黃河泥沙基本特性分析及治理措施建議*

(1.黃河河口管理局，山東 東營　257091；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京　100048)

黃河是中華民族的母親河，也是世界上最為復(fù)雜難治的河流。黃河干流河道全長5464km，流域面積79.50km2。黃河具有善淤、善決、善徙的特征，其安危始終是中華民族的心腹之患。在長期治理黃河的實(shí)踐中，許多仁人志士提出和實(shí)踐過多種設(shè)想和對策。大約在4000多年前，大禹采用的治河方法是疏導(dǎo)為主；西漢時(shí)期，賈讓主張的治河策略是分流治理；東漢時(shí)期，王景提出的治河方略是寬河筑堤；明朝時(shí)期，潘季馴采用的治河思想是“筑堤束水，以水攻沙”，其后明清兩代治河工作者，大多遵循潘季馴的治河思想。由此可見，治河思想不是一成不變的，而是隨著黃河來水來沙過程及流域地理環(huán)境的變化而變化。本文在分析黃河泥沙基本特性的基礎(chǔ)上，回顧了黃河泥沙治理過程，提出了未來黃河泥沙治理措施建議，試圖為維持黃河健康生命提供科技支撐。

1　黃河泥沙的基本特性

1.1　含沙量高

在中國的大江大河中，長江流域面積排第一位，黃河流域屈居第二。雖然流域面積巨大，但黃河流經(jīng)的地區(qū)大多為干旱和半干旱區(qū)域，所以黃河沿程產(chǎn)生的徑流量非常少。盡管黃河水量貧乏，但其沙量確為世界罕見。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃河實(shí)測年均水量464億m3，年均沙量15.60億t，年均含沙量33.60kg/m3，年均沙量和年均含沙量均為中國各大江河之首。黃河的水量不及長江的1/20，沙量卻是長江的3倍。

由此可見，像黃河這樣沙量大、含沙量高的河流，在世界大江大河中也是絕無僅有的。

1.2　主要來源區(qū)

黃河流域水沙來源區(qū)域有所不同，黃河水量的主要來源區(qū)是黃河上游，黃河泥沙的主要來源區(qū)是黃河中游，造成這種現(xiàn)象的原因是黃河流經(jīng)的區(qū)域自然地理環(huán)境千差萬別，導(dǎo)致黃河水沙來源極不均勻。輸沙模數(shù)能表征流域泥沙的集中程度，黃河中游輸沙模數(shù)較高的區(qū)域有三個(gè)，分別為從河口鎮(zhèn)到延水關(guān)之間的支流、無定河的支流、北洛河及涇河支流，其輸沙模數(shù)均超過了10000t/(km2·a)，表明這些區(qū)域來沙非常集中。其中粗泥沙(粒徑大于0.05mm) 的主要來源包括兩個(gè)地區(qū)：?從皇甫川到禿尾河各支流的中下游地區(qū)，粗泥沙模數(shù)10000 t/(km2·a)；?無定河中下游及白宇山河源區(qū)，粗泥沙模數(shù)為6000～8000 t/(km2·a)。黃河的泥沙和粗泥沙總量中，約有3/4 集中分別來自河口鎮(zhèn)至潼關(guān)間的11萬km2和10萬km2區(qū)域，其中一半又分別來自5萬km2和3.8萬km2區(qū)域，這些地區(qū)都是黃土丘陵溝整區(qū)[1]。

1.3　時(shí)間分布不均勻

黃河泥沙年際變化非常不均勻，表現(xiàn)為豐沙年份和枯沙年份交替出現(xiàn)。以花園口站為例，實(shí)測水文資料顯示，花園口站歷史上出現(xiàn)過兩個(gè)連續(xù)枯沙系列，分別是1922—1932 年和1969—1974年。黃河泥沙不僅年際變化大，而且與水量的豐枯不完全同步，視暴雨落區(qū)的不同，而出現(xiàn)多種水沙組合。年水量最大最小的比值約為3.10～3.40，年沙量最大最小的比值約為4～10，沙量的年際變幅大于水量的變幅。如三門峽站年水量最大為659億m3，最小為202億m3，相差3.20倍，而年沙量最大為39.10億t，最小為4.88億t，相差8倍。從年內(nèi)分配的角度講，黃河水沙分布也非常不均勻，表現(xiàn)為來水來沙主要集中在汛期，實(shí)測資料表明，黃河汛期的水量占年水量的比例在60%左右，而黃河汛期的沙量占年沙量的比例高達(dá)85%以上，造成這種現(xiàn)象的主要原因是黃河泥沙主要來源于暴雨洪水期，每年10d左右的暴雨洪水期間所輸送的沙量是年來沙量的主體。分析流域?qū)崪y資料可知，不僅黃河干流沙量年內(nèi)的集中程度大于水量年內(nèi)的集中程度，而且黃河支流沙量年內(nèi)的集中程度更高。

2　治理過程回顧

2.1　治黃初期“蓄水?dāng)r沙”

20世紀(jì)50年代初期，提出了用“蓄水?dāng)r沙”方法達(dá)到綜合性開發(fā)的治河思想。三門峽水庫是治理黃河的第一期工程，但建成投入運(yùn)用后，很快就出現(xiàn)問題，水庫淤積嚴(yán)重，而且淤積部位向庫區(qū)末端發(fā)展，潼關(guān)高程抬高4.50m；同時(shí)黃河下游河道發(fā)生強(qiáng)烈沖刷，由于河道整治工程不完善，坍塌灘地約300km2，給灘區(qū)人民的生產(chǎn)和生活帶來很大困難。實(shí)踐表明，三門峽水庫“蓄水?dāng)r沙”運(yùn)用確實(shí)從流域大尺度范圍實(shí)現(xiàn)了調(diào)控黃河泥沙的分布，是人類實(shí)現(xiàn)黃河泥沙資源優(yōu)化配置的偉大嘗試，而且從防洪減災(zāi)的角度出發(fā)，三門峽水庫“蓄水?dāng)r沙”治理黃河的方向也是正確的，但具體實(shí)施規(guī)劃卻脫離了當(dāng)時(shí)社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展實(shí)際，對水土流失的客觀現(xiàn)狀和規(guī)律認(rèn)識不足，對水土保持的前景過于樂觀，對泥沙問題認(rèn)識不足，因此，規(guī)劃決策失誤造成的被動局面在所難免[2]。

2.2　20世紀(jì)60年代“上攔下排”

在總結(jié) “蓄水?dāng)r沙”經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，1964年，治黃工作者提出了“上攔下排”的黃河治理方向。一方面，黃河水利委員會組織相關(guān)人員對黃河中游進(jìn)行大規(guī)模的現(xiàn)場查勘，積極開展“上攔”工程的探索實(shí)驗(yàn)，另一方面對黃河下游進(jìn)行大量的調(diào)查研究，提出應(yīng)該在三門峽水庫“滯洪排沙”運(yùn)用期間，進(jìn)行黃河第二次大修堤，工程重點(diǎn)是對黃河下游薄弱堤段進(jìn)行加高幫寬，對危險(xiǎn)河段開展河道整治工程建設(shè)，以達(dá)到加大黃河下游河道排洪輸沙能力的目的。但令人遺憾的是:此期間實(shí)踐的重心仍然是“上攔”，如在1964年提出的《關(guān)于近期治黃意見的報(bào)告》，其中建議重點(diǎn)修建8座干支流大攔泥水庫，而對增強(qiáng)下游河道排沙能力沒有提出具體措施[3]。

2.3　20世紀(jì)70年代“蓄清排渾”

1973年11月，三門峽水庫開始采用“蓄清排渾”運(yùn)用，即在非汛期時(shí)以蓄水為主，到了汛期，尤其是洪水期，降低水位，將非汛期淤積在水庫的泥沙泄排出庫。實(shí)踐證明，三門峽水庫“蓄清排渾”運(yùn)用是成功的，基本上實(shí)現(xiàn)了庫區(qū)的沖淤平衡，保持了有效庫容，也未增加下游河道的淤積?！靶钋迮艤啞边\(yùn)用成功的原因是樞紐具備了足夠的泄流能力及靈活的啟閉設(shè)備，潼關(guān)以下庫區(qū)形成了高灘深槽的地形條件；運(yùn)用方式符合黃河來水來沙特點(diǎn)；較好地利用了黃河下游河道“汛期多排、非汛期少排”“大水排大沙”的輸沙規(guī)律。但是，這種運(yùn)用方式也有局限性，受到了調(diào)沙庫容小和來水來沙條件的限制，1986年以來，在連續(xù)出現(xiàn)的汛期洪水小、含沙量大的不利水沙條件下，潼關(guān)以下庫區(qū)出現(xiàn)了累積性淤積，潼關(guān)高程升高，汛初時(shí)有小水強(qiáng)迫排沙，增加了下游河道的淤積。盡管如此，“蓄清排渾”運(yùn)用方式為多沙河流的治理提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[4]。

2.4　20世紀(jì)末至今“綜合利用”

20世紀(jì)末，經(jīng)過歷代治黃工作者多年的實(shí)踐和探索，黃河泥沙綜合利用的治理思想已現(xiàn)雛形。黃河泥沙綜合利用的措施主要包括“攔、排、調(diào)、放、挖”。“攔”是黃河泥沙處理的基礎(chǔ)，必須長期不懈地抓下去，任何時(shí)候都不能動搖。“排”“調(diào)”是具有黃河特色的泥沙處理措施，必須是在充分把握黃河泥沙輸移規(guī)律的基礎(chǔ)上才能發(fā)揮作用。目前，由于對黃河泥沙輸移規(guī)律認(rèn)識尚不深入，對于怎樣開展黃河“排”“調(diào)”泥沙處理措施，學(xué)界仍存在較大爭論，需要開展充分的前期科研工作。黃河泥沙量巨大，而“挖”“放”泥沙處理措施所需的工程投資巨大，技術(shù)難點(diǎn)較多，所以依據(jù)目前的人力財(cái)力水平，黃河“挖”“放”泥沙處理措施僅為處理黃河泥沙的輔助措施，但也有學(xué)者提出：在黃河下游水資源日趨緊張的情況下，對黃河下游窄河道實(shí)施挖河疏潑、吹填固堤是一項(xiàng)不可替代的治河措施[5]。

3　治理建議

3.1　建設(shè)與保持黃河干流高效輸沙通道

近年來，隨著黃河流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，黃河汛期的引水大增，用于河道輸沙的水量銳減，造成黃河河道主槽嚴(yán)重淤積萎縮，危及黃河生命。為了確保黃河防洪安全，建設(shè)黃河干流高效輸沙通道迫在眉睫。研究表明，目前，聯(lián)合調(diào)控龍羊峽水庫和劉家峽水庫，黃河上游寧蒙河段平灘流量能達(dá)到2000m3/s；將來，龍羊峽水庫、劉家峽水庫及黑山峽水庫聯(lián)合調(diào)控運(yùn)用，寧蒙河段可建設(shè)與保持平灘流量約2500m3/s的高效輸沙通道。近期小浪底水庫調(diào)控運(yùn)用，配合下游河道整治工程，可建設(shè)與保持平灘流量約4000m3/s的高效輸沙通道；遠(yuǎn)期小浪底水庫與古賢水庫聯(lián)合運(yùn)用，可長期穩(wěn)定黃河下游平灘流量約4000m3/s的高效輸沙通道。建設(shè)與保持高效黃河干流輸沙通道需要恢復(fù)必要的高效造床輸沙流量及其過程，因此，在分配黃河水量時(shí)，要高度重視預(yù)留一定數(shù)量的輸沙水量，充分利用有限的輸沙水量塑造出高效造床輸沙流量過程。

3.2　持續(xù)開展黃土高原水土保持工作

加大黃土高原治理力度，積極開展黃土高原水土保持工作，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，也是根治黃河的必由之路。黃土高原是黃河泥沙的主要來源區(qū)，以生態(tài)環(huán)境脆弱治理難度大著稱于世，尤其是黃土高原為多沙粗沙來源區(qū)，地形特點(diǎn)為坡陡溝深，每逢暴雨季節(jié)，水土流失極其嚴(yán)重，巨量泥沙匯入黃河，所以根治黃土高原多沙粗沙來源區(qū)勢在必行。目前，黃土高原多沙粗沙來源區(qū)的治理主要依靠地方政府組織實(shí)施，力度較小，建議將黃土高原多沙粗沙來源區(qū)的治理納入國家重點(diǎn)工程，由國家組織實(shí)施。20世紀(jì)70年代，國家曾對黃土高原多沙粗沙來源區(qū)進(jìn)行了5年集中治理，入黃泥沙很快就減少了3 億t，而且其減沙效益持續(xù)了幾十年。今后，持續(xù)開展黃土高原水土保持工作，黃河中上游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境必將得到極大的恢復(fù)，匯入黃河干流的泥沙量也將大大地降低。

3.3　加大下游游蕩性河段整治力度

黃河下游河道河型自上而下分別為游蕩型河段、過渡型河段、彎曲型河段、河口河段。黃河下游河道輸沙能力整體而言是較大的，而且靈敏度較高，能夠隨水沙條件變化而迅速調(diào)整，相比而言，游蕩型河段比過渡型河段和彎曲型河段的輸沙能力偏低，調(diào)整能力偏差，究其原因是游蕩型河段河床寬淺散亂，河床斷面形態(tài)不利于輸水輸沙，實(shí)測資料表明，游蕩型河段多年平均只能排走80%左右的來沙量，而艾山以下彎曲型河段能排走97%以上的來沙量。因此，必須加大黃河下游游蕩河段整治力度，將寬淺散亂的河道改造成為穩(wěn)定、窄深、歸順的排洪輸沙通道，使下游河道不再淤積，長期保持一定水平的輸水輸沙能力。

4　結(jié)　語

黃河流域自然地理?xiàng)l件差別很大，水沙來源地區(qū)分布不均。上游是黃河水量的主要來源區(qū)，中游是黃河泥沙的主要來源區(qū)，存在水沙異源的特點(diǎn)。隨著實(shí)踐和認(rèn)識的不斷深入，黃河泥沙“攔、排、調(diào)、放、挖”的綜合利用思想體系初步形成，“攔”是黃河泥沙處理的基礎(chǔ)，必須長期不懈地抓下去，任何時(shí)候都不能動搖。“排”、“調(diào)”體現(xiàn)了人們認(rèn)識自然、利用自然、改造自然的聰明才智，充分運(yùn)用了黃河所特有的水流泥沙運(yùn)行規(guī)律，這是其他泥沙處理對策所不具備的，因此“排”、“調(diào)”應(yīng)當(dāng)成為泥沙處理對策的中心。黃河泥沙未來治理措施包括建設(shè)與保持黃河干流高效輸沙通道、持續(xù)開展黃土高原水土保持工作、加大下游游蕩性河段整治力度、穩(wěn)定河口泥沙輸運(yùn)入海通道。

[1]胡春宏，陳建國，郭慶超，等.黃河水沙調(diào)控與下游河道中水河槽塑造[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]李文學(xué)，李勇，姚文藝,等.黃河下游河道行洪能力對河道萎縮的響應(yīng)關(guān)系[J].中國科學(xué)E輯，2004，34(增刊)：126-132.

[3]陳建國，胡春宏，董占地,等.黃河下游河道平灘流量與造床流量的變化過程研究[J].泥沙研究，2006(5)：10-16.

[4]蘇運(yùn)啟，申冠卿，韓巧蘭，等.黃河下游河道排洪能力分析方法及其工程實(shí)踐[M].鄭州：黃河水利出版社，2006.

[5]胡春宏，陳緒堅(jiān)，陳建國.黃河水沙空間分布及其變化過程研究[J].水利學(xué)報(bào)，2008，39(5)：518-527.