黃河演變過程的宏觀分析——再論二十一世紀(jì) “水沙分離,高效輸沙”治黃設(shè)想

侯起秀

(水利部黃河水利委員會(huì)總工辦 鄭州 450003)

1 引言

筆者于2001年參加研究二十一世紀(jì)治黃新思路時(shí)寫過一篇題為 《潘季馴束水攻沙理論研究——兼論二十一世紀(jì) “水沙分離,高效輸沙”治黃設(shè)想》(《水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)》2002年第2期,以下簡稱 “兼論”)的文章,認(rèn)為治黃措施亟待調(diào)整;以水土保持為基礎(chǔ),建立在水庫群調(diào)控下的水沙分離、高效輸沙機(jī)制是解決下游河道嚴(yán)重淤積問題切實(shí)有效的措施之一。

本文是對(duì)上文的補(bǔ)充論述。潘季馴束水攻沙理論和實(shí)踐強(qiáng)調(diào)利用下游河道排沙,在實(shí)踐過程中以前有難度今后難度更大。利用上中游攔沙減淤是1955年黃河規(guī)劃報(bào)告的基本思想,在實(shí)踐過程中發(fā)展為“上攔下排”以及 “攔、排、調(diào)、用”的思想?！八撤蛛x,高效輸沙”治黃設(shè)想符合這種思想。

2 黃河演變過程

黃河在漫長的演變歷史過程中大致可以分為以下5個(gè)階段。

(1)自然狀態(tài)階段。時(shí)間以萬年計(jì)。在這個(gè)階段,黃河沒有束縛,隨心所欲,來回?cái)[動(dòng),填海造陸,創(chuàng)造出極其廣大的陸地。

(2)在堤防系統(tǒng)束縛下進(jìn)行橫向控制的 “下排”階段。時(shí)間以千年計(jì)。在春秋時(shí)代,沿河諸侯各自先后筑堤。至戰(zhàn)國時(shí),兩岸堤防上下多連貫在一起,且具有一定規(guī)模。筑堤后,由于兩岸堤距之間容量有限,泥沙淤在河槽內(nèi),河床逐漸抬高而成為地上河,防御洪水能力也隨河床淤高而降低,故決口改道逐漸增多。

(3)以水庫工程為主進(jìn)行縱向控制的 “上攔”階段,或可稱為 “蓄水?dāng)r沙”階段。1955年全國人大通過的黃河綜合規(guī)劃明確提出所應(yīng)采取的方針就是 “蓄水?dāng)r沙”,并提出第一期計(jì)劃。其中最為關(guān)鍵和迫切的工程是決定修建三門峽樞紐工程和為保護(hù)三門峽水庫在中游地區(qū)修建攔泥庫工程。

(4)“上攔下排”階段。在總結(jié)三門峽水利樞紐工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,王化云提出:“在上中游攔泥蓄水,在下游防洪排沙,一句話 ‘上攔下排’,是今后治黃工作的總方向?！边^去總認(rèn)為黃河治本只是上中游的事,上中游問題解決了,下游的問題就好辦了。從失誤和挫折中,當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)到 “黃河治本不再只是上中游的事,而是上中下游整體的一項(xiàng)長期艱巨的任務(wù)”,“下游也有治本任務(wù)”。從“蓄水?dāng)r沙”到 “上攔下排”,可以說是治黃指導(dǎo)思想上的一次重要發(fā)展。

(5)“上攔下排,兩岸分滯”及 “攔、用、調(diào)、排”階段?！?5.8”淮河大水后召開的 “黃河下游防洪座談會(huì)”,一致認(rèn)為,黃河下游花園口站有可能發(fā)生46000m3/s的洪水,建議采取重大工程措施。以后,修建了小浪底、洛河故縣水庫工程,加高加固了堤防等。人民治黃以來,黃河下游先后興建了以干支流水庫、堤防、河道整治工程、分滯洪區(qū)為主體的 “上攔下排、兩岸分滯”的防洪工程體系。同時(shí)水文、信息網(wǎng)絡(luò)、通信及防洪組織管理等非工程措施也得到了進(jìn)一步加強(qiáng),初步形成了較為完善的黃河下游防洪體系。

王化云認(rèn)為,今后治理黃河主要還得靠干流。擬建的小浪底、磧口、龍門 (后改為古賢)、大柳樹水庫,連同已建的三門峽、劉家峽、龍羊峽共七大水庫,是黃河干流上對(duì)水沙調(diào)節(jié)有重要作用的骨干工程?！皵r”(攔水?dāng)r沙)、“用” (用洪用沙)、“調(diào)”(調(diào)水調(diào)沙)、“排”(排洪排沙),其中哪一項(xiàng)也離不開七大水庫的重要作用。“七大”水庫建成后,連同伊、洛、沁河支流水庫,全河即可形成比較完整的、綜合利用的工程體系,實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度,調(diào)水調(diào)沙,充分利用黃河水沙資源,發(fā)揮最大綜合效益。

3 對(duì)黃河演變過程的評(píng)析

(1)1933年李儀祉先生就指出:“觀黃河者須知孟津、天津、淮陰三角形,直可以三角洲視之,魯西山地昔海島也,則此三角形面積中俱黃淮諸流淤積而成也。所以如此之廣者,遷徙之功也”。黃河水沙主要有三個(gè)特點(diǎn):一是水少沙多,二是水沙異源,三是天然水沙量分布不均。在黃河自然發(fā)展或者人類缺乏有效干預(yù)手段時(shí),在上述三個(gè)特點(diǎn)作用下,黃河下游演變發(fā)展的結(jié)果就是淤積甚至強(qiáng)烈淤積,淤積的結(jié)果就是改道。也就是說,淤積、改道、再淤積、再改道是黃河的自然特性。這是形成華北平原并奠定黃河是中華民族 “母親河”地位的原因之一。

對(duì)應(yīng)上述階段劃分,黃河填海造陸主要是在自然狀態(tài)階段取得的。由此也可以看出黃河泥沙是寶貴的自然資源。讓寶貴的自然資源服務(wù)于社會(huì)和人民是治黃的根本所在。

(2)隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步,為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)生存發(fā)展和在華北平原進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)就必須用必要的措施把自然狀態(tài)的黃河也包括威脅人類社會(huì)生存發(fā)展的其它河流加以約束。這是堤防產(chǎn)生的原因也是人與河流斗爭的開始。由于黃河淤積、改道、再淤積、再改道的自然特性十分顯著,當(dāng)?shù)谭兰s束力小于黃河自然力時(shí)黃河就發(fā)生決口改道。因此,歷代對(duì)黃河造成的災(zāi)害特別是洪水災(zāi)害史不絕書。在理論和技術(shù)水平相對(duì)較低的時(shí)代,防治嚴(yán)重的洪水災(zāi)害成為治黃的主要任務(wù)。

在明清時(shí)期出現(xiàn)了一種劃時(shí)代的治河思想,以潘季馴治河思想為代表的 “束水攻沙”理論。在這一理論指導(dǎo)下,開展了修建窄堤,約束洪水,努力“下排”的實(shí)踐;進(jìn)行了根據(jù) “淮清河濁,淮弱河強(qiáng)”的特點(diǎn),一方面筑堤防止黃水南侵入洪澤湖,另一方面加強(qiáng)洪澤湖東岸的高家堰,充分利用洪澤湖蓄淮河之水,以清刷黃。但是,在堤防系統(tǒng)束縛下進(jìn)行橫向控制的 “下排”階段進(jìn)行的長期的治黃實(shí)踐和探索也告訴我們只依靠堤防約束進(jìn)行 “下排”并不能夠完全解決黃河下游的淤積問題,“下排”不掉的泥沙造成的河道淤積仍然十分嚴(yán)重。

(3)1954年10月,編制完成的 《黃河綜合利用規(guī)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)報(bào)告》,主要設(shè)想以 “上攔”工程,控制水、控制泥沙而加以利用,這是 “上攔”階段的開始。三門峽工程于1957年4月開工,1960年9月開始蓄水?dāng)r沙。但原設(shè)想的支流攔泥庫工程未能修建,水土保持工作也沒有達(dá)到如期效果。由于水庫淤積嚴(yán)重和庫區(qū)移民工作困難,1962年3月改為 “滯洪排沙”運(yùn)用。二十世紀(jì)70年代三門峽工程改為 “蓄清排渾”運(yùn)用。水庫改變運(yùn)用后,在“滯洪排沙”運(yùn)用期間,庫區(qū)淤積有所減緩,但潼關(guān)河底高程并未降低,庫區(qū) “翹尾巴”現(xiàn)象仍在繼續(xù)發(fā)展。因而展開了多次治黃大爭論并決定對(duì)三門峽工程進(jìn)行兩次改建。

“上攔”階段時(shí)間不長,但通過這次實(shí)踐,有諸多啟示。

第一,僅依靠 “上攔”工程的縱向約束也有局限性,“上攔”庫容相對(duì)于源源不斷的泥沙明顯不足。攔在水庫里的泥沙應(yīng)是 “暫存”,而不應(yīng)是“永存”。有人把水庫比做水銀行,是對(duì)水庫調(diào)蓄徑流的形象比喻。水庫對(duì)泥沙也應(yīng)該是調(diào)蓄,而非“死攔”。只有調(diào)蓄才能可持續(xù)發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展才是水庫特別是多沙河流水庫應(yīng)該遵循的發(fā)展道路。如果 “死攔”對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響是顯而易見的。如果我們?cè)谥杏谓ǖ娜舾伤畮?都和三門峽水庫同樣的結(jié)果,由于泥沙淤積在壩后形成所謂“河道型”水庫,不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響,而且隱含著日后的危機(jī)。當(dāng)前正在進(jìn)行的病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固工作,就包括許多類似的水庫。水庫終究是有生命的,超越生命的工程是不存在的。當(dāng)水庫壽命終結(jié)之時(shí),對(duì)于清水河流水庫采取放空等措施可以減輕災(zāi)害,但對(duì)于多沙河流水庫泥沙不能如水般容易排空,后果要比清水河流水庫嚴(yán)重。

第二,三門峽水庫是一座高壩大庫,由原蘇聯(lián)列寧格勒水電設(shè)計(jì)院按蓄水?dāng)r沙 (基本上不排沙)運(yùn)用方式設(shè)計(jì),1960年9月建成后到1964年10月,三門峽水庫330m水位以下的庫容已由58.9億m3減少到22.1億m3,損失庫容62%。這時(shí),周恩來總理親自主持會(huì)議研究決定三門峽水庫進(jìn)行改建,主要工程是將大壩內(nèi)低高程的、已封堵的導(dǎo)流底孔打開,改建成泄洪排沙底孔。至1972年二期改建工程完成后,不僅使庫水位315m時(shí)的泄洪能力從 4000m3/s增加到 10000m3/s,水庫水位330m以下庫容也由22.1億m3,恢復(fù)到31億m3。

通過三門峽等水庫的實(shí)踐,總結(jié)出 “蓄清排渾”等應(yīng)對(duì)泥沙淤積的措施,這種在痛苦教訓(xùn)中的技術(shù) “改良”完全必要,能夠保持水庫長期運(yùn)用,對(duì)于下游防洪、防凌十分重要。但是黃河的主要問題有兩個(gè):一是洪 (凌),一是泥沙淤積。第一個(gè)問題的根源在第二個(gè)問題,對(duì)應(yīng)的是 “防”和“治”。三門峽水庫采用 “蓄清排渾”運(yùn)用方式,表明對(duì)泥沙的 “上攔”已經(jīng)貢獻(xiàn)不大。如果這種方法推而廣之,以后中游若干水庫的結(jié)果就可以明了。

第三,三門峽水庫改建后,從 1973年開始“蓄清排渾”運(yùn)用,利用潼關(guān)以下槽庫容進(jìn)行調(diào)沙,經(jīng)常出現(xiàn)小水排沙,造成黃河下游主槽強(qiáng)烈淤積的不利局面。據(jù)1974～1986年的資料統(tǒng)計(jì),有26%的泥沙由流量小于2000m3/s排出,而龍羊峽水庫投入運(yùn)用后,自1987～2000年有48%的泥沙由流量小于2000m3/s排出。這是應(yīng)該注意的一種現(xiàn)象,隨著人類認(rèn)識(shí)和改造自然能力的提高,治黃矛盾出現(xiàn)多元化,而且越來越多,越來越復(fù)雜。這種現(xiàn)象的發(fā)展,可能導(dǎo)致 “蓄清排渾”運(yùn)用方式汛期“無水”排沙的情況,即很難保持庫區(qū)沖淤平衡也很難遏止下游河道惡化的情況。

(4)“上攔下排,兩岸分滯” 及 “攔、用、調(diào)、排”綜合處理和利用水沙資源,是按照周恩來總理在上世紀(jì)60年代要讓黃河水沙資源在上、中、下游都有利于生產(chǎn)的重要指示,長期治黃實(shí)踐和探索的結(jié)果,也是實(shí)現(xiàn)黃河長治久安和 “維持黃河健康生命”的關(guān)鍵。黃河治本問題應(yīng)該從上、中、下游同時(shí)考慮,按照 “上攔下排,兩岸分滯”的方針,水沙兼治,標(biāo)本兼治,上中游要攔水?dāng)r沙、調(diào)水調(diào)沙,下游也要排水排沙,更要做好用水用沙。

4 黃河水沙關(guān)系發(fā)生的重大變化

隨著流域及相關(guān)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活用水逐步增加,河道實(shí)際來水量明顯減少,越來越不能反映黃河的自然狀態(tài)。由于劉家峽、龍羊峽等大型水庫先后投入運(yùn)用,其調(diào)蓄作用和沿途引用黃河水,使黃河干流河道內(nèi)實(shí)際來水年內(nèi)分配發(fā)生了很大的變化,表現(xiàn)為汛期比例下降,非汛期比例上升。來沙情況與過去相比發(fā)生了顯著的變化。二十世紀(jì)80年代以后沙量明顯減少。

同時(shí),黃河水沙關(guān)系也已經(jīng)發(fā)生重大變化,特別是1986年龍羊峽水庫投入運(yùn)用后,減少了全河干流的中大流量過程,增加了小流量出現(xiàn)的幾率,年內(nèi)徑流過程調(diào)平,各主要沖積性河道的水沙關(guān)系向不協(xié)調(diào)方向發(fā)展,主要表現(xiàn):高含沙量小洪水增多,來沙更為集中。特別是1997年7～8月潼關(guān)和進(jìn)入下游的來沙系數(shù)最高達(dá)0.31和0.22,是以前的數(shù)倍,反映出1986年以后水沙關(guān)系日益惡化。

總之,隨著黃河流域人類活動(dòng)明顯加強(qiáng),對(duì)黃河的水沙關(guān)系產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,使得黃河的水沙關(guān)系更加不協(xié)調(diào)。但是,黃河流域水土流失的治理的減沙大于減水作用,對(duì)緩和水少沙多的矛盾有利。

針對(duì)黃河水沙關(guān)系發(fā)生的重大變化,治黃的戰(zhàn)略和措施應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。筆者在 “兼論”一文中,認(rèn)為以水土保持為基礎(chǔ),建立在水庫群調(diào)控下的水沙分離、高效輸沙機(jī)制是解決下游河道嚴(yán)重淤積問題切實(shí)有效的措施之一,就是對(duì)這種調(diào)整的一種探討。

5 “攔、排、調(diào)、用”

(1)從上述的階段劃分可以看出,人類認(rèn)識(shí)和改造黃河的能力逐步提高,在今后治黃實(shí)踐過程中,應(yīng)該著眼于 “攔、排、調(diào)、用”,把泥沙作為一種寶貴資源,與水資源放在同等重要的地位,按照周恩來總理在二十世紀(jì)60年代要讓黃河水沙資源在上、中、下游都有利于生產(chǎn)的重要指示,使寶貴的水沙資源服務(wù)社會(huì)和人民。

(2)“攔”,從1955年全國人大通過黃河綜合規(guī)劃以來,以水庫工程為主進(jìn)行縱向控制的 “上攔”實(shí)踐已經(jīng)走過半個(gè)多世紀(jì)的歷程。實(shí)踐已經(jīng)說明,攔不是解決黃河泥沙問題的歸宿,而是其中的過程。

(3)“排”,在堤防系統(tǒng)束縛下進(jìn)行橫向控制的“下排”實(shí)踐時(shí)間更為長久,從春秋時(shí)代就已開始。筑堤的目的,起初是為了保護(hù)和發(fā)展生產(chǎn),隨著人類認(rèn)識(shí)水平的提高又增加了排沙的內(nèi)容。但從實(shí)踐效果看,由于兩岸堤距之間容量有限,泥沙淤在河槽內(nèi),河床逐漸抬高而成為地上河,防洪壓力增大;同時(shí),減淤效果也不如人意。當(dāng)然,減淤效果與堤距、坡降、來水來沙情況等有著密切關(guān)系。對(duì)于黃河這樣一條情況十分復(fù)雜的大河,綜合考慮這些因素及其變化是十分困難的。

同樣,把泥沙排出水庫,進(jìn)入河道,并不是解決泥沙問題的歸宿,而是其中的過程。只有把泥沙送到可以利用的地方,泥沙才可以服務(wù)于社會(huì)和人民。在黃河沒有束縛的自然狀態(tài)階段,由于來回?cái)[動(dòng),填海造陸,泥沙沉積創(chuàng)造出極其廣大的陸地。因此,我們有了息棲、生存和發(fā)展的華北平原。由此可見,黃河泥沙是寶貴的自然資源,最基本也是最偉大的功能就是填海造陸,擴(kuò)大我們生存的陸地面積。隨著下游陸地的生成,河海之間的距離增長,依靠黃河的自然力量發(fā)揮填海造陸的功能日益困難,黃河送不走的泥沙在華北平原不斷淤積,形成災(zāi)害。隨著人類對(duì)水資源重視程度和開發(fā)利用能力的不斷提高,黃河水沙關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了重大變化,在這種情況下,依靠黃河的自然力量,發(fā)揮填海造陸的功能更加困難。因此,必須尋找有效途徑,提高黃河 “排”的能力,讓寶貴的泥沙資源服務(wù)于社會(huì)和人民。

(4)“調(diào)”,是王化云從40余年人民治黃的歷程中對(duì)黃河規(guī)律性的認(rèn)識(shí),對(duì)治黃實(shí)踐具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。“調(diào)”的主要思想是通過干支流水庫(主要是干流7大水庫),調(diào)水調(diào)沙,變水沙不平衡為水沙相適應(yīng),更好地排洪、排沙入海,同時(shí)充分利用黃河水資源,為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。因此,“調(diào)”的目的是為改變水沙關(guān)系,更好地實(shí)現(xiàn) “排”。調(diào)也不是解決泥沙問題的歸宿,而是其中的過程。

隨著黃河流域人類活動(dòng)明顯加強(qiáng),對(duì)黃河的水沙關(guān)系產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,使得黃河的水沙關(guān)系更加不協(xié)調(diào)。

也就是說,變水沙不平衡為水沙相適應(yīng)的難度在增加。水庫的修建為人類開發(fā)和利用水資源創(chuàng)造了條件,對(duì)于解決黃河防洪問題意義重大,同時(shí)客觀上改變了黃河的天然來水來沙過程。王化云曾經(jīng)設(shè)想,“七大”水庫建成后,連同伊、洛、沁河支流水庫,全河即可形成比較完整的、綜合利用的工程體系,實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度,調(diào)水調(diào)沙,充分利用黃河水沙資源,發(fā)揮最大綜合效益。但是,目前水庫隸屬關(guān)系各異,而且是企業(yè)行為,在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下,不可避免地會(huì)出現(xiàn)企業(yè)追求經(jīng)濟(jì)效益最大化與治黃追求社會(huì)效益最大化之間的矛盾。這是新時(shí)期出現(xiàn)的新情況、新問題、新矛盾。無疑又增加了變水沙不平衡為水沙相適應(yīng)的難度。

(5)“用”,就是要把水和沙都作為資源并且加以利用。周恩來總理在二十世紀(jì)60年代就高瞻遠(yuǎn)矚地指出,要讓黃河水沙資源在上、中、下游都有利于生產(chǎn)。其核心就是要用水用沙,充分利用黃河水沙資源,發(fā)揮最大綜合效益。這才是解決黃河水沙問題的歸宿。

6 “水沙分離,高效輸沙”設(shè)想符合 “攔、排、調(diào)、用”的要求

筆者在 “兼論”一文中提出利用 “水沙分離,高效輸沙”的機(jī)制控制和處理泥沙的步驟有三個(gè):

(1)在加強(qiáng)水土保持的基礎(chǔ)上,在中游修建必要的干支流水庫群,通過水庫群的攔蓄,特別是上級(jí)水庫對(duì)下級(jí)水庫來水來沙的有效控制,使下級(jí)水庫沉降分離水沙后,能夠利用機(jī)械、管道進(jìn)行輸沙,體現(xiàn)了 “攔”和 “調(diào)”的作用。

(2)從中游水庫群以下到河口鋪建專門的輸沙管道,利用比較成熟的固體物料的漿體管道輸送技術(shù),輸沙入海,可以有效減少輸沙水量,提高輸沙效率,而且不造成下游河道淤積,體現(xiàn)了 “排”的作用。

(3)由于利用輸沙管道,提高了輸沙效率,有更多的泥沙進(jìn)入大海,可以發(fā)揮填海造陸的功能,同時(shí)由于人為控制的輸沙管道,可以調(diào)節(jié)。例如,不同海域需要泥沙補(bǔ)給,可以布置不同管線;中下游需要補(bǔ)給泥沙、改善生產(chǎn)條件的地區(qū),也可以通過管線布置,予以解決?？傊?能夠更好地落實(shí)周恩來總理要讓黃河水沙資源在上、中、下游都有利于生產(chǎn)的重要指示。這體現(xiàn)了 “用”的作用。

7 結(jié)語

(1)從上述階段劃分可以看出人類認(rèn)識(shí)和改造黃河的能力在逐步提高。

(2)“攔、排、調(diào)、用”是經(jīng)過幾十年治黃實(shí)踐取得的處理黃河水沙的珍貴經(jīng)驗(yàn)?！皵r”、“排”、“調(diào)”不是解決泥沙問題的歸宿,而是其中的過程,“用”才是其合理歸宿。

(3)在變水沙不平衡為水沙相適應(yīng)難度增加的情況下,需要根據(jù) “攔、排、調(diào)、用”的思想,尋找有效措施,提高黃河 “排”的能力,讓寶貴的泥沙資源服務(wù)于社會(huì)和人民。

(4)“水沙分離,高效輸沙”的設(shè)想符合 “攔、排、調(diào)、用”的思想,而且從技術(shù)角度也是比較成熟的。

(5)筆者認(rèn)為:以水土保持為基礎(chǔ),建立在水庫群調(diào)控下的水沙分離、高效輸沙機(jī)制是解決下游河道嚴(yán)重淤積問題切實(shí)有效的措施之一。當(dāng)前應(yīng)盡早制定21世紀(jì)黃河治理長遠(yuǎn)規(guī)劃,建議把上述措施做為規(guī)劃內(nèi)容之一并進(jìn)行深入研究。