水利工程論文-黃河下游懸河現(xiàn)狀與治理芻議摘要：由于進入黃河下游的沙量遠大于能輸往深海的沙量，黃河下游河道及河口的整體淤積是不可避免的。增加河道水流挾沙能力只能推遲河道淤積的到來，從長遠看，并不能使河道由淤轉(zhuǎn)沖，因此，控制河床抬升的治河原則，主要并不是提高河道水流挾沙能力，而是減少來沙量，增大落淤面積，并使淤積物各得其所，以盡量減少其對壅高上游水位的影響。關(guān)鍵詞：懸河來沙量侵蝕基點疏浚放淤1黃河下游懸河現(xiàn)狀黃河以多沙著稱于世，其所挾帶的巨量泥沙，在進入下游沖積平原之后，沿程發(fā)生嚴重淤積，形成河床高踞于兩岸背河地面之上的“懸河”。其懸河程度，就濱河區(qū)而言，一般為35m，多者高達10m，就距河較遠的平原區(qū)而言，相差可達1020m以上。這種懸河狀態(tài)在汛期往往帶來嚴重的洪水災害，一旦堤防決口，洪水居高臨下，一瀉千里，淹沒范圍廣，發(fā)展速度快，造成的災情往往十分嚴重。特別是當懸河程度較高時，全河向決口奔流，形成新河，決口以下故道全部淤廢，災情尤烈。這一現(xiàn)象在黃河上稱為改道，歷史上大的改道有5次之多，改道范圍，北犯天津，南襲江淮，整個黃淮海大平原幾乎全受其害。這種改道的發(fā)展過程，正是黃河本身為了從不穩(wěn)定的懸河狀態(tài)中解脫出來，周期性地恢復到暫時較穩(wěn)定狀態(tài)的一種手段，運用這種手段，黃河將其所挾帶的巨量泥沙較均勻地分布在黃淮海平原之上，完成它“移山填海造神州”的歷史任務。它所塑造的大平原，實際上為一鳥趾狀大三角洲，這是由于每一次改道都留下一條懸河河床的緣故。歷史上的治河，雖然眾說紛紜，莫衷一是，但由于受經(jīng)濟基礎(chǔ)及技術(shù)條件的限制，并無大的作為，一般限于在改道形成的新河上，根據(jù)其發(fā)展情況，相機修建防洪堤壩，對洪水加以約束而已。今天談論治河，經(jīng)濟基礎(chǔ)與技術(shù)條件已遠非當年可比，可以從更廣闊的范圍，對更全面的因素進行考慮，作出決策。但由于泥沙問題實在過于復雜，對于許多原則性問題，言人人殊，難以形成共識。然而有一點可以肯定的是，歷史上迫不得已采用，但卻行之有效的辦法，已難再用。這種辦法是順應河床演變趨勢，當懸河達到某種程度而改道時，不力求恢復故道，而是俟雛形河道形成后，再逐步修建新的防洪堤壩，加以約束保護。不能繼續(xù)運用這種辦法的原因為，時至今日，黃淮海平原地區(qū)經(jīng)濟已十分發(fā)達，改道的破壞性太大，這就使問題轉(zhuǎn)化為，如何減小河床抬升速度，使懸河狀態(tài)基本或完全得到抑制。2黃河下游河床演變中的幾個關(guān)鍵問題要深入認識黃河下游河床抬升的機制，有必要對黃河下游河床演變中的關(guān)鍵問題有較為正確的理解。黃河下游河道可大體上分為三段，第一段為AA至BB之間的河道段；第二段為BB至CC之間的河口段，后者又分為河口E以上的河口河道段和河口E以下的淺海段；第三段則為CC線以外的深海段(圖1)。2.1黃河下游河床演變關(guān)鍵問題之一是河口E以上懸河縱剖面塑造的機制問題1黃河一個最突出的特點是，通過AA斷面進入黃河下游的年輸沙量遠大于通過CC斷面輸往深海的年輸沙量。后者在定量上難以確定，60年代我們曾根據(jù)少量河口地形變化實測資料，將大于15m水深，沖淤變化甚小的海域視為深海，曾粗略地估算為不足4億t，這大體上相當于當年進入河口段(利津以下)沙量的三分之一2。近期的分析成果有的類似，有的更小3，4。這種狀況是黃河口外海濱水淺潮弱的特點造成的，在這種狀況下，AA及CC斷面之間將發(fā)生嚴重淤積，其中包括AA至BB之間的河道淤積，BB至EE之間的河口河道淤積，再加上EE以下由河口沙咀及鄰近海岸向前推進所造成的淤積。這里特別值得注意的是，由河道淤積造成的河床抬升y，為河口延伸x造成的河口抬升ye(=x.Je,Je為河口比降)所抵消，從而不可能通過淤積增大比降，來制約淤積的進一步發(fā)展(圖1)，致使自我控制系統(tǒng)的反饋作用完全喪失。與此相反，如果黃河口外海濱為深水強潮，入海泥沙均能被帶出CC斷面之外，河口不向前推進，則河床比降將逐漸增大，至不再發(fā)生淤積為止。如圖2所示。這是黃河下游持續(xù)淤積的根本原因所在1。圖1黃河下游縱剖面變化示意圖圖2輸沙平衡縱剖面示意圖VariationschemeoflongitudinalprofileoftheLowerYellowRiverSchemeofariverlongitudinalprofileunderequilibriumsedimenttransport圖1反映的是一個形態(tài)基本穩(wěn)定，但淤積仍在繼續(xù)進行的動態(tài)縱剖面，這是在黃河具體條件下比較特殊的一種近乎成熟的縱剖面，其標志是，整個下游河道多年累計淤積促成的洪水上升值，1994年與1958年對比，沿程差別不大，平均2m多，下游略大于上游。分析這一剖面，除深海淤積對河口和河道淤積均無影響外，河口區(qū)的河道淤積和淺海淤積對上游河水的頂托作用和由此引起的淤積影響是至為明顯的。河道淤積本身下游對上游的影響也是至為明顯的。2.2黃河下游河床演變關(guān)鍵問題之二是河口演變的特殊規(guī)律問題研究表明，在存在前述大鳥趾狀三角洲的同時，還存在一個河口小鳥趾狀三角洲。位于小鳥趾狀三角洲的河道，同樣存在著延伸、改道至再延伸的演變規(guī)律。當河道通過延伸、淤積而發(fā)展得較為成熟時，將出現(xiàn)決溢改道，另尋低洼捷徑入海，在決口下游發(fā)生嚴重的沿程淤積，而在決口上游則發(fā)生嚴重的溯源沖刷。過此之后，河床再次延伸、淤積，直到發(fā)展成熟，等待下一次決溢改道的到來。每一次延伸改道至再延伸的演變過程稱為一次小循環(huán)；當改道遍及三角洲各地，整個三角洲海岸線均全面外移一段距離時，則稱為一次大循環(huán)。每一次小循環(huán)，河長由增長、縮短，到再增長，其上游水位由抬高、降低，到再抬高，平均情況基本不變。每一次大循環(huán)之后，河身得到永久性的增長，上游水位也會得到永久性的抬高2。從上面有關(guān)河口演變所作的描述可以看到，就河口演變影響上游水位抬高而言，存在三種控制模式，整個三角洲向外全面推進為第一種模式，這是一種自然發(fā)展模式，這種模式由于海岸線最長，其平均推進速度必然最低，因而其壅高上游水位的作用也必然最小，見圖3(a)；完全扼制河口改道，迫使黃河長期獨流入海為第二種模式，這是一種人為干擾極強的模式，由于這種模式向外推進的海岸線最短，因而河口延伸最長，其壅高上游水位的作用也必然最大，見圖3(b)；介于以上二者之間的是適當縮小三角洲推進范圍的第三種中間模式，見圖3(c)，單純從減少壅高上游水位著眼，理應爭取第一種模式，而目前實際采用的是第三種模式，這是為了在某種程度上增加河口河道的穩(wěn)定性，有利于油田開發(fā)的緣故。圖3黃河河口擺動范圍示意圖SchematicdrawingofshiftingscopeoftheYellowRiverMouth2.3黃河下游河床演變關(guān)鍵問題之三是近年來黃河下游所出現(xiàn)的水沙變化據(jù)統(tǒng)計，長系列(19191985年)黃河下游平均年水量464億m3，年沙量15.6億t，而短系列(19861993年)平均年水量僅307億m3，年沙量僅7.5億t。這既受氣象因素影響，更與人為干擾有關(guān)，但值得注意的是，在19881994的連續(xù)7年中有3年(1988，1992，1994)年沙量分別為15.5、10.9及12.3億t，說明黃河泥沙并沒有穩(wěn)定減少，出現(xiàn)大沙年的機遇還很多，加以汛期流量減少，下游泥沙淤積問題仍十分嚴重。由以上三個問題，可獲得以下認識：(1)進入下游沖積平原的年沙量遠大于可輸往深海的年沙量，整個黃河下游是一個持續(xù)淤積的大環(huán)境。(2)圖1縱剖面變化情況顯示，如果河道段少淤、不淤，甚至發(fā)生沖刷，則整個縱剖面調(diào)平，水流挾沙力降低，河口對上游水位的頂托作用加重，河道的少淤、不淤及沖刷局面將隨之逐漸消失，也就是說，原河道所獲的正面效益只是暫時的，將為接踵而來的強烈淤積所取代。(3)河口淤積對上游水位的頂托作用，不僅決定于淤積量，還決定于淤積部位，河身愈長，侵蝕基點愈居下游，河口淤積對上游水位的頂托作用愈大，河道的后期淤積愈嚴重。也就是說，河道的回淤是加速進行的。(4)近期黃河水沙情況雖有大的變化，但由于汛期洪水泥沙尚未得到有效控制，黃河下游河床淤積抬高問題仍未緩解，必須繼續(xù)得到重視。以上這些認識將為治理方案的選擇提供啟示。3黃河下游治理原則的商榷有關(guān)黃河下游治理措施的爭議頗多，這里不可能一一涉及，只打算對其中某些有代表性的治理原則加以討論。3.1治理措施中一個似乎得到公認的原則是，黃河之所以善淤，其主要原因是來沙太多，而河道的水流挾沙能力甚小，要改變這一狀況，關(guān)鍵在于提高河道水流挾沙能力，這樣不但可做到不淤，甚至還可能出現(xiàn)沖刷。問題似乎就迎刃而解了。堅持這一原則最著名的是明河督潘季馴，他的束水攻沙說，直到現(xiàn)在還為許多近代工程師所喜聞樂道。單純使用這一治理原則不可能解決問題是至為明顯的。這是因為在黃河具體條件下束水根本達不到全面攻沙的目的，攻于上必淤于下，河道和河口河道部分，有可能通過攻沙暫時不淤，但河口以下的淺海部分不但會繼續(xù)淤積，而且淤積速度還要進一步加劇，而這一部分加速淤積所帶來的壅水作用，會迅速抵消其上游部分的攻沙效益。因此束水攻沙作為局部范圍的臨時性措施是有一定效果的；作為全面的根治措施就完全不能解決問題了。為了驗證這一設(shè)想，作者早年曾作過不同堤距的束水攻沙試驗，在束水不能使河道全面改淤為沖的條件下，束水愈甚，河床淤積愈快，這一方面是由于束水減少了落淤面積；另一方面還由于束水加重了下游淤積，從而增強了對上游的頂托影響。上述束水攻沙措施，除了原則上存在問題之外，在具體實施上，要使千里長堤對抗急流而不潰決，也存在較大困難。3.2通過提高水流挾沙能力以控制黃河不淤的另一種論點是通過控制灘槽淤積過程來限制淤積的發(fā)展。持這種觀點的人，認為黃河水流挾沙能力的潛力很大，只不過兩極分化，灘地(河漫灘及邊灘)水流挾沙能力小，深槽水流挾沙能力大，一場大洪水之后，灘地全面淤高，而深槽則拓寬加深，形成所謂“大水出好河”的局面。因此希望采取某些工程措施，如通過水庫調(diào)度控制下游水流不漫灘或少漫灘，這樣等于增大了平均水流挾沙能力，黃河下游也就可以不淤了。遺憾的是，好河局面難以維持長久，在黃河形成高灘深槽的局面之后經(jīng)過一段時間，總會由于這樣或那樣的來水來沙條件，下游河道或河口出現(xiàn)這樣或那樣的新情況，深槽淤成淺槽，黃河下游又面臨灘地大面積落淤的前景。問題何在?最根本的原因是黃河下游在整體上是處于淤積狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，黃河下游河道段不可能長期維持一個很深的深槽。3.3有人考慮，深槽發(fā)生淤積，往往處在枯水期，因而建議將容易產(chǎn)生深槽淤積的枯水水流引走，其實枯水攜帶的泥沙很有限，即使能將枯水引走，也改變不了河道的整體淤積狀態(tài)，從而也解決不了黃河的淤積問題。3.4提高黃河水流挾沙能力，還可不通過增加流速，而通過從外部補充能量，增加水流紊動強度來達到。所謂在河道內(nèi)敷設(shè)炸藥，同時引爆；或利用機船拖淤，就是這種性質(zhì)的工程措施，這種措施不僅大面積持久實施存在一定困難；根據(jù)前面的討論，它同樣無法解決河道及河口整體處于淤積狀態(tài)的根本矛盾。3.5另一項受到各方面重視的治理原則是歷史上爭議甚多，而近來又重新提出的百舸疏浚說，意即在沿河兩岸適當?shù)攸c布置大量挖泥船，實施疏浚；棄土用于填筑兩岸大堤背河一側(cè)的鹽堿洼地和加高培厚兩岸大堤橫斷面，采用這一治理措施等于將兩岸大堤臨水一側(cè)的淤積物搬運到大堤背水一側(cè)，這無異于增加了落淤面積，消除了這一部分淤積物的阻水作用，這是一方面。另一方面是，大堤及其背水一側(cè)地面的抬高，在某種意義上可以看成減輕了懸河程度，或使懸河變成相對地下河，從而降低了心理壓力和防洪難度，實行這一措施也許可以將通過改道分片提高平原地面高程的模式，改造成為通過疏浚棄土，結(jié)合引黃放淤在垂直堤線方向逐步提高平原地面高程的模式。值得進一步探討的是，疏浚量要大到何種程度才能發(fā)揮較大作用。從前面的論述可知，即使年來沙量大大減少，如減到8億t以下，扣除能被海流帶往深海的4億t左右的沙量，剩下的還很多。因此，百舸疏浚只能作為一種有效的輔助性措施來使用，要完全靠它解決問題，將如潘季馴早就指出的那樣，是挖不勝挖的。4黃河下游治理措施芻議黃河下游治理問題十分復雜，這里不可能一一涉及到，討論重點將局限于其中一個最關(guān)鍵的問題，即河床抬升問題，且僅限于作原則性的討論及從長遠觀點考慮問題。顯然，研究黃河下游河床抬升問題，必須全面考慮進口來水來沙條件，出口侵蝕基點條件及向深海輸沙條件，另外還須考慮整個河道的周邊條件。同時，根據(jù)前面的論述，治理原則不應該是片面強調(diào)增加河道水流挾沙能力，而應該是，盡可能減少來沙量和盡可能多地將已淤積或即將淤積下來的泥沙轉(zhuǎn)移出去，并使那些最終不可避免地要淤積下來的泥沙各得其所，盡量減少其對上游水位的頂托作用。下面根據(jù)這些原則，對設(shè)想的治理措施略述梗概。4.1大力開展水土保持工作，減少進入下游的沙量，關(guān)鍵問題在于減少洪水期的產(chǎn)沙量。近二、三十年來，黃河來沙量顯著減少，既有水土保持的作用，也有來水偏枯，特別是某些集中產(chǎn)沙區(qū)偏枯的影響。據(jù)估計，水利水保措施的減淤作用年均達3億t左右，這一事實一方面增強了開展水土保持工作的信心；另一方面也揭示了問題的艱巨性，因為年來沙量必須降至4億t左右，黃河下游才可望不淤；如僅能降至年12t、10億t、8億t左右，則仍有大量泥沙會淤積抬高河床。4.2在中游修建大型水庫，如正在修建中的小浪底水庫，考慮修建的磧口水庫等。采取攔粗排細的運用原則，用水庫庫容來換薩入下游的粗顆粒來沙量的減少。當然，改變水庫的調(diào)度運用方式，適當調(diào)水調(diào)沙，以增加水庫及其下游河道的輸沙能力，在延緩河道淤積方面也有一定好處。但如前所述，這樣作只能使淤積延緩一定時間，作用是有限的。在中游支流上修建主要以攔泥為目的的中型水庫也是值得考慮的。這種攔泥庫除攔泥外，還有抬高支流侵蝕基點，從而減少溝蝕的作用。4.3談論黃河下游的治理，總離不開河口的治理，這是因為后者直接決定河道侵蝕基點的變化，與河口以上河道乃至整個下游河道水位的抬高息息相關(guān)。治理的原則是，在保證勝利油田維持相對穩(wěn)定的前提下，盡量擴大河口河道的擺動范圍，使三角洲海岸線較長，從而推進速度較低，這樣，對壅高上游水位的影響也就相對較小了。河口治理是否能顯著影響泥沙輸入深海的強度，從現(xiàn)在認識來看，輸入深海的沙量大小與海流的強弱及方位密切相關(guān)。在保持目前人類干擾程度的條件下，海流似乎不會有大的變化，輸入深海沙量可暫時近似地定為常數(shù)，當然，這是一個有待進一步研究的重大課題。4.4百舸疏浚是處理泥沙的一個有效措施，已如前述，存在的問題是，來沙量過大，而疏浚能處理的泥沙有限，因此，將它看成一個有效的輔助手段則可；看成能解決全部問題的主導手段則尚存在差距。4.5引黃淤灌在黃河下游已修建有大量工程，平均每年能處理的泥沙，僅就花園口至利津河段而言，70年代即達年1.66億t。如對其中某些有條件的淤灌工程加以改造，增大引沙量；另外，并在小浪底壩區(qū)修建引黃輸沙渠道，將泥沙輸送到黃河北岸背水一