黃河泥沙研究重大科技進(jìn)展及趨勢(shì)

江恩慧

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部 黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450003；3.河南省湖庫(kù)功能恢復(fù)與維持工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450003)

黃河是世界上最為著名的多沙河流，因“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”而成為世界上 最為復(fù)雜、最難治理的河流。由于巨量泥沙的不斷堆積，黃河下游才成為舉世聞名的地上懸河，黃河下游洪災(zāi)也因而成為中華民族的心腹之患。另外，突出的泥沙問(wèn)題使黃河嚴(yán)峻的水資源形勢(shì)更加嚴(yán)峻，水資源的嚴(yán)重短缺又進(jìn)一步加劇了黃河泥沙問(wèn)題的復(fù)雜性和嚴(yán)重性。泥沙淤積一直是困擾河道防洪安全、水庫(kù)正常運(yùn)行和有效庫(kù)容長(zhǎng)久維持、灌區(qū)安全運(yùn)行的關(guān)鍵性技術(shù)難題。因此，泥沙問(wèn)題始終是黃河治理開(kāi)發(fā)、保護(hù)與管理要面對(duì)的首要問(wèn)題。2019年9月18日習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展會(huì)議講話中提出要“保障黃河長(zhǎng)治久安”的目標(biāo)時(shí)，明確指出：“黃河水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，是黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)所在”，并強(qiáng)調(diào)：要保障黃河長(zhǎng)久安瀾，必須緊緊抓住水沙關(guān)系調(diào)節(jié)這個(gè)“牛鼻子”。習(xí)總書(shū)記的講話給黃河泥沙研究以極大的鼓舞并且指明了方向。

自1946年人民治黃70多年以來(lái)，黃河泥沙研究相繼得到了國(guó)家政府和多方面人士的高度關(guān)注，也吸引了大量的研究人員殫精竭慮地潛心鉆研，取得了豐碩的成果。隨著當(dāng)前全球氣候變化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，黃河防洪安全遇到新問(wèn)題和更高的要求, 黃河水資源的供需矛盾更加突出，黃河泥沙研究也迎來(lái)新的挑戰(zhàn)。本文從黃河水沙情勢(shì)變化、黃河水沙運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)研究、黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)、河床演變與河道整治、以及黃河下游河道灘槽協(xié)同治理、泥沙綜合處理與利用方略等方面，總結(jié)了幾十年來(lái)黃河泥沙重大科技進(jìn)展，提出在新情勢(shì)下黃河泥沙需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

1 黃河水沙變化研究重大科技進(jìn)展與趨勢(shì)

1.1 黃河水沙變化情勢(shì)研究

黃河水沙變化情勢(shì)是治黃戰(zhàn)略決策、治理工程布局和工程實(shí)踐的前提條件。黃河水沙變化始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，針對(duì)黃河水沙變化的成因、水沙變化的特性和規(guī)律，以及對(duì)水沙變化發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)等方面，國(guó)家相繼組織各層面人才，設(shè)立大量科技項(xiàng)目圍繞上述問(wèn)題開(kāi)展研究。早期項(xiàng)目有：黃河流域水?？蒲谢痦?xiàng)目、水利部黃河水沙變化研究基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“黃河流域環(huán)境演變與水沙運(yùn)行規(guī)律研究”、“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河治理與水資源開(kāi)發(fā)利用”、“九五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河中下游水資源開(kāi)發(fā)利用及河道減淤清淤關(guān)鍵技術(shù)研究”，以及近期的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“黃河流域水沙變化情勢(shì)評(píng)價(jià)研究”，“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“黃河中游來(lái)沙銳減主要驅(qū)動(dòng)力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”。2013年—2014年，黃委會(huì)與中國(guó)水科院聯(lián)合進(jìn)行“黃河水沙變化研究”。通過(guò)以上項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)黃河水沙變化成因進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，闡述了黃河流域水沙變化規(guī)律，也預(yù)測(cè)了未來(lái)若干年黃河水沙變化情勢(shì)。

1.2 取得的共識(shí)與差異及研究趨勢(shì)

黃河水沙變化研究一直是黃河治理的焦點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。很多研究人員都試圖對(duì)未來(lái)黃河水沙變化趨勢(shì)做出定量預(yù)測(cè)，但由于黃河流域不斷變化的來(lái)水來(lái)沙條件使得黃河來(lái)水來(lái)沙環(huán)境復(fù)雜，致使水沙變化的趨勢(shì)受很多不確定性因素的影響，同時(shí)不同研究人員采用的水沙預(yù)測(cè)的方法也不同，從而導(dǎo)致學(xué)者們對(duì)水沙預(yù)測(cè)的結(jié)果差異較大[1-7]。目前針對(duì)黃河水沙變化的研究，定性上存在共識(shí)，定量上存在差異。在共識(shí)方面，即在黃河水沙成因的定性描述方面存在共識(shí)，研究者們一致認(rèn)為是由黃河流域氣候條件和流域環(huán)境的變化、干支流水庫(kù)和大壩的不斷修建等人類活動(dòng)影響，以及為了發(fā)展流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)而對(duì)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)等因素共同促使黃河流域的水沙條件產(chǎn)生了變化。

而黃河水沙作為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，在未來(lái)水沙量的分配上存在差異，這是因?yàn)槔貌煌椒▽?duì)黃河水沙未來(lái)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果不同，或即使用同一種方法由于基本參數(shù)難以確定，預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果也可能有較大差異?！鞍宋濉逼陂g，國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河治理與水資源開(kāi)發(fā)利用”對(duì)黃河流域的來(lái)沙情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，指出2020年黃河流域多沙粗沙區(qū)在豐水年的輸沙量(20.52億t)大致是平水年(10.31億t)的2倍，平水年的輸沙量(10.31億t)大致是枯水年(5.44億t)的2倍[4]。“十一五”期間，姚文藝等[8]對(duì)黃河流域未來(lái)30 a—50 a的水沙變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。指出2030年花園口水文站年來(lái)水量和年輸沙量分別為236 億m3～244 億m3、8.61億t～9.56億t，2050年花園口水文站年來(lái)水量和年輸沙量分別為234億m3～241億m3、7.94億t～8.66億t?！笆濉逼陂g，黃委會(huì)劉曉燕等[9]認(rèn)為黃河中游潼關(guān)站來(lái)沙量在2030年—2050 年為0.7億t～1.0億t，2060 年以后，潼關(guān)年均來(lái)沙量為4.5億t～5.0億t；如果黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)發(fā)生極端條件(如普降高強(qiáng)度暴雨)，則潼關(guān)來(lái)沙量可達(dá)到16億t。胡春宏等[4,10]認(rèn)為：隨著水保政策的持續(xù)實(shí)施，今后黃河流域來(lái)水量和來(lái)沙量將繼續(xù)減少，但不會(huì)無(wú)限減少，會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，預(yù)測(cè)在未來(lái)的50 a—100 a，潼關(guān)水文站年平均水量保持在210億m3/a左右，年平均輸沙量保持在3億t/a左右。

針對(duì)黃河水沙復(fù)雜的變化情況，我們必須運(yùn)用科學(xué)的方法對(duì)黃河水沙變化的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行研究，建立新的合理的方法對(duì)未來(lái)黃河水沙變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[11]。因此我們需從機(jī)理上對(duì)以下問(wèn)題開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究：黃土高原水土流失嚴(yán)重區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)，黃土高原水土保持措施減沙作用可持續(xù)維持技術(shù)等等，這些都是目前急需從科學(xué)和技術(shù)層面盡快解決的重要問(wèn)題，進(jìn)而為制定新的黃河治理方略提供支撐[12]。

2 黃河水沙運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)研究重大進(jìn)展與趨勢(shì)

泥沙運(yùn)動(dòng)是一門(mén)基礎(chǔ)性技術(shù)學(xué)科，主要研究泥沙顆粒在水流、重力等各種作用下的沖刷、搬運(yùn)和沉積過(guò)程。在多年的河流治理中，河流治理工程實(shí)踐促進(jìn)了泥沙學(xué)科的發(fā)展，泥沙學(xué)科基礎(chǔ)理論的發(fā)展又進(jìn)一步促進(jìn)了河流實(shí)際工程實(shí)踐的進(jìn)步。隨著治河工作的不斷開(kāi)展，泥沙基礎(chǔ)理論研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展和完善。尤其是由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，治黃工作也更加科技化和精細(xì)化，在前人基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，取得了一系列先進(jìn)性的理論成果，如強(qiáng)不平衡輸沙理論、極細(xì)沙減阻及洪峰增值機(jī)理、高含沙洪水“揭河底”沖刷機(jī)理等研究，近些年還出現(xiàn)泥沙學(xué)科與水生態(tài)，水環(huán)境等學(xué)科的交叉研究，拓展了泥沙學(xué)科理論的范圍，為解決治黃工作中的新問(wèn)題提供強(qiáng)有力的理論支撐[13]。

2.1 強(qiáng)不平衡輸沙理論研究

強(qiáng)不平衡輸沙在黃河上主要有兩個(gè)突出的問(wèn)題，一是高含沙洪水的強(qiáng)烈淤積，二是水庫(kù)運(yùn)用初期黃河下游河道的清水沖刷。這兩個(gè)突出的問(wèn)題嚴(yán)重影響著黃河下游防洪安全、生態(tài)安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水等方面。針對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)黃河下游河道存在的不平衡輸沙問(wèn)題，韓其為等[14]結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算等方法，研究了不平衡沙含沙量的垂線分布規(guī)律；江恩慧等[15]針對(duì)黃河下游游蕩型河道治理模式，開(kāi)展了下游河道的均衡輸沙，提出黃河下游河道均衡輸沙的水沙調(diào)控指標(biāo)，驗(yàn)證了“微彎型”河道整治方案對(duì)下游河道均衡輸沙是極為有利的。

在利用數(shù)學(xué)模型提高對(duì)強(qiáng)不平衡輸沙模擬精度方面，韓其為等[14]建立了不平衡輸沙含沙量垂線分布的指數(shù)公式和冪函數(shù)公式；趙連軍等[16]引入粒徑概念，首次提出了“含沙量與顆粒級(jí)配的垂線分布關(guān)系式”的理論公式，解釋了不同粒徑在不平衡輸沙條件下沿垂線的分布規(guī)律，建立了懸移質(zhì)泥沙沿垂線方向的分布公式，以及在高含沙水流條件下水流的流速、含沙量以及紊動(dòng)強(qiáng)度等因子沿垂線分布的理論公式，給出黃河“粗泥沙”粒徑的判別方法。

2.2 洪峰增值及極細(xì)沙減阻機(jī)理研究

在2004 年黃河汛前調(diào)水調(diào)沙期間，隨著小浪底水庫(kù)異重流排沙出庫(kù)，黃河下游出現(xiàn)了明顯的“洪峰增值”現(xiàn)象，洪峰流量由小浪底站的2 680 m3/s增大到花園口站的3 990 m3/s，在當(dāng)時(shí)下游河道河槽過(guò)流能力依然較弱的情況下引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。江恩慧等[17]針對(duì)黃河下游“04.8”洪水的洪峰增值現(xiàn)象，探討了洪峰增值的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，認(rèn)為小浪底水庫(kù)異重流排出的極細(xì)高含沙洪水在下游河道輸移過(guò)程中引起河道糙率變小，從而造成洪峰增值。李國(guó)英[18]對(duì)2004年—2006年小浪底水庫(kù)異重流排沙期間黃河下游出現(xiàn)的洪峰增值現(xiàn)象進(jìn)行分析，也認(rèn)為河道糙率減小是引起洪峰增值的主要原因。Wang等[19]借助波動(dòng)失穩(wěn)理論，指出洪峰增值是洪水動(dòng)力波在高傅汝德數(shù)情況下的失穩(wěn)現(xiàn)象。上述研究成果在近些年的調(diào)水調(diào)沙實(shí)踐中被黃委采納，為黃河制定防洪決策提供重要理論支撐。

2.3 高含沙洪水“揭河底”沖刷機(jī)理

“揭河底”是黃河特有的百年奇觀，因其特殊的物質(zhì)組成和造床過(guò)程，形成了黃河上典型的河床劇烈沖刷現(xiàn)象。韓其為[21]通過(guò)分析土塊的起動(dòng)流速、上升運(yùn)動(dòng)、露出水面條件以及下降和沿縱向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)力學(xué)分析，建立了黃河揭河底沖刷的土體臨界條件和土體運(yùn)動(dòng)方程；江恩慧等[22]通過(guò)多年的系統(tǒng)研究，在大量原型測(cè)驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合概化模型試驗(yàn)，通過(guò)系統(tǒng)的力學(xué)分析，對(duì)“揭河底”沖刷期河道斷面形態(tài)調(diào)整過(guò)程以及洪水位的變化進(jìn)行了研究。提出了“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的條件，分析了構(gòu)成揭河底河床的淤積結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了“揭河底”現(xiàn)象沖刷時(shí)的物理圖形，首次利用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M“揭河底”現(xiàn)象，創(chuàng)造性地利用瞬變流模型建立了“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的臨界判別指標(biāo)。通過(guò)模型試驗(yàn)，剖析了“揭河底”發(fā)生時(shí)的工程出險(xiǎn)機(jī)理，提出了適用于“揭河底”發(fā)生河段的工程防護(hù)措施和相應(yīng)對(duì)策。該項(xiàng)研究具有較大的理論突破，其研究?jī)?nèi)容不僅豐富了多沙河流河床演變的基礎(chǔ)理論研究，同時(shí)還為預(yù)測(cè)自然界“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生提供理論和技術(shù)支撐。

2.4 床面形態(tài)對(duì)水流阻力及泥沙輸移的影響機(jī)理

床面形態(tài)是沖積河流水動(dòng)力結(jié)構(gòu)及泥沙輸移過(guò)程中的主要影響因素。目前，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量床面運(yùn)動(dòng)的室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了恒定流條件下床面形態(tài)的變化過(guò)程、不同床面形態(tài)的阻力及泥沙輸移特征、穩(wěn)定床面形態(tài)的判別等方面的研究[23-24]。Nordin等[25]及Pratt等[26]還采用能量頻譜的方法，研究了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)沙壟及沙紋床面高程沿水流方向的頻譜特征、典型波長(zhǎng)沙波的運(yùn)動(dòng)周期等。Verbank[27]結(jié)合聲學(xué)諧振原理，提出了床面形態(tài)控制數(shù)概念，可進(jìn)行床面形態(tài)判別及形態(tài)阻力的定量計(jì)算。張?jiān)h等[28]基于床面形態(tài)控制數(shù)理論，結(jié)合水槽試驗(yàn)成果，分析了床面形態(tài)控制數(shù)與不同床面形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了床面形態(tài)參數(shù)；結(jié)合黃河下游實(shí)測(cè)資料，建立了床面形態(tài)判別方法，研究認(rèn)為床面形態(tài)控制數(shù)能夠反映高、低能態(tài)區(qū)的水流阻力特征；文獻(xiàn)[29-30]還基于旋渦流的運(yùn)動(dòng)特征和床面形態(tài)控制數(shù)，建立了水流阻力和床面形態(tài)運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，結(jié)合Bagnold泥沙懸浮效率的概念，提出了床沙質(zhì)輸沙能力公式，其能夠反映床面形態(tài)由低能態(tài)到高能態(tài)區(qū)的發(fā)展過(guò)程。該研究在輸沙能力公式中引入床面形態(tài)控制參數(shù)是一種新的嘗試。同時(shí)，隨著單波束及多波束測(cè)深技術(shù)的發(fā)展，世界大河沙壟幾何形態(tài)的野外觀測(cè)有了顯著進(jìn)展，研究者們相繼開(kāi)展了野外河流非恒定流條件下沙壟特征及動(dòng)態(tài)過(guò)程等研究[31-35]。

2.5 泥沙學(xué)科與其他學(xué)科交叉新發(fā)展

(1) 環(huán)境泥沙研究方面。水利工程的建設(shè)和運(yùn)行將導(dǎo)致水沙過(guò)程和河床演變發(fā)生不同于天然情況下的變化。這些變化還引起了河流中水、沙、營(yíng)養(yǎng)鹽之間的分配關(guān)系發(fā)生變化，從而導(dǎo)致床面生物膜、浮游動(dòng)植物、底棲動(dòng)物以及水生植物等相應(yīng)隨之改變。根據(jù)實(shí)測(cè)資料表明，水沙關(guān)系的變化會(huì)引起水生態(tài)環(huán)境的明顯變化。關(guān)于這方面的研究，方紅衛(wèi)等[36]提出了生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)的概念及理論框架，對(duì)水沙輸移及微地形演變的物理過(guò)程、營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物質(zhì)隨泥沙輸移的化學(xué)過(guò)程、以及水體中及床面處各類生物過(guò)程對(duì)于水沙輸移及微地形演變的響應(yīng)等研究均進(jìn)行梳理，探討了水沙輸移與河流生物化學(xué)過(guò)程之間的相互耦合關(guān)系，指出了生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)研究所面臨的多學(xué)科交叉、多尺度耦合等方面的挑戰(zhàn)。

(2) 河流物質(zhì)通量研究方面。河流是水沙等物質(zhì)、能量傳輸?shù)闹匾窂?，正常物質(zhì)通量的運(yùn)行能夠促使河流健康。河流物質(zhì)通量主要關(guān)注河流中的多種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其帶來(lái)的效應(yīng)變化，包含碳、氮、磷等主要離子和污染物。河流通量的顯著變化還會(huì)誘發(fā)一系列問(wèn)題，如促使河流功能受損，加速河流系統(tǒng)惡性循環(huán)，致使河流斷流或功能性斷流，甚至出現(xiàn)小水大災(zāi)、河流污染物通量增大等嚴(yán)峻形勢(shì)。胡春宏[12]認(rèn)為，進(jìn)行系統(tǒng)的河流物質(zhì)通量研究，將促進(jìn)泥沙學(xué)科與生態(tài)環(huán)境、地貌學(xué)、水文學(xué)等學(xué)科的深層次交叉，有助于進(jìn)一步完善泥沙基礎(chǔ)理論體系。針對(duì)黃河流域，應(yīng)開(kāi)展黃河干支流全物質(zhì)通量調(diào)控體系優(yōu)化布局及運(yùn)用機(jī)制，以及干流全物質(zhì)通量各要素耦合響應(yīng)機(jī)制與年度調(diào)控過(guò)程等方面研究。

3 黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)研究重大進(jìn)展與趨勢(shì)

3.1 黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)研究及新進(jìn)展

水沙調(diào)控是解決黃河水沙不協(xié)調(diào)的關(guān)鍵手段。我國(guó)很早就對(duì)水庫(kù)泥沙調(diào)度展開(kāi)研究。早在20世紀(jì)50年代的官?gòu)d水庫(kù)[37]、到20世紀(jì)60年代的三門(mén)峽水庫(kù)[38]，再到不平衡輸沙基礎(chǔ)理論[39-42]、高含沙水庫(kù)異重流研究[15,43-44]、下游河道河床演變與整治[45-47]、多沙河流水庫(kù)泥沙數(shù)學(xué)模型[48-50]與實(shí)體模型模擬技術(shù)[51-52]等方面均取得了顯著進(jìn)展。

自1955年，治黃專家王化云提出“寬河固堤”方略開(kāi)始，后續(xù)根據(jù)不同時(shí)期治黃需要，相繼提出了“寬河固堤”“蓄水?dāng)r沙”“上攔下排、兩岸分滯”等一系列水沙調(diào)控思路[53]；錢(qián)寧[54]指出在治理多沙河流時(shí)，不僅要改變河流的邊界條件，還應(yīng)利用上游水庫(kù)，合理調(diào)節(jié)水沙過(guò)程，便于下游河道有利發(fā)展。王士強(qiáng)[55]、李國(guó)英[56]提出利用水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的方式，通過(guò)人工塑造異重流，加大小浪底水庫(kù)的排沙量。同時(shí)指出只要突破塑造水庫(kù)異重流、確立河道水沙關(guān)系和遏制洪峰增值這三大技術(shù)，調(diào)水調(diào)沙便可有效遏制黃河下游的河道淤積[57]。江恩惠等[58]根據(jù)George提出的水庫(kù)保護(hù)模式概念，考慮應(yīng)用壽命周期模式提出了對(duì)三門(mén)峽水庫(kù)可持續(xù)管理的建議和意見(jiàn)，指出通過(guò)調(diào)度黃河上游和渭河上的水庫(kù)，調(diào)整有利的水沙條件形成人造洪峰可降低潼關(guān)高程。胡春宏等[59-60]提出水庫(kù)“蓄清排渾”運(yùn)用方式有效減輕了水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題，并進(jìn)一步提出了三峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)等運(yùn)行方式進(jìn)一步優(yōu)化的建議。談廣鳴等[61]運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法構(gòu)建了基于水庫(kù)-河道耦合關(guān)系的水庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度模型，并將該模型成功應(yīng)用到小浪底水庫(kù)的水沙聯(lián)合調(diào)度中，該研究為多沙河流水庫(kù)水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度提供了新的思路和理論依據(jù)。

江恩慧團(tuán)隊(duì)目前正在開(kāi)展的十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“黃河干支流骨干樞紐群泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)”，從構(gòu)建黃河泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控的系統(tǒng)理論，闡明水庫(kù)泥沙高效輸移機(jī)制，揭示下游河流系統(tǒng)對(duì)泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控的多過(guò)程綜合響應(yīng)機(jī)理，提出黃河泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控模式與技術(shù)，建設(shè)黃河泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控模型與智慧決策平臺(tái)等5個(gè)方面進(jìn)行內(nèi)容。

3.2 新形勢(shì)下黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)，黃河水沙條件發(fā)生了深刻變化，黃河水沙調(diào)控體系初步建成。特別是隨著綜合國(guó)力的提升和國(guó)家區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略、生態(tài)安全戰(zhàn)略的推進(jìn)，黃河流域“防洪安全-社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展-生態(tài)環(huán)境改善”之間的關(guān)系亟待平衡與協(xié)調(diào)。在此背景下，黃河泥沙調(diào)度應(yīng)在空間上覆蓋全流域、功能上覆蓋全維度，時(shí)間上覆蓋短、中、長(zhǎng)期，以實(shí)現(xiàn)黃河流域全河“行洪輸沙-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”多功能協(xié)同發(fā)展為目標(biāo)，建立全流域完整的泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控理論、技術(shù)與工程體系[62]。鑒于此，我們應(yīng)對(duì)黃河流域進(jìn)行系統(tǒng)治理，應(yīng)用系統(tǒng)論思想方法，開(kāi)展黃河流域水沙聯(lián)合調(diào)控系統(tǒng)理論與技術(shù)，黃河下游河道與灘區(qū)綜合治理提升工程與技術(shù)，基于水庫(kù)長(zhǎng)期有效庫(kù)容維持的泥沙資源利用關(guān)鍵技術(shù)與裝備等方面研究。

4 河道綜合治理理論與技術(shù)研究重大進(jìn)展與趨勢(shì)

4.1 黃河下游河道整治研究進(jìn)展

黃河下游游蕩段主槽寬淺散亂、擺動(dòng)頻繁，河勢(shì)演變具有多變性和復(fù)雜性，河道強(qiáng)烈游蕩的特性嚴(yán)重威脅著黃河下游的防洪安全。新中國(guó)成立以來(lái)，國(guó)家和各級(jí)人民政府非常關(guān)注黃河的治理鞏工作，持續(xù)投入一系列人力、物力和財(cái)力修建了大量的河道整治工程和進(jìn)行了一系列治黃研究。

在黃河下游河床演變方面，錢(qián)寧等[63]、龍毓騫[64]和胡一三[65]老一代先驅(qū)學(xué)者對(duì)多沙河流河床演變等基本理論開(kāi)展了不懈的研究，其研究成果對(duì)治黃戰(zhàn)略的決策做出了重要貢獻(xiàn)。在黃河下游河道治理方面，謝鑒衡[66]指出要遵從黃河下游河道自身演變規(guī)律進(jìn)行治理，通過(guò)小浪底水庫(kù)的攔粗排細(xì)功能，調(diào)整出庫(kù)水沙搭配比例；擴(kuò)大黃河河口三角洲的面積以保證黃河山東段河床不抬升；利用大壩進(jìn)行大范圍的引黃放淤，以此改善黃河下游整個(gè)河道的來(lái)水來(lái)沙條件；針對(duì)黃河河南段的淤積問(wèn)題，可對(duì)河道主槽的橫斷面進(jìn)行調(diào)整，并降低河床糙率。國(guó)家“八五”攻關(guān)計(jì)劃期間，胡一三等[45]對(duì)黃河下游游蕩段河道的河勢(shì)演變規(guī)律進(jìn)行了系列研究，對(duì)黃河下游過(guò)渡段河道(高村至陶城鋪)以及黃河山東段的河道整治經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，展望并提出了針對(duì)黃河下游游蕩段河道的整治措施。在國(guó)家“九五”“十五”攻關(guān)計(jì)劃期間，江恩慧等[67]結(jié)合大量原型實(shí)測(cè)資料，通過(guò)系列的室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)難以進(jìn)行工程布局的黃河下游河道段進(jìn)行工程布局試驗(yàn)?zāi)M研究，其成果為黃河下游游蕩段河道的治理提供了理論和技術(shù)支撐。

2016年江恩慧負(fù)責(zé)的國(guó)家基金重點(diǎn)項(xiàng)目“游蕩型河道河勢(shì)演變與穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論”，引入系統(tǒng)理論與方法，結(jié)合協(xié)同理論和突變理論，揭示游蕩性河道有限控制邊界對(duì)河勢(shì)演變的作用機(jī)理，探討水沙動(dòng)力與有限控制邊界的和諧效應(yīng)及工程布局模式，提出游蕩性河道河勢(shì)穩(wěn)定控制的技術(shù)方法，凝煉形成“游蕩性河道河勢(shì)演變與穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論”。該項(xiàng)目將有力地推動(dòng)游蕩型河道河勢(shì)演變研究從“定性”到“定量”、河道整治效果從“游蕩擺動(dòng)”到“相對(duì)穩(wěn)定”的跨越，有效地促進(jìn)河床演變與河道整治學(xué)科的發(fā)展?！笆濉逼陂g，江恩慧負(fù)責(zé)的國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“黃河下游寬灘區(qū)滯洪沉沙功能及灘區(qū)減災(zāi)技術(shù)研究”，在理論、技術(shù)和應(yīng)用等方面分別對(duì)黃河下游灘槽協(xié)同治理理論與技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新[68]。首次從理論層面揭示了灘槽水沙交換機(jī)理及漫灘洪水水沙運(yùn)移與灘地淤積形態(tài)調(diào)整的互饋機(jī)制，量化了寬灘區(qū)不同運(yùn)用方式對(duì)寬河段及山東窄河段的影響，提出了寬灘區(qū)灘槽水沙優(yōu)化配置方案，構(gòu)建了下游寬灘區(qū)滯洪沉沙功效二維評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，提出了可兼顧下游防洪與灘區(qū)可持續(xù)發(fā)展的洪水泥沙調(diào)控模式與綜合減災(zāi)措施。

4.2 黃河河道綜合治理發(fā)展趨勢(shì)

習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)時(shí)指出，“洪水風(fēng)險(xiǎn)依然是流域的最大威脅”，“下游防洪短板突出”，在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)任務(wù)中，“保障黃河長(zhǎng)治久安”占據(jù)著很突出的位置。同時(shí)強(qiáng)調(diào)，“上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃”“黃河生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體”“要更加注重保護(hù)和治理的系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性”“要堅(jiān)持山水林田湖草綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，統(tǒng)籌推進(jìn)各項(xiàng)工作，加強(qiáng)協(xié)同配合，推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展”，為今后黃河流域綜合治理指明了方向。

總書(shū)記的講話既一針見(jiàn)血地指出了目前黃河下游存在的問(wèn)題，同時(shí)也為今后黃河流域的綜合治理指明了方向，其充分體現(xiàn)了系統(tǒng)論的思想方法。黃河是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，治理黃河是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。無(wú)數(shù)的歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)告訴人們：“治河息息相通，牽一脈而動(dòng)全體”。因此，無(wú)論黃河治理的整體戰(zhàn)略、實(shí)施方案，還是不同河段的治理方略、工程布局，抑或是單一工程的具體設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理，在其規(guī)劃、可行性研究、實(shí)施的各個(gè)階段，都必須以系統(tǒng)論思想方法為統(tǒng)領(lǐng)，把黃河流域作為一個(gè)有機(jī)的復(fù)合系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮。針對(duì)黃河流域系統(tǒng)治理這個(gè)命題，黃河流域系統(tǒng)可劃分為干支流河流子系統(tǒng)、區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)三大子系統(tǒng)。黃河流域的系統(tǒng)治理要以河流基本功能維持、區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、流域生態(tài)環(huán)境有效保護(hù)三維協(xié)同為整體治理目標(biāo)，定量研究黃河流域綜合治理的整體布局及不同治理措施之間的博弈協(xié)同效應(yīng)[69]。

按照系統(tǒng)理論概念，將黃河下游河道系統(tǒng)定義為“以水沙輸移、床岸組成和涉水工程為物理基礎(chǔ)，以水沙資源開(kāi)發(fā)利用和合理配置為核心，以河流基本功能維持(行洪輸沙)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境有效保護(hù)等為最終目標(biāo)的復(fù)合系統(tǒng)”。該系統(tǒng)將河流水沙輸移、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境要素等視為一個(gè)整體，其核心理念是保障河流行洪輸沙基本功能、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、維持生態(tài)環(huán)境健康[70]。今后應(yīng)利用系統(tǒng)論思想和方法進(jìn)行黃河下游河道灘槽協(xié)同治理研究，探索系統(tǒng)內(nèi)多目標(biāo)之間的協(xié)同發(fā)展和整體最優(yōu)。

5 黃河泥沙綜合處理與利用方略研究重大進(jìn)展與趨勢(shì)

新中國(guó)成立以來(lái)，黨和政府高度重視黃河的治理問(wèn)題，眾多科技工作者圍繞黃河泥沙處理與利用問(wèn)題一直孜孜不倦地進(jìn)行著研究和實(shí)踐，在不同時(shí)期形成了不同的治理方略。從建國(guó)初期的“除害興利、蓄水?dāng)r沙”，發(fā)展到1964年的“上攔下排”治河思想，再到20世紀(jì)90年代逐步形成了“攔、排、放、調(diào)、挖”處理與利用泥沙的綜合治理措施。從以上治黃方略可以看出，對(duì)于泥沙的處理都是基于泥沙的災(zāi)害屬性，而對(duì)泥沙的資源屬性認(rèn)識(shí)不足。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，在國(guó)家生態(tài)文明和鄉(xiāng)村振興等戰(zhàn)略指引下，泥沙作為一種可利用的資源已被越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)、接納和重視，黃河泥沙的資源屬性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值逐漸凸顯。2013 年《黃河流域綜合規(guī)劃(2012年—2030年)》將“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)，同時(shí)首次明確提出了“泥沙資源利用”。

水利部、黃委會(huì)以及河南省和山東省政府都高度重視黃河泥沙處理與資源利用工作。2006年黃委會(huì)召開(kāi)的“黃河小浪底水庫(kù)泥沙處理關(guān)鍵技術(shù)及裝備”研討會(huì)，拉開(kāi)了21世紀(jì)黃河泥沙資源利用研究的序幕。2012年成立“黃河泥沙處理與資源利用工程技術(shù)中心”，中心主任江恩慧帶領(lǐng)整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)科技部研發(fā)專項(xiàng)、水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)、水利部科技推廣項(xiàng)目，黃委會(huì)防汛項(xiàng)目，小浪底監(jiān)管局專項(xiàng)等，對(duì)黃河深水水庫(kù)泥沙取樣技術(shù)、深水水庫(kù)泥沙處理技術(shù)、管道輸沙技術(shù)、泥沙資源利用技術(shù)與裝備等進(jìn)行了持續(xù)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，形成了“測(cè)-取-輸-用-評(píng)”黃河泥沙資源利用全鏈條技術(shù)，對(duì)黃河泥沙資源利用起到了技術(shù)示范和引導(dǎo)作用，達(dá)到了控制泥黃河沙資源利用的風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)揮黃河泥沙資源的優(yōu)勢(shì)、彰顯黃河泥沙利用的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益、引導(dǎo)更廣泛的社會(huì)力量參與其中、有效減輕黃河泥沙淤積、促進(jìn)黃河長(zhǎng)治久安的目標(biāo)，為黃今后河泥沙的大規(guī)模資源利用奠定了基礎(chǔ)[71-73]。

對(duì)泥沙進(jìn)行資源的利用，也就是對(duì)泥沙進(jìn)行空間優(yōu)化配置。近期具有代表性的成果是胡春宏院士的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃，該項(xiàng)目預(yù)測(cè)了黃河泥沙變化的趨勢(shì)，構(gòu)建了黃河泥沙空間優(yōu)化配置的總體框架，提出了泥沙優(yōu)化配置理論方法年研發(fā)了黃河泥沙空間優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型[74]；通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，系統(tǒng)研究了2050年以前不同水沙系列條件下黃河干流泥沙空間優(yōu)化配置的潛力和能力以及經(jīng)濟(jì)投入指標(biāo)[75]；提出了黃河干流泥沙在未來(lái)不同時(shí)期內(nèi)的配置模式和配置方案[76]。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，黃河泥沙研究為黃河下游防洪安全和流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了極其重要的貢獻(xiàn)。2019年9月18日，習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上對(duì)新中國(guó)成立以來(lái)黃河治理取得的巨大成就給予了肯定，同時(shí)也對(duì)黃河治理提出了新要求，將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提升到國(guó)家重大戰(zhàn)略的重要地位。近年來(lái)，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、生態(tài)安全戰(zhàn)略等的推進(jìn)實(shí)施，國(guó)家在新時(shí)期新情勢(shì)下對(duì)泥沙研究賦予了新的使命。針對(duì)黃河流域當(dāng)前存在的問(wèn)題，亟需我們對(duì)黃河水沙變化成因及趨勢(shì)進(jìn)行深入研究和定量判斷，進(jìn)行流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理，加強(qiáng)黃河水沙運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)研究，進(jìn)行符合新情勢(shì)下的黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)研究，應(yīng)用系統(tǒng)論思想，進(jìn)行黃河下游河道進(jìn)行灘槽協(xié)同治理，通過(guò)持續(xù)性的成套技術(shù)集成和系列裝備研發(fā)進(jìn)行泥沙資源利用，以加強(qiáng)黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)，保障黃河長(zhǎng)治久安，讓黃河成為造福人民的幸福河。