張金良 ，張遠(yuǎn)生，練繼建，安催花

(1. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

黃河航運(yùn)歷史悠久，早在春秋時期（公元前647年）就有“秦粟輸晉，泛舟之役”[1]的記載。清末民初，公路、鐵路興起，黃河水運(yùn)逐漸衰落。20世紀(jì)50至70年代，下游河道(見圖1)治理力度加大，下游航運(yùn)能力得以提高，山東段最高年水運(yùn)運(yùn)量曾達(dá)到120萬t；河南段年吞吐量達(dá)數(shù)十萬噸；80年代中期以后，下游河道淤積萎縮，航運(yùn)停滯至今，并逐漸成為河南、山東兩省交通運(yùn)輸體系短板。利用黃河豐富的水運(yùn)資源、文化旅游資源和自然生態(tài)資源，研究黃河下游復(fù)航的生態(tài)建設(shè)方案，對完善河南、山東兩省交通運(yùn)輸體系，促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展，推進(jìn)黃河生態(tài)旅游發(fā)展具有重要意義。

圖 1 黃河下游河道示意Fig. 1 Schematic diagram of the lower reaches of the Yellow River

關(guān)于生態(tài)航道建設(shè)，目前國內(nèi)已進(jìn)行了大量探索，研究集中于生態(tài)技術(shù)在航道整治中的應(yīng)用[2-5]、航道生態(tài)治理效果評價[6-8]等方面，對黃河下游生態(tài)航道建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題及應(yīng)對措施研究較少。

當(dāng)前黃河水沙調(diào)控體系仍不完善，泥沙問題尚未妥善解決，下游還有299 km游蕩型河道河勢未完全控制。泥沙淤積、河勢游蕩、涉水工程礙航等是制約黃河下游生態(tài)航道建設(shè)的關(guān)鍵問題。本文重點(diǎn)從河道沖淤和河勢演變的角度分析黃河下游通航面臨的問題，圍繞航道疏浚、河勢控制、礙航建筑物生態(tài)改造等方面進(jìn)行建設(shè)方案探討，以期為黃河下游生態(tài)航道建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 通航條件分析

1.1 通航條件的演變

黃河水少沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致黃河下游不斷淤積抬高。1950—1999年黃河下游累積淤積泥沙約92 億t。小浪底水庫運(yùn)用以后，通過水庫攔沙和調(diào)水調(diào)沙，至2019年汛前黃河下游共沖刷泥沙30.17 億t，河道淤積抬升的趨勢得到遏制，下游最小平灘流量已達(dá)到4 300 m3/s，適宜的中水河槽規(guī)模已初步形成，河槽形態(tài)也正在向有利于通航的方向發(fā)展，以下游寬河段的下官莊斷面和窄河段的陰柳科斷面為例（圖2），中水河槽下切深度分別為2.74和2.36 m，小流量水深大幅增加。除此之外，小浪底水庫建成后下游凌情也大幅減輕，高村以上河段常年不封凍。以上變化為黃河下游復(fù)航提供了有利的條件。

圖 2 下官莊和陰柳科斷面形態(tài)變化Fig. 2 Morphological change of Xiaguanzhuang and Yinliuke sections

黃河下游自20世紀(jì)50年代以來，開始有計(jì)劃地治理，特別是“十五”以來，依據(jù)國務(wù)院批復(fù)的《黃河流域防洪規(guī)劃》，對黃河下游進(jìn)行了多次治理，實(shí)施了大量河道整治工程建設(shè)，堅(jiān)持采取“以壩護(hù)彎，以彎導(dǎo)溜”的微彎型整治方案，取得了明顯成效。目前除高村以上299 km游蕩性河段外，黃河下游河勢基本得到控制。通過水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查的《黃河下游防洪工程“十四五”可行性研究》將對高村以上河段進(jìn)行重點(diǎn)治理，共安排控導(dǎo)工程新續(xù)建69處，工程長度39.48 km。未來工程實(shí)施后，該河段中水流路將基本得到控制，形成貫通黃河下游的穩(wěn)定流路，為復(fù)航和長期通航提供基本條件。

20世紀(jì)70年代，黃河開始出現(xiàn)斷流。1972—1999年有22年發(fā)生斷流，其中1997年斷流達(dá)226 d，斷流河道長達(dá)704 km，從入?？谝恢鄙涎又梁幽祥_封。1999年3月起，黃河水量統(tǒng)一調(diào)度，至2020年，黃河實(shí)現(xiàn)連續(xù)21年不斷流，花園口站、夾河灘站、高村站常年的流量均超過250 m3/s，孫口站、艾山站90%流量保證率也達(dá)到了250和220 m3/s，各站相應(yīng)流量下的水面寬為120～200 m，水深達(dá)到了1.0～2.5 m。這些將為下游復(fù)航提供最基本的通航保障。未來，隨著黃河水沙調(diào)控體系工程建設(shè)和南水北調(diào)西線工程實(shí)施，下游通航流量將進(jìn)一步提高，通航的基本條件將進(jìn)一步得到保障。

1.2 河道泥沙沖淤趨勢預(yù)測

黃河古賢水利樞紐工程將于2030年建成，綜合考慮未來不同來水來沙情景，分析泥沙淤積對未來黃河航道建設(shè)的影響。

1.2.1 泥沙沖淤計(jì)算方法 采用一維非恒定流水沙數(shù)學(xué)模型對未來黃河下游河道泥沙沖淤趨勢進(jìn)行預(yù)測。

水流連續(xù)方程：

水流運(yùn)動方程：

式中：B 為 河寬；z為 水位；t為 時間； Q 為 流量；x為 沿流向的坐標(biāo)； ql為單位時間單位河長匯入（流出）的流量；A為過水?dāng)嗝婷娣e；g為重力加速度；n為糙率。

將懸移質(zhì)泥沙分為M組，以Sk表示第k組泥沙的含沙量，可得懸移質(zhì)泥沙的不平衡輸沙方程為：

式中：α為恢復(fù)飽和系數(shù)；ωk為第k組泥沙顆粒的沉速；S?k為第k組泥沙挾沙力；qls為單位時間單位河長匯入（流出）的沙量。

將以推移質(zhì)運(yùn)動的泥沙歸為一組，采用平衡輸沙法計(jì)算推移質(zhì)輸沙率：

式中：qb為 單寬推移質(zhì)輸沙率；qb?為單寬推移質(zhì)輸沙能力，可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。河床變形方程：

式中：γ′為泥沙干重度。

采用有限體積法對前述數(shù)學(xué)模型的控制方程進(jìn)行離散，用SIMPLE算法處理流量與水位的耦合關(guān)系。在模型進(jìn)口給定流量和含沙量過程、出口給定水位過程作為定解條件。

1.2.2 水沙條件 為了分析不同來沙條件下泥沙淤積對河道沖淤的影響，本文設(shè)定未來黃河來沙3億t、6億t和8億t共3種情景?？紤]古賢水庫和現(xiàn)狀水庫的聯(lián)合調(diào)節(jié)作用，采用一維非恒定流水沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行古賢水庫以下黃河干流河道沖淤計(jì)算。經(jīng)過黃河小北干流河道、三門峽水庫、小浪底水庫的沖淤調(diào)整，3種水沙情景條件下進(jìn)入黃河下游的水沙特征值見表1。

表 1 不同水沙情景方案進(jìn)入黃河下游的水沙特征值Tab. 1 Characteristic values of runoff and sediment in different scenarios of water and sediment in the lower Yellow River

1.2.3 河道沖淤 數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的不同水沙情景下游河道沖淤情況見表2。自2017年開始計(jì)算，未來30年，在來沙3 億t情景下，下游河道年均沖刷5 103 萬t，各個河段均表現(xiàn)為沖刷；在來沙6 億t情景下，河道年均沖刷426 萬t，從分河段來看，除高村-艾山河段年均淤積1 298 萬t外，其他河段表現(xiàn)為沖刷；在來沙8 億t情景下，河道年均淤積3 125 萬t，從分河段來看，淤積主要發(fā)生在高村-艾山河段，占全河段淤積量的58.9%。

表 2 不同水沙情景下游河道沖淤Tab. 2 Erosion and deposition in the lower reaches of different water and sediment scenarios

2017—2067 年，在來沙3億t情景下，下游河道年均沖3 234萬t，除高村-艾山河段年均微淤94萬t外，其他河段表現(xiàn)為沖刷；在來沙6億t情景下，河道年均淤積806萬t，其中高村-艾山河段淤積量最大，年均淤積達(dá)1 216萬t；在來沙8億t情景下，河道年均淤積4 099萬t，從分河段來看，高村-艾山河段年均淤積1 718萬t，占全河段淤積量的41.9%。

總體來看，目前小浪底仍處于攔沙期，對下游仍有減淤作用，古賢水庫2030年建成生效后，與小浪底聯(lián)合調(diào)控水沙，在不同來水來沙條件下，都可在較長時間內(nèi)維持下游4 000 m3/s左右的中水河槽規(guī)模，并可使黃河下游河道淤積維持在較低的水平，為下游航運(yùn)發(fā)展提供非常有利的條件。

2 生態(tài)航道建設(shè)方案

根據(jù)以上黃河下游水沙條件與河道沖淤分析，結(jié)合黃河下游生態(tài)廊道建設(shè)總體規(guī)劃，以防洪保安全為前提，統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)境保護(hù)、綠色航道建設(shè)和沿黃經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，順應(yīng)下游灘區(qū)“洪水分級設(shè)防、泥沙分區(qū)落淤、灘槽水沙自由交換、三灘分區(qū)治理”的總體布局[9-10]，按照“控導(dǎo)主流、穩(wěn)定河槽、保護(hù)岸灘”的總體思路實(shí)施航道生態(tài)整治，打造出黃河下游長達(dá)800余千米的生態(tài)航道。通過“相機(jī)排沙減淤、適時挖河擴(kuò)槽”實(shí)現(xiàn)行洪輸沙通道和航運(yùn)通道的長期維持，最終可形成集防洪、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化、航運(yùn)等功能于一體的黃河下游河道生態(tài)體系。

2.1 航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

黃河下游生態(tài)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，按照已有航運(yùn)規(guī)劃，綜合考慮與京杭運(yùn)河和山東內(nèi)河水系聯(lián)通確定。1988年、1998年《黃河水系航運(yùn)規(guī)劃報(bào)告》提出，2030年前后，黃河下游航道標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Ⅳ級；《海河流域綜合規(guī)劃》將京杭運(yùn)河黃河北岸至天津段規(guī)劃為內(nèi)河Ⅲ級航道；《山東省綜合交通網(wǎng)中長期發(fā)展規(guī)劃》提出，構(gòu)建以京杭運(yùn)河、小清河、黃河、徒駭河航道“一縱三橫”為主骨架，配合國家開展京杭運(yùn)河黃河以北段復(fù)航。綜合考慮黃河水系規(guī)劃，和今后京杭運(yùn)河，以及山東內(nèi)河水系的聯(lián)通，下游生態(tài)航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)整體按照Ⅳ級航道，局部河段考慮與京杭運(yùn)河和山東內(nèi)河水系聯(lián)通，按照Ⅲ級航道建設(shè)。

2.2 主要措施

2.2.1 航道疏浚 當(dāng)前黃河下游250 m3/s左右的通航流量相應(yīng)河槽寬度已經(jīng)達(dá)到120～300 m，水深約達(dá)到1.0～2.5 m，只需要對通航河槽稍加整治即可滿足航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。但黃河下游存在“槽高、灘低、堤根洼”的斷面形態(tài)阻礙了灘槽水沙交換和物質(zhì)能量循環(huán)，是黃河下游二級懸河發(fā)育、防洪形勢嚴(yán)峻、生態(tài)系統(tǒng)脆弱的癥結(jié)所在，需要通過河槽疏浚消除二級懸河，重塑“槽低、灘高”的正向斷面形態(tài)。因此，對黃河下游河道進(jìn)行生態(tài)疏浚，即是黃河生態(tài)治理所需，又可滿足通航需求。

根據(jù)實(shí)測資料分析，黃河下游河道斷面存在V型和U型斷面兩種形態(tài)。在相同流量條件下，V型斷面疏浚后有利于提高排洪輸沙效果，U型斷面則有利于保障通航安全。綜合考慮，建議對中水河槽進(jìn)行疏浚，采用V型斷面，河相系數(shù)應(yīng)控制為6～10；對枯水河槽疏浚采用U型斷面，疏浚寬度不小于90 m?？紤]到黃河沖淤調(diào)整幅度大，疏浚后水深不小于2.0 m，典型疏浚斷面概化見圖3。疏浚后250 m3/s流量下水深達(dá)到3.3 m，滿足Ⅳ級航道通航水深要求。另外，對未來局部河段泥沙淤積形成的礙航段，可采用“挖河擴(kuò)槽”放淤方式，疏浚航道或礙航淺灘并輸送泥沙至灘區(qū)改造良田，通過泥沙綜合處理利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)航道的長期運(yùn)營。

圖 3 黃河下游典型疏浚斷面概化Fig. 3 Generalized diagram of a typical dredging section in the lower Yellow River

2.2.2 河勢控制 黃河下游河道經(jīng)過長期整治，中水流路已基本得到控制，但對長歷時的小流量過程適應(yīng)能力不足。為穩(wěn)定小流量流路，滿足通航要求，結(jié)合當(dāng)前河道整治工程總體布局，建議采用中水、小水兼治的航道治理措施，即：沿治導(dǎo)線修筑生態(tài)潛壩，潛壩與現(xiàn)有控導(dǎo)工程聯(lián)合穩(wěn)定小水流路。生態(tài)潛壩不僅對水流的流量、流速、沖淤平衡、環(huán)境外觀等影響最小，而且適宜于創(chuàng)造動植物生存和繁衍的多樣性生活空間。修筑的生態(tài)潛壩壩頂高程與現(xiàn)狀灘面齊平，以此增加小流量送流長度；大流量時，水流漫過生態(tài)潛壩，灘槽水沙可自由交換，開儀-裴峪河段小水流量整治示意圖見圖4。

圖 4 開儀-裴峪河段小水流量整治示意Fig. 4 Regulation schematic diagram under low flow of Kaiyi-Peiyu River section

控導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選擇最優(yōu)的生態(tài)水工技術(shù)，如采用生態(tài)磚、魚巢磚等土體生態(tài)工程技術(shù)，選用石籠席、天然材料墊、間插枝條的拋石、椰殼纖維捆、木框墻、三維土工網(wǎng)墊等生態(tài)構(gòu)件作為工程修筑的主要原料。生態(tài)潛壩的工程設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合水體功能區(qū)劃和周邊濕地建設(shè)情況，因地制宜地選擇潛壩類型，同時應(yīng)滿足通航、景觀、生態(tài)、游憩等多種功能需求。

2.2.3 礙航建筑物生態(tài)改造 浮橋一般以船體作為橋面支撐，屬航道阻斷構(gòu)筑物；跨徑不足的橋梁，如鄭州黃河公路大橋，跨徑只有30 m，年久失修，橋面通行能力差，已失去原有基本功能，均予以拆除。對不滿足通航凈空要求但仍發(fā)揮重要通行功能的橋梁，目前可通過技術(shù)手段對其提升改造，使其滿足通航所需的橋下凈空。

一些年代久遠(yuǎn)、以實(shí)用性為主的老橋，與周邊環(huán)境往往不太協(xié)調(diào)，且由于河勢變化，主流從通航孔跨范圍擺動至引橋橋跨范圍，導(dǎo)致現(xiàn)狀跨徑不能滿足通航要求?？筛鶕?jù)橋位河段河勢情況，通過修建河道整治工程或橋梁改建，將主流導(dǎo)向通航孔跨，并適當(dāng)增加橋面及橋下的綠化工程，打造橋梁伴生生態(tài)廊道，以降低橋梁對野生生物的脅迫效應(yīng)[12]。

表 3 下游沿黃城市航運(yùn)分級Tab. 3 Classification of shipping along the Yellow River downstream

2.2.4 碼頭建設(shè) 下游碼頭建設(shè)一方面要綜合考慮沿黃城市的自然資源稟賦和貨運(yùn)需求，另一方面要考慮環(huán)境敏感區(qū)的制約因素，碼頭選址應(yīng)避開國家自然保護(hù)區(qū)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)和水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)核心區(qū)，確需在水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)碼頭，須進(jìn)行專題論證，并采取嚴(yán)格的環(huán)保措施，避免對珍稀水生生物造成不利影響。綜合考慮以上因素，將沿黃城市規(guī)劃為一級航運(yùn)城市及二級航運(yùn)城市。一級航運(yùn)城市設(shè)觀光、貨運(yùn)兩類碼頭，二類級航運(yùn)城市主要考慮規(guī)劃觀光碼頭，在滿足下游貨運(yùn)需求同時，實(shí)現(xiàn)全線大河水上觀光。下游共規(guī)劃鄭州市、濟(jì)南市等12個一級航運(yùn)城市，洛陽市、聊城市等15個二級航運(yùn)城市，下游沿黃城市航運(yùn)分級見表3。下游共計(jì)規(guī)劃貨運(yùn)碼頭12個，旅游觀光碼頭27個，黃河下游碼頭規(guī)劃示意見圖5。

3 結(jié) 語

黃河下游河道持續(xù)沖刷，河槽已明顯恢復(fù)，最小平灘流量達(dá)4 300 m3/s，最小通航流量相應(yīng)水面寬度達(dá)120～200 m，水深達(dá)1.0～2.5 m；未來通過水沙調(diào)控體系的完善和聯(lián)合運(yùn)用，可在較長時間內(nèi)維持下游4 000 m3/s左右的中水河槽，具備一定的復(fù)航條件。在黃河下游生態(tài)廊道建設(shè)總體規(guī)劃基礎(chǔ)上，通過生態(tài)疏浚、河勢控制、礙航建筑物生態(tài)改造和碼頭建設(shè)等一系列有效舉措，黃河下游可打造成整體Ⅳ級、局部Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)航道。生態(tài)航道建設(shè)后，應(yīng)綜合運(yùn)用古賢、東莊等水沙調(diào)控工程，提升黃河下游河道和灘區(qū)治理效果，利用輸沙通道結(jié)合水沙調(diào)控相機(jī)“排沙減淤”，適時“挖河擴(kuò)槽”，解決航道淤積問題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)航道的長期運(yùn)營穩(wěn)定。

建議按照“統(tǒng)籌部署、先易后難、先通后暢、逐步提高”的原則，抓緊開展黃河下游生態(tài)航道建設(shè)規(guī)劃，加快推進(jìn)黃河下游生態(tài)航道建設(shè)，讓黃河成為造福人民的幸福河。