維持黃河下游河道與灘區穩定的泥沙處置方案

2023-01-30 08:30:26吳默溪安催花梁艷潔陳翠霞

人民黃河 2023年1期

魯俊，吳默溪，安催花，梁艷潔，陳翠霞

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南鄭州 450003）

1 研究背景

黃河是舉世聞名的多泥沙河流，多年平均輸沙量曾高達16億t［1－3］，泥沙是造成黃河河道尤其是下游河道淤積嚴重、防洪防凌問題的根本原因，合理利用“攔、調、排、放、挖”治理措施處置黃河泥沙［4－6］，減少河道泥沙淤積，維持下游河道與灘區穩定，是黃河綜合治理的關鍵。

人民治黃以來，黨和政府組織開展了大量且富有成效的泥沙處理和利用實踐活動，積累了豐富經驗，黃土高原地區大規模的水土流失治理、水土保持措施減少入黃泥沙效果顯著。骨干水利樞紐工程攔沙和調水調沙以及河道和河口治理，塑造有利的河床邊界和河口條件，在有利的河床邊界條件下可多排沙入海［7］。黃河小北干流灘區等放淤泥沙措施［8］，減少了泥沙在河道中的淤積。黃河河口河段挖河固堤工程［9］提高了河道排洪輸沙能力。目前黃河水沙發生了顯著變化，流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略［10］，流域經濟社會發展對治黃提出了新的更高要求，變化環境下科學合理處理黃河泥沙對黃河河道尤其是下游河道與灘區治理［11］尤為重要。2010年前后，胡春宏［12］、安催花等［7］、陳緒堅等［5］、田勇等［13］研究了黃河干流泥沙空間優化配置理論和模型，給出了基于當時邊界條件下黃河年均來沙8億t以上的泥沙處置方案；趙海鏡等［14］研究了黃河流域泥沙優化配置評價指標體系和上中游流域泥沙優化配置；蒲強［15］簡要介紹了流域泥沙資源優化配置方法及技術；王先甲等［16］綜述了湖庫泥沙資源化多目標優化配置情況，探討了泥沙資源優化配置相關研究未來發展方向。總體來看，在流域包括黃河流域在內的泥沙處置和利用方面已取得較為系統的研究成果，但是隨著黃河流域水文情勢、河道邊界與工程以及流域保護治理目標和經濟社會發展需求等條件的變化［17］，缺少可以維持黃河下游河道與灘區穩定的泥沙處置方案。

本文結合新形勢變化，以維持黃河下游河道與灘區穩定為目標，基于不同水沙情景，通過實測資料分析、數學模型等手段，分析入黃泥沙的時空分布、下游河道和灘區的未來演變，提出泥沙處理措施與方案，經綜合評價得到實現黃河下游50 a不淤高和灘區穩定、良性維持的最優方案。

2 研究區域、數據和方法

2.1 研究區域

本文重點研究黃河下游河道。黃河泥沙主要來自于中游，而危害主要在下游，下游河道治理事關流域全局特別是黃河中游地區，因此本文研究維持黃河下游河道與灘區穩定的泥沙處置方案，也涉及黃河中游地區，主要包括中游的重大骨干水利樞紐工程和小北干流河道。

黃河下游是強沖積性河道，是地上懸河，具有“槽高、灘低、堤根洼”的河道斷面形態，河道面積4 860 km2，其中灘區面積3 154 km2，灘區內居住人口約190萬人，絕大部分灘區位于陶城鋪以上寬灘河段。小北干流是黃河中游的強沖積性河道，河道面積約1 100 km2，灘地面積約710 km2。

黃河中游干流已建大型骨干水利樞紐有三門峽、小浪底等水利樞紐，支流在建的有涇河東莊水利樞紐，干流規劃建設的有古賢、磧口水利樞紐工程。

2.2 研究數據

黃河中下游河道以及三門峽、小浪底等重要骨干水庫的水文數據資料豐富，黃河干支流設置有大量水文觀測站和固定的河道統測斷面，由黃河水利委員會水文部門進行逐年整編發布。本文研究采用的干支流沙量、河道沖淤量等實測數據來自黃河水文年鑒和黃河水文數據庫。

黃河泥沙變化既受自然氣候因素的影響，又與黃土高原水土保持等人類活動密切相關，目前對黃河未來沙量的認識不統一［18－19］。考慮研究需要，本文采用黃河中游年均來沙8億、6億、3億t三種情景方案作為泥沙處置方案的基本條件，8億、6億t情景方案選取1959—2008年共50 a系列循環1次作為水沙代表系列，3億t情景方案水沙代表系列選取2000—2013年實測14 a系列連續循環作為水沙代表系列。不同情景水沙系列特征值統計見表1。

2.3 研究方法

（1）入黃泥沙量計算。黃河泥沙主要來源于黃土高原，泥沙進入黃河干流后，一部分淤積在河道和水庫，一部分輸送至河口填海造陸或輸往深海，還有一部分在河道外由人工處理和利用，包括灌區引沙、放（挖）淤固堤等其他措施處理和利用。根據沙量平衡原理［20］計算入黃泥沙量，公式如下：

式中：Ws黃為入黃泥沙量，億t；Ws入海為入海沙量，用利津站沙量表示，億t；Ws河淤為河道淤積量，億t；Ws水庫為水庫淤積量，億t；Ws其他為河道外由人工處理和利用的沙量，億t。

（2）水庫河道沖淤計算。采用一維水動力學模型（模型原理及基本控制方程見文獻［21］）計算水庫河道沖淤量，采用有限體積法對前述數學模型的控制方程進行離散，用基于交錯網格的SIMPLE算法處理流量與水位的耦合關系，離散方程求解時在進口給定流量和含沙量過程，出口給定水位過程，挾沙力公式采用適用于高含沙水流計算的張紅武公式。該模型已經過黃河小北干流、三門峽水庫、小浪底水庫和黃河下游及河口大量實測資料檢驗［21］，能夠準確反映計算區域水沙輸移和泥沙沖淤特性。

（3）泥沙處置方案評價。為了全面綜合評價泥沙處置方案優劣，利用專家調查法［22］，從技術、經濟、社會和生態環境等4個方面選出8個評價指標，包括河道沖淤量、平灘流量、靜態投資額、單方泥沙處置費、影響灘區人口數量、征地移民補償費、漫灘次數和利津生態流量保證率。在此基礎上，根據模糊優選理論［23］和基于誤差反饋的人工神經網絡（BP－ANN）建立模型［24］進行綜合評價，該模型是通過網絡訓練獲得網絡結構、相對隸屬度權重，再將各方案的相對隸屬度向量代入，計算相對隸屬度并進行大小排序，即優劣排序，確定相對較優的方案。

3 入黃泥沙時空分布變化與處置措施

考慮黃河水沙條件變化和中游骨干水庫工程運用的影響，統計不同時期的入黃泥沙時空分布，見表2。

表2 黃河中下游入黃泥沙時空分布統計（年均值）億t

人類活動影響比較小的1950—1959年，年均入黃泥沙量為18.97億t。該時期輸送入海的年均沙量為13.15億t，占入黃泥沙量的69.3%；黃河小北干流河道、下游河道年均淤積量分別為0.88億、3.61億t，合計4.49億t，占入黃泥沙量的23.7%；灌區引沙量年均為0.89億t，占入黃泥沙量的4.7%。可以看出，人類活動影響較小的情況下，入黃泥沙的絕大部分被輸送到河口地區填海造陸，同時還有一部分淤積在河道內。

三門峽水庫1960年建成運用，對黃河中下游泥沙的空間分布產生了重大影響。①1960—1964年三門峽水庫蓄水攔沙期，年均入黃泥沙量為19.75億t，其中：輸送入海的年均沙量為11.22億t，占入黃泥沙量的56.8%；黃河小北干流河道年均淤積量2.20億t，占入黃泥沙量的11.1%；三門峽水庫年均淤積量11.62億t，占入黃泥沙量的58.8%，潼關高程迅速抬升4.69 m，渭河下游防洪問題凸顯；下游河道因水庫攔沙年均沖刷5.78億t；灌區規模較小，引沙量年均為0.25億t，占入黃泥沙量的1.3%；其他措施利用量主要是黃河下游防洪工程建設用沙，相對較少，年均0.24億t，占入黃泥沙量的1.2%。②1965—1973年三門峽水庫完成兩期工程改建［25］，滯洪排沙運用。該時期年均入黃泥沙量為16.79億t，其中：輸送入海的年均沙量為10.74億t，占入黃泥沙量的64.0%；黃河小北干流河道、下游河道均為淤積，年均淤積量分別為1.81億、4.39億t，分別占入黃泥沙量的10.8%、26.1%；三門峽水庫庫區發生沖刷，年均沖刷量1.33億t，潼關高程有所下降，降低1.45 m；下游兩岸引黃灌區發展迅速，引沙量增大，年均1.10億t，占入黃泥沙量的6.6%；其他措施利用量為0.08億t，占入黃泥沙量的0.5%。③1973年以后三門峽水庫降低汛期運用水位，蓄清排渾，水沙調節能力大幅減弱，庫區沖淤基本平衡。1974—1999年年均入黃泥沙量為9.99億t，其中：輸送入海的年均沙量為6.06億t，占入黃泥沙量的60.7%；黃河小北干流河道、下游河道均為淤積，年均淤積量分別為0.40億、1.48億t，分別占入黃泥沙量的4.0%、14.8%；三門峽、萬家寨等中游水庫庫區有少量淤積，年均淤積量0.17億t，潼關高程在1986年之前有升有降，1986年之后逐步抬升；灌區引沙量大，年均1.45億t，占入黃泥沙量的14.5%；其他措施利用量為0.43億t，占入黃泥沙量的4.3%。可以看出，三門峽水庫建成后的3個時期，入黃泥沙量呈減少趨勢，水庫運用方式的調整雖然改變了庫區河道泥沙的空間分布，但輸沙入海仍是各個階段泥沙處置的主導方式。

小浪底水庫建成運用后，受中游水土保持作用影響，入黃泥沙量大幅減少。2000—2018年年均入黃泥沙量僅為2.68億t，其中：輸送入海的年均沙量為1.23億t，占入黃泥沙量的45.9%；因來水條件較為有利，故黃河小北干流河道年均沖刷0.25億t，下游河道因小浪底水庫攔沙和調水調沙而發生了持續沖刷，年均沖刷1.62億t；中游水庫年均淤積2.62億t，占入黃泥沙量的97.8%，淤積主要集中在小浪底水庫，萬家寨水庫也有小部分淤積，約占水庫淤積量的10.0%；灌區引沙量年均為0.37億t，占入黃泥沙量的13.8%；其他措施利用量為0.33億t，占入黃泥沙量的12.3%。可以看出，由于入黃泥沙偏少以及小浪底水庫的建成運用，因此近期入黃泥沙的空間分布發生了較大變化，由以往輸沙入海為主導變為以水庫攔沙為主導。從1960年以來的入黃泥沙分布變化看，大型水庫是影響泥沙空間分布及河道沖淤的重要因子。

4 下游河道與灘區穩定的泥沙處置方案

4.1 下游河道與灘區演變趨勢

根據黃河下游河道平衡輸沙的沙量閾值（2.0億～2.5億t）［21］可以初步判斷，黃河年均來沙8億、6億、3億t情景下游河道無法維持沖淤平衡，河道將淤積抬高。利用水庫河道一維水動力學模型定量計算不同水沙情景在現狀工程條件下的河道沖淤情況：黃河年均來沙8億t情景，小浪底水庫攔沙庫容淤滿年限約13 a（到2030年），攔沙庫容淤滿后50 a（2031—2080年）下游河道年均淤積泥沙2.30億t，最小平灘流量將減小至1 900 m3／s；黃河年均來沙6億t情景，小浪底水庫攔沙庫容淤滿年限約19 a（到2036年），攔沙庫容淤滿后50 a（2037—2086年）下游河道年均淤積泥沙1.30億t，最小平灘流量將減小至2 500 m3／s；黃河年均來沙3億t情景，小浪底水庫攔沙庫容淤滿年限約40 a（到2057年），攔沙庫容淤滿后50 a（2058—2107年）下游河道年均淤積泥沙0.37億t，最小平灘流量將減小至3 500 m3／s。可以看出，現狀工程體系下，小浪底水庫調水調沙后續動力不足［26］，攔沙庫容淤滿后，黃河年均來沙8億、6億、3億t情景下游河道還要繼續淤高，中水河槽無法維持，灘區很難維持穩定。黃河年均來沙8億、6億、3億t情景下游河道泥沙沖淤量與平灘流量計算結果見圖1和圖2。

圖1 黃河下游河道泥沙沖淤量計算結果

圖2 黃河下游河道平灘流量計算結果

除此之外，現狀下游河道與灘區還面臨較多問題。小浪底與花園口區間尚有1.8萬km2無工程控制區，百年一遇洪峰流量為12 000 m3／s，洪水預見期僅為8 h，灘區受到洪水威脅；黃河下游“槽高、灘低、堤根洼”的二級懸河不良形態和299 km游蕩型河段河勢未有效控制，遇大洪水或中常洪水有可能引發橫河、斜河，危及大堤安全；下游灘區防洪標準低，灘區居民外遷安置規劃實施后，仍有近百萬人生活在洪水威脅中，灘區防洪運用和經濟發展矛盾突出，人水混居導致生態環境破壞加劇，農村環境較差，環境污染風險高，不能滿足人民群眾日益增長的優美環境需求。

4.2 泥沙處置方案擬定

基于下游河道與灘區存在的上述問題，結合以往泥沙處置經驗，要實現黃河下游河道不淤高和灘區穩定、良性維持，必須對泥沙進行合理處置，同時要統籌洪水治理。可采取的措施包括：協調水沙關系，長期控制河道不淤積并維持適宜中水河槽，如建設古賢、東莊等水庫以進一步增強攔沙和調水調沙能力，結合泥沙利用進行適當挖河等；加強下游無控區洪水控制，提高灘區防洪標準，進行灘區綜合治理，促進灘區高質量發展，如灘區再造、三灘分區生態治理［27］、灘區修建防護堤［28］、建設桃花峪水庫［29］等。本文以實現黃河下游50 a不淤高和灘區穩定、良性維持為目標，提出如下泥沙處置方案：方案1為現狀工程體系方案，方案2為灘區生態治理方案，方案3為建設防護堤方案，方案4為建設古賢水庫＋灘區生態治理方案，方案5為建設古賢、桃花峪水庫＋灘區生態治理方案。挖河措施作為以上各方案的補充。

5 泥沙處置方案分析與綜合評價

5.1 泥沙處置方案計算

按照2018年水庫河道邊界條件，利用數學模型對黃河年均來沙8億、6億、3億t三種情景方案不同泥沙處置方案進行水庫河道沖淤計算、下游平灘流量和漫灘天數計算，結果見表3。

表3 不同情景不同方案水庫河道沖淤量計算結果

以黃河年均來沙3億t情景計算結果為例，可以看出：

方案1，50 a內下游河道年均沖刷0.09億t，50 a末平灘流量為4 514 m3／s，50 a內漫灘天數37 d，該方案不能消除二級懸河，小花間洪水對灘區防洪威脅大，黃河下游50 a內不淤高，但在50 a后河道將淤積抬高，灘區不能維持長期穩定。

方案2，50 a內下游河道年均沖刷0.22億t，50 a末平灘流量為6 217 m3／s，50 a內漫灘天數8 d，該方案灘區生態治理可以消除二級懸河，黃河下游50 a內不淤高，但在50 a后河道將淤積抬高，灘區不能維持長期穩定。

方案3，50 a內下游河道年均沖刷0.16億t，50 a末平灘流量為4 795 m3／s，50 a內漫灘天數0 d，該方案可以提高灘區防洪標準，但是不能消除二級懸河，黃河下游50 a內不淤高，但在50 a后河道將淤積抬高，灘區不能維持長期穩定。

方案4，50 a內下游河道年均沖刷0.30億t，50 a末平灘流量為6 829 m3／s，50 a內漫灘天數7 d。該方案黃河下游50 a內不淤高，50 a后也基本不淤高，但不能消除二級懸河，小花間洪水對灘區防洪威脅大，50 a內通過古賢和東莊水庫攔沙處理泥沙分別為21.06億、41.17億t，相應泥沙處理費用單價為3.3、5.7元／m3，包括生態治理在內的各項泥沙處理措施合成單價為10.0元／m3，各項泥沙處理費用共計560億元。

方案5，50 a內下游河道年均沖刷0.31億t，50 a末平灘流量為6 844 m3／s。50 a內漫灘天數5 d。該方案能夠消除二級懸河，提高灘區防洪標準，黃河下游50 a內不淤高，50 a后也基本不淤高、灘區長期維持穩定。該方案50 a內通過古賢和東莊水庫攔沙量分別為21.06億、41.17億t，相應泥沙處理費用單價為3.3、5.7元／m3，包括生態治理在內的各項泥沙處理措施合成單價為10.0元／m3，各項泥沙處理費用共計560億元。

5.2 泥沙處置方案綜合評價

利用建立的評價模型對8億、6億、3億t情景各方案綜合效益進行評價，結果見表4。不同水沙情景，方案1、方案2、方案3、方案4、方案5的最優相對隸屬度值按大小排序均為方案5＞方案4＞方案2＞方案3＞方案1，方案5計算的最優相對隸屬度值最大，表明該方案提出的泥沙處置措施的綜合效益最大，即建設古賢、桃花峪水庫＋灘區生態治理在未來50 a進行泥沙處置的方案最優。