試論未來黃河下遊治理的主要對策

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 張紅武
上傳時間:2010/10/26 9:37:00

  論文摘要:針對黃河下遊治理難度大、河情十分特殊的實際,提出了黃河下遊治理的主要對策:①必須把握黃河未來水沙變化的規律;②要解決好黃河下遊水資源不足的實際問題,在加大減沙入黃措施的同時尋求調水濟黃途徑;③應加大寬河道整治力度,重點研究“二級懸河”治理的對策;④對黃河下遊寬河道邊界應有新的布局;⑤黃河口治理應采取“輸、挖、分”並舉的方案,即束水沖沙、輸沙人海,挖沙疏浚和科學分洪。
  論文關鍵詞:河道整治;“二級懸河”;黃河口治理;泥沙;水資源;黃河下遊
  黃河治理特別是黃河下遊的治理,歷來是中華民族興國安邦的大事。新中國成立以來,國家對黃河的治理問題十分重視,黃河治理開發也取得了舉世矚目的成就。這不僅促進了整個流域經濟的發展,而且也保障了黃淮海平原的安全。但黃河畢竟是世界上治理難度最大的河流,河情十分特殊,目前,黃河洪水尤其是泥沙問題尚未得到有效解決,黃河下遊河道行洪能力衰竭,仍存在洪水威脅,水資源供需矛盾日益突出,並且由於社會經濟發展用水量擠占下遊輸沙等生態用水。使環境也趨於惡化。因而,未來黃河下遊的治理不僅對帶動相關區域經濟增長意義重大,而且還關系到國民經濟體系的布局。
  1必須把握未來水沙變化規律
 
  研究某條沖積河流的演變規律時,首先應搞清來水來沙條件,因為來水來沙條件是塑造河床邊界的主要因素。黃河下遊河道的河型及其河相關系乃至懸河態勢,主要是歷史上來水來沙條件形成的。上段寬闊的河漫灘及下段堤距不大的窄河段,基本上能適應當時的水沙條件。
  1986年以來,隨著黃河上、中遊治理開發的進行,下遊來水來沙條件發生了變化,來水持續偏枯,大洪水發生幾率減小。洪峰流量也顯著降低。現在所講的千年一遇洪水的洪峰流量,是在一定的假定條件下分析出來的,對目前的工程設計有一定借鑒意義,但這方面的論證畢竟不夠嚴密,主要應該把伊河、洛河夾灘地區的滯洪作用及上遊工程的影響研究清楚。否則,未來黃河下遊防洪及河道整治工作很難在科學的水沙條件下開展。
  筆者認為,黃河下遊稀遇洪水的洪峰流量可能有所減小,防洪標準也不應過高。世界各國防洪多以實際發生過的歷史最大洪水或百年一遇洪水作為防禦標準。水利行業以外的人士根據國外的方法,常常對黃河堤防防洪標準及我國常用的洪水頻率分析方法提出質疑,認為確定百年一遇洪水流量要有千年的樣本,千年一遇洪水流量應有萬年的樣本。實際上沒有那麽長的水文資料,確定幾百年以上一遇洪水的洪峰流量值,難免受人為影響。但必須承認,未來黃河下遊治理所對應的泄洪流量的趨勢是減小的。按照水沙條件決定河道邊界的認識思路,上遊大洪水的洪峰流量減小了,下遊自然不需要那麽寬的河道,否則,邊界條件與水沙條件不相適應,用目前寬河道的堤防直接防洪,必然會出現眾多問題,平面上、剖面上都會出現畸形圖案,讓人們治理的思路也難以清晰,甚至會自相矛盾。例如,一方面主張破除生產堤,甚至對河道整治措施也有怨言,目的不外乎是希望增大洪水的漫灘幾率,加強灘槽水沙交換;另一方面又希望通過小浪底水庫的調水調沙運用,給下遊一個所謂的“有利”水沙條件,減小漫灘幾率,顯然這兩方面存在著矛盾。
  從另一個角度講,人們根據當年三門峽水庫運用初期下遊河道沖刷的實測資料,大都認為小浪底水庫在攔沙期對黃河下遊減淤作用巨大。小浪底工程投入運用幾年來,在水庫已累計淤積泥沙10多億m的條件下,下遊僅沖刷3億多t(人海泥沙僅1億t左右),而且還經常出現上沖下淤的不利局面。究其原因,主要是近幾年遇到了偏枯的來水條件(來水量只相當於原設計入庫水量的一半,年均來沙量僅有3億多t)。顯然,如何用好小浪底水庫這張黃河下遊治理的“王牌”。其前提是必須研究清楚黃河未來水沙的變化規律。
  2黃河下遊治理要重視解決水資源不足的問題
  黃河下遊地區水資源嚴重短缺,屬長期性、區域性、資源性缺水,緩解黃河下遊水資源供需矛盾的根本措施是從外流域調水濟黃。為增加來水量,需要同淮河流域甚至漢江流域的河流相溝通,尤其是在淮河流域、漢江流域的暴雨期,可將淮河流域、漢江流域無法承受的洪水調入黃河,把黃河下遊河道作為淮河及漢江上遊各大支流洪水的入海通道。只有將其他流域的災害水變成黃河下遊河道的沖沙、灌溉及生態環境用水,小浪底水庫在調水調沙運用時才會有更多的余地和更好的效果,也才能通過現有的下遊引黃工程,包括引黃濟津、引黃入冀、引黃濟青工程,向河南、山東、河北等相關地區供水。此外,還可進一步通過河北水系的局部調整接濟京津,最大限度實現黃淮海平原的水資源優化配置,把所替代出的輸沙用水量再加以分配,盡量考慮黃河中、上遊用水,緩解水資源短缺局面,使黃河上、中遊地區植被建設維持基本的生態用水量。這類措施對於黃河治理效果最佳,應作為主攻方向,否則,10年甚至20年後,黃河下遊的狀況將仍舊難以改觀。

  3加大寬河道整治力度,重點研究“二級懸河”治理對策
  黃河下遊河道上寬下窄,其中寬河段堤距較寬,最寬達24km,河勢遊蕩多變,經過多年整治,主流擺動幅度大大減小。然而,由於近20年洪水漫灘幾率小,泥沙淤槽不淤灘,一些河段“二級懸河”發展迅速,使不少河段“槽高、灘低、堤根窪”的現象更加突出,對兩岸防洪的威脅急劇加大。因此,“二級懸河”成因、危害及治理對策應是黃河下遊治理的主攻方向。建議在調查“二級懸河”分布部位及分析其形成過程的基礎上,通過河工動床模型試驗和數學模型計算等手段,預測其演變趨勢,判定各級洪水可能發生滾河或順堤行洪的危害狀況,制定相應治理對策。
  河道整治是寬河段治理的有效措施之一,需要抓緊整治黃河下遊遊蕩型寬淺河道,盡快建成理想的泄洪輸沙通道。河道整治工程還是防洪和防治畸形河勢的前沿陣地,只有把這項工作做好,才能減輕大堤的直接壓力,防止發生橫河、斜河、滾河。2002年7月習城灘萬寨渠堤沖決,並經串溝直接逼近大堤,這實際上與河勢下挫、工程控導不力有關,如果河道整治工程配套,就可避免這一險情的發生。
  所謂的“二級懸河”,實際上是超飽和挾沙水流在已成為懸河的寬河段上,沿固定流路長期造床的必然結果。人們在遊蕩型多沙河流模型試驗中發現,只要灘地空間足夠大,即使沒有生產堤和護灘工程,在某一時段內也能形成槽底高於灘面平均高程的懸河,若堤外地面低於堤內河床高程,此時即相當於“二級懸河”。這說明在黃河下遊上段這種寬河條件下,灘地不可能產生均勻的淤積,即使不修生產堤,不建河道整治工程,由於自然堤逐漸形成(造成灘唇高仰)的原因,大堤內側的堤河也會存在,堤根還會低窪。
  非遊蕩型模型小河試驗表明,超飽和挾沙水流致使灘槽高差減小的速率較大,表面上看流路較穩定,但隨著主槽河床擡高,水流逐漸漫溢,出現灘唇和灘地橫比降。當槽底比灘面高到一定程度時,即形成了嚴重的“二級懸河”局面。灘地逐漸出現串溝,又逐漸奪溜改河,最後主河還是“滾”過去了。在黃河下遊窄河段也存在這種可能,例如,在山東長清顧小莊一桃園段,黃河溜勢往東北方向急轉,1958年及1976年洪水期在桃園附近都曾發生過裁彎取直、河勢改變的險象。近20年來該河段主槽淤高了2~3m,灘地淤積很少,灘唇普遍高於窪槽2~3m,形成了更為不利的局面,目前的設計洪水位比1958年及1976年最高洪水位高出3m左右。以此為依據,趙業安等專家預測,一旦發生8000~10000m/s的大洪水,洪水很可能撇彎走直,在顧小莊一桃園之間改道,順著窪槽直沖長清歸德鎮、長清區城區一帶及玉符河右岸睦裏閘一北店子大堤,致使部分灘區發生毀滅性災害,並危及上下遊河段的河勢變化及防洪安全,進而威脅到濟南市新市區的開發。
  筆者進行的清水造床第一組試驗,選用密度略大於1t/m的塑料沙鋪成河床邊界,河床可動性強,易形成遊蕩型小河;只是由於挾沙水流沒有處於超飽和狀態,因此河床未出現嚴重堆積,沒有形成“二級懸河”。第四組試驗與上述第一個組次試驗的水沙及河床邊界條件相同,只是加上了河道整治工程和一些生產堤。試驗結果表明,河道整治工程及生產堤的修建,加快了“二級懸河”的形成速率,同時加重了“懸”的程度。這時小的河槽擺動雖然少了,但又可能不斷孕育著大的擺動、大的災害。
  人們最關註東明、長垣等幾個“二級懸河”局面嚴重的河段是否會出現滾河,所以在兩岸修了不少防護工程。實際上,在中、上遊泥沙尚未得到有效控制的前提下,“二級懸河”的範圍會不斷擴大,程度也會逐漸加重,造成危害的可能性也將加大,引起的災情將越來越重,易出險情特別是易滾河的河段也會增多,例如在東壩頭以上河段也會出現滾河現象。1996年筆者進行花園口一東壩頭河段小浪底水庫正常運用後的河勢變化預報試驗時,曾采用了包括高含沙水流過程的水沙系列。模型中花園口河段淤積嚴重,主河高程比老灘還高,試驗中出現過部分水流在雙井工程上首進入支流的不利局面,甚至流量在10000m/s左右時,大河曾從雙井工程下首分流進入原陽高灘,最後全部奪溜滾河。多年前這一試驗結果說明,這一河段的河勢已相當嚴峻。
  “二級懸河”的根治必須同黃土高原的治理及從相關流域調水結合起來,即運用工程手段,改變多沙來源區的侵蝕基準面,攔減泥沙。黃委正大規模修建淤地壩,這是一個機遇。實際上,如果修建“石埂梯田”,也能長期有效地保持水土,中東地區數千年前修築的這類梯田,現在還發揮著作用。20年前筆者曾設想,如能把黃河下遊數萬名修防人員抽調一半到中遊搞水土保持工作,那麽下遊治理的壓力可能自然減輕;體制上的變化,又會促使本來準備堆放在下遊的大量石料上移到黃土高原,減沙入黃效果將會提高,下遊河道的危險局面也將必然改觀。應該承認,如何通過機構調整把節省出的大量人員劃撥到黃河上中遊管理局,大規模建設水土保持工程,專治黃河多沙這個癥結,也是值得研究的。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com   4黃河下遊寬河道邊界應有新的布局
  談“二級懸河”成因時,涉及寬河段這個邊界條件。寬河段內廣大的灘區,既是行洪區,又是灘區181萬群眾生活生產的家園,同時也為“二級懸河”的形成提供了空間。鑒於灘區民眾完全遷出和完全破除生產堤既不現實,也沒必要,並且水沙條件難以在短時間內有根本改善,因此“二級懸河”的治理措施必須在改善寬河道邊界條件上做文章。
  黃河下遊河道治理的圖形應該與未來洪水相適應,目前大堤堤距太寬,但又不可能廢棄,因此在大堤上還要有目的地修建防護工程,確保萬無一失。兩岸大堤相當於歷史上的遙堤,應成為後方防線;生產堤需要在原基礎上對易受主流頂沖部位加以改造,同時使兩岸生產堤保持必要的行洪、滯洪寬度。新的生產堤與控導工程相結合,與行洪相適應,可減小生產堤被沖決的可能性,因而該堤一般不需要裹護,而且在有些地方還要預留分洪口,讓洪水上灘,以便在滯洪的同時不斷淤灘。控導工程與生產堤共同構成了第一道防線,生產堤實際上相當於歷史上的縷堤,堤距5km左右,已給大洪水留有足夠的空間。由於有控導工程約束河勢,因此第一道防線的安全性是歷史上的縷堤難以相比的。
  因控導工程需要經常防護,故在大堤與控導工程之間需要修路。若將該路的修建標準提高一些,迎水面加以護坡,或在路兩旁特別是上遊種植一些與水流相適應的灌木,同李殿魁設想的“軟約束”類似,這種可用於防汛搶險的路相當於歷史上的格堤。灘上的村莊與大堤連接的地方也要修建起格堤作用的道路。有了格堤後就可以有計劃地淤灘治灘,遇到超標準洪水時又可分洪、滯洪,使各方面運作的空間增大。
  灘地的居民完全搬到黃河大堤以外給國家造成的壓力巨大,而且會給群眾的生產生活帶來新的問題,可行性較差。在這種情況下,應從新的管理體制或模式上下工夫,走可持續發展的道路。例如村臺建設,不能不斷改建,房屋建築應制訂出“與時俱進”的方案,創造出適應灘面不斷淤高的新結構,要研究出專門的框架結構的房屋,一方面可不斷加高,另一方面洪水上灘時又可避水。整體來講,要對寬河道平面形態和灘區房屋結構加以改善,使其既能適應流量越來越小的中常洪水,又能在大洪水到來之時確保黃河安瀾和灘區群眾安全,走“彈性治河”之路。
  5黃河口治理可采取“輸,挖、分"並舉的方案
  對黃河口治理方案應加強研究,筆者認為要圍繞3個字做文章,即“輸”、“挖”、“分”。
  (1)“輸”,就是束水攻沙,輸沙人海。首先要加強河道整治工程建設,這樣可起到束水攻沙的作用,同時要認識到,黃河河口地區來水有限且不斷減少,如果不強調借用河口海洋動力,河口會不斷延伸、擺動。李殿魁提出的“三約束”理論,特別是巧用海洋動力這一點,對黃河口治理十分重要。數學模型計算發現,人海後泥沙迅速淤積且主要堆積在海岸兩側,只有充分利用河口海洋動力,把剛淤積在近岸的泥沙不斷地掀起並輸運人海,才可能長期保持河口穩定。近海區束水攻沙要靠特殊的工程控導,若按照李殿魁的雙導堤布局思路,以何富榮水力插板技術為依托,也許可以通過科學攻關,找出一個影響攔門沙形成過程和減弱攔門沙的途徑。不難想像,雙導堤深入海內越遠,受海洋動力的作用就越強。
  (2)“挖”,主要是挖沙疏浚。挖沙可以抑制河床擡高,穩定深槽流路,也可以消減攔門沙,甚至降低侵蝕基準面。但是要解決堆沙空間,並選出好的挖沙措施。目前河口地區有大量的平原水庫,既然建有平原水庫,那麽在兩岸就可以建平原沙庫,利用這個空間把挖出來的泥沙儲存起來。挖沙疏浚措施中應首選水力沖填的方法,再結合山東黃河河務局研制成功的“匯流集漿器組合系統”,就可遠距離輸送高含沙水流,這種方案不僅輸沙效率高,而且對生態環境的影響較小。同時,把泥沙輸送到兩岸平原沙庫中,相對提高了地面高程,土地鹽堿化程度可隨之減輕;細顆粒泥沙的增加,也增強了土壤肥力,對當地農業發展有實際意義。
  (3)“分”,就是分洪。多年的河口治理實踐表明,黃河可以保持獨流人海的局面,但對於稀遇洪水,應利用原釣口河流路進行分洪,解決防洪和其他相關問題。目前西河口10000m/s流量相應水位不超過12m,但該標準是在當時的特定歷史條件下給出的,目前來看,其約束條件並不十分確切、科學。實際上,出現10000m/s洪水流量的幾率很小,且通過分洪(而不是改道)的途徑同樣能滿足西河口相應水位不超過12m的要求。
  另外,科學攻關必須依靠科學的手段,因此建議黃河河口大模型試驗應及早建設實施。西方發達國家120年前就開展了不少河口治理的模型試驗,世界上最早的水工模型就是河口模型,正是由於西方國家河口治理模型等的興建,才促進了現代水利科技的快速發展。而今在長江、珠江、錢塘江等河流上都做了河口模型試驗,黃河口是最復雜的河口,其治理方案更應且必須經過模型試驗論證。
  以現在的眼光看西方國家當年的河口模型試驗,雖然模擬泥沙運動的水平不高,但仍有重要的工程實際意義。黃河口盡管屬弱潮河口,但漲潮期和落潮期的潮流路徑差異很大,這就大大增加了試驗技術的難度。更何況有關潮汐、余流、波浪等基本概念,人們還存在很大的分歧,再加上有大量泥沙的參與,問題更為復雜,其模型試驗難度自然很大。應該承認,無論模擬哪條河的河口,在相似理論上都不成熟,黃河口模型試驗越是不成熟,就越要盡早研究,盡早實施。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
下载论文

論文《試論未來黃河下遊治理的主要對策》其它版本

水利工程論文服務

網站聲明 | 聯系我們 | 網站地圖 | 論文下載地址 | 代寫論文 | 作者搜索 | 英文版 | 手機版 CopyRight@2008 - 2017 免費論文下載中心 京ICP备17062730号