黃河下游河道改造方案初步研究

崔萌 劉生云 張瑞海 朱亞姬

摘要：在當前黃河下游灘區經濟社會發展和治河矛盾日益突出的情況下，探討了對黃河下游進行河道改造的初步思路，即通過在黃河下游灘區設置一定標準防護堤及灘區滯洪區，在一定程度上減輕防護堤與下游設防大堤間的洪災損失。對黃河下游各河段防護堤防洪標準進行了分析論證；通過對不同河段灘區滯洪容量的分析，提出了滯洪區設置河段；通過對不同標準防護堤和灘區滯洪區聯合運用的兩類共4個典型方案的分析比較，提出按設計防洪標準修建防護堤、不建灘區滯洪區方案作為推薦方案。

關鍵詞：河道改造；防洪堤；灘區滯洪區；黃河下游

中圖分類號：TV212； TV882.1 文獻標志碼：A doi ；10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.009

1 研究背景

黃河水少沙多、水沙關系不協調，是世界上最復雜難治的河流。目前黃河下游河道整治工程尚不完善，高村以上游蕩型河道河勢尚未得到有效控制，“二級懸河”發育，“橫河”“斜河”發生概率增大，威脅下游防洪安全。特別是下游灘區居民多，長期以來灘區安全建設嚴重滯后，灘區近180萬群眾安全缺乏保障；灘區洪災風險大，淹沒頻率高，經濟發展和群眾生活水平低。隨著流域經濟社會的快速發展，灘區內、外經濟社會發展的差距逐漸增大，灘區已成為貫穿豫魯兩省的“沿黃貧困帶”。為防止小洪水漫灘，減少灘區淹沒損失，灘區群眾對生產堤毀而復修、破而復堵，對小浪底水庫攔蓄中小洪水保灘提出了更高的要求。針對黃河下游河道和灘區治理提出的新要求，開展了黃河下游河道與灘區改造方案的研究，旨在通過對黃河下游河道及灘區進行改造，在黃河下游灘區設置一定標準的防護堤及灘區滯洪區，在一定程度上減輕防護堤與下游設防大堤間的洪災損失，促進灘區經濟發展，緩解當前灘區發展與治河防洪日益突出的矛盾。

2 治理方案設置格局

在黃河下游灘區內按照一定的設防標準和堤距新建兩道防護堤，防護堤修建后，兩道防護堤之間為河槽，防護堤與兩側黃河大堤之間仍為灘區。發生防護堤設防標準以下洪水時，充分利用河槽行洪輸沙；灘區是泄洪通道的一部分，在河槽泄洪能力不足時用于擴大泄洪斷面，增強泄洪能力。

根據灘區地形條件及超防護堤標準洪量分析，考慮在灘區設置一定數量的滯洪區。當發生超防護堤設防標準洪水時，根據滯洪區可分洪量及來水情況，有計劃地分洪運用。當發生防護堤設防標準內洪水時，考慮防護堤標準與滯洪區運用，分為兩種情況：一是直接按照設計防洪標準修建防護堤，不考慮運用滯洪區；二是修建低于設計標準的防護堤，結合滯洪區運用使較低標準防護堤達到設計標準。因此，方案論證的重點主要在于防護堤標準分析、灘區滯洪區設置以及防護堤與滯洪區聯合運用的河道改造方案。

3 防護堤堤距及標準分析

3.1 防護堤堤距分析

考慮到防護堤堤距設定存在的不同意見[1-2]，本研究對高村以上游蕩型河段擬定兩種堤線布置方案：方案一，基于河勢演變的復雜性，在研究灘區防護堤布設時，充分考慮河勢變化對防護堤安全的影響，堤距設定適當留有余地；方案二，以統計分析的主槽過流量占總流量80%以上的排洪河槽寬度[3-4]為基礎，對畸形河灣等不利河勢采用工程措施進行控導，盡可能保持河道平順，以控導工程的連線布置堤線。兩方案下京廣鐵路橋以上河段堤距均值均為4900m，陶城鋪以下河段長清、平陰灘區堤距均值均為2100m，兩河段堤線布置基本無差別。京廣鐵路橋至高村河段，方案一充分考慮了2000年以來河勢演變情況，京廣鐵路橋一東壩頭及東壩頭一高村河段堤距均值分別為4.40、4.20km；方案二按照排洪河槽寬度，防護堤基本與現狀控導工程首尾連接，兩河段堤距均值分別為3.10、3.17km。高村至陶城鋪河段，方案一情況下因為上下游河道保持平順過渡，所以僅高村以下附近斷面堤距逐漸變窄，其余大部分斷面兩方案堤距相同。兩方案各河段堤距見表1。

考慮河勢變化對工程安全的影響及河道形態、護灘效益等因素，同時結合近年來的相關研究成果，防護堤堤距推薦方案一。m3.2 防護堤標準分析

防護堤修建后，對防護堤的保護對象進行逐段分析。京廣鐵路橋以上河段主要涉及溫孟灘的一部分及武陟灘，人口1.64萬，耕地面積0.92萬hm2。京廣鐵路橋一陶城鋪河段被分割為23處灘區，除左岸原陽灘、長垣灘面積較大、居住人口較多外，其余灘地面積相對較小。陶城鋪以下至北店子河段左岸為設防大堤，右岸灘區因山梁阻隔，故灘區分布有多個小灘，相對連片的大灘主要分布在長清縣、平陰縣，人口共33.39萬，耕地面積2.23萬hm2。根據《防洪標準》（GB50201-2014）分析，京廣鐵路橋以上河段設計防洪標準為10a一遇（對應小浪底出庫流量9400m3/s）；京廣鐵路橋一陶城鋪河段長垣灘防洪標準為20a一遇（對應花園口流量12200m3/s），其他灘區為10a一遇（對應花園口流量10000m3/s）；陶城鋪以下長平灘內長清、平陰縣城段防洪標準為30a一遇（對應艾山流量10000m3/s），非縣城段灘區防洪標準為10a一遇（對應艾山流量9900m3/s）。

4 新建灘區滯洪區研究

黃河下游防洪工程體系的上攔工程有三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等5座水庫；下排工程為河道及堤防工程，設防標準為防御花園口站洪峰流量22000m3/s；兩岸分滯工程為東平湖滯洪區和北金堤滯洪區。進入黃河下游的洪水需經過防洪工程體系的聯合調度，五庫運用后黃河下游各級洪水洪峰流量見表20

防護堤布設后，對黃河下游不同頻率洪水超標準洪量與各滯洪區最大分洪量的關系進行分析，滯洪區處理超標準洪水洪量是基本可行的，防護堤與黃河大堤間灘區設置滯洪區如下：京廣鐵路橋以上河段，上段大玉蘭至官莊峪斷面左岸灘區地勢相對較高，分洪量太小，不考慮設置滯洪區；京廣鐵路橋一陶城鋪河段，結合灘區位置、地形條件、各灘區人口分布等因素，面積小于30km2的較小灘區分洪量有限，不設置滯洪區，對面積大于30km2的6個自然灘，結合防護堤，通過修筑圍堤形成滯洪區；陶城鋪以下河段，考慮到滯洪區自上而下啟用，通過陶城鋪以上滯洪區運用（或結合東平湖）可處理洪水，不再設置滯洪區。同時，考慮到黃河下游灘區存在一定的縱比降，為使滯洪區取得較大庫容，通過修建隔堤對滯洪區進行分區，如原陽灘通過防護堤及在灘內修建隔堤，形成9個分區，以便獲得更大分洪容積，而且調度運用更為方便。滯洪區設置及最大分洪量見表3。

5 河道改造方案

根據灘區防護堤標準分析結果，防護堤修建后，長垣灘應達到20a一遇防洪標準，長平灘長清、平陰縣城段應達到30a一遇防洪標準，其他灘區應達到10a一遇防洪標準。實現該目標有兩種途徑，一是直接按照設計防洪標準修建防護堤，不設置滯洪區；二是通過修建低于設計標準的防護堤，結合滯洪區運用達到設計標準。因此，防護堤標準及滯洪區設置需進行方案比選后綜合確定。根據新建灘區滯洪區分析結果，京廣鐵路橋以上及陶城鋪以下河段不再設置滯洪區，因此這兩個河段防護堤可直接按照設計防洪標準布設，均為防御10 000m3/s洪水。防護堤與滯洪區聯合運用多方案分析比較僅針對京廣鐵路橋一陶城鋪河段，根據防護堤標準及滯洪區布設提出兩類方案：第一類為不設置滯洪區方案，即方案一；第二類為設置滯洪區方案，即方案二至四。

（1）方案一：不設滯洪區方案。長垣灘按照防御12 200m3/s洪水（20a一遇標準）設置防護堤，其他灘區按照10a一遇標準設置防護堤。遇超防護堤設防標準洪水時通過防護堤預設口門進行分洪，灘區與河槽共同行洪運用。

（2）方案二：全線防御8 000m3/s洪水方案（簡稱“8000m3/s防護堤方案”）。京廣鐵路橋以下至陶城鋪河段，防護堤全部按防御8000m3/s洪水設防。花園口站10a一遇、20a一遇洪水超8000m3/s的洪量分別為9.5億、16.5億m3。

長垣灘要達到20a一遇防洪標準，需通過啟用滯洪區分滯超標準洪量16.5億m3。此時京廣鐵路橋一東壩頭河段的所有滯洪區（原陽灘、原封灘、中牟灘、開封灘）分洪7.72億m3后，還需啟用長垣灘（共劃分為11個分區，最大分洪量10.24億m3）的9～10個分區，或在啟用蘭考東明灘（最大分洪量6.06億m3）的基礎上再考慮啟用其他滯洪區。

（3）方案三：防御10000m3/s洪水方案（簡稱“原陽灘分洪方案”）。京廣鐵路橋以下至陶城鋪河段，防護堤全部按防御10000m3/s洪水設防?；▓@口站20a一遇洪水超10000m3/s洪量為1.26億m3。根據進入下游河道的洪量和滯洪區最大可分洪量關系，處理該量級洪水可通過啟用區間任何一個滯洪區解決。由于原陽灘位于最上端，因此利用原陽灘上部的分區即可處理洪峰流量超10000m3/s的洪水。

通過運用原陽灘滯洪區（共劃分為9個分區，最大分洪量3.8億m3）的3～4個分區，分滯超10000m3/s洪量1.26億m3，將原陽灘第4分區以下河段洪峰流量削減至10000m3/s，相當于其下防護堤全部提高到花園口站20a一遇防洪標準，其他灘區實際防洪標準已達到或超過設計防洪標準。

（4）方案四：組合方案（簡稱“中牟灘分洪方案”）。京廣鐵路橋以下至陶城鋪河段，防護堤全部按防御10000m3/S洪水設防。花園口站20a一遇洪水超10000m3/S洪量為1.26億m3。與原陽灘比較，中牟灘內人口相對較少，為減輕分洪造成的社會影響，當發生10a一遇洪水時，可以首先考慮采用中牟灘分洪，此情況下上游右岸的邙金灘、左岸的原陽灘自然分洪。利用中牟灘分洪1.26億m3（10000m3/s洪水下最大可分洪量為1.54億m3），中牟灘以下防護堤標準提高到20a一遇，此時其他灘區實際防洪標準已達到或超過設計防洪標準。

結合其他相關研究成果對以上4個方案進行分析：從對下游河道淤灘刷槽影響效果來看，方案二至四漫灘系數（洪峰流量/平灘流量）為2.0～2.5[5-7]，方案一長垣濰河段防護堤設防標準為12200m3/s，漫灘系數接近3，對灘槽交換影響較大。從對河道沖淤影響看，設置滯洪區會加重主槽淤積，且分沙效果較差。從保灘效果看，4個方案通過防護堤或結合滯洪區運用整體上均可處理設計標準洪水，但不設滯洪區方案最優，中牟灘分洪方案次之，8000m3/s防護堤方案最差。從技術經濟指標分析，通過計算各方案差額投資、多年平均保灘效益及差額投資內部收益率，方案三較優。從對灘區安全建設的影響來看，各方案分洪運用后對已實施灘區安全建設村臺的安全性影響不大，可不作為影響因素，但從方案實施后對下一步安全建設設施的影響看，不設滯洪區方案中防護堤標準為10a一遇，灘區88.5萬人仍需進行安全建設安置，方案二至四中運用的滯洪區內人口需進行安全建設安置，從安置規?？?，方案四最優。從對防洪調度運用及社會影響上看，設置滯洪區對大洪水漫灘行洪影響較大，調度運用產生的社會影響較大。綜合分析，不設滯洪區方案相對較優，作為本研究推薦方案。

推薦方案具體運用方式為：發生10a一遇以下洪水時，河槽過洪，利用防護堤保障標準以下洪水灘區防洪安全；發生10～20a一遇洪水時，陶城鋪以上的長垣灘以及陶城鋪以下的長清、平陰縣城段利用防護堤保障灘區防洪安全，其余灘區全部行洪；發生20～30a一遇洪水時，陶城鋪以下的長清、平陰縣城段利用防護堤保障灘區防洪安全，其余灘區全部行洪；發生30a一遇以上洪水時，下游灘區全部行洪運用。

6 結論

本研究對黃河下游河道改造與灘區治理方案設置格局進行了分析，通過對灘區設置防護堤及灘區滯洪區方案的分析，得出初步研究結論：為進一步緩解黃河下游灘區經濟社會發展和治河日益突出的矛盾，可在目前黃河下游灘區內，按照2.1～4.9km的堤距新建兩道防護堤，長垣灘修建20a一遇標準防護堤，長平灘長清、平陰縣城段修建30a一遇防護堤，其他灘區修建10a一遇標準防護堤。防護堤修建后，明確兩道防護堤之內為河槽，防護堤與黃河大堤之間為灘區；發生設防標準以下洪水時，充分利用河槽行洪輸沙。灘區是泄洪通道的一部分，在河槽泄洪能力不足時用于擴大泄洪斷面，增強泄洪能力，不同河段灘區根據防護堤設計標準運用概率有所不同，但目前尚未充分考慮方案實施對黃河下游河道沖淤的影響，同時防護堤修建后，給未來的洪水預報、洪水調度、工程搶險與管理可能帶來不利影響。下一步將結合該方案與基準方案河道沖淤結果的對比分析以及其他因素，對方案進行綜合比選論證。

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