著名水利专家张金良提出黄河防汛“六策”

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日期:2021-11-24 15:08:02    来源:科技日报    

科技日报记者 乔地

今年8月下旬以来,受秋季强降雨影响,黄河干流及支流渭河、伊洛河、沁河、汾河、北洛河、大汶河接连涨水,花园口站天然洪水总量249亿立方米,洪水历时47天,洪水场次之多、量级之大、历时之长,历史罕见,形成了新中国成立以来最严重的秋汛洪水。汛情发生后,水利部黄河水利委员会职工和群众防汛队伍近4万人日夜坚守,通过精准调度、科学防控、查险抢险,使黄河下游滩区189万群众、340万亩耕地免遭漫滩洪水损失,140万群众避免应急搬迁,得以安然过冬。

总结今年的黄河防汛,近日,著名水利专家、黄河勘查勘测设计院院长张金良提出黄河防汛“六策”,并从科普角度,向科技日报记者介绍了黄河防汛的“异”“难”“短”“重”,以期让社会各界了解、理解、重视、关心黄河安澜。

张金良表示,黄河防汛,明显不同于清水河流。黄河洪水含沙量高,是典型的水沙二相流。在防汛的各个环节,清水河流防汛像解一元多次方程,可通过降次的方法求得方程精确解;而黄河防汛,既要防水还要防沙,在水沙预报、测验、调度、洪水演进、河势演变等方面,均要水沙统筹考虑,就像在解二元多次方程,难以寻求精确解。

黄河水沙两相流运动

黄河上中下游分界图

黄河防汛之“异”

张金良说,黄河防汛与其他江河的不同,主要体现在四大方面。

一是既要防水又要防沙,是水沙两相流防汛。黄河下游水患灾害表象在洪水,根子在泥沙。黄河平均年输沙量16亿吨,为世界大江大河之冠,洪水期水流的泥沙含量往往大于300千克每立方米,中游支流最大含沙量最高达1600千克每立方米。这样高的含沙量水流,往往造成河床快速淤积、河势游荡多变。因此,在洪水调度过程中,既要防御化解洪水威胁,还要考虑减少河道淤积。

二是动床防汛。一般的清水河流,在水流作用下河道河床变形较小;而黄河防汛面临的是动床边界条件,河道在高含沙水流的作用下,床沙迅速交换、河床冲淤变形剧烈。上游宁蒙河段、中游小北干流河段、下游河道均为典型的冲积性河段,河势游荡多变,岸滩变迁“三十年河东、三十年河西”,往往同流量不同水位,同水位不同流量。高含沙洪水不仅对水工建筑物发电、引水造成巨大威胁,而且容易引发“揭河底”“洪峰增值”“假潮”等异常现象。

黄河“揭河底”现象

三是悬河防汛。下游河床高于背河地面4-6米,局部达10米以上,一旦发生较大洪水导致堤防决口,势能巨大,难以堵复。历史上洪水波及范围,可北抵天津、南达江淮,面积达25万平方千米。黄河下游目前已建成标准化堤防,大洪水漫滩堤防漫决风险已然消除,但因河势变化叠加“二级悬河”引发洪水冲决的风险依然很大。控导工程是黄河下游防汛的另一道防线,可约束主流摆动范围、护滩保堤。保障控导工程不跑坝、稳定发挥控导作用,是黄河防洪的关键。

黄河堤防与控导工程

四是防桃伏秋凌四汛。由于独特的地理位置,黄河常有桃、伏、秋、凌四汛要防,几乎贯穿全年。桃汛一般发生在三月,伏汛在七八月间,秋汛在九十月间,凌汛多发生在十二月至次年二三月间。随着干流水利工程的拦蓄与调节,桃汛洪水已无灾害威胁,目前对防汛威胁最大的是伏秋大汛和凌汛。

黄河防汛之“难”

张金良认为,“多沙河流”给黄河防汛带来许多难题。

一是洪水泥沙预报、预警难。黄河流域降雨-产汇流-产汇沙过程,影响因素众多,水沙相互作用关系复杂,沙峰与洪峰不同步,呈现非线性关系,“洪水+泥沙”的预报内容及难度成倍增加。加之目前黄河水沙变化机理和产水、产沙机制等许多关键问题仍未厘清;浑水密度差异、重力作用等对洪水演进的影响尚未被充分揭示等,给黄河洪水泥沙预报预警带来非常大的随机性和不确定性,产汇沙预报预警迄今未见成熟技术。

二是水库调度难。由于黄河的高含沙和大输沙量等特性,水库的泥沙淤积和库容损失问题严重。汛期洪水含沙量大,水库滞蓄洪水后,发生大量淤积,造成出库洪峰、洪量减小、出库含沙量降低,泄流过程和清水调洪相比差距较大,水库运用必须同时考虑调水和调沙问题,在保证防洪安全前提下,保持水库长期有效库容、平衡年度和年际间泥沙冲淤变化影响。随着水库规模化及流域化,防汛调度的时间和空间尺度增大,调度目标任务逐步向流域防洪防凌减灾、水量时空调节分配、水沙调控、能源保障、维护流域生态平衡及改善水生态环境等多目标综合调度转变。

三是水沙测报难。黄河水文测报,既要测水又要测沙,而沙要素的测验难度极高。洪峰和沙峰往往不同步,导致沙峰准确测验难;缺乏泥沙含量、颗粒级配在线测验技术,导致及时测验难;河道冲淤变化大,导致断面测验频次高且难等。

四是产汇流、调度模型开发难。由于水沙二相流演进机理尚需深入研究,流域下垫面变化剧烈,面上水利工程影响大,洪水泥沙产汇流模型精度有待提高。随着信息技术的高速发展和洪水调度业务需求的不断提高,黄河现有的洪水调度系统难以满足干支流水库群精准化、精细化调度要求,也不能支撑对多种水库调度方案即时响应的要求。特别是河口镇至潼关区间洪水含沙量一般较大,浑水与床面的交换通量相对于过水面积的变化率不是一个低阶量,此时大多数建立在低含沙量基础上的数学模型不再适用,但浑水调度尚无成熟模型。此外,现有洪水调度系统与预报系统耦合度较低,难以满足洪水预报调度一体化的需要。

五是防汛抢险难。黄河下游槽高、滩低、堤根洼的二级悬河的河道形态,目前仍未明显改善,防洪工程和非工程措施仍不完善,遇超标准洪水时河床冲淤变化剧烈,河势变化剧烈,加之防汛抢险群防队伍组织难、抢险队员经验不足、抢险物资设备保障程度低、抢险手段落后等问题,给黄河防汛抢险带来巨大挑战。

黄河防汛之“短”

黄河下游防洪工程体系图

张金良认为,黄河防汛短板,可概括为上拦不全、下排不畅、中滞难用、分洪不全等。

一是上拦工程的短板。黄河干流已建成龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底四座控制性骨干工程。但龙羊峡、刘家峡水库距离宁蒙河段远,凌汛期出库流量演进至内蒙古河段时间长达6-15天,难以及时准确调控封河流量、凌洪流量,海勃湾水库调节库容小,对凌汛过程的调控能力不足,同时龙羊峡、刘家峡水库汛期大量蓄水带来的负面影响难以消除,造成宁蒙河段水沙关系恶化、河道淤积加重、主槽严重淤积萎缩形成“新悬河”,对中下游水沙关系也造成不利影响;中下游现有的万家寨水库库容小,三门峡水库运用水位低,缺少控制性骨干工程分担大洪水,防洪库容不足;小浪底至花园口区间尚有1.8万平方公里无工程控制区,该区域100年一遇洪峰流量12000立方米每秒,由于紧邻黄河下游,洪水预见期短,预报难度大,一旦发生暴雨洪水,洪水演进速度快,下游将迅速漫滩,滩区群众撤退保安措施难以从容实施,防洪形势异常严峻。

黄河水沙调控体系工程图

二是下排工程的短板。黄河下游“二级悬河”的不利河槽形态没有得到根本改善,河道整治工程不完善,高村以上游荡性河段河势未得到有效控制。“横河”和“斜河”时有发生,如裴峪工程附近、三官庙工程附近的河势。

三是滞洪工程的短板。黄河下游艾山以上宽河段相当于一个巨型滞洪水库,滞洪库容可达30多亿立方米。宽河段因受人水混居、“二级悬河”反向断面、滩区空间布局不合理等方面影响,使宽滩区河段蓄滞洪、蓄滞沙、水沙交换等功能受阻。

东平湖分洪退水通道

四是分洪工程的短板。主要是东平湖蓄滞洪区安全设施建设落后,避洪设施少、标准低,湖区撤退道路不足,新湖区缺少靠船码头和救生船只,无法保证蓄滞洪期间群众的生命财产安全,影响滞洪区分洪运用。沁北自然溢洪区等局部临时滞洪区域内人口多,转移撤离难度大。伊洛河夹滩自然滞洪区滞蓄功能逐渐消失。

黄河下游临黄大堤上现有引黄涵闸94座,分洪、分凌闸8座,退水闸5座,直接涉及堤防和分滞洪区的安全。随着黄河下游河道冲淤变化和穿堤建筑物使用年限的增加,闸门设施、设备老化,防洪能力逐渐降低。根据穿堤建筑物稳定分析,有37座涵闸不能满足防洪要求。

五是上游防凌的短板。黄河上游防凌重点主要在内蒙古河段。2008年内蒙古河段凌汛决口后,规划建设了六个应急分凌区。但目前只有乌兰布和、河套灌区及乌梁素海两个较大的分凌区,能够正常启用;另外四个规模较小的分凌区,有的目前还未建设完工,有的达不到原设计分洪分凌能力。此外,还有制约凌汛防御工作的科学技术问题,包括黄河冰凌演变机理研究薄弱,凌情信息获取难、冰凌预报技术不成熟,防凌调度理论与技术体系不完善,破冰减灾技术安全隐患大等。

内蒙古河段应急分洪区位置示意图

黄河防汛之“策”

一要完善“上拦”。尽快完善黄河水沙调控体系建设,尽早开工建设古贤水利枢纽,利用其独特的地理位置优势,发挥调控水沙、调蓄水资源等综合作用,和小浪底等水利枢纽联合运用形成洪水泥沙调控子体系,以解下游防汛之危。及时开工建设碛口、黑山峡水利枢纽,研究建设桃花峪水库,协调黄河水沙关系,合理配置水资源,从根本上夯实黄河长治久安的工程基础。还要尽快迁安“上拦工程”的库区移民,组织编制库区移民安置规划,完成三门峡、故县、陆浑三个水库库区移民安置方案,实施移民搬迁,恢复水库全部防洪功能。

二要通畅“下排”。完善流域河防工程体系,出台泥沙处理、利用措施的总体布局和实施方案,进一步研究恢复和维持下游河道中水河槽的方案和措施,科学调控水沙,提高河道排沙能力,控制下游河道淤积,恢复并维持中水河槽的排洪输沙能力。

三要恢复中滞。加强河道整治工程建设,控制高村以上游荡性河势。根据滩区滞洪沉沙、生产生活、生态保护等功能需求,因滩施策,开展河道防洪与生态协同治理,将滩低槽高反向断面改造为滩高槽低正向断面,实现“洪水分级设防、泥沙分区落淤、滩槽水沙自由交换”,逐步恢复下游滩区滞洪、沉沙、行洪、沉沙落淤、水沙交换能力。

四要健全外分。加强东平湖滞洪区安全建设,解决北排不畅、南排不通问题。结合区内群众生产生活、地方发展诉求,优化东平湖滞洪区防洪工程布局及运用方式,解决金山坝以西防洪运用难题。研究复核东平湖分洪能力。减少南水北调对滞洪区的不利影响。建立由黄河流域、南水北调、航运等部门参加的东平湖进出水量调度协商机制,实现南水北调数据与黄河水量管理系统实时对接,加强对入湖出湖水量的有效管理。

五要提升预警预报能力。加强“四预”和水工程调度。加强水文信息化和测报能力建设,建立完善重要地区暴雨洪水预报模型,进一步延长水文预报期,提高预报精度;加强水库调度技术研究,探索新的气象、工程条件下水沙联合调度模式。实施干支流重要控制性水库防汛统一调度,提高水库群调度精准水平,发挥水库群在防洪减淤、水资源综合利用中的整体作用。引进先进防汛装备,加快防洪工程安全监测建设,加强工情险情灾情信息采集,进一步提升水旱灾害防御应急保障能力。

六要提升抢险救灾能力。加强水旱灾害防御管控能力建设。建立专业化与社会化相结合的应急抢险救援队伍,健全防汛应急抢险和抗旱物资储备体系,完善防汛抗旱应急预案,提高防汛抗旱现代化管理水平,积极应对黄河防汛抗旱“灰犀牛”事件。增强忧患意识,加强洪水风险管理,加强历史大洪水应对战略研究;加强流域洪灾、凌灾发生机理和成灾机制研究和巨灾应对措施研究,探索黄河水旱灾害防御新技术,防范化解“黑天鹅”事件重大风险,提升水旱灾害防御现代化水平。

黄河防汛之“重”

张金良说,下游是黄河防汛重中之重。黄河水灾最严重的在下游,集中表现为频繁的决口泛滥和河流改道,决口频次高,淹没面积广,水淹沙压灾情重,经济损失大。一旦破堤决口后,往往不再回归原河道,而走新辟的河道入海,形成河流改道,冲毁村舍田园,破坏原有水系和交通设施等。当前,黄河下游在不发生重大改道的条件下,现行河道向北决溢,洪水泥沙灾害影响范围包括漳河、卫运河及漳卫新河以南的广大平原地区;现行河道向南决溢,洪灾影响范围包括淮河以北、颍河以东的广大平原地区。黄河洪水泥沙灾害影响范围,涉及冀、鲁、豫、皖、苏五省的24个地区(市)所属的110个县(市),总面积约12万平方公里,耕地1.1亿亩,人口约9064万人。就一次决溢而言,向北最大影响范围3.3万平方公里,向南最大影响范围2.8万平方公里。

黄河下游堤防决溢可能波及范围

张金良还说,上游河段的防洪问题,在历史上也比较突出。兰州河段自明代至1949年间有记载的大洪灾有21次之多;宁夏河段自清朝至1949年,有记载的大洪灾有24次,同期内蒙古河段发生大洪灾13次。目前,由于工农业用水增加和上游水库大量拦蓄汛期水量,使进入宁蒙河段的水沙关系恶化,造成河道淤积抬高、主槽淤积萎缩、行洪能力下降,宁蒙河段已成为黄河干流又一段“地上悬河”。河道淤积,将使现状河防工程的防洪标准不断降低,河道形态恶化又导致主流摆动,严重威胁河防工程的安全。

此外,张金良说,“黄河防汛之‘重’,还有保障黄淮海平原防洪安全、传承弘扬保护黄河文化、实现中华民族伟大复兴的重要意义。”

(文中图片均由受访者提供)

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