胡一三

(水利部黃河水利委員會 鄭州 450003)

1 河道概況

黃河寧蒙河段位于黃河上游的下段,自寧夏中衛(wèi)縣南長灘至內蒙古淮格爾旗馬柵鄉(xiāng),穿過25個縣 (市、旗、區(qū)),長1203.8km,其中峽谷段長239.8km,庫區(qū)段長94.5km,平原河段長869.5km。

兩岸有著名的衛(wèi)寧、青銅峽、內蒙古河套和土默特川灌區(qū),兩岸有效灌溉面積1145萬畝。堤防保護范圍內有耕地1175萬畝,人口354.6萬人,還有重要的引水灌溉工程、公路和鐵路交通工程、高壓輸電和光纜通信設施、鋼鐵稀土等工礦企業(yè),河段防洪安全關系西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施的進程。各河段的特性見表1。

表1 黃河寧夏內蒙古河段河道特性表

2 河道整治歷程

黃河寧蒙河套平原是黃河流域開發(fā)較早的地區(qū)之一,引黃灌溉尤為發(fā)達。為了防止水害,歷史上曾多次采取塌那護那的辦法修建一些防護工程,防止塌失家園、耕地,保護渠首。5世紀就利用草土混合修筑攔水土壩,以后發(fā)展為草土護岸和草土逼水碼頭。明代天啟年間(1621～1627),采用以石料筑丁壩挑流與順壩護岸相結合的方法也收到了好的效果。清康熙四十八年(1709年),用柳囤內裝卵石柴草修筑渠首工程。1933～1943年沿河主要縣設河工處,專事防洪治河之事,表明已經較為普遍的修建了防護工程。

寧蒙河段有計劃地進行河道整治從20世紀90年代后半期開始,采用微彎型整治方案,逐步修建河道整治工程,少部分河段已初步穩(wěn)定河勢,在防洪保安全和利于引黃供水方面發(fā)揮了作用。河道整治工程主要包括險工和控導工程。險工是指沿堤防修建的丁壩、垛、護岸工程,控導工程是指在灘地適當部位修建的丁壩、垛、護岸工程,控導工程與險工相配合,達到穩(wěn)定河勢的目的。

1998年前寧蒙河段僅有河道整治工程113處,壩垛1133道,且多為險工。1998年長江大水后,投資增加,加快了治理進度,至2007年底,共有河道整治工程142處,壩垛2195道,工程長度170.010km。

3 河道整治方案

3.1 河勢變化

從控導河勢的角度進行河道整治晚,工程少,河道整治工程的長度僅為河道長度的1/5左右,河勢變化的幅度很大。

⑴石咀以上河段。劉家水庫運用以來,河岸變化較大,仁存渡以上河岸相對變窄;仁存渡以下河岸展寬,1969年河岸寬500m～700m,1979年展寬至1200m～2700m。據(jù)1979、1989、1993年大斷面套繪,仁存渡以上工程較多且為卵石河床,主流擺動范圍為100m～600m;仁存渡以下主流擺動頻繁,擺幅為300m～1500m。

⑵石嘴山以下河段。三盛公樞紐--三湖河口河段,河勢變化快,主流擺動幅度大。歷史上在后套平原一帶,河道大幅度擺動、遷徙,幅度可達50～60km,從遺跡看,古河道以順直型和微彎型為主。對照1994年和2004年河勢圖,黃淤1#～10#斷面,主流擺動大的有3處,擺幅達3km;黃淤10#～24#斷面,由1994年的寬淺散亂演變到出現(xiàn)數(shù)十個小河彎,這是小水坐彎所致;黃淤24#～38#斷面,主流多擺動,但幅度小于1#～10#斷面間的擺動幅度。

三湖河口--昭君墳河段,有大的孔兌匯入,暴雨洪水后,挾帶的泥沙有時會淤堵黃河主槽。2004年與1994年相比,黃游39#～48#斷面主流擺動范圍2000m左右;黃淤48#～68#斷面擺幅減小。

昭君墳以下為彎曲性河道,河勢變化多表現(xiàn)為靠流部位的上提下挫,主流多在1500m范圍內變化,孔兌入口處擺幅大,一般在2000m以內。

上述僅是20年內首尾2次河勢的比較,在此20年間河勢的游蕩擺動范圍要大于上述數(shù)值,一些河段還會明顯大于上述擺動幅度。

3.2 河道整治的必要性

在河勢演變的過程中,水流沖刷堤防時就需要搶險,當搶護的速度趕不上坍塌的速度時,就發(fā)生決口。寧蒙河段是凌汛嚴重的河段。多年的觀測和研究表明,寬淺河道及畸形河彎易于卡冰結壩,需要通過河道整治,改善寬淺散亂河勢,增加水深,防止畸形河彎,減少卡冰結壩,以利排凌。歷史上洪災頻繁,近幾十年來也常有發(fā)生。如:1981年寧夏中寧田家灘、吳忠陳袁灘、中衛(wèi)劉莊及申灘堤防決口,內蒙古9段堤防決口;1993年2月烏拉特前旗金星鄉(xiāng)白土圪卜段(166+850決口,12月磴口縣南套子段(3+300)決口;1994年3月烏拉特前旗西柳匠段決口,3月達拉特旗烏蘭段蒲圪卜堤防(271+400)決口;1996年3月達拉特旗烏蘭鄉(xiāng)新林場段(260+500)決口,3月達拉特旗解放灘二亮子圪旦決口;1998年3月包頭土默特右旗團結渠口以上斷堤50m;2003年9月烏拉特前旗大河灣段(245+500)決口;2008年3月20日杭錦旗獨貴特拉奎素段2處(193+900及196+255)決口;等等。

主流擺動會沖毀取水口,或遠離取水口造成引水困難甚至不能引水;河勢大幅度變化會坍塌兩岸灘地;既使主流在河道內擺動也會影響跨河橋梁的安全。

因此,在寧蒙河段為保證防洪防凌安全,有利灌溉供水,保護灘地,有利交通設施安全,必須有計劃地進行河道整治,穩(wěn)定主流,控導河勢。

3.3 黃河下游河道整治的發(fā)展歷程

歷史上黃河下游曾修建過大量的防護工程,這些工程為沿堤修建的險工。

1949年汛期,在濟南以下的彎曲性河段,由于河勢變化,有40余處險工發(fā)生嚴重的上提下挫,有15處險工脫河,并增修了新險工。如濟陽朝陽莊險工靠流部位下滑了2km,不僅造成塌灘、搶險,也使以下的葛家店險工等河勢發(fā)生大幅度下挫,攆河搶險長達40余天,致使防汛十分被動。1949年汛期濟南以下的被動搶險使人們認識到,即使在兩岸堤距一般僅為1km～2km、河床中粘粒含量較多的窄河段,單靠堤防及沿堤修建的險工也是難以控制河勢、減少防洪被動的,必須進行河道整治,穩(wěn)定河勢。

1950年選擇因河勢變化大量塌灘的河彎,試修控導護灘工程取得了效果。1951年在連續(xù)幾個彎道進行控導河勢試驗,也達到了預期目的。1952～1955年修建了大量的控導護灘工程,與沿堤險工相配合,發(fā)揮了穩(wěn)定河勢的作用,這些工程又經受了1957、1958年大洪水的考驗,達到了控制河勢的目的。

過渡性河段,在總結彎曲性河段河道整治經驗的基礎上,采用以壩護彎、以彎導流的辦法,1965～1974年修建了大量的河道整治工程,以后又經繼建完善,取得了基本控制河勢的效果。關于整治方案,黃河下游曾研究、實踐過縱向控制方案、卡口整治方案,平順防護方案、麻花型(∞型)方案和微彎型方案。微彎型整治方案是在黃河下游整治實踐的基礎上總結出來的,整治的效果表明是可行的。20世紀80年代前半期明確提出微彎型整治方案,并且形成了一套整治方法。

游蕩性河段是最難整治的河段,總的講外型順直、沙洲眾多,主流擺動頻次高、幅度大。但就某一主流線而言,仍具有彎曲的外形、曲直相間的形式,只是位置及彎曲的狀況經常變化而已。按照微彎型整治方案,在游蕩性河段修建了部分整治工程,二十世紀90年代以來,加快了整治步伐,現(xiàn)已大大縮少了游蕩范圍,其中1/3的河段初步控制了河勢。

黃河下游半個多世紀的實踐表明,微彎型整治方案是符合黃河河情的好方案。

3.4 寧蒙河段的河道整治方案

寧蒙河段為沖積性河道,從長時段講是淤積抬高的。河道縱比降均陡于0.1‰,其中下河沿以下的出山口河段為卵石河床,比降達0.8‰～0.6‰;冬季易卡冰結壩,造成嚴重凌情;河勢變化速度快,幅度大,塌灘刷堤險情多,決口頻繁,防洪任務重;河道整治以防洪、防凌為主要目的,兼顧引水、交通需要。與黃河下游相比,河道特性、水流形態(tài),致災搶險、整治目的等方面都是相似或相同的,不同的是寧蒙河段有計劃地進行河道整治的時間晚,整治工程少。

1994年以前,寧夏修建的整治工程為被動防護,因險設工,塌那護那。天然河道具有曲直相間的外形,而修建的防護工程確沒有考慮上下彎道的銜接,難以發(fā)揮控制河勢的作用。1971年和1977年規(guī)劃基本上采取的是“寬河擺動整治方案”,按此需要修建的工程長度基本上要達到治理河長的200%,工程量大,不能控制主流,常是此防彼險,防不勝防,加之投資所限,防洪安全問題仍十分突出。內蒙古河段修建的工程很少。

在90年代中期編制“黃河寧蒙河段1996至2000年防洪工程建設可行性研究報告”時,參照黃河下游河道整治經驗,選用了微彎型整治方案。按此方案修建了部分河道整治工程、這些工程在控制河勢中發(fā)揮了一定作用。

4 河道整治的工程措施

以防洪為主要目的的河道整治,分為河槽整治和灘地整治,主要為河槽整治。整治對象是中水。按照微彎型整治方案修建整治工程,必須選擇整治流路,繪制治導線,確定整治工程位置線。

4.1 選擇整治流路

在河勢演變的過程中,河勢流路會在兩岸堤防之間變化,如用主流線表示一次河勢情況,有些河段主流線會布滿兩岸堤防之間,但在這似無規(guī)律的主流線中,總可歸納出2～3條基本流路。在河道整治時,首先要選擇基本流路。作為整治的中水流路應與洪水、枯水流路相近,能充分利用已有工程,對防洪、引水、護灘的綜合效益較優(yōu)。

4.2 繪制治導線

治導線的設計參數(shù)包括設計流量、設計水位、設計河寬、排洪河槽寬度及河彎要素。通過彎曲半徑、中心角、河彎間距、直河段長度、彎曲幅度及河彎跨度來描述河彎形態(tài)。上述這些設計參數(shù)和河彎要素決定于來水來沙量及其過程、河道邊界條件以及已經采取的工程措施等,要通過現(xiàn)場查勘及認真分析觀測資料確定,必要時還要進行實體模型試驗。在繪制治導線時,除進行上述工作外還要充分考慮上下游、左右岸國民經濟各部門對河道整治的要求,才能繪出較為合理的治導線。需要說明的是,隨著時間的推移國民經濟各部門對河流提出的要求會發(fā)生變化,人們對河流的認識水平也會深化,數(shù)年之后對治導線進行修訂也是正常和必要的。

4.3 確定整治工程位置線

每一處河道整治工程壩、垛頭的連線,稱為整治工程位置線,簡稱工程位置線或工程線。它依據(jù)治導線而確定,多采用復合圓弧線,其上段加大彎曲半徑或以切線形式退離治導線,以利"藏頭";中段采用較小的彎曲半徑,以利在較短的工程段內改變水流方向;下段的彎曲半徑比中段稍大,以利送流出彎。

4.4 修建整治工程

確定整治流路、治導線、工程位置線后,依照投資力度,分批修建整治工程,以達控導主流、穩(wěn)定河勢。部分河段進行了實體模型試驗,布設河道整治工程后,對河勢的約束作用明顯加強,表明按照規(guī)劃治導線對工程進行布局是必要的。

對于沙質河床段,在工程靠主流后,借助水流的沖刷作用即可較快地調整河勢。對于下河沿以下的卵石河床,水流調整河勢的速度慢,長期靠工程控導,按照“以壩護彎,以彎導流”的原則修建整治工程,控導河勢;整治初期,輔以塞支強干,堵塞一些小股汊道,強化選取的汊道,并浚通治導線經過的卵石灘,即可較快地達到控導河勢的目的。

5 河道整治的初步效果

目前按照規(guī)劃治導線修建的河道整治工程數(shù)量很少,但在修建工程較多的部分河段,已經取得了初步控制河勢的效果,舉例于后:

⑴寧夏馬灘至石空灣河段。該河段左岸相應樁號為46+000～59+000。1979年心灘眾多,水流散亂,主流偏左,河岸寬 400m～1900m。至1990年,河勢變化,心灘下移,主流右移100m～700m,河岸寬250m～1200m 。1998年后,自馬灘至石空灘6個彎道,修建了6處控導工程,長度達規(guī)劃長度的72%,并修建了黃平灣鎖壩,開挖了引河,現(xiàn)規(guī)劃流路已經形成,所建工程基本靠流,初步控制河勢,改變了多年一直被動搶險的局面,解決了泉眼山泵站和寧夏扶貧揚黃灌溉水源泵站引水困難問題。

⑵寧夏細腰子拜至梅家灣河段。該河段在青銅峽樞紐以下,相應堤防左岸樁號為2+000～27+000。細腰子拜是歷史上有名的老險工。1979年,心灘多,流勢散亂。至1990年左岸邊灘向右下移,細腰子拜險情移向下游,侯娃子灘被切成兩半,致使三閘灣和右岸秦壩關險情不斷。該段按照治導線涉及5個河彎。近些年采用以壩護彎、以彎導流的辦法在左右岸連續(xù)的5個彎道修建整治工程,工程長度達規(guī)劃規(guī)模的59%。通過整治工程控導主流,初步穩(wěn)定了河勢,使長期處于被動搶險狀態(tài)的細腰子拜、秦壩關、三閘灣險段基本解除了險情。

⑶內蒙古三岔口至南圪堵河段。該段位于昭君墳以上的黃淤62#～66#斷面之間,由三岔口至羊場到南圪堵是3個連續(xù)彎道。1999～2002年按照規(guī)劃治導線修建3處整治工程,長3.8km,對河勢變化起到了約束作用,擺動幅度縮窄,塌岸危及堤防的險情減少。從深泓點的擺動幅度看,60～80年代為-12～-2980m,而近期僅為-56～988m。目前,由于上游右岸四村險工段尚未治理,三岔口險工靠流位置上堤下挫幅度仍較大。

⑷內蒙古解放營子至丁家營子河段。該河段位于鐙口(包頭市東河區(qū)供水取水口)上下,黃淤84#～90#斷面之間,自上而下依次有解放營子、官地、黃牛營子、新河口、丁家營子 6個彎道,河段長36km。目前左右岸已修建工程長10.04km(約相當于河道長度的30%),該河段河勢已趨向穩(wěn)定,堤防防守有重點,同時改變了取水口經常脫河難以取水的狀況,保障了東河區(qū)供水取水口和鐙口揚水站取水口順利取水。深泓擺動幅度由原來的5～ -1010m縮小到目前的29～-697m。

不難看出,在寧蒙河段盡管已修建的河道整治工程還很短,但在按照微彎型整治方案修建整治工程相對較多的部分河段,減少了河勢變化范圍和擺動強度,初步控制了河勢,基本達到了河道整治的目的。

6 整治任務仍很艱巨

寧蒙河段至2007年底有河道整治工程142處,總長177.010km,壩垛2195道。其中險工65處,長86.716km,壩垛 1078道;控導工程 77處,長93.784km,壩垛1117道。寧蒙河段平原河道長869.5km,兩岸河道整治工程長度僅相當于河道長度的1/5。按照微彎型整治方案,兩岸整治工程長度相當于河道長度的80%～90%時,一般可以基本控制河勢。若按兩岸均沿堤防護而言,險工長度會接近河道長度的2倍,或者說接近兩岸堤防長度之和。因此,寧蒙河段河道整治的任務是很艱巨的,只能加速河道整治步伐,分清輕重緩急,由易到難,逐步實施。

1 胡一三,張原峰.黃河河道整治方案與原則[J].水利學報,2006,(2):127-134.

2 黃河寧夏河段近期防洪工程建設可行性研究報告[R].銀川:寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司,2009年9月.

3 黃河內蒙古河段近期防洪工程建設可行性研究報告[R].呼和浩特:內蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院,2009年9月

4 黃河寧蒙河段近期防洪工程建設可行性研究報告[R].鄭州:黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,2008年5月.