新時期黃河小北干流河道整治方法研究

劉楊 王建利 楊航

摘 要：近年來，黃河小北干流主流河勢游蕩多變，灘槽水沙交換不暢，灘岸坍塌及河段生態(tài)環(huán)境等問題依然突出。為了更好解決這些問題，促進黃河小北干流河段的生態(tài)保護和高質量發(fā)展，提出了系統(tǒng)性的黃河小北干流河道整治方法。該河道整治方法主要由河道形態(tài)變化分析、工程布局及河道整治標準研究、回淤口工程布置及優(yōu)化研究、生態(tài)補償研究4個部分組成;采用“就岸防護”與“平行治導控制線”的方式修建河道整治工程，由被動防護轉變?yōu)橹鲃臃烙_到歸順河勢、限制主流游蕩多變的目的;通過降低河道整治工程高程和優(yōu)化回淤口布局改善灘槽水沙交換不暢的問題;最后創(chuàng)新性地提出生態(tài)鳥島的概念，為改善淺灘濕地生態(tài)環(huán)境、促進黃河小北干流生態(tài)健康發(fā)展提供新的治理思路。

關鍵詞：生態(tài)保護和高質量發(fā)展;河道整治;水沙交換;回淤口優(yōu)化;黃河小北干流

中圖分類號：TV85;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.012

引用格式：劉楊，王建利，楊航.新時期黃河小北干流河道整治方法研究[J].人民黃河，2021，43（9）：64-69.

Study on River Regulation Methods of Xiaobeiganliu Reach of the Yellow River in the New Era

LIU Yang， WANG Jianli， YANG Hang

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： In recent years， the main stream regime of the Xiaobeiganliu reach of the Yellow River is wandering and changeable， the water and sediment exchange relationship between the shoal and channel is not smooth， the bank collapse and the ecological environment of the reach are still prominent. In order to solve these problems and promote the ecological protection and keep high-quality development of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River， this paper systematically put forward the river regulation methods of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River. The river regulation method was mainly composed of four parts： analysis of river morphology change， research on engineering layout and river regulation standard， research on layout optimization of silting outlet project and ecological compensation measures. In the river regulation method， the way of “shore protection” and “parallel control line” was adopted to construct the river regulation project， which changed from passive protection to active defense， so as to achieve the goal of conforming to the river regime and limiting the wandering of the mainstream. By reducing the elevation of the river regulation project and optimizing the layout of the silting outlet， the problem of poor water and sediment exchange between the shoal and the channel was improved. Finally， the concept of ecological bird island was put forward innovatively， which provided a new management idea for improving the ecological environment of shoal wetland and promoting the ecological healthy development of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River.

Key words： secological protection and high-quality development; river realignment; water-sediment exchange; optimization of siltation outlet; Xiaobeiganliu reach of Yellow River

黃河小北干流系中游禹門口至潼關河段，為晉、陜兩省的天然界河，河段全長132.5 km。該段黃河河道寬淺，水流散亂，泥沙大量淤積，主流游蕩多變，歷史上素有“三十年河東，三十年河西”之說，屬淤積性游蕩型河道。此外，黃河小北干流北接晉陜峽谷，南臨三門峽河谷，是黃河進入下游河段前最后一段寬河道河段，其自然滯洪沉沙作用明顯，是黃河干流利用灘區(qū)落淤處理泥沙的重要河段;同時小北干流河段涉及2處省級自然保護區(qū)、2處國家級風景名勝區(qū)以及3處國家級水產種質資源保護區(qū)，生態(tài)環(huán)境地位突出。

20世紀80年代，小北干流開始進入規(guī)范統(tǒng)一的河道治理時期，修建了大量河道整治工程[1]。近期《黃河禹門口至潼關河段近期治理工程可行性研究報告》中的治理工程實施完成后，兩岸已有河道整治工程36處，工程長度166.244 km，壩垛1 066道。這些河道整治工程的實施使河勢變化趨緩，游蕩范圍得到控制，但近年來依然存在河勢游蕩多變、灘槽水沙交換不暢、灘岸坍塌及生態(tài)環(huán)境亟須修復等問題，河道整治方法需要進一步優(yōu)化，河段治理效果需要進一步提升。

目前對黃河小北干流治理的研究主要集中在單一的河勢演變分析[2-3]、水沙變化與沖淤分析[4-7]、河道整治措施研究 [8-9]、河流生態(tài)保護研究[10-11]等4個方面，針對系統(tǒng)性的河道整治方法研究較少。此外，黃河小北干流水少沙多，這一基本特征短期內不會發(fā)生較大變化，預示著黃河小北干流的治理是長期且系統(tǒng)性的?，F階段黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為國家重大戰(zhàn)略，在這一背景下，系統(tǒng)地研究既能滿足防止灘岸坍塌、改善流路的工程需求，又利于灘槽水沙交換、發(fā)揮該河段滯洪沉沙的作用，同時不改變黃河與濕地水力聯系的河道整治方法，對促進黃河小北干流的生態(tài)保護和高質量發(fā)展具有重要的現實意義。

1 黃河小北干流河道整治方法框架

通過對黃河小北干流河道治理情況的分析，考慮黃河小北干流河道整治面臨的長期性與系統(tǒng)性特征，在新時期背景下提出黃河小北干流的河道整治方法，見圖1。該方法包含3個層次，分別是理論層、技術層與實踐層。理論層為該河段河道整治方法提供重要的研究基礎和理論支撐。技術層是該方法的核心，主要包含4個部分，分別是河道形態(tài)變化分析、工程布局及河道整治標準研究、回淤口工程布置及優(yōu)化研究和生態(tài)補償研究?；舅悸肥牵菏紫葘S河小北干流的水沙關系與河勢演變進行研究，并分析未來河道的沖淤及形態(tài)變化;其次對河道的整治標準進行研究，確定適應現狀與未來河道變化的整治流量;然后以河道形態(tài)變化與河道整治流量為基礎，考慮生態(tài)保護要求，對河道整治工程布局進行研究，并考慮河段灘槽水沙交換，采取數值模擬方法進行回淤口優(yōu)化布置研究;最后創(chuàng)新性提出適宜小北干流的生態(tài)保護措施。實踐層是通過技術層的治理措施，使小北干流達到防止灘岸坍塌、改善河段河勢、優(yōu)化灘槽水沙交換、促進河道生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的目的。

2 整治方法分析

2.1 河道形態(tài)變化分析

黃河小北干流的形態(tài)變化受上游來水來沙及河道邊界條件的影響較大[5-6]。近年來，隨著黃河小北干流水沙條件的變化及河道整治工程的實施，河道沖淤及河勢特性發(fā)生了一定變化。這些變化對黃河小北干流的河道整治思路及整治方法有較大影響，深入研究黃河小北干流的河道形態(tài)變化，對分析黃河小北干流河道整治措施具有十分重要的意義。

2.1.1 沖淤變化分析

三門峽水庫建成后經歷了不同的運行時期，分別為蓄水攔沙、滯洪排沙和蓄清排渾3個運用期。受三門峽水庫不同運行方式及河段水沙變化的影響，黃河小北干流的河道沖淤在不同時段存在一定的差異性，見圖2。

如圖2所示，本次沖淤分析研究范圍為沖淤斷面C41—C68。根據實測斷面資料統(tǒng)計，1960—1962年蓄水攔沙運用期內全河段淤積量為3.1億m3;1962—1973年滯洪排沙運用期內全河段淤積量為14.8億m3;1973—2015年采用蓄清排渾的水庫運用方式，其中1973—1986年河段淤積量為1.1億m3，1986—2002年河段淤積量為6.8億m3，2002—2015年河段全線沖刷，沖刷總量為3.1億m3。

根據實測數據，并結合圖2分析河段沖淤情況。1960—1962年三門峽水庫蓄水攔沙運用，這一時期水庫回水超過潼關，導致潼關高程淤積抬高，小北干流河段開始大量淤積。1962—1973年，為減輕水庫淤積，對水庫進行了兩次改建，但前期淤積較多，又遇到豐水豐沙年份，加上劉家峽水庫1968年投入運用后改變了進入小北干流河段水量的年內分配過程（汛期水量減少，含沙量增加），導致這一時期河段仍以淤積為主。1973—2015年，三門峽水庫開始以蓄清排渾方式運行，河段淤積情況逐步得到控制，其中：1973—1986年河段淤積量明顯減少;1986—2002年龍羊峽與劉家峽水庫的聯合運用，改變了小北干流河段來水的年內分配過程，汛期來水量顯著減小，非汛期水量變化不大，導致其淤積量明顯增加;2002—2015年，受上游降雨量減少、水保措施增加、植被恢復等多方面因素的影響，進入小北干流的水沙都減少較多，這一時期河段呈現沖刷特性[5]。

自三門峽水庫建成以來，黃河小北干流整體上呈淤積狀態(tài)，但隨著上游水沙關系及河道邊界條件的變化，黃河小北干流河道呈現一定的沖刷趨勢。

2.1.2 河勢演變分析

按照河道特性，黃河小北干流分為上、中、下三段，上段為禹門口至廟前河段，中段為廟前至夾馬口河段，下段為夾馬口至潼關河段。經過《黃河禹門口至潼關河段近期治理可行性研究報告》和《黃河禹門口至潼關河段近期治理工程可行性研究報告》中兩期系統(tǒng)治理，中段與下段的流路整體較為穩(wěn)定，水流基本被控制在治導控制線內，因此主要對河勢變化較大的禹門口至廟前河段進行河勢分析。

河勢的演變過程主要受到上游來水來沙及河道邊界條件因素的影響。20世紀60年代，從來水條件看，汛期平均水量達到216億m3，為長序列的1.7倍，水量偏豐，這一時期黃河主流出禹門口以后沿左岸天然節(jié)點大石嘴、小石嘴下行至汾河入匯口，而后沿左岸下行至廟前;20世紀70年代初，汛期平均來水量為110億m3，水量偏枯，隨著小石嘴工程和汾河口工程相繼修建，黃河主流出禹門口后受到小石嘴工程和汾河口工程限制，導向右岸，自史代行河至南謝后又導向左岸下行至廟前;到20世紀80年代初，汛前水量平均維持在170億m3左右，行河流路基本居中偏左。而后至20世紀80年代末，汛期平均水量達到174億m3，主流出禹門口后沿橋南下行至下峪口，然后導向左岸，居中行河至廟前，主流基本控制在治導控制線內;20世紀90年代以來，小北干流整體來水偏枯，汛期平均水量僅為78.2億m3，河勢整體右擺，偏離了治導控制線。根據上述分析，禹門口至廟前河段存在大中水時主流靠左岸、小水時主流靠右岸的特點，同時小石嘴工程和汾河口工程的修建有效地限制了主流的擺動范圍。

2.2 整治工程布局方案研究

近年來，黃河小北干流河段的來水來沙量減少較多，結合禹門口至廟前河段的河勢變化規(guī)律，即大中水主流靠左岸、小水主流靠右岸的特點，從穩(wěn)定主流、縮小擺動范圍的目標出發(fā)對該河段進行工程布局。在禹門口至廟前河段修建下峪口下延工程和西范下延工程，治理工程實施后，下峪口下延工程可將主流挑向左岸的西范下延工程，由西范下延工程導向南謝工程，而南謝上延及下延工程也可順利將主流過渡至對岸廟前工程。工程的實施，順應了上游水沙變化規(guī)律，也可以使河勢得到更有效的控制，流路也更加歸順。

目前，黃河小北干流的工程布局有兩種方式，一種是平行治導控制線修建工程，另一種是采用就岸防護的方式。平行治導控制線修建工程可在防治高岸、灘地坍塌的同時有利于穩(wěn)定河勢，減緩主流游蕩多變的形勢，有利于灘區(qū)土地利用，經濟效益明顯，但在現狀河勢與治導控制線偏離較大的河段，控制性工程的建設有可能對現狀河勢有較大影響。采用就岸防護的方式，工程措施目的明確，可有效防止堤防、灘地沖刷，不需進行方案比選及論證，但是無控導河勢的作用，在洪水搶險時沒有預見性，屬被動搶險。

根據黃河小北干流河段在黃河治理中的功能定位，從河勢控制、滯洪沉沙、生態(tài)保護、社會穩(wěn)定等方面綜合分析，結合實際采用就岸防護與沿治導控制線布置相結合的方式進行工程布局。在河勢與治導控制線吻合較好的河段，沿治導控制線平行布置;若現狀河岸距高岸較近或緊靠高岸，亦可采取就岸防護形式。

2.3 河道整治標準研究

小北干流河段治理要處理好塌岸防治與該河段滯洪沉沙作用的關系，從利于小北干流灘槽水沙交換的角度出發(fā)，對布局的河道整治工程標準進行研究，主要包含工程整治流量研究及工程設計標準分析。

2.3.1 整治流量研究

在實際應用中，中水整治流量常采用造床流量。本次主要研究小北干流段的造床流量，分別采用馬卡維耶夫法、經驗公式法計算，并分析小北干流平灘流量變化情況后綜合確定。

（1）馬卡維耶夫法。造床流量包括造床強度和歷時，造床強度與水流輸沙率有關，而輸沙率與Qm及比降J的乘積成正比，歷時可用流量出現的頻率P表示。QmJP最大值對應流量即造床流量，故此法稱為最大輸沙率法。計算公式為

Q=QmJP（1）

式中：Q為各級流量的平均值，m3/s;J為各級流量的相應比降;P為各級流量出現的頻率;m由實測資料確定，本文取1.8。

龍門站為該河段的入口站，考慮支流汾河的匯入，流量數據采用龍門流量與河津流量之和。汛期多年平均流量采用兩個序列：①實測序列1986—1997年汛期的多年平均流量;②考慮龍羊峽與劉家峽等水庫的調節(jié)運用，對1919—1988年序列進行供需平衡計算，得出龍門及河津的汛期流量。實測序列和設計序列分析計算的造床流量均為2 000～3 000 m3/s。

（2）經驗公式法。黃河水利科學研究院研究認為，平灘流量Q平與多年汛期平均流量Q汛有關，得出以下公式：

Q造=7.7 Q汛0.85+90Q汛0.33（2）

式中：Q造為造床流量，m3/s。

利用平灘流量經驗公式計算造床流量所采用的序列仍然采用馬卡維耶夫法中的序列。經計算，實測和設計序列計算的造床流量分別為3 230 m3/s和4 090 m3/s。

（3）小北干流平灘流量變化分析。小北干流的平灘流量與河道沖淤情況和上游水沙條件密切相關，根據以上對河道形態(tài)變化的分析，結合實測流量資料對不同時期的平灘流量進行分析。

20世紀60年代小北干流水量偏豐且汛期大流量級洪水持續(xù)時間長，平灘流量在大流量級洪水作用下維持在6 000 m3/s以上;20世紀70年代三門峽水庫采用蓄清排渾方式以來，小北干流整體上為淤積狀態(tài)，到20世紀90年代平灘流量減小為4 000 m3/s左右，到2003年平灘流量已經減小為2 600 m3/s左右;2003年以后上游來沙量減少較為明顯，水流含沙量降低，小北干流出現沖刷趨勢，到2018年河段平灘流量增大至4 000 m3/s左右。

小北干流河段來水來沙變化比較大，形成的造床流量變化也比較大，按照上述分析計算的造床流量的范圍為2 000～4 000 m3/s。根據實測序列和設計序列各流量級出現的天數及來水來沙量綜合比較，造床流量為4 000 m3/s較為合適。

2.3.2 工程設計標準分析

本研究的工程布局范圍為禹門口至廟前河段。通常情況下控導工程的壩頂高程按整治流量相應水位或灘面高程加安全超高確定。目前，該河段控導工程標準較高，頂部高程明顯高于灘面，發(fā)生超標準洪水時難以漫頂，影響灘槽之間的水沙交換，長距離工程處往往出現臨背懸差，工程背河側易形成鹽堿土地。為了使灘槽水沙交換過程更加順暢，保障臨、背河側的生態(tài)健康，需要在設計允許范圍內盡可能降低控導工程的堤頂高程，并合理布置長距離的河道整治工程，在相鄰河道整治工程連接處設置回淤口。

2.4 回淤口工程布置優(yōu)化研究

為更好地說明回淤口布置形式及回淤口寬度布局的合理性和科學性，基于MIKE21模型對不同回淤口的水力過程進行數值模擬?？刂品匠滩捎糜邢摅w積法離散，空間項按照近似黎曼間斷問題求解，時變項采用顯格式求解。計算模型范圍為小北干流禹門口至黃淤C62斷面（廟前），模型計算采用三角形網格，對于模型范圍內地形變化大、邊界復雜及高出地面0.5 m的線狀物沿線兩側的區(qū)域，網格適當加密。

2.4.1 回淤口工程布置形式優(yōu)化

為了比較河道整治工程不同布置形式以及回淤口不同寬度對灘槽水沙交換、河勢等的影響，針對不同工程布置形式設置了3個計算方案，見表1。

方案一僅考慮現狀河道整治工程影響，還未規(guī)劃下峪口下延工程，見圖3。方案二在考慮現狀河道整治工程的同時，規(guī)劃新建的下峪口工程和西范工程沿治導控制線布設，見圖4。方案三在考慮現狀河道整治工程的同時，規(guī)劃新建的下峪口工程和西范工程按斜壩布設，見圖5。3個方案入口站為龍門站，出口為黃淤C62斷面。漫灘洪水量級選取5 000 m3/s，采用1967年實測洪水作為設計洪水，洪峰流量為5 150 m3/s。

各方案規(guī)劃的下峪口工程處的流場見圖3～圖5，可以看出，與無規(guī)劃工程方案（方案一）對比，下峪口工程順治導控制線布設方案（方案二）和斜壩方案（方案三）洪水均可以從工程空檔處漫上灘地，不影響灘

槽水沙交換。方案二下峪口工程附近流速大部分在0.3～0.4 m/s之間，最大流速達到0.6 m/s左右;方案三下峪口工程附近流速大部分在0.4～0.5 m/s之間，最大流速達到0.6 m/s左右;方案二灘地平均流速小于方案三的，更有利于滯洪沉沙。與方案二對比，方案三規(guī)劃的工程布置線與主流夾角較大，挑流作用明顯。西范工程順治導線布設方案與斜壩方案的水動力模擬結果與下峪口工程相似。

綜合分析，方案二和方案三均不影響灘槽水沙交換，方案二灘地平均流速小于方案三的，更有利于滯洪沉沙，方案二順治導控制線布設，對河勢影響較小，因此該河段的河道整治工程順治導控制線布設方案更為合理。

2.4.2 回淤口寬度優(yōu)化

針對不同回淤口寬度對灘槽水沙交換、河勢等造成的影響進行分析，設置了兩個對比方案，即下峪口工程和西范工程回淤口設置間距200 m方案（方案四）和下峪口工程和西范工程回淤口設置間距500 m方案（方案五）。不同方案的流場模擬結果見圖6～圖8。

圖6為下峪口工程處流場（第26 d）。已實施的下峪口工程回淤口寬約200 m，規(guī)劃的下峪口工程回淤口寬約500 m，從流場分布來看，洪水均可以從回淤口漫上灘地，不影響灘槽水沙交換。

圖7為近期已實施的下峪口工程回淤口處流場，回淤口處最大流速為1.1 m/s。圖8為規(guī)劃的下峪口工程回淤口處流場，回淤口處最大流速為0.6 m/s?？梢?，當回淤口寬度達到500 m時，回淤口處流速相對較小，引起局部沖刷的可能性減小，更有利于工程的穩(wěn)定和防洪搶險。西范工程回淤口的流場與下峪口工程相似，即200 m與500 m的回淤口均不影響水沙交換，500 m的回淤口處流速相對較小，引起局部沖刷的可能性減小。

綜合以上分析，方案二與方案五對灘槽水沙交換和工程自身安全更為有利，最終確定最優(yōu)的回淤口布設形式為順治導控制線布設，回淤口寬度為500 m。具體方案為防止塌灘、改善流路作用的控導工程采用沿治導控制線布設壩垛的布置形式，每1 000 m長度的控導工程預留500 m回淤口。

2.5 生態(tài)補償研究

通過對禹門口至廟前河段的整治工程進行整體布局與優(yōu)化，可以有效改善該河段的灘槽水沙交換條件與河勢條件，對保持河道生態(tài)基本功能也具有積極作用。但是部分控導工程背水側原本為淺灘濕地，控導工程建成后背水側受到洪水侵襲的機會減少，使得原洪水漫溢區(qū)內的土地逐漸被開墾為農田。這些淺灘濕地往往是很多水鳥的棲息和覓食地，如果被開墾為農田，就會減少區(qū)域環(huán)境內的種群數量，對鳥類及其他物種的影響較大，因此需要對這些區(qū)域進行保護，使其繼續(xù)發(fā)揮鳥類棲息地的功能，避免被農田取代。

本研究從生態(tài)角度出發(fā)，結合工程的布局優(yōu)化提出了生態(tài)鳥島概念，實施措施與工程示意見圖9、圖10。

黃河小北干流河道范圍內主要是適宜水禽類棲息的草灘和泥灘，但適合猛禽類、鷺類、雀形目等棲息的林地較為缺乏。為此，生態(tài)鳥島給喜歡在喬木上棲息的鳥類提供了更適宜的生境，作為對鳥類的生態(tài)補償。

生態(tài)鳥島主要分為兩部分，分別為濕地圍封子工程和林島建設子工程。其中：濕地圍封子工程將控導工程背水側的淺灘濕地用圍欄圍封起來，避免被墾殖;林島建設子工程在被圍封的區(qū)域內，選擇適當區(qū)域培植林地。由于控導工程有回淤口，洪水期這些區(qū)域依然可能被水淹沒，為避免林地被淹，需要將擬建林地處用土墊高2 m以上，形成島嶼狀。

生態(tài)鳥島的建設符合新時期的治水思路與方針，是貫徹落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展的具體生態(tài)措施，對維護區(qū)域生態(tài)功能、保護物種多樣性有重要的現實意義。

3 結 語

（1）本研究提出了黃河小北干流河道系統(tǒng)性的整治方法。該河道整治方法將河道形態(tài)變化分析、工程布局及河道整治標準研究、回淤口工程布置及優(yōu)化研究、生態(tài)補償研究4個方面相結合，是解決黃河小北干流主流河勢游蕩多變、灘槽水沙交換不暢、灘岸坍塌及河段生態(tài)環(huán)境惡化等問題的重要舉措，是貫徹新時期治黃思路、落實黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展戰(zhàn)略的實踐和創(chuàng)新。

（2）黃河小北干流的河道形態(tài)變化分析結果表明，自三門峽水庫建成運行以后的1960—2002年，黃河小北干流整體上呈淤積狀態(tài);2002—2015年，隨著上游水沙關系及河道邊界條件發(fā)生變化，黃河小北干流河道呈現沖刷趨勢。禹門口至廟前河段的河勢分析結果表明，該河段具有大中水時主流靠左岸、小水時主流靠右岸的河勢變化特點。

（3）根據河道形態(tài)變化特點，對工程治理方案及整治標準進行了研究，創(chuàng)新性地采用了就岸防護與沿治導控制線布置相結合的方式進行河道整治，在河勢與治導控制線吻合較好的河段沿治導控制線平行布置，在現狀河岸距高岸較近河段采取就岸防護形式。經多種方法計算分析比較，河道整治流量采用4 000 m3/s，并提出通過降低河道整治工程頂部高程的方法來改善灘槽水沙交換不暢的問題。

（4）基于MIKE21模型對不同回淤口布置形式及不同回淤口寬度的水力過程進行了數值模擬。模擬結果表明，順治導控制線布設方案與斜壩方案均不影響灘槽水沙交換，但是順治導控制線布設方案的灘地洪水平均流速小于斜壩方案的，更有利于滯洪沉沙;此外，布置200 m與500 m的回淤口均不影響水沙交換，但500 m的回淤口處流速相對較小，引起局部沖刷的可能性更小。因此，回淤口采用順治導控制線的形式布置，回淤口寬度采用500 m。

（5）從生態(tài)角度出發(fā)，結合工程布局提出了生態(tài)鳥島的概念。生態(tài)鳥島主要由濕地圍封子工程和林島建設子工程兩部分構成，生態(tài)鳥島的建設對維護區(qū)域生態(tài)功能、保護物種多樣性有重要的現實意義。

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【責任編輯 許立新】