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摘 要：近年來，黄河小北干流主流河势游荡多变，滩槽水沙交换不畅，滩岸坍塌及河段生态环境等问题依然突出。为了更好解决这些问题，促进黄河小北干流河段的生态保护和高质量发展，提出了系统性的黄河小北干流河道整治方法。该河道整治方法主要由河道形态变化分析、工程布局及河道整治标准研究、回淤口工程布置及优化研究、生态补偿研究4个部分组成;采用“就岸防护”与“平行治导控制线”的方式修建河道整治工程，由被动防护转变为主动防御，达到归顺河势、限制主流游荡多变的目的;通过降低河道整治工程高程和优化回淤口布局改善滩槽水沙交换不畅的问题;最后创新性地提出生态鸟岛的概念，为改善浅滩湿地生态环境、促进黄河小北干流生态健康发展提供新的治理思路。
关键词：生态保护和高质量发展;河道整治;水沙交换;回淤口优化;黄河小北干流
中图分类号：TV85;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.012
引用格式：刘杨，王建利，杨航.新时期黄河小北干流河道整治方法研究[J].人民黄河，2021，43（9）：64-69.
Study on River Regulation Methods of Xiaobeiganliu Reach of the Yellow River in the New Era
LIU Yang， WANG Jianli， YANG Hang
（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）
Abstract： In recent years， the main stream regime of the Xiaobeiganliu reach of the Yellow River is wandering and changeable， the water and sediment exchange relationship between the shoal and channel is not smooth， the bank collapse and the ecological environment of the reach are still prominent. In order to solve these problems and promote the ecological protection and keep high-quality development of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River， this paper systematically put forward the river regulation methods of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River. The river regulation method was mainly composed of four parts： analysis of river morphology change， research on engineering layout and river regulation standard， research on layout optimization of silting outlet project and ecological compensation measures. In the river regulation method， the way of “shore protection” and “parallel control line” was adopted to construct the river regulation project， which changed from passive protection to active defense， so as to achieve the goal of conforming to the river regime and limiting the wandering of the mainstream. By reducing the elevation of the river regulation project and optimizing the layout of the silting outlet， the problem of poor water and sediment exchange between the shoal and the channel was improved. Finally， the concept of ecological bird island was put forward innovatively， which provided a new management idea for improving the ecological environment of shoal wetland and promoting the ecological healthy development of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River.
Key words： secological protection and high-quality development; river realignment; water-sediment exchange; optimization of siltation outlet; Xiaobeiganliu reach of Yellow River 黄河小北干流系中游禹门口至潼关河段，为晋、陕两省的天然界河，河段全长132.5 km。该段黄河河道宽浅，水流散乱，泥沙大量淤积，主流游荡多变，历史上素有“三十年河东，三十年河西”之说，属淤积性游荡型河道。此外，黄河小北干流北接晋陕峡谷，南临三门峡河谷，是黄河进入下游河段前最后一段宽河道河段，其自然滞洪沉沙作用明显，是黄河干流利用滩区落淤处理泥沙的重要河段;同时小北干流河段涉及2处省级自然保护区、2处国家级风景名胜区以及3处国家级水产种质资源保护区，生态环境地位突出。
20世纪80年代，小北干流开始进入规范统一的河道治理时期，修建了大量河道整治工程[1]。近期《黄河禹门口至潼关河段近期治理工程可行性研究报告》中的治理工程实施完成后，两岸已有河道整治工程36处，工程长度166.244 km，坝垛1 066道。这些河道整治工程的实施使河势变化趋缓，游荡范围得到控制，但近年来依然存在河势游荡多变、滩槽水沙交换不畅、滩岸坍塌及生态环境亟须修复等问题，河道整治方法需要进一步优化，河段治理效果需要进一步提升。
目前对黄河小北干流治理的研究主要集中在单一的河势演变分析[2-3]、水沙变化与冲淤分析[4-7]、河道整治措施研究 [8-9]、河流生态保护研究[10-11]等4个方面，针对系统性的河道整治方法研究较少。此外，黄河小北干流水少沙多，这一基本特征短期内不会发生较大变化，预示着黄河小北干流的治理是长期且系统性的。现阶段黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家重大战略，在这一背景下，系统地研究既能满足防止滩岸坍塌、改善流路的工程需求，又利于滩槽水沙交换、发挥该河段滞洪沉沙的作用，同时不改变黄河与湿地水力联系的河道整治方法，对促进黄河小北干流的生态保护和高质量发展具有重要的现实意义。
1 黄河小北干流河道整治方法框架
通过对黄河小北干流河道治理情况的分析，考虑黄河小北干流河道整治面临的长期性与系统性特征，在新时期背景下提出黄河小北干流的河道整治方法，见图1。该方法包含3个层次，分别是理论层、技术层与实践层。理论层为该河段河道整治方法提供重要的研究基础和理论支撑。技术层是该方法的核心，主要包含4个部分，分别是河道形态变化分析、工程布局及河道整治标准研究、回淤口工程布置及优化研究和生态补偿研究。基本思路是：首先对黄河小北干流的水沙关系与河势演变进行研究，并分析未来河道的冲淤及形态变化;其次对河道的整治标准进行研究，确定适应现状与未来河道变化的整治流量;然后以河道形态变化与河道整治流量为基础，考虑生态保护要求，对河道整治工程布局进行研究，并考虑河段滩槽水沙交换，采取数值模拟方法进行回淤口优化布置研究;最后创新性提出适宜小北干流的生态保护措施。实践层是通过技术层的治理措施，使小北干流达到防止滩岸坍塌、改善河段河势、优化滩槽水沙交换、促进河道生态环境健康发展的目的。
2 整治方法分析
2.1 河道形态变化分析
黄河小北干流的形态变化受上游来水来沙及河道边界条件的影响较大[5-6]。近年来，随着黄河小北干流水沙条件的变化及河道整治工程的实施，河道冲淤及河势特性发生了一定变化。这些变化对黄河小北干流的河道整治思路及整治方法有较大影响，深入研究黄河小北干流的河道形态变化，对分析黄河小北干流河道整治措施具有十分重要的意义。
2.1.1 冲淤变化分析
三门峡水库建成后经历了不同的运行时期，分别为蓄水拦沙、滞洪排沙和蓄清排浑3个运用期。受三门峡水库不同运行方式及河段水沙变化的影响，黄河小北干流的河道冲淤在不同时段存在一定的差异性，见图2。
如图2所示，本次冲淤分析研究范围为冲淤断面C41—C68。根据实测断面资料统计，1960—1962年蓄水拦沙运用期内全河段淤积量为3.1亿m3;1962—1973年滞洪排沙运用期内全河段淤积量为14.8亿m3;1973—2015年采用蓄清排浑的水库运用方式，其中1973—1986年河段淤积量为1.1亿m3，1986—2002年河段淤积量为6.8亿m3，2002—2015年河段全线冲刷，冲刷总量为3.1亿m3。
根据实测数据，并结合图2分析河段冲淤情况。1960—1962年三门峡水库蓄水拦沙运用，这一时期水库回水超过潼关，导致潼关高程淤积抬高，小北干流河段开始大量淤积。1962—1973年，为减轻水库淤积，对水库进行了两次改建，但前期淤积较多，又遇到丰水丰沙年份，加上刘家峡水库1968年投入运用后改变了进入小北干流河段水量的年内分配过程（汛期水量减少，含沙量增加），导致这一时期河段仍以淤积为主。1973—2015年，三门峡水库开始以蓄清排浑方式运行，河段淤积情况逐步得到控制，其中：1973—1986年河段淤积量明显减少;1986—2002年龙羊峡与刘家峡水库的联合运用，改变了小北干流河段来水的年内分配过程，汛期来水量显著减小，非汛期水量变化不大，导致其淤积量明显增加;2002—2015年，受上游降雨量减少、水保措施增加、植被恢复等多方面因素的影响，进入小北干流的水沙都减少较多，这一时期河段呈现冲刷特性[5]。
自三门峡水库建成以来，黄河小北干流整体上呈淤积状态，但随着上游水沙关系及河道边界条件的变化，黄河小北干流河道呈现一定的冲刷趋势。
2.1.2 河势演变分析
按照河道特性，黄河小北干流分为上、中、下三段，上段为禹门口至庙前河段，中段为庙前至夹马口河段，下段为夹马口至潼关河段。经过《黄河禹门口至潼关河段近期治理可行性研究报告》和《黄河禹门口至潼关河段近期治理工程可行性研究报告》中两期系统治理，中段与下段的流路整体較为稳定，水流基本被控制在治导控制线内，因此主要对河势变化较大的禹门口至庙前河段进行河势分析。
河势的演变过程主要受到上游来水来沙及河道边界条件因素的影响。20世纪60年代，从来水条件看，汛期平均水量达到216亿m3，为长序列的1.7倍，水量偏丰，这一时期黄河主流出禹门口以后沿左岸天然节点大石嘴、小石嘴下行至汾河入汇口，而后沿左岸下行至庙前;20世纪70年代初，汛期平均来水量为110亿m3，水量偏枯，随着小石嘴工程和汾河口工程相继修建，黄河主流出禹门口后受到小石嘴工程和汾河口工程限制，导向右岸，自史代行河至南谢后又导向左岸下行至庙前;到20世纪80年代初，汛前水量平均维持在170亿m3左右，行河流路基本居中偏左。而后至20世纪80年代末，汛期平均水量达到174亿m3，主流出禹门口后沿桥南下行至下峪口，然后导向左岸，居中行河至庙前，主流基本控制在治导控制线内;20世纪90年代以来，小北干流整体来水偏枯，汛期平均水量仅为78.2亿m3，河势整体右摆，偏离了治导控制线。根据上述分析，禹门口至庙前河段存在大中水时主流靠左岸、小水时主流靠右岸的特点，同时小石嘴工程和汾河口工程的修建有效地限制了主流的摆动范围。 2.2 整治工程布局方案研究
近年来，黄河小北干流河段的来水来沙量减少较多，结合禹门口至庙前河段的河势变化规律，即大中水主流靠左岸、小水主流靠右岸的特点，从稳定主流、缩小摆动范围的目标出发对该河段进行工程布局。在禹门口至庙前河段修建下峪口下延工程和西范下延工程，治理工程实施后，下峪口下延工程可将主流挑向左岸的西范下延工程，由西范下延工程导向南谢工程，而南谢上延及下延工程也可顺利将主流过渡至对岸庙前工程。工程的实施，顺应了上游水沙变化规律，也可以使河势得到更有效的控制，流路也更加归顺。
目前，黄河小北干流的工程布局有两种方式，一种是平行治导控制线修建工程，另一种是采用就岸防护的方式。平行治导控制线修建工程可在防治高岸、滩地坍塌的同时有利于稳定河势，减缓主流游荡多变的形势，有利于滩区土地利用，经济效益明显，但在现状河势与治导控制线偏离较大的河段，控制性工程的建设有可能对现状河势有较大影响。采用就岸防护的方式，工程措施目的明确，可有效防止堤防、滩地冲刷，不需进行方案比选及论证，但是无控导河势的作用，在洪水抢险时没有预见性，属被动抢险。
根据黄河小北干流河段在黄河治理中的功能定位，从河势控制、滞洪沉沙、生态保护、社会稳定等方面综合分析，结合实际采用就岸防护与沿治导控制线布置相结合的方式进行工程布局。在河势与治导控制线吻合较好的河段，沿治导控制线平行布置;若现状河岸距高岸较近或紧靠高岸，亦可采取就岸防护形式。
2.3 河道整治标准研究
小北干流河段治理要处理好塌岸防治与该河段滞洪沉沙作用的关系，从利于小北干流滩槽水沙交换的角度出发，对布局的河道整治工程标准进行研究，主要包含工程整治流量研究及工程设计标准分析。
2.3.1 整治流量研究
在实际应用中，中水整治流量常采用造床流量。本次主要研究小北干流段的造床流量，分别采用马卡维耶夫法、经验公式法计算，并分析小北干流平滩流量变化情况后综合确定。
（1）马卡维耶夫法。造床流量包括造床强度和历时，造床强度与水流输沙率有关，而输沙率与Qm及比降J的乘积成正比，历时可用流量出现的频率P表示。QmJP最大值对应流量即造床流量，故此法称为最大输沙率法。计算公式为
Q=QmJP（1）
式中：Q为各级流量的平均值，m3/s;J为各级流量的相应比降;P为各级流量出现的频率;m由实测资料确定，本文取1.8。
龙门站为该河段的入口站，考虑支流汾河的汇入，流量数据采用龙门流量与河津流量之和。汛期多年平均流量采用两个序列：①实测序列1986—1997年汛期的多年平均流量;②考虑龙羊峡与刘家峡等水库的调节运用，对1919—1988年序列进行供需平衡计算，得出龙门及河津的汛期流量。实测序列和设计序列分析计算的造床流量均为2 000～3 000 m3/s。
（2）经验公式法。黄河水利科学研究院研究认为，平滩流量Q平与多年汛期平均流量Q汛有关，得出以下公式：
Q造=7.7 Q汛0.85+90Q汛0.33（2）
式中：Q造为造床流量，m3/s。
利用平滩流量经验公式计算造床流量所采用的序列仍然采用马卡维耶夫法中的序列。经计算，实测和设计序列计算的造床流量分别为3 230 m3/s和4 090 m3/s。
（3）小北干流平滩流量变化分析。小北干流的平滩流量与河道冲淤情况和上游水沙条件密切相关，根据以上对河道形态变化的分析，结合实测流量资料对不同时期的平滩流量进行分析。
20世纪60年代小北干流水量偏丰且汛期大流量级洪水持续时间长，平滩流量在大流量级洪水作用下维持在6 000 m3/s以上;20世纪70年代三门峡水库采用蓄清排浑方式以来，小北干流整体上为淤积状态，到20世纪90年代平滩流量减小为4 000 m3/s左右，到2003年平滩流量已经减小为2 600 m3/s左右;2003年以后上游来沙量减少较为明显，水流含沙量降低，小北干流出现冲刷趋势，到2018年河段平滩流量增大至4 000 m3/s左右。
小北干流河段來水来沙变化比较大，形成的造床流量变化也比较大，按照上述分析计算的造床流量的范围为2 000～4 000 m3/s。根据实测序列和设计序列各流量级出现的天数及来水来沙量综合比较，造床流量为4 000 m3/s较为合适。
2.3.2 工程设计标准分析
本研究的工程布局范围为禹门口至庙前河段。通常情况下控导工程的坝顶高程按整治流量相应水位或滩面高程加安全超高确定。目前，该河段控导工程标准较高，顶部高程明显高于滩面，发生超标准洪水时难以漫顶，影响滩槽之间的水沙交换，长距离工程处往往出现临背悬差，工程背河侧易形成盐碱土地。为了使滩槽水沙交换过程更加顺畅，保障临、背河侧的生态健康，需要在设计允许范围内尽可能降低控导工程的堤顶高程，并合理布置长距离的河道整治工程，在相邻河道整治工程连接处设置回淤口。
2.4 回淤口工程布置优化研究
为更好地说明回淤口布置形式及回淤口宽度布局的合理性和科学性，基于MIKE21模型对不同回淤口的水力过程进行数值模拟。控制方程采用有限体积法离散，空间项按照近似黎曼间断问题求解，时变项采用显格式求解。计算模型范围为小北干流禹门口至黄淤C62断面（庙前），模型计算采用三角形网格，对于模型范围内地形变化大、边界复杂及高出地面0.5 m的线状物沿线两侧的区域，网格适当加密。
2.4.1 回淤口工程布置形式优化
为了比较河道整治工程不同布置形式以及回淤口不同宽度对滩槽水沙交换、河势等的影响，针对不同工程布置形式设置了3个计算方案，见表1。
方案一仅考虑现状河道整治工程影响，还未规划下峪口下延工程，见图3。方案二在考虑现状河道整治工程的同时，规划新建的下峪口工程和西范工程沿治导控制线布设，见图4。方案三在考虑现状河道整治工程的同时，规划新建的下峪口工程和西范工程按斜坝布设，见图5。3个方案入口站为龙门站，出口为黄淤C62断面。漫滩洪水量级选取5 000 m3/s，采用1967年实测洪水作为设计洪水，洪峰流量为5 150 m3/s。 各方案规划的下峪口工程处的流场见图3～图5，可以看出，与无规划工程方案（方案一）对比，下峪口工程顺治导控制线布设方案（方案二）和斜坝方案（方案三）洪水均可以从工程空档处漫上滩地，不影响滩
槽水沙交换。方案二下峪口工程附近流速大部分在0.3～0.4 m/s之间，最大流速达到0.6 m/s左右;方案三下峪口工程附近流速大部分在0.4～0.5 m/s之间，最大流速达到0.6 m/s左右;方案二滩地平均流速小于方案三的，更有利于滞洪沉沙。与方案二对比，方案三规划的工程布置线与主流夹角较大，挑流作用明显。西范工程顺治导线布设方案与斜坝方案的水动力模拟结果与下峪口工程相似。
综合分析，方案二和方案三均不影响滩槽水沙交换，方案二滩地平均流速小于方案三的，更有利于滞洪沉沙，方案二顺治导控制线布设，对河势影响较小，因此该河段的河道整治工程顺治导控制线布设方案更为合理。
2.4.2 回淤口宽度优化
针对不同回淤口宽度对滩槽水沙交换、河势等造成的影响进行分析，设置了两个对比方案，即下峪口工程和西范工程回淤口设置间距200 m方案（方案四）和下峪口工程和西范工程回淤口设置间距500 m方案（方案五）。不同方案的流场模拟结果见图6～图8。
图6为下峪口工程处流场（第26 d）。已实施的下峪口工程回淤口宽约200 m，规划的下峪口工程回淤口宽约500 m，从流场分布来看，洪水均可以从回淤口漫上滩地，不影响滩槽水沙交换。
图7为近期已实施的下峪口工程回淤口处流场，回淤口处最大流速为1.1 m/s。图8为规划的下峪口工程回淤口处流场，回淤口处最大流速为0.6 m/s。可见，当回淤口宽度达到500 m时，回淤口处流速相对较小，引起局部冲刷的可能性减小，更有利于工程的稳定和防洪抢险。西范工程回淤口的流场与下峪口工程相似，即200 m与500 m的回淤口均不影响水沙交换，500 m的回淤口处流速相对较小，引起局部冲刷的可能性减小。
综合以上分析，方案二与方案五对滩槽水沙交换和工程自身安全更为有利，最终确定最优的回淤口布设形式为顺治导控制线布设，回淤口宽度为500 m。具体方案为防止塌滩、改善流路作用的控导工程采用沿治导控制线布设坝垛的布置形式，每1 000 m长度的控导工程预留500 m回淤口。
2.5 生态补偿研究
通过对禹门口至庙前河段的整治工程进行整体布局与优化，可以有效改善该河段的滩槽水沙交换条件与河势条件，对保持河道生态基本功能也具有积极作用。但是部分控导工程背水侧原本为浅滩湿地，控导工程建成后背水侧受到洪水侵袭的机会减少，使得原洪水漫溢区内的土地逐渐被开垦为农田。这些浅滩湿地往往是很多水鸟的栖息和觅食地，如果被开垦为农田，就会减少区域环境内的种群数量，对鸟类及其他物种的影响较大，因此需要对这些区域进行保护，使其继续发挥鸟类栖息地的功能，避免被农田取代。
本研究从生态角度出发，结合工程的布局优化提出了生态鸟岛概念，实施措施与工程示意见图9、图10。
黄河小北干流河道范围内主要是适宜水禽类栖息的草滩和泥滩，但适合猛禽类、鹭类、雀形目等栖息的林地较为缺乏。为此，生态鸟岛给喜欢在乔木上栖息的鸟类提供了更适宜的生境，作为对鸟类的生态补偿。
生态鸟岛主要分为两部分，分别为湿地围封子工程和林岛建设子工程。其中：湿地围封子工程将控导工程背水侧的浅滩湿地用围栏围封起来，避免被垦殖;林岛建设子工程在被围封的区域内，选择适当区域培植林地。由于控导工程有回淤口，洪水期这些区域依然可能被水淹没，为避免林地被淹，需要将拟建林地处用土垫高2 m以上，形成岛屿状。
生态鸟岛的建设符合新时期的治水思路与方针，是贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展的具体生态措施，对维护区域生态功能、保护物种多样性有重要的现实意义。
3 结 语
（1）本研究提出了黄河小北干流河道系统性的整治方法。该河道整治方法将河道形态变化分析、工程布局及河道整治标准研究、回淤口工程布置及优化研究、生态补偿研究4个方面相结合，是解决黄河小北干流主流河势游荡多变、滩槽水沙交换不畅、滩岸坍塌及河段生态环境恶化等问题的重要举措，是贯彻新时期治黄思路、落实黄河流域生态保护和高质量发展战略的实践和创新。
（2）黄河小北干流的河道形态变化分析结果表明，自三门峡水库建成运行以后的1960—2002年，黄河小北干流整体上呈淤积状态;2002—2015年，随着上游水沙关系及河道边界条件发生变化，黄河小北干流河道呈现冲刷趋势。禹门口至庙前河段的河势分析结果表明，该河段具有大中水时主流靠左岸、小水时主流靠右岸的河势变化特点。
（3）根据河道形态变化特点，对工程治理方案及整治标准进行了研究，创新性地采用了就岸防护与沿治导控制线布置相结合的方式进行河道整治，在河势与治导控制线吻合较好的河段沿治导控制线平行布置，在现状河岸距高岸较近河段采取就岸防护形式。经多种方法计算分析比较，河道整治流量采用4 000 m3/s，并提出通过降低河道整治工程頂部高程的方法来改善滩槽水沙交换不畅的问题。
（4）基于MIKE21模型对不同回淤口布置形式及不同回淤口宽度的水力过程进行了数值模拟。模拟结果表明，顺治导控制线布设方案与斜坝方案均不影响滩槽水沙交换，但是顺治导控制线布设方案的滩地洪水平均流速小于斜坝方案的，更有利于滞洪沉沙;此外，布置200 m与500 m的回淤口均不影响水沙交换，但500 m的回淤口处流速相对较小，引起局部冲刷的可能性更小。因此，回淤口采用顺治导控制线的形式布置，回淤口宽度采用500 m。
（5）从生态角度出发，结合工程布局提出了生态鸟岛的概念。生态鸟岛主要由湿地围封子工程和林岛建设子工程两部分构成，生态鸟岛的建设对维护区域生态功能、保护物种多样性有重要的现实意义。
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【责任编辑 许立新】
关键词：生态保护和高质量发展;河道整治;水沙交换;回淤口优化;黄河小北干流
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Study on River Regulation Methods of Xiaobeiganliu Reach of the Yellow River in the New Era
LIU Yang， WANG Jianli， YANG Hang
（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）
Abstract： In recent years， the main stream regime of the Xiaobeiganliu reach of the Yellow River is wandering and changeable， the water and sediment exchange relationship between the shoal and channel is not smooth， the bank collapse and the ecological environment of the reach are still prominent. In order to solve these problems and promote the ecological protection and keep high-quality development of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River， this paper systematically put forward the river regulation methods of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River. The river regulation method was mainly composed of four parts： analysis of river morphology change， research on engineering layout and river regulation standard， research on layout optimization of silting outlet project and ecological compensation measures. In the river regulation method， the way of “shore protection” and “parallel control line” was adopted to construct the river regulation project， which changed from passive protection to active defense， so as to achieve the goal of conforming to the river regime and limiting the wandering of the mainstream. By reducing the elevation of the river regulation project and optimizing the layout of the silting outlet， the problem of poor water and sediment exchange between the shoal and the channel was improved. Finally， the concept of ecological bird island was put forward innovatively， which provided a new management idea for improving the ecological environment of shoal wetland and promoting the ecological healthy development of Xiaobeiganliu reach of the Yellow River.
Key words： secological protection and high-quality development; river realignment; water-sediment exchange; optimization of siltation outlet; Xiaobeiganliu reach of Yellow River 黄河小北干流系中游禹门口至潼关河段，为晋、陕两省的天然界河，河段全长132.5 km。该段黄河河道宽浅，水流散乱，泥沙大量淤积，主流游荡多变，历史上素有“三十年河东，三十年河西”之说，属淤积性游荡型河道。此外，黄河小北干流北接晋陕峡谷，南临三门峡河谷，是黄河进入下游河段前最后一段宽河道河段，其自然滞洪沉沙作用明显，是黄河干流利用滩区落淤处理泥沙的重要河段;同时小北干流河段涉及2处省级自然保护区、2处国家级风景名胜区以及3处国家级水产种质资源保护区，生态环境地位突出。
20世纪80年代，小北干流开始进入规范统一的河道治理时期，修建了大量河道整治工程[1]。近期《黄河禹门口至潼关河段近期治理工程可行性研究报告》中的治理工程实施完成后，两岸已有河道整治工程36处，工程长度166.244 km，坝垛1 066道。这些河道整治工程的实施使河势变化趋缓，游荡范围得到控制，但近年来依然存在河势游荡多变、滩槽水沙交换不畅、滩岸坍塌及生态环境亟须修复等问题，河道整治方法需要进一步优化，河段治理效果需要进一步提升。
目前对黄河小北干流治理的研究主要集中在单一的河势演变分析[2-3]、水沙变化与冲淤分析[4-7]、河道整治措施研究 [8-9]、河流生态保护研究[10-11]等4个方面，针对系统性的河道整治方法研究较少。此外，黄河小北干流水少沙多，这一基本特征短期内不会发生较大变化，预示着黄河小北干流的治理是长期且系统性的。现阶段黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家重大战略，在这一背景下，系统地研究既能满足防止滩岸坍塌、改善流路的工程需求，又利于滩槽水沙交换、发挥该河段滞洪沉沙的作用，同时不改变黄河与湿地水力联系的河道整治方法，对促进黄河小北干流的生态保护和高质量发展具有重要的现实意义。
1 黄河小北干流河道整治方法框架
通过对黄河小北干流河道治理情况的分析，考虑黄河小北干流河道整治面临的长期性与系统性特征，在新时期背景下提出黄河小北干流的河道整治方法，见图1。该方法包含3个层次，分别是理论层、技术层与实践层。理论层为该河段河道整治方法提供重要的研究基础和理论支撑。技术层是该方法的核心，主要包含4个部分，分别是河道形态变化分析、工程布局及河道整治标准研究、回淤口工程布置及优化研究和生态补偿研究。基本思路是：首先对黄河小北干流的水沙关系与河势演变进行研究，并分析未来河道的冲淤及形态变化;其次对河道的整治标准进行研究，确定适应现状与未来河道变化的整治流量;然后以河道形态变化与河道整治流量为基础，考虑生态保护要求，对河道整治工程布局进行研究，并考虑河段滩槽水沙交换，采取数值模拟方法进行回淤口优化布置研究;最后创新性提出适宜小北干流的生态保护措施。实践层是通过技术层的治理措施，使小北干流达到防止滩岸坍塌、改善河段河势、优化滩槽水沙交换、促进河道生态环境健康发展的目的。
2 整治方法分析
2.1 河道形态变化分析
黄河小北干流的形态变化受上游来水来沙及河道边界条件的影响较大[5-6]。近年来，随着黄河小北干流水沙条件的变化及河道整治工程的实施，河道冲淤及河势特性发生了一定变化。这些变化对黄河小北干流的河道整治思路及整治方法有较大影响，深入研究黄河小北干流的河道形态变化，对分析黄河小北干流河道整治措施具有十分重要的意义。
2.1.1 冲淤变化分析
三门峡水库建成后经历了不同的运行时期，分别为蓄水拦沙、滞洪排沙和蓄清排浑3个运用期。受三门峡水库不同运行方式及河段水沙变化的影响，黄河小北干流的河道冲淤在不同时段存在一定的差异性，见图2。
如图2所示，本次冲淤分析研究范围为冲淤断面C41—C68。根据实测断面资料统计，1960—1962年蓄水拦沙运用期内全河段淤积量为3.1亿m3;1962—1973年滞洪排沙运用期内全河段淤积量为14.8亿m3;1973—2015年采用蓄清排浑的水库运用方式，其中1973—1986年河段淤积量为1.1亿m3，1986—2002年河段淤积量为6.8亿m3，2002—2015年河段全线冲刷，冲刷总量为3.1亿m3。
根据实测数据，并结合图2分析河段冲淤情况。1960—1962年三门峡水库蓄水拦沙运用，这一时期水库回水超过潼关，导致潼关高程淤积抬高，小北干流河段开始大量淤积。1962—1973年，为减轻水库淤积，对水库进行了两次改建，但前期淤积较多，又遇到丰水丰沙年份，加上刘家峡水库1968年投入运用后改变了进入小北干流河段水量的年内分配过程（汛期水量减少，含沙量增加），导致这一时期河段仍以淤积为主。1973—2015年，三门峡水库开始以蓄清排浑方式运行，河段淤积情况逐步得到控制，其中：1973—1986年河段淤积量明显减少;1986—2002年龙羊峡与刘家峡水库的联合运用，改变了小北干流河段来水的年内分配过程，汛期来水量显著减小，非汛期水量变化不大，导致其淤积量明显增加;2002—2015年，受上游降雨量减少、水保措施增加、植被恢复等多方面因素的影响，进入小北干流的水沙都减少较多，这一时期河段呈现冲刷特性[5]。
自三门峡水库建成以来，黄河小北干流整体上呈淤积状态，但随着上游水沙关系及河道边界条件的变化，黄河小北干流河道呈现一定的冲刷趋势。
2.1.2 河势演变分析
按照河道特性，黄河小北干流分为上、中、下三段，上段为禹门口至庙前河段，中段为庙前至夹马口河段，下段为夹马口至潼关河段。经过《黄河禹门口至潼关河段近期治理可行性研究报告》和《黄河禹门口至潼关河段近期治理工程可行性研究报告》中两期系统治理，中段与下段的流路整体較为稳定，水流基本被控制在治导控制线内，因此主要对河势变化较大的禹门口至庙前河段进行河势分析。
河势的演变过程主要受到上游来水来沙及河道边界条件因素的影响。20世纪60年代，从来水条件看，汛期平均水量达到216亿m3，为长序列的1.7倍，水量偏丰，这一时期黄河主流出禹门口以后沿左岸天然节点大石嘴、小石嘴下行至汾河入汇口，而后沿左岸下行至庙前;20世纪70年代初，汛期平均来水量为110亿m3，水量偏枯，随着小石嘴工程和汾河口工程相继修建，黄河主流出禹门口后受到小石嘴工程和汾河口工程限制，导向右岸，自史代行河至南谢后又导向左岸下行至庙前;到20世纪80年代初，汛前水量平均维持在170亿m3左右，行河流路基本居中偏左。而后至20世纪80年代末，汛期平均水量达到174亿m3，主流出禹门口后沿桥南下行至下峪口，然后导向左岸，居中行河至庙前，主流基本控制在治导控制线内;20世纪90年代以来，小北干流整体来水偏枯，汛期平均水量仅为78.2亿m3，河势整体右摆，偏离了治导控制线。根据上述分析，禹门口至庙前河段存在大中水时主流靠左岸、小水时主流靠右岸的特点，同时小石嘴工程和汾河口工程的修建有效地限制了主流的摆动范围。 2.2 整治工程布局方案研究
近年来，黄河小北干流河段的来水来沙量减少较多，结合禹门口至庙前河段的河势变化规律，即大中水主流靠左岸、小水主流靠右岸的特点，从稳定主流、缩小摆动范围的目标出发对该河段进行工程布局。在禹门口至庙前河段修建下峪口下延工程和西范下延工程，治理工程实施后，下峪口下延工程可将主流挑向左岸的西范下延工程，由西范下延工程导向南谢工程，而南谢上延及下延工程也可顺利将主流过渡至对岸庙前工程。工程的实施，顺应了上游水沙变化规律，也可以使河势得到更有效的控制，流路也更加归顺。
目前，黄河小北干流的工程布局有两种方式，一种是平行治导控制线修建工程，另一种是采用就岸防护的方式。平行治导控制线修建工程可在防治高岸、滩地坍塌的同时有利于稳定河势，减缓主流游荡多变的形势，有利于滩区土地利用，经济效益明显，但在现状河势与治导控制线偏离较大的河段，控制性工程的建设有可能对现状河势有较大影响。采用就岸防护的方式，工程措施目的明确，可有效防止堤防、滩地冲刷，不需进行方案比选及论证，但是无控导河势的作用，在洪水抢险时没有预见性，属被动抢险。
根据黄河小北干流河段在黄河治理中的功能定位，从河势控制、滞洪沉沙、生态保护、社会稳定等方面综合分析，结合实际采用就岸防护与沿治导控制线布置相结合的方式进行工程布局。在河势与治导控制线吻合较好的河段，沿治导控制线平行布置;若现状河岸距高岸较近或紧靠高岸，亦可采取就岸防护形式。
2.3 河道整治标准研究
小北干流河段治理要处理好塌岸防治与该河段滞洪沉沙作用的关系，从利于小北干流滩槽水沙交换的角度出发，对布局的河道整治工程标准进行研究，主要包含工程整治流量研究及工程设计标准分析。
2.3.1 整治流量研究
在实际应用中，中水整治流量常采用造床流量。本次主要研究小北干流段的造床流量，分别采用马卡维耶夫法、经验公式法计算，并分析小北干流平滩流量变化情况后综合确定。
（1）马卡维耶夫法。造床流量包括造床强度和历时，造床强度与水流输沙率有关，而输沙率与Qm及比降J的乘积成正比，历时可用流量出现的频率P表示。QmJP最大值对应流量即造床流量，故此法称为最大输沙率法。计算公式为
Q=QmJP（1）
式中：Q为各级流量的平均值，m3/s;J为各级流量的相应比降;P为各级流量出现的频率;m由实测资料确定，本文取1.8。
龙门站为该河段的入口站，考虑支流汾河的汇入，流量数据采用龙门流量与河津流量之和。汛期多年平均流量采用两个序列：①实测序列1986—1997年汛期的多年平均流量;②考虑龙羊峡与刘家峡等水库的调节运用，对1919—1988年序列进行供需平衡计算，得出龙门及河津的汛期流量。实测序列和设计序列分析计算的造床流量均为2 000～3 000 m3/s。
（2）经验公式法。黄河水利科学研究院研究认为，平滩流量Q平与多年汛期平均流量Q汛有关，得出以下公式：
Q造=7.7 Q汛0.85+90Q汛0.33（2）
式中：Q造为造床流量，m3/s。
利用平滩流量经验公式计算造床流量所采用的序列仍然采用马卡维耶夫法中的序列。经计算，实测和设计序列计算的造床流量分别为3 230 m3/s和4 090 m3/s。
（3）小北干流平滩流量变化分析。小北干流的平滩流量与河道冲淤情况和上游水沙条件密切相关，根据以上对河道形态变化的分析，结合实测流量资料对不同时期的平滩流量进行分析。
20世纪60年代小北干流水量偏丰且汛期大流量级洪水持续时间长，平滩流量在大流量级洪水作用下维持在6 000 m3/s以上;20世纪70年代三门峡水库采用蓄清排浑方式以来，小北干流整体上为淤积状态，到20世纪90年代平滩流量减小为4 000 m3/s左右，到2003年平滩流量已经减小为2 600 m3/s左右;2003年以后上游来沙量减少较为明显，水流含沙量降低，小北干流出现冲刷趋势，到2018年河段平滩流量增大至4 000 m3/s左右。
小北干流河段來水来沙变化比较大，形成的造床流量变化也比较大，按照上述分析计算的造床流量的范围为2 000～4 000 m3/s。根据实测序列和设计序列各流量级出现的天数及来水来沙量综合比较，造床流量为4 000 m3/s较为合适。
2.3.2 工程设计标准分析
本研究的工程布局范围为禹门口至庙前河段。通常情况下控导工程的坝顶高程按整治流量相应水位或滩面高程加安全超高确定。目前，该河段控导工程标准较高，顶部高程明显高于滩面，发生超标准洪水时难以漫顶，影响滩槽之间的水沙交换，长距离工程处往往出现临背悬差，工程背河侧易形成盐碱土地。为了使滩槽水沙交换过程更加顺畅，保障临、背河侧的生态健康，需要在设计允许范围内尽可能降低控导工程的堤顶高程，并合理布置长距离的河道整治工程，在相邻河道整治工程连接处设置回淤口。
2.4 回淤口工程布置优化研究
为更好地说明回淤口布置形式及回淤口宽度布局的合理性和科学性，基于MIKE21模型对不同回淤口的水力过程进行数值模拟。控制方程采用有限体积法离散，空间项按照近似黎曼间断问题求解，时变项采用显格式求解。计算模型范围为小北干流禹门口至黄淤C62断面（庙前），模型计算采用三角形网格，对于模型范围内地形变化大、边界复杂及高出地面0.5 m的线状物沿线两侧的区域，网格适当加密。
2.4.1 回淤口工程布置形式优化
为了比较河道整治工程不同布置形式以及回淤口不同宽度对滩槽水沙交换、河势等的影响，针对不同工程布置形式设置了3个计算方案，见表1。
方案一仅考虑现状河道整治工程影响，还未规划下峪口下延工程，见图3。方案二在考虑现状河道整治工程的同时，规划新建的下峪口工程和西范工程沿治导控制线布设，见图4。方案三在考虑现状河道整治工程的同时，规划新建的下峪口工程和西范工程按斜坝布设，见图5。3个方案入口站为龙门站，出口为黄淤C62断面。漫滩洪水量级选取5 000 m3/s，采用1967年实测洪水作为设计洪水，洪峰流量为5 150 m3/s。 各方案规划的下峪口工程处的流场见图3～图5，可以看出，与无规划工程方案（方案一）对比，下峪口工程顺治导控制线布设方案（方案二）和斜坝方案（方案三）洪水均可以从工程空档处漫上滩地，不影响滩
槽水沙交换。方案二下峪口工程附近流速大部分在0.3～0.4 m/s之间，最大流速达到0.6 m/s左右;方案三下峪口工程附近流速大部分在0.4～0.5 m/s之间，最大流速达到0.6 m/s左右;方案二滩地平均流速小于方案三的，更有利于滞洪沉沙。与方案二对比，方案三规划的工程布置线与主流夹角较大，挑流作用明显。西范工程顺治导线布设方案与斜坝方案的水动力模拟结果与下峪口工程相似。
综合分析，方案二和方案三均不影响滩槽水沙交换，方案二滩地平均流速小于方案三的，更有利于滞洪沉沙，方案二顺治导控制线布设，对河势影响较小，因此该河段的河道整治工程顺治导控制线布设方案更为合理。
2.4.2 回淤口宽度优化
针对不同回淤口宽度对滩槽水沙交换、河势等造成的影响进行分析，设置了两个对比方案，即下峪口工程和西范工程回淤口设置间距200 m方案（方案四）和下峪口工程和西范工程回淤口设置间距500 m方案（方案五）。不同方案的流场模拟结果见图6～图8。
图6为下峪口工程处流场（第26 d）。已实施的下峪口工程回淤口宽约200 m，规划的下峪口工程回淤口宽约500 m，从流场分布来看，洪水均可以从回淤口漫上滩地，不影响滩槽水沙交换。
图7为近期已实施的下峪口工程回淤口处流场，回淤口处最大流速为1.1 m/s。图8为规划的下峪口工程回淤口处流场，回淤口处最大流速为0.6 m/s。可见，当回淤口宽度达到500 m时，回淤口处流速相对较小，引起局部冲刷的可能性减小，更有利于工程的稳定和防洪抢险。西范工程回淤口的流场与下峪口工程相似，即200 m与500 m的回淤口均不影响水沙交换，500 m的回淤口处流速相对较小，引起局部冲刷的可能性减小。
综合以上分析，方案二与方案五对滩槽水沙交换和工程自身安全更为有利，最终确定最优的回淤口布设形式为顺治导控制线布设，回淤口宽度为500 m。具体方案为防止塌滩、改善流路作用的控导工程采用沿治导控制线布设坝垛的布置形式，每1 000 m长度的控导工程预留500 m回淤口。
2.5 生态补偿研究
通过对禹门口至庙前河段的整治工程进行整体布局与优化，可以有效改善该河段的滩槽水沙交换条件与河势条件，对保持河道生态基本功能也具有积极作用。但是部分控导工程背水侧原本为浅滩湿地，控导工程建成后背水侧受到洪水侵袭的机会减少，使得原洪水漫溢区内的土地逐渐被开垦为农田。这些浅滩湿地往往是很多水鸟的栖息和觅食地，如果被开垦为农田，就会减少区域环境内的种群数量，对鸟类及其他物种的影响较大，因此需要对这些区域进行保护，使其继续发挥鸟类栖息地的功能，避免被农田取代。
本研究从生态角度出发，结合工程的布局优化提出了生态鸟岛概念，实施措施与工程示意见图9、图10。
黄河小北干流河道范围内主要是适宜水禽类栖息的草滩和泥滩，但适合猛禽类、鹭类、雀形目等栖息的林地较为缺乏。为此，生态鸟岛给喜欢在乔木上栖息的鸟类提供了更适宜的生境，作为对鸟类的生态补偿。
生态鸟岛主要分为两部分，分别为湿地围封子工程和林岛建设子工程。其中：湿地围封子工程将控导工程背水侧的浅滩湿地用围栏围封起来，避免被垦殖;林岛建设子工程在被围封的区域内，选择适当区域培植林地。由于控导工程有回淤口，洪水期这些区域依然可能被水淹没，为避免林地被淹，需要将拟建林地处用土垫高2 m以上，形成岛屿状。
生态鸟岛的建设符合新时期的治水思路与方针，是贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展的具体生态措施，对维护区域生态功能、保护物种多样性有重要的现实意义。
3 结 语
（1）本研究提出了黄河小北干流河道系统性的整治方法。该河道整治方法将河道形态变化分析、工程布局及河道整治标准研究、回淤口工程布置及优化研究、生态补偿研究4个方面相结合，是解决黄河小北干流主流河势游荡多变、滩槽水沙交换不畅、滩岸坍塌及河段生态环境恶化等问题的重要举措，是贯彻新时期治黄思路、落实黄河流域生态保护和高质量发展战略的实践和创新。
（2）黄河小北干流的河道形态变化分析结果表明，自三门峡水库建成运行以后的1960—2002年，黄河小北干流整体上呈淤积状态;2002—2015年，随着上游水沙关系及河道边界条件发生变化，黄河小北干流河道呈现冲刷趋势。禹门口至庙前河段的河势分析结果表明，该河段具有大中水时主流靠左岸、小水时主流靠右岸的河势变化特点。
（3）根据河道形态变化特点，对工程治理方案及整治标准进行了研究，创新性地采用了就岸防护与沿治导控制线布置相结合的方式进行河道整治，在河势与治导控制线吻合较好的河段沿治导控制线平行布置，在现状河岸距高岸较近河段采取就岸防护形式。经多种方法计算分析比较，河道整治流量采用4 000 m3/s，并提出通过降低河道整治工程頂部高程的方法来改善滩槽水沙交换不畅的问题。
（4）基于MIKE21模型对不同回淤口布置形式及不同回淤口宽度的水力过程进行了数值模拟。模拟结果表明，顺治导控制线布设方案与斜坝方案均不影响滩槽水沙交换，但是顺治导控制线布设方案的滩地洪水平均流速小于斜坝方案的，更有利于滞洪沉沙;此外，布置200 m与500 m的回淤口均不影响水沙交换，但500 m的回淤口处流速相对较小，引起局部冲刷的可能性更小。因此，回淤口采用顺治导控制线的形式布置，回淤口宽度采用500 m。
（5）从生态角度出发，结合工程布局提出了生态鸟岛的概念。生态鸟岛主要由湿地围封子工程和林岛建设子工程两部分构成，生态鸟岛的建设对维护区域生态功能、保护物种多样性有重要的现实意义。
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【责任编辑 许立新】