黄河下游河道改造方案初步研究

崔萌 刘生云 张瑞海 朱亚姬

摘要：在当前黄河下游滩区经济社会发展和治河矛盾日益突出的情况下，探讨了对黄河下游进行河道改造的初步思路，即通过在黄河下游滩区设置一定标准防护堤及滩区滞洪区，在一定程度上减轻防护堤与下游设防大堤间的洪灾损失。对黄河下游各河段防护堤防洪标准进行了分析论证；通过对不同河段滩区滞洪容量的分析，提出了滞洪区设置河段；通过对不同标准防护堤和滩区滞洪区联合运用的两类共4个典型方案的分析比较，提出按设计防洪标准修建防护堤、不建滩区滞洪区方案作为推荐方案。

关键词：河道改造；防洪堤；滩区滞洪区；黄河下游

中图分类号：TV212； TV882.1 文献标志码：A doi ；10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.009

1 研究背景

黄河水少沙多、水沙关系不协调，是世界上最复杂难治的河流。目前黄河下游河道整治工程尚不完善，高村以上游荡型河道河势尚未得到有效控制，“二级悬河”发育，“横河”“斜河”发生概率增大，威胁下游防洪安全。特别是下游滩区居民多，长期以来滩区安全建设严重滞后，滩区近180万群众安全缺乏保障；滩区洪灾风险大，淹没频率高，经济发展和群众生活水平低。随着流域经济社会的快速发展，滩区内、外经济社会发展的差距逐渐增大，滩区已成为贯穿豫鲁两省的“沿黄贫困带”。为防止小洪水漫滩，减少滩区淹没损失，滩区群众对生产堤毁而复修、破而复堵，对小浪底水库拦蓄中小洪水保滩提出了更高的要求。针对黄河下游河道和滩区治理提出的新要求，开展了黄河下游河道与滩区改造方案的研究，旨在通过对黄河下游河道及滩区进行改造，在黄河下游滩区设置一定标准的防护堤及滩区滞洪区，在一定程度上减轻防护堤与下游设防大堤间的洪灾损失，促进滩区经济发展，缓解当前滩区发展与治河防洪日益突出的矛盾。

2 治理方案设置格局

在黄河下游滩区内按照一定的设防标准和堤距新建两道防护堤，防护堤修建后，两道防护堤之间为河槽，防护堤与两侧黄河大堤之间仍为滩区。发生防护堤设防标准以下洪水时，充分利用河槽行洪输沙；滩区是泄洪通道的一部分，在河槽泄洪能力不足时用于扩大泄洪断面，增强泄洪能力。

根据滩区地形条件及超防护堤标准洪量分析，考虑在滩区设置一定数量的滞洪区。当发生超防护堤设防标准洪水时，根据滞洪区可分洪量及来水情况，有计划地分洪运用。当发生防护堤设防标准内洪水时，考虑防护堤标准与滞洪区运用，分为两种情况：一是直接按照设计防洪标准修建防护堤，不考虑运用滞洪区；二是修建低于设计标准的防护堤，结合滞洪区运用使较低标准防护堤达到设计标准。因此，方案论证的重点主要在于防护堤标准分析、滩区滞洪区设置以及防护堤与滞洪区联合运用的河道改造方案。

3 防护堤堤距及标准分析

3.1 防护堤堤距分析

考虑到防护堤堤距设定存在的不同意见[1-2]，本研究对高村以上游荡型河段拟定两种堤线布置方案：方案一，基于河势演变的复杂性，在研究滩区防护堤布设时，充分考虑河势变化对防护堤安全的影响，堤距设定适当留有余地；方案二，以统计分析的主槽过流量占总流量80%以上的排洪河槽宽度[3-4]为基础，对畸形河湾等不利河势采用工程措施进行控导，尽可能保持河道平顺，以控导工程的连线布置堤线。两方案下京广铁路桥以上河段堤距均值均为4900m，陶城铺以下河段长清、平阴滩区堤距均值均为2100m，两河段堤线布置基本无差别。京广铁路桥至高村河段，方案一充分考虑了2000年以来河势演变情况，京广铁路桥一东坝头及东坝头一高村河段堤距均值分别为4.40、4.20km；方案二按照排洪河槽宽度，防护堤基本与现状控导工程首尾连接，两河段堤距均值分别为3.10、3.17km。高村至陶城铺河段，方案一情况下因为上下游河道保持平顺过渡，所以仅高村以下附近断面堤距逐渐变窄，其余大部分断面两方案堤距相同。两方案各河段堤距见表1。

考虑河势变化对工程安全的影响及河道形态、护滩效益等因素，同时结合近年来的相关研究成果，防护堤堤距推荐方案一。m3.2 防护堤标准分析

防护堤修建后，对防护堤的保护对象进行逐段分析。京广铁路桥以上河段主要涉及温孟滩的一部分及武陟滩，人口1.64万，耕地面积0.92万hm2。京广铁路桥一陶城铺河段被分割为23处滩区，除左岸原阳滩、长垣滩面积较大、居住人口较多外，其余滩地面积相对较小。陶城铺以下至北店子河段左岸为设防大堤，右岸滩区因山梁阻隔，故滩区分布有多个小滩，相对连片的大滩主要分布在长清县、平阴县，人口共33.39万，耕地面积2.23万hm2。根据《防洪标准》（GB50201-2014）分析，京广铁路桥以上河段设计防洪标准为10a一遇（对应小浪底出库流量9400m3/s）；京广铁路桥一陶城铺河段长垣滩防洪标准为20a一遇（对应花园口流量12200m3/s），其他滩区为10a一遇（对应花园口流量10000m3/s）；陶城铺以下长平滩内长清、平阴县城段防洪标准为30a一遇（对应艾山流量10000m3/s），非县城段滩区防洪标准为10a一遇（对应艾山流量9900m3/s）。

4 新建滩区滞洪区研究

黄河下游防洪工程体系的上拦工程有三门峡、小浪底、陆浑、故县、河口村等5座水库；下排工程为河道及堤防工程，设防标准为防御花园口站洪峰流量22000m3/s；两岸分滞工程为东平湖滞洪区和北金堤滞洪区。进入黄河下游的洪水需经过防洪工程体系的联合调度，五库运用后黄河下游各级洪水洪峰流量见表20

防护堤布设后，对黄河下游不同频率洪水超标准洪量与各滞洪区最大分洪量的关系进行分析，滞洪区处理超标准洪水洪量是基本可行的，防护堤与黄河大堤间滩区设置滞洪区如下：京广铁路桥以上河段，上段大玉兰至官庄峪断面左岸滩区地势相对较高，分洪量太小，不考虑设置滞洪区；京广铁路桥一陶城铺河段，结合滩区位置、地形条件、各滩区人口分布等因素，面积小于30km2的较小滩区分洪量有限，不设置滞洪区，对面积大于30km2的6个自然灘，结合防护堤，通过修筑围堤形成滞洪区；陶城铺以下河段，考虑到滞洪区自上而下启用，通过陶城铺以上滞洪区运用（或结合东平湖）可处理洪水，不再设置滞洪区。同时，考虑到黄河下游滩区存在一定的纵比降，为使滞洪区取得较大库容，通过修建隔堤对滞洪区进行分区，如原阳滩通过防护堤及在滩内修建隔堤，形成9个分区，以便获得更大分洪容积，而且调度运用更为方便。滞洪区设置及最大分洪量见表3。

5 河道改造方案

根据滩区防护堤标准分析结果，防护堤修建后，长垣滩应达到20a一遇防洪标准，长平滩长清、平阴县城段应达到30a一遇防洪标准，其他滩区应达到10a一遇防洪标准。实现该目标有两种途径，一是直接按照设计防洪标准修建防护堤，不设置滞洪区；二是通过修建低于设计标准的防护堤，结合滞洪区运用达到设计标准。因此，防护堤标准及滞洪区设置需进行方案比选后综合确定。根据新建滩区滞洪区分析结果，京广铁路桥以上及陶城铺以下河段不再设置滞洪区，因此这两个河段防护堤可直接按照设计防洪标准布设，均为防御10 000m3/s洪水。防护堤与滞洪区联合运用多方案分析比较仅针对京广铁路桥一陶城铺河段，根据防护堤标准及滞洪区布设提出两类方案：第一类为不设置滞洪区方案，即方案一；第二类为设置滞洪区方案，即方案二至四。

（1）方案一：不设滞洪区方案。长垣滩按照防御12 200m3/s洪水（20a一遇标准）设置防护堤，其他滩区按照10a一遇标准设置防护堤。遇超防护堤设防标准洪水时通过防护堤预设口门进行分洪，滩区与河槽共同行洪运用。

（2）方案二：全线防御8 000m3/s洪水方案（简称“8000m3/s防护堤方案”）。京广铁路桥以下至陶城铺河段，防护堤全部按防御8000m3/s洪水设防。花园口站10a一遇、20a一遇洪水超8000m3/s的洪量分别为9.5亿、16.5亿m3。

长垣滩要达到20a一遇防洪标准，需通过启用滞洪区分滞超标准洪量16.5亿m3。此时京广铁路桥一东坝头河段的所有滞洪区（原阳滩、原封滩、中牟滩、开封滩）分洪7.72亿m3后，还需启用长垣滩（共划分为11个分区，最大分洪量10.24亿m3）的9～10个分区，或在启用兰考东明滩（最大分洪量6.06亿m3）的基础上再考虑启用其他滞洪区。

（3）方案三：防御10000m3/s洪水方案（简称“原阳滩分洪方案”）。京广铁路桥以下至陶城铺河段，防护堤全部按防御10000m3/s洪水设防。花园口站20a一遇洪水超10000m3/s洪量为1.26亿m3。根据进入下游河道的洪量和滞洪区最大可分洪量关系，处理该量级洪水可通过启用区间任何一个滞洪区解决。由于原阳滩位于最上端，因此利用原阳滩上部的分区即可处理洪峰流量超10000m3/s的洪水。

通过运用原阳滩滞洪区（共划分为9个分区，最大分洪量3.8亿m3）的3～4个分区，分滞超10000m3/s洪量1.26亿m3，将原阳滩第4分区以下河段洪峰流量削减至10000m3/s，相当于其下防护堤全部提高到花园口站20a一遇防洪标准，其他滩区实际防洪标准已达到或超过设计防洪标准。

（4）方案四：组合方案（简称“中牟滩分洪方案”）。京广铁路桥以下至陶城铺河段，防护堤全部按防御10000m3/S洪水设防。花园口站20a一遇洪水超10000m3/S洪量为1.26亿m3。与原阳滩比较，中牟滩内人口相对较少，为减轻分洪造成的社会影响，当发生10a一遇洪水时，可以首先考虑采用中牟滩分洪，此情况下上游右岸的邙金滩、左岸的原阳滩自然分洪。利用中牟滩分洪1.26亿m3（10000m3/s洪水下最大可分洪量为1.54亿m3），中牟滩以下防护堤标准提高到20a一遇，此时其他滩区实际防洪标准已达到或超过设计防洪标准。

结合其他相关研究成果对以上4个方案进行分析：从对下游河道淤滩刷槽影响效果来看，方案二至四漫滩系数（洪峰流量/平滩流量）为2.0～2.5[5-7]，方案一长垣潍河段防护堤设防标准为12200m3/s，漫滩系数接近3，对滩槽交换影响较大。从对河道冲淤影响看，设置滞洪区会加重主槽淤积，且分沙效果较差。从保滩效果看，4个方案通过防护堤或结合滞洪区运用整体上均可处理设计标准洪水，但不设滞洪区方案最优，中牟滩分洪方案次之，8000m3/s防护堤方案最差。从技术经济指标分析，通过计算各方案差额投资、多年平均保滩效益及差额投资内部收益率，方案三较优。从对滩区安全建设的影响来看，各方案分洪运用后对已实施滩区安全建设村台的安全性影响不大，可不作为影响因素，但从方案实施后对下一步安全建设设施的影响看，不设滞洪区方案中防护堤标准为10a一遇，滩区88.5万人仍需进行安全建设安置，方案二至四中运用的滞洪区内人口需进行安全建设安置，从安置规模看，方案四最优。从对防洪调度运用及社会影响上看，设置滞洪区对大洪水漫滩行洪影响较大，调度运用产生的社会影响较大。综合分析，不设滞洪区方案相对较优，作为本研究推荐方案。

推荐方案具体运用方式为：发生10a一遇以下洪水时，河槽过洪，利用防护堤保障标准以下洪水滩区防洪安全；发生10～20a一遇洪水时，陶城铺以上的长垣滩以及陶城铺以下的长清、平阴县城段利用防护堤保障滩区防洪安全，其余滩区全部行洪；发生20～30a一遇洪水时，陶城铺以下的长清、平阴县城段利用防护堤保障滩区防洪安全，其余滩区全部行洪；发生30a一遇以上洪水时，下游滩区全部行洪运用。

6 结论

本研究对黄河下游河道改造与滩区治理方案设置格局进行了分析，通过对滩区设置防护堤及滩区滞洪区方案的分析，得出初步研究结论：为进一步缓解黄河下游滩区经济社会发展和治河日益突出的矛盾，可在目前黄河下游滩区内，按照2.1～4.9km的堤距新建两道防护堤，长垣滩修建20a一遇标准防护堤，长平滩长清、平阴县城段修建30a一遇防护堤，其他滩区修建10a一遇标准防护堤。防护堤修建后，明确两道防护堤之内为河槽，防护堤与黄河大堤之间为滩区；发生设防标准以下洪水时，充分利用河槽行洪输沙。滩区是泄洪通道的一部分，在河槽泄洪能力不足时用于扩大泄洪断面，增强泄洪能力，不同河段滩区根据防护堤设计标准运用概率有所不同，但目前尚未充分考虑方案实施对黄河下游河道冲淤的影响，同时防护堤修建后，给未来的洪水预报、洪水调度、工程抢险与管理可能带来不利影响。下一步将结合该方案与基准方案河道冲淤结果的对比分析以及其他因素，对方案进行综合比选论证。

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