李勇 田勇 馬靜 屈博
摘要:定量計算不同治理方案的利弊得失,是黃河下游灘區(qū)治理綜合決策的重要依據(jù)。考慮潼關(guān)年均來沙量3億t,龍門、華縣、河津、狀頭四站年均來水242.32億m3和潼關(guān)年均來沙量為6億t,龍門、華縣、河津、狀頭四站年均來水量為254.63億m兩種水沙條件,計算了灘區(qū)典型治理方案對下游防洪及河道沖淤的影響,并從淹沒面積和淹沒人口兩方面分析了灘區(qū)典型治理方案對洪災(zāi)風(fēng)險及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響。指出灘區(qū)按“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”方向治理有利于改善經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展環(huán)境,對防洪的不利影響主要是各水文站洪水位有一定程度抬升,對河道沖淤的負(fù)面作用大小關(guān)鍵取決于來沙條件。
關(guān)鍵詞:洪水風(fēng)險;河道沖淤;典型方案;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- 1379.2019.02.009
工程措施對破解灘區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與防洪保安之間的矛盾有著重大影響。灘區(qū)工程措施選擇總體分為兩個方向:一是堅持灘區(qū)“無防護(hù)”工程方向,即人為洪水泥沙讓路,恢復(fù)1960年以前灘區(qū)與河槽連為一體的格局,全灘用于保障防洪安全和泥沙處理:二是建設(shè)灘區(qū)“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”工程方向,改善灘區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展環(huán)境,促進(jìn)流域人水和諧。防護(hù)工程設(shè)置以優(yōu)化現(xiàn)有河道控導(dǎo)工程和生產(chǎn)堤為主,優(yōu)化調(diào)整為防護(hù)堤,高村以上調(diào)整后防護(hù)堤間距為4.2~ 4.9 km,高村以下間距為2.5~ 4.0 km。毋庸置疑,不同治理方向都有利弊兩方面,究竟哪個方向更符合未來洪水泥沙情勢、水沙調(diào)控能力以及國家發(fā)展需求,定量計算與分析成果是非常重要的技術(shù)支撐依據(jù)。
1 不同治理方向典型方案設(shè)計
1.1 典型方案
依據(jù)灘區(qū)無防護(hù)和適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)兩類工程治理方向,結(jié)合已有研究,本文重點分析代表兩類方向的典型治理方案。
(1)規(guī)劃方案。為充分發(fā)揮灘區(qū)滯洪、沉沙作用,防止生產(chǎn)堤影響漫灘洪水的水沙交換,導(dǎo)致“二級懸河”態(tài)勢加劇及由此帶來的洪水威脅,在灘區(qū)安全建設(shè)到位、補償政策落實、群眾安全問題得以解決的條件下,逐步拆除生產(chǎn)堤,這是《黃河流域綜合規(guī)劃》(2012-2030年)[1]推薦的方案。規(guī)劃方案代表了灘區(qū)無防護(hù)的工程治理方向。
(2)防護(hù)堤方案。依托現(xiàn)狀大堤、生產(chǎn)堤和控導(dǎo)工程,艾山以上寬河段采用建設(shè)防護(hù)堤的治理方案(見圖1),防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)整體上按花園口流量為10 000m3/s( 10 a一遇)設(shè)計,發(fā)生超防護(hù)堤防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時灘區(qū)全面分洪。這是參考水利部公益性行業(yè)科研專項“黃河下游河道改造與灘區(qū)治理研究”(編號201401002)[2](簡稱“灘區(qū)治理公益項目”)提出的方案。防護(hù)堤方案代表了灘區(qū)適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)的工程治理方向。
防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計綜合考慮了三方面因素:一是《防洪標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50201-94)規(guī)定一般鄉(xiāng)村保護(hù)等級為Ⅳ等,防洪標(biāo)準(zhǔn)采用10—20 a 一遇;二是防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)與艾山以下窄河段設(shè)防流量10 000 m/s相協(xié)調(diào):三是現(xiàn)狀花園口站流量為10 000 m/s洪水灘區(qū)淹沒面積大但水深多在1 m以下。
防護(hù)堤上寬下窄,寬度由4.9 km逐步調(diào)整為2.1km,各河段堤距統(tǒng)計見表1。防護(hù)堤修建后,兩道防護(hù)堤之內(nèi)為河槽,防護(hù)堤與黃河大堤之間仍為灘區(qū)。發(fā)生防洪標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時,充分利用河槽行洪輸沙:發(fā)生超防護(hù)堤標(biāo)準(zhǔn)洪水時,防護(hù)堤主動決口分洪,使灘區(qū)成為泄洪通道的一部分,增強泄洪能力。
1.2 洪水條件
各級洪水經(jīng)水庫調(diào)蓄后下游沿程洪峰流量、超萬洪量(流量在10 000 m/s以上的洪量)見表2。
1.3 年水沙條件
考慮兩種水沙條件:潼關(guān)年均來沙量3億t時,相應(yīng)四站(龍門、華縣、河津、狀頭)年均來水242.32億m:潼關(guān)年均來沙量為6億t時,相應(yīng)四站年均來水為254,63億m。
1.4 典型方案組合情況
依據(jù)無防護(hù)和適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)兩類工程治理方向,考慮前述水沙條件,綜合提出代表兩類方向的灘區(qū)典型治理方案,見表3。
2 不同治理方案影響分析
2.1 對下游防洪的影響
與規(guī)劃方案相比,建設(shè)防護(hù)堤會一定程度抬高洪水位:10 a 一遇洪水控制在防護(hù)堤以內(nèi),由于過洪寬度減小,因此各水文站水位抬升值為0.07~ 0.90 m.孫口站洪水位抬升最大,艾山站洪水位變化?。ㄔ蚴窃摵佣畏雷o(hù)堤提距與現(xiàn)有堤防堤距差別很小):設(shè)防流量(花園口站流量22 000 m/s)洪水漫過防護(hù)堤后全河道行洪,防護(hù)堤有一定阻水作用,各水文站水位抬升值為0.07~ 0.87 m.孫口站洪水位抬升最大。兩種方案下洪峰水位抬升情況見圖2。
2.2 對下游河道沖淤的影響
(1)來沙3億t時不同方案下游河道基本處于沖淤平衡狀態(tài)。在來沙3億t條件下,水庫正常運用期(不攔沙)由黃河水利科學(xué)研究院(簡稱黃科院)、黃河設(shè)計公司、清華大學(xué)、中國水利水電科學(xué)研究院(簡稱中國水科院)4家單位進(jìn)行的模型計算表明,不同方案下游河道50 a內(nèi)基本處于沖淤平衡或略有沖刷狀態(tài)。規(guī)劃方案50 a內(nèi)沖淤量為-13.5億~2.7億t。防護(hù)堤方案下總體上處于沖刷狀態(tài),50 a沖淤量為-16,3億~-0.5億t,見圖3。
(2)來沙6億t時不同方案河道均處于累計淤積狀態(tài)。在來沙6億t條件下,水庫正常運用期(不攔沙)兩個方案的黃河下游河道泥沙淤積量都接近50億t(年均1億t)。規(guī)劃方案中整個下游河道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%;防護(hù)堤方案累計淤積44.25億t,其中灘區(qū)淤沙11.25億t,占總淤積量的25%.見圖4。與規(guī)劃方案相比,修建防護(hù)堤有利于河道輸沙,利津以上河段減淤總量約8億t,約占50 a淤積總量的13%。
來沙6億t條件下,兩方案河道均處于累計淤積狀態(tài),主槽淤積絕對數(shù)量較大,平灘流量都降到2 600—2 800 m/s。為應(yīng)對這一不利局面,需要在小浪底水庫攔沙庫容淤滿前(2040年前)加快建成古賢水庫,這樣才能確保黃河下游河道沖淤平衡的年限持續(xù)到2090年前后。
2.3 對灘區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展影響
(1)規(guī)劃方案花園口一艾山河段灘區(qū)中小洪水淹沒損失嚴(yán)重。按照現(xiàn)有水庫防洪調(diào)度預(yù)案,僅對花園口站流量在8 000 m/s以上的洪水進(jìn)行防洪調(diào)度。灘區(qū)不防護(hù)條件下,花園口站流量為6 000m/s時有386 km土地被淹沒,受災(zāi)人口28萬。隨著洪水量級增大,灘區(qū)受災(zāi)面積和人口都逐步增大:流量10 000m3/s時有913 km土地被淹沒,受災(zāi)人口65.3萬:流量14 800 m/s時有1077.4 km土地被淹沒,受災(zāi)人口79.7萬。
(2)灘區(qū)適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)方案比規(guī)劃方案灘區(qū)洪災(zāi)損失小。與規(guī)劃方案相比,洪峰流量在10 000 m3/s以下的洪水,灘區(qū)適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)方案淹沒損失明顯減小,見圖5。洪峰流量分別為6 000、8 000、10 000 m/s時,防護(hù)堤方案淹沒僅發(fā)生在防護(hù)堤內(nèi)。當(dāng)花園口站洪峰流量超過10 000 m/s后,各方案灘區(qū)受災(zāi)面積和人口數(shù)量都較大,防護(hù)堤方案在流量為14 800 m/s時淹沒面積仍然比規(guī)劃方案小457 km、淹沒人口仍然比規(guī)劃方案少近30萬。防護(hù)堤方案減少漫灘淹沒損失的效果較為明顯。
2.4 不同治理方向綜合分析
(1)“無防護(hù)”工程方向。規(guī)劃方案計算表明,通過逐步廢除生產(chǎn)堤,有利于灘區(qū)參與河道行洪滯洪。高村以上河段千年一遇洪水老灘分流比小于12%.老灘行洪作用占全段面的比例較小。來沙6億t條件下,灘區(qū)50 a累計淤沙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,灘區(qū)淤沙作用明顯減弱。然而,由于無明確防洪標(biāo)準(zhǔn),因此灘區(qū)土地資源利用、群眾居住環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展將嚴(yán)重受限。生產(chǎn)堤發(fā)展歷史也證明,其拆除阻力非常巨大。
灘區(qū)按“無防護(hù)”工程方向治理對河道行洪有一定好處,但未來可能水沙條件下,灘區(qū)實際行洪和淤沙作用都較小,洪災(zāi)淹沒風(fēng)險卻很大,例如花園口站流量為10 000 m/s時,花園口一艾山河段灘區(qū)有913 km土地被淹沒,受災(zāi)人口65.3萬。
(2)“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”工程方向。防護(hù)堤方案與規(guī)劃方案比,下游設(shè)防流量(花園口站流量22 000 m/s)的洪水位抬高0.07~ 0.87 m,灘槽淤積量都減小。艾山以上灘區(qū)2 282 km土地(占灘區(qū)面積的72%)防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到10 a一遇,可改善147萬人的發(fā)展條件。
灘區(qū)治理工程按“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”工程方向能逐步改善經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展環(huán)境,緩解甚至解決當(dāng)前灘區(qū)核心矛盾。對防洪和泥沙處理的不利影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一是灘區(qū)防護(hù)工程對大洪水有阻水作用,沿程水文站水位有不同程度抬升,增大了防洪風(fēng)險;二是來沙超過6億t以后,若沒有水庫攔沙調(diào)節(jié),則河道年均淤積近1億t,且70%的泥沙淤積在河槽,下游將陷入不利的防洪局面,存在不確定性風(fēng)險。
3 基于“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”方向的試點方案探討
雖然防護(hù)堤方案會對灘區(qū)未來發(fā)展起全面支撐作用,但防護(hù)堤總長586.57 km,建設(shè)周期較長、難度較大。同時,下游不同河段灘區(qū)防洪風(fēng)險情況差異巨大,短時期全面實施可能難度較大,可以優(yōu)先考慮對灘區(qū)自身防洪風(fēng)險相對小且防護(hù)堤建設(shè)對黃河防洪影響也相對小的灘區(qū)進(jìn)行試點。
3.1 “兩灘一區(qū)”安全區(qū)試點方案
依據(jù)現(xiàn)狀灘區(qū)不同量級洪水淹沒特點,花園口發(fā)生近20 a一遇以下洪水時溫孟灘、封丘倒灌區(qū)不進(jìn)水,兩個灘區(qū)洪水風(fēng)險相對較小,可以考慮建成安全區(qū)。長平灘有長清和平陰兩個縣城,人口和經(jīng)濟(jì)密度都較大,依據(jù)《防洪法》第三十四條規(guī)定,也可以考慮通過建設(shè)必要的防洪工程,將長清和平陰兩個縣城的主城區(qū)建成安全區(qū)。
溫孟灘、長平灘、封丘倒灌區(qū)“兩灘一區(qū)”安全區(qū)試點方案保留現(xiàn)狀生產(chǎn)堤,僅對局部重點區(qū)域進(jìn)行防護(hù),新修工程長度30 km左右,基本維持現(xiàn)狀防洪輸沙格局。約807.93 km(占下游灘區(qū)總面積的26%)土地可明確20 a-遇以上防洪標(biāo)準(zhǔn),可改善58.04萬人的發(fā)展條件,其他灘區(qū)防御流量為6 000 m/s左右的洪水。
3.2 東壩頭以上“大三灘”優(yōu)化發(fā)展區(qū)試點方案
從洪水淹沒情況看,流量為10 000 m/S(10 a 一遇)的洪水條件下,京廣鐵路橋一東壩頭原陽灘約72%的面積不受淹沒;中牟灘、開封灘等大灘雖然進(jìn)水,但水深大多在1m以下。從河道條件看,京廣鐵路橋至東壩頭兩岸灘區(qū)系1855年銅瓦廂決口溯源沖刷下切形成的老灘,從河道斷面特征看,該河段“二級懸河”并不嚴(yán)重,從社會經(jīng)濟(jì)條件看,東壩頭以上灘區(qū)一是面積大、人口多,二是距離中心城市較近,產(chǎn)業(yè)優(yōu)化發(fā)展?jié)摿^大。
東壩頭以上新蟒河以北溫縣灘、原陽灘和開封灘“大三灘”優(yōu)化發(fā)展區(qū)試點方案,僅對東壩頭以上典型灘區(qū)進(jìn)行防護(hù),東壩頭以下河道基本維持現(xiàn)狀防洪輸沙格局。約510.10 km土地可明確10 a一遇以上防洪標(biāo)準(zhǔn),可改善35.68萬人的發(fā)展條件。
3.3“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”試點布局及其防洪影響分析
“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”試點方案(試點區(qū)布局見圖6)實施后,加上2014年以來灘區(qū)遷建試點,可改善河南灘區(qū)101.5萬人的發(fā)展條件。河南灘區(qū)不同階段達(dá)到20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)人口變化見圖7。
實施“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”試點方案后,下游各水文站洪峰流量增大900—1 800 m/s,孫口以上洪水位抬升0.18—0.29 m,見表4。前文分析表明,防護(hù)堤方案孫口以上洪水位抬升0.46~ 0.87 m.可以看出“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”試點方案相對全面實施防護(hù)堤方案對防洪的影響有所減小。
4 結(jié)語
灘區(qū)按“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”方向治理有利的一面是能逐步改善經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展環(huán)境,緩解甚至解決當(dāng)前灘區(qū)核心矛盾。實施“兩灘一區(qū)”安全區(qū)試點方案,約807.93 km土地可明確20 a一遇以上的防洪標(biāo)準(zhǔn),可改善58.04萬人的發(fā)展條件。實施“大三灘”優(yōu)化發(fā)展區(qū)試點方案,約510.10 km土地可明確10 a一遇以上的防洪標(biāo)準(zhǔn),可改善35.68萬人的發(fā)展條件。實施防護(hù)堤方案可使艾山以上2 282 km灘區(qū)土地(占灘區(qū)總面積的72%)防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到10 a一遇,可改善147萬人的發(fā)展條件。
灘區(qū)按“適度標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)”方向治理對防洪的不利影響和需要重視的問題主要有兩個方面:一是防護(hù)堤防洪標(biāo)準(zhǔn)(10 a一遇)內(nèi)洪水雖然控制在防護(hù)堤以內(nèi),但各水文站水位抬升值為0.07~ 0.90 m,由于部分河段“二級懸河”的存在,因此中小洪水期有進(jìn)一步加大灘面橫比降的風(fēng)險,威脅黃河大堤安全,需要高度重視中小洪水防洪安全問題:二是超過防護(hù)堤防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水漫過防護(hù)堤后全河道行洪,防護(hù)堤有一定阻水作用,設(shè)防流量(花園口站流量22 000 m/s)的洪水各水文站水位抬升值為0.07~ 0.87 m。
來沙條件決定了灘區(qū)治理工程措施對河道沖淤的負(fù)面作用大小。潼關(guān)年均來沙3億t時,即使水庫不攔沙,黃河下游河道未來50 a也基本處于沖淤平衡或略有沖刷狀態(tài),灘區(qū)治理工程措施對河道沖淤基本沒有負(fù)面作用。來沙6億t時,與規(guī)劃方案相比,修建防護(hù)堤有利于河道輸沙(利津以上河段減淤總量約8億t,約占50 a淤積總量的13%),但防護(hù)堤治理方案下游50 a累計淤積量仍達(dá)44.25億t,且河槽范圍內(nèi)的泥沙淤積百分比增大了3%。
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