李利琴,倪菲菲,周曉麗,李玉娜,張向萍
(1.河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,河南 鄭州 450003; 2.鄭州市環(huán)境保護科學研究所,河南 鄭州 450052; 3.鄭州電力高等??茖W校,河南 鄭州 450000; 4.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)
河南黃河西起靈寶市,東至臺前縣,流經(jīng)三門峽、洛陽、濟源、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、開封、濮陽等8 個省轄市,河道總長711 km,流域面積3.62 萬km2,分別占黃河流域總面積的5.1%、河南省總面積的21.7%。 白鶴以上為山區(qū)河道,長247 km,河道內(nèi)水庫攔沙、防洪減淤為第一目標;白鶴以下為平原河道,長464 km,為設(shè)防河段,河道較寬,游蕩多變,歷來為河道整治的重點。因此,本次河道整治疏浚研究以白鶴以下為重點研究河段。
黃河下游水患歷來為世人所矚目,洪水災害波及范圍廣,一旦出現(xiàn)大的險情,將給國民經(jīng)濟帶來巨大損失,同時嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。 歷史上,河南黃河“善淤、善決、善徙”,難以治理,一是黃河含沙量高,淤積嚴重,形成“地上懸河”;二是頻繁決口改道,有“三年兩決口,百年一改道”之稱;三是河勢擺動劇烈,游蕩多變[1]。 人民治黃以來,按照規(guī)劃治導線設(shè)計流路布置工程進行河道整治,河道整治工程的系統(tǒng)建設(shè)減小了河道的游蕩范圍,提升了防洪能力。 但游蕩性河勢目前尚未得到有效控制,尤其是白鶴至高村游蕩型河段,局部河段仍存在不利河勢,洪水威脅大;局部河段主槽過于窄深,洪水流速大,工程出險嚴重。 2021年秋汛期間,在長歷時大流量作用下,受主流頂沖、主流沖刷、回流淘刷影響,河南河段工程險情多發(fā)頻發(fā)。 因此,河南黃河游蕩型河段實施河道整治疏浚、配合河道整治工程歸順河勢、減少工程出險是十分必要的。
河南黃河河道具有寬、淺、散、亂的特點,主流多變,經(jīng)常發(fā)生“橫河、斜河”,大洪水時易出現(xiàn)“滾河”,甚至沖決大堤。 盡管已開展了系統(tǒng)的河道治理,但是高村以上299 km 長的寬河段河道游蕩多變的特性依然沒有改變[2-3]。 高村以上現(xiàn)有控導工程長度不足,仍難以完全控制枯水、洪水等不同情形的河勢變化。如2021年秋汛期間,河南河段多處出現(xiàn)河勢散亂并引發(fā)不同程度的險情。
小浪底水庫運用以來,黃河下游水流過程呈現(xiàn)明顯的兩極分化現(xiàn)象。 每年調(diào)水調(diào)沙期保持15 d 左右的洪水過程,洪水流量一般超過2 600 m3/s、小于平灘流量,洪水過程穩(wěn)定。 其他時段,流量小于1 000 m3/s 的天數(shù)明顯增加,呈現(xiàn)出明顯的短期洪水、長期枯水的兩極分化特征。 2018年以來,雖然黃河下游洪水頻次相對較多,但兩極分化的格局沒有改變。
小浪底水庫運用后小水歷時延長,使得小流量對河勢變化的影響不可忽視。 黃河下游的河道整治是針對中水進行的,對長歷時小流量的河勢演變存在一定的不適應(yīng)性。 在小水的不斷作用下,游蕩型河段部分工程靠溜部位上提、河勢下挫現(xiàn)象明顯,工程上首塌灘嚴重或有被抄后路的危險。
小水流量造床能力較弱,河道不均勻分布的膠泥嘴、黏土層等缺乏大洪水的自然塑造,給長歷時小水流量作用下形成畸形河勢創(chuàng)造了條件,從而造成部分工程脫河、半脫河或出險。
當前,黃河下游的“懸河”局勢沒有變,大堤仍存在沖決的風險。 如果洪水從北岸決口,洪水淹沒區(qū)涉及冀、魯、豫三省,如果洪水從南岸決口,洪水淹沒區(qū)波及豫、蘇、皖三省,洪泛區(qū)面積可達12 萬km2。 該河段一旦決口,影響范圍大,損失嚴重,同時黃淮海平原生態(tài)環(huán)境將遭受嚴重破壞,且長期難以恢復。 因此,保證黃河大堤安全仍是黃河下游防洪的頭等要務(wù)。 1985年以來高村以上河段年均發(fā)生“橫河”9 次,河勢變化仍很劇烈,嚴重威脅堤防安全。
黃河水利委員會對鄭州“7·20”暴雨移植分析演算得出,若暴雨中心西移100 ~200 km,主雨區(qū)將全部進入黃河流域,天然情況下花園口將出現(xiàn)洪峰流量為31 800 ~37 300 m3/s的洪水,即便經(jīng)過上中游水庫聯(lián)合攔蓄,花園口洪峰流量仍將超過20 000 m3/s,接近下游千年一遇設(shè)防標準,下游發(fā)生大洪水的風險依然存在[4]。 小浪底大壩至花園口區(qū)間為無工程控制區(qū),洪水預見期短;小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足,防洪短板突出,對堤防威脅較大。
河南黃河河道整治工程體系布局基本完成,然而中水整治工程體系對長期小水適應(yīng)性差,工程迎、導、送流能力不能達到規(guī)劃狀態(tài),河勢仍未得到有效控制。近4 a 雖為相對豐水期,但統(tǒng)計年均2 000 m3/s 以下流量天數(shù)仍有290 d,1 000 m3/s 以下流量天數(shù)有145 d。 長歷時的小流量下,很難靠水流自身力量對河道進行拓寬或者改變不利河勢,而采取挖河疏浚措施配合河道整治工程能夠起到較理想的效果。
依據(jù)河南黃河河勢變化特點及窄河段主槽過流能力特征,針對2021年秋汛期各河段不利河勢、河道整治工程出險情況,窄河段洪水及工程運行情況,在現(xiàn)有防洪工程體系及規(guī)劃治導線的基礎(chǔ)上,提出河段疏浚措施。 如馬渡工程河段工程靠河情況較好,但凸岸淤積嚴重,主槽較窄(見圖1),流速較大,工程出險較多,且近幾年頻繁出險,也是2021年秋汛期間出險嚴重的工程,壩垛前坍塌嚴重,因此應(yīng)疏浚馬渡工程河段凸岸,拓寬主槽,減緩流速,減小出險概率。
圖1 馬渡工程河段2021年汛后河勢
河道疏浚是歸順河南黃河游蕩型河段不利河勢的有效手段之一,對在長期小水流量過程條件下改善河勢、控導主流,有效解決大洪水排洪、小水畸形河勢發(fā)育的問題具有重要作用。 通過河南黃河河道疏浚,清除局部阻水障礙,改善工程靠河情況,提高控導河勢能力,歸順河勢流路;拓寬局部窄河段,提高主槽過流能力,穩(wěn)定中水河槽,減小工程出險概率,提高防洪能力,保障防洪安全。
河道整治疏浚也是落實《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》《黃河流域綜合規(guī)劃》和《黃河流域防洪規(guī)劃》等提出的泥沙綜合處理方略的有效措施之一[5-6]。
疏浚區(qū)域劃定主要考慮兩點:一是以規(guī)劃治導線為邊緣控制線;二是因勢利導開展疏浚,歸順河勢流路。 以布置逯村疏浚區(qū)為例(見圖2),在規(guī)劃治導線范圍內(nèi),結(jié)合現(xiàn)狀河勢劃定疏浚區(qū)域(紅色實線范圍),人工疏浚部分區(qū)域(綠色虛線范圍),與水流自然沖淤相結(jié)合,最終達到疏浚全部區(qū)域、調(diào)整不利河勢的目的。
圖2 疏浚區(qū)劃定示意(逯村)
疏浚河段應(yīng)在分析河南黃河河勢變化及工程險情特點的基礎(chǔ)上,根據(jù)疏浚實施條件等經(jīng)綜合分析后確定。 重點選擇河勢變化復雜、難以通過自然調(diào)整實現(xiàn)河勢歸順的河段,主槽變窄、過流能力較小、易產(chǎn)生險情的河段,畸形河勢、橫河、斜河產(chǎn)生且工程險情頻發(fā)的河段。
全面梳理河南黃河游蕩型河段控導工程靠河情況差等不利河勢河段,如逯村工程河段、老田庵工程河段、保合寨工程河段、三合村河段等常年不靠河,工程難以發(fā)揮自身的控導河勢作用;局部較窄及工程出險嚴重的河段,如馬渡工程河段、黑崗口工程河段和夾河灘工程河段等,主槽窄深導致工程前流速變大而易出險;主流分叉、河心灘分布較多的不利河勢河段,如蔡集工程河段等,主流南北兩股交替,河勢不穩(wěn)定,造成防洪壓力大。 根據(jù)情況分析確定河南黃河游蕩型河段鐵謝—花園鎮(zhèn)河段、駕部—棗樹溝河段、桃花峪—馬莊河段、馬渡工程河段、黑崗口—大宮河段、夾河灘工程河段、蔡集工程河段和三合村—青莊河段需要實施疏浚,共計8 個疏浚河段(見圖3)。
圖3 疏浚河段位置示意
結(jié)合疏浚河段河道基本特性、河道演變情況以及疏浚作用,確定其疏浚平面布置原則如下:遵循河道演變規(guī)律,以規(guī)劃治導線為邊緣控制線,且距離防洪工程不少于50 m。 結(jié)合現(xiàn)有河道整治方案及工程布局體系,因勢利導,使主流向相對較好的流路方向進行疏浚布置。
為保證疏浚河槽寬度與上下游河槽寬度基本保持一致,分析測算疏浚斷面上下游的河槽寬度。 根據(jù)2019—2021年疏浚斷面上下游實測河道大斷面資料分析,疏浚河段上下游現(xiàn)狀河道主槽寬度一般為500~700 m。 結(jié)合現(xiàn)狀河勢,疏浚河段疏浚后河槽寬度應(yīng)達到500~700 m,與上下游有效銜接,因勢利導,逐步調(diào)整河勢流路。
疏??刂聘叱滩捎檬杩:佣魏拥辣冉捣ê蜕钽c控制原則確定。 根據(jù)2021年河南黃河控導工程水尺資料,推求游蕩型河段4 000 m3/s 流量水面線;根據(jù)2021年汛后河道實測地形資料,將疏浚區(qū)域上下游深泓點進行統(tǒng)計,并根據(jù)水面線概化河床底部高程線。疏浚河段概化后河底比降為0.02%~0.014%,為保證疏浚后河道斷面與上下游之間能夠平順連接,將概化后的河底高程作為疏浚底部控制高程。
綜合考慮河道比降法和深泓點控制,在河道比降法的基礎(chǔ)上,以不超過所在斷面深泓點控制,結(jié)合疏浚區(qū)灘面平均高程,確定疏浚平均深度。 以逯村疏浚河段為例,根據(jù)水面線概化河床底部高程線,疏浚區(qū)所在范圍概化河底高程范圍為103.73 ~106.83 m,疏浚區(qū)深泓點高程范圍為101.72~104.82 m,概化河底高程高于深泓點高程,最終采用概化河底高程范圍103.73 ~106.83 m,折算得到疏浚區(qū)控制河底平均高程為105.28 m。根據(jù)地形資料,逯村疏浚區(qū)灘面平均高程為114.00 m,因此疏浚平均深度為8.72 m。
黃河在白鶴進入平原河道后,河道變寬,流速變小,歷史上淤積嚴重。 小浪底水庫運用后,受水庫攔沙和調(diào)水調(diào)沙影響,下游河道發(fā)生了持續(xù)沖刷,河道內(nèi)淤積的泥沙減小。
一方面,現(xiàn)有來沙條件下實施河道疏浚能夠起到好的作用。 小浪底水庫蓄水運用以來,由于小浪底水庫發(fā)揮攔沙作用和中游水土保持措施發(fā)揮作用,因此進入下游的沙量大幅減少,年均沙量約1.15 億t,僅為1950年以來長序列多年平均沙量11.72 億t 的9.8%。下游來沙量的驟減,為河道疏浚起到好的實施效果提供了有利條件,疏浚后不易回淤,疏浚效果能夠維持。
另一方面,已實施的泥沙利用工程為實施河道疏浚提供了施工經(jīng)驗。 黃河河南段已經(jīng)開展了大規(guī)模的放淤固堤,總長度達到了475 km,淤區(qū)面積4 418.67 hm2,采用船淤、泵淤,將主槽、灘地的泥沙抽至背河,挖放結(jié)合,減輕淤積,加固堤防[7]。 2003年,在黃河濮陽段開展了二級懸河治理試驗,疏浚河槽長5.2 km,疏??偭窟_到 200 萬 m3[8]。 2005年,針對開封王庵畸形河灣實施切灘導流,成功調(diào)整了河勢,保障了防洪安全[9-10]。 大量的工程實踐經(jīng)驗為河道整治疏浚的實施提供了工程技術(shù)及施工借鑒。
現(xiàn)狀靠河情況比較差的控導工程難以發(fā)揮自身作用,通過實施疏浚,解決工程常年不靠河或靠河不穩(wěn)的問題,增加工程靠河比和長度(見表1),發(fā)揮工程的迎流、導流、送流能力,調(diào)整河勢。 如逯村(見圖2)、駕部、老田庵、保合寨、馬莊、三合村等工程河段。
表1 疏浚增加工程靠河情況
通過疏浚拓寬工程前急劇縮窄的行洪斷面,使工程河段達到或接近上下游河道寬度,減小工程前流速,調(diào)整著溜部位,減輕工程沖刷,增強主槽過洪能力(見表2),緩解主槽斷面局部過窄、工程頻繁出險的不利局面。 如馬渡(見圖4)、黑崗口、柳園口、大宮、夾河灘工程河段。
圖4 典型疏浚位置(馬渡)
表2 疏浚拓寬主河槽
對于入流角度較大、主流直沖工程的河段,通過疏浚減小主流在工程前的入流角度(見表3),改善入流條件,達到入流平順,減輕主流直接頂沖帶來的工程出險壓力,如棗樹溝(見圖5)、桃花峪工程河段。
表3 疏浚調(diào)整入流角度
圖5 典型疏浚位置(棗樹溝)
蔡集工程前出現(xiàn)大面積河心灘,主流分叉交替,河勢散亂,給工程帶來較大防洪壓力,通過疏浚,強干弱支,提高規(guī)劃流路內(nèi)主槽過流比,調(diào)整河勢,逐步將主流穩(wěn)定在規(guī)劃流路內(nèi),減輕工程防洪壓力(見圖6)。
圖6 典型疏浚位置(蔡集)
(1)實施疏浚是河南黃河河道整治工程措施的有機補充;制定疏浚原則,結(jié)合河勢分析和工程出險資料,選擇疏浚河段。
(2)根據(jù)不同疏浚河段的河勢情況,分析確定疏浚區(qū)平面布置;根據(jù)4 000 m3/s 流量水面線概化疏浚河段比降,對比疏浚河段斷面深泓點,綜合確定疏浚控制高程。
(3)通過疏浚,達到增加工程靠河長度、拓寬窄河段、平順入流的目的,調(diào)整改善不利河勢,減少工程出險,保障防洪安全。