量和含沙量分年代和五年滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1—4所示。

圖1 魯臺(tái)子站徑流量逐年變化

圖2 吳家渡站徑流量逐年變化

圖3 魯臺(tái)子站含沙量逐年變化

圖4 吳家渡站含沙量逐年變化

由圖1與圖2可知，1950—2015年魯臺(tái)子站和吳家渡站多年平均徑流量分別為211.5億m3和266.1億m3，不同年代與五年滑動(dòng)平均徑流量總體呈隨機(jī)變化特征，并無(wú)明顯增加或減少的趨勢(shì)。由圖3與圖4可知，1950—2015年魯臺(tái)子站與吳家渡站多年平均含沙量分別為0.32kg/m3和0.28kg/m3。通過(guò)對(duì)五年滑動(dòng)平均值進(jìn)行線性擬合可知，魯臺(tái)子站和吳家渡站含沙量分別以0.0132(kg·m-3)/a、0.0077(kg·m-3)/a的趨勢(shì)減少，各年代含沙量隨時(shí)間推移均呈明顯遞減趨勢(shì)，2000年以后兩站含沙量基本穩(wěn)定在0.1kg/m3和0.2kg/m3以下。

1.2 來(lái)沙未來(lái)變化趨勢(shì)

在水沙歷史資料統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用R/S分析法和小波變換進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來(lái)輸沙量的變化情勢(shì)。其中，R/S分析法用來(lái)分析輸沙量時(shí)間序列的趨勢(shì)性，小波變換用來(lái)分析來(lái)沙量的周期性變換規(guī)律。由于Morlet小波[3]在時(shí)間和頻率范圍內(nèi)均有較好的特征，本文選用其作為母函數(shù)進(jìn)行分析。

R/S分析法計(jì)算結(jié)果及未來(lái)趨勢(shì)分析見表1。由表1可知，魯臺(tái)子站含沙量時(shí)間序列的Hurst指數(shù)H=0.6658>0.5，表明未來(lái)一段時(shí)間輸沙過(guò)程具有持續(xù)性與正相關(guān)性，即未來(lái)變化趨勢(shì)將和含沙量歷史總體趨勢(shì)保持相同，結(jié)合上述分析可知，魯臺(tái)子站含沙量在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)整體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；吳家渡站含沙量時(shí)間序列的Hurst指數(shù)H=0.6437>0.5，也說(shuō)明吳家渡站含沙量在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)總體上呈現(xiàn)減小的態(tài)勢(shì)，魯臺(tái)子站與吳家渡站未來(lái)含沙量變化趨勢(shì)大體一致。

表1 近66年吳家渡站來(lái)沙量R/S法分析結(jié)果及未來(lái)趨勢(shì)判斷

Morlet小波分析結(jié)果如圖5所示，圖中實(shí)線代表正值，對(duì)應(yīng)多沙期；虛線代表負(fù)值，對(duì)應(yīng)少沙期。實(shí)線與虛線交匯的地方加粗實(shí)線，即等值線為0的地方是突變的時(shí)間點(diǎn)，等值線疏密與指標(biāo)的偏少和偏多時(shí)期是對(duì)應(yīng)的。整體上左邊的等值線密度大于右邊，表明近70年來(lái)，魯臺(tái)子站和吳家渡站含沙量總體上保持減少的趨勢(shì)，這與R/S分析法得到的結(jié)論相一致；兩站輸沙過(guò)程均以7—8年為振蕩周期，在整個(gè)研究區(qū)域都很明顯，具有全域性，且該周期中往往還嵌套著較小尺度的變換周期。由于2015年負(fù)位等值線并未封閉，表明兩站在2015年以后一段時(shí)間將繼續(xù)處于少沙期。

圖5 含沙量序列小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

2 治理方向探討

2.1 進(jìn)一步擴(kuò)大主槽

經(jīng)過(guò)多年的治理，淮河中游抗御大洪水的防洪體系已相對(duì)比較完整，當(dāng)前亟待解決的是中小洪水問(wèn)題。由于淮河主槽淺窄，平灘流量不足，中小洪水位較高，造成洪澇災(zāi)害問(wèn)題突出。根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析[2]，淮河干流洪河口至正陽(yáng)關(guān)段平灘流量為1500m3/s，正陽(yáng)關(guān)至渦河口約2500～3000m3/s，渦河口以下約3000～3500m3/s。各段平灘流量?jī)H相當(dāng)于設(shè)計(jì)流量的25%左右。平槽泄量太小，使得洪水上灘頻率較高，漫灘時(shí)間較長(zhǎng)，如2003年、2007年兩場(chǎng)中等洪水，漫灘時(shí)間長(zhǎng)達(dá)50～60d[4]，嚴(yán)重影響兩岸支流及洼地澇水的外排。

要給淮河中小洪水一個(gè)通暢的出路，就需要對(duì)淮河干流河道進(jìn)行疏浚，以往的規(guī)劃中也研究過(guò)河道疏浚的方案，但由于擔(dān)心回淤的問(wèn)題而未能實(shí)施。近年來(lái)，淮河泥沙大幅度減少，部分河段由淤轉(zhuǎn)沖[5]，為疏浚擴(kuò)挖主槽，打開中小洪水通路，提供了有利的外部條件。2007年大水后，淮委會(huì)同安徽省水利廳首次采用長(zhǎng)距離、大規(guī)模疏浚的方式對(duì)淮河干流蚌埠至浮山段進(jìn)行治理。

動(dòng)床模型的計(jì)算分析表明，該工程實(shí)施后蚌浮段仍將維持微沖的態(tài)勢(shì)，沒(méi)有發(fā)生大規(guī)模的回淤現(xiàn)象。因此將疏浚作為今后一段時(shí)期淮河河道整治的主要措施是合適的。

2.2 適當(dāng)擴(kuò)大部分河段的灘地

隨著淮河干流擴(kuò)大泄量工程的陸續(xù)實(shí)施，正陽(yáng)關(guān)以上河道的行洪寬度已拓寬為1.5～2km，堤距較為理想；而正陽(yáng)關(guān)以下許多河段堤距不足1000m，部分卡口河段僅500～600m。對(duì)比沿程各河段平均灘寬與平均槽寬可知，正陽(yáng)關(guān)以上平均灘寬是平均槽寬的兩倍以上，而正陽(yáng)關(guān)以下河段平均灘寬小于平均平槽河寬，蚌埠以下河段平均灘地寬度更小。

由于淮河干流斷面形式基本為高灘深槽模式，灘地過(guò)流能力明顯不如主槽，退堤100m的效果大約相當(dāng)于主槽擴(kuò)大17m2[6]，而且退堤還涉及占地、拆遷安置等諸多問(wèn)題，因此不論是從經(jīng)濟(jì)角度還是實(shí)施的難易程度來(lái)講，退堤都是不劃算的。正是由于上述原因，在近期淮河治理中，河道被渠化傾向比較明顯，干流河道的灘地寬度嚴(yán)重不足。但是，治理河道不能只算經(jīng)濟(jì)帳，從河床演變的角度來(lái)看，主槽和灘地相互聯(lián)系，相互影響，關(guān)系密切?；春訛┎鄹卟畲?，灘地行洪能力低，主流集中，正是河道穩(wěn)定的良好表現(xiàn)。近年來(lái)，隨著來(lái)沙減少，正陽(yáng)關(guān)以下河道除了深泓下切之外，最明顯的特征就是灘坎坍塌，主槽展寬。首先是上游來(lái)沙較少，大水年刷尖切灘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成灘地減少；其二是上灘水流，挾沙量也太少，很難起到淤灘固灘的作用。灘地的減少，不僅降低了正陽(yáng)關(guān)以下河道水沙調(diào)節(jié)能力，而且使得水流的集中程度降低，灘槽的差別減少，影響河槽的穩(wěn)定，更有甚者還會(huì)造成堤腳被沖淘，影響堤防的安全。因此，建議有條件的河道盡量退堤，維持合理的灘地規(guī)模，使河道斷面形式趨于合理。

3 結(jié)論

(1)1950—2015年魯臺(tái)子站和吳家渡站年徑流量總體呈隨機(jī)變化特征，并無(wú)明顯增加或減少的趨勢(shì)，含沙量分別以0.0132(kg·m-3)/a和0.0077(kg·m-3)/a的趨勢(shì)減少，2000以后含沙量基本穩(wěn)定在0.1kg/m3和0.2kg/m3以下。

(2)利用R/S分析法和Morlet小波分析對(duì)魯臺(tái)子站和吳家渡站未來(lái)含沙量趨勢(shì)進(jìn)行了分析，表明兩站含沙量未來(lái)一段時(shí)間整體繼續(xù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)并處于少沙期。

(3)從水沙變化與河床演變的角度，提出了進(jìn)一步擴(kuò)大主槽和適當(dāng)擴(kuò)大部分河段灘地的的治理思路。