河南黃河河道整治疏浚研究

李利琴，倪菲菲，周曉麗，李玉娜，張向萍

（1.河南黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.鄭州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450052； 3.鄭州電力高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 鄭州 450000； 4.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

河南黃河西起靈寶市，東至臺(tái)前縣，流經(jīng)三門(mén)峽、洛陽(yáng)、濟(jì)源、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、開(kāi)封、濮陽(yáng)等8 個(gè)省轄市，河道總長(zhǎng)711 km，流域面積3.62 萬(wàn)km2，分別占黃河流域總面積的5.1%、河南省總面積的21.7%。 白鶴以上為山區(qū)河道，長(zhǎng)247 km，河道內(nèi)水庫(kù)攔沙、防洪減淤為第一目標(biāo)；白鶴以下為平原河道，長(zhǎng)464 km，為設(shè)防河段，河道較寬，游蕩多變，歷來(lái)為河道整治的重點(diǎn)。因此，本次河道整治疏浚研究以白鶴以下為重點(diǎn)研究河段。

黃河下游水患?xì)v來(lái)為世人所矚目，洪水災(zāi)害波及范圍廣，一旦出現(xiàn)大的險(xiǎn)情，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失，同時(shí)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。 歷史上，河南黃河“善淤、善決、善徙”，難以治理，一是黃河含沙量高，淤積嚴(yán)重，形成“地上懸河”；二是頻繁決口改道，有“三年兩決口，百年一改道”之稱；三是河勢(shì)擺動(dòng)劇烈，游蕩多變［1］。 人民治黃以來(lái)，按照規(guī)劃治導(dǎo)線設(shè)計(jì)流路布置工程進(jìn)行河道整治，河道整治工程的系統(tǒng)建設(shè)減小了河道的游蕩范圍，提升了防洪能力。 但游蕩性河勢(shì)目前尚未得到有效控制，尤其是白鶴至高村游蕩型河段，局部河段仍存在不利河勢(shì)，洪水威脅大；局部河段主槽過(guò)于窄深，洪水流速大，工程出險(xiǎn)嚴(yán)重。 2021年秋汛期間，在長(zhǎng)歷時(shí)大流量作用下，受主流頂沖、主流沖刷、回流淘刷影響，河南河段工程險(xiǎn)情多發(fā)頻發(fā)。 因此，河南黃河游蕩型河段實(shí)施河道整治疏浚、配合河道整治工程歸順河勢(shì)、減少工程出險(xiǎn)是十分必要的。

1 河道整治存在的問(wèn)題

1.1 游蕩性河勢(shì)尚未得到有效控制

河南黃河河道具有寬、淺、散、亂的特點(diǎn)，主流多變，經(jīng)常發(fā)生“橫河、斜河”，大洪水時(shí)易出現(xiàn)“滾河”，甚至沖決大堤。 盡管已開(kāi)展了系統(tǒng)的河道治理，但是高村以上299 km 長(zhǎng)的寬河段河道游蕩多變的特性依然沒(méi)有改變［2-3］。 高村以上現(xiàn)有控導(dǎo)工程長(zhǎng)度不足，仍難以完全控制枯水、洪水等不同情形的河勢(shì)變化。如2021年秋汛期間，河南河段多處出現(xiàn)河勢(shì)散亂并引發(fā)不同程度的險(xiǎn)情。

小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，黃河下游水流過(guò)程呈現(xiàn)明顯的兩極分化現(xiàn)象。 每年調(diào)水調(diào)沙期保持15 d 左右的洪水過(guò)程，洪水流量一般超過(guò)2 600 m3／s、小于平灘流量，洪水過(guò)程穩(wěn)定。 其他時(shí)段，流量小于1 000 m3／s 的天數(shù)明顯增加，呈現(xiàn)出明顯的短期洪水、長(zhǎng)期枯水的兩極分化特征。 2018年以來(lái)，雖然黃河下游洪水頻次相對(duì)較多，但兩極分化的格局沒(méi)有改變。

1.2 長(zhǎng)歷時(shí)小水流量長(zhǎng)期存在

小浪底水庫(kù)運(yùn)用后小水歷時(shí)延長(zhǎng)，使得小流量對(duì)河勢(shì)變化的影響不可忽視。 黃河下游的河道整治是針對(duì)中水進(jìn)行的，對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)小流量的河勢(shì)演變存在一定的不適應(yīng)性。 在小水的不斷作用下，游蕩型河段部分工程靠溜部位上提、河勢(shì)下挫現(xiàn)象明顯，工程上首塌灘嚴(yán)重或有被抄后路的危險(xiǎn)。

小水流量造床能力較弱，河道不均勻分布的膠泥嘴、黏土層等缺乏大洪水的自然塑造，給長(zhǎng)歷時(shí)小水流量作用下形成畸形河勢(shì)創(chuàng)造了條件，從而造成部分工程脫河、半脫河或出險(xiǎn)。

1.3 洪水風(fēng)險(xiǎn)依然是最大威脅

當(dāng)前，黃河下游的“懸河”局勢(shì)沒(méi)有變，大堤仍存在沖決的風(fēng)險(xiǎn)。 如果洪水從北岸決口，洪水淹沒(méi)區(qū)涉及冀、魯、豫三省，如果洪水從南岸決口，洪水淹沒(méi)區(qū)波及豫、蘇、皖三省，洪泛區(qū)面積可達(dá)12 萬(wàn)km2。 該河段一旦決口，影響范圍大，損失嚴(yán)重，同時(shí)黃淮海平原生態(tài)環(huán)境將遭受?chē)?yán)重破壞，且長(zhǎng)期難以恢復(fù)。 因此，保證黃河大堤安全仍是黃河下游防洪的頭等要?jiǎng)?wù)。 1985年以來(lái)高村以上河段年均發(fā)生“橫河”9 次，河勢(shì)變化仍很劇烈，嚴(yán)重威脅堤防安全。

黃河水利委員會(huì)對(duì)鄭州“7·20”暴雨移植分析演算得出，若暴雨中心西移100 ～200 km，主雨區(qū)將全部進(jìn)入黃河流域，天然情況下花園口將出現(xiàn)洪峰流量為31 800 ～37 300 m3／s的洪水，即便經(jīng)過(guò)上中游水庫(kù)聯(lián)合攔蓄，花園口洪峰流量仍將超過(guò)20 000 m3／s，接近下游千年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，下游發(fā)生大洪水的風(fēng)險(xiǎn)依然存在［4］。 小浪底大壩至花園口區(qū)間為無(wú)工程控制區(qū)，洪水預(yù)見(jiàn)期短；小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動(dòng)力不足，防洪短板突出，對(duì)堤防威脅較大。

2 河道整治疏?？傮w思路

河南黃河河道整治工程體系布局基本完成，然而中水整治工程體系對(duì)長(zhǎng)期小水適應(yīng)性差，工程迎、導(dǎo)、送流能力不能達(dá)到規(guī)劃狀態(tài)，河勢(shì)仍未得到有效控制。近4 a 雖為相對(duì)豐水期，但統(tǒng)計(jì)年均2 000 m3／s 以下流量天數(shù)仍有290 d，1 000 m3／s 以下流量天數(shù)有145 d。 長(zhǎng)歷時(shí)的小流量下，很難靠水流自身力量對(duì)河道進(jìn)行拓寬或者改變不利河勢(shì)，而采取挖河疏浚措施配合河道整治工程能夠起到較理想的效果。

依據(jù)河南黃河河勢(shì)變化特點(diǎn)及窄河段主槽過(guò)流能力特征，針對(duì)2021年秋汛期各河段不利河勢(shì)、河道整治工程出險(xiǎn)情況，窄河段洪水及工程運(yùn)行情況，在現(xiàn)有防洪工程體系及規(guī)劃治導(dǎo)線的基礎(chǔ)上，提出河段疏浚措施。 如馬渡工程河段工程靠河情況較好，但凸岸淤積嚴(yán)重，主槽較窄（見(jiàn)圖1），流速較大，工程出險(xiǎn)較多，且近幾年頻繁出險(xiǎn)，也是2021年秋汛期間出險(xiǎn)嚴(yán)重的工程，壩垛前坍塌嚴(yán)重，因此應(yīng)疏浚馬渡工程河段凸岸，拓寬主槽，減緩流速，減小出險(xiǎn)概率。

圖1 馬渡工程河段2021年汛后河勢(shì)

河道疏浚是歸順河南黃河游蕩型河段不利河勢(shì)的有效手段之一，對(duì)在長(zhǎng)期小水流量過(guò)程條件下改善河勢(shì)、控導(dǎo)主流，有效解決大洪水排洪、小水畸形河勢(shì)發(fā)育的問(wèn)題具有重要作用。 通過(guò)河南黃河河道疏浚，清除局部阻水障礙，改善工程靠河情況，提高控導(dǎo)河勢(shì)能力，歸順河勢(shì)流路；拓寬局部窄河段，提高主槽過(guò)流能力，穩(wěn)定中水河槽，減小工程出險(xiǎn)概率，提高防洪能力，保障防洪安全。

河道整治疏浚也是落實(shí)《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》《黃河流域綜合規(guī)劃》和《黃河流域防洪規(guī)劃》等提出的泥沙綜合處理方略的有效措施之一［5-6］。

疏浚區(qū)域劃定主要考慮兩點(diǎn)：一是以規(guī)劃治導(dǎo)線為邊緣控制線；二是因勢(shì)利導(dǎo)開(kāi)展疏浚，歸順河勢(shì)流路。 以布置逯村疏浚區(qū)為例（見(jiàn)圖2），在規(guī)劃治導(dǎo)線范圍內(nèi)，結(jié)合現(xiàn)狀河勢(shì)劃定疏浚區(qū)域（紅色實(shí)線范圍），人工疏浚部分區(qū)域（綠色虛線范圍），與水流自然沖淤相結(jié)合，最終達(dá)到疏浚全部區(qū)域、調(diào)整不利河勢(shì)的目的。

圖2 疏浚區(qū)劃定示意（逯村）

3 河道整治疏浚方案

3.1 疏浚河段選擇

疏浚河段應(yīng)在分析河南黃河河勢(shì)變化及工程險(xiǎn)情特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)疏浚實(shí)施條件等經(jīng)綜合分析后確定。 重點(diǎn)選擇河勢(shì)變化復(fù)雜、難以通過(guò)自然調(diào)整實(shí)現(xiàn)河勢(shì)歸順的河段，主槽變窄、過(guò)流能力較小、易產(chǎn)生險(xiǎn)情的河段，畸形河勢(shì)、橫河、斜河產(chǎn)生且工程險(xiǎn)情頻發(fā)的河段。

全面梳理河南黃河游蕩型河段控導(dǎo)工程靠河情況差等不利河勢(shì)河段，如逯村工程河段、老田庵工程河段、保合寨工程河段、三合村河段等常年不靠河，工程難以發(fā)揮自身的控導(dǎo)河勢(shì)作用；局部較窄及工程出險(xiǎn)嚴(yán)重的河段，如馬渡工程河段、黑崗口工程河段和夾河灘工程河段等，主槽窄深導(dǎo)致工程前流速變大而易出險(xiǎn)；主流分叉、河心灘分布較多的不利河勢(shì)河段，如蔡集工程河段等，主流南北兩股交替，河勢(shì)不穩(wěn)定，造成防洪壓力大。 根據(jù)情況分析確定河南黃河游蕩型河段鐵謝—花園鎮(zhèn)河段、駕部—棗樹(shù)溝河段、桃花峪—馬莊河段、馬渡工程河段、黑崗口—大宮河段、夾河灘工程河段、蔡集工程河段和三合村—青莊河段需要實(shí)施疏浚，共計(jì)8 個(gè)疏浚河段（見(jiàn)圖3）。

圖3 疏浚河段位置示意

3.2 疏浚區(qū)平面布置

結(jié)合疏浚河段河道基本特性、河道演變情況以及疏浚作用，確定其疏浚平面布置原則如下：遵循河道演變規(guī)律，以規(guī)劃治導(dǎo)線為邊緣控制線，且距離防洪工程不少于50 m。 結(jié)合現(xiàn)有河道整治方案及工程布局體系，因勢(shì)利導(dǎo)，使主流向相對(duì)較好的流路方向進(jìn)行疏浚布置。

為保證疏浚河槽寬度與上下游河槽寬度基本保持一致，分析測(cè)算疏浚斷面上下游的河槽寬度。 根據(jù)2019—2021年疏浚斷面上下游實(shí)測(cè)河道大斷面資料分析，疏浚河段上下游現(xiàn)狀河道主槽寬度一般為500～700 m。 結(jié)合現(xiàn)狀河勢(shì)，疏浚河段疏浚后河槽寬度應(yīng)達(dá)到500～700 m，與上下游有效銜接，因勢(shì)利導(dǎo)，逐步調(diào)整河勢(shì)流路。

3.3 疏?？刂聘叱?/h3>

疏浚控制高程采用疏浚河段河道比降法和深泓點(diǎn)控制原則確定。 根據(jù)2021年河南黃河控導(dǎo)工程水尺資料，推求游蕩型河段4 000 m3／s 流量水面線；根據(jù)2021年汛后河道實(shí)測(cè)地形資料，將疏浚區(qū)域上下游深泓點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)水面線概化河床底部高程線。疏浚河段概化后河底比降為0.02%～0.014%，為保證疏浚后河道斷面與上下游之間能夠平順連接，將概化后的河底高程作為疏浚底部控制高程。

綜合考慮河道比降法和深泓點(diǎn)控制，在河道比降法的基礎(chǔ)上，以不超過(guò)所在斷面深泓點(diǎn)控制，結(jié)合疏浚區(qū)灘面平均高程，確定疏浚平均深度。 以逯村疏浚河段為例，根據(jù)水面線概化河床底部高程線，疏浚區(qū)所在范圍概化河底高程范圍為103.73 ～106.83 m，疏浚區(qū)深泓點(diǎn)高程范圍為101.72～104.82 m，概化河底高程高于深泓點(diǎn)高程，最終采用概化河底高程范圍103.73 ～106.83 m，折算得到疏浚區(qū)控制河底平均高程為105.28 m。根據(jù)地形資料，逯村疏浚區(qū)灘面平均高程為114.00 m，因此疏浚平均深度為8.72 m。

3.4 疏浚實(shí)施的有利條件

黃河在白鶴進(jìn)入平原河道后，河道變寬，流速變小，歷史上淤積嚴(yán)重。 小浪底水庫(kù)運(yùn)用后，受水庫(kù)攔沙和調(diào)水調(diào)沙影響，下游河道發(fā)生了持續(xù)沖刷，河道內(nèi)淤積的泥沙減小。

一方面，現(xiàn)有來(lái)沙條件下實(shí)施河道疏浚能夠起到好的作用。 小浪底水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，由于小浪底水庫(kù)發(fā)揮攔沙作用和中游水土保持措施發(fā)揮作用，因此進(jìn)入下游的沙量大幅減少，年均沙量約1.15 億t，僅為1950年以來(lái)長(zhǎng)序列多年平均沙量11.72 億t 的9.8%。下游來(lái)沙量的驟減，為河道疏浚起到好的實(shí)施效果提供了有利條件，疏浚后不易回淤，疏浚效果能夠維持。

另一方面，已實(shí)施的泥沙利用工程為實(shí)施河道疏浚提供了施工經(jīng)驗(yàn)。 黃河河南段已經(jīng)開(kāi)展了大規(guī)模的放淤固堤，總長(zhǎng)度達(dá)到了475 km，淤區(qū)面積4 418.67 hm2，采用船淤、泵淤，將主槽、灘地的泥沙抽至背河，挖放結(jié)合，減輕淤積，加固堤防［7］。 2003年，在黃河濮陽(yáng)段開(kāi)展了二級(jí)懸河治理試驗(yàn)，疏浚河槽長(zhǎng)5.2 km，疏?？偭窟_(dá)到 200 萬(wàn) m3［8］。 2005年，針對(duì)開(kāi)封王庵畸形河灣實(shí)施切灘導(dǎo)流，成功調(diào)整了河勢(shì)，保障了防洪安全［9-10］。 大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為河道整治疏浚的實(shí)施提供了工程技術(shù)及施工借鑒。

4 疏浚實(shí)施作用分析

4.1 增加靠河長(zhǎng)度，發(fā)揮工程控導(dǎo)河勢(shì)作用

現(xiàn)狀靠河情況比較差的控導(dǎo)工程難以發(fā)揮自身作用，通過(guò)實(shí)施疏浚，解決工程常年不靠河或靠河不穩(wěn)的問(wèn)題，增加工程靠河比和長(zhǎng)度（見(jiàn)表1），發(fā)揮工程的迎流、導(dǎo)流、送流能力，調(diào)整河勢(shì)。 如逯村（見(jiàn)圖2）、駕部、老田庵、保合寨、馬莊、三合村等工程河段。

表1 疏浚增加工程靠河情況

4.2 拓寬窄河段，緩解主流頂沖險(xiǎn)情

通過(guò)疏浚拓寬工程前急劇縮窄的行洪斷面，使工程河段達(dá)到或接近上下游河道寬度，減小工程前流速，調(diào)整著溜部位，減輕工程沖刷，增強(qiáng)主槽過(guò)洪能力（見(jiàn)表2），緩解主槽斷面局部過(guò)窄、工程頻繁出險(xiǎn)的不利局面。 如馬渡（見(jiàn)圖4）、黑崗口、柳園口、大宮、夾河灘工程河段。

圖4 典型疏浚位置（馬渡）

表2 疏浚拓寬主河槽

4.3 平順入流，緩解主流頂沖險(xiǎn)情

對(duì)于入流角度較大、主流直沖工程的河段，通過(guò)疏浚減小主流在工程前的入流角度（見(jiàn)表3），改善入流條件，達(dá)到入流平順，減輕主流直接頂沖帶來(lái)的工程出險(xiǎn)壓力，如棗樹(shù)溝（見(jiàn)圖5）、桃花峪工程河段。

表3 疏浚調(diào)整入流角度

圖5 典型疏浚位置（棗樹(shù)溝）

4.4 強(qiáng)干弱支，提高規(guī)劃主河槽過(guò)流能力

蔡集工程前出現(xiàn)大面積河心灘，主流分叉交替，河勢(shì)散亂，給工程帶來(lái)較大防洪壓力，通過(guò)疏浚，強(qiáng)干弱支，提高規(guī)劃流路內(nèi)主槽過(guò)流比，調(diào)整河勢(shì)，逐步將主流穩(wěn)定在規(guī)劃流路內(nèi)，減輕工程防洪壓力（見(jiàn)圖6）。

圖6 典型疏浚位置（蔡集）

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）實(shí)施疏浚是河南黃河河道整治工程措施的有機(jī)補(bǔ)充；制定疏浚原則，結(jié)合河勢(shì)分析和工程出險(xiǎn)資料，選擇疏浚河段。

（2）根據(jù)不同疏浚河段的河勢(shì)情況，分析確定疏浚區(qū)平面布置；根據(jù)4 000 m3／s 流量水面線概化疏浚河段比降，對(duì)比疏浚河段斷面深泓點(diǎn)，綜合確定疏?？刂聘叱?。

（3）通過(guò)疏浚，達(dá)到增加工程靠河長(zhǎng)度、拓寬窄河段、平順入流的目的，調(diào)整改善不利河勢(shì)，減少工程出險(xiǎn)，保障防洪安全。