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21世纪黄河下游河道治理主攻方向

齐   璞  (黄河水利科学研究院  郑州  邮编450003)

经过我国几代人对黄河泥沙输移的研究和实践，认识终于有了突破。即不管黄河水沙如何变化都要经过小浪底水库的调节进入下游河道。经过多年的研究小浪底水库应进行泥沙多年调节，平水枯水期蓄水拦沙兴利运用，利用洪水泄空冲刷排沙，配合下游游荡性河道进一步整治形成有利于排洪输沙通道，利用窄深河槽可输送高含沙水流入海，减缓黄河下游河道淤积，大量节省输沙水量，增加工农业用水可供水量。

泥沙问题是黄河难治的症结所在。众所周知，黄河洪水的洪峰和洪量与其它大江大河相比，并不是很特殊。但是由于泥沙在下游河道中不断的强烈淤积，使得河槽的过洪能力不断的下降，从而造成黄河洪水危害严重，形成历史上三年两决口，多次大改造，而成为世界上最难治理的河流。新中国成立以后人民治理以来，充分认识到黄河泥沙是洪水危害的根源，因此要从根本上解决黄河泥沙问题，才能使洪水问题得到彻底的解决。为此，提出正本清源治黄方略，试图把黄河泥沙固定在黄土高原，使黄河变清。想通过“蓄水拦沙”达到根治黄河水害，开发黄河水利的目的。然而，几十年的治黄实践说明，黄河不可能清，也没有必要清。黄河不可能清的主要原因，是由其自然地貌条件决定的，即黄土高原的逐渐被侵蚀规律是不可逆转的，人类的活动能力只能减缓这个过程，在局部地区创造良好生存环境。总之对水土保持的长期性，复杂性，艰巨性应有充分的认识。说黄河没有必要清的原因，是黄河下游河道存在着很强的输沙能力，在一定的条件下河道存在“多来多排”的输沙特性。50年代的黄河规划则忽略充分利用下游河道可能达到的输沙潜力治理黄河的重要性。正如治黄前辈王化云在我的治河实践一书中所指出的，对黄河而言，治理下游河道与治理中游同等重要，都应是治本。

1、        黄河上中游综合治理带来的新情况、新问题

近年来，随着清水资源的优先开发，龙羊峡、刘家峡两座大型水库投入运用，及上中游地区工农业用水的增长，使得汛期进入下游的水量大幅度减小，含沙量增加，洪峰流量减小，洪水的造床作用减弱，河槽严重淤积并萎缩，平滩流量减小，二级悬河进一步发展，几乎年年出现长时间断流，并出现“小水大灾”，防洪和水资源利用问题更加突出。三门峡水库“蓄清排浑”运用方式面临新的困难，即汛期流量减小难以冲刷掉非汛期的淤积物，从而维持库区冲淤平衡，且小水排沙也会增加下游河槽淤积，对防洪十分不利。

钱正英同志在总结中国水利经验，论述可持续发展时，对江河治理做出如下的提示：“过去着重控制洪水和泥沙的来源，对于在来水来沙改变后，下游河道可能发生的变化，注意和研究不够。未能更自觉将河流上下游作为整体来研究水沙资源的合理利用及河流生态环境的合理规划”。目前黄河中下游出现的问题，主要是由于上游大型水库投入运用后所带来的，因此我们要总结经验，从河流学观点出发，研究水库调水调沙产生有利水沙组合，塑造新河槽，维持河流的生机。

1.1近年来黄河水沙条件的变化

黄河水沙条件发生较大变化的其主要原因，是控制黄河总水量近58%的龙羊峡、刘家峡两库的联合运用和1990年以来黄河流域降雨量明显偏少。龙羊峡水库1986年10月投入运用，调节库容193.6亿m3，刘家峡水库1968年投入运用，调节库容41.5亿m3，共计235.1亿m3。形成对上游水量的多年调节。使得汛期水量和丰水年水量大幅度减少，非汛期的水量有所增加。汛期水量减少最多者可达100亿m3，如1988年的汛期。

由年沙量变化可知,1985～1996年年均沙量仅8.33亿t,较长系列1919～1985年均13.5亿t减少近5亿t，约为38%。但年际间的减沙幅度不同，枯水枯沙年减沙幅度较大，丰水丰沙年减沙幅度小。 年沙量的变化朝两级分化方向发展。

天然情况下，洪峰流量大，经常出现3000～5000m3/s的洪水。而近年来很少出现大于3000m3/s洪水,由于流量的变化，使得各级流量挟带沙量所占的比例发生明显变化，流量小于2000m3/s挟带沙量明显增加，流量大于2000m3/s挟带沙量明显减少，其中减少最多的是3000～5000m3/s这级流量挟带的沙量。因此出现了黄河下游近年来小水挟带大沙，洪水造床和输沙作用减弱，近十年来花园口站的最大洪峰流量仅8100m³/s。

1.2当前河道防洪的主要问题

①    河槽严重淤积、洪水位抬高

龙、刘大型水库投入运用以来，每年拦截了上游泥沙0.54亿t，上中游河道每年淤积0.65亿t，引水引沙1亿t，中游黄土高原综合治理平均每年减少入黄泥沙3亿t，使得近年来进入黄河下游的年沙量仅8亿t，下游引水引沙1亿多吨，河道淤积2.4亿t，输送到河口地区泥沙3.8亿t。水沙条件的变化，引起上中下游河道严重淤积，其下游河道情况尤为突出。

1986年以来黄河下游河槽发生严重淤积，全断面年均淤积量为2.4亿t，其中河槽淤积1.66亿t，占全断面的71%，十年间下游河槽淤高1.06～1.87m。

从30年来花园口站典型洪水位变化情况表明，由于主槽的严重淤积，使得洪水位升高，连年出现历史最高洪水位。

表1              花园口站近年典型洪水位变化情况

造成洪水位高低的主要原因是前期河床条件，当前期连续几年枯水，河槽连年淤积，或汛初小水大沙均会造成前期河床集中淤积，使水位大幅度抬升，在本年汛期出现历史最高洪水位。由表1给出的水位数据可以看出，在出现历史最高洪水位的年份，汛初3000m³/s和1000m³/s的水位均表现最高，如1973年、1992年、1996年。其中1969年至1973年为枯水系列，花园口站3000m³/s水位累计抬升0.93m。龙羊峡水库投入运用后，汛期水量大幅度减少，1986年至1996年也是枯水系列，其中1986年到1992年3000m³/s水位抬升1.0m，到1996年汛前抬高1.35m。由此可见，造成最高洪水位的主要原因基本清楚。

②    平滩流量减小，一旦洪水漫滩将造成小水大灾

近十几年下游河道平滩流量的变化情况表明，由黄河下游连读枯水，下游各河段的平滩流量由1985年时的6000-7000m³/s，到1997年降为3000-4000mm³/s。

表2                  平滩流量近年变化情况

1996年8月花园口站发生洪峰流量7860m³/s，最大含沙量126kg/m³，花园口站水位达94.73m，洪水大漫滩，使高滩上水，并顺堤行洪，造成走一路淹一路，极不合理的洪水演进过程，造成300多万亩滩地受淹，受灾人口达100多万，比1958年发生的流量22300m³/s特大洪水所造成的淹没损失还大。

小浪底水库投入运用后也由于连年枯水，下泄的清水流量小，造成上河段冲刷下河段淤积，在2002年高村站的平滩流量仅1800m³/s，因此造成高村以下大漫滩。

③长时间断流

随着黄河流域的治理与开发和近年来降雨偏少，黄河水资源的供需矛盾更加突出。从1972年到1987年的26年中，下游共有20年断流，断流时间和断流河段的长度呈逐年增加的趋势。尤其是进入90年代以来，黄河下游的断流状况日趋严重，1995年断流122天，1996年断流136天，1997年断流226天，断流河段长达600多公里。断流给下游工农业生产和人民生活用水造成严重影响。长时间的断流使下游河道萎缩，对黄河下游防洪极为不利，已引起有关方面的重视。

2、        造成“小水大灾”的主要原因与解决途径

由表1给出的资料表明，最小平滩流量与最高洪水位同时发生，说明河槽严重淤积是造成平滩流量小的主要原因。造成“小水大灾”的条件是二级悬河普遍存在、平滩流量小、洪水漫滩。

产生二级悬河的主要原因，是在游荡性河道不利的来水来沙条件没有得到根本改变之前，在游荡性河道上进行河势控导的结果。游荡性河流以小水挟沙过多而造成河槽严重淤积著称。在小水挟沙过多没有得到控制之前，单纯的采取工程措施控导主流，对当时的防洪虽起到积极的作用，但因主流的摆动范围得到控制，小水淤积的范围也随之固定，经常走水的主槽不断淤高，而不能摆动，改变了天然游荡性河道通过主流自由摆动平衡滩槽差的演变规律。生产堤的破除，虽然洪水上滩后增加了滩地的淤积，但滩地面积大，大漫滩机会少，且在滩面形成滩唇和1/2000横比降，主槽的抬升速度仍大于滩区，久而久之形成目前的二级悬河。

要想避免“小水大灾”发生，首先要控制小水挟沙过多，从而控制河槽的严重淤积，使平滩流量逐年增大，使一般洪水不漫滩，增加洪水的造床和输沙作用。

几十年的治理实践，使人们认识到维持黄河主槽必需的泄洪输沙能力，是治黄的关键所在。

面对黄河来水来沙条件的不利变化，在特殊情况下形成的三门峡水库“蓄清排浑”泥沙年调节的运用方式，受库区条件限制不能对黄河水沙进行大幅度调节，因此无法解决目前下游河道出现的问题。要想从根本上解决二级悬河的问题，则应与小浪底水库调水调沙运用结合。

通过水库调水调沙改变进入下游的水沙条件，控制小水挟沙与河槽淤积，利用大洪水输沙，并塑造有利输沙的新河槽，使平滩流量增大。

3、        对黄河下游河道输水输沙能力的再认识

3.1高含沙水流研究

早在50年代著名泥沙专家钱宁教授开创了高含沙水流流变特性的研究。在70年代末80年代初，水利系统各单位进行了系统的试验研究，对高含沙水流的流变特性，运动特性和输沙特性的基本规律有了较全面的了解，为正确认识高含沙洪水在河道中的演变与输移规律奠定了基础。

黄河高含沙水流所以具有强大的输沙能力，是由于细颗粒的存在改变了流体的性质，使水流粘性大幅度增加，粗颗粒的沉速大幅度降低，使得很粗的泥沙颗粒在高含沙水流中输送也变得很容易。而河床对水流的阻力没有明显的改变，仍可用曼宁公式进行水力计算，在同样比降、水深的情况下，产生的流速不会减小。因此，利用黄河高含沙水流特性输送黄河泥沙，是十分经济理想的技术途径。

3.2多沙并非一定形成坏河

以往对黄河下游严重淤积，常笼统地归结为水少沙多。从国内外主要大河的资统计表明，黄河的确是年输沙量最多，达16亿吨；含沙量最高，年平均达37.7kg/m³，为举世仅有的多沙大河。因此，增加了治黄工作的困难。然而，多沙河流是否一定形成坏河呢？其实不然。

就以黄河中游发源于“粗泥沙”的主要支流，渭河、北洛河下游河道为例（详见表3），说明含沙量高的河流，并非一定形成强烈游荡堆积的河流。渭河、北洛河下游河道的流量与比降均比黄河干流小，含沙量比黄河高。以流量最小的北洛河为例，多年平均流量仅25.4m³/s，含沙量128kg/m³，与黄河下游相比，流量差53倍，含沙量差3.4倍；河道比降为1.7‰0略缓于黄河下游。但是前者却形成窄深稳定的弯曲性河流，而后者却形成宽浅游荡性堆积的河道。是什么缘故？

表3         黄河主要干流不同河段特性比较表

根据对北洛河、渭河水沙条件与河床演变资料分析，主要是它的来水来沙组合有利。其泥沙主要由高含沙洪水输送，含沙量大于300kg/m³洪水挟带泥沙量分别占年总沙量的72.4%的40.3%，丰沙年份常达80-90%以上。而造成塌滩的低含沙洪水很少发生，平水期流量小，含沙量低，河床不仅不淤，还会发生冲刷。造成塌滩的低含沙洪水，北洛河从1958年至1988年的30年中，仅于1976、1983年发生二次。在这样特殊条件下，塑造出比渭河更窄深的断面形态，河宽与水深的比值甚至小于10，看上去宛如一条规顺弯曲的渠道。显然这样窄深河槽适合高含沙洪水的输送。甚至日平均流量仅100m³/s洪水，含沙量高达400～900kg/m³经100公里长的河道时均不淤积，河段的排沙比达100%。由此可见，在一定的条件下，含沙量高的河流也可形成稳定的河流。

3.3窄深河槽的输沙特性

系统分析黄河主要干支流不同河段大量实测资料得知，河道具有窄深河槽是保证高含沙洪水长距离稳定输送的必要条件。

黄河下游河道的输沙特性，本站的输沙能力不仅与本站流量大小有关，还与上游站含沙量有关。其河道的输沙能力与上游站含沙量成正比，在其条件不变时，输沙能力取决于上游站含沙量，其中含沙量的方次与河槽形态有关。在游荡性的宽浅河段仅为0.6～0.8，艾山站以下的窄深河段达1.0。表现出河槽形态愈窄愈有利于泥沙输送的特性。在洪水不漫滩时，上、下游站间的流量相等，构成窄深河槽“多来多排“的高效输沙特性。

黄河下游艾山站，实测最大含沙量达到200kg/m³以上的洪水共发生三次，从含沙量在断面上分布情况可知，其表层含沙量140~150kg/m³，底层含沙量300kg/m³，没有达到均质流的输沙状态。但从河段排沙比达100%，及洪水前后河床断面变化分析，在流量3000m³/s时，可以顺利地长距离输送而不淤。艾山站以下的河道，虽然没有输送过含沙量更高的洪水，但是考虑到含沙量增加，流体粘性增大，粗颗粒的沉速会大幅度降低，当含沙量增加到300～400kg/m³以上时，会更有利于泥沙颗粒的悬浮。1977年7、8月在三门峡库区曾发生这样未曾预想的情况，两场洪水进库的最大含沙量分别为616和911kg/m³，悬沙组成d₅₀分别为0.045毫米和0.105毫米，坝前40公里范围，最高日平均水面比降分别为0.27‰0和0.92‰0，进出库的排沙分别为97%和99%。从上可知黄河高含沙水流在窄深河槽中，可以在较弱的水流条件下输沙。

低含沙洪水期粗泥沙的输移特性表明，在流量大于2000m³/s以后，随着流量的增大，平均河底高程不断降低，说明床沙组成D₅₀=0.05mm～0.1mm的粗颗粒泥沙在洪水期也可顺利输送，水库若利用洪水期排沙，就不必拦粗排细。

以上分析计算表明，目前的山东河道在流量3000m³/s时，不仅能够顺利输送含沙量200多公斤/立米，即使含沙量增加到300～800kg/m³时，也能顺利输送。黄河窄深河槽存在的巨大输沙潜力，为解决黄河下游泥沙问题指明了方向。

3.4窄深河槽过洪能力

窄深河槽不仅具有很强的输沙能力，同时具有很强的输水能力。游荡性河道的水面宽虽然较大，但洪水主要通过主槽下泄。从黄河下游山东河道实测泄洪能力可知，1958年7月艾山站在河宽476m，水深8.9m时，泄量为12300m³/s，洛口站河宽296m主槽，水深13.1m，泄量为11100m³/s。窄深河槽泄洪能力大的主要原因，其一是泄量与水深的1.67次方成正，水深增大泄量可迅速增加，其二是在涨水的过程中河床不断冲刷，在最大洪峰流量时，河底高程最低水深达到最大。其水位的增幅远远小于水深的增加值。

不同槽深、河宽为500m时，由 公式计算出，比降2 与1河段的泄量列入表4（n=0.012）：

表4        B=500m、比降2与1河槽过流能力比较