黄河下游河道渠化治理

泥沙研究年月第期收稿日期基金项目国家自然科学基金委员会资助编号作者简介徐国宾男河北省石家庄市人博士教授主要研究方向为工程泥沙与工程水力学黄河下游河道渠化治理徐国宾天津大学建筑工程学院天津摘要黄河下游河道尤其是游荡性河段的治理一直是一个有争议的问题作者提出黄河下游河道渠化治理方案即依托现有的大堤利用混凝土四面六边透水框架群这一新型河道整治工程技术在两大堤之间整治出一条稳定的渠化河槽形成窄槽宽滩复式断面文中对渠化治理的可行性及渠化设计流量设计河宽治导线等参数进行了分析为渠化治理提供科学依据关键词黄河下游游荡型河段渠化治理窄槽宽滩四面六边透水框架群中图分类号文献标识码文章编号黄河下游河道因水少沙多成为举世闻名的悬河另外由于滩地上生产堤的存在使泥沙主要淤积在生产堤之间的主槽和滩地上致使有些河段出现了生产堤临河滩面高于背河滩面形成二级悬河当大洪水时由于二级悬河的存在河势可能突然摆动导致河道整治工程失效危及大堤安全再加上近年来受上游人类活动及自然因素综合作用的持续影响黄河下游来水量逐渐减少主槽萎缩过洪能力严重降低河道平滩流量由上世纪年代的?下降到目前?水流漫滩机率大为增加在不利的水沙条件与边界条件共同作用下二级悬河形势也在不断加剧这些都表明了黄河下游河道的健康状况日趋恶化目前黄河下游治理方略可分为两大类一是窄河固堤主张把生产堤作为大堤加固但是如果遭遇特大洪水怎么办二是宽河固堤废除生产堤加固原有的大堤从单纯的防洪角度考虑是可行的但不能解决河势游荡摆动频繁的问题此外滩地上居住的多万人如何安置昀近黄河水利委员会提出维持黄河健康生命为黄河治理的终极目标其标志是堤防不决口河道不断流污染不超标河床不抬高要达到终极目标就要制定黄河下游河道科学合理的治理方略黄河下游河道如何治理尤其是游荡性河段能否采用工程措施将其整治成单一稳定的中水河槽作者提出黄河下游河道渠化治理方案即依托现有的大堤采用混凝土四面六边透水框架群在两大堤之间整治出一条稳定的渠化河槽形成窄槽宽滩复式断面渠化河槽应能通过中水流量现有的大堤作为防洪的第二道防线这样就为宽河固堤和窄河固堤有机统一提供了可能宽河是造成横河斜河的主要原因黄河下游河道长按照河道特点可分为游荡型过渡型弯曲型和河口段类经过多年的整治过渡段和弯曲段河势已基本得到控制目前整治的重点是孟津白鹤镇至东明高村游荡性河段该河段长两岸堤距宽游荡性河道河床宽浅对水流约束作用差主流摆动频繁水流散乱河势变化无常极易形成横河斜河使控导护滩工程失效主流顶冲大堤危及堤防安全据文献统计从年间白鹤镇至高村河段共发生横河斜河现象次发生部位主要在宽浅河段高村至陶城埠过渡性河段在年以前也曾多次发生横河斜河后经过整治修建控导工程缩窄河宽减少了主流摆动范围和强度消除了横河斜河发生的条件从年至今未发生横河斜河这也证实可以通过修建控导工程稳定河势避免横河斜河发生引起横河斜河的原因很多诸如含沙量大滩槽高差小横比降大河床宽窄相间控导工程间距大等但重要的一条是河床过宽主流摆动范围大窄槽具有较强的输送高含沙水流能力黄河下游经常发生高含沙洪水当高含沙洪水通过时宽浅河段淤积较重窄深河段淤积较轻如年间发生场高含沙洪水的淤积量集中在高村以上的宽浅河段宽浅河槽使高含沙水流中的泥沙严重落淤破坏高含沙水流稳定输送而窄槽泥沙淤积较少能够稳定输送高含沙水流在实际中可以观测到天然河流通过高含沙洪水之后断面常被塑造成窄深断面这是因为窄槽断面的水流挟沙能力大于同流量下宽浅断面的挟沙能力文献指出能够稳定输送高含沙水流的河段都是比较窄深的河段这一点也已经为引用高含沙水流的渠系实测资料所证实经常引用高含沙水流的人工渠道断面也是窄深断面所以窄槽具有较强的输送高含沙水流能力文献通过分析黄河不同河段大量实测资料也指出黄河窄深河槽具有极强的输沙能力利用窄深河槽输送高含沙水流入海可以大大减轻黄河下游河段淤积小浪底水库的建成及调水调沙为下游河道渠化治理提供了有利条件小浪底水库运用分为拦沙运用和蓄清排浑运用两个阶段拦沙运用期大致可维持年在这期间下游河道将持续发生冲刷随着河床冲刷平滩流量将有所恢复小浪底水库建成后自起已连续年在黄河下游进行调水调沙在这四次调水调沙期间尽管每次水沙条件都不相同但下游河道全程普遍发生冲刷一些河段河槽刷深并展宽主槽平滩流量增大河道过流能力得到显著提高河型的形成受内因和外因共同制约内因就是河道水流能耗率有趋于昀小值倾向外因就是约束水流的各种外界条件它包括河流来水来沙条件和河床边界条件一旦河流来水来沙条件或河床边界条件发生变化河型就有可能转化小浪底水库在拦沙运用期下游来水来沙条件发生变化为将游荡性河道整治成弯曲性渠化河道提供了可能但渠化河道的长期维持还需不断完善黄河水沙调控体系创造和谐的水沙条件小浪底水库建成对扭转下游河槽日渐萎缩的局面十分有利也是把游荡性河道整治成弯曲性渠化河道的机会抓住小浪底水库在拦沙运用期下游河道冲刷有利时机以及调水调沙期间创造的较和谐的水沙条件对下游河道进行渠化治理可以事半功倍我们应该吸取三门峡水库经验教训三门峡水库投入运用后由于下游来水来沙条件发生变化下游河道开始冲刷调整但因河道整治工程没有跟上主流得不到有效控制导致滩地大量坍塌险情不断昀后又不得不被动地修建了大量的控导护滩工程渠化治理的可行性及实例河道渠化治理是通过采取一些工程措施将天然河流改造成两岸近乎平行较为规则的渠道对这些渠化河道可以做防护也可以不做防护黄河下游经过几十年的治理修建了大量的控导工程这些控导工程对稳定河势减少横河斜河的发生具有十分明显的作用河道渠化治理可以从这些局部控导工程开始上延下伸使这些控导工程相连昀终实现渠化治理黄河两岸大堤是在历代培高加厚修筑而成的是防御洪水的昀后屏障决不能放弃渠化治理只能在两大堤之间进行河道通过渠化治理形成窄槽宽滩复式断面窄槽具有束水攻沙作用宽滩具有削峰滞沙作用明代潘季驯曾提出筑缕堤束水攻沙以遥堤拦洪防溃建格堤淤滩固堤的方略形成一套以束水攻沙为主的治河体系但在以前的历史条件下是无法实施的只是停留在史书上的记载并无遗迹可以考证但目前国内外已实施的渠化河道治理工程倒可以供我们借鉴密西西比河美国密西西比河是北美洲昀长的河流全长达流域面积万占美国本土面积密西西比河历史上是美国洪灾昀严重的河流其河道治理已有多年历史但大规模的综合治理始于年密西西比河大洪水后密西西比河干流上游无修建大型控制水库条件以修建梯级闸坝为主增加航道水深改善航运条件中下游河道进行渠化治理通过修建密集丁坝顺坝群以护岸固滩束窄河道并在两岸易冲刷部位设置平顺护岸在治理过程中下游河道还进行了多处人工裁弯使下游河段长度缩短了但有些河段裁弯后变得极不稳定不得不又修建了大量控导工程稳定河势经过治理密西西比河及其支流工程已经控制了大部分洪水密苏里河密苏里河是密西西比河的昀大支流河流全长该河是美国的多沙河流年平均输沙量为亿年平均含沙量为?密苏里河治理上游以修建控制性大型水库为主中下游河道实施渠化渠化工程于年开始进行上世纪年代基本完成治理工程措施主要为护岸固滩丁坝顺坝群用以束窄散乱水流淤滩护岸通过淤滩获得设计河岸线和河宽图丁坝顺坝多采用轻型透水结构如透水木桩废旧汽车等平顺护岸以堆石或混凝土块体为主密苏里河人工裁弯时吸取了密西西比河人工裁弯的经验教训只对过度弯曲的河段进行有计划的裁弯在裁弯同时进行护岸及上下游河势控制工程渠化工程实施后河长基本没有多大变化经过渠化治理将一个游荡性分汊多变的河道转变成单一弯曲的稳定河流并极大的改善了航道条件两岸腾出的河滩地也已经开发利用如修建电站工厂和旅游设施因此美国人认为对密苏里河的渠化治理是一个成功的典范图密苏里河某河段治导工程布置示意莱茵河莱茵河是德国第一大河也是中欧和西欧的第二大河流经法国德国于荷兰的鹿特丹汇入北海全长其中有长的河段位于德国境内流域面积为万莱茵河治理始于世纪中叶目前从位于德国边境处的博登湖至北海整个河段已全部渠化具体工程措施是用丁坝缩窄河道用块石护岸沿河修建了座大坝并进行了多处人工裁弯使莱茵河变成了一条完全人工控制的渠化河道大大提高了航运和防洪能力洋河洋河位于河北省西北部干流全长中游是典型的游荡性河道年平均含沙量?两岸距离年对其进行了整治将原多宽的河槽缩窄到整治后的河道长度和弯曲率变化不大整治后经过几次中小洪水的考验证明洋河渠化整治是成功的这在一定程度上也说明游荡性河道可以通过工程措施整治成弯曲性河道黄河下游渠化治理设计参数选择渠化治理设计参数主要包括设计流量设计河宽治导线等渠化设计流量渠化治理设计流量的确定涉及到河道整治效果及防洪安全渠化治理目的不同选择的设计流量也不同黄河两岸设有防洪大堤渠化治理主要是归顺中水河槽应以中水流量平滩流量作为确定渠化河宽的设计流量黄河下游的平滩流量在不同时期是有变化的在世纪年代初期为?左右年代初期降为?随着来水量逐渐减少主槽日渐萎缩目前仅为?在年的规划中考虑小浪底水库的运用平滩流量定为?所以渠化设计流量取?渠化河宽渠化河宽是指相应于设计流量的河宽渠化河宽要选择合理过度缩窄河床会造成河床冲刷下切幅度过大河床变形长期不能稳定下来而过宽的河床对主流起不到束缚作用主流在河床内左右摆动容易形成斜河横河顶冲护岸造成险情渠化河宽可以通过联解水流连续公式水流阻力公式水流挟沙力公式和横断面河相关系式得到可采用谢鉴衡提出的如下平衡河宽计算式求渠化河宽??式中为平衡河宽分别为张瑞瑾挟沙力公式的系数和指数为河相系数?为设计流量为重力加速度为泥沙沉速为水流挟沙力用式计算黄河下游渠化河宽时需要确定式中各项参数值挟沙力公式的系数和指数在黄河下游分别取和渠化治导线采用弯曲性河道治导线所以河相系数统计了国内部分弯曲性河道资料见表取悬沙中值粒径考虑到小浪底水库运用后下游水沙条件的变化统计了黄河年至年三次调水调沙期间花园口站高村站实测资料见表采用含沙量分别取?表国内部分弯曲性河道河相系数统计河流名称河相系数河流名称河相系数黄河艾山至泺口颖河淮河河湾至息县长江上荆江渭河赤水河至三河口长江下荆江汉江仙桃长江牌洲湾涡河淮河洪河至正阳关表黄河三次调水调沙期间花园口站高村站悬沙中值粒径统计组次站名悬沙中值粒径?年第一次花园口站夹河滩站高村站年第二次花园口站夹河滩站高村站年第三次花园口站夹河滩站高村站根据上述参数值用式计算了不同含沙量悬沙中值粒径下的河宽计算结果见表由表可知计算的河宽在之间变化考虑到黄河下游为堆积性河道应适当选择较小的河宽以增大挟沙能力使泥沙冲淤平衡所以黄河下游渠化河宽取较为适宜表不同含沙量悬沙中值粒径下的计算河宽含沙量?悬沙中值粒径?计算河宽?渠化治导线渠化治理可以分期实施但要全面规划对上下游左右岸统筹兼顾根据河势因势利导规划治导线渠化治导线的规划涉及许多影响因素如现有流路控导护滩工程两岸滩地开发利用程度湿地保护等现有流路是确定治导线的基础黄河下游游荡性河段尽管从轮廓上看宽浅散乱似无规律可寻但从历年河势主流线套绘图上可以看出主流线仍呈一定弯曲形态见图所以在规划制订治导线时应沿主流线大体维持天然河道的弯曲率并充分考虑利用现有控导护滩工程以及生产堤将游荡性河道整治成微弯型渠化河道因为在各种冲积性河道中弯曲性河道昀为稳定微弯型治导线整治方案也是目前黄河下游被采纳的整治方案黄河调水调沙试验也证实微弯型治导线方案是正确合理的图黄河下游新店集至堡城河段整治前后主流线变化?游荡性河道能否整治成弯曲性河道前述的密苏里河和洋河已经表明可以将游荡性河道转变成单一弯曲的稳定河道但对于黄河下游这样的多沙游荡性河道也能否整治成弯曲性河道一直尚有争议图给出了黄河下游新店集至堡城河段整治前后主流线变化情况由图可以看出整治前的主流线虽呈一定弯曲形态但总的态势还是比较顺直历年主流线摆动变化也较大整治后的主流线呈弯曲形态历年主流线摆动变化不大并集中在一个小的范围内这种弯曲形态截至目前已保持多年文献指出当水流为高含沙水流时含沙量的增大将使断面由宽浅变为窄深河型则有可能由游荡型向弯曲型转化这些都说明黄河下游游荡性河道可以整治成稳定的弯曲性河道渠化工程措施渠化治理单凭人工开挖疏导是难以实现的必须借助大自然力量借助大自然力量就是采用一些新型的河道整治工程技术充分利用黄河泥沙资源促进滩地淤积缩窄河道混凝土四面六边