黃河下游復航的生態建設方案探討

張金良 ，張遠生，練繼建，安催花

(1. 黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2. 天津大學，天津 300072)

黃河航運歷史悠久，早在春秋時期（公元前647年）就有“秦粟輸晉，泛舟之役”[1]的記載。清末民初，公路、鐵路興起，黃河水運逐漸衰落。20世紀50至70年代，下游河道(見圖1)治理力度加大，下游航運能力得以提高，山東段最高年水運運量曾達到120萬t；河南段年吞吐量達數十萬噸；80年代中期以后，下游河道淤積萎縮，航運停滯至今，并逐漸成為河南、山東兩省交通運輸體系短板。利用黃河豐富的水運資源、文化旅游資源和自然生態資源，研究黃河下游復航的生態建設方案，對完善河南、山東兩省交通運輸體系，促進流域經濟社會協調發展，推進黃河生態旅游發展具有重要意義。

圖 1 黃河下游河道示意Fig. 1 Schematic diagram of the lower reaches of the Yellow River

關于生態航道建設，目前國內已進行了大量探索，研究集中于生態技術在航道整治中的應用[2-5]、航道生態治理效果評價[6-8]等方面，對黃河下游生態航道建設面臨的關鍵問題及應對措施研究較少。

當前黃河水沙調控體系仍不完善，泥沙問題尚未妥善解決，下游還有299 km游蕩型河道河勢未完全控制。泥沙淤積、河勢游蕩、涉水工程礙航等是制約黃河下游生態航道建設的關鍵問題。本文重點從河道沖淤和河勢演變的角度分析黃河下游通航面臨的問題，圍繞航道疏浚、河勢控制、礙航建筑物生態改造等方面進行建設方案探討，以期為黃河下游生態航道建設提供技術支撐。

1 通航條件分析

1.1 通航條件的演變

黃河水少沙多，水沙關系不協調，導致黃河下游不斷淤積抬高。1950—1999年黃河下游累積淤積泥沙約92 億t。小浪底水庫運用以后，通過水庫攔沙和調水調沙，至2019年汛前黃河下游共沖刷泥沙30.17 億t，河道淤積抬升的趨勢得到遏制，下游最小平灘流量已達到4 300 m3/s，適宜的中水河槽規模已初步形成，河槽形態也正在向有利于通航的方向發展，以下游寬河段的下官莊斷面和窄河段的陰柳科斷面為例（圖2），中水河槽下切深度分別為2.74和2.36 m，小流量水深大幅增加。除此之外，小浪底水庫建成后下游凌情也大幅減輕，高村以上河段常年不封凍。以上變化為黃河下游復航提供了有利的條件。

圖 2 下官莊和陰柳科斷面形態變化Fig. 2 Morphological change of Xiaguanzhuang and Yinliuke sections

黃河下游自20世紀50年代以來，開始有計劃地治理，特別是“十五”以來，依據國務院批復的《黃河流域防洪規劃》，對黃河下游進行了多次治理，實施了大量河道整治工程建設，堅持采取“以壩護彎，以彎導溜”的微彎型整治方案，取得了明顯成效。目前除高村以上299 km游蕩性河段外，黃河下游河勢基本得到控制。通過水利水電規劃設計總院審查的《黃河下游防洪工程“十四五”可行性研究》將對高村以上河段進行重點治理，共安排控導工程新續建69處，工程長度39.48 km。未來工程實施后，該河段中水流路將基本得到控制，形成貫通黃河下游的穩定流路，為復航和長期通航提供基本條件。

20世紀70年代，黃河開始出現斷流。1972—1999年有22年發生斷流，其中1997年斷流達226 d，斷流河道長達704 km，從入?？谝恢鄙涎又梁幽祥_封。1999年3月起，黃河水量統一調度，至2020年，黃河實現連續21年不斷流，花園口站、夾河灘站、高村站常年的流量均超過250 m3/s，孫口站、艾山站90%流量保證率也達到了250和220 m3/s，各站相應流量下的水面寬為120～200 m，水深達到了1.0～2.5 m。這些將為下游復航提供最基本的通航保障。未來，隨著黃河水沙調控體系工程建設和南水北調西線工程實施，下游通航流量將進一步提高，通航的基本條件將進一步得到保障。

1.2 河道泥沙沖淤趨勢預測

黃河古賢水利樞紐工程將于2030年建成，綜合考慮未來不同來水來沙情景，分析泥沙淤積對未來黃河航道建設的影響。

1.2.1 泥沙沖淤計算方法 采用一維非恒定流水沙數學模型對未來黃河下游河道泥沙沖淤趨勢進行預測。

水流連續方程：

水流運動方程：

式中：B 為 河寬；z為 水位；t為 時間； Q 為 流量；x為 沿流向的坐標； ql為單位時間單位河長匯入（流出）的流量；A為過水斷面面積；g為重力加速度；n為糙率。

將懸移質泥沙分為M組，以Sk表示第k組泥沙的含沙量，可得懸移質泥沙的不平衡輸沙方程為：

式中：α為恢復飽和系數；ωk為第k組泥沙顆粒的沉速；S?k為第k組泥沙挾沙力；qls為單位時間單位河長匯入（流出）的沙量。

將以推移質運動的泥沙歸為一組，采用平衡輸沙法計算推移質輸沙率：

式中：qb為 單寬推移質輸沙率；qb?為單寬推移質輸沙能力，可由經驗公式計算。河床變形方程：

式中：γ′為泥沙干重度。

采用有限體積法對前述數學模型的控制方程進行離散，用SIMPLE算法處理流量與水位的耦合關系。在模型進口給定流量和含沙量過程、出口給定水位過程作為定解條件。

1.2.2 水沙條件 為了分析不同來沙條件下泥沙淤積對河道沖淤的影響，本文設定未來黃河來沙3億t、6億t和8億t共3種情景?？紤]古賢水庫和現狀水庫的聯合調節作用，采用一維非恒定流水沙數學模型進行古賢水庫以下黃河干流河道沖淤計算。經過黃河小北干流河道、三門峽水庫、小浪底水庫的沖淤調整，3種水沙情景條件下進入黃河下游的水沙特征值見表1。

表 1 不同水沙情景方案進入黃河下游的水沙特征值Tab. 1 Characteristic values of runoff and sediment in different scenarios of water and sediment in the lower Yellow River

1.2.3 河道沖淤 數學模型計算得出的不同水沙情景下游河道沖淤情況見表2。自2017年開始計算，未來30年，在來沙3 億t情景下，下游河道年均沖刷5 103 萬t，各個河段均表現為沖刷；在來沙6 億t情景下，河道年均沖刷426 萬t，從分河段來看，除高村-艾山河段年均淤積1 298 萬t外，其他河段表現為沖刷；在來沙8 億t情景下，河道年均淤積3 125 萬t，從分河段來看，淤積主要發生在高村-艾山河段，占全河段淤積量的58.9%。

表 2 不同水沙情景下游河道沖淤Tab. 2 Erosion and deposition in the lower reaches of different water and sediment scenarios

2017—2067 年，在來沙3億t情景下，下游河道年均沖3 234萬t，除高村-艾山河段年均微淤94萬t外，其他河段表現為沖刷；在來沙6億t情景下，河道年均淤積806萬t，其中高村-艾山河段淤積量最大，年均淤積達1 216萬t；在來沙8億t情景下，河道年均淤積4 099萬t，從分河段來看，高村-艾山河段年均淤積1 718萬t，占全河段淤積量的41.9%。

總體來看，目前小浪底仍處于攔沙期，對下游仍有減淤作用，古賢水庫2030年建成生效后，與小浪底聯合調控水沙，在不同來水來沙條件下，都可在較長時間內維持下游4 000 m3/s左右的中水河槽規模，并可使黃河下游河道淤積維持在較低的水平，為下游航運發展提供非常有利的條件。

2 生態航道建設方案

根據以上黃河下游水沙條件與河道沖淤分析，結合黃河下游生態廊道建設總體規劃，以防洪保安全為前提，統籌生態環境保護、綠色航道建設和沿黃經濟發展需求，順應下游灘區“洪水分級設防、泥沙分區落淤、灘槽水沙自由交換、三灘分區治理”的總體布局[9-10]，按照“控導主流、穩定河槽、保護岸灘”的總體思路實施航道生態整治，打造出黃河下游長達800余千米的生態航道。通過“相機排沙減淤、適時挖河擴槽”實現行洪輸沙通道和航運通道的長期維持，最終可形成集防洪、生態、經濟、文化、航運等功能于一體的黃河下游河道生態體系。

2.1 航道建設標準

黃河下游生態航道通航標準，按照已有航運規劃，綜合考慮與京杭運河和山東內河水系聯通確定。1988年、1998年《黃河水系航運規劃報告》提出，2030年前后，黃河下游航道標準達到Ⅳ級；《海河流域綜合規劃》將京杭運河黃河北岸至天津段規劃為內河Ⅲ級航道；《山東省綜合交通網中長期發展規劃》提出，構建以京杭運河、小清河、黃河、徒駭河航道“一縱三橫”為主骨架，配合國家開展京杭運河黃河以北段復航。綜合考慮黃河水系規劃，和今后京杭運河，以及山東內河水系的聯通，下游生態航道建設標準整體按照Ⅳ級航道，局部河段考慮與京杭運河和山東內河水系聯通，按照Ⅲ級航道建設。

2.2 主要措施

2.2.1 航道疏浚 當前黃河下游250 m3/s左右的通航流量相應河槽寬度已經達到120～300 m，水深約達到1.0～2.5 m，只需要對通航河槽稍加整治即可滿足航道建設標準[11]。但黃河下游存在“槽高、灘低、堤根洼”的斷面形態阻礙了灘槽水沙交換和物質能量循環，是黃河下游二級懸河發育、防洪形勢嚴峻、生態系統脆弱的癥結所在，需要通過河槽疏浚消除二級懸河，重塑“槽低、灘高”的正向斷面形態。因此，對黃河下游河道進行生態疏浚，即是黃河生態治理所需，又可滿足通航需求。

根據實測資料分析，黃河下游河道斷面存在V型和U型斷面兩種形態。在相同流量條件下，V型斷面疏浚后有利于提高排洪輸沙效果，U型斷面則有利于保障通航安全。綜合考慮，建議對中水河槽進行疏浚，采用V型斷面，河相系數應控制為6～10；對枯水河槽疏浚采用U型斷面，疏浚寬度不小于90 m。考慮到黃河沖淤調整幅度大，疏浚后水深不小于2.0 m，典型疏浚斷面概化見圖3。疏浚后250 m3/s流量下水深達到3.3 m，滿足Ⅳ級航道通航水深要求。另外，對未來局部河段泥沙淤積形成的礙航段，可采用“挖河擴槽”放淤方式，疏浚航道或礙航淺灘并輸送泥沙至灘區改造良田，通過泥沙綜合處理利用，實現生態航道的長期運營。

圖 3 黃河下游典型疏浚斷面概化Fig. 3 Generalized diagram of a typical dredging section in the lower Yellow River

2.2.2 河勢控制 黃河下游河道經過長期整治，中水流路已基本得到控制，但對長歷時的小流量過程適應能力不足。為穩定小流量流路，滿足通航要求，結合當前河道整治工程總體布局，建議采用中水、小水兼治的航道治理措施，即：沿治導線修筑生態潛壩，潛壩與現有控導工程聯合穩定小水流路。生態潛壩不僅對水流的流量、流速、沖淤平衡、環境外觀等影響最小，而且適宜于創造動植物生存和繁衍的多樣性生活空間。修筑的生態潛壩壩頂高程與現狀灘面齊平，以此增加小流量送流長度；大流量時，水流漫過生態潛壩，灘槽水沙可自由交換，開儀-裴峪河段小水流量整治示意圖見圖4。

圖 4 開儀-裴峪河段小水流量整治示意Fig. 4 Regulation schematic diagram under low flow of Kaiyi-Peiyu River section

控導工程設計和實施過程中，應根據現場條件選擇最優的生態水工技術，如采用生態磚、魚巢磚等土體生態工程技術，選用石籠席、天然材料墊、間插枝條的拋石、椰殼纖維捆、木框墻、三維土工網墊等生態構件作為工程修筑的主要原料。生態潛壩的工程設計，應結合水體功能區劃和周邊濕地建設情況，因地制宜地選擇潛壩類型，同時應滿足通航、景觀、生態、游憩等多種功能需求。

2.2.3 礙航建筑物生態改造 浮橋一般以船體作為橋面支撐，屬航道阻斷構筑物；跨徑不足的橋梁，如鄭州黃河公路大橋，跨徑只有30 m，年久失修，橋面通行能力差，已失去原有基本功能，均予以拆除。對不滿足通航凈空要求但仍發揮重要通行功能的橋梁，目前可通過技術手段對其提升改造，使其滿足通航所需的橋下凈空。

一些年代久遠、以實用性為主的老橋，與周邊環境往往不太協調，且由于河勢變化，主流從通航孔跨范圍擺動至引橋橋跨范圍，導致現狀跨徑不能滿足通航要求?？筛鶕蛭缓佣魏觿萸闆r，通過修建河道整治工程或橋梁改建，將主流導向通航孔跨，并適當增加橋面及橋下的綠化工程，打造橋梁伴生生態廊道，以降低橋梁對野生生物的脅迫效應[12]。

表 3 下游沿黃城市航運分級Tab. 3 Classification of shipping along the Yellow River downstream

2.2.4 碼頭建設 下游碼頭建設一方面要綜合考慮沿黃城市的自然資源稟賦和貨運需求，另一方面要考慮環境敏感區的制約因素，碼頭選址應避開國家自然保護區、飲用水水源地保護區和水產種質資源保護區核心區，確需在水產種質資源保護區實驗區建設碼頭，須進行專題論證，并采取嚴格的環保措施，避免對珍稀水生生物造成不利影響。綜合考慮以上因素，將沿黃城市規劃為一級航運城市及二級航運城市。一級航運城市設觀光、貨運兩類碼頭，二類級航運城市主要考慮規劃觀光碼頭，在滿足下游貨運需求同時，實現全線大河水上觀光。下游共規劃鄭州市、濟南市等12個一級航運城市，洛陽市、聊城市等15個二級航運城市，下游沿黃城市航運分級見表3。下游共計規劃貨運碼頭12個，旅游觀光碼頭27個，黃河下游碼頭規劃示意見圖5。

3 結 語

黃河下游河道持續沖刷，河槽已明顯恢復，最小平灘流量達4 300 m3/s，最小通航流量相應水面寬度達120～200 m，水深達1.0～2.5 m；未來通過水沙調控體系的完善和聯合運用，可在較長時間內維持下游4 000 m3/s左右的中水河槽，具備一定的復航條件。在黃河下游生態廊道建設總體規劃基礎上，通過生態疏浚、河勢控制、礙航建筑物生態改造和碼頭建設等一系列有效舉措，黃河下游可打造成整體Ⅳ級、局部Ⅲ級航道標準生態航道。生態航道建設后，應綜合運用古賢、東莊等水沙調控工程，提升黃河下游河道和灘區治理效果，利用輸沙通道結合水沙調控相機“排沙減淤”，適時“挖河擴槽”，解決航道淤積問題，實現生態航道的長期運營穩定。

建議按照“統籌部署、先易后難、先通后暢、逐步提高”的原則，抓緊開展黃河下游生態航道建設規劃，加快推進黃河下游生態航道建設，讓黃河成為造福人民的幸福河。