黃河是世界上最著名的多泥沙河流之一。河水從黃土高原裹挾大量泥沙進入下游，淤積在黃淮海大平原上。在自然狀態(tài)下，黃河不斷擺動，自行尋找洪水出路和堆沙空間。這種自由泛濫的狀態(tài)和人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了沖突。人們在與黃河的抗爭中，雖然取得過一次次的勝利，階段性地把河道控制在一定的范圍之內(nèi)，但卻始終無法改變黃河決口改道的局面。

黃河下游河道容納泥沙能力有限

1.容沙空間的定義

黃河下游水少沙多，河床不斷淤積抬高。隨著堤防的形成和完善，河道擺動的范圍受到約束，泥沙沉積的空間也受到限制。為便于討論，對河道的容沙空間給出以下定義，即：在一定的設防水位下，河道可容納泥沙體積的最大值。容沙空間的下界面是兩堤之間或最高設防水位線以下的河床表面（包括河口三角洲和相應的淺海區(qū)）。上界面是最高設防水位下的河面寬度和臨界比降（淺海區(qū)為平衡比降）構(gòu)成的面。這里的“臨界比降”是指維持行河輸沙的最小比降，“平衡比降”是指淺海區(qū)在海洋動力作用下達到平衡狀態(tài)時的比降，在上述空間中扣除槽蓄水的體積，即為河道的容沙空間。

2.容沙空間的盈縮

在河道邊界條件改變時容沙空間也會相應改變：設防水位提高，容沙空間隨之擴大；設防水位降低，容沙空間則隨之減少。設防水位提高后，防洪工程建設、維護和防守成本上升，一旦失事造成的災害損失也會增加，因此，設防水位的提高是有限度的，只能限定在技術(shù)可能、經(jīng)濟合理的水平上;分流、分滯、湖泊調(diào)蓄可增加河道的容沙空間，堤防決口也會開拓新的容沙空間;河道擴寬可增加容沙空間，灘區(qū)圍墾則會縮小容沙空間等等。

有人會提出，河口是一個開放的系統(tǒng)，排沙入海能否擴大容沙空間呢？借助海洋動力將泥沙輸入深海能否使容沙空間不斷增加呢？首先，輸沙入海必須保持一定的比降，隨著泥沙入海會使河口延伸，比降變緩，輸沙能力下降，為了保持輸沙能力就必須提高水位，可見保持輸沙能力是以水位抬高為條件的，在既定設防水位下河道的容沙空間是不能擴大的。其次，海洋動力的作用，只能影響河口及淺海區(qū)的淤積形態(tài)，但不能有效增加河道的容沙空間。河口區(qū)的潮流在24小時內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化，它的合成矢量（余流矢量）很小，不足以使河口泥沙產(chǎn)生定向推移，只能使河口淤積體在潮流的往復作用下逐漸坦化、擴散。當海底達到平衡比降時，淤積體的前沿推進、上部退蝕也就停止了（如圖1）。雖然不排除少量泥沙擴散到其他海域，但與河口泥沙的大量堆積相比是微不足道的。

3.容沙空間的利用

河道的容沙空間是有限的，在容沙空間被充滿之后河道的壽命就終止了。因此，河道容沙空間的大小和來沙量的多少就決定了行河年限的長短。我們不妨用河道的容沙空間的不同來觀察一下河道變遷的歷史：“禹貢河道”下游有巨大的“調(diào)節(jié)水庫”——大陸澤及其以下的湖泊群，加上那時河口地區(qū)地勢低洼，來沙又較少，行河千余年才發(fā)生改道。西漢河道沿河較少大型湖泊，來沙量也逐漸增加，行河維持了六百余年。王景治理的東漢河道，流程短、地勢低，加之分流河道——濟水進入大野澤，增加了容沙空間，因而也行河九百余年。北宋時“橫隴”、“東流”兩河道處于西漢、東漢故道之間，“北流”河道處于禹河、西漢故道之間，這些故道均長期行河并屢屢決口，河道之間已發(fā)生大量淤積，所�？臻g較為有限，北宋王朝雖舉全國之力治理黃河，也難以改變頻繁決口的局面，僅行河百余年就改行徐淮河道了。徐淮河道行河時來沙較多，也無特別有利的地形地勢，但當時采取棄南保北的方略，南岸沒有完整堤防，行河范圍遍及黃淮之間，淤積范圍廣大，也維持行河七百余年。

河道的容沙空間實際上不能完全利用，由于泥沙沉積不均衡，常常在容沙空間尚未充滿時改道就發(fā)生了。就縱向沉積而言，由于泥沙輸移的慣性影響，淤積最強烈的河段并不在峽谷出口附近，而是在孟津以下200～400千米的河段內(nèi)（現(xiàn)行河道夾河灘至孫口附近）。根據(jù)1950～1997年實測資料統(tǒng)計，夾河灘至孫口河段長169千米，占下游河道長的22%，而淤積泥沙40.32億噸，占下游淤積總量的44.2%，形成明顯的淤積“駝峰”。歷史上這一河段也決口頻繁，大的改道多發(fā)生于此。例如，公元前602年的宿胥口、公元11年的魏郡、公元1048年的商胡、公元1855年的銅瓦廂均在此范圍之內(nèi)。河道淤積在橫向上也有不均衡問題，近年來表現(xiàn)更為突出。河道未經(jīng)整治時，河槽可以自由擺動，灘槽位置不斷變換，河床也因此均衡抬升。在固定河槽以后，泥沙主要淤積在河槽兩側(cè)，逐漸出現(xiàn) “二級懸河”現(xiàn)象 （如圖2）。不僅威脅堤防安全，也造成河道容沙空間不能充分利用。

目前處理泥沙的主要途徑

當前處理黃河泥沙主要有三條途徑：一是把泥沙攔截在上、中游；二是把泥沙輸送入海；三是把泥沙堆積在河道及其兩側(cè)。

1.在上、中游處理泥沙

在上、中游處理泥沙，一是水土保持；二是在干、支流修筑攔泥水庫。這些措施是有效的，但從長遠看，又受各種條件的制約，也是有限度的。

水土保持 黃土高原經(jīng)過長期侵蝕，溝壑縱橫，支離破碎，土質(zhì)疏松，水土極易侵蝕流失。新中國成立以來，黃土高原開展了大規(guī)模、群眾性的治理活動，取得了明顯的治理效果。但是，水土保持是一個長期的、漸進的過程，而且由重力侵蝕引起的水土流失難以完全遏制。根據(jù)地理學家研究的成果，即使在黃土高原植被良好、人類活動影響輕微的商、周時期，年水土流失量也有8~10億噸之多，水土保持不能完全解決入黃的泥沙問題。

修建攔泥水庫 在干流修筑大型攔泥水庫可以有效攔截泥沙，按照黃河梯級開發(fā)規(guī)劃，尚未建設并能發(fā)揮較大作用的干流樞紐工程還有古賢、磧口、大柳樹等少數(shù)幾個，總的攔沙庫容300多億立方米，只能解決幾十年的攔沙問題。在支流修建攔泥水庫，往往要淹沒大片川地，對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生活影響較大。鑒于我國人多地少的基本國情，大量建設支流攔泥水庫是不現(xiàn)實的。

2.輸沙入海

處理泥沙的第二條途徑是利用現(xiàn)行河道盡可能地將泥沙輸送入海，這也是長期以來處理泥沙的基本指導思想。排沙入海雖然也要占據(jù)河道的容沙空間，但河口濱海區(qū)是河道容沙的主要部位，如不能將泥沙輸送入海，容沙空間將難以有效利用，從而加速河道的衰亡。輸沙入海必須有適宜的來水來沙和河道邊界條件。根據(jù)多年的觀測，保持下游河道沖淤積平衡的年均含沙量為20~25千克每立方米，也就是說，每輸送1噸泥沙需要40~50立方米的水量。20世紀以來，黃河下游多年平均含沙量為35千克每立方米，大于維持沖淤平衡的臨界含沙量，下游河道總體上處于淤積狀態(tài)。為了盡可能地增加排沙入海的數(shù)量，目前主要采取整治河道、調(diào)水調(diào)沙、增水沖沙等治理措施。

整治河道 調(diào)水調(diào)沙 也就是建立黃河水沙調(diào)控體系，塑造適宜的水沙過程及河道邊界，盡可能增加排沙入海的數(shù)量。調(diào)水調(diào)沙的基本要求是：

一要有一定量級的洪水和持續(xù)時間，水流挾帶泥沙能力和流量的高次方成正比，流量越大，挾沙力越大，輸沙效力（單方水輸移泥沙的數(shù)量）也越高。除量級之外還需要一定的持續(xù)時間，否則會造成上沖下淤，不能有效地將泥沙沖泄入海。

二要有一定的邊界條件。上述挾沙能力和洪水量級之間的關(guān)系，只有在河道順暢并且不漫灘的情況下才能完全成立。一旦洪水漫灘，進灘洪水的挾沙能力會迅速降低，一般會發(fā)生 “淤灘刷槽”現(xiàn)象，全斷面的挾沙能力和排沙比也會隨之下降。此外，排洪河道的斷面形態(tài)對輸沙能力也有顯著影響，河道斷面越窄深，水流的輸沙能力越大。因此，通過河道整治，形成窄深穩(wěn)定、行洪順暢、且有較大過洪斷面的中水河槽，是提高河道輸沙能力的重要條件之一。

三要調(diào)節(jié)水沙搭配。通過工程控制，泄放含沙量適宜的洪水，是調(diào)水調(diào)沙的基本要求。如果含沙量過大會造成主槽淤積；含沙量過小，主槽雖可沖刷，但泥沙啟動需要消耗能量，且床沙顆粒較粗，不利于啟動和挾帶，也不能達到最佳的輸沙效果。

增水沖沙 多年來，黃河流域用水量不斷增大，水少沙多的狀況更加突出。國家規(guī)劃的南水北調(diào)有東、中、西三條線路。其中，南水北調(diào)西線工程是唯一一條能夠增加黃河水量、改善黃河水沙關(guān)系的線路。規(guī)劃每年從長江調(diào)水170億立方米，對緩解黃河水少沙多、水沙不平衡的矛盾將起到積極而重大的作用。但是隨著人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展以及全球氣候變化的影響，各地水資源平衡都面臨新的情況和問題，能否實現(xiàn)規(guī)劃的調(diào)水量還存在不確定因素。

3.在河道及其兩側(cè)處理泥沙

在河道及其兩側(cè)處理泥沙的主要措施有小北干流放淤、下游灘區(qū)放淤、淤積相對地下河、人工改道等。

小北干流放淤 小北干流河段位于汾渭盆地之中，河道面積1107平方千米，灘地面積682.4平方千米，人口7.96萬。根據(jù)黃河設計公司（原黃委勘測規(guī)劃設計院）1979年提出的放淤方案，在禹門口增建一級樞紐，實行有壩自流放淤。放淤面積可達566平方千米，放淤量為180億噸。

下游灘區(qū)及背河放淤 根據(jù)2003年統(tǒng)計，黃河下游灘區(qū)總面積4047平方千米，人口180.94萬。灘區(qū)放淤可采取引洪自流放淤，或從小浪底水庫另辟放淤渠道放淤。灘區(qū)放淤，可以緩解“二級懸河”的不利形勢，使灘區(qū)容納更多的泥沙。

截至2001年底，黃河下游放淤固堤共完成土方7.6億立方米。如果將放淤范圍繼續(xù)擴大，將下游河道淤積為相對地下河，不但大大提高了黃河下游的安全保障，也為泥沙處理找到了適宜的空間。黃河下游有臨黃堤1371千米，如將放淤范圍向外擴展500米，平均淤高5米，可容納泥沙近35億立方米。這些堤段在淤積完成后仍可繼續(xù)開發(fā)利用，不影響有效的土地利用面積。

人工改道 人工改道可以開啟新的容沙空間，從而使河道獲得生機。但是它的損失大、問題多，作為治河方略在歷史上從未被采納過（小范圍局部改道除外）。當今社會人口迅猛增加，經(jīng)濟飛速發(fā)展，華北平原又是我國人口最稠密的地區(qū)之一，交通、水利、能源、通信等基礎(chǔ)設施縱橫交織，構(gòu)成密如蛛網(wǎng)的各種網(wǎng)絡系統(tǒng)，改道造成的損失是以往任何時代都無法相比的。歷史上每次大的改道以后，都有一個長達數(shù)十年的不穩(wěn)定時期�？陂T以上劇烈沖刷，口門以下強烈堆積，河槽遷徙無定，防守十分困難，次生的災害損失也難以估量。因此，改道只能是一種最無奈的選擇。

現(xiàn)行河道行河年限估算

既然河道的行河年限是由容沙空間決定的，我們就可以根據(jù)河道的容沙空間推算其行河年限。當然在推算時必須有確定的邊界條件，如河道邊界、設防水位、來水來沙數(shù)量、泥沙處理途徑等等。由于這些邊界條件具有一定的不確定性，確切計算行河年限是很困難的。但在設定一些基本條件之后，可以對行河年限做一些粗略的估算。

前提條件設定如下：一是以現(xiàn)行河道的邊界為計算依據(jù)。二是合理確定設防水位。1996年8月花園口水文站發(fā)生7600立方米每秒的洪水時，東壩頭以上的高灘區(qū)大都上水漫溢。這些高灘是1855年銅瓦廂改道以前形成的。它們的漫溢，說明現(xiàn)行河道的平均河床高程和1855年以前的老河道已經(jīng)比較接近，對其防洪減淤的潛力不能有過高地估計。估算時設防水位以提高5米為限（維持現(xiàn)有的設防流量和堤防超高）。三是泥沙處理。實施前文提到的所有處理措施并達到預期效果。

1.河道容沙空間的估算

根據(jù)近期衛(wèi)星遙感調(diào)查資料，現(xiàn)行河道從孟津到利津河道面積為4407平方千米（不含封丘倒灌區(qū)）。設防水位提高后河道也按平均淤積5米計算,可容納泥沙220億立方米。在自然狀態(tài)下河道淤積與河口地區(qū)淤積的數(shù)量分別占1/4和3/4，這也可以視為河道與河口地區(qū)容沙空間的比例。由此推算河口地區(qū)容沙空間為660億立方米。在設防水位提高5米的情況下，現(xiàn)行河道的容沙空間約為880億立方米。

2.水庫攔蓄處理泥沙估算

干流水庫的攔沙庫容：小浪底水庫75億立方米（從21世紀初起算），古賢117.9億立方米，磧口97.8億立方米，大柳樹57.2億立方米，劉家峽15.5億立方米，龍羊峽53.5億立方米，其他干流水庫尚可利用的庫容約30億立方米，共可攔截泥沙447億立方米，支流水庫攔截泥沙較難估算。20世紀50年代流域規(guī)劃時，曾計劃在支流建設一些骨干的攔泥水庫，但因為這些水庫需要淹沒大片川地，對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生活影響較大，基本上都沒有實現(xiàn)。后來雖修了一些水庫，但大多以灌溉、發(fā)電為主，總庫容75.5億立方米。以攔泥為主的水庫今后也難以大規(guī)模建設�？倲r沙庫容擬按200億立方米估計。水庫處理泥沙總計為647億立方米。

3.放淤工程處理泥沙估算

小北平流放淤泥沙180億噸，約128.6億立方米，淤積相對地下河1300千米，約32.5億立方米，下游灘區(qū)（含溫孟灘）已計算在河道容沙空間之內(nèi)，不再重復計算。放淤工程處理泥沙161億立方米。

以上措施共可處理泥沙1688億立方米。

4.河道來沙估算

按照上、中游水土保持規(guī)劃，2001～2010年進入下游河道的泥沙從13億噸減少至11億噸，2010～2020年減少至10億噸，2020～2050年減少至8億噸，2001～2050年共計來沙495億噸（約354億立方米），2050年后每年來沙按8億噸 (5.71億立方米) 計。

綜合以上數(shù)據(jù)，各種措施共可攔截和處理泥沙1688億立方米，扣除2001～2050年來沙剩余1334億立方米。2050年以后按每年來沙5.71億立方米計算，河道尚可維持行河234年。從2001年算起現(xiàn)行河道約可維持行河284年。實際上河道的容沙空間不可能完全利用，實際的行河年限會小于估算年數(shù)。

上述計算中，還有不少不確定的因素。例如，黃土高原的水土保持能否如期達到減沙目標，規(guī)劃的放淤工程措施能否完全實現(xiàn)，都會對實際行河年限產(chǎn)生不同程度的影響。特別值得指出的是，下游的容沙空間主要在河口三角洲和淺海區(qū)，能否有效地將泥沙輸送入海，對河道的行河年限有至關(guān)重要的影響。如將8億噸泥沙輸送入海，每年約需320～400億立方米的入海徑流量。近年來徑流減少，輸沙能力降低，入海泥沙的絕對量和占來沙的比例都在大幅降低。如果不能把泥沙輸送到河口地區(qū)，將會加大河道淤積比例，使行河年限大大縮短。

解決黃河泥沙問題的設想

從治河的角度講泥沙是個沉重的包袱。那么，能否將這些泥沙轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳玫馁Y源呢？當然用黃河泥沙填海造陸、放淤改土、淤背固堤等都屬于資源化的范疇。為了實現(xiàn)長治久安還需要開拓更多的泥沙利用途徑。近期黃河設計公司對泥沙利用開展了專題研究，提出了一些新的利用途徑。如制磚、制作人工石材、河道采沙等，每年可利用泥沙1140萬立方米。隨著科學技術(shù)的進步，應用項目的拓展，泥沙資源化還會有新的發(fā)展。

海洋是接納黃河泥沙最廣闊的空間，輸沙入海是實現(xiàn)長治久安的希望所在。但是，利用現(xiàn)行河道輸沙入海受到一定的制約。一是黃河水少沙多，難以把泥沙全部輸送入海，造成河床不斷抬高；二是河道的設防水位不能無限地提高，容沙空間相對有限。在現(xiàn)行河道之外開辟新的高效輸沙通道，是破解這一難題的可能途徑。

20世紀70年代研究發(fā)現(xiàn)，高含沙水流具有更強大的輸沙能力。為此，陜西省水利廳在涇、洛、渭河三大自流灌區(qū)進行了試驗。最高引沙量分別達到41.7%（涇惠渠1978年）、42.4%（寶雞峽引渭渠1979年）和60.6%（洛惠渠1978年），渠道均未出現(xiàn)明顯淤積。其中寶雞峽引渭灌區(qū)輸送距離在100千米以上。此后，在其他灌區(qū)推廣，均得到相同的結(jié)果和明顯效益。由此可見，高含沙水流長距離輸送泥沙提高輸沙效率并不是遙不可及的事情。在黃河下游利用高含沙水流輸送泥沙需要解決高含沙水流的塑造、輸送、堆放等問題。

1.高含沙水流的塑造

高含沙水流需要一定比例的細顆粒泥沙，而通過閘門沖泄，含沙量和顆粒級配都難以控制。這個問題可在小浪底水庫用機械抽淤的辦法解決。當前清淤設備功能十分強大，有些設備還適宜水庫和海區(qū)作業(yè)�？衫们逵贆C械，在小浪底庫區(qū)不同部位抽取泥沙，經(jīng)過搭配、混合形成符合輸移要求的均勻穩(wěn)定的高含沙水流。

2.高含沙水流的輸送

高含沙水流如采用渠道輸送，則需滿足不淤流速、臨界坡降和斷面形態(tài)的要求。清華大學的有關(guān)專家曾計算過四個不同方案，主要參數(shù)和效果如下表：

從下表的計算結(jié)果可以得到以下認識:第一，計算方案可滿足黃河下游輸沙需要。最小的方案年輸沙量6.31億噸，考慮到下游河道內(nèi)還要輸送一定數(shù)量的泥沙，基本上都能滿足輸送泥沙的數(shù)量要求。第二，具備實施的基本條件。渠道最大底寬不超過15米，工程布設和修建不存在特殊困難。小浪底水庫進入正常運用期以后，庫區(qū)灘面高程在250米左右。小浪底距渤海、黃海的距離均不足1000千米，比降在0.25‰～0.3‰之間，均能滿足設計坡降的要求，可以實現(xiàn)自流輸送。即使在特殊情況下出現(xiàn)坡降不足的情況，可輔助提排措施。第三，方案中最大單噸耗水量為5立方米, 按年排沙8億噸計，僅需耗水40億立方米，大大提高了輸沙效率，較好地解決了輸沙水量不足的問題。

3.泥沙的堆放

修建排沙渠道輸送高含沙水流，既不受現(xiàn)行河道的限制，也不存在日常防洪問題，可以輸入渤海，亦可輸入黃海，為泥沙處理提供足夠廣闊的空間。為了解決渠道入�？谟俜e延伸問題，可在近海處設計若干岔道，輪流使用，在一定時期內(nèi)實現(xiàn)淤積和退蝕的平衡。在河（渠）口三角洲淤滿后，可改建部分渠道開辟新的堆沙海域。高效輸沙可以和填海造陸相結(jié)合，獲取巨大的經(jīng)濟和社會效益。

提高輸沙效率的另一條途徑是管道輸沙。有關(guān)專家提出增建小浪底樞紐排沙底孔設施，利用壓力管道輸送小浪底高含沙水流。用兩條直徑為4~5米的管道，每年可輸送泥沙5~7億噸。

以上利用渠道或管道輸送高含沙水流的方案還是初步的。在實施過程中還會遇到許多問題，但畢竟有類似的成功先例，已不存在無法逾越的障礙，只要堅持努力，是可以逐步解決的。

黃河的泥沙淤積問題，曾是無數(shù)治河者的困惑與煩惱，人們走過了漫長的求索之路，目前已經(jīng)看到了黎明的曙光。一旦上述設想得以實現(xiàn)，黃河將進入一個新的歷史時期。小浪底水庫成為水沙調(diào)節(jié)的樞紐，黃河下游將實現(xiàn)清渾（水）分流。泥沙通過渠（管）道向外輸送，用于填海造陸、淤地改土、建筑材料，從而變成寶貴的資源；清水（低含沙水流）通過現(xiàn)行河道下泄，使河道保持平衡穩(wěn)定；庫區(qū)通過抽淤可永久保持需要的調(diào)節(jié)庫容；灘區(qū)已完成它的歷史使命，堤防間距可以大幅收窄。黃河下游展現(xiàn)給人們的將是堤防永固、綠水長流、經(jīng)濟發(fā)展、人水和諧的壯麗畫卷。

（作者為河南河務局原局長）
 
 

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