魯 俊,吳默溪,安催花,梁艷潔,陳翠霞
(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003;2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌),河南 鄭州 450003)
黃河是舉世聞名的多泥沙河流,多年平均輸沙量曾高達16億t[1-3],泥沙是造成黃河河道尤其是下游河道淤積嚴重、防洪防凌問題的根本原因,合理利用“攔、調(diào)、排、放、挖”治理措施處置黃河泥沙[4-6],減少河道泥沙淤積,維持下游河道與灘區(qū)穩(wěn)定,是黃河綜合治理的關鍵。
人民治黃以來,黨和政府組織開展了大量且富有成效的泥沙處理和利用實踐活動,積累了豐富經(jīng)驗,黃土高原地區(qū)大規(guī)模的水土流失治理、水土保持措施減少入黃泥沙效果顯著。骨干水利樞紐工程攔沙和調(diào)水調(diào)沙以及河道和河口治理,塑造有利的河床邊界和河口條件,在有利的河床邊界條件下可多排沙入海[7]。黃河小北干流灘區(qū)等放淤泥沙措施[8],減少了泥沙在河道中的淤積。黃河河口河段挖河固堤工程[9]提高了河道排洪輸沙能力。目前黃河水沙發(fā)生了顯著變化,流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略[10],流域經(jīng)濟社會發(fā)展對治黃提出了新的更高要求,變化環(huán)境下科學合理處理黃河泥沙對黃河河道尤其是下游河道與灘區(qū)治理[11]尤為重要。2010年前后,胡春宏[12]、安催花等[7]、陳緒堅等[5]、田勇等[13]研究了黃河干流泥沙空間優(yōu)化配置理論和模型,給出了基于當時邊界條件下黃河年均來沙8億t以上的泥沙處置方案;趙海鏡等[14]研究了黃河流域泥沙優(yōu)化配置評價指標體系和上中游流域泥沙優(yōu)化配置;蒲強[15]簡要介紹了流域泥沙資源優(yōu)化配置方法及技術;王先甲等[16]綜述了湖庫泥沙資源化多目標優(yōu)化配置情況,探討了泥沙資源優(yōu)化配置相關研究未來發(fā)展方向??傮w來看,在流域包括黃河流域在內(nèi)的泥沙處置和利用方面已取得較為系統(tǒng)的研究成果,但是隨著黃河流域水文情勢、河道邊界與工程以及流域保護治理目標和經(jīng)濟社會發(fā)展需求等條件的變化[17],缺少可以維持黃河下游河道與灘區(qū)穩(wěn)定的泥沙處置方案。
本文結合新形勢變化,以維持黃河下游河道與灘區(qū)穩(wěn)定為目標,基于不同水沙情景,通過實測資料分析、數(shù)學模型等手段,分析入黃泥沙的時空分布、下游河道和灘區(qū)的未來演變,提出泥沙處理措施與方案,經(jīng)綜合評價得到實現(xiàn)黃河下游50 a不淤高和灘區(qū)穩(wěn)定、良性維持的最優(yōu)方案。
本文重點研究黃河下游河道。黃河泥沙主要來自于中游,而危害主要在下游,下游河道治理事關流域全局特別是黃河中游地區(qū),因此本文研究維持黃河下游河道與灘區(qū)穩(wěn)定的泥沙處置方案,也涉及黃河中游地區(qū),主要包括中游的重大骨干水利樞紐工程和小北干流河道。
黃河下游是強沖積性河道,是地上懸河,具有“槽高、灘低、堤根洼”的河道斷面形態(tài),河道面積4 860 km2,其中灘區(qū)面積3 154 km2,灘區(qū)內(nèi)居住人口約190萬人,絕大部分灘區(qū)位于陶城鋪以上寬灘河段。小北干流是黃河中游的強沖積性河道,河道面積約1 100 km2,灘地面積約710 km2。
黃河中游干流已建大型骨干水利樞紐有三門峽、小浪底等水利樞紐,支流在建的有涇河東莊水利樞紐,干流規(guī)劃建設的有古賢、磧口水利樞紐工程。
黃河中下游河道以及三門峽、小浪底等重要骨干水庫的水文數(shù)據(jù)資料豐富,黃河干支流設置有大量水文觀測站和固定的河道統(tǒng)測斷面,由黃河水利委員會水文部門進行逐年整編發(fā)布。本文研究采用的干支流沙量、河道沖淤量等實測數(shù)據(jù)來自黃河水文年鑒和黃河水文數(shù)據(jù)庫。
黃河泥沙變化既受自然氣候因素的影響,又與黃土高原水土保持等人類活動密切相關,目前對黃河未來沙量的認識不統(tǒng)一[18-19]??紤]研究需要,本文采用黃河中游年均來沙8億、6億、3億t三種情景方案作為泥沙處置方案的基本條件,8億、6億t情景方案選取1959—2008年共50 a系列循環(huán)1次作為水沙代表系列,3億t情景方案水沙代表系列選取2000—2013年實測14 a系列連續(xù)循環(huán)作為水沙代表系列。不同情景水沙系列特征值統(tǒng)計見表1。
(1)入黃泥沙量計算。黃河泥沙主要來源于黃土高原,泥沙進入黃河干流后,一部分淤積在河道和水庫,一部分輸送至河口填海造陸或輸往深海,還有一部分在河道外由人工處理和利用,包括灌區(qū)引沙、放(挖)淤固堤等其他措施處理和利用。根據(jù)沙量平衡原理[20]計算入黃泥沙量,公式如下:
式中:Ws黃為入黃泥沙量,億t;Ws入海為入海沙量,用利津站沙量表示,億t;Ws河淤為河道淤積量,億t;Ws水庫為水庫淤積量,億t;Ws其他為河道外由人工處理和利用的沙量,億t。
(2)水庫河道沖淤計算。采用一維水動力學模型(模型原理及基本控制方程見文獻[21])計算水庫河道沖淤量,采用有限體積法對前述數(shù)學模型的控制方程進行離散,用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法處理流量與水位的耦合關系,離散方程求解時在進口給定流量和含沙量過程,出口給定水位過程,挾沙力公式采用適用于高含沙水流計算的張紅武公式。該模型已經(jīng)過黃河小北干流、三門峽水庫、小浪底水庫和黃河下游及河口大量實測資料檢驗[21],能夠準確反映計算區(qū)域水沙輸移和泥沙沖淤特性。
(3)泥沙處置方案評價。為了全面綜合評價泥沙處置方案優(yōu)劣,利用專家調(diào)查法[22],從技術、經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境等4個方面選出8個評價指標,包括河道沖淤量、平灘流量、靜態(tài)投資額、單方泥沙處置費、影響灘區(qū)人口數(shù)量、征地移民補償費、漫灘次數(shù)和利津生態(tài)流量保證率。在此基礎上,根據(jù)模糊優(yōu)選理論[23]和基于誤差反饋的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(BP-ANN)建立模型[24]進行綜合評價,該模型是通過網(wǎng)絡訓練獲得網(wǎng)絡結構、相對隸屬度權重,再將各方案的相對隸屬度向量代入,計算相對隸屬度并進行大小排序,即優(yōu)劣排序,確定相對較優(yōu)的方案。
考慮黃河水沙條件變化和中游骨干水庫工程運用的影響,統(tǒng)計不同時期的入黃泥沙時空分布,見表2。
表2 黃河中下游入黃泥沙時空分布統(tǒng)計(年均值) 億t
人類活動影響比較小的1950—1959年,年均入黃泥沙量為18.97億t。該時期輸送入海的年均沙量為13.15億t,占入黃泥沙量的69.3%;黃河小北干流河道、下游河道年均淤積量分別為0.88億、3.61億t,合計4.49億t,占入黃泥沙量的23.7%;灌區(qū)引沙量年均為0.89億t,占入黃泥沙量的4.7%??梢钥闯?,人類活動影響較小的情況下,入黃泥沙的絕大部分被輸送到河口地區(qū)填海造陸,同時還有一部分淤積在河道內(nèi)。
三門峽水庫1960年建成運用,對黃河中下游泥沙的空間分布產(chǎn)生了重大影響。①1960—1964年三門峽水庫蓄水攔沙期,年均入黃泥沙量為19.75億t,其中:輸送入海的年均沙量為11.22億t,占入黃泥沙量的56.8%;黃河小北干流河道年均淤積量2.20億t,占入黃泥沙量的11.1%;三門峽水庫年均淤積量11.62億t,占入黃泥沙量的58.8%,潼關高程迅速抬升4.69 m,渭河下游防洪問題凸顯;下游河道因水庫攔沙年均沖刷5.78億t;灌區(qū)規(guī)模較小,引沙量年均為0.25億t,占入黃泥沙量的1.3%;其他措施利用量主要是黃河下游防洪工程建設用沙,相對較少,年均0.24億t,占入黃泥沙量的1.2%。②1965—1973年三門峽水庫完成兩期工程改建[25],滯洪排沙運用。該時期年均入黃泥沙量為16.79億t,其中:輸送入海的年均沙量為10.74億t,占入黃泥沙量的64.0%;黃河小北干流河道、下游河道均為淤積,年均淤積量分別為1.81億、4.39億t,分別占入黃泥沙量的10.8%、26.1%;三門峽水庫庫區(qū)發(fā)生沖刷,年均沖刷量1.33億t,潼關高程有所下降,降低1.45 m;下游兩岸引黃灌區(qū)發(fā)展迅速,引沙量增大,年均1.10億t,占入黃泥沙量的6.6%;其他措施利用量為0.08億t,占入黃泥沙量的0.5%。③1973年以后三門峽水庫降低汛期運用水位,蓄清排渾,水沙調(diào)節(jié)能力大幅減弱,庫區(qū)沖淤基本平衡。1974—1999年年均入黃泥沙量為9.99億t,其中:輸送入海的年均沙量為6.06億t,占入黃泥沙量的60.7%;黃河小北干流河道、下游河道均為淤積,年均淤積量分別為0.40億、1.48億t,分別占入黃泥沙量的4.0%、14.8%;三門峽、萬家寨等中游水庫庫區(qū)有少量淤積,年均淤積量0.17億t,潼關高程在1986年之前有升有降,1986年之后逐步抬升;灌區(qū)引沙量大,年均1.45億t,占入黃泥沙量的14.5%;其他措施利用量為0.43億t,占入黃泥沙量的4.3%。可以看出,三門峽水庫建成后的3個時期,入黃泥沙量呈減少趨勢,水庫運用方式的調(diào)整雖然改變了庫區(qū)河道泥沙的空間分布,但輸沙入海仍是各個階段泥沙處置的主導方式。
小浪底水庫建成運用后,受中游水土保持作用影響,入黃泥沙量大幅減少。2000—2018年年均入黃泥沙量僅為2.68億t,其中:輸送入海的年均沙量為1.23億t,占入黃泥沙量的45.9%;因來水條件較為有利,故黃河小北干流河道年均沖刷0.25億t,下游河道因小浪底水庫攔沙和調(diào)水調(diào)沙而發(fā)生了持續(xù)沖刷,年均沖刷1.62億t;中游水庫年均淤積2.62億t,占入黃泥沙量的97.8%,淤積主要集中在小浪底水庫,萬家寨水庫也有小部分淤積,約占水庫淤積量的10.0%;灌區(qū)引沙量年均為0.37億t,占入黃泥沙量的13.8%;其他措施利用量為0.33億t,占入黃泥沙量的12.3%??梢钥闯觯捎谌朦S泥沙偏少以及小浪底水庫的建成運用,因此近期入黃泥沙的空間分布發(fā)生了較大變化,由以往輸沙入海為主導變?yōu)橐运畮鞌r沙為主導。從1960年以來的入黃泥沙分布變化看,大型水庫是影響泥沙空間分布及河道沖淤的重要因子。
根據(jù)黃河下游河道平衡輸沙的沙量閾值(2.0億~2.5億t)[21]可以初步判斷,黃河年均來沙8億、6億、3億t情景下游河道無法維持沖淤平衡,河道將淤積抬高。利用水庫河道一維水動力學模型定量計算不同水沙情景在現(xiàn)狀工程條件下的河道沖淤情況:黃河年均來沙8億t情景,小浪底水庫攔沙庫容淤滿年限約13 a(到2030年),攔沙庫容淤滿后50 a(2031—2080年)下游河道年均淤積泥沙2.30億t,最小平灘流量將減小至1 900 m3/s;黃河年均來沙6億t情景,小浪底水庫攔沙庫容淤滿年限約19 a(到2036年),攔沙庫容淤滿后50 a(2037—2086年)下游河道年均淤積泥沙1.30億t,最小平灘流量將減小至2 500 m3/s;黃河年均來沙3億t情景,小浪底水庫攔沙庫容淤滿年限約40 a(到2057年),攔沙庫容淤滿后50 a(2058—2107年)下游河道年均淤積泥沙0.37億t,最小平灘流量將減小至3 500 m3/s??梢钥闯?,現(xiàn)狀工程體系下,小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足[26],攔沙庫容淤滿后,黃河年均來沙8億、6億、3億t情景下游河道還要繼續(xù)淤高,中水河槽無法維持,灘區(qū)很難維持穩(wěn)定。黃河年均來沙8億、6億、3億t情景下游河道泥沙沖淤量與平灘流量計算結果見圖1和圖2。
圖1 黃河下游河道泥沙沖淤量計算結果
圖2 黃河下游河道平灘流量計算結果
除此之外,現(xiàn)狀下游河道與灘區(qū)還面臨較多問題。小浪底與花園口區(qū)間尚有1.8萬km2無工程控制區(qū),百年一遇洪峰流量為12 000 m3/s,洪水預見期僅為8 h,灘區(qū)受到洪水威脅;黃河下游“槽高、灘低、堤根洼”的二級懸河不良形態(tài)和299 km游蕩型河段河勢未有效控制,遇大洪水或中常洪水有可能引發(fā)橫河、斜河,危及大堤安全;下游灘區(qū)防洪標準低,灘區(qū)居民外遷安置規(guī)劃實施后,仍有近百萬人生活在洪水威脅中,灘區(qū)防洪運用和經(jīng)濟發(fā)展矛盾突出,人水混居導致生態(tài)環(huán)境破壞加劇,農(nóng)村環(huán)境較差,環(huán)境污染風險高,不能滿足人民群眾日益增長的優(yōu)美環(huán)境需求。
基于下游河道與灘區(qū)存在的上述問題,結合以往泥沙處置經(jīng)驗,要實現(xiàn)黃河下游河道不淤高和灘區(qū)穩(wěn)定、良性維持,必須對泥沙進行合理處置,同時要統(tǒng)籌洪水治理??刹扇〉拇胧┌ǎ簠f(xié)調(diào)水沙關系,長期控制河道不淤積并維持適宜中水河槽,如建設古賢、東莊等水庫以進一步增強攔沙和調(diào)水調(diào)沙能力,結合泥沙利用進行適當挖河等;加強下游無控區(qū)洪水控制,提高灘區(qū)防洪標準,進行灘區(qū)綜合治理,促進灘區(qū)高質(zhì)量發(fā)展,如灘區(qū)再造、三灘分區(qū)生態(tài)治理[27]、灘區(qū)修建防護堤[28]、建設桃花峪水庫[29]等。本文以實現(xiàn)黃河下游50 a不淤高和灘區(qū)穩(wěn)定、良性維持為目標,提出如下泥沙處置方案:方案1為現(xiàn)狀工程體系方案,方案2為灘區(qū)生態(tài)治理方案,方案3為建設防護堤方案,方案4為建設古賢水庫+灘區(qū)生態(tài)治理方案,方案5為建設古賢、桃花峪水庫+灘區(qū)生態(tài)治理方案。挖河措施作為以上各方案的補充。
按照2018年水庫河道邊界條件,利用數(shù)學模型對黃河年均來沙8億、6億、3億t三種情景方案不同泥沙處置方案進行水庫河道沖淤計算、下游平灘流量和漫灘天數(shù)計算,結果見表3。
表3 不同情景不同方案水庫河道沖淤量計算結果
以黃河年均來沙3億t情景計算結果為例,可以看出:
方案1,50 a內(nèi)下游河道年均沖刷0.09億t,50 a末平灘流量為4 514 m3/s,50 a內(nèi)漫灘天數(shù)37 d,該方案不能消除二級懸河,小花間洪水對灘區(qū)防洪威脅大,黃河下游50 a內(nèi)不淤高,但在50 a后河道將淤積抬高,灘區(qū)不能維持長期穩(wěn)定。
方案2,50 a內(nèi)下游河道年均沖刷0.22億t,50 a末平灘流量為6 217 m3/s,50 a內(nèi)漫灘天數(shù)8 d,該方案灘區(qū)生態(tài)治理可以消除二級懸河,黃河下游50 a內(nèi)不淤高,但在50 a后河道將淤積抬高,灘區(qū)不能維持長期穩(wěn)定。
方案3,50 a內(nèi)下游河道年均沖刷0.16億t,50 a末平灘流量為4 795 m3/s,50 a內(nèi)漫灘天數(shù)0 d,該方案可以提高灘區(qū)防洪標準,但是不能消除二級懸河,黃河下游50 a內(nèi)不淤高,但在50 a后河道將淤積抬高,灘區(qū)不能維持長期穩(wěn)定。
方案4,50 a內(nèi)下游河道年均沖刷0.30億t,50 a末平灘流量為6 829 m3/s,50 a內(nèi)漫灘天數(shù)7 d。該方案黃河下游50 a內(nèi)不淤高,50 a后也基本不淤高,但不能消除二級懸河,小花間洪水對灘區(qū)防洪威脅大,50 a內(nèi)通過古賢和東莊水庫攔沙處理泥沙分別為21.06億、41.17億t,相應泥沙處理費用單價為3.3、5.7元/m3,包括生態(tài)治理在內(nèi)的各項泥沙處理措施合成單價為10.0元/m3,各項泥沙處理費用共計560億元。
方案5,50 a內(nèi)下游河道年均沖刷0.31億t,50 a末平灘流量為6 844 m3/s。50 a內(nèi)漫灘天數(shù)5 d。該方案能夠消除二級懸河,提高灘區(qū)防洪標準,黃河下游50 a內(nèi)不淤高,50 a后也基本不淤高、灘區(qū)長期維持穩(wěn)定。該方案50 a內(nèi)通過古賢和東莊水庫攔沙量分別為21.06億、41.17億t,相應泥沙處理費用單價為3.3、5.7元/m3,包括生態(tài)治理在內(nèi)的各項泥沙處理措施合成單價為10.0元/m3,各項泥沙處理費用共計560億元。
利用建立的評價模型對8億、6億、3億t情景各方案綜合效益進行評價,結果見表4。不同水沙情景,方案1、方案2、方案3、方案4、方案5的最優(yōu)相對隸屬度值按大小排序均為方案5>方案4>方案2>方案3>方案1,方案5計算的最優(yōu)相對隸屬度值最大,表明該方案提出的泥沙處置措施的綜合效益最大,即建設古賢、桃花峪水庫+灘區(qū)生態(tài)治理在未來50 a進行泥沙處置的方案最優(yōu)。
表4 不同情景各方案綜合效益評價結果
分析入黃泥沙的時空分布變化、下游河道和灘區(qū)的未來演變,提出維持黃河下游河道和灘區(qū)穩(wěn)定的泥沙處理措施與方案,主要結論如下。
(1)三門峽水庫建成后至小浪底水庫建成前的3個水庫運用階段,入黃泥沙量呈減少趨勢,輸沙入海是各個運用階段泥沙處置的主導方式。小浪底水庫建成后,入黃泥沙量大幅減少,由以輸沙入海為主導變?yōu)橐运畮鞌r沙為主導。大型水庫是影響泥沙空間分布及河道沖淤的重要因子。
(2)黃河年均來沙8億、6億、3億t情景,下游河道在小浪底水庫攔沙庫容淤滿后,還要繼續(xù)淤高,中水河槽無法維持,灘區(qū)很難維持穩(wěn)定。同時,當前灘區(qū)防洪標準低,面臨洪水威脅,灘區(qū)防洪運用與生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展存在矛盾,二級懸河不良形態(tài)未改善。
(3)基于黃河下游河道與灘區(qū)存在的問題和治理目標要求,擬定了5個泥沙處置方案,方案5即建設古賢、桃花浴水庫+灘區(qū)生態(tài)治理可以基本實現(xiàn)黃河下游50 a河床不淤高,消除二級懸河,顯著提高灘區(qū)防洪標準,綜合評價該方案最優(yōu)。