不同治理模式下黄河下游水沙运行机制研究

张金良 刘继祥 罗秋实 陈翠霞

摘要：通过建立黄河下游花园口至艾山河段二维水沙模型，采用实测资料分析和模型计算等多种手段研究黄河下游水沙运行机制。黄河下游宽河段以艾山为卡口形成平原水库，当发生漫滩洪水时，水流进入滩区，泥沙大量落淤，而后清水退入主槽，既减轻主槽淤积甚至产生“淤滩刷槽”效果，又减少了艾山以下窄河段的洪峰流量和泥沙淤积，是黄河下游防洪减淤体系的重要组成部分。受滩区人类活动和来水来沙等因素影响，现状河道存在漫滩水流顶冲堤防、顺堤行洪以及滩槽水沙交换不畅等问题，中小洪水期间河道淤积的泥沙90%以上分布在主槽和嫩滩，即使大洪水期间滩区构筑物影响减弱，仍有约50%淤积量分布在嫩滩；滩区防护堤方案缩窄了河道，客观上减少下游河道淤积7%～30%，但是加大了大洪水期间嫩滩淤积量；生态治理方案实施“高滩”淤筑和“二滩”再造，消除了“二级悬河”和滩槽横向倒比降，实现了洪水自然漫滩，减少下游河道淤积20%～50%，嫩滩淤积减少幅度更大，有利于遏制“二级悬河”形成。

关键词：水沙演进；治理模式；数学模型；“二级悬河”；滩区；黄河下游

中图分类号：TV147；TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.001

1 概述

黄河干流河道白河南省孟津县白鹤由山区进入平原，于山东垦利县注人渤海，河段全长878km，平面上具有上宽下窄的特点（见图1）。艾山以上宽河段河宽远远大于一般河道，大部分在5km以上，最宽处达到24km，以艾山为卡口形成类似于平原水库的滞洪沉沙场所。黄河下游现有的堤防、滞洪区等河防工程布局建立在滩区滞洪削峰、沉沙落淤的基础上，滩区是黄河下游防洪减淤体系的重要组成部分，事关黄河下游整体防洪大局。黄河下游滩区现有豫、鲁两省15个市45个县（区）的189.52万人，耕地22.67万hm2，村庄1928个，是广大群众赖以生存的家园，是“人水共享的空间”。受特殊地理环境等因素制约，黄河下游滩区群众长期受漫滩洪水威胁。据不完全统计，1949-2017年滩区遭受不同程度的洪水漫滩31次，累计受灾919.43万人次，受淹耕地174.97万hm2。滩区滞洪、沉沙和防洪保安需求之间长期存在矛盾，这是黄河下游滩区有别于其他河流滩区的重要特点。

人民治黄70a来对黄河下游进行了系统的治理：黄河下游临黄堤防先后进行了四次大规模加高培厚（包括标准化堤防建设），建成1371km黄河大提（其中标准化堤防923km）；修建了三门峡、小浪底、陆浑、故县和河口村等干支流水库：开展了河道整治，修建控导工程238处、坝垛5125道，险工218处、坝垛6401道；开辟了东平湖、北金堤等分滞洪区，初步形成了“上拦下排，两岸分滞”的下游防洪工程体系。在完善防洪工程体系的同时，还实施了滩区安全建设和“二级悬河”治理试验，开展了大量研究工作，取得了“宽河固堤”、“分区运用”、“窄河固堤”和“滩区再造和生态治理”等大量研究成果，如：“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河水沙调控技术研究及应用”提出了未来保留生产堤，对花园口站6000m3/S以下洪水，通过生产堤保护滩区不受损失，对花园口站超过6000m3/s的洪水，全部破除生产堤，宽滩区滞洪沉沙；钱正英提出：“稳定主槽、改造河道、完建堤防、治理悬河、滩区分类”的治理思路，并组织开展了“黄河下游河道改造与滩区治理”研究；国务院批复的《黄河流域综合规划（2012-2030年）》提出了宽河固堤、废除生产堤、全滩区运用的治理模式，形成了“稳定主槽、调水调沙，宽河固堤、政策补偿”的黄河下游河道治理战略：张金良提出采用“洪水分级设防，泥沙分区落淤，滩区分区改造治理开发”的新思路，利用泥沙放淤、挖河疏浚等手段，由黄河大堤至主槽之间的滩地依次分区改造形成“高滩”“二滩”“嫩滩”，分别解决居民安置、农业生产、行洪输沙等问题。

目前黄河下游滩区仍存在河道行洪和滩区群众防洪保安全矛盾突出、“二级悬河”威胁防洪安全、滩区安全建设滞后、经济发展明显落后于周边地区等诸多问题，滩区治理模式和治理方向仍存在争议。不同治理模式下的黄河下游河道水沙运行机制，尤其是宽河道滞洪沉沙是影响黄河下游防洪安全和河道治理的基本问题。20世纪50-60年代，黄河下游滩槽水沙交换顺畅，滩槽同步淤高，河道形态演变良好：20世纪70年代以来，滩区居民为了防洪保安全而修建了大量的生产堤，阻碍了滩槽水沙交换，造成大量泥沙淤积在主槽和嫩滩，下游河道形态恶化，呈现“槽高、滩低、堤根洼”的“二级悬河”不利态势，严重威胁黄河下游防洪安全。随着社会经济发展，人类活动对黄河下游水沙运行的影响将进一步加强，采用实测资料分析、数学模型计算等多种手段分析黄河下游滩区滞洪沉沙作用，构建黄河下游水沙演进和冲淤计算模型，研究不同治理模式下的黄河下游水沙运行机制，既能够深化对复杂河道演变规律的认识，又能从理论层面指导未来滩区治理，具有重要的科学价值和现实意义。

2 滩区滞洪沉沙作用分析

2.1 滩区的滞洪削峰作用

实测典型洪水黄河下游主要控制断面洪峰流量统计见表l。根据1954年、1958年、1977年和1982年4场典型洪水分析，黄河下游发生大洪水期间，下游河道尤其是艾山以上寬河道起到较大的滞洪削峰作用。1958年和1982年花园口洪峰流量分别为22300和15300m3/S，相应的孙口洪峰流量分别为15900和10100m3/S，分别削峰29%和34%，花园口至孙口河段槽蓄量分别为25.9亿、24.5亿m3，相当于洛河故县水库和伊河陆浑水库的总库容，起到了明显的滞洪作用，大大减轻了山东窄河段的防洪压力。

2.2 滩区的淤沙作用

落淤沉沙是黄河下游滩区有别于其他河流滩区的重要功能。当黄河下游发生漫滩洪水时，水流进入滩区后流速变小，其携带的泥沙在滩地大量落淤，而后滩地的清水再退入主河槽，减轻主槽淤积甚至产生“淤滩刷槽”效果，在维持宽河段主槽行洪输沙能力的同时减少了艾山以下窄河段的淤积。据实测资料统计，1950年6月—1999年10月黄河下游河道累计淤积泥沙93亿t，其中83%淤积在艾山以上宽河段：滩区落淤沉沙63.7亿t，占整个下游河道淤积量的68.5%，落淤量相当于小浪底水库设计拦沙量的65%。

进一步统计不同时段黄河下游来水来沙、河道冲淤和平滩流量变化情况，见表2。20世纪50年代，人类活动干预较少，河道总淤积量约占来沙量的20.1%，主槽淤积量约占总淤积量的22.7%，滩槽同步抬升，主槽过流能力接近6000m3/S：20世纪70年代以来，滩区居民修建了大量的生产堤，阻碍了滩槽水沙交换，再加上1986年龙羊峡水库投入运用，进入下游的汛期来水比例由天然时期的60%减少到47%左右，有利于河道输沙的大流量过程减少，造成河道淤积加重，同期泥沙淤积总量占来沙量的比例由天然时期的20%增加至30%左右，且70%以上的泥沙淤积在主槽和嫩滩上，主槽过流能力逐步减小到2000m3/S左右，同时造成下游河道形态严重恶化，呈现“槽高、滩低、堤根洼”的“二级悬河”不利态势，严重威胁黄河下游防洪安全，对滩区群众防洪保安全也产生了明显不利影响。

2.3 未来滩区泥沙淤积变化分析

采用三门峡站（2000年以后为小浪底站）、黑石关站、武陟站（简称“小黑武”）的实测日均资料，结合黄河上游水库运用情况，分时段统计进入下游河道的洪水泥沙量，见表3。可以看出，2000年以来“小黑武”日均流量3000～4000m3/S和4000m3/S以上洪水发生概率相比1968年以前天然时期分别减小72%和95%，水、沙量也明显减小。未来随着小浪底水库拦沙以及古贤水库的投入运用，下游河道平滩流量将在60a内基本维持在4000m3/S左右。由于3000～4000m3/S和4000m3/S以上洪水发生概率减小，因此随漫滩洪水进入滩区的沙量将非常有限，泥沙淤积将主要发生在主槽和嫩滩。

3 数学模型和计算方案

3.1 数学模型原理

采用RSS河流数值模拟系统建立黄河下游花园口至艾山河段平面二维水沙模型，经“96·8”洪水验证后开展方案计算分析。

3.1.1 控制方程

平面二维水沙数学模型的控制方程可写成如下通用形式：式中：χ为通用变量；Tχ为广义扩散系数；Sχ为源项；p为密度：H为水深：u、v分别为x、y方向的流速。

控制方程各变量的含义见表4。表4中：Z为水位；n为糙率；g为重力加速度；VT为水流紊动扩散系数；VS为泥沙紊动扩散系数；Si为第i组悬移质泥沙含量；Si为第i组悬移质泥沙水流挟沙力；ωi为第i组悬移质泥沙的沉速：a为悬移质恢复饱和系数（淤积时a=0.25，冲刷时d=1.0）。

河床变形方程为式中：gbxi、gbyi分别为x、y方向的单宽推移质输沙率；γ'为泥沙干容重；Zbi为第i组泥沙冲淤厚度；χi为第i组泥沙恢复饱和系数。

定解条件及相关问题处理如下。

进口边界给定水深、平均流速以及悬移质含沙量的分布，出口边界给定水位，其他变量按照充分发展流动考虑。流速的岸壁边界按粘附条件给出，泥沙岸壁边界满足泥沙不穿透条件。滩区内片林、居民区等阻水地物通过糙率概化和地形调整实现：生产堤和输水渠道等线状地物均按照“DIKE”处理，考虑黄河下游生产堤主要为土质材料，建设年份不一，堤身材料以及堤防質量较差，在发生洪水时易发生冲决和漫决，综合以往研究成果，提出：当水流流速大于1.8m/s，且水流方向与生产堤附近单元网格夹角大于45°、水深超过1.5m时，就定性认为该段生产堤可能发生溃口：若发生大洪水，当洪水水位与生产堤堤顶高差小于0.2m时，即认为生产堤发生漫决。

3.1.2 数值计算方法

为适应不同复杂边界，RSS系统选择多边形单元为控制体，对二维模型的控制方程进行离散。离散方程不但可基于非结构三角网格进行求解，也可基于非结构四边形网格或混合网格进行求解。离散方程的通用形式为式中：Ap、AFj，为系数；b0。为常数；NEp。为控制体的边数；χp为控制体的通用变量：χFy，为控制体相邻单元的通用变量。

3.2 “96·8”洪水过程验证

3.2.1 水沙条件

采用“96·8”实测洪水过程开展模型验证，花园口站实测水量84.17亿m3、沙量7.78亿t。1996年7月花园口断面主要为高含沙小洪水，8月花园口断面先后出现两次洪峰过程，第一次洪峰出现于8月5日15时30分，洪峰流量达到7860m3/S，第二次洪峰出现于8月13日3时30分，洪峰流量达到5560m3/s。

3.2.2 冲淤量对比

黄河下游花园口至夹河滩、夹河滩至高村、高村至孙口、孙口至艾山河段实测累计冲淤量分别为2.57亿、1.73亿、0.48亿、0.15亿t（输沙率法计算，不考虑引水引沙），模型计算结果分别为2.31亿、1.83亿、0.39亿、0.11亿t。

3.2.3 流量过程对比

花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山断面实测洪峰流量分别为7860、7150、6810、5800、5030m3/S，模型计算结果分别为7860、7156、6388、5621、4841m3/S，洪峰流量计算值与实测值偏差小于10%，见表5。图2给出了夹河滩断面流量过程计算值和实测值的对比，两者吻合较好。

3.2.4 最高洪水位对比

花园口、夹河滩、高村、孙口断面洪峰水位实测值分别为95.33、76.24、63.87、49.66m，模型计算结果分别为95.42、76.18、63.97、49.49m，计算值与实测值最大偏差0.17m，见表6。

3.3 计算方案设置

3.3.1 滩区治理模式

设置现状方案、防护堤方案和生态治理方案3种治理模式。现状方案采用2017年河道和滩地边界条件。防护堤方案为现状治理模式的基础上，在北店子以上河段修建防护堤，防护堤堤距2.1～2.5km，防洪标准采用10a一遇（长垣滩和长平滩县城段分别采用20、30a一遇），防护堤上下游设置分洪口门，洪水大于设防标准后防护堤口门分洪运用，滩地参与行洪。生态治理方案为基于“洪水分级设防，泥沙分区落淤，滩区分区改造”的治理开发思路，将下游滩区由黄河大堤向主槽依次分区改造形成“高滩”“二滩”“嫩滩”，“高滩”在临堤1～2km内，设防标准为20～50a一遇，主要作为居民安置区，部分区域也可建设生态景观：“二滩”为高滩与控导工程之间的区域，结合“二级悬河”治理进行再造，主要用于发展高效生态农业、观光农业等，该区域设防标准为5a一遇，上水概率较高，承担一定的滞洪沉沙功能：“嫩滩”为“二滩”以内的临河滩地，建设湿地公园，与河槽一起承担行洪输沙功能。不同治理模式典型断面见图3。

3.3.2 典型洪水选择

为反映不同量级洪水下游河道水沙运行机制，分别选择1000a一遇（“58·7”型洪水）、100a一遇（“58·7”型洪水）、10a一遇（“73·8”型洪水）、5a一遇（“96·8”实测洪水）洪水泥沙过程进行黄河下游河道二维数学模型计算。根据潼关站设计水沙过程，考虑黄河中游三门峡、小浪底、陆浑、故县、河口村5座水库调节，得到进入下游河道的水沙过程，见表7。“58·7”型洪水1000a一遇和100a一遇洪水历时均为13d，洪峰流量分别为18900和14335m3/S，平均含沙量略大于50kg/m3；“73·8”型10a一遇洪水历时46d，洪峰流量为10000m3/S，平均含沙量为90.29kg/m3；“96·8”实测洪水历时16d，洪峰流量为7860m3/s，但含沙量较大，平均含沙量为90.53kg/m3，属于高含沙小洪水。

4 不同治理模式滩区滞洪沉沙机制

4.1 削减洪峰和滞洪效果

不同方案花园口至艾山河段洪水削峰率和滞洪量见表8。

“58·7”型1000a一遇洪水条件下，现状方案、防护堤方案、生态治理方案洪水演进至艾山，经东平湖分洪后，对洪水的削峰率均为47%，滞洪量分别为38.2亿、41.1亿、37.5亿m3；“58·7”型100a一遇洪水条件下，现状方案、防护堤方案和生态治理方案洪水演进至艾山，经东平湖分洪后，对洪水的削峰率分别为30%、31%和30%，滞洪量分别为29.8亿、33.4亿、28.5亿m3：“73·8”型10a一遇洪水条件下，洪峰近似为“平头峰”，现状方案、防护堤方案和生态治理方案艾山以上河道削峰率分别为8%、5%和6%，滞洪量分别为28.5亿、21.3亿、26.3亿m3：“96·8”实测洪水条件下，现状方案、防护堤方案和生态治理方案艾山以上河道削峰率分别为45%、32%和36%，滞洪量分别为14.0亿、13.4亿、2.0亿m3。

综合对比可以看出：大洪水期间，不同治理模式黄河滩区均能较好地发挥滞洪削峰作用，但是退水期间，现状方案和防护堤方案因生产堤或防护堤的存在，洪水不易归槽，故大量洪水将蓄滞在滩区：生态治理方案因滩槽水沙交换顺畅，故滩区蓄滞的洪量将随着洪水消退，很快归人河槽。

4.2 河道输沙和滩区落淤效果

“58·7”型1000a一遇洪水条件下，现状方案、防护堤方案和生态治理方案全河道淤积量分别为2.06亿、1.45亿、1.03亿t，其中嫩滩淤积量分别为1.53亿、1.68亿、0.77亿t；“58·7”型100a一遇洪水条件下，现状方案、防护堤方案和生态治理方案全河道淤积量分别为2.01亿、1.44亿、0.98亿t，其中嫩滩淤积量分别为1.42亿、1.59亿、0.69亿t：“73·8”型10a一遇洪水条件下，现状方案、防护堤方案和生态治理方案全河道淤积量分别为7.72亿、6.98亿、6.00亿t，其中嫩滩淤积量分别为3.85亿、3.76亿、2.99亿t；“96·8”实测洪水条件下，现状方案、防护堤方案和生态治理方案全河道淤积量分别为2.45亿、2.30亿、1.95亿t，其中嫩滩淤积量分别为0.27亿、0.26亿和0.00亿t，具体见表9。

综合对比可以得出：现状方案河道淤积量占来沙量的30%～50%：“96·8”实测洪水期间，受生产堤等滩区构筑物阻挡，河道淤积的泥沙90%以上分布在主槽和嫩灘：对10a一遇以上较大的洪水，滩区构筑物影响减弱，但仍有约50%淤积量分布在嫩滩，这是“二级悬河”发育、河道形态恶化的重要原因。防护堤方案缩窄了河道，同现状方案相比，在一定程度上减小了全河道淤积量，但是大洪水期间嫩滩泥沙淤积量较现状方案略有增大。生态治理方案，通过治理，河道形态归顺，有利于行洪输沙，全河道淤积量和嫩滩淤积量均较现状方案减小，有利于遏制“二级悬河”发育和河道形态恶化。

4.3 洪水漫滩过程对比分析

表10为“二级悬河”典型断面（禅房）滩槽关系和漫滩洪水特征值统计。图4为不同治理模式洪水漫滩前河槽蓄水状态示意。现状方案，禅房断面滩槽高差5.5m，滩槽横向倒比降达到0.06%，洪水漫滩后受生产堤阻挡，水位将逐渐壅高，若生产堤突然决口，则洪水居高临下直冲大堤，流速一般能达到3.0m/s，黄河大堤偎水7.5m；防护堤方案10a一遇洪水启用防护堤分洪，分洪后滩地横向流速将达到3.5m/s左右：生态治理方案通过二滩再造和高滩淤筑，“二级悬河”不利局面基本消除，滩槽横向倒比降不复存在，洪水自然漫滩，堤根偎水深度仅有0.9m。

5 结论

通过建立黄河下游花园口至艾山河段二维水沙模型，采用实测资料分析和模型计算等手段研究了不同治理模式下黄河下游水沙运行机制，主要结论如下。

（1）黄河下游宽河段以艾山为卡口形成平原水库，当发生漫滩洪水时，水流进人滩区，泥沙大量落淤，而后清水退入主槽，既减轻了主槽淤积甚至产生“淤滩刷槽”效果，又减少了艾山以下窄河段的洪峰流量和泥沙淤积。滩区滞洪沉沙作用显著，是黄河下游防洪减淤体系的重要组成部分。

（2）滩区滞洪沉沙受滩区人类活动和来水来沙等因素影响，现状滩区大量修建生产堤以及有利于河道输沙的大流量过程减少，导致下游河道淤积加重，年均淤积量占来沙量的比例由天然时期的20%增加至30%左右，中小洪水期间河槽淤积比由天然时期的20%增加至70%以上，大洪水期间仍有约50%淤积量分布在嫩滩。

（3）大洪水期间，现状滩区具有明显的滞洪作用，但是因“二级悬河”存在和生产堤阻碍，故洪水漫滩后蓄滞在滩区，清水不易归槽：在“二级悬河”比较突出的河段，生产堤蓄滞洪水决口后，漫滩洪水顶冲堤防、顺堤行洪问题更加突出，滩槽横向流速为3.0～ 3.5m/s。

（4）滩区防护堤方案缩窄了河道，客观上减少下游河道淤积7%～30%，但是增大了大洪水期间嫩滩淤积量，遇超标准洪水则存在洪水顶冲大堤、顺堤行洪、滩地退水困难等问题。

（5）生态治理方案实施“高滩”淤筑和“二滩”再造，消除“二级悬河”和滩槽横向倒比降，实现洪水自然漫滩，滩槽水沙交换顺畅，在维持宽河道滞洪沉沙功能的同时，减少下游河道淤积20%～ 50%，嫩滩淤积减少幅度更大，有利于遏制“二级悬河”的形成。

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