張紅武

（清華大學(xué) 黃河研究中心，北京 100084）

1 研究意義與背景

1.1 京杭大運(yùn)河全線通航是經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的需要

航運(yùn)是運(yùn)河工程的最主要功能，無(wú)論是隋唐大運(yùn)河還是京杭大運(yùn)河，都對(duì)我國(guó)古代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了不可估量的貢獻(xiàn)［1－3］。我國(guó)現(xiàn)代鐵路、公路、航空交通網(wǎng)絡(luò)已基本形成，然而內(nèi)陸航運(yùn)仍然是現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一環(huán)［4－5］。例如，京杭大運(yùn)河南北航運(yùn)隔斷至今盡管已有120 余年［5］，但是黃河以南1 052 km 長(zhǎng)的運(yùn)河，依然是2007 年國(guó)務(wù)院批復(fù)的《全國(guó)內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》確定的“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”中唯一縱向的國(guó)家高等級(jí)航道。如今千噸級(jí)輪船自山東濟(jì)寧沿運(yùn)河仍能南下蘇杭、通達(dá)上海等長(zhǎng)江沿岸，魯煤南運(yùn)任務(wù)一直主要由這條黃金水道承擔(dān)著［5］。京杭大運(yùn)河黃河以南段干線是我國(guó)貨運(yùn)量?jī)H次于長(zhǎng)江的內(nèi)河航道，目前依然是我國(guó)東部南北走向的運(yùn)輸大動(dòng)脈，2018 年完成貨運(yùn)量約6.3 億t。

在力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的背景下，水運(yùn)低碳的特點(diǎn)被人們普遍認(rèn)可。內(nèi)陸航運(yùn)與鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸存在一定的可替代性，據(jù)測(cè)算，內(nèi)陸航運(yùn)的碳排放強(qiáng)度約為133 g／元、公路運(yùn)輸為398 g／元、鐵路運(yùn)輸為875 g／元，可見以上3 種運(yùn)輸方式中，內(nèi)陸航運(yùn)的碳排放強(qiáng)度最低，僅為公路的1／3，充分顯示出水運(yùn)在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)。要實(shí)現(xiàn)我國(guó)的雙碳目標(biāo)面臨很大壓力，迫切需要構(gòu)建高標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代綠色交通體系［6］，充分發(fā)揮內(nèi)陸航運(yùn)與海運(yùn)運(yùn)能大、運(yùn)價(jià)低、污染小、能耗低等優(yōu)勢(shì)，不斷滿足新時(shí)代經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的要求［7－8］。正因?yàn)槿绱?，筆者同張?jiān)降? 位國(guó)務(wù)院參事2019 年通過調(diào)研和分析，認(rèn)為［9］：1）修建京杭大運(yùn)河穿黃工程、恢復(fù)大運(yùn)河全線通航，是地方經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、交通優(yōu)化、華北生態(tài)改善與旅游升級(jí)等方面的迫切需要，是中華民族永續(xù)發(fā)展根本大計(jì)的重要組成部分，建議國(guó)家發(fā)展改革委加強(qiáng)對(duì)工程前期論證的領(lǐng)導(dǎo)和組織協(xié)調(diào)，相關(guān)部門協(xié)同做好方案比選工作，及早形成技術(shù)可行的工程方案；2）為使大運(yùn)河成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略支撐和不竭的動(dòng)力源泉，盡快發(fā)揮其對(duì)華北生態(tài)環(huán)境修復(fù)的巨大作用，建議盡早開工建設(shè)京杭大運(yùn)河穿越黃河工程。2020 年9 月，筆者等提交了《關(guān)于修建京杭大運(yùn)河穿黃隧道實(shí)現(xiàn)大運(yùn)河全線通航的建議》，得到了國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)批示與國(guó)家發(fā)展改革委負(fù)責(zé)同志的重視。附帶指出，為溝通京杭大運(yùn)河內(nèi)陸航運(yùn)與海運(yùn)聯(lián)系，筆者于2023 年5 月20 日在渤海灣（滄州）－海灣合作論壇的主旨演講中建議通過適當(dāng)深挖和局部擴(kuò)展建設(shè)白洋淀出海通道：按盡量利用老河道與洼淀的原則，初擬出海通道方案，從白洋淀東接趙王新河，向東北45.5 km 接大清河，流30.5 km 后與京杭大運(yùn)河相逢，遂入大清河下游的獨(dú)流減河，向東南流48.3 km 后穿過由蓄水洼淀修建而成的北大港平原水庫(kù)，再開挖5.3 km 新河，穿過2 km寬沙井子水庫(kù)與青靜黃排水渠后進(jìn)入子牙新河，行約11 km 東流渤海，通道全長(zhǎng)約154 km，出?？谖挥谔旖蚋叟c黃驊港之間（見圖1）；采用深挖之土修建湖堤河堤，同時(shí)墊高城區(qū)周邊大片尚未建樓之地，提高雄安城區(qū)防洪減災(zāi)能力。該方案若用中交疏浚集團(tuán)的大型抽沙設(shè)備實(shí)施，按二級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，估算投資268 億元。若如此，則該出海通道亦為高效泄洪通道，且與京杭大運(yùn)河及沿途水道相交，可補(bǔ)齊雄安新區(qū)缺少港口的短板，以京杭大運(yùn)河與海運(yùn)為骨干形成華北河湖?，F(xiàn)代綠色航運(yùn)體系與水資源豐枯互濟(jì)網(wǎng)絡(luò)，使華北腹地同我國(guó)南部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)緊密聯(lián)系，為保障中國(guó)經(jīng)濟(jì)繁榮與水安全持續(xù)發(fā)揮重要作用［9－11］。

圖1 白洋淀出海通道示意

1.2 京杭大運(yùn)河穿黃工程形式研究現(xiàn)狀

1958—1960 年黃委設(shè)計(jì)院曾主持過黃河位山水利樞紐工程設(shè)計(jì)工作，當(dāng)時(shí)的任務(wù)書包括了京杭大運(yùn)河濟(jì)寧至臨清段平交穿黃工程的設(shè)計(jì)，在蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)下，確定的穿黃建筑物包括穿黃南閘、南岸防沙閘、南岸沖沙閘、南岸抽水站、東馬海船閘、穿黃北閘、北岸沖沙閘、北岸抽水站，擬在位山水利樞紐上游國(guó)那里村以西平交穿黃［4］。由于穿黃問題過于復(fù)雜，當(dāng)時(shí)模型試驗(yàn)難以定量模擬黃河泥沙沖淤變形規(guī)律，大家對(duì)平交穿黃信心不足，因此穿黃南閘等都沒有施工［9］。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，山東省和交通部多次將恢復(fù)濟(jì)寧以北的運(yùn)河航線提上議程，開展黃河以北段運(yùn)河復(fù)航前期研究工作［10］。山東省政協(xié)原副主席李殿魁在2001 年發(fā)表的《論我國(guó)水系網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)：兼論新世紀(jì)人民治黃的創(chuàng)新思路》一文中［2］，提出了構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（相當(dāng)于目前大力推進(jìn)的構(gòu)建國(guó)家水網(wǎng)的雛形）的建議，高瞻遠(yuǎn)矚地呼吁實(shí)現(xiàn)京杭大運(yùn)河全線航運(yùn)，統(tǒng)籌解決水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水災(zāi)害問題。此后，他和筆者以及同為全國(guó)政協(xié)委員的蘇國(guó)萃等共同開展研究，針對(duì)京杭大運(yùn)河穿黃方案提出了初步方案，并于2011 年同山東省交通設(shè)計(jì)部門合作完成了《京杭大運(yùn)河穿越黃河隧道工程項(xiàng)目建議書》［10］。山東省政府《關(guān)于加快內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的意見》（魯政發(fā)〔2011〕48 號(hào)）提出，到2020 年建成“一干多支、干支直達(dá)、溝通南北”的京杭大運(yùn)河高等級(jí)航道網(wǎng)。為明確京杭大運(yùn)河黃河以北段通航的可行性和必要性，交通運(yùn)輸部2018 年給山東、河北、天津和北京下發(fā)了關(guān)于開展京杭大運(yùn)河黃河以北段通航深化研究的通知，要求山東省對(duì)通航的運(yùn)輸需求、航運(yùn)用水、穿黃工程、通航線路等重點(diǎn)問題開展專項(xiàng)論證。于是，山東省將“積極推進(jìn)大運(yùn)河穿黃工程、黃河以北段復(fù)航工程的研究”列為山東省內(nèi)河水運(yùn)建設(shè)的主要任務(wù)之一?！笆濉逼陂g，首批國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”（編號(hào)2016YFC0402500）［12］項(xiàng)目組，對(duì)穿黃工程線位、穿黃隧道布局等進(jìn)行研究［9］，認(rèn)為：穿黃位置選在明清黃運(yùn)交匯點(diǎn)上游路那里村以東基本可行；穿黃隧道按凈高11.5 m、航道凈寬25 m、總寬大于50 m 可雙向駛船，隧道頂采用不易被沖毀且隧道以上河床不需預(yù)留很厚土層的高強(qiáng)度微拱形鋼板結(jié)構(gòu)［9］，因而不受“黃河沖刷嚴(yán)重必須預(yù)留足夠河床厚度”的制約。為便于工程實(shí)施，項(xiàng)目組研究認(rèn)為不能采用盾構(gòu)機(jī)施工，給出了立交平穿黃河方案的施工原則為“精心準(zhǔn)備，先引后圍，先右后左，水庫(kù)調(diào)配”［9］，采取“先引后圍”措施便于采用打樁等常規(guī)方法對(duì)穿黃工程底部軟基進(jìn)行處理。此外，還提出在穿黃工程兩側(cè)各設(shè)置兩個(gè)間距約100 m 的跨堤樁墩，同側(cè)上下游跨穿黃工程的樁墩間距約80 m，臨河樁墩宜避開險(xiǎn)工而立于壩田之中，以此為基礎(chǔ)修建一座東西向懸索橋。右堤橋梁底部高于穿黃隧道頂部，便于減小穿黃隧道頂部高強(qiáng)度微拱形鋼板的受力；左堤橋面與玻璃觀景平臺(tái)高程接近，承擔(dān)荷載的同時(shí)便于發(fā)揮固定玻璃觀景平臺(tái)的作用。在兩岸大堤以外高程40 m 處分別設(shè)置玻璃觀景棧道，可對(duì)穿黃過往船只起到高空防護(hù)作用。

2019 年2 月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《大運(yùn)河文化保護(hù)傳承利用規(guī)劃綱要》，明確提出要“研究論證黃河以北段全線復(fù)航的必要性、可行性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性”。為此，2019 年中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司聯(lián)合組成“京杭大運(yùn)河黃河以北（山東段）通航穿黃工程研究”項(xiàng)目組，選擇陶城鋪斷面作為穿黃線位（河底高程為36 m，1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），擬訂了3 種形式的穿黃方案［1］。

二是上跨黃河方案，即采用渡槽跨越方案，渡槽全長(zhǎng)3 174 m。按連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨徑布置，相當(dāng)于大型橋渡工程。該方案可避免與黃河平交存在的問題，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)需要采用升船機(jī)把船升高和降低，難以實(shí)現(xiàn)高效通航的目標(biāo)。

三是下穿黃河方案，即穿黃工程選用盾構(gòu)隧洞結(jié)構(gòu)，布置上下行兩條分別長(zhǎng)3 400、3 455 m 的通航隧洞，中心線間距72.5 m，灘地最大埋深40 m，河底最小埋深30 m。根據(jù)Ⅱ級(jí)航道2 000 t 級(jí)船舶控制設(shè)計(jì)船型尺度（寬度15.8 m，高度3.0 m，設(shè)計(jì)吃水深度2.0 m）和斷面系數(shù)要求，每個(gè)通航隧洞內(nèi)徑為26.1 m，內(nèi)設(shè)單向航道，其下部矩形寬21 m，上部矩形寬小于24.5 m，水深6.5 m，水面以上通航凈高7 m。該方案同樣需要利用升船機(jī)升降過往船只。

上述3 種方案相對(duì)于所選高程較低的穿黃線位頗為匹配，但黃河依然把運(yùn)河南北隔開，導(dǎo)致黃河以南運(yùn)河之水無(wú)法自然向北流，不能恢復(fù)南水北濟(jì)的條件，即使全線通航也不具備自然改善華北平原生態(tài)環(huán)境的功能［9－10，13］。不過，盡管上述方案的實(shí)施與運(yùn)行效果會(huì)大打折扣，過船效率不高，但相對(duì)于一直斷航的現(xiàn)狀，也是有意義的。

2 高效通航的穿黃隧道方案

2.1 穿黃線位研究

修建能夠滿足高效通航條件的穿黃工程，是實(shí)現(xiàn)大運(yùn)河全線通航的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。黃河下游河道已淤成著名的地上“懸河”，客觀上為修建京杭大運(yùn)河立交（上方為黃河、下方為運(yùn)河）平穿（黃河兩岸運(yùn)河水面自然銜接，區(qū)別于下穿很深的隧洞方案）黃河隧道工程創(chuàng)造了良好條件。為克服下穿幾十米的隧洞方案難以高效通航的缺陷，所選穿黃線位的黃河河底高程不能過低，故需要選擇文獻(xiàn)［1］的陶城鋪穿黃斷面上游約20 km的影唐至十里堡段作為穿黃河段，該河段屬于寬河段向窄河段過渡的尾部段，河槽河床縱比降約0.14‰，灘地橫比降為0.50‰～0.67‰，河槽高程比下游陶城鋪斷面高3 m 左右，設(shè)防流量11 000 m3／s 可作為穿黃工程的設(shè)計(jì)洪水條件［14］。

實(shí)測(cè)河勢(shì)套繪資料表明，該河段流路已得到控制，主流擺動(dòng)范圍基本穩(wěn)定在200 m 以內(nèi)。根據(jù)《黃河下游防洪工程“十三五”可行性研究報(bào)告》規(guī)劃治導(dǎo)線成果，穿黃河段整治河寬為600 m，隨著黃河防洪工程的日趨完善［14－15］，進(jìn)入線位河段的大洪水減少。

根據(jù)黃河左右岸遺留運(yùn)河狀況，在穿黃河段內(nèi)自上而下選取大田樓、路那里、十里堡3 個(gè)線位進(jìn)行比選。從盡量利用原運(yùn)河、減少村鎮(zhèn)拆遷量、滿足運(yùn)河立交平穿黃河通航的豎向條件、同兩岸南北原運(yùn)河連接順暢、對(duì)黃河防洪和東平湖污染影響小、便于運(yùn)河增水等方面，進(jìn)行反復(fù)比選，認(rèn)為可將路那里大斷面主槽上游約330 m 處作為推薦線位（見圖2），穿黃工程長(zhǎng)約3 500 m。該線位借助河道北段挖低后的梁濟(jì)運(yùn)河進(jìn)入穿黃隧道，并在運(yùn)河水質(zhì)明顯比東平湖差的客觀條件下，能減輕運(yùn)河對(duì)東平湖的污染，過黃河河槽后進(jìn)入河南臺(tái)前縣域內(nèi)［16－17］，地面平均高43.5 m，穿過黃河北堤后穿越北金堤滯洪區(qū)的線路與金堤河平交，金堤河水進(jìn)入新建京杭大運(yùn)河連接段，既可解決金堤河的退水問題，又可成為運(yùn)河北段水源之一。過金堤河后即進(jìn)入山東陽(yáng)谷縣，順勢(shì)與運(yùn)糧河及京杭大運(yùn)河相連，同現(xiàn)行道路交叉少且總里程較短。此外，該線位上下游兩岸河道工程完善，工程約束能力強(qiáng)，特別是推薦線位上游左右岸緊密呼應(yīng)的影唐險(xiǎn)工與朱丁莊護(hù)灘工程以及左側(cè)臨近推薦線位的棗包樓護(hù)灘工程，已穩(wěn)定控制流路，不需要建設(shè)控導(dǎo)工程和險(xiǎn)工以增強(qiáng)河勢(shì)穩(wěn)定性［1］。工程區(qū)域地勢(shì)西高東低，由西南向東北自然傾斜，坡降為1／9 000～1／5 000，高程為40～50 m［8］。

圖2 穿黃工程所在河段及推薦線位

大田樓線位河底高程較高，在豎向條件方面便于實(shí)施運(yùn)河立交平穿黃河通航工程，但相對(duì)于兩岸運(yùn)河原河道偏向上游，新建京杭大運(yùn)河連接段較長(zhǎng)，工程投資與協(xié)調(diào)難度較大。而十里堡線位堤距較窄且險(xiǎn)工對(duì)峙，河勢(shì)相當(dāng)穩(wěn)定，河底高程約38 m，穿黃工程長(zhǎng)度可縮短至約1 600 m，同北岸原運(yùn)河連接較為順暢，能夠避開或緩解對(duì)河南轄區(qū)的影響，協(xié)調(diào)工作量小，是穿黃工程頗為理想的線位；在東平湖以北又可回歸老運(yùn)河故道，即從八里灣向西，過東平湖經(jīng)戴家廟鄉(xiāng)至十里堡入黃，成為一段有歷史遺存和文化傳承的航道，但對(duì)東平湖的污染影響比南水北調(diào)東線工程還大，且滿足運(yùn)河立交平穿黃河通航的豎向條件方面余地小，故暫不推薦。

推薦的線位在南水北調(diào)東線穿黃隧洞上游約20 km處，其上游約14 km 即為1949 年8 月設(shè)立的孫口水文站（觀測(cè)項(xiàng)目主要有水位、流量、含沙量、冰情等），能夠及時(shí)提供洪水通過穿黃工程前的水沙信息。

(1)矩陣T第8,9,14,17,20列為零向量列,且對(duì)應(yīng)的未知數(shù)行為0，因此可在系數(shù)矩陣T中直接剔除相關(guān)列組成矩陣T′。

2.2 穿黃隧道方案研究

京杭大運(yùn)河全線復(fù)航的控制性工程就是穿黃航運(yùn)通道，為實(shí)現(xiàn)高效穿黃目標(biāo)，不能采取諸如南水北調(diào)中線與東線穿黃工程那樣的隧洞方案，使水流呈明流狀態(tài)并滿足航運(yùn)需要，故必須采取立交平穿黃河隧道方案。根據(jù)2013 年國(guó)務(wù)院批復(fù)的《海河流域綜合規(guī)劃》，京杭大運(yùn)河黃河北岸至天津段約500 km 規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道，天津至北京段141 km 規(guī)劃為Ⅵ級(jí)航道。京杭大運(yùn)河現(xiàn)正常通航的大部分河段水深為3～6 m，寬度為25～70 m。為留有余地，穿黃航運(yùn)通道參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2004）Ⅱ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)“可通航2 000 t，水深2.6～3.0 m，限制性航道水深4 m”，綜合考慮取穿黃隧道水深5.5 m，水面以上通航凈高取7 m。

按上述分析，穿黃隧道內(nèi)部?jī)舾呷?2.5 m 可滿足通航要求，比初步研究所取平穿黃河隧道凈高11.5 m有更大余地，更有利于高效穿黃，其單向航道凈寬仍然取25 m［9］（大于上述下穿黃河方案每個(gè)通航隧洞內(nèi)單向航道上部矩形寬度，更大于水下矩形寬度21 m），總寬55 m 即可雙向行船?？稍诖爸骱降浪娓叱桃陨系膬蓚?cè)設(shè)置凈寬8 m、凈高4 m 的車輛通行隧道，以便在配合船只航行或處理應(yīng)急事件的同時(shí)，產(chǎn)生道路交通效益。

參照上述推薦線位主槽下游330 m 的路那里斷面多年套繪資料，得知該斷面受小浪底水庫(kù)修建后靠溜險(xiǎn)工附近沖刷嚴(yán)重的影響，深槽處平均高程約為40 m，比文獻(xiàn)［1］的陶城鋪穿黃斷面河底高程36 m 高4 m，而黃河南岸京杭大運(yùn)河底高程清淤前約為27 m，從而可為“上黃（河）下運(yùn)（河）”的立交平穿過黃方式創(chuàng)造有利的空間條件。

路那里斷面沖淤變形套繪結(jié)果見圖3。2018 年（下游來(lái)水量較為充足）汛后該斷面深泓點(diǎn)高程為35.31 m，2019 年入海控制站利津?qū)崪y(cè)水量略微減少，2020 年汛前4 月17 日實(shí)測(cè)深泓點(diǎn)高程為34.10 m（為小浪底水庫(kù)修建后該斷面的最低深泓點(diǎn)）。中水流量持續(xù)沖刷時(shí)河勢(shì)規(guī)順［18－19］，主流同路那里斷面偏離正交的角度不大，深泓點(diǎn)高程并不是最低值，如：2020 年下游利津站實(shí)測(cè)水量為359.6 億m3，經(jīng)過秋汛持續(xù)沖刷，10 月16 日實(shí)測(cè)深泓點(diǎn)高程為36.32 m；2021 年利津站水量高達(dá)443.8 億m3，其中8 月下旬至10 月，受華西秋雨持續(xù)影響，黃河中下游地區(qū)發(fā)生歷史罕見秋汛洪水，干流9 d 內(nèi)相繼出現(xiàn)3 次編號(hào)洪水，潼關(guān)水文站發(fā)生1979 年以來(lái)最大洪水，多座水庫(kù)突破歷史最高蓄水位，黃河下游出現(xiàn)長(zhǎng)歷時(shí)、大流量洪水過程，經(jīng)過流量約5 000 m3／s 的洪水持續(xù)沖刷后，11 月8 日實(shí)測(cè)深泓點(diǎn)高程為36.93 m。至于大水期主流趨中與河勢(shì)下挫，主流頂沖險(xiǎn)工丁壩的角度變?。?0］，壩頭局部沖刷強(qiáng)度減弱，路那里斷面深泓點(diǎn)高程更不是最低值，可認(rèn)為小浪底水庫(kù)修建后下游沖刷最深時(shí)路那里斷面深泓點(diǎn)高程為34.10 m（文獻(xiàn)［1］的陶城鋪穿黃斷面相同條件下最大沖刷水深為30.68 m，兩者相差3.42 m，略小于上述河底高程高差4 m）。推薦穿黃線位右側(cè)主槽位于路那里斷面上游約330 m 處，基本位于上游左岸棗包樓護(hù)灘工程與右岸國(guó)那里險(xiǎn)工之間的過渡段，能避開靠溜險(xiǎn)工，深泓點(diǎn)高程應(yīng)明顯高于路那里斷面深泓點(diǎn)，據(jù)動(dòng)床模型試驗(yàn)，兩者相差3～5 m，穿黃線位最低點(diǎn)高程相應(yīng)近似為37～38 m，可取下限值37 m。實(shí)際工程若需要使穿黃斷面的深泓點(diǎn)高程提高1 m，可將推薦穿黃線位再上移100～150 m 即可，同時(shí)還具有進(jìn)一步避開靠溜險(xiǎn)工而便于采取防護(hù)措施的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 路那里斷面沖刷變形套繪結(jié)果

在上下游一定范圍內(nèi)利用鋼結(jié)構(gòu)板樁組合技術(shù)［16－17］對(duì)右岸傳統(tǒng)險(xiǎn)工改造升級(jí)后，即可在增加主槽過流寬度與能力的條件下明顯減少局部沖刷。在不高于斷面深泓點(diǎn)高程的隧道頂采用表層經(jīng)過防腐抗磨處理的高強(qiáng)度微拱形鋼板，可在防沖的同時(shí)減少隧道頂厚度。其實(shí)，隧道頂部高程即使高于37 m 而接近深槽的平均高程40 m，也不影響黃河過流能力。假如隧道頂部高程為40 m，研究表明，穿黃斷面主槽底局部被定床限制后，必然引發(fā)沖積河流系統(tǒng)偏離原有的相對(duì)平衡狀態(tài)，在水流與河床相互作用的過程中，總是朝著使沖刷不斷減小的方向調(diào)整［21－23］，表現(xiàn)出沖刷程度時(shí)空衰減規(guī)律而逐漸趨于新的平衡（遵循系統(tǒng)趨衡響應(yīng)原理［6］），并不改變洪水期河床通過沖刷而增加過流斷面面積的自然特性［22］，穿黃隧道頂部的河槽水流會(huì)通過自然沖刷兩側(cè)灘岸（以向左側(cè)擴(kuò)展為主），自動(dòng)調(diào)整出均衡的斷面形態(tài)［18，23－24］，其過流面積不減反增，流態(tài)變得相對(duì)穩(wěn)定，同原來(lái)極不勻稱的斷面形態(tài)相比，能有效緩解水流與河岸之間的矛盾［12，25］，改善摩阻特性而便于河槽形態(tài)的趨衡調(diào)整，更有助于穿黃河段過洪與輸沙能力的提高。

鑒于梁濟(jì)運(yùn)河通航水位為34～37 m［1］，按一定比降流到黃河南岸時(shí)水位降低后恰好便于通過穿黃隧道。隧道頂若采用表層經(jīng)過防腐抗磨處理的高強(qiáng)度微拱形鋼板，厚度為0.4 m（比初步研究所取厚度大10 cm，隧道內(nèi)頂部高程為36.6 m），可滿足設(shè)計(jì)需要，即可在防沖的同時(shí)減小隧道頂厚度。黃河北岸聊城運(yùn)河經(jīng)過清淤處置后河底標(biāo)高能達(dá)到24 m，再由南岸運(yùn)河底經(jīng)過清淤后，河底標(biāo)高不難挖到25 m，故由穿黃隧道內(nèi)部?jī)舾?2.5 m，可確定穿黃工程底部高程為24.1 m。

隨著新方法、新工藝、新材料的不斷發(fā)展，在上述平穿黃河隧道方案的基礎(chǔ)上，完全可建設(shè)更為理想的京杭大運(yùn)河穿黃工程。例如，可在將生產(chǎn)堤提升改造為防洪堤且通過圖4 所示的“鋼壁墻”與隧道連接為一體后，將灘地土體挖去，上面鋪設(shè)特種玻璃成為觀景平臺(tái)，能讓游客透過玻璃棧道看到運(yùn)河行舟的美景，增加旅游效益。左岸若自影唐險(xiǎn)工尾部始，經(jīng)棗包樓工程至路那里斷面，將生產(chǎn)堤升級(jí)改造為防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 000 m3／s 的防洪堤后［12，14］，穿黃工程線位實(shí)際漫灘上水的可能性很?。ń?0 a 來(lái)孫口水文站最大流量為1985 年的7 100 m3／s，近30 a 來(lái)該站每年最大流量均不大于1996 年的5 800 m3／s，古賢等水庫(kù)發(fā)揮作用后［21］，洪峰流量將明顯減小），假如出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫過玻璃觀景平臺(tái)，只要及時(shí)清淤就不影響游客的別樣體驗(yàn)。

圖4 隧道＋玻璃觀景平臺(tái)穿黃方案

如此“上黃（河）下運(yùn)（河）”立交平穿過黃工程，在上下游一定范圍內(nèi)必須采取高標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)措施，除在右岸對(duì)險(xiǎn)工丁壩進(jìn)行必要改造［16－17］并對(duì)堤防底層與高強(qiáng)度微拱形鋼板頂部接口進(jìn)行防護(hù)處置外，還必須采用具有防腐性能的高強(qiáng)度新材料對(duì)穿黃隧道頂部進(jìn)一步處置，再以1 ∶6 的坡降向上下游展開，發(fā)揮良好的防滲漏與防沖刷效果，確保隧道附近的黃河堤防不出現(xiàn)滲漏險(xiǎn)情。

3 對(duì)京杭大運(yùn)河通航其他影響因素的分析

3.1 位山水利樞紐工程對(duì)京杭大運(yùn)河全線通航的影響

20 世紀(jì)50 年代三門峽水庫(kù)修建前編制的《關(guān)于根治黃河水害和開發(fā)黃河水利的綜合規(guī)劃的報(bào)告》［7，19－21］，提出了河道梯級(jí)開發(fā)的方案［4］。1958 年5月1 日，開工興建梁山縣與東阿縣之間的位山水利樞紐工程引黃閘，后來(lái)相繼修建了東平湖水庫(kù)圍壩、攔河閘、攔河壩、進(jìn)湖閘、出湖閘等工程［4］。位山水利樞紐修建時(shí)，有關(guān)方面以“有利于樞紐綜合利用和東平湖蓄水”為由，將東平湖與黃河、運(yùn)河分開，筑起東平湖西堤，堵死了南四湖（微山湖、昭陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、南陽(yáng)湖等4 個(gè)相連湖的總稱）洪水自然入黃通道，京杭大運(yùn)河張壩口以北段部分被截入東平湖湖區(qū)內(nèi)；尤其在1958 年開挖了國(guó)那里至南四湖的梁濟(jì)運(yùn)河，從而導(dǎo)致黃河以南徑流南去的局面，從根本上改變了戴村壩至南旺樞紐工程南北分流的格局，這就是京杭大運(yùn)河不能全線通航的根本原因［3］。應(yīng)該承認(rèn)，當(dāng)年修建位山攔河壩縮窄了過洪斷面，因擔(dān)心洪水泄流不暢而試圖通過上述工程手段把本應(yīng)進(jìn)入黃河的洪水（包括菏澤、濟(jì)寧境內(nèi)的排澇泄洪之水）逼向東平湖與南四湖，至今在黃河洪水較大時(shí)還分水入南四湖，使這部分水流入淮河流域。

1960 年5 月位山水利樞紐投入運(yùn)用后出現(xiàn)了嚴(yán)重的淤積問題，特別是三門峽水庫(kù)1962 年3 月運(yùn)用方式由“蓄水?dāng)r沙”改為低水位“滯洪滯沙”后，位山水利樞紐對(duì)黃河淤積影響更大。在有關(guān)專家的建議下，1963 年10 月21 日國(guó)務(wù)院同意了位山水利樞紐破壩方案［9］，11 月22 日采用炸藥起爆破除。1966 年冬按Ⅵ級(jí)航道開挖疏通黃河以南運(yùn)河時(shí)，為解決河床南低北高問題，陸續(xù)建設(shè)郭樓節(jié)制閘、船閘和國(guó)那里入黃閘（入黃閘1972 年基本完工，1976 年試用3 次暴露出運(yùn)營(yíng)與泥沙淤積等方面的問題，且上閘首一直有滲水等難以排除的險(xiǎn)情隱患，1980 年6 月實(shí)施土壩圍堵工程后停用，1989 年將閘拆除）。1969 年梁山縣國(guó)那里村至濟(jì)寧湖口村88 km 運(yùn)河通航，梁濟(jì)運(yùn)河遂單向南流，黃河南岸至濟(jì)寧以北的老運(yùn)河被廢棄。由此徹底打破了當(dāng)年京杭大運(yùn)河形成的“魯水濟(jì)運(yùn)、七分北流”的局面，尤其黃河以北廣大區(qū)域失去了南水北濟(jì)的條件，逐漸使運(yùn)河北段斷航，隨著水資源供需矛盾日益激化，引發(fā)了黃河以北平原嚴(yán)重缺水和整個(gè)地面沉降的地質(zhì)災(zāi)害，方顯現(xiàn)出位山水利樞紐修建前南岸本應(yīng)入黃水量的寶貴。從60 a 后的今天看，當(dāng)年李駕三提出“恢復(fù)到建壩前河湖不分家的自然調(diào)蓄狀態(tài)”的破壩方案［4，9］頗有戰(zhàn)略眼光。此后趙業(yè)安等著名專家多次建議總結(jié)位山水利樞紐失敗教訓(xùn)，呼吁糾正所造成的不利影響［5，9］。筆者也曾主張位山水利樞紐遺址南岸盡早恢復(fù)到樞紐修建前黃河、汶河洪水進(jìn)出東平湖的自然狀態(tài)，并通過河湖庫(kù)水系連通，大力推進(jìn)黃河下游河湖水環(huán)境綜合治理與水生態(tài)保護(hù)修復(fù)［4，14］，使京杭大運(yùn)河全線通航后有充足的水源。

3.2 京杭大運(yùn)河全線通航的有利條件分析

黃河治理局面的巨大改觀也是大運(yùn)河全線通航的有利條件。古賢水庫(kù)建成生效未來(lái)可期［11－14］，在沿黃已建和擬建的平原水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度下黃河下游通航是不難實(shí)現(xiàn)的。只要對(duì)黃河下游傳統(tǒng)河道工程改造升級(jí)［16－17］，就能夠穩(wěn)定流路與水深，同時(shí)黃河治理取得了巨大的減沙成就［15］，黃河水沙已向有利方向轉(zhuǎn)化（如2008—2022 年黃河中游潼關(guān)站年均來(lái)沙量1.75億t，僅為1919—1960 年年均值的1／8），“河床不抬高”已成現(xiàn)實(shí)［19］，下游洪水實(shí)難發(fā)生，對(duì)京杭大運(yùn)河全線通航起關(guān)鍵作用的穿黃隧道安全已不成問題。

受1843 年這一可靠性差的調(diào)查洪水點(diǎn)據(jù)影響，黃河中下游現(xiàn)行洪水設(shè)計(jì)流量偏大、重現(xiàn)期偏小，當(dāng)年從事這項(xiàng)工作的老專家認(rèn)為成果可能偏大20%～30%，調(diào)度運(yùn)用方式預(yù)留的余地也人為偏大，致使黃河下游生態(tài)保護(hù)及高質(zhì)量發(fā)展遇到的人為問題較多［14］。例如：一方面黃河水資源供需矛盾突出，另一方面在來(lái)水量較大的年份（如2018—2021 年入海水量遠(yuǎn)大于黃河下游輸沙與河口生態(tài)所需水量總和，其利津水文站年均實(shí)測(cè)水量為312.2 億～443.8 億m3），在三門峽水庫(kù)尚不能對(duì)秋汛洪水?dāng)r蓄情況下［21］，黃河不能以“懸河”態(tài)勢(shì)利用引黃濟(jì)冀、引黃濟(jì)津、引黃濟(jì)青等自流供水能力很大的引黃設(shè)施伺機(jī)向兩岸足量補(bǔ)水，使漏斗區(qū)深層地下水回升，為相關(guān)地區(qū)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)［9］，其作用是其他手段無(wú)法比擬的，同時(shí)還制約著黃河下游對(duì)京杭大運(yùn)河全線通航的貢獻(xiàn)。由此說明，科學(xué)構(gòu)建華北水網(wǎng)體系必須充分發(fā)揮黃河和大運(yùn)河的作用。

為改變黃河下游這種被動(dòng)局面，必須按合理的洪水設(shè)計(jì)成果與水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方式，在黃河發(fā)生稀遇洪水時(shí)不再使用北金堤滯洪區(qū)與東平湖進(jìn)行分洪滯洪［14］，而是在北金堤滯洪區(qū)渠村等分洪閘附近建設(shè)平原水庫(kù)（人工湖），同時(shí)整合東平湖與沿黃已建和擬建的白云、董口、楊莊集、古宋金河、齊河、利民、金橋、濱源、東津等引黃平原水庫(kù)［9，19］，構(gòu)建區(qū)域水網(wǎng)體系，確保京杭大運(yùn)河穿過黃河后有充足水源。在黃河秋汛到來(lái)無(wú)庫(kù)容可用之時(shí)［4］（尤其渭河秋汛來(lái)水是黃河干流擬建的古賢工程無(wú)法攔蓄的），或者在下游非灌溉期小浪底等水庫(kù)棄水時(shí)或調(diào)水調(diào)沙泄流初期，相機(jī)儲(chǔ)蓄黃河水。將下游地區(qū)以眾多引黃人工湖和相關(guān)河道為單元構(gòu)成的河湖水系，利用“懸河”落差合理調(diào)度，作為黃河防洪抗旱與生態(tài)調(diào)控體系的有機(jī)組成部分［20－21］，發(fā)揮中上游水庫(kù)難以發(fā)揮的調(diào)控作用。特別是當(dāng)黃河出現(xiàn)較大洪水或者在前期預(yù)測(cè)失誤、中游水庫(kù)調(diào)度不當(dāng)時(shí)，這些人工湖能發(fā)揮分滯洪及防洪減災(zāi)作用，優(yōu)化配置水資源、修復(fù)生態(tài)、調(diào)節(jié)和補(bǔ)充地表及地下水資源，給下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)帶來(lái)巨大效益。

3.3 京杭大運(yùn)河北段水源保障有利條件分析

李殿魁［3］早在20 世紀(jì)末就多次強(qiáng)調(diào)指出：“山東不缺水，是京杭大運(yùn)河斷航才造成了山東、華北缺水。”近年的證明是2022 年6 月26 日11 時(shí)至28 日6時(shí)，山東普降暴雨到大暴雨，濟(jì)寧等局地累計(jì)降雨量達(dá)280～391 mm，全省降雨量折合水量145.7 億m3，媒體稱“山東兩天時(shí)間下了12 141 個(gè)大明湖”！顯然“山東不缺水”對(duì)解決京杭大運(yùn)河全線通航的水源問題是有利的。

京杭大運(yùn)河穿黃通航一旦成功，就可實(shí)現(xiàn)黃淮海流域河流的互通，充分發(fā)揮灌溉、分洪、排澇等功能。穿黃工程正常運(yùn)行后水位與南四湖水位自然銜接，京杭大運(yùn)河北段即具備了基本的水源條件。南四湖有53 條河流入湖，洪水位36 m 時(shí)湖水量50.7 億m3；梁濟(jì)運(yùn)河是濟(jì)寧、菏澤境內(nèi)的主要排水泄洪通道，沿途有泉河、趙王河等10 多條主要支流匯入，對(duì)全線通航黃河以北段補(bǔ)水量較大［9］；金堤河流經(jīng)河南、山東兩省，多年平均天然徑流量為2.7 億m3。明清時(shí)期以汶水濟(jì)運(yùn)，同時(shí)讓南四湖北流濟(jì)運(yùn)，保證了京杭大運(yùn)河的穩(wěn)定發(fā)展。當(dāng)時(shí)黃河在江蘇入黃海，現(xiàn)在山東省水資源比明清時(shí)更加豐沛，尤其現(xiàn)可稱為“運(yùn)河水柜”甚至“運(yùn)河水脊”的東平湖，是大運(yùn)河山東段最大水源地。倘若充分發(fā)揮南四湖、東平湖、梁濟(jì)運(yùn)河、金堤河的配水作用，南北分流（濟(jì)北為主），再加上引黃補(bǔ)水，則京杭大運(yùn)河北段通航的水深不難維持。

上述黃河以南區(qū)域洪水回歸北流后能明顯減輕淮河洪水壓力，既可為國(guó)家節(jié)省防災(zāi)救災(zāi)資金，又可在魯西南降雨量偏大時(shí)通過京杭大運(yùn)河穿黃工程向北排水，利用運(yùn)河北段行水回灌，有效補(bǔ)給沿岸地下水，顯著減輕華北地區(qū)地面沉降的地質(zhì)災(zāi)害影響，產(chǎn)生較大的減災(zāi)與生態(tài)效益。此外，金堤河在臺(tái)前縣張莊附近穿黃河大堤入黃河，出口受黃河河槽逐年淤積抬高的影響，地表徑流和地下徑流出路不暢，金堤河下游成為積水區(qū)，導(dǎo)致中下游地下水埋深淺，洪、澇、旱、堿曾交替為害，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量長(zhǎng)期較低。金堤河在入黃河前建有提排能力約為100 m3／s 的張莊提排站，用于排澇并可防止黃河漲水時(shí)倒灌。若采取必要的工程改造與沉沙處理措施，讓金堤河水注入京杭大運(yùn)河，實(shí)現(xiàn)黃河流域與海河流域的連通，則可減少金堤河洪澇災(zāi)害損失，對(duì)河南和山東都頗為有利，并能夠節(jié)省提排站大量的運(yùn)行費(fèi)用［9］。

國(guó)家對(duì)南水北調(diào)東線工程及其配套工程以恢復(fù)京杭大運(yùn)河航運(yùn)為主的功能定位有一定的局限性［19］，需要對(duì)局部制約渠段加以改造，才能更好地發(fā)揮其作用。鑒于黃河以南相關(guān)湖泊水位與河流的流量并不是恒定的，因此需要在穿黃工程南端運(yùn)河?xùn)|岸，利用板樁組合技術(shù)修建堰頂漸變式溢流堰，向東平湖區(qū)排泄富余之水［9］，以穩(wěn)定穿黃隧道水位，保證船舶往來(lái)暢通。

4 結(jié)論

1）采取“上黃（河）下運(yùn)（河）”的立交平穿過黃方式，科學(xué)修建穿黃隧道工程，是實(shí)現(xiàn)京杭大運(yùn)河全線通航并高效穿黃的最佳方案。為使全線通航的京杭大運(yùn)河成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略支撐和不竭的動(dòng)力源泉，同時(shí)發(fā)揮南方洪水對(duì)華北生態(tài)環(huán)境修復(fù)的巨大作用，國(guó)家相關(guān)部門應(yīng)以“功成不必在我”的精神境界和“功成必定有我”的歷史擔(dān)當(dāng)，以高效通航的國(guó)家利益為重，協(xié)同做好穿黃工程方案比選工作，形成科學(xué)合理的工程技術(shù)方案。

2）以河勢(shì)穩(wěn)定的影唐至十里堡段作為穿黃河段，選取大田樓、路那里、十里堡3 個(gè)線位，再?gòu)臐M足運(yùn)河穿黃工程高效通航的豎向條件、同黃河兩岸連接順暢程度、對(duì)黃河防洪和東平湖污染影響、便于運(yùn)河增水等方面進(jìn)行比選，可將路那里河道大斷面主槽上游約330 m處作為推薦穿黃線位（穿黃隧道工程長(zhǎng)約3 500 m），北岸穿越北金堤滯洪區(qū)的線路與金堤河平交，可使金堤河成為運(yùn)河北段的水源之一，之后順勢(shì)與運(yùn)糧河及京杭大運(yùn)河相連。

3）通過河床沖刷觀測(cè)與模型試驗(yàn)資料分析，確定穿黃線位最低點(diǎn)高程為37 m，其可作為穿黃隧道頂部高程；參照Ⅱ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，綜合確定穿黃隧道水深為5.5 m、水面以上通航凈高為7.0 m、穿黃隧道內(nèi)部?jī)舾邽?2.5 m、單向航道凈寬為25 m，總寬55 m 可雙向駛船；采用400 mm 厚、表層經(jīng)過防腐抗磨處理的高強(qiáng)度微拱形鋼板，可確定穿黃隧道工程底部高程為24.1 m，同黃河兩岸運(yùn)河清淤后的底部高程能夠自然銜接。為便于航船過往，既能讓游客透過玻璃棧道看到運(yùn)河行舟的美景，又不影響超標(biāo)準(zhǔn)洪水行洪，將生產(chǎn)堤提升改造為高標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)堤的基礎(chǔ)上，在北部高程45 m 處鋪設(shè)特種玻璃，使其成為觀景平臺(tái)，提升為隧道（南部河槽）＋玻璃觀景平臺(tái)（北部灘地）形式的穿黃工程方案。

4）為使運(yùn)河平穿黃河后有充足的水源，須將位山水利樞紐遺址南岸區(qū)域基本恢復(fù)到位山水利樞紐修建前黃河、汶河洪水進(jìn)出東平湖的狀態(tài)，將梁濟(jì)運(yùn)河改造成北流之河，充分發(fā)揮南四湖、東平湖、金堤河及梁濟(jì)運(yùn)河對(duì)京杭大運(yùn)河北段的配水作用，讓五湖兩河之水南北分流（濟(jì)北為主），加上穩(wěn)定的引黃補(bǔ)水，再利用沿黃已建和擬建的引黃平原水庫(kù)配水，可確保京杭大運(yùn)河黃河以北段通航有充足水源。

5）在“上黃（河）下運(yùn)（河）”立交平穿過黃隧道工程南端運(yùn)河?xùn)|岸修建堰頂漸變式溢流堰，向東平湖區(qū)排泄富余之水，穩(wěn)定穿黃隧道水位，保證京杭大運(yùn)河船舶過往暢通。京杭大運(yùn)河穿黃通航一旦成功，自然形成黃淮海流域水系連通，就可充分發(fā)揮灌溉、分洪、排澇等功能，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)效益。