胡一三

(水利部黄河水利委员会 郑州 450003)

1 河道概况

黄河宁蒙河段位于黄河上游的下段,自宁夏中卫县南长滩至内蒙古淮格尔旗马栅乡,穿过25个县 (市、旗、区),长1203.8km,其中峡谷段长239.8km,库区段长94.5km,平原河段长869.5km。

两岸有著名的卫宁、青铜峡、内蒙古河套和土默特川灌区,两岸有效灌溉面积1145万亩。堤防保护范围内有耕地1175万亩,人口354.6万人,还有重要的引水灌溉工程、公路和铁路交通工程、高压输电和光缆通信设施、钢铁稀土等工矿企业,河段防洪安全关系西部大开发战略实施的进程。各河段的特性见表1。

表1 黄河宁夏内蒙古河段河道特性表

2 河道整治历程

黄河宁蒙河套平原是黄河流域开发较早的地区之一,引黄灌溉尤为发达。为了防止水害,历史上曾多次采取塌那护那的办法修建一些防护工程,防止塌失家园、耕地,保护渠首。5世纪就利用草土混合修筑拦水土坝,以后发展为草土护岸和草土逼水码头。明代天启年间(1621～1627),采用以石料筑丁坝挑流与顺坝护岸相结合的方法也收到了好的效果。清康熙四十八年(1709年),用柳囤内装卵石柴草修筑渠首工程。1933～1943年沿河主要县设河工处,专事防洪治河之事,表明已经较为普遍的修建了防护工程。

宁蒙河段有计划地进行河道整治从20世纪90年代后半期开始,采用微弯型整治方案,逐步修建河道整治工程,少部分河段已初步稳定河势,在防洪保安全和利于引黄供水方面发挥了作用。河道整治工程主要包括险工和控导工程。险工是指沿堤防修建的丁坝、垛、护岸工程,控导工程是指在滩地适当部位修建的丁坝、垛、护岸工程,控导工程与险工相配合,达到稳定河势的目的。

1998年前宁蒙河段仅有河道整治工程113处,坝垛1133道,且多为险工。1998年长江大水后,投资增加,加快了治理进度,至2007年底,共有河道整治工程142处,坝垛2195道,工程长度170.010km。

3 河道整治方案

3.1 河势变化

从控导河势的角度进行河道整治晚,工程少,河道整治工程的长度仅为河道长度的1/5左右,河势变化的幅度很大。

⑴石咀以上河段。刘家水库运用以来,河岸变化较大,仁存渡以上河岸相对变窄;仁存渡以下河岸展宽,1969年河岸宽500m～700m,1979年展宽至1200m～2700m。据1979、1989、1993年大断面套绘,仁存渡以上工程较多且为卵石河床,主流摆动范围为100m～600m;仁存渡以下主流摆动频繁,摆幅为300m～1500m。

⑵石嘴山以下河段。三盛公枢纽--三湖河口河段,河势变化快,主流摆动幅度大。历史上在后套平原一带,河道大幅度摆动、迁徙,幅度可达50～60km,从遗迹看,古河道以顺直型和微弯型为主。对照1994年和2004年河势图,黄淤1#～10#断面,主流摆动大的有3处,摆幅达3km;黄淤10#～24#断面,由1994年的宽浅散乱演变到出现数十个小河弯,这是小水坐弯所致;黄淤24#～38#断面,主流多摆动,但幅度小于1#～10#断面间的摆动幅度。

三湖河口--昭君坟河段,有大的孔兑汇入,暴雨洪水后,挟带的泥沙有时会淤堵黄河主槽。2004年与1994年相比,黄游39#～48#断面主流摆动范围2000m左右;黄淤48#～68#断面摆幅减小。

昭君坟以下为弯曲性河道,河势变化多表现为靠流部位的上提下挫,主流多在1500m范围内变化,孔兑入口处摆幅大,一般在2000m以内。

上述仅是20年内首尾2次河势的比较,在此20年间河势的游荡摆动范围要大于上述数值,一些河段还会明显大于上述摆动幅度。

3.2 河道整治的必要性

在河势演变的过程中,水流冲刷堤防时就需要抢险,当抢护的速度赶不上坍塌的速度时,就发生决口。宁蒙河段是凌汛严重的河段。多年的观测和研究表明,宽浅河道及畸形河弯易于卡冰结坝,需要通过河道整治,改善宽浅散乱河势,增加水深,防止畸形河弯,减少卡冰结坝,以利排凌。历史上洪灾频繁,近几十年来也常有发生。如:1981年宁夏中宁田家滩、吴忠陈袁滩、中卫刘庄及申滩堤防决口,内蒙古9段堤防决口;1993年2月乌拉特前旗金星乡白土圪卜段(166+850决口,12月磴口县南套子段(3+300)决口;1994年3月乌拉特前旗西柳匠段决口,3月达拉特旗乌兰段蒲圪卜堤防(271+400)决口;1996年3月达拉特旗乌兰乡新林场段(260+500)决口,3月达拉特旗解放滩二亮子圪旦决口;1998年3月包头土默特右旗团结渠口以上断堤50m;2003年9月乌拉特前旗大河湾段(245+500)决口;2008年3月20日杭锦旗独贵特拉奎素段2处(193+900及196+255)决口;等等。

主流摆动会冲毁取水口,或远离取水口造成引水困难甚至不能引水;河势大幅度变化会坍塌两岸滩地;既使主流在河道内摆动也会影响跨河桥梁的安全。

因此,在宁蒙河段为保证防洪防凌安全,有利灌溉供水,保护滩地,有利交通设施安全,必须有计划地进行河道整治,稳定主流,控导河势。

3.3 黄河下游河道整治的发展历程

历史上黄河下游曾修建过大量的防护工程,这些工程为沿堤修建的险工。

1949年汛期,在济南以下的弯曲性河段,由于河势变化,有40余处险工发生严重的上提下挫,有15处险工脱河,并增修了新险工。如济阳朝阳庄险工靠流部位下滑了2km,不仅造成塌滩、抢险,也使以下的葛家店险工等河势发生大幅度下挫,撵河抢险长达40余天,致使防汛十分被动。1949年汛期济南以下的被动抢险使人们认识到,即使在两岸堤距一般仅为1km～2km、河床中粘粒含量较多的窄河段,单靠堤防及沿堤修建的险工也是难以控制河势、减少防洪被动的,必须进行河道整治,稳定河势。

1950年选择因河势变化大量塌滩的河弯,试修控导护滩工程取得了效果。1951年在连续几个弯道进行控导河势试验,也达到了预期目的。1952～1955年修建了大量的控导护滩工程,与沿堤险工相配合,发挥了稳定河势的作用,这些工程又经受了1957、1958年大洪水的考验,达到了控制河势的目的。

过渡性河段,在总结弯曲性河段河道整治经验的基础上,采用以坝护弯、以弯导流的办法,1965～1974年修建了大量的河道整治工程,以后又经继建完善,取得了基本控制河势的效果。关于整治方案,黄河下游曾研究、实践过纵向控制方案、卡口整治方案,平顺防护方案、麻花型(∞型)方案和微弯型方案。微弯型整治方案是在黄河下游整治实践的基础上总结出来的,整治的效果表明是可行的。20世纪80年代前半期明确提出微弯型整治方案,并且形成了一套整治方法。

游荡性河段是最难整治的河段,总的讲外型顺直、沙洲众多,主流摆动频次高、幅度大。但就某一主流线而言,仍具有弯曲的外形、曲直相间的形式,只是位置及弯曲的状况经常变化而已。按照微弯型整治方案,在游荡性河段修建了部分整治工程,二十世纪90年代以来,加快了整治步伐,现已大大缩少了游荡范围,其中1/3的河段初步控制了河势。

黄河下游半个多世纪的实践表明,微弯型整治方案是符合黄河河情的好方案。

3.4 宁蒙河段的河道整治方案

宁蒙河段为冲积性河道,从长时段讲是淤积抬高的。河道纵比降均陡于0.1‰,其中下河沿以下的出山口河段为卵石河床,比降达0.8‰～0.6‰;冬季易卡冰结坝,造成严重凌情;河势变化速度快,幅度大,塌滩刷堤险情多,决口频繁,防洪任务重;河道整治以防洪、防凌为主要目的,兼顾引水、交通需要。与黄河下游相比,河道特性、水流形态,致灾抢险、整治目的等方面都是相似或相同的,不同的是宁蒙河段有计划地进行河道整治的时间晚,整治工程少。

1994年以前,宁夏修建的整治工程为被动防护,因险设工,塌那护那。天然河道具有曲直相间的外形,而修建的防护工程确没有考虑上下弯道的衔接,难以发挥控制河势的作用。1971年和1977年规划基本上采取的是“宽河摆动整治方案”,按此需要修建的工程长度基本上要达到治理河长的200%,工程量大,不能控制主流,常是此防彼险,防不胜防,加之投资所限,防洪安全问题仍十分突出。内蒙古河段修建的工程很少。

在90年代中期编制“黄河宁蒙河段1996至2000年防洪工程建设可行性研究报告”时,参照黄河下游河道整治经验,选用了微弯型整治方案。按此方案修建了部分河道整治工程、这些工程在控制河势中发挥了一定作用。

4 河道整治的工程措施

以防洪为主要目的的河道整治,分为河槽整治和滩地整治,主要为河槽整治。整治对象是中水。按照微弯型整治方案修建整治工程,必须选择整治流路,绘制治导线,确定整治工程位置线。

4.1 选择整治流路

在河势演变的过程中,河势流路会在两岸堤防之间变化,如用主流线表示一次河势情况,有些河段主流线会布满两岸堤防之间,但在这似无规律的主流线中,总可归纳出2～3条基本流路。在河道整治时,首先要选择基本流路。作为整治的中水流路应与洪水、枯水流路相近,能充分利用已有工程,对防洪、引水、护滩的综合效益较优。

4.2 绘制治导线

治导线的设计参数包括设计流量、设计水位、设计河宽、排洪河槽宽度及河弯要素。通过弯曲半径、中心角、河弯间距、直河段长度、弯曲幅度及河弯跨度来描述河弯形态。上述这些设计参数和河弯要素决定于来水来沙量及其过程、河道边界条件以及已经采取的工程措施等,要通过现场查勘及认真分析观测资料确定,必要时还要进行实体模型试验。在绘制治导线时,除进行上述工作外还要充分考虑上下游、左右岸国民经济各部门对河道整治的要求,才能绘出较为合理的治导线。需要说明的是,随着时间的推移国民经济各部门对河流提出的要求会发生变化,人们对河流的认识水平也会深化,数年之后对治导线进行修订也是正常和必要的。

4.3 确定整治工程位置线

每一处河道整治工程坝、垛头的连线,称为整治工程位置线,简称工程位置线或工程线。它依据治导线而确定,多采用复合圆弧线,其上段加大弯曲半径或以切线形式退离治导线,以利"藏头";中段采用较小的弯曲半径,以利在较短的工程段内改变水流方向;下段的弯曲半径比中段稍大,以利送流出弯。

4.4 修建整治工程

确定整治流路、治导线、工程位置线后,依照投资力度,分批修建整治工程,以达控导主流、稳定河势。部分河段进行了实体模型试验,布设河道整治工程后,对河势的约束作用明显加强,表明按照规划治导线对工程进行布局是必要的。

对于沙质河床段,在工程靠主流后,借助水流的冲刷作用即可较快地调整河势。对于下河沿以下的卵石河床,水流调整河势的速度慢,长期靠工程控导,按照“以坝护弯,以弯导流”的原则修建整治工程,控导河势;整治初期,辅以塞支强干,堵塞一些小股汊道,强化选取的汊道,并浚通治导线经过的卵石滩,即可较快地达到控导河势的目的。

5 河道整治的初步效果

目前按照规划治导线修建的河道整治工程数量很少,但在修建工程较多的部分河段,已经取得了初步控制河势的效果,举例于后:

⑴宁夏马滩至石空湾河段。该河段左岸相应桩号为46+000～59+000。1979年心滩众多,水流散乱,主流偏左,河岸宽 400m～1900m。至1990年,河势变化,心滩下移,主流右移100m～700m,河岸宽250m～1200m 。1998年后,自马滩至石空滩6个弯道,修建了6处控导工程,长度达规划长度的72%,并修建了黄平湾锁坝,开挖了引河,现规划流路已经形成,所建工程基本靠流,初步控制河势,改变了多年一直被动抢险的局面,解决了泉眼山泵站和宁夏扶贫扬黄灌溉水源泵站引水困难问题。

⑵宁夏细腰子拜至梅家湾河段。该河段在青铜峡枢纽以下,相应堤防左岸桩号为2+000～27+000。细腰子拜是历史上有名的老险工。1979年,心滩多,流势散乱。至1990年左岸边滩向右下移,细腰子拜险情移向下游,侯娃子滩被切成两半,致使三闸湾和右岸秦坝关险情不断。该段按照治导线涉及5个河弯。近些年采用以坝护弯、以弯导流的办法在左右岸连续的5个弯道修建整治工程,工程长度达规划规模的59%。通过整治工程控导主流,初步稳定了河势,使长期处于被动抢险状态的细腰子拜、秦坝关、三闸湾险段基本解除了险情。

⑶内蒙古三岔口至南圪堵河段。该段位于昭君坟以上的黄淤62#～66#断面之间,由三岔口至羊场到南圪堵是3个连续弯道。1999～2002年按照规划治导线修建3处整治工程,长3.8km,对河势变化起到了约束作用,摆动幅度缩窄,塌岸危及堤防的险情减少。从深泓点的摆动幅度看,60～80年代为-12～-2980m,而近期仅为-56～988m。目前,由于上游右岸四村险工段尚未治理,三岔口险工靠流位置上堤下挫幅度仍较大。

⑷内蒙古解放营子至丁家营子河段。该河段位于镫口(包头市东河区供水取水口)上下,黄淤84#～90#断面之间,自上而下依次有解放营子、官地、黄牛营子、新河口、丁家营子 6个弯道,河段长36km。目前左右岸已修建工程长10.04km(约相当于河道长度的30%),该河段河势已趋向稳定,堤防防守有重点,同时改变了取水口经常脱河难以取水的状况,保障了东河区供水取水口和镫口扬水站取水口顺利取水。深泓摆动幅度由原来的5～ -1010m缩小到目前的29～-697m。

不难看出,在宁蒙河段尽管已修建的河道整治工程还很短,但在按照微弯型整治方案修建整治工程相对较多的部分河段,减少了河势变化范围和摆动强度,初步控制了河势,基本达到了河道整治的目的。

6 整治任务仍很艰巨

宁蒙河段至2007年底有河道整治工程142处,总长177.010km,坝垛2195道。其中险工65处,长86.716km,坝垛 1078道;控导工程 77处,长93.784km,坝垛1117道。宁蒙河段平原河道长869.5km,两岸河道整治工程长度仅相当于河道长度的1/5。按照微弯型整治方案,两岸整治工程长度相当于河道长度的80%～90%时,一般可以基本控制河势。若按两岸均沿堤防护而言,险工长度会接近河道长度的2倍,或者说接近两岸堤防长度之和。因此,宁蒙河段河道整治的任务是很艰巨的,只能加速河道整治步伐,分清轻重缓急,由易到难,逐步实施。

1 胡一三,张原峰.黄河河道整治方案与原则[J].水利学报,2006,(2):127-134.

2 黄河宁夏河段近期防洪工程建设可行性研究报告[R].银川:宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司,2009年9月.

3 黄河内蒙古河段近期防洪工程建设可行性研究报告[R].呼和浩特:内蒙古自治区水利水电勘测设计院,2009年9月

4 黄河宁蒙河段近期防洪工程建设可行性研究报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司,2008年5月.