倪 晉，虞邦義，張 輝，王久晟

(安徽省(水利部淮河委員會)水利科學(xué)研究院水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000)

淮河自然災(zāi)害頻繁，是我國治理難度最大的河流之一。近年來受人類活動和氣候變化等因素的影響，淮河的水沙特征發(fā)生了顯著的變化[1]，如干流主要測站魯臺子的年均輸沙量由1950年代的1800萬t，減少至2000年之后的300萬t左右[2]?；春铀匙兓绱酥?，如此之快，未來趨勢如何，淮河治理開發(fā)戰(zhàn)略決策是否隨之有重大調(diào)整，已成為新時期淮河治理的重大科技問題。為了更深入地理解淮河水沙演變的特征，本文通過多種水文統(tǒng)計方法對徑流量和輸沙量的歷史變化和未來趨勢進行分析，并探討了淮河干流的治理方向，以期為流域水沙資源的配置和治淮方略的制定提供支撐。

1 水沙變化特征

魯臺子站、吳家渡站均為淮河干流上的重要水文站點，前者幾乎控制了淮河水系所有的山區(qū)來水，后者基本反映了淮河入洪澤湖的徑流總量，且兩站的水沙記錄自1950年代觀測至今，有近70年的徑流量和輸沙量的連續(xù)資料。因此，本文選擇這兩個站點作為代表分析淮河干流的水沙變化特征。

1.1 水沙歷史變化

將淮河干流魯臺子站和吳家渡站1950—2015年共66年系列徑流量和含沙量分年代和五年滑動平均統(tǒng)計，結(jié)果如圖1—4所示。

圖1 魯臺子站徑流量逐年變化

圖2 吳家渡站徑流量逐年變化

圖3 魯臺子站含沙量逐年變化

圖4 吳家渡站含沙量逐年變化

由圖1與圖2可知，1950—2015年魯臺子站和吳家渡站多年平均徑流量分別為211.5億m3和266.1億m3，不同年代與五年滑動平均徑流量總體呈隨機變化特征，并無明顯增加或減少的趨勢。由圖3與圖4可知，1950—2015年魯臺子站與吳家渡站多年平均含沙量分別為0.32kg/m3和0.28kg/m3。通過對五年滑動平均值進行線性擬合可知，魯臺子站和吳家渡站含沙量分別以0.0132(kg·m-3)/a、0.0077(kg·m-3)/a的趨勢減少，各年代含沙量隨時間推移均呈明顯遞減趨勢，2000年以后兩站含沙量基本穩(wěn)定在0.1kg/m3和0.2kg/m3以下。

1.2 來沙未來變化趨勢

在水沙歷史資料統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，采用R/S分析法和小波變換進一步預(yù)測未來輸沙量的變化情勢。其中，R/S分析法用來分析輸沙量時間序列的趨勢性，小波變換用來分析來沙量的周期性變換規(guī)律。由于Morlet小波[3]在時間和頻率范圍內(nèi)均有較好的特征，本文選用其作為母函數(shù)進行分析。

R/S分析法計算結(jié)果及未來趨勢分析見表1。由表1可知，魯臺子站含沙量時間序列的Hurst指數(shù)H=0.6658>0.5，表明未來一段時間輸沙過程具有持續(xù)性與正相關(guān)性，即未來變化趨勢將和含沙量歷史總體趨勢保持相同，結(jié)合上述分析可知，魯臺子站含沙量在未來一段時間內(nèi)整體上呈現(xiàn)減小的趨勢；吳家渡站含沙量時間序列的Hurst指數(shù)H=0.6437>0.5，也說明吳家渡站含沙量在未來一段時間內(nèi)總體上呈現(xiàn)減小的態(tài)勢，魯臺子站與吳家渡站未來含沙量變化趨勢大體一致。

表1 近66年吳家渡站來沙量R/S法分析結(jié)果及未來趨勢判斷

Morlet小波分析結(jié)果如圖5所示，圖中實線代表正值，對應(yīng)多沙期；虛線代表負(fù)值，對應(yīng)少沙期。實線與虛線交匯的地方加粗實線，即等值線為0的地方是突變的時間點，等值線疏密與指標(biāo)的偏少和偏多時期是對應(yīng)的。整體上左邊的等值線密度大于右邊，表明近70年來，魯臺子站和吳家渡站含沙量總體上保持減少的趨勢，這與R/S分析法得到的結(jié)論相一致；兩站輸沙過程均以7—8年為振蕩周期，在整個研究區(qū)域都很明顯，具有全域性，且該周期中往往還嵌套著較小尺度的變換周期。由于2015年負(fù)位等值線并未封閉，表明兩站在2015年以后一段時間將繼續(xù)處于少沙期。

圖5 含沙量序列小波系數(shù)實部等值線圖

2 治理方向探討

2.1 進一步擴大主槽

經(jīng)過多年的治理，淮河中游抗御大洪水的防洪體系已相對比較完整，當(dāng)前亟待解決的是中小洪水問題。由于淮河主槽淺窄，平灘流量不足，中小洪水位較高，造成洪澇災(zāi)害問題突出。根據(jù)實測資料分析[2]，淮河干流洪河口至正陽關(guān)段平灘流量為1500m3/s，正陽關(guān)至渦河口約2500～3000m3/s，渦河口以下約3000～3500m3/s。各段平灘流量僅相當(dāng)于設(shè)計流量的25%左右。平槽泄量太小，使得洪水上灘頻率較高，漫灘時間較長，如2003年、2007年兩場中等洪水，漫灘時間長達50～60d[4]，嚴(yán)重影響兩岸支流及洼地澇水的外排。

要給淮河中小洪水一個通暢的出路，就需要對淮河干流河道進行疏浚，以往的規(guī)劃中也研究過河道疏浚的方案，但由于擔(dān)心回淤的問題而未能實施。近年來，淮河泥沙大幅度減少，部分河段由淤轉(zhuǎn)沖[5]，為疏浚擴挖主槽，打開中小洪水通路，提供了有利的外部條件。2007年大水后，淮委會同安徽省水利廳首次采用長距離、大規(guī)模疏浚的方式對淮河干流蚌埠至浮山段進行治理。

動床模型的計算分析表明，該工程實施后蚌浮段仍將維持微沖的態(tài)勢，沒有發(fā)生大規(guī)模的回淤現(xiàn)象。因此將疏浚作為今后一段時期淮河河道整治的主要措施是合適的。

2.2 適當(dāng)擴大部分河段的灘地

隨著淮河干流擴大泄量工程的陸續(xù)實施，正陽關(guān)以上河道的行洪寬度已拓寬為1.5～2km，堤距較為理想；而正陽關(guān)以下許多河段堤距不足1000m，部分卡口河段僅500～600m。對比沿程各河段平均灘寬與平均槽寬可知，正陽關(guān)以上平均灘寬是平均槽寬的兩倍以上，而正陽關(guān)以下河段平均灘寬小于平均平槽河寬，蚌埠以下河段平均灘地寬度更小。

由于淮河干流斷面形式基本為高灘深槽模式，灘地過流能力明顯不如主槽，退堤100m的效果大約相當(dāng)于主槽擴大17m2[6]，而且退堤還涉及占地、拆遷安置等諸多問題，因此不論是從經(jīng)濟角度還是實施的難易程度來講，退堤都是不劃算的。正是由于上述原因，在近期淮河治理中，河道被渠化傾向比較明顯，干流河道的灘地寬度嚴(yán)重不足。但是，治理河道不能只算經(jīng)濟帳，從河床演變的角度來看，主槽和灘地相互聯(lián)系，相互影響，關(guān)系密切。淮河灘槽高差大，灘地行洪能力低，主流集中，正是河道穩(wěn)定的良好表現(xiàn)。近年來，隨著來沙減少，正陽關(guān)以下河道除了深泓下切之外，最明顯的特征就是灘坎坍塌，主槽展寬。首先是上游來沙較少，大水年刷尖切灘現(xiàn)象時有發(fā)生，造成灘地減少；其二是上灘水流，挾沙量也太少，很難起到淤灘固灘的作用。灘地的減少，不僅降低了正陽關(guān)以下河道水沙調(diào)節(jié)能力，而且使得水流的集中程度降低，灘槽的差別減少，影響河槽的穩(wěn)定，更有甚者還會造成堤腳被沖淘，影響堤防的安全。因此，建議有條件的河道盡量退堤，維持合理的灘地規(guī)模，使河道斷面形式趨于合理。

3 結(jié)論

(1)1950—2015年魯臺子站和吳家渡站年徑流量總體呈隨機變化特征，并無明顯增加或減少的趨勢，含沙量分別以0.0132(kg·m-3)/a和0.0077(kg·m-3)/a的趨勢減少，2000以后含沙量基本穩(wěn)定在0.1kg/m3和0.2kg/m3以下。

(2)利用R/S分析法和Morlet小波分析對魯臺子站和吳家渡站未來含沙量趨勢進行了分析，表明兩站含沙量未來一段時間整體繼續(xù)呈現(xiàn)減小的趨勢并處于少沙期。

(3)從水沙變化與河床演變的角度，提出了進一步擴大主槽和適當(dāng)擴大部分河段灘地的的治理思路。