黃河下游灘區防護堤方案的技術可行性

張敏　李勇

摘要：隨著黃河下游河道整治工程的完善和水庫調控能力的增強，下游漫灘大洪水發生概率大大減小，灘區原本的“滯洪沉沙”功能發生了改變。在新的水沙和邊界條件下，是否采取新的“防護堤方案”引起了各方關注。從黃河下游近60 a水沙、邊界條件和沖淤分布變化角度入手，分析防護堤方案的技術可行性。結果表明：年均來沙3億t情景下，防護堤方案對河道沖淤及防洪的影響都相對較小，防護堤方案值得進一步深化研究;年均來沙6億t和8億t情景下，為確保下游河道防洪安全，防護堤方案應慎重實施。

關鍵詞：防護堤方案;灘區邊界條件;沖淤分布;黃河下游

中圖分類號：TV853;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.005

黃河以含沙量高著稱于世，且具有水少沙多、水沙關系不協調的顯著特征。歷史上黃河頻繁決口泛濫，給兩岸廣大地區帶來了深重的災難。在與洪水長期斗爭的過程中，人們研究了各種對策，創造出多種多樣的工程及非工程措施，其中工程措施按其作用一般可分為擋、排、蓄、分（滯）幾種類型[1]。以王化云為代表的老一輩治黃專家，先后提出、實施了“除害興利，綜合利用”“寬河固堤”“蓄水攔沙”“上攔下排，兩岸分滯”等一系列治黃思想、方略。2004年，黃委組織召開了黃河下游河道治理方略高層專家討論會和黃河下游治理方略專家研討會，提出當前和今后一段時期黃河下游河道的治理方略為“穩定主槽、調水調沙，寬河固堤，政策補償”[1]。

2000年小浪底水庫攔沙運用后，除了調水調沙期外，黃河下游漫灘大洪水發生概率大大減小。隨著水沙和邊界條件的改變，黃河下游的橫向沖淤分布也發生了調整，原本具有“滯洪沉沙”功能的灘地，由于控導工程、生產堤等的修建，因此灘區封閉程度不斷增大，部分灘地失去了大水期間的沉沙功能。長期以來，灘區社會經濟發展落后，群眾收入水平低下，加之水利、交通、能源、教育和衛生等基礎設施建設滯后，灘區已經成為豫魯兩省最貧困的地區之一[2]。

在新的水沙和邊界條件下，是仍然采取“寬河固堤”的政策，還是對黃河下游河道進行改造，引起了各方關注[3-5]。本文對黃河下游水沙變化和淤積橫向分布規律進行了分析，以期為灘區防護堤方案的實施提供技術支撐。灘區防護堤方案即在綜合考慮排洪輸沙、河道整治、灘區面積及位置和人口分布等情況的基礎上，充分利用現有控導工程，并與現狀生產堤結合，兼顧兩岸利益，將控導工程、生產堤連接起來，形成防洪標準為10-20 a一遇的防護堤。

1 小浪底水庫攔沙運用以來水沙特點

小浪底水庫自1999年10月運用以來，以長期下泄清水、小水為主。由表1、圖1、圖2可知，2000年以來花園口站年均來水量為250億m³.其中2012年來水量最大，約400億m³。而花園口站1985年之前各時期年均來水量均在423億m³以上，水量最豐沛的時期為三門峽水庫清水下泄時期（1961-1964年），年均來水量為607億m³。2000-2016年的年均水量僅為1950-1960年的55%。2000-2016年年均來沙量為0.9億t，自2004年之后來沙量持續減小，2009年達到最小。而花園口站2000年之前各時期的年均來沙量均在6.8億t以上，沙量最大的時期為1950-1960年（年均14.3億t）。2000-2016年年均來沙量僅為1950-1960年的6%。

可以看出，2000年后水沙條件發生了顯著變化，尤其是來沙。各流量級分布也發生了變化（見圖3），1960-1986年流量大于5 000 m³/s的水量約占總水量的17%，1986-1999年僅占2%，至2000-2016年則沒有，41%的流量集中在500～1 000 m³/s。因此，小水、清水是2000年以后水流條件的常態。

2 邊界條件變化對灘區淤積分布的影響

2.1 河道整治工程

1949年前高村以上河段道整治工程較少，僅有險工15處、護灘工程3處。至1958年，由于河勢變化等原因又增加了5處險工和部分護灘工程[6]。1960年三門峽水庫投入運用后，洪水雖然得到一定控制，但中水流量持續時間延長，主溜缺乏控制，造成塌灘嚴重，河勢惡化，使得出險多、險情大、搶護難，防守十分被動。因此，20世紀60年代后期河道整治開始快速發展，一直延續到1974年[7]。1974年后建設步伐有所放緩，1986-1989年受國家投資限制，河道整治工程修建較少，1990年后河道整治工程投資明顯增加。截至1999年汛前，黃河下游共有河道整治工程340處、壩垛9 166道，工程長度662 km[8-9]，其中：險工135處，壩垛5 279道，工程長度311 km;控導工程205處，壩垛3 887道，工程長度351 km。大量河道整治工程的修建使得主流擺幅大大減小，河勢較為穩定。

2.2 灘區生產堤的發展歷程

新中國成立以后生產堤的修建主要分為4個階段[10-12]。

（1）1947年黃河歸故后，灘區居民為了保護生產，修建了部分生產堤。生產堤補充完善后，對于短時間內保護當時灘區農業生產起到了積極作用，但是由于生產堤縮小了行洪斷面，因此壅高了大水水位，減弱了灘區滯洪沉沙能力。隨著1954年開始實施“寬河固堤”政策，要求全部廢灘區群眾自發修建的生產堤。

（2） 1958-1973年興修生產堤階段。1958年汛后，提出了下游“防小水，不防大水”的原則，修補并增加了大量生產堤。1959年提出了生產堤預留口門的要求。至1964年，全河預留口門72處。1960年三門峽水庫投入運用后下泄清水，期間河勢游蕩多變，“橫河”“斜河”時有發生，塌灘掉村現象經常出現，部分生產堤被淹沒沖塌成不連續堤段。1969年以后，三門峽水庫采用滯洪排沙運用，下游河道逐漸淤積，由于下游存在生產堤，因此漫灘概率相對減小，“二級懸河”慢慢形成。

（3）1973年，黃委提出了《關于廢除黃河下游灘區生產堤實施的初步意見》。1974年，國務院提出黃河下游灘區應迅速廢除生產堤，修筑避水臺。但是，廢除生產堤并未有效落實，生產堤長度有增無減。“82·8”洪水后，生產堤大部分潰決，但洪水過后灘區居民又進行了自發修復。1987年，生產堤清障工作有了突破性進展。1992年，黃河防總要求豫魯兩省破除生產堤。截至1993年，共破除生產堤263.5 km，約占當時生產堤總長的50%。之后，不時出現生產堤被重新堵上和新修現象。“96·8”洪水過后，灘區居民又重新在控導工程之間搶修了生產堤。

（4）2002年、2003年小流量漫灘之后，灘區居民要求修生產堤的呼聲提高，地方政府再次明確修生產堤。2004年，各地有組織地全面加修加固生產堤。目前，黃河下游灘區生產堤主要分布在開封、新鄉、濮陽、菏澤、濟寧、濟南、泰安等地。

2.3 灘區邊界條件變化及對灘區水動力條件、行洪和滯洪能力的影響

一般條件下，黃河下游橫斷面一般由主槽、嫩灘和二灘三部分組成。主槽是河道排洪輸沙的主要通道，嫩灘是主槽在擺動過程中灘地坍塌形成的，沒有明顯的灘地橫比降，嫩灘范圍因植被稀少，故阻力較小，亦有較高的過流能力。二灘受植被、村莊、道路等的影響，過流能力較嫩灘和主槽要弱得多。

（1）灘區水動力條件顯著減弱，流速下降，過洪能力顯著降低。天然條件下，灘區水面縱比降與河道縱比降基本接近。但是，隨著灘區大量修建生產堤，再加上控導工程不斷完善，灘區水動力條件明顯減弱。灘區水面縱比降明顯減小，例如“96·8”洪水期間（見圖4），東壩頭至高村河段的灘區水面縱比降為0.002 4% -0.010 4%，而主槽水面縱比降為0.015 8%，灘區水面比降約相當于主河槽的15% - 66%。若假定灘區水面縱比降等于主槽水面縱比降，則推算灘地綜合糙率可達0.06，甚至超過0.10，較20世紀50年代灘地綜合糙率偏大2-4倍[13]。根據曼寧公式，在灘區糙率不變，灘面比降減小為原比降的50%的情況下，則相應流速減小為原流速的71%，再考慮到植被、村莊等不利影響，灘區實際流速減小更多。另外，由于灘區阻水建筑物增多，灘區水體難以形成順暢的貫通性流動，因此灘區水流能量更多地消耗在生產堤口門、灘區道路和渠堤口門處。

（2）漫灘洪水灘槽水沙交換模式改變，交換次數減少。天然條件下，在黃河下游漫灘洪水期間，灘區（生產堤到大堤間的二級灘地）水體與中水河槽是一個融合的整體。同時，灘區阻水建筑物相對稀少且水面比降較大，灘區水流同樣具有較大的流速和較高的過洪能力，加之灘區生產堤和控導工程較少，因此灘區水沙交換頻繁。

漫灘水流一般是在主河槽灣頂附近集中人灘，人灘水流的含沙量與主槽水流的含沙量相近，使得人灘的沙量也較大。若假定人灘含沙量等于主槽含沙量、出灘含沙量為人灘含沙量的20%.亦即有80%的人灘沙量淤積在灘地上，則基于輸沙量平衡可以求得灘槽水沙交換次數Ⅳ與灘地平均淤積厚度Zb（m）具有如下關系：

N=1 400 Z_b/（0.8SH）（1）

式中：H和S分別為灘區水深和含沙量。

1958年7月洪水期長垣灘區堤河附近淤積厚度約1m，按平均水深2.5 m、大河含沙量70 kg/m³計算，灘槽水沙交換次數約為10次。但是，在現有邊界條件下，灘區進水是通過生產堤口門的側向進水，人灘水量較小、含沙量低，同時人灘水沙又難以退回主槽，致使灘槽水沙交換顯著減弱，一般情況下漫灘洪水灘槽水沙交換只有1次。

（3）灘區邊界條件變化對滯洪能力的影響。1965-1999年下游河道主槽大量淤積，同流量（3 000m3/s）水位及灘唇附近灘面高程抬升3-4 m，而遠離主槽的灘區淤積很少，尤其堤根附近很少淤積，逐漸形成了灘唇高仰、堤根低洼的“二級懸河”局面。有些灘區堤根附近的灘面更加低洼，在灘區中下部已經形成了深2-4 m的“水盆”地形（見圖5）。同時，受灘區下游出口灘唇高仰的影響，灘區“水盆”內的漫灘水體即便在洪水過后也難以自行回歸主槽，這為蓄滯洪區的設置提供了有利條件。

2.4 河道邊界條件變化對灘地橫向淤積分布的影響

（1）現有控導工程（生產堤）與大堤之間的淤積量較少，不足全斷面的18%。自1960-1964年三門峽水庫蓄水攔沙導致河道強烈沖刷后，黃河下游就開始了淤積抬升的過程。1965-1999年全下游共淤積50.1億m³，其中60%淤積在高村以上河段。從橫向淤積分布來說，1965-1999年現有控導工程（生產堤）與大堤之間的灘區淤積量不足全斷面的18%，且這部分淤積主要發生在大漫灘洪水期間。

鐵謝到利津河段1965-1973年和1986-1999年間河道處于持續淤積抬升時期。1965-1973年鐵謝至利津共淤積23.71億m³，生產堤與大堤之間淤積1.12億m³、占全斷面的5%，主槽淤積占87%。1986-1999年，全斷面共淤積22.38億m³，生產堤與大堤間淤積1.58億m³、占全斷面的7%，主槽淤積占85%，寬600 m的深槽部分淤積8.35億m³、占全斷面的370-/0。而1974-1985年河道有沖有淤，主槽沖刷4.45億m³，嫩灘淤積1.99億m³，淤積大部分發生在灘地，約6.13億m³。

（2）控導工程（生產堤）與大堤間灘區的淤積主要發生在大漫灘洪水期。1974-1999年，主槽淤積14.68億m3，嫩灘淤積3.65億m3，灘地淤積7.71億m³。該時期為三門峽水庫蓄清排渾控制運用期，共發生5次較大的漫灘洪水過程，分別為“1975·9”“1976·8”“1982·8”“1988·8”“1996·8”洪水。這5次洪水過程主槽共沖刷7.62億m³、嫩灘淤積7.25億m³，生產堤外灘地淤積5.88億m³，其中灘地淤積量占1974-1999年總淤積量的76%。艾山以上生產堤外灘地淤積量占全下游淤積量的74%。艾山以上生產堤與大堤間的灘地共淤積泥沙4.72億m³，占1974-1999年生產堤以外灘地淤積量5.33億m³的90%。

綜上所述，由于河道工程和生產堤以及灘區人口的增多，加之道路、渠堤和村莊等的修建，因此黃河下游灘區已經沒有20世紀五六十年代天然灘區的風貌。灘區變得越來越封閉，失去了漫灘洪水“淤灘刷槽”的邊界條件。再加上中游水庫的陸續修建和小浪底水庫的調控，進入下游的大漫灘洪水越來越少。目前灘區邊界條件即使沒有防護堤，其滯洪沉沙功能也在逐漸衰退。

3 灘區防護堤方案可行性分析

（1）防護堤建成后將大大提高灘區的防護標準。京廣鐵路橋以上防洪標準為花園口斷面10 a一遇洪水設計流量10 000 m³/s，與溫孟灘圍堤設防標準一致。京廣鐵路橋一陶城鋪河段在長垣灘區的防洪標準為流量12 200 m³/s（20 a一遇），其他河段均為流量10 000 m3/s的防洪標準。陶城鋪以下河段防洪標準全部為流量10 000 m³/s。

（2）防護堤方案具有較大的經濟社會效益。為適應灘區經濟社會快速發展以及灘區全面建成小康社會、灘區安全建設等需要，在現有控導工程連壩、部分現有生產堤的基礎上設置了防護堤方案。按照《防洪標準》（ GB 50201-2013）確定了典型灘區的設防標準：長垣灘區防護堤設防標準為20 a一遇，相應花園口洪峰流量為12 200 m³/s;其他灘區防護堤設防標準均為10 a一遇，相應花園口洪峰流量為10 000 m³/S。

參照黃河下游河道風險圖分析方法，分析計算了花園口一艾山河段（洪水演進的計算河段）灘區防護堤方案的社會經濟效益。與現狀方案（破除生產堤方案）相比，防護堤方案年均減少漫灘淹沒面積26.6萬hm2、受災人口25.3萬、經濟損失7.0億元，分別占現狀方案淹沒損失的93%、82%、64%。其中，10 a一遇洪水減少的淹沒損失最為明顯，可分別減少淹沒面積913.0 km²、受災人口65.3萬、經濟損失36.9億元[14]。

（3）防護堤方案對提高輸沙能力的作用。在大流量出現概率明顯減小的情況下，防護堤方案對全斷面具有一定的。束水攻沙”作用，防護堤之間的水流相對更加集中，在一定程度上減少了河道淤積、提高了河道輸沙能力。在防護堤方案年均來沙3億t（情景1）條件下，下游河道接近沖淤平衡或微沖，防護堤方案比現狀方案淤積少;年均來沙6億t（情景2）、8億t（情景3）條件下，累計淤積量分別為40億-53億t、79億～84億t，防護堤方案比現狀方案分別減淤13%、11%。防護堤建設有利于提高河道的輸沙能力（排沙比提高約2%），具有一定的增沖或減淤作用，其中主槽、灘地分別減淤7.82億、7.52億t，分別占防護堤方案淤積量的13.5%、28.3%.對灘地的減淤作用相對更大一些：全斷面少淤15.34億t，占防護堤方案淤積量的18.2% [15]。

（4）防護堤方案對下游防洪的影響。防護堤方案使得設防標準內洪水（10 a一遇和5 a一遇）從花園口演進到艾山的峰現時間提前23 - 52 h：超過灘區防護標準的洪水（1 000 a一遇和100 a一遇）受防護堤口門運用的影響，情況比較復雜，總體來講峰現時間將滯后。防護堤方案縮窄了灘地過洪寬度，對洪水水位抬升有一定影響。與現狀方案相比，防護堤方案4種典型洪水的水位均呈抬升狀態，花園口一孫口河段洪水位抬升0.5 - 1.0 m。

花園口發生30 a和50 a一遇洪水時，防護堤方案對東平湖滯洪區運用有一定影響，主要是縮短了洪水從花園口演進到孫口的時間，使孫口站峰現時間提前，導致人員、物資撤遷時間縮短。對于100 a 一 遇、1 000 a一遇洪水，由于洪量較大，因此防護堤作用有限。洪水從花園口演進到孫口時間差別不大。總體而言，花園口發生100 a一遇、1 000 a 一遇洪水時，防護堤方案對東平湖滯洪區運用基本沒有影響[15]。

（5）灘區防護堤方案工程投資規模。根據灘區防護堤的布設情況，共需修建灘區防護堤及圍堤592.78km，其中圍堤6.25 km，新建灘區防護堤498.77 km，利用控導工程加高加固防護堤87.75 km。設置分洪退水口門44個，改建涵閘48座等。防護堤方案總投資141.93億元，其中工程投資107.96億元，移民占壓投資30.84億元，防汛料物儲備投資3.13億元（灘區安全建設及移民安置未計人投資）[14]。

4 結論

（1）年均來沙3億t情景。防護堤方案能夠有效減少10-20 a 一遇中常洪水的漫灘淹沒損失，基本保障灘區生產生活安全，有利于推進灘區全面建成小康社會，具有顯著的社會效益和經濟效益。若2030年古賢水庫建成生效，利用其93.6億m³攔沙庫容攔沙、再加上與小浪底水庫（現有約40億m³攔沙庫容）聯合調度運用，可保證未來70 a（2020-2090年）下游河道不淤積。若70 a以后的50 a間年均來沙約3億t，則防護堤方案對河道沖淤及防洪的影響都相對較小，防護堤方案值得進一步深化研究。

（2）年均來沙6億、8億t情景。若70 a以后的50 a年均來沙仍然出現6億、8億t的情景，并且磧口水庫（屬于待建水庫，位于黃河北干流中部，開發任務為以防洪減淤為主，兼顧發電、供水等綜合利用）不能按規劃時間建設，則現狀方案下游河道淤積厚度將分別達到1.5、2.0 m。同時，由于長期小水，因此河道淤積也將主要集中在現有控導工程（生產堤）范圍內（控導工程與大堤間灘地淤積很少），“二級懸河”程度將進一步加劇，下游河道防洪減淤形勢可能與2000年的情況較為接近甚至更加嚴峻。因此，在年均來沙6億t和8億t條件下，為確保下游河道防洪安全，防護堤方案應慎重實施。

參考文獻：

[1]胡一三，黃河治理瑣議筆談[M].鄭州：黃河水利出版社，2017：22-23.

[2] 胡春宏，黃河水沙變化與下游河道改造[J].水利水電技術，2015，46（6）：10-15.

[3]胡春宏，安催花，陳建國，等，黃河泥沙優化配置[M].北京：科學出版社，2012：52-54.

[4]胡春宏，黃河水沙變化與治理方略研究[J].水力發電學報，2016，35（ 10）：1-11.

[5] 張紅武，李振山，安催花，等，黃河下游河道與灘區治理研究的趨勢與進展[J].人民黃河，2016，38（ 12）：1-10.

[6]胡一三，王愷忱，張紅武，黃河下游游蕩性河段整治[R].鄭州：黃河水利委員會，1995：58-60.

[7] 端木禮明，小浪底水庫運用后黃河下游游蕩性河段河勢變化分析研究[D].西安：西安理工大學，2002：82-84.

[8] 王紅聲，張同德，談皓，等，黃河下游河道整治工程建設規劃意見[J].人民黃河，2002，24（ 10）：21-22.

[9] 趙連軍，韋直林，談廣鳴，等，黃河下游河床邊界條件變化對河道沖淤影響計算研究[J].泥沙研究，2005（3）：17-23.

[10] 翟家瑞，郝守英，申冠卿，論黃河下游灘區生產堤對防洪的影響[J].人民黃河，2001，23（7）：20-22.

[11] 張旭東，朱莉莉，張治昊，黃河生產堤分布特征及其對河道沖淤的影響[J].黑龍江水利科技，2017，45（12）：1-3.

[12]劉新華，趙洪林，黃河灘區生產堤的危害及防治措施[J].水土保持研究，1998（ sl）：85-90.

[13] 李文學，李勇，姚文藝，等，黃河下游河道行洪能力對河道萎縮的響應關系[J].中國科學：技術科學，2004，34（ sl）：126-132.

[14] 李勇，張敏，田勇，等，黃河下游河道改造與灘區治理方案可行性綜合分析[R].鄭州：黃河水利科學研究院，2018：58-60.

[15] 陳建國，余欣，安催花，等，黃河下游灘區防護方案沖淤演變功效[R].北京：中國水利水電科學研究院，2014：38-40.