给泥沙以空间——关于黄河下游治理问题的思考（王渭泾）

黄河下游河道容纳泥沙能力有限

1.容沙空间的定义

黄河下游水少沙多，河床不断淤积抬高。随着堤防的形成和完善，河道摆动的范围受到约束，泥沙沉积的空间也受到限制。为便于讨论，对河道的容沙空间给出以下定义，即：在一定的设防水位下，河道可容纳泥沙体积的最大值。容沙空间的下界面是两堤之间或最高设防水位线以下的河床表面（包括河口三角洲和相应的浅海区）。上界面是最高设防水位下的河面宽度和临界比降（浅海区为平衡比降）构成的面。这里的“临界比降”是指维持行河输沙的最小比降，“平衡比降”是指浅海区在海洋动力作用下达到平衡状态时的比降，在上述空间中扣除槽蓄水的体积，即为河道的容沙空间。

2.容沙空间的盈缩

在河道边界条件改变时容沙空间也会相应改变：设防水位提高，容沙空间随之扩大；
设防水位降低，容沙空间则随之减少。设防水位提高后，防洪工程建设、维护和防守成本上升，一旦失事造成的灾害损失也会增加，因此，设防水位的提高是有限度的，只能限定在技术可能、经济合理的水平上;分流、分滞、湖泊调蓄可增加河道的容沙空间，堤防决口也会开拓新的容沙空间;河道扩宽可增加容沙空间，滩区围垦则会缩小容沙空间等等。

有人会提出，河口是一个开放的系统，排沙入海能否扩大容沙空间呢？借助海洋动力将泥沙输入深海能否使容沙空间不断增加呢？首先，输沙入海必须保持一定的比降，随着泥沙入海会使河口延伸，比降变缓，输沙能力下降，为了保持输沙能力就必须提高水位，可见保持输沙能力是以水位抬高为条件的，在既定设防水位下河道的容沙空间是不能扩大的。其次，海洋动力的作用，只能影响河口及浅海区的淤积形态，但不能有效增加河道的容沙空间。河口区的潮流在24小时内呈现周期性变化，它的合成矢量（余流矢量）很小，不足以使河口泥沙产生定向推移，只能使河口淤积体在潮流的往复作用下逐渐坦化、扩散。当海底达到平衡比降时，淤积体的前沿推进、上部退蚀也就停止了（如图1）。虽然不排除少量泥沙扩散到其他海域，但与河口泥沙的大量堆积相比是微不足道的。

3.容沙空间的利用

河道的容沙空间是有限的，在容沙空间被充满之后河道的寿命就终止了。因此，河道容沙空间的大小和来沙量的多少就决定了行河年限的长短。我们不妨用河道的容沙空间的不同来观察一下河道变迁的历史：“禹贡河道”下游有巨大的“调节水库”——大陆泽及其以下的湖泊群，加上那时河口地区地势低洼，来沙又较少，行河千余年才发生改道。西汉河道沿河较少大型湖泊，来沙量也逐渐增加，行河维持了六百余年。王景治理的东汉河道，流程短、地势低，加之分流河道——济水进入大野泽，增加了容沙空间，因而也行河九百余年。北宋时“横陇”、“东流”两河道处于西汉、东汉故道之间，“北流”河道处于禹河、西汉故道之间，这些故道均长期行河并屡屡决口，河道之间已发生大量淤积，所剩空间较为有限，北宋王朝虽举全国之力治理黄河，也难以改变频繁决口的局面，仅行河百余年就改行徐淮河道了。徐淮河道行河时来沙较多，也无特别有利的地形地势，但当时采取弃南保北的方略，南岸没有完整堤防，行河范围遍及黄淮之间，淤积范围广大，也维持行河七百余年。

河道的容沙空间实际上不能完全利用，由于泥沙沉积不均衡，常常在容沙空间尚未充满时改道就发生了。就纵向沉积而言，由于泥沙输移的惯性影响，淤积最强烈的河段并不在峡谷出口附近，而是在孟津以下200～400千米的河段内（现行河道夹河滩至孙口附近）。根据1950～1997年实测资料统计，夹河滩至孙口河段长169千米，占下游河道长的22%，而淤积泥沙40.32亿吨，占下游淤积总量的44.2%，形成明显的淤积“驼峰”。历史上这一河段也决口频繁，大的改道多发生于此。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年的铜瓦厢均在此范围之内。河道淤积在横向上也有不均衡问题，近年来表现更为突出。河道未经整治时，河槽可以自由摆动，滩槽位置不断变换，河床也因此均衡抬升。在固定河槽以后，泥沙主要淤积在河槽两侧，逐渐出现 “二级悬河”现象 （如图2）。不仅威胁堤防安全，也造成河道容沙空间不能充分利用。

目前处理泥沙的主要途径

当前处理黄河泥沙主要有三条途径：一是把泥沙拦截在上、中游；
二是把泥沙输送入海；
三是把泥沙堆积在河道及其两侧。

1.在上、中游处理泥沙

在上、中游处理泥沙，一是水土保持；
二是在干、支流修筑拦泥水库。这些措施是有效的，但从长远看，又受各种条件的制约，也是有限度的。

水土保持 黄土高原经过长期侵蚀，沟壑纵横，支离破碎，土质疏松，水土极易侵蚀流失。新中国成立以来，黄土高原开展了大规模、群众性的治理活动，取得了明显的治理效果。但是，水土保持是一个长期的、渐进的过程，而且由重力侵蚀引起的水土流失难以完全遏制。根据地理学家研究的成果，即使在黄土高原植被良好、人类活动影响轻微的商、周时期，年水土流失量也有8~10亿吨之多，水土保持不能完全解决入黄的泥沙问题。

修建拦泥水库 在干流修筑大型拦泥水库可以有效拦截泥沙，按照黄河梯级开发规划，尚未建设并能发挥较大作用的干流枢纽工程还有古贤、碛口、大柳树等少数几个，总的拦沙库容300多亿立方米，只能解决几十年的拦沙问题。在支流修建拦泥水库，往往要淹没大片川地，对当地经济发展和人民生活影响较大。鉴于我国人多地少的基本国情，大量建设支流拦泥水库是不现实的。

2.输沙入海

处理泥沙的第二条途径是利用现行河道尽可能地将泥沙输送入海，这也是长期以来处理泥沙的基本指导思想。排沙入海虽然也要占据河道的容沙空间，但河口滨海区是河道容沙的主要部位，如不能将泥沙输送入海，容沙空间将难以有效利用，从而加速河道的衰亡。输沙入海必须有适宜的来水来沙和河道边界条件。根据多年的观测，保持下游河道冲淤积平衡的年均含沙量为20~25千克每立方米，也就是说，每输送1吨泥沙需要40~50立方米的水量。20世纪以来，黄河下游多年平均含沙量为35千克每立方米，大于维持冲淤平衡的临界含沙量，下游河道总体上处于淤积状态。为了尽可能地增加排沙入海的数量，目前主要采取整治河道、调水调沙、增水冲沙等治理措施。

整治河道 调水调沙 也就是建立黄河水沙调控体系，塑造适宜的水沙过程及河道边界，尽可能增加排沙入海的数量。调水调沙的基本要求是：

一要有一定量级的洪水和持续时间，水流挟带泥沙能力和流量的高次方成正比，流量越大，挟沙力越大，输沙效力（单方水输移泥沙的数量）也越高。除量级之外还需要一定的持续时间，否则会造成上冲下淤，不能有效地将泥沙冲泄入海。

二要有一定的边界条件。上述挟沙能力和洪水量级之间的关系，只有在河道顺畅并且不漫滩的情况下才能完全成立。一旦洪水漫滩，进滩洪水的挟沙能力会迅速降低，一般会发生 “淤滩刷槽”现象，全断面的挟沙能力和排沙比也会随之下降。此外，排洪河道的断面形态对输沙能力也有显著影响，河道断面越窄深，水流的输沙能力越大。因此，通过河道整治，形成窄深稳定、行洪顺畅、且有较大过洪断面的中水河槽，是提高河道输沙能力的重要条件之一。

三要调节水沙搭配。通过工程控制，泄放含沙量适宜的洪水，是调水调沙的基本要求。如果含沙量过大会造成主槽淤积；
含沙量过小，主槽虽可冲刷，但泥沙启动需要消耗能量，且床沙颗粒较粗，不利于启动和挟带，也不能达到最佳的输沙效果。

增水冲沙 多年来，黄河流域用水量不断增大，水少沙多的状况更加突出。国家规划的南水北调有东、中、西三条线路。其中，南水北调西线工程是唯一一条能够增加黄河水量、改善黄河水沙关系的线路。规划每年从长江调水170亿立方米，对缓解黄河水少沙多、水沙不平衡的矛盾将起到积极而重大的作用。但是随着人口的增加、经济的发展以及全球气候变化的影响，各地水资源平衡都面临新的情况和问题，能否实现规划的调水量还存在不确定因素。

3.在河道及其两侧处理泥沙

在河道及其两侧处理泥沙的主要措施有小北干流放淤、下游滩区放淤、淤积相对地下河、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，河道面积1107平方千米，滩地面积682.4平方千米，人口7.96万。根据黄河设计公司（原黄委勘测规划设计院）1979年提出的放淤方案，在禹门口增建一级枢纽，实行有坝自流放淤。放淤面积可达566平方千米，放淤量为180亿吨。

下游滩区及背河放淤 根据2003年统计，黄河下游滩区总面积4047平方千米，人口180.94万。滩区放淤可采取引洪自流放淤，或从小浪底水库另辟放淤渠道放淤。滩区放淤，可以缓解“二级悬河”的不利形势，使滩区容纳更多的泥沙。

截至2001年底，黄河下游放淤固堤共完成土方7.6亿立方米。如果将放淤范围继续扩大，将下游河道淤积为相对地下河，不但大大提高了黄河下游的安全保障，也为泥沙处理找到了适宜的空间。黄河下游有临黄堤1371千米，如将放淤范围向外扩展500米，平均淤高5米，可容纳泥沙近35亿立方米。这些堤段在淤积完成后仍可继续开发利用，不影响有效的土地利用面积。

人工改道 人工改道可以开启新的容沙空间，从而使河道获得生机。但是它的损失大、问题多，作为治河方略在历史上从未被采纳过（小范围局部改道除外）。当今社会人口迅猛增加，经济飞速发展，华北平原又是我国人口最稠密的地区之一，交通、水利、能源、通信等基础设施纵横交织，构成密如蛛网的各种网络系统，改道造成的损失是以往任何时代都无法相比的。历史上每次大的改道以后，都有一个长达数十年的不稳定时期。口门以上剧烈冲刷，口门以下强烈堆积，河槽迁徙无定，防守十分困难，次生的灾害损失也难以估量。因此，改道只能是一种最无奈的选择。

现行河道行河年限估算

既然河道的行河年限是由容沙空间决定的，我们就可以根据河道的容沙空间推算其行河年限。当然在推算时必须有确定的边界条件，如河道边界、设防水位、来水来沙数量、泥沙处理途径等等。由于这些边界条件具有一定的不确定性，确切计算行河年限是很困难的。但在设定一些基本条件之后，可以对行河年限做一些粗略的估算。

前提条件设定如下：一是以现行河道的边界为计算依据。二是合理确定设防水位。1996年8月花园口水文站发生7600立方米每秒的洪水时，东坝头以上的高滩区大都上水漫溢。这些高滩是1855年铜瓦厢改道以前形成的。它们的漫溢，说明现行河道的平均河床高程和1855年以前的老河道已经比较接近，对其防洪减淤的潜力不能有过高地估计。估算时设防水位以提高5米为限（维持现有的设防流量和堤防超高）。三是泥沙处理。实施前文提到的所有处理措施并达到预期效果。

1.河道容沙空间的估算

根据近期卫星遥感调查资料，现行河道从孟津到利津河道面积为4407平方千米（不含封丘倒灌区）。设防水位提高后河道也按平均淤积5米计算,可容纳泥沙220亿立方米。在自然状态下河道淤积与河口地区淤积的数量分别占1/4和3/4，这也可以视为河道与河口地区容沙空间的比例。由此推算河口地区容沙空间为660亿立方米。在设防水位提高5米的情况下，现行河道的容沙空间约为880亿立方米。

2.水库拦蓄处理泥沙估算

干流水库的拦沙库容：小浪底水库75亿立方米（从21世纪初起算），古贤117.9亿立方米，碛口97.8亿立方米，大柳树57.2亿立方米，刘家峡15.5亿立方米，龙羊峡53.5亿立方米，其他干流水库尚可利用的库容约30亿立方米，共可拦截泥沙447亿立方米，支流水库拦截泥沙较难估算。20世纪50年代流域规划时，曾计划在支流建设一些骨干的拦泥水库，但因为这些水库需要淹没大片川地，对当地经济发展和人民生活影响较大，基本上都没有实现。后来虽修了一些水库，但大多以灌溉、发电为主，总库容75.5亿立方米。以拦泥为主的水库今后也难以大规模建设。总拦沙库容拟按200亿立方米估计。水库处理泥沙总计为647亿立方米。

3.放淤工程处理泥沙估算

小北平流放淤泥沙180亿吨，约128.6亿立方米，淤积相对地下河1300千米，约32.5亿立方米，下游滩区（含温孟滩）已计算在河道容沙空间之内，不再重复计算。放淤工程处理泥沙161亿立方米。

以上措施共可处理泥沙1688亿立方米。

4.河道来沙估算

按照上、中游水土保持规划，2001～2010年进入下游河道的泥沙从13亿吨减少至11亿吨，2010～2020年减少至10亿吨，2020～2050年减少至8亿吨，2001～2050年共计来沙495亿吨（约354亿立方米），2050年后每年来沙按8亿吨 (5.71亿立方米) 计。

综合以上数据，各种措施共可拦截和处理泥沙1688亿立方米，扣除2001～2050年来沙剩余1334亿立方米。2050年以后按每年来沙5.71亿立方米计算，河道尚可维持行河234年。从2001年算起现行河道约可维持行河284年。实际上河道的容沙空间不可能完全利用，实际的行河年限会小于估算年数。

上述计算中，还有不少不确定的因素。例如，黄土高原的水土保持能否如期达到减沙目标，规划的放淤工程措施能否完全实现，都会对实际行河年限产生不同程度的影响。特别值得指出的是，下游的容沙空间主要在河口三角洲和浅海区，能否有效地将泥沙输送入海，对河道的行河年限有至关重要的影响。如将8亿吨泥沙输送入海，每年约需320～400亿立方米的入海径流量。近年来径流减少，输沙能力降低，入海泥沙的绝对量和占来沙的比例都在大幅降低。如果不能把泥沙输送到河口地区，将会加大河道淤积比例，使行河年限大大缩短。

解决黄河泥沙问题的设想

从治河的角度讲泥沙是个沉重的包袱。那么，能否将这些泥沙转变为可以利用的资源呢？当然用黄河泥沙填海造陆、放淤改土、淤背固堤等都属于资源化的范畴。为了实现长治久安还需要开拓更多的泥沙利用途径。近期黄河设计公司对泥沙利用开展了专题研究，提出了一些新的利用途径。如制砖、制作人工石材、河道采沙等，每年可利用泥沙1140万立方米。随着科学技术的进步，应用项目的拓展，泥沙资源化还会有新的发展。

海洋是接纳黄河泥沙最广阔的空间，输沙入海是实现长治久安的希望所在。但是，利用现行河道输沙入海受到一定的制约。一是黄河水少沙多，难以把泥沙全部输送入海，造成河床不断抬高；
二是河道的设防水位不能无限地提高，容沙空间相对有限。在现行河道之外开辟新的高效输沙通道，是破解这一难题的可能途径。

20世纪70年代研究发现，高含沙水流具有更强大的输沙能力。为此，陕西省水利厅在泾、洛、渭河三大自流灌区进行了试验。最高引沙量分别达到41.7%（泾惠渠1978年）、42.4%（宝鸡峡引渭渠1979年）和60.6%（洛惠渠1978年），渠道均未出现明显淤积。其中宝鸡峡引渭灌区输送距离在100千米以上。此后，在其他灌区推广，均得到相同的结果和明显效益。由此可见，高含沙水流长距离输送泥沙提高输沙效率并不是遥不可及的事情。在黄河下游利用高含沙水流输送泥沙需要解决高含沙水流的塑造、输送、堆放等问题。

1.高含沙水流的塑造

高含沙水流需要一定比例的细颗粒泥沙，而通过闸门冲泄，含沙量和颗粒级配都难以控制。这个问题可在小浪底水库用机械抽淤的办法解决。当前清淤设备功能十分强大，有些设备还适宜水库和海区作业。可利用清淤机械，在小浪底库区不同部位抽取泥沙，经过搭配、混合形成符合输移要求的均匀稳定的高含沙水流。

2.高含沙水流的输送

高含沙水流如采用渠道输送，则需满足不淤流速、临界坡降和断面形态的要求。清华大学的有关专家曾计算过四个不同方案，主要参数和效果如下表：

从下表的计算结果可以得到以下认识:第一，计算方案可满足黄河下游输沙需要。最小的方案年输沙量6.31亿吨，考虑到下游河道内还要输送一定数量的泥沙，基本上都能满足输送泥沙的数量要求。第二，具备实施的基本条件。渠道最大底宽不超过15米，工程布设和修建不存在特殊困难。小浪底水库进入正常运用期以后，库区滩面高程在250米左右。小浪底距渤海、黄海的距离均不足1000千米，比降在0.25‰～0.3‰之间，均能满足设计坡降的要求，可以实现自流输送。即使在特殊情况下出现坡降不足的情况，可辅助提排措施。第三，方案中最大单吨耗水量为5立方米, 按年排沙8亿吨计，仅需耗水40亿立方米，大大提高了输沙效率，较好地解决了输沙水量不足的问题。

3.泥沙的堆放

修建排沙渠道输送高含沙水流，既不受现行河道的限制，也不存在日常防洪问题，可以输入渤海，亦可输入黄海，为泥沙处理提供足够广阔的空间。为了解决渠道入海口淤积延伸问题，可在近海处设计若干岔道，轮流使用，在一定时期内实现淤积和退蚀的平衡。在河（渠）口三角洲淤满后，可改建部分渠道开辟新的堆沙海域。高效输沙可以和填海造陆相结合，获取巨大的经济和社会效益。

提高输沙效率的另一条途径是管道输沙。有关专家提出增建小浪底枢纽排沙底孔设施，利用压力管道输送小浪底高含沙水流。用两条直径为4~5米的管道，每年可输送泥沙5~7亿吨。

以上利用渠道或管道输送高含沙水流的方案还是初步的。在实施过程中还会遇到许多问题，但毕竟有类似的成功先例，已不存在无法逾越的障碍，只要坚持努力，是可以逐步解决的。

黄河的泥沙淤积问题，曾是无数治河者的困惑与烦恼，人们走过了漫长的求索之路，目前已经看到了黎明的曙光。一旦上述设想得以实现，黄河将进入一个新的历史时期。小浪底水库成为水沙调节的枢纽，黄河下游将实现清浑（水）分流。泥沙通过渠（管）道向外输送，用于填海造陆、淤地改土、建筑材料，从而变成宝贵的资源；
清水（低含沙水流）通过现行河道下泄，使河道保持平衡稳定；
库区通过抽淤可永久保持需要的调节库容；
滩区已完成它的历史使命，堤防间距可以大幅收窄。黄河下游展现给人们的将是堤防永固、绿水长流、经济发展、人水和谐的壮丽画卷。

（作者为河南河务局原局长）

稿件来源：黄河报·黄河网