處理好泥沙問題是黃河長治久安之根本

江恩慧　曹永濤　馬濤

母親河：憂也泥沙，喜也泥沙

黃河是一條自然條件復(fù)雜、河情極其特殊的河流。多年來，“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”成為母親河的特征。黃河上中游地區(qū)干旱少雨，風(fēng)大沙多、水土流失嚴(yán)重，下游河道持續(xù)淤積造成的“小水大災(zāi)”現(xiàn)象一度成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，“二級懸河”的嚴(yán)峻形勢進(jìn)一步加大了兩岸堤防及其防洪保護(hù)區(qū)的洪水壓力。黃河是中華民族的母親河，其撫育了一代又一代炎黃子孫，但自古至今把黃河看成一條害河卻成為主流觀點(diǎn)。

1. 母親河之憂在于其巨量泥沙和不斷的洪水災(zāi)害

64.06萬平方公里的黃土高原地區(qū)，水土流失嚴(yán)重，不僅造成該地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化和人民群眾長期生活貧困，制約經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，而且是導(dǎo)致黃河下游河道持續(xù)淤積、河床高懸的根源。

黃河下游的水患?xì)v來為世人矚目。從黃河下游河道的總體格局及水患可能造成的洪災(zāi)態(tài)勢，將影響區(qū)域劃分為兩大部分。

一是黃河大堤以外的保護(hù)區(qū)。這種洪災(zāi)一旦發(fā)生，其損失將觸目驚心！目前的下游河床高出背河地面4～6米，最大達(dá)10米，黃河一旦決口，洪災(zāi)波及范圍北達(dá)天津，南抵江淮，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人民群眾大量傷亡。同時(shí)，大量的鐵路、公路和生產(chǎn)生活設(shè)施，以及治淮工程、治海工程、引黃灌排渠系等也將遭受毀滅性破壞。另外，泥沙淤積將造成河渠淤塞、良田沙化，對經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境的災(zāi)難性影響將長期難以恢復(fù)。

二是黃河下游廣大灘區(qū)。目前，黃河下游灘區(qū)仍然居住著189.5萬人口，有375萬畝耕地，中小洪水頻繁漫灘。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1949年以來灘區(qū)遭受不同程度的洪水漫灘20余次，僅“96·8”洪水期間造成的漫灘直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)64億多元。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，20世紀(jì)90年代的黃河下游灘區(qū)，“小水大災(zāi)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生。究其原因，除人類活動影響及防洪意識、防洪管理和防洪工程建設(shè)方面尚有欠缺外，自然因素中的直接原因是泥沙淤積。

對此，倪晉仁教授給予了高度概括：江河泥沙災(zāi)害一旦形成，便有可能造成復(fù)合災(zāi)害，從而在流域系統(tǒng)中形成泥沙災(zāi)害鏈。如上游侵蝕的泥沙不僅造成該區(qū)域的水土流失，還會在進(jìn)入下游河道后造成淤積，并在相同的來流條件下，使水位較原河道有大幅度抬高，造成更大的洪災(zāi)。

2.母親河之喜在于其源源不斷的水、沙等資源

母親河的功德，水資源、沙資源一定要一起歌頌。眾所周知，黃河多年平均徑流量為548億立方米，流經(jīng)我國嚴(yán)重的干旱與半干旱地區(qū)，近些年受氣候變化影響，黃河年徑流量也出現(xiàn)了不同程度的減少。可是，黃河本已匱乏的水資源，除必須滿足流域內(nèi)和沿黃工農(nóng)業(yè)用水外，還必須給外流域供水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年來黃河分別給天津、河北白洋淀等供水90多億立方米。

多年來，黃河的巨量泥沙，人們均以災(zāi)害之源視之，所有的治理措施和工程實(shí)踐也是基于這一理念布局和推進(jìn)的。在國家對土地加強(qiáng)集約利用、嚴(yán)守耕地保護(hù)紅線、高度重視環(huán)境保護(hù)的情況下，逼迫人們必須反思過去的治理思路，重新審視我們的泥沙處理與利用策略。鑒于此，江恩慧等建議：“泥沙的資源化利用”必須改為“泥沙資源利用”，力爭從觀念上逐漸強(qiáng)化人們對“黃河泥沙”資源的認(rèn)識；“換個(gè)角度去思考水庫的泥沙淤積問題”，水庫是黃河泥沙的收納箱和天然分選場，黃河下游河道淤積主要來自少數(shù)的幾場高含沙洪水，如何通過泥沙資源利用，發(fā)揮水庫持續(xù)攔沙效益，是最值得關(guān)注的難題之一。江恩慧分別應(yīng)邀在2011年海峽兩岸河川整治技術(shù)研討會、中國大壩協(xié)會2012年學(xué)術(shù)年會暨中非水資源可持續(xù)發(fā)展圓桌會議、2013年中國工程科技論壇、2014年黃河研究會年會暨全球水伙伴（中國）圓桌會議上分別做了題為“水庫泥沙處理與利用有機(jī)結(jié)合運(yùn)用機(jī)制的思考”、“水庫泥沙資源利用與河流健康”、“黃河泥沙資源利用整體架構(gòu)及時(shí)空效應(yīng)”、“黃河泥沙資源利用的長遠(yuǎn)效應(yīng)”等報(bào)告，得到強(qiáng)烈反響，收到良好效果。

眾所周知，黃河泥沙資源的第一大功勞，就是塑造了35萬平方公里的華北平原，近百年來河口造陸為國家增加了345萬畝土地，也為勝利油田的開發(fā)做出了重大貢獻(xiàn)。

沿黃地區(qū)的引黃灌溉是黃河水沙資源利用有機(jī)結(jié)合的典范。自古，且灌且糞，經(jīng)黃河水灌溉的糧食品質(zhì)明顯提高。黃河泥沙富含氮、磷、鉀等有機(jī)元素，可進(jìn)入農(nóng)田改良土壤，肥沃土質(zhì)，引黃放淤可集改堿、平整土地、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力等多種功能于一身，能起到一舉多得的治理效果。此外，近期研究開展的利用黃河泥沙對采煤塌陷地等進(jìn)行充填復(fù)墾，生態(tài)修復(fù)，既解決了煤田開發(fā)的后顧之憂，又鞏固了土地資源，確保了國有土地資源的總量不減少，避免了生態(tài)環(huán)境污染和次生災(zāi)害誘發(fā)。

黃河泥沙資源利用在黃河下游防洪安全建設(shè)方面也發(fā)揮了巨大作用。20世紀(jì)50年代，黃河上開展了“放淤固堤”，經(jīng)過幾十年的不斷探索和生產(chǎn)實(shí)踐，目前已成為黃河下游治理中一項(xiàng)不可缺少的技術(shù)手段，是標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)、二級懸河治理的重要組成部分。近幾年，利用黃河泥沙制作防汛備防石以及大網(wǎng)籠、大土工包機(jī)械化搶險(xiǎn)技術(shù)的研究和實(shí)踐，更是“以河治河”理念的延伸，利用黃河泥沙加固了河道整治工程，改善了河道泄流狀況，保障了黃河防洪安全。

人們利用黃河泥沙制作建筑材料由來已久，著名的秦磚漢瓦就是一例。尤其是近20年來，經(jīng)過深入研究，對黃河泥沙的特性有了更加深刻和全面的認(rèn)識，取得了豐富的綜合利用黃河泥沙的經(jīng)驗(yàn)，研究了一系列由黃河泥沙制成的裝飾和建材產(chǎn)品，這些研究在促進(jìn)治河治沙、保護(hù)環(huán)境、保護(hù)生態(tài)的同時(shí)，也為國家提供了大量基礎(chǔ)建筑材料，主要產(chǎn)品有免燒免蒸養(yǎng)磚、燒結(jié)普通磚及大塊磚、干混砂漿、制作拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)磚等。另外，在利用黃河泥沙的特性制作免蒸加氣混凝土砌塊、燒制陶粒、微晶玻璃以及新型工業(yè)原材料等方面進(jìn)行了探索，取得了良好的效果。

解憂：黃河泥沙科研戰(zhàn)績輝煌

黃河泥沙的研究是世界性科技難題，黃河治理與開發(fā)主戰(zhàn)場為黃河泥沙研究團(tuán)隊(duì)提供了難得的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。近十幾年來，圍繞黃河泥沙的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題，以水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為主體的研究團(tuán)隊(duì)，開展了系統(tǒng)研究，取得了輝煌戰(zhàn)績。研究團(tuán)隊(duì)著眼于黃河水沙產(chǎn)輸條件劇烈變化、人為干預(yù)顯著增強(qiáng)的背景條件，立足黃河治理與開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)及重大需求，持續(xù)不斷地開展了泥沙運(yùn)動基本理論、河床演變與河道整治、工程泥沙與泥沙資源利用、高含沙河流模擬及洪水演進(jìn)預(yù)報(bào)等方面的研究。研究成果直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，在黃河治理中起到了至關(guān)重要的作用，為確保黃河歲歲安瀾和黃淮海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展提供了重要的科技支撐。

近5年來，水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先后獲國家級、省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)16項(xiàng)，其中國家級一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家級二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部級一等獎(jiǎng)9項(xiàng)；獲國家發(fā)明專利10項(xiàng)、實(shí)用新型專利15項(xiàng)、軟件著作2項(xiàng)；出版專著18部、譯著1部，參編行業(yè)規(guī)范及工程技術(shù)手冊4部；發(fā)表論文425篇，其中SCI、EI檢索48篇。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建并逐步完善了一套適合于黃河高含沙水流的水沙運(yùn)動理論體系，實(shí)現(xiàn)了高含沙水流研究由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)向普適理論的跨越，不僅解決了黃河治理與開發(fā)中的諸多難題，而且極大地促進(jìn)了河流泥沙學(xué)科的發(fā)展。在高含沙水流造床規(guī)律、災(zāi)變效應(yīng)、河型轉(zhuǎn)化、“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理及臨界條件、極細(xì)沙減阻及“洪峰增值”機(jī)理等方面，提出了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，建立了游蕩性河流河道整治理論體系和方法，提出的數(shù)十條泥沙理論公式，直接應(yīng)用于黃河防洪減淤、河道整治、灘區(qū)安全建設(shè)等重大治黃實(shí)踐中。

在河道整治理論研究方面，提出了“橫河、斜河”判定指標(biāo)及其形成機(jī)制；通過理論研究揭示了“河性行曲”、“大水趨直、小水坐彎”和“河彎蠕動”等河勢演變現(xiàn)象規(guī)律及其機(jī)理，提出了游蕩性河段的河型轉(zhuǎn)化規(guī)律，“分段整治、突出‘節(jié)點(diǎn)工程、實(shí)現(xiàn)游蕩性河道整治有機(jī)統(tǒng)一”的新思路為黃河下游整治實(shí)施方案的確定奠定了理論基礎(chǔ)。

在水庫異重流運(yùn)動基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、水庫群優(yōu)化調(diào)度、深水水庫淤沙處置、泥沙資源利用等方面實(shí)現(xiàn)了重大創(chuàng)新。首創(chuàng)水庫群水沙聯(lián)合調(diào)度塑造異重流模式，發(fā)展了多沙河流水庫排沙途徑，為成功實(shí)現(xiàn)黃河調(diào)水調(diào)沙、完善黃河水沙調(diào)控體系、深度利用泥沙資源奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，建立了黃河調(diào)水調(diào)沙中游多座水庫水沙聯(lián)合調(diào)度異重流塑造指標(biāo)體系，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了實(shí)時(shí)調(diào)度方案，多次成功塑造了異重流并實(shí)現(xiàn)排沙出庫，標(biāo)志著對異重流運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識得到了擴(kuò)展和深化。

在實(shí)體模型模擬理論與技術(shù)方面，針對黃河實(shí)際特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了一套高含沙洪水實(shí)體模型相似律及試驗(yàn)方法，解決了模型時(shí)間變態(tài)問題，成功模擬了游蕩性河道河勢演變特征，實(shí)現(xiàn)了大型動床模型主河槽阻力自動相似?！澳Ｐ忘S河”基地已成為面向國內(nèi)外開放的教學(xué)與科研基地，黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人多次親臨視察，并給予高度評價(jià)?！岸嗌澈恿骱樗葸M(jìn)與沖淤演變數(shù)學(xué)模型”和其他模型平臺，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，已納入國家防汛指揮系統(tǒng)和黃河防洪調(diào)度系統(tǒng)，在黃河調(diào)水調(diào)沙及異重流排沙期洪峰增值調(diào)控、黃河流域綜合規(guī)劃、重大水利工程建設(shè)等方面得到廣泛應(yīng)用。

此外，在泥沙資源利用方面，提出了深水水庫淤沙處置與泥沙利用有機(jī)結(jié)合的新理念和技術(shù)，建立了一套適合黃河不同河段泥沙物化特性的泥沙固結(jié)指標(biāo)體系，開發(fā)了膠凝化系列產(chǎn)品，研制了系列新型生態(tài)建筑制品和防汛搶險(xiǎn)材料，被列為水利部重點(diǎn)科技成果推廣計(jì)劃。在環(huán)境泥沙研究方面，系統(tǒng)闡明了普遍意義上河流健康的科學(xué)內(nèi)涵，提出了黃河生態(tài)健康指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)確定方法，提出了以水質(zhì)目標(biāo)為約束的黃河自凈需水計(jì)算方法、黃河環(huán)境流量和環(huán)境水量的確定方法等。

樂喜：發(fā)揮黃河泥沙處理與資源利用平臺的示范效應(yīng)

幾千年來，人們更關(guān)注的是黃河的災(zāi)害一面，治黃方略的千年之爭，持續(xù)不斷，歸根結(jié)底都是“泥沙”問題。隨著氣候變化和人類活動對下墊面的影響，未來即使實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活對水資源的需求仍將呈持續(xù)增長的趨勢，黃河“水少、沙多”的矛盾也會更加突出。一方面黃河水資源的嚴(yán)重匱乏使泥沙問題更加突出，另一方面嚴(yán)重的泥沙問題使黃河的水資源顯得更加寶貴。

泥沙是造成黃河河道淤積嚴(yán)重、防洪防凌形勢嚴(yán)峻的根本原因。黃河健康生命的維持、黃河環(huán)境流量的研究等，最后落腳點(diǎn)或給出的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，都是“黃河輸沙用水量”。目前，黃河泥沙的處理措施除流域外供水和引黃灌溉外，其他措施均沒有實(shí)現(xiàn)黃河河道內(nèi)的有效減沙。

多途徑處理、利用泥沙，盡量減少河道的泥沙淤積，是黃河綜合治理的關(guān)鍵。未來一個(gè)時(shí)期，黃河多泥沙的根本屬性不可能在短期內(nèi)發(fā)生改變，為此，要轉(zhuǎn)變思路、利用好源源不斷的泥沙資源，扭轉(zhuǎn)河流面臨的泥沙危害。與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對泥沙資源屬性的認(rèn)識和對泥沙資源的需求逐漸增加，通過泥沙資源利用處理泥沙的途徑和潛力大大增強(qiáng)。2010年完成的《黃河流域綜合規(guī)劃》，將以前的“攔、排、放、調(diào)、挖”泥沙綜合治理策略修編為“攔、排、調(diào)、放、挖”的同時(shí)，首次明確延伸提出了“泥沙資源化利用”。2012年，黃委依托黃河水利科學(xué)研究院，成立了“黃河泥沙處理與資源利用工程技術(shù)研究中心”，在中心的工作報(bào)告中明確指出，“資源化”是指將廢物直接作為原料進(jìn)行利用或者對廢物進(jìn)行再生利用，而黃河泥沙不是一種廢物。為強(qiáng)調(diào)泥沙的資源性，中心今后所有工作及文字報(bào)道，將“泥沙資源化利用”統(tǒng)一為“泥沙資源利用”，力爭從觀念上逐漸改變?nèi)藗儗S河泥沙的認(rèn)識。

依托“黃河泥沙處理與資源利用工程技術(shù)研究中心”，黃河水利科學(xué)研究院已經(jīng)著手開展了黃河泥沙資源利用的研究工作。近期將開展黃河中下游河段泥沙物化特性及分布研究，明確泥沙資源利用方向，提出泥沙資源利用整體架構(gòu)；開展水庫泥沙處理與利用聯(lián)合技術(shù)研究，建立聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制并應(yīng)用示范；研發(fā)低成本人工防汛石材膠凝材料，改進(jìn)成型工藝，研制集成人工防汛石材規(guī)?；a(chǎn)成套設(shè)備并示范；提出黃河泥沙資源利用效益評價(jià)指標(biāo)，開展綜合效益評價(jià)。

黃河泥沙資源利用，可有效降低干流上水庫庫容的淤損速率，延長水庫使用壽命，提高水庫防洪、發(fā)電等綜合效益的發(fā)揮；利用黃河泥沙生產(chǎn)人工備防石可適度減輕河道淤積，減少開山采石，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，大尺寸人工備防石還可取代鉛絲籠等常規(guī)材料，節(jié)省投資，提高搶險(xiǎn)效率。泥沙的利用還能有效減緩黃河下游河道持續(xù)抬升態(tài)勢，減輕河道輸沙用水與工農(nóng)業(yè)用水之間日益尖銳的矛盾，促進(jìn)黃河長治久安。因此，黃河泥沙資源利用是實(shí)現(xiàn)泥沙進(jìn)入河道后，唯一有效減沙的技術(shù)途徑，其巨大的效應(yīng)不僅體現(xiàn)在黃河健康生命的維持及長治久安愿景的實(shí)現(xiàn)，而且也符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，具有重大的社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境生態(tài)及民生意義。

任重道遠(yuǎn)：基于黃河流域系統(tǒng)探索與發(fā)現(xiàn)

黃河治理涉及人類與自然極為復(fù)雜的關(guān)系，它是一個(gè)典型的自然和人為眾多因素交錯(cuò)組成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。在這個(gè)巨系統(tǒng)中各種自然和人為因素相互影響、相互作用、相互依賴，形成各種各樣的復(fù)雜關(guān)系，往往牽一發(fā)而動全身。過去受認(rèn)識水平和條件的限制，無法將這個(gè)客觀存在的巨系統(tǒng)完整地反映出來，更不能正確地把握住它。數(shù)千年來，數(shù)不勝數(shù)的具體措施往往顧此失彼，按下葫蘆浮起瓢，留下無窮的遺憾，造成無休止而又難以明斷的爭吵。我們的祖先早就認(rèn)識到治理黃河要有大局觀，2000多年前就有關(guān)于治河方略的大討論，先賢們提出了很多關(guān)于治理黃河大政方針的建設(shè)，最著名的當(dāng)屬西漢時(shí)賈讓的“治河三策”。然而這些宏觀的治理方略往往比較空泛，缺乏系統(tǒng)、明確、清晰、縝密的論證。難以讓決策者下決心付諸實(shí)施。賈讓提出的上策（改道）和中策（分流）人們只能嘆為觀止，2000多年來依舊照他所批評的下策修堤不止。明代潘季馴提出的“束水攻沙”理論，連當(dāng)代學(xué)者們都贊嘆不已，可就沒有人認(rèn)真實(shí)施過。

幾千年來黃河治理在爭論中蹣跚前行，人民治黃幾十年來更以前所未有的規(guī)模和強(qiáng)度突飛猛進(jìn)。黃河干流已建15座大型水利樞紐，總庫容達(dá)566億立方米，相當(dāng)于黃河多年平均的年徑流量，加上支流數(shù)不清的大中小型水庫，進(jìn)入黃河下游的水流過程很大程度上已受人為控制。下游河道不但兩岸大堤經(jīng)過了多次加高培厚，還修筑了數(shù)以萬計(jì)的控導(dǎo)工程，黃河很大程度上已經(jīng)人工化了，并且正在沿著這個(gè)方向迅速發(fā)展。治理黃河的工程多了，問題和矛盾也隨之多了起來，目前幾乎到了爆發(fā)的程度，嚴(yán)重影響了治理的決策。如果不改變原有的研究和討論方式，問題還是沒有希望辯明，還將是各說各理，誰也說服不了誰。系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生及日臻完善，給黃河治理研究帶來了全新的思路。我們要把系統(tǒng)科學(xué)拿過來，運(yùn)用它的思路、方法和工具，結(jié)合黃河治理科學(xué)巨系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)的方式和計(jì)算機(jī)語言將黃河治理所涉及的自然和人為所有（盡可能）的元素和它們直接的關(guān)系明確、清晰、嚴(yán)密、規(guī)范地表述出來。特別注意梳理清楚并嚴(yán)謹(jǐn)表達(dá)出全局到每一個(gè)細(xì)節(jié)之間的聯(lián)系，建立起各種治理系統(tǒng)模型，用系統(tǒng)工程方法優(yōu)選治理方案，并為這些方案提出具有說服力的證據(jù)。

按照大系統(tǒng)理論的思路，把一個(gè)大系統(tǒng)進(jìn)行分解，有助于問題的解決。黃河治理大系統(tǒng)可以分為上中游治理和下游治理兩個(gè)系統(tǒng)，也可以僅限于直接影響下游防洪安全大事的下游治理系統(tǒng)，而把上中游治理系統(tǒng)當(dāng)做它的一個(gè)外部環(huán)境條件考慮。下游河道治理的最終目標(biāo)是確保下游防洪安全，主要內(nèi)容為河道整治工程、堤防工程，以及灘區(qū)治理、河口治理，所受的控制條件最重要的是上中游來水來沙條件（包含自然因素和人為因素），灘區(qū)和河口的自然和社會發(fā)展是一個(gè)重要的約束因素。另外，上中游骨干工程聯(lián)合調(diào)控的能力與技術(shù)水平、兩岸引水、泥沙資源利用程度、生態(tài)保護(hù)、國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展格局及治黃財(cái)力投入、路橋等涉河工程建設(shè)等，也是直接影響黃河治理的重要因素。在系統(tǒng)建設(shè)中，力爭把所有的影響因素定量規(guī)范地收藏于方便抽取運(yùn)用的數(shù)據(jù)庫中，明確嚴(yán)密地表達(dá)各個(gè)因素各個(gè)系統(tǒng)層次之間的關(guān)系。最后，運(yùn)用系統(tǒng)工程的分析方法，優(yōu)選出實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的社會、環(huán)境效益最大，經(jīng)濟(jì)代價(jià)最小的近、中、遠(yuǎn)期綜合治理方案，并且提出支持這些方案的全方位的信息和數(shù)據(jù)。