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(jìn)入黃河下游的沙量遠(yuǎn)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(lái)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(lái)沙量，增大落淤面積，并使淤積物各得其所，以盡量減少其對(duì)壅高上游水位的影響。關(guān)鍵詞：懸河來(lái)沙量侵蝕基點(diǎn)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(jìn)入下游沖積平原之后，沿程發(fā)生嚴(yán)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(dá)10m，就距河較遠(yuǎn)的平原區(qū)而言，相差可達(dá)1020m以上。這種懸河狀態(tài)在汛期往往帶來(lái)嚴(yán)重的洪水災(zāi)害，一旦堤防決口，洪水居高臨下，一瀉千里，淹沒(méi)范圍廣，發(fā)展速度快，造成的災(zāi)情往往十分嚴(yán)重。特別是當(dāng)懸河程度較高時(shí)，全河向決口奔流，形成新河，決口以下故道全部淤?gòu)U，災(zāi)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(gè)黃淮海大平原幾乎全受其害。這種改道的發(fā)展過(guò)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(lái)，周期性地恢復(fù)到暫時(shí)較穩(wěn)定狀態(tài)的一種手段，運(yùn)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(wù)。它所塑造的大平原，實(shí)際上為一鳥(niǎo)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(shuō)紛紜，莫衷一是，但由于受經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)及技術(shù)條件的限制，并無(wú)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(jī)修建防洪堤壩，對(duì)洪水加以約束而已。今天談?wù)撝魏樱?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)與技術(shù)條件已遠(yuǎn)非當(dāng)年可比，可以從更廣闊的范圍，對(duì)更全面的因素進(jìn)行考慮，作出決策。但由于泥沙問(wèn)題實(shí)在過(guò)于復(fù)雜，對(duì)于許多原則性問(wèn)題，言人人殊，難以形成共識(shí)。然而有一點(diǎn)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(yīng)河床演變趨勢(shì)，當(dāng)懸河達(dá)到某種程度而改道時(shí)，不力求恢復(fù)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(hù)。不能繼續(xù)運(yùn)用這種辦法的原因?yàn)?，時(shí)至今日，黃淮海平原地區(qū)經(jīng)濟(jì)已十分發(fā)達(dá)，改道的破壞性太大，這就使問(wèn)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題要深入認(rèn)識(shí)黃河下游河床抬升的機(jī)制，有必要對(duì)黃河下游河床演變中的關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)題之一是河口E以上懸河縱剖面塑造的機(jī)制問(wèn)題1黃河一個(gè)最突出的特點(diǎn)是，通過(guò)AA斷面進(jìn)入黃河下游的年輸沙量遠(yuǎn)大于通過(guò)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?cè)鶕?jù)少量河口地形變化實(shí)測(cè)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(dāng)于當(dāng)年進(jìn)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(diǎn)造成的，在這種狀況下，AA及CC斷面之間將發(fā)生嚴(yán)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(jìn)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(guò)淤積增大比降，來(lái)制約淤積的進(jìn)一步發(fā)展(圖1)，致使自我控制系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔猛耆珕适АＥc此相反，如果黃河口外海濱為深水強(qiáng)潮，入海泥沙均能被帶出CC斷面之外，河口不向前推進(jìn)，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(gè)形態(tài)基本穩(wěn)定，但淤積仍在繼續(xù)進(jìn)行的動(dòng)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(biāo)志是，整個(gè)下游河道多年累計(jì)淤積促成的洪水上升值，1994年與1958年對(duì)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(duì)河口和河道淤積均無(wú)影響外，河口區(qū)的河道淤積和淺海淤積對(duì)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(duì)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(wèn)題之二是河口演變的特殊規(guī)律問(wèn)題研究表明，在存在前述大鳥(niǎo)趾狀三角洲的同時(shí)，還存在一個(gè)河口小鳥(niǎo)趾狀三角洲。位于小鳥(niǎo)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(dāng)河道通過(guò)延伸、淤積而發(fā)展得較為成熟時(shí)，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(yán)重的沿程淤積，而在決口上游則發(fā)生嚴(yán)重的溯源沖刷。過(guò)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(lái)。每一次延伸改道至再延伸的演變過(guò)程稱為一次小循環(huán)；當(dāng)改道遍及三角洲各地，整個(gè)三角洲海岸線均全面外移一段距離時(shí)，則稱為一次大循環(huán)。每一次小循環(huán)，河長(zhǎng)由增長(zhǎng)、縮短，到再增長(zhǎng)，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(zhǎng)，上游水位也會(huì)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(gè)三角洲向外全面推進(jìn)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(zhǎng)，其平均推進(jìn)速度必然最低，因而其壅高上游水位的作用也必然最小，見(jiàn)圖3(a)；完全扼制河口改道，迫使黃河長(zhǎng)期獨(dú)流入海為第二種模式，這是一種人為干擾極強(qiáng)的模式，由于這種模式向外推進(jìn)的海岸線最短，因而河口延伸最長(zhǎng)，其壅高上游水位的作用也必然最大，見(jiàn)圖3(b)；介于以上二者之間的是適當(dāng)縮小三角洲推進(jìn)范圍的第三種中間模式，見(jiàn)圖3(c)，單純從減少壅高上游水位著眼，理應(yīng)爭(zhēng)取第一種模式，而目前實(shí)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(kāi)發(fā)的緣故。圖3黃河河口擺動(dòng)范圍示意圖SchematicdrawingofshiftingscopeoftheYellowRiverMouth2.3黃河下游河床演變關(guān)鍵問(wèn)題之三是近年來(lái)黃河下游所出現(xiàn)的水沙變化據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)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?jī)H307億m3，年沙量?jī)H7.5億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(shuō)明黃河泥沙并沒(méi)有穩(wěn)定減少，出現(xiàn)大沙年的機(jī)遇還很多，加以汛期流量減少，下游泥沙淤積問(wèn)題仍十分嚴(yán)重。由以上三個(gè)問(wèn)題，可獲得以下認(rèn)識(shí)：(1)進(jìn)入下游沖積平原的年沙量遠(yuǎn)大于可輸往深海的年沙量，整個(gè)黃河下游是一個(gè)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(gè)縱剖面調(diào)平，水流挾沙力降低，河口對(duì)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(shuō)，原河道所獲的正面效益只是暫時(shí)的，將為接踵而來(lái)的強(qiáng)烈淤積所取代。(3)河口淤積對(duì)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(zhǎng)，侵蝕基點(diǎn)愈居下游，河口淤積對(duì)上游水位的頂托作用愈大，河道的后期淤積愈嚴(yán)重。也就是說(shuō)，河道的回淤是加速進(jìn)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(wèn)題仍未緩解，必須繼續(xù)得到重視。以上這些認(rèn)識(shí)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(zhēng)議頗多，這里不可能一一涉及，只打算對(duì)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(gè)似乎得到公認(rèn)的原則是，黃河之所以善淤，其主要原因是來(lái)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(wèn)題似乎就迎刃而解了。堅(jiān)持這一原則最著名的是明河督潘季馴，他的束水攻沙說(shuō)，直到現(xiàn)在還為許多近代工程師所喜聞樂(lè)道。單純使用這一治理原則不可能解決問(wèn)題是至為明顯的。這是因?yàn)樵邳S河具體條件下束水根本達(dá)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(guò)攻沙暫時(shí)不淤，但河口以下的淺海部分不但會(huì)繼續(xù)淤積，而且淤積速度還要進(jìn)一步加劇，而這一部分加速淤積所帶來(lái)的壅水作用，會(huì)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(shí)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(wèn)題了。為了驗(yàn)證這一設(shè)想，作者早年曾作過(guò)不同堤距的束水攻沙試驗(yàn)，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(qiáng)了對(duì)上游的頂托影響。上述束水攻沙措施，除了原則上存在問(wèn)題之外，在具體實(shí)施上，要使千里長(zhǎng)堤對(duì)抗急流而不潰決，也存在較大困難。3.2通過(guò)提高水流挾沙能力以控制黃河不淤的另一種論點(diǎn)是通過(guò)控制灘槽淤積過(guò)程來(lái)限制淤積的發(fā)展。持這種觀點(diǎn)的人，認(rèn)為黃河水流挾沙能力的潛力很大，只不過(guò)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(chǎng)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(guò)水庫(kù)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(zhǎng)久，在黃河形成高灘深槽的局面之后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，總會(huì)由于這樣或那樣的來(lái)水來(lái)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(wèn)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(zhǎng)期維持一個(gè)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(shí)枯水?dāng)y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(wèn)題。3.4提高黃河水流挾沙能力，還可不通過(guò)增加流速，而通過(guò)從外部補(bǔ)充能量，增加水流紊動(dòng)強(qiáng)度來(lái)達(dá)到。所謂在河道內(nèi)敷設(shè)炸藥，同時(shí)引爆；或利用機(jī)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(shí)施存在一定困難；根據(jù)前面的討論，它同樣無(wú)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(xiàng)受到各方面重視的治理原則是歷史上爭(zhēng)議甚多，而近來(lái)又重新提出的百舸疏浚說(shuō)，意即在沿河兩岸適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)布置大量挖泥船，實(shí)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(yùn)到大堤背水一側(cè)，這無(wú)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(duì)地下河，從而降低了心理壓力和防洪難度，實(shí)行這一措施也許可以將通過(guò)改道分片提高平原地面高程的模式，改造成為通過(guò)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(jìn)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(lái)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(lái)使用，要完全靠它解決問(wèn)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(wèn)題十分復(fù)雜，這里不可能一一涉及到，討論重點(diǎn)將局限于其中一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題，即河床抬升問(wèn)題，且僅限于作原則性的討論及從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)考慮問(wèn)題。顯然，研究黃河下游河床抬升問(wèn)題，必須全面考慮進(jìn)口來(lái)水來(lái)沙條件，出口侵蝕基點(diǎn)條件及向深海輸沙條件，另外還須考慮整個(gè)河道的周邊條件。同時(shí)，根據(jù)前面的論述，治理原則不應(yīng)該是片面強(qiáng)調(diào)增加河道水流挾沙能力，而應(yīng)該是，盡可能減少來(lái)沙量和盡可能多地將已淤積或即將淤積下來(lái)的泥沙轉(zhuǎn)移出去，并使那些最終不可避免地要淤積下來(lái)的泥沙各得其所，盡量減少其對(duì)上游水位的頂托作用。下面根據(jù)這些原則，對(duì)設(shè)想的治理措施略述梗概。4.1大力開(kāi)展水土保持工作，減少進(jìn)入下游的沙量，關(guān)鍵問(wèn)題在于減少洪水期的產(chǎn)沙量。近二、三十年來(lái)，黃河來(lái)沙量顯著減少，既有水土保持的作用，也有來(lái)水偏枯，特別是某些集中產(chǎn)沙區(qū)偏枯的影響。據(jù)估計(jì)，水利水保措施的減淤作用年均達(dá)3億t左右，這一事實(shí)一方面增強(qiáng)了開(kāi)展水土保持工作的信心；另一方面也揭示了問(wèn)題的艱巨性，因?yàn)槟陙?lái)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(huì)淤積抬高河床。4.2在中游修建大型水庫(kù)，如正在修建中的小浪底水庫(kù)，考慮修建的磧口水庫(kù)等。采取攔粗排細(xì)的運(yùn)用原則，用水庫(kù)庫(kù)容來(lái)?yè)Q薩入下游的粗顆粒來(lái)沙量的減少。當(dāng)然，改變水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)用方式，適當(dāng)調(diào)水調(diào)沙，以增加水庫(kù)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(shí)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(kù)也是值得考慮的。這種攔泥庫(kù)除攔泥外，還有抬高支流侵蝕基點(diǎn)，從而減少溝蝕的作用。4.3談?wù)擖S河下游的治理，總離不開(kāi)河口的治理，這是因?yàn)楹笳咧苯記Q定河道侵蝕基點(diǎn)的變化，與河口以上河道乃至整個(gè)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(duì)穩(wěn)定的前提下，盡量擴(kuò)大河口河道的擺動(dòng)范圍，使三角洲海岸線較長(zhǎng)，從而推進(jìn)速度較低，這樣，對(duì)壅高上游水位的影響也就相對(duì)較小了。河口治理是否能顯著影響泥沙輸入深海的強(qiáng)度，從現(xiàn)在認(rèn)識(shí)來(lái)看，輸入深海的沙量大小與海流的強(qiáng)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(huì)有大的變化，輸入深海沙量可暫時(shí)近似地定為常數(shù)，當(dāng)然，這是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的重大課題。4.4百舸疏浚是處理泥沙的一個(gè)有效措施，已如前述，存在的問(wèn)題是，來(lái)沙量過(guò)大，而疏浚能處理的泥沙有限，因此，將它看成一個(gè)有效的輔助手段則可；看成能解決全部問(wèn)題的主導(dǎo)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(dá)年1.66億t。如對(duì)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