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滩区工程对黄河下游漫滩水流的影响分析

李新杰 耿明全
责任编辑:范江涛 来源:

  黄河下游滩区是黄河汛期行洪、泄洪、沉沙的区域,也是180万居民生产生活的场所。由于上游水少沙多的径流特点、上宽下窄的河道形态,以及下游河道长年淤积,使黄河下游逐渐成为复式河槽,造成独特的“二级悬河”,黄河下游防洪形势严峻。

  在黄河下游多年的防洪减灾实践中,国家、当地政府和居民修建了大量的滩区工程(包括河道管理部门修建的河道控导工程和当地村民自发修建的生产堤等)来控制洪水,发展生产,在黄河两岸滩区防洪减灾方面发挥了巨大作用。与此同时,这些滩区工程也影响到下游高含沙洪水的滩槽水沙交换,特别是滩区居民为抵御中小洪水而修建的生产堤,在保护滩区农业生产的同时,也造成主槽淤积、平滩流量减少、河道输送洪水能力降低,使河槽摆动频率增大,增加了洪水在下游河道的传播时间,最终加剧“二级悬河”的形成。因此,根据黄河下游防洪减灾实践和滩区经济发展的要求,研究下游河道防洪工程措施对漫滩洪水的滩槽水沙交换的影响,对制定滩区长远发展规划、维护滩区稳定和经济发展具有重要意义。

滩区及滩区工程

  1.滩区的功能

  黄河下游滩区是黄河下游河道的重要组成部分,发挥着滞洪沉沙的作用。1958年和1982年花园口洪峰流量分别为22300立方米每秒、15300立方米每秒,花园口—孙口河段的槽蓄量分别为25.89亿立方米、24.54亿立方米,滩区分洪约20%,发挥了蓄滞洪水的作用,降低了下游东平湖滞洪区的运用概率。

  黄河下游滩区沉沙作用显著,据实测资料统计,1950~1998年间,滩地共淤积63.69亿吨,占全断面淤积量的69.2%,减缓了下游主槽的淤积速度,维持了河槽的过洪能力。特别是近十几年运用中游水库群调水调沙,形成了“上拦下排、两岸分滞”的黄河下游防洪工程体系,使下游河道平滩流量稳定,中游河槽形成,实现了下游河道的冲淤平衡,下游河道防洪减灾能力增强。

  2.滩区工程

  先后在黄河中游干支流修建了小浪底、陆浑和故县水库等关键控制性工程,对黄河下游进行了河道整治和4次堤防加高培厚,并在下游开辟了北金堤与东平湖2个蓄滞洪区。目前,黄河下游发挥防洪减灾功能的滩区工程体系主要有堤防工程、河道整治工程和生产堤。

  3.河道整治工程

  黄河河道整治工程主要包括险工和控导工程两类。统计1989~1994年、1995~1998年及1999年以后秦厂—高村段河段河槽游荡摆动幅度可知,1999年以后秦厂—高村段河段河槽游荡摆动范围逐渐缩小,其原因是堤防险工和控导工程的逐渐修建和完善,河道整治工程控制了河势,减少了横河、斜河等发生的概率,缓解了洪水顶冲大堤的趋势,缩小了主流摆动范围。

  4.生产堤

  1949年以来,黄河下游滩区被定位为行洪河道,因此一直以来,大堤以内无防洪工程。滩区居民为了保护村庄和农田,自行在主河道与堤防之间修建了随河槽摆动的临时抵御洪水漫滩的生产堤,但由于缺乏专业指导和长期规划,堤防修建质量较低,难以抵御较大洪水,影响了整个黄河下游河道防凌行洪。

  现状生产堤具有以下特点:一是堤间距、堤顶宽度、高度随滩区地形、经济状况、平滩流量大小而不同。受下游河道发展趋势影响,夹河滩以上河段堤间距约3.0千米以上,高村至孙口河段约0.8~2.0千米,孙口以下河段约1.0千米左右,生产堤修建随河槽摆动而不断向主槽推进,生产堤间距随时间有缩窄趋势。二是生产堤修建标准不统一。生产堤修建无专业人员指导,缺少统一规划,施工质量低,防汛水平差,系土质堤防,临背边坡标准不统一,抵抗洪水冲刷能力低,易溃决。

河道整治工程对漫滩水流冲淤的影响

  1.河道整治对河势的影响

  黄河下游游荡性河段的各类河道整治工程总长约247.85千米,占河道长度的83%。这些河道整治工程(控导工程、险工、护滩工程等)强化了河床的边界条件,提高了河岸的抗冲能力,控制了主溜的摆动,缩小了河道的游荡范围,控制了河岸坍塌。

  花园口以上的保合寨曾是游荡性河道主溜摆动最大的地方,20世纪60年代初最大能达到7.5千米,随着控导工程的修建,至80年代初摆动范围已经控制在5~6千米之间,近几年,随着控导工程的完善,摆动范围已经降为3.0千米左右。

  同时,由于河道整治工程的修建,控制了高含沙洪水的漫滩,影响了洪水滩槽水沙交换、向滩区深处落淤的功能,造成滩唇淤积严重、堤根低洼,增加了滩区顺堤行洪的风险。

  2.河道整治对调沙、输沙特性的影响

  艾山以上河道主要发挥沉沙和调沙的作用,夹河滩以上游荡性宽河道以调沙为主,就是将高含沙洪水期的泥沙调到平水期、枯水期、非汛期及丰水少沙年份。这种调沙作用主要是发挥减淤和冲淤作用,即在主流未受到控制的情况下,让二滩、高滩的泥沙也能向下游冲刷。

  河道整治初期,下游河道由宽河槽向窄河槽转变,部分宽河槽中的嫩滩转化成稳定的二滩,从而形成稳定的滞沙,淤积集中在滩唇附近。这将在一定时期内减少进入下游河段的沙量。

  河道整治完成后,工程对主流摆动形成限制,黄河下游游荡性河道形成窄深的河槽形,高含沙洪水来临时,水流在河槽内流速较稳定,淤积在河道内的泥沙较整治前少,下泄沙量有所增加。低含沙水流、非汛期清水来临时,因河床粗化,下游河道冲刷较整治前减少。

  河道整治完成后,黄河下游的窄深河槽洪水位上涨率大,下游来大洪水时,洪水漫滩概率增大,河道整治前淤积在嫩滩上的泥沙将淤积到二滩上,增大二滩沉沙量,增加了与河槽的高差,使河槽更加稳定。

  游荡性河道经过整治后,小于平滩流量的洪水,流速和挟沙能力增强,水流向下游河道输沙能力提高;小流量或枯水时,比起河道整治前,河槽回淤困难,增加了泥沙的输送。

生产堤对漫滩水流冲淤的影响

  1.生产堤对历史漫滩洪水的影响分析

  选择1950~1998年间黄河下游河道边界及水沙条件有显著变化的几个关键时段,结合河道大断面观测资料,对黄河下游淤滩刷槽、滩区滞洪沉沙作用及滩槽淤积分布的影响进行系统分析研究。

  通过统计:1953、1954、1957、1958年4场汛期洪水河道冲淤情况,汛期河槽平均淤积-0.0453亿立方米,滩地汛期平均淤积1.808亿立方米,河槽冲刷滩地淤积。淤滩刷槽发生22面次(断面次数,下同),比例占52.4%,刷槽及刷槽切滩7面次,占16.7%,单纯淤槽发生6面次,占14.3%,淤滩淤槽发生7面次,占16.7%。究其原因是1953~1958年期间下游滩区无生产堤,河道基本是自然行洪,滩区淤积不受生产堤影响,滩区行洪阻力小,行洪能力大,滩槽水沙交换和滩槽淤积分布和谐。

  通过选择一些没有生产堤阻隔的断面,点绘不同漫滩水深和滩地淤积的关系可知,滩区的淤积量随着漫滩水深的增加而增加;当漫滩水深在0.5米以下时滩地淤积数量相对较小;在0.5~2.0米之间时滩地淤积量增大;超过2.0米时,由于滩地过水流量和流速增加,淤积量增大的趋势不明显。由此推断,如果滩区建有生产堤,在漫滩水深0.5米以下时对滩地淤积虽有影响,但数量都比较小;0.5~2.0米时对滩区的淤积影响最大。此时河槽、滩地流速都加大,泥沙被输送到下游,因此在大流量高水位时,滩区生产堤对河道淤积形态的影响最严重。

  但滩地淤积与河槽的冲淤变化联系很密切,单纯的大量淤滩、淤槽或刷槽,其发生概率都非常小。本文采用主槽淤积量与滩地淤积量的比来反映滩槽淤积之间的内在联系。选用花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山5个水文站典型洪水要素和大断面测量资料,计算典型洪水发生漫滩淤积条件下的典型观测断面槽滩淤积比,点绘典型洪水发生漫滩淤积条件下控制断面最大滩地过流量与典型滩区槽滩淤积比间的关系以及最大漫滩水深与断面槽滩淤积比间的关系。

  根据分析可知,漫滩洪水在一定水深或流量范围内最易引发滩槽冲淤变化,漫滩水深、流量过小或过大,滩槽冲淤变化都不十分显著。通过多年河道、水文观测资料分析,当漫滩水深、流量过小时,一般淤积都在嫩滩或滩唇上。对于中小漫滩洪水,生产堤存在缺口及滩地串沟越多,发生滩槽淤积变化越大。

  2.生产堤对漫滩水流的影响分析

  不同量级的洪水,生产堤对河道淤积产生的影响也不同,流量过小或过大,生产堤对滩槽淤积形态影响不明显,但当漫滩水深与生产堤高度相当、生产堤挡水作用明显时,对滩槽淤积形态影响比较明显。

  当遇到小流量高含沙洪水时,在无生产堤的滩面上,洪水漫滩造成泥沙淤积在滩地上,低含沙洪水回归主槽,因此主槽淤积减少或出现局部冲刷,滩槽高差增大,主槽过流能力增强。而当修建生产堤时,其影响如下:一是生产堤的修建影响了下游河道的洪水演进规律,河道的纵向及横向冲淤发生变化。一方面,生产堤改变了河道的边界条件,降低了洪水的摆动,使洪水漫滩概率降低,河槽淤积增加,滩地淤积减小;另一方面,洪水漫滩概率降低造成河槽和滩地淤积速率的不同步性,滩槽高程差减小,容易产生横河、斜河、顺堤行洪等不利局面,造成局部“二级悬河”加剧。二是生产堤的修建影响了高含沙洪水中的泥沙淤积到滩槽的部位和形态。通过统计分析历年洪水河道断面观测资料可知:在相同的河段地形(滩地植被、地形地貌等)和水沙条件(洪量、含沙量)下,滩面无生产堤和串沟时,漫滩洪水泥沙落淤以滩唇为主,滩区深处少;当滩面水深增大,淤积影响的范围也愈大,靠近主槽滩唇附近的滩面淤积厚度远大于滩区深处,滩面横比降增大,尤其当洪量接近平滩流量(超出值较小)时,这种规律表现尤为突出。当滩面修建连续的生产堤并且能防较大洪水时,泥沙大都淤积在生产堤前,堤后则是低洼地带,如果生产堤被部分冲毁,未被冲毁的生产堤割断河槽与滩地淤积的联系,当生产堤的决口与滩区的串沟相连时,会造成并滩区深处淤积,1992、1994和1996年洪水印证了这一现象。

  所以,滩区工程的修建对黄河下游河道冲淤变化影响很大,改变了河道内滩槽的水沙交换和滩槽淤积形态。为切实保障滩区安全,构建滩区人水和谐新局面,应开展河道整治工程和标准化堤防建设,维持目前的宽河格局。科学改造现有生产堤为8000立方米每秒标准滩区防护堤。将滩区控导工程、防护堤及分洪、退水闸口同河道整治工程一样纳入黄河防洪工程体系中,进行相应的工程建设和安全建设。同时,将生产堤改造成防护堤,在滩区设置行洪滞洪沉沙区。在防护堤的适当位置设置引洪放淤泄洪闸及退水闸门,遇高含沙洪水时,对滩区实行人工引洪放淤,淤高滩根,同时将清水由退水闸门排入主槽,实现滩槽水沙交换、淤滩刷槽的效果。


发布时间:2017年10月31日
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