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實施洪水泥沙管理維持黃河健康生命
實施洪水泥沙管理維持黃河健康生命 摘要:河流的高程度開發(fā)利用,帶來了防洪、灌溉、供水、發(fā)電等巨大社會、經(jīng)濟效益,但是,天然洪水水沙過程改變了,水庫淤積了,河床抬高了,河道斷流了……這種現(xiàn)象在黃河上尤為嚴(yán)重。河流和人類一樣是有生命的,人類對水、河流的開發(fā)利用應(yīng)有一定限度,否則就會影響河流的健康,進而影響人類自己。
關(guān)鍵詞:泥沙 管理 黃河
流的高程度開發(fā)利用,帶來了防洪、灌溉、供水、發(fā)電等巨大社會、經(jīng)濟效益,但是,天然洪水水沙過程改變了,水庫淤積了,河床抬高了,河道斷流了……這種現(xiàn)象在黃河上尤為嚴(yán)重。河流和人類一樣是有生命的,人類對水、河流的開發(fā)利用應(yīng)有一定限度,否則就會影響河流的健康,進而影響人類自己。
“維持黃河健康生命”是一種新的治河理念,其初步理論框架為:“維持黃河健康生命”是黃河治理的終極目標(biāo),“堤防不決口,河道不斷流,污染不超標(biāo),河床不抬高”是體現(xiàn)其終極目標(biāo)的四個主要標(biāo)志。河流生命的核心是水,命脈是流動。河流生命的形成、發(fā)展與演變是一個自然過程,有其自身的發(fā)展規(guī)律,并對外界行為有著巨大的反作用力和規(guī)范性。初步考慮,要實現(xiàn)“維持黃河健康生命”的目標(biāo),黃河治理應(yīng)通過九條途徑,即:減少入黃泥沙的措施建設(shè);流域及相關(guān)地區(qū)水資源利用的有效管理;增加黃河水資源量的外流域調(diào)水方案研究;黃河水沙調(diào)控體系建設(shè);制定黃河下游河道科學(xué)合理的治理方略;使下游河道主槽不萎縮的水量及其過程塑造;滿足降低污徑比使水質(zhì)不超標(biāo)的水量補充要求;治理黃河河口,以盡量減少其對下游河道的反饋影響;黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的良性維持。
對于黃河下游的洪水泥沙管理來講,維持黃河健康生命的內(nèi)涵具體可描述為:利用中游水庫群的水沙聯(lián)合調(diào)度塑造協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系,恢復(fù)、維持下游主槽過流能力;利用人工、自然的措施逐步緩解“二級懸河”嚴(yán)峻形勢,調(diào)整灘槽洪水期分流比,減少“橫河、斜河、滾河、順堤行洪”幾率,確保黃河安瀾;將具有典型滯洪沉沙功能的黃河下游灘區(qū)納入蓄滯洪區(qū)管理,灘區(qū)享受國家蓄滯洪區(qū)補償政策,從政策面上構(gòu)筑人、河、沙和諧的管理環(huán)境,以使洪水泥沙管理能夠?qū)嵤┖脱永m(xù)。
一、黃河中、下游洪水控制現(xiàn)狀
目前,黃河下游防洪的關(guān)鍵性控制工程小浪底水利樞紐工程已經(jīng)建成,并于2001年投入運用。除了正在規(guī)劃階段的中游磧口、古賢和沁河河口村水庫外,黃河中下游的防洪體系已基本建立,以萬家寨、三門峽、小浪底、陸渾、故縣五座水庫為主形成了水庫聯(lián)合調(diào)度體系。1998年以來,國家又加大了對黃河下游治理的投入力度,開展了下游堤防加高加固,險點處理,險工加高改建和河道整治工程建設(shè),形成了河道工程體系,以東平湖、北金堤、南北展等蓄滯洪區(qū)形成了蓄滯洪體系。水文、通訊、組織指揮、搶險救災(zāi)等防洪非工程措施也在近些年得到了發(fā)展和提高,整體上使黃河下游防洪形勢明顯改觀。上述工程體系“上攔下排,兩岸分滯”和非工程措施構(gòu)成了當(dāng)前黃河下游總的洪水控制現(xiàn)狀。
具體表現(xiàn)為:一是小浪底水庫和三門峽、故縣、陸渾等水庫聯(lián)合調(diào)度,調(diào)蓄洪水,顯著削減了黃河下游稀遇洪水,使花園口斷面百年一遇洪峰流量由29200立方米每秒削減到15700立方米每秒,千年一遇洪峰流量由42100立方米每秒削減到22600立方米每秒,接近花園口設(shè)防流量22000立方米每秒。“上大洪水”逐步得到控制,“下大洪水”和“上下較大洪水”得到一定程度控制。二是利用小浪底水庫攔沙和調(diào)水調(diào)沙庫容可減輕下游河道淤積76億噸相當(dāng)于20年左右的淤積量。三是堤防已經(jīng)滿足2000年水平設(shè)計水位的高度要求,抗洪能力得到加強,同時高村以下河勢也得到初步控制。
二、洪水泥沙管理的實現(xiàn)途徑
黃河復(fù)雜難治的主要癥結(jié)在于“水少、沙多,水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”,因此,只有抓住這一主要矛盾,正確認識和處理洪水與泥沙問題,才能真正實現(xiàn)由洪水控制向洪水泥沙管理的轉(zhuǎn)變。
自古以來,黃河洪水威脅一直是中華民族的心腹之患。經(jīng)過多年建設(shè),現(xiàn)已初步形成“上攔下排,兩岸分滯”的工程體系,基本具備了控制和處理洪水的“硬件”。同時,隨著“數(shù)字黃河”工程建設(shè)的加快,“數(shù)字防汛”等一系列“軟件”逐步配套,這些“硬件”和“軟件”構(gòu)成了較為完整的黃河防洪體系。依靠這一體系,可以針對不同量級的洪水實施有效控制和高效利用,也可以根據(jù)治黃需求,通過聯(lián)合調(diào)度塑造洪水,防止河道萎縮,減少河道淤積,實現(xiàn)由過去單一控制洪水向洪水泥沙管理的轉(zhuǎn)變。
1有效控制黃河大洪水、貫徹水沙聯(lián)調(diào)指導(dǎo)思想
對于黃河大洪水和特大洪水,要致力于提高控制能力,依據(jù)水文預(yù)報、工程布局和可控能力,按照科學(xué)合理的洪水處理方案,通過干支流水庫的聯(lián)合調(diào)度和蓄滯洪區(qū)的適時啟用,將洪水控制在兩岸標(biāo)準(zhǔn)化堤防之間,確保大堤不決口,盡最大努力減少災(zāi)害損失。同時,黃河大洪水和特大洪水發(fā)生時,除三花間洪水外,一般都伴隨較高含沙量,因而在控制的同時,貫徹水沙聯(lián)調(diào)指導(dǎo)思想,盡可能做到水庫、河道沖淤兼顧,依據(jù)階段管理目標(biāo),塑造協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系,但該類洪水泥沙的主要管理目標(biāo)是黃河安瀾。
2利用黃河中常洪水,實施水沙合理配置(調(diào)水調(diào)沙)
由于小浪底等水庫在初步設(shè)計時對于黃河中常洪水一般不予控制,而中常洪水在洪量、洪峰流量、含沙量、沙量等特征值方面,又都處于中游水庫群調(diào)控能力之內(nèi)。因此,管理的途徑是:合理承擔(dān)適度風(fēng)險,充分考慮黃河洪水的資源屬性和造床功能。一是通過塑造協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系,讓洪水沖刷河槽,挾沙入海,恢復(fù)河槽的過流能力。二是將黃河洪水資源化,可對汛期洪水進行分期管理,科學(xué)攔蓄后汛期洪水或低含沙量洪水為翌年春灌和確保黃河不斷流提供寶貴的水資源。三是實施小北干流放淤“淤粗排細”。在三門峽水庫以上禹門口至潼關(guān)河段660平方公里的河道灘地上,利用彎道水力學(xué)、緩流分選泥沙水力學(xué)等原理,通過設(shè)置引洪放淤閘、彎道溢流堰、淤區(qū)格堤、退水閘等工程,靠水流自然力量,人為控制泥沙的顆粒級配,達到“淤粗排細”的目的。小北干流放淤分無壩放淤試驗、無壩放淤和有壩放淤三個階段實施?首先通過無壩放淤試驗取得基本參數(shù),在此基礎(chǔ)上實施無壩放淤,遠期在黃河北干流建設(shè)以放淤為主要目的的水利樞紐,通過水庫的水沙調(diào)控進一步擴大放淤區(qū)域和提高放淤效率。四是利用小浪底水庫等干流骨干水庫“攔粗泄細”。小浪底水庫是調(diào)控黃河下游水沙的關(guān)鍵工程。按照設(shè)計,在其126.5億立方米的總庫容中,攔沙庫容為75.5億立方米?可攔蓄泥沙100億噸。要科學(xué)設(shè)計小浪底水庫的運用方式,盡可能做到攔蓄粗沙,泄放細沙,以最大限度地提高水庫的攔沙減淤效率,同時延長水庫攔沙使用年限。將來在古賢等骨干水庫建成后,也可通過“攔粗泄細”運用,顯著減少進入下游河道的粗泥沙。
3塑造黃河洪水,調(diào)整泥沙
河道是洪水和泥沙的輸移通道,當(dāng)河道內(nèi)長期沒有洪水通過時,河道主河槽就會發(fā)生萎縮。事實上,20世紀(jì)50年代,黃河發(fā)生的最大洪水為22300立方米每秒,相應(yīng)河槽平灘流量為8000立方米每秒;20世紀(jì)80年代,黃河發(fā)生最大洪水為15300立方米每秒,相應(yīng)河槽平灘流量為6000立方米每秒;20世紀(jì)90年代,黃河發(fā)生最大洪水為7600立方米每秒,相應(yīng)河槽平灘流量為3000立方米每秒;進入21世紀(jì),黃河沒有發(fā)生一次大于4000立方米每秒的編號洪峰,相應(yīng)河槽平灘流量已衰減至2000立方米每秒以下。因此,要樹立強烈的洪水造床及輸沙意識,在河道里沒有洪水且條件具備時,要通過中游水庫群聯(lián)合調(diào)度等措施塑造人工洪水及其過程,達到減少水庫泥沙淤積、調(diào)整泥沙淤積形態(tài)、防止河道主河槽萎縮和攜沙入海的多重目的。
需要強調(diào)指出的是,目前,控制黃河洪水的意識根深蒂固,但利用黃河洪水,特別是塑造黃河洪水的理念較為淡薄,甚至尚未建立,根據(jù)黃河的特點和存在問題,今后必須建立洪水利用和洪水塑造的概念,并認真加以研究利用塑造洪水的方法、途徑及手段,通過不斷探索與實踐,使之逐步調(diào)整、完善,讓黃河洪水為“維持黃河健康生命”服務(wù)。
三、洪水泥沙管理的實踐
1.黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗
首次調(diào)水調(diào)沙試驗是針對小浪底水庫初期運用的特點進行的,實施的是小浪底和三門峽兩庫水庫聯(lián)合調(diào)度方式,主要目標(biāo)是尋求試驗條件下的黃河下游泥沙不淤積的臨界流量和臨界時間。使下游河道?特別是艾山至利津河段 不淤積或盡可能沖刷。同時檢驗河道整治成果、驗證數(shù)學(xué)模型和實體模型、深化對黃河水沙規(guī)律的認識。試驗以小浪底水庫蓄水為主或小浪底至花園口區(qū)間?簡稱小花間 來水為主水庫相機調(diào)水調(diào)沙,控制指標(biāo)為花園口臨界流量2600立方米每秒的時間不少于10天,平均含沙量不大于20千克每立方米,相應(yīng)艾山站流量2300立方米每秒左右,利津站流量2000立方米每秒左右。試驗結(jié)束后控制花園口流量不大于800立方米每秒。
2002年7月4日上午9時,小浪底水庫開始加大下泄流量,調(diào)水調(diào)沙試驗進入調(diào)度實施階段,直到小浪底出庫流量恢復(fù)到800立方米每秒以下,水庫調(diào)度歷時11天。黃河下游河道凈沖刷量為0.362億噸,下游河槽全程發(fā)生明顯沖刷,主槽沿程沖刷1.063億噸,灘地淤積0.701億噸,下游平灘流量均有一定程度的增加,以漫灘最為嚴(yán)重的夾河灘至孫口河段平灘流量增大幅度最大,平均增加約300~500立方米每秒。
2.黃河第二次調(diào)水調(diào)沙試驗
黃河第二次調(diào)水調(diào)沙試驗是結(jié)合防洪預(yù)泄進行的,實施的是小浪底、三門峽、陸渾、故縣四庫水沙聯(lián)合調(diào)度,是典型的水沙多目標(biāo)調(diào)度方式,主要目標(biāo)是:水資源安全、干支流減災(zāi)、下游不發(fā)生大的漫灘損失、小浪底庫區(qū)減淤、閘前防淤堵、為2004年水庫在250米以上運用創(chuàng)造條件、實現(xiàn)下游河道發(fā)生沖刷或至少不發(fā)生大的淤積、進一步深化對黃河水沙規(guī)律的認識等。
在試驗調(diào)控技術(shù)方面,有效利用小花間的清水與小浪底水庫下泄的高含沙量水流在花園口進行水沙“對接”,即:“小花間無控區(qū)清水負載,小浪底調(diào)水配沙”。
第二次調(diào)水調(diào)沙試驗歷時12.4天�；▓@口站平均流量為2390立方米每秒?平均含沙量31.1千克每立方米,完全達到了預(yù)案規(guī)定的水沙調(diào)控指標(biāo);下游河道全河段基本上都發(fā)生了沖刷,總沖刷量0.456億噸,達到了下游河道減淤的目的和小浪底 實施洪水泥沙管理維持黃河健康生命水庫盡量多排泥沙的預(yù)定目標(biāo)。下游主要測驗斷面同流量水位降低,主槽過洪能力增加。
3.黃河第三次調(diào)水調(diào)沙試驗
黃河第三次調(diào)水調(diào)沙試驗是針對小浪底水庫汛初蓄水較多?黃河中游又無中小洪水的特點進行的,實施的是黃河干流萬家寨、三門峽、小浪底三庫串聯(lián)聯(lián)合調(diào)度方式,主要目標(biāo)是實現(xiàn)黃河下游主河槽全線沖刷,進一步恢復(fù)下游河道主槽的過流能力,調(diào)整黃河下游兩處卡口段的河槽形態(tài)、增大過洪能力,調(diào)整小浪底庫區(qū)的淤積形態(tài),進一步探索研究黃河水庫、河道水沙運動規(guī)律。
此次試驗小浪底水庫出庫沙量0.0572億噸,利津站輸沙量0.6434億噸,小浪底至利津河段沖刷0.6071億噸,各河段均發(fā)生沖刷。小浪底庫區(qū)淤積設(shè)計淤積平衡縱剖面以上淤積的3850萬立方米泥沙盡數(shù)沖刷,庫區(qū)淤積三角洲形態(tài)得到了合理調(diào)整。黃河下游卡口河段河槽形態(tài)調(diào)整,徐碼頭、雷口兩處卡口河段主槽平均沖刷深度為0.25~0.47米,主槽過流能力進一步提高,達到2800~2900立方米每秒。7月8日13時50分,小浪底庫區(qū)異重流排沙出庫,渾水持續(xù)約80小時,首次人工異重流塑造獲得圓滿成功。對黃河水庫、河道水沙運動規(guī)律的認識進一步深化,在水庫群水沙調(diào)度、異重流運行狀態(tài)、人工擾動泥沙的效果等方面取得了大量原始數(shù)據(jù),為今后多方面研究運用黃河水沙運行規(guī)律提供了豐富的基礎(chǔ)資料。
4.黃河小北干流放淤試驗
黃河小北干流禹門口至潼關(guān)河段,河道長132.5公里,河寬3~18公里,灘地面積為682平方公里。灘區(qū)多為沙荒鹽堿地,土地利用率不高,社會經(jīng)濟發(fā)展相對落后,是天然的沉滯沙場所。2004年放淤試驗的地點選在連伯灘。
2004年7月,在經(jīng)過大量查勘和論證之后,黃委在小北干流開始實施放淤試驗,這是繼調(diào)水調(diào)沙試驗之后,運用自然規(guī)律進行黃河治理的又一項開拓性工作。試驗的關(guān)鍵是人為控制泥沙的顆粒級配,實現(xiàn)“淤粗排細”的目標(biāo)。為此編制了試驗工程設(shè)計報告及調(diào)度預(yù)案,利用放淤閘、彎道溢流堰、淤區(qū)格堤、退水閘等工程和由次洪量、歷時、含沙量、泥沙級配、洪峰流量等指標(biāo)組成的調(diào)度指標(biāo)體系,靠水力自然力量,達到分選泥沙的目的。從7月26日16時放淤閘首次開啟至8月26日14時結(jié)束,成功實施了6輪試驗,累計放淤歷時297小時,共淤積粗泥沙437.8萬噸,初步實現(xiàn)了“淤粗排細”的目標(biāo),通過水沙運行狀況監(jiān)測、分析,取得了大量的監(jiān)測資料,初步掌握了粗泥沙的運動規(guī)律,為今后大規(guī)模實施放淤調(diào)度提供了經(jīng)驗和科學(xué)依據(jù)。對減緩小浪底庫區(qū)泥沙淤積速度,延長小浪底水庫使用壽命,并減緩黃河下游河道淤積具有重要的意義。
5.黃河2003年秋汛調(diào)度
2003年8月下旬至10月中旬,黃河流域中下游連續(xù)發(fā)生6次強降雨過程遭遇罕見的“華西秋雨”天氣,形成多次洪峰,發(fā)生了自1981年以來歷時最長、洪量最大的秋汛。整個調(diào)度過程中,在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上,針對洪水含沙量低、洪峰低、接近汛末等特點,黃河防總、黃委決定承擔(dān)一定風(fēng)險,實施了第一次真正意義上的“四庫水沙聯(lián)調(diào)”,多次成功削減黃河下游洪峰,大大減輕了下游防洪壓力。避免了多次多股洪水匯合疊加后造成黃河花園口站可能形成的5000~6000立方米每秒的洪峰,將下游花園口站洪水始終控制在2400~2700立方米每秒之間,削峰率達40~50%,有效地減輕了下游灘區(qū)的洪水災(zāi)害,妥善處理了局部救災(zāi)和整體防洪的矛盾、降低潼關(guān)高程和三門峽運用方式的矛盾、水庫安全和下游灘區(qū)安全的矛盾、防洪和水資源安全的矛盾,實現(xiàn)了攔洪、減災(zāi)、減淤、洪水資源化等多重目標(biāo)。
據(jù)統(tǒng)計,2003年汛期利用小浪底、陸渾、故縣、三門峽四座水庫攔蓄洪水后,使下游灘區(qū)213.41萬畝耕地免遭洪水淹沒,使灘內(nèi)76.85萬人免遭洪水襲擊,減免直接經(jīng)濟損失84.8億元。
四、黃河下游灘區(qū)納入蓄滯洪區(qū)管理問題探討
黃河下游兩岸堤防之間有廣闊的灘區(qū),居住有大量人口。根據(jù)2000年統(tǒng)計資料,灘區(qū)總面積4046.9萬平方公里,它既是行滯洪、沉沙的場所,又是灘區(qū)群眾的生產(chǎn)生活場所,目前有耕地375.50萬畝,村莊2052個,人口180.94萬人。
黃河灘區(qū)作為河流行洪、滯洪和沉沙的地域,在歷年的防洪保安全中發(fā)揮了巨大作用,但由于灘區(qū)頻繁漫灘,且受災(zāi)后無補償渠道,致使灘區(qū)經(jīng)濟發(fā)展緩慢,生活落后。據(jù)不完全統(tǒng)計,建國以來在中下游河段基本無工程控制的條件下,灘區(qū)遭受不同程度的洪水漫灘20余次,累計受災(zāi)人口887.16萬人次、受災(zāi)村莊13275個次、受淹耕地2560.29萬畝次。灘區(qū)農(nóng)民收入僅為本省農(nóng)民人均收入的27~47%,部分地區(qū)已成為河南、山東省甚至全國的重點貧困地區(qū)。
由于黃河水少沙多、水沙不平衡的基本特點長期難以改變,黃委經(jīng)過多次研究,為保障黃淮海平原安全,對黃河采取“穩(wěn)定主槽,調(diào)水調(diào)沙,寬河固堤,政策補償”的治河方略,在這個治黃方略下仍需對灘區(qū)采取淤灘刷槽的方針。小浪底水利樞紐的修建與中游三門峽、陸渾、故縣水庫聯(lián)合運用后,雖然可使洪峰流量受到一定的控制,但黃河下游仍然會不可避免地出現(xiàn)漫灘,灘區(qū)群眾的貧困現(xiàn)狀仍難以改變。
黃河下游河道淤積,河勢游蕩多變,主槽過洪能力低,小水漫灘,“橫河”、“斜河”、“滾河”、“順堤行洪”等的嚴(yán)峻形勢急需改變,利用小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙是改善這種狀況的有效措施。按照規(guī)定,小浪底水庫對于8000立方米每秒以下洪水不能攔蓄,但從灘區(qū)群眾的生存發(fā)展要求來看,必須對4000~8000立方米每秒的洪水進行控制。洪水控泄造成的后果為:一方面小浪底水庫將提前被淤廢,經(jīng)國家多年努力投巨資建成的黃河下游防洪關(guān)鍵性控制工程將大大縮短使用壽命,喪失其防御大洪水的作用。另一方面,長期小流量下泄,將導(dǎo)致河道持續(xù)萎縮,“二級懸河”迅速發(fā)展使黃河下游防洪形勢進一步惡化,維持河流健康生命的目標(biāo)也難以實現(xiàn)。
當(dāng)前,黃河下游的綜合治理與灘區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的矛盾十分尖銳,而解決這一矛盾的出路在于灘區(qū)受淹后的損失能夠比照蓄滯洪運用補償辦法進行補償,從而構(gòu)建和諧管理環(huán)境。
通過近年黃河治理的一系列實踐和探索,可以看出:實現(xiàn)由控制洪水向洪水泥沙管理轉(zhuǎn)變,在黃河上還必須包括泥沙管理,而解決這些問題的最有效途徑,是實施水沙聯(lián)調(diào)和處理好黃河下游灘區(qū)問題,即調(diào)水調(diào)沙和灘區(qū)納入蓄滯洪區(qū)管理,這樣,才能做到人、水、沙的和諧相處,進而向維持河流健康生命的終極目標(biāo)邁進。
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