黄河水沙资源化之水沙两级调控的探讨

　　黄河水资源利用和健康生命的维持之间存在矛盾

　　1986年以来，黄河进入典型的枯水期，加之两岸工农业用水的增加，挤占了黄河输沙用水，加重了水沙关系的不协调，造成黄河下游河道严重淤积，二级悬河形势加剧，给黄河下游防洪带来巨大压力。众所周知，黄河治理开发的主要任务是防洪、供水、发电，然而本已贫乏的水资源，除了要满足两岸工农业用水，还要兼顾天津、河北供水的应急任务，发电时还承担华北地区几大电网的调峰任务。

　　面对如此严峻的形势，为完成如此艰巨的任务，黄委严格遵循《黄河水量调度条例》，对黄河水量认真核算，精细调度，在后汛期和非汛期不得不蓄存水量，以保证春灌及两岸日常工农业用水；在汛期到来之前，为确保当年汛期的安全，必须腾出一定库容，在6月底之前不得不弃泄至汛限水位。由于90年代黄河下游河道的严重淤积，主河槽的过流能力在2000年汛前不足2000立方米每秒。因此，在汛期，为了滩区人民生产生活免受损失，按照国家防总批复意见，黄委必须控制小浪底水库下泄流量，在确保黄河下游防洪安全的同时，小浪底水库的库容遭受严重损失，2003年秋汛洪水就是实例。

　　一方面是水资源的严重匮乏、输沙用水的严重不足；另一方面还要受制于防洪的特殊要求，在汛前弃泄水库中汛限水位以上的水量。两者能否有机结合，实现水资源利用与黄河健康生命的恢复与维持的双赢？

　　根据这些新问题，黄委提出了新的治水思路和理念，明确了水沙资源化管理的概念，把生活与防洪减灾、除害与兴利有效结合，实现“给洪水出路，让洪水为我所用”的治水战略，由过去的洪水控制转变为目前的洪水管理，并在黄河治理的实践中得以实施，连续8次的调水调沙就是实践之一。

　　从未来发展趋势看，由于经济社会发展用水量还要增加，而减沙的速度相对比较缓慢，黄河仍是一条多沙河流，高含沙洪水仍会出现，如果无外来水源补充和不加科学调控，未来黄河的水沙关系将会更加不协调，由此带来的河槽萎缩、排洪能力降低、二级悬河等问题将更加严峻。

　　因此，吸取黄河调水调沙对洪水管理的经验，实现洪水的资源化调度，才能妥善解决黄河下游的淤积问题。在此，特别强调的是水沙资源化是一个很宽泛的概念，涉及的内容较多，本文仅对水沙资源化调度中，如何实现水沙两级调度以及不同量级洪水对河槽的塑造与维持作用予以初步探讨，为洪水的合理调度提供一定的借鉴。

　　黄河下游洪水暴涨暴落、峰高量小的特点增加了黄河水沙调控的难度

　　黄河下游洪水主要有河口镇～龙门区间（简称河龙间）、龙门～三门峡区间（简称龙三间）、三门峡～花园口区间（简称三花间）三个不同来源区的洪水以三种组合形式组成。其中，以三门峡以上的河龙间和龙三间洪峰为主形成的大洪水（简称上大洪水）具有洪峰高、洪量大、含沙量大的特点；以三门峡以下的三花间来水为主的较大洪水（简称下大洪水）具有洪峰高、来势猛、含沙量小、预见期短的特点；以三门峡以上的龙三间和三门峡以下的三花间共同来水形成的洪水（简称上下较大型洪水）具有洪峰较低，历时较长的特点。

　　洪水多集中于7、8两个月，洪水暴涨暴落，峰高量小特点显著。如1958年7月洪水，花园口实测洪峰流量为22300 立方米每秒，7天洪量为50.2亿立方米，约为长江宜昌站多年7天平均洪量的十分之一。同时，黄河洪水含沙量高，如黄河干流三门峡站1977年8月出现含沙量高达933千克每立方米的洪水，支流常有1000～1500千克每立方米的高含沙量洪水发生。实测进入黄河下游多年平均水量470亿立方米，进入黄河下游的泥沙，多年平均为16亿吨，平均含沙量35千克每立方米。无论年输沙量，还是平均含沙量，黄河在世界江河中都名列第一。正是黄河洪水暴涨暴落、峰高量小的特点以及高含沙洪水对河道严重淤积的危害，增加了黄河水沙资源两级调控的艰巨性。

　　黄河下游河道过洪能力偏小，洪水漫滩是缓解防洪压力的必然选择

　　黄河干流在孟津县白鹤由山区进入平原，经华北平原，于山东垦利县注入渤海。黄河下游河道为主槽与滩地组成，滩地面积占河道面积的84%左右，在平面上宽窄相间，开阔段有宽广的滩地。比降上陡下缓，由2.65到1，按其特性分为游荡性河段、过渡性河段、弯曲型河段、河口段。其中，黄河下游东坝头至陶城铺河段“二级悬河”形势最为严重，也是黄河下游防洪任务最重的河段。这一河段断面主要为复式断面，由于河道的严重淤积，在2002年调水调沙期间，双合岭断面，1800立方米每秒流量漫滩，防洪形势十分严峻。随着调水调沙的连续进行，目前黄河下游平滩流量普遍超过了4000立方米每秒。但是，与上世纪六、七十年代6000立方米每秒的过洪能力相比，目前黄河下游河道的过洪能力仍然偏小，防洪形势依然严峻。

　　黄河下游滩区居住着181万人口，拥有375万亩耕地。从滩区防洪的角度，主槽过流能力越大，洪水漫滩几率越小，滩区损失越小。但是，黄河滩区也是河道的主要组成部分。1949年以来，黄河下游花园口发生的9次流量大于8000立方米每秒洪水中，花园口至孙口河段的平均削峰率为24%左右，黄河下游滩区淤积量多年平均占总淤积量的69%左右。因此，黄河下游滩区的滞洪与沉沙作用对减轻其下游窄河段的防洪压力，以及对缓解宽河段“二级悬河”态势的发展十分必要。

　　因此，在入黄泥沙未完全控制的情况下，黄河下游淤积必然存在，“二级悬河”态势发展仍会加剧，防洪压力依然严峻。要缓解这一不利情况，就必须要求一定几率洪水漫滩，但洪水漫滩必然会造成滩区的损失，能否在正效益与损失之间找到最优化的洪水调控方案，对黄河下游治理意义重大。

　　黄河下游河道演变和灾情损失与洪水量级和含沙量之间的承辅关系

　　1．黄河下游漫滩洪水蓄洪削峰作用显著

　　黄河下游来水来沙主要集中在汛期的几场洪水过程，一般将水位低于平滩水位，水流在主槽内行进的洪水，称为不漫滩洪水；水位高于平滩水位，水流上嫩滩，水流主要经河槽范围行进的洪水，称为一般漫滩洪水；水位高于平滩水位，有一定比例水流进入二滩和高滩的洪水，称为大漫滩洪水。目前，对黄河下游河道而言，认为不漫滩洪水洪峰流量小于4000立方米每秒，一般漫滩洪水流量大于4000立方米每秒，小于8000 立方米每秒，大漫滩洪水洪峰流量大于8000立方米每秒。

　　对漫滩洪水而言，由于滩地阻力较大，流速较主槽低，主槽的泄洪能力一般可占全断面的80%以上，下游河道的主槽是泄洪排沙的主要通道。洪水期间主槽的冲淤变化基本上遵循涨冲落淤的普遍规律，如1958年大洪水，花园口站主槽涨水冲深1.82米，落水回淤1.25米，整个洪峰仍冲深0.57米。

　　黄河下游河道上宽下窄，洪水漫滩后，广阔的滩地起着滞蓄洪水、削减洪峰的作用，减轻了下段河道的防洪压力。如1954、1958、1982和1996年4场典型洪水，从花园口～艾山河段洪峰消减值分别为7100、9700、7870和2800立方米每秒，占花园口洪峰流量的47%、43%、51%和36%。漫滩洪水的蓄洪作用也很显著，1958年7月和1982年7月花园口～孙口河段洪水滞蓄洪量分别为25.89亿立方米和24.54亿立方米，其中以高村～孙口河段滞洪作用最大，约占花园口～孙口河段的52%～71%。

　　2．高含沙洪水对河道防洪最为不利，必须进行调控

　　一般低含沙量或清水的不漫滩洪水，特别是接近平滩流量的洪水，水流主要行进于主槽中，对于冲刷扩大主槽、改善河道横断面形态，提高主河槽的泄洪能力非常有利，特别是近于平滩流量的洪水对河槽的塑造作用更为强烈，效果更好。

　　含沙量低、水量大的大漫滩洪水，一般主槽冲刷、滩地淤积，对河道的冲刷非常有利。

　　含沙量大、水量大的大漫滩洪水，一般深槽刷深，嫩滩普遍淤高，主槽缩窄，形成明显的窄深断面。由于这种洪水嫩滩大量淤积，主槽往往也发生淤积。

　　而对于不漫滩或一般漫滩（特别是流量在4000～6000立方米每秒）高含沙中常洪水，大量的研究表明洪水过程中往往造成河床变化迅速，不但河道严重淤积，而且很大一部分泥沙淤积在嫩滩上，使滩唇更加高仰、堤根更加低洼，加剧了“二级悬河”往不利态势发展，并且淤积主要集中在高村以上，特别是夹河滩以上河段。此类洪水对黄河的危害最为严重。

　　从以上分析来看，一般含沙量或接近清水的平滩流量洪水及含沙量低的大漫滩洪水对河道的冲刷最为有利；高含沙大漫滩洪水一般滩槽均发生淤积，主槽与滩地同步抬高；而高含沙不漫滩或一般漫滩洪水，一般嫩滩及主槽发生严重淤积，对河道防洪最为不利，对于这种洪水就必须进行调控，如果利用水库滞洪的作用，将这种洪水暂时拦蓄在水库内，不但会大大损失水库的库容，而且在洪水过后的小水排沙时，这些泥沙依然会淤积在主槽内，对防洪非常不利。

　　3．花园口站洪峰流量4000立方米每秒有利于维持中水河槽和满足流域经济社会发展

　　胡春宏等通过对1950～2003 年黄河下游各水文站实测资料的分析得出，黄河下游典型断面汛后平滩面积不仅随年来水量的增加而增大，而且还随当年最大洪峰流量的增加而增大，但各断面平滩面积随当年最大洪峰流量的增加规律有所不同，花园口和高村两断面平滩面积不仅随当年最大洪峰流量增加而增大，还受汛期水量连续5年滑动平均值的影响，当汛期水量连续5年滑动平均值小于250亿立方米时，平滩面积较小，且随当年最大洪峰流量增大较慢；当汛期水量连续5年滑动平均值大于250亿立方米时，平滩面积较大，且随当年最大洪峰流量增大较快。艾山和利津两断面平滩面积仅随当年最大洪峰流量增加而增大。

　　花园口来水量小于250亿立方米时，即使当年的最大洪峰流量从4000立方米每秒增大到6000立方米每秒，花园口断面的平滩面积也仅从3191平方米增加到3355平方米，仅增加了164平方米，增加比例为5%。因此，在目前黄河下游来水偏枯的情况下，试图依靠增大洪峰流量的单一措施来大幅增大平滩面积的想法是不现实的，对于目前来水偏枯的时期，花园口洪峰流量控制在4000立方米每秒比较适宜。

　　笔者认为，洪水漫滩后，过水断面突然增大，断面平均流速减小，水流挟沙能力降低，泥沙大量落淤，在滩沿处形成新的滩唇，增大了滩面横比降。在新滩唇形成之后，洪水漫滩范围明显减小，甚至仅在河槽中行洪，成为相对的非漫滩洪水，进而形成相对的窄深河槽。漫滩高含沙洪水造床作用强烈，河床自动调整迅速，其造床规律是：形成新滩唇，影响后续洪水的漫滩图形，从而塑造出相对窄深又明显抬升的河床形态。但这种窄深河槽不能长久维持，洪水过后，随着来水来沙条件的改变，很快又恢复到洪水前的断面形态。

　　戴清等通过黄河下游洪峰流量对断面塑造的试验研究认为，大漫滩洪峰流量后，滩地淤积、河槽冲刷，主槽明显展宽、面积增大、宽深比增加；一般漫滩洪峰流量后，主槽展宽，含沙量较高时，河槽淤积，主槽面积减小、宽深比增加，含沙量较低时，河槽冲刷，主槽面积增大、宽深比减小；不漫滩洪峰流量后，深泓高程有所抬升，含沙量较高时，面积减小，含沙量较低时，面积略有增大。

　　因此，漫滩洪水对增加河槽横断面面积，提高河道排洪输沙能力有一定的作用，但高含沙洪水形成的窄深河槽是以前期主槽的淤积为代价的，且这种窄深河槽不能长久维持，从维持中水河槽和满足流域经济社会发展需要考虑，目前花园口控制洪峰流量为4000立方米每秒比较合适。

　　4．4000立方米每秒的洪水输沙效率最大

　　对于非漫滩洪水，石春先等分析了花园口站流量小于4000立方米每秒条件下，黄河下游冲淤特点，认为流量超过2300立方米每秒时，控制一定的含沙量后，主槽可保持不淤甚至冲刷。流量在800～2300立方米每秒时，当含沙量小于20千克每立方米时，上段冲刷，下段淤积；当含沙量大于20千克每立方米时，全下游淤积，排沙比仅为51%～84 %。当流量小于800立方米每秒时，水流强度较弱，输沙能力很低，下游河道淤积比例很小。

　　黄河下游河道的河型有游荡型、弯曲型以及过渡型，它们的输沙能力非常复杂，在现象上差别大。韩其为从黄河下游河型沿程变化的实际出发，用河相系数与流量的关系反映这种变化，提出了均衡输沙的概念，认为山东河道冲刷的临界流量约为2500立方米每秒。当流量小于2500立方米每秒时，容易出现“冲河南、淤山东”的情形，因此，在洪水调度的流量级控制中，应避免小于2500立方米每秒的情况。

　　李小平等分析了三门峡水库和小浪底水库拦沙期黄河下游低含沙量洪水的冲刷效率，认为在平均流量小于4000立方米每秒时，水库拦沙期黄河下游洪水的全沙冲刷效率随着洪水平均流量的增大而增大，当流量达到4000立方米每秒后，冲刷效率随着流量的增大不再显著增加，基本保持在20千克每立方米。

　　对于漫滩洪水，往往产生淤滩刷槽，对塑造和维持中水河槽非常有利，但是洪水漫滩又会给滩区经济造成损失。界定漫滩洪水最低量级，对保证漫滩洪水具有明显的淤滩刷槽作用，减少洪水漫滩频次非常有用。张原锋等统计了黄河下游20余场漫滩洪水资料，发现滩地淤积量、洪水流量与平滩流量的差值比β之间存在一定的关系。当β在0.4～0.6左右时，黄河下游河道滩地淤积量明显增加；当β继续增加时，滩地淤积量随之增加；当β约为0.4左右时，滩地淤积量达到1亿吨以上。从滩地淤积量和主槽冲刷量的关系可以看出，当滩地淤积量大于0.6～1亿吨左右时，即漫滩达一定程度时，主槽发生冲刷，此值对应的β值约为0.4～0.6左右，平均约0.5。当黄河下游发生漫滩洪水时，其最小漫滩流量应按β值为0.5左右控制，若主槽过流能力为4000立方米每秒左右，应控制最小漫滩流量不低于6000立方米每秒，使黄河下游河道发生明显的淤滩刷槽，以最大限度地增大主槽过流能力。当黄河下游发生小漫滩洪水时，小浪底水库按花园口4000立方米每秒流量蓄水控泄，相应含沙量控制为50千克每立方米左右，可使下游河道基本不淤。在小浪底水库控制运用过程中，尽量使下游避免出现4000～6000立方米每秒量级的洪水过程。

　　因此，对非漫滩洪水，考虑到上下游均衡输沙的影响，流量控制在800０立方米每秒以下及2500立方米每秒以上；从输沙效率上看，4000立方米每秒的洪水对黄河下游的冲刷效率最大；而对于漫滩洪水，应避免4000～6000立方米每秒之间的洪水，因为这种洪水淤滩刷槽效果有限，但却对滩区造成一定的损失。

　　5．大漫滩洪水对滩区造成的损失与一般漫滩洪水相比并没有增加很多，但对河道的作用要增强很多

　　黄科院在开展《黄河下游滩区洪水风险图编制（试点）研究》中，计算了不同量级洪水造成的滩区淹没损失。

　　研究认为，流量在4000～6000立方米每秒时，滩区淹没损失增加程度远比流量6000～8000立方米每秒时大。一般漫滩洪水的损失与大漫滩洪水的损失相差并不太大，但大漫滩洪水对河道的淤滩刷槽作用要大很多。当然，滩区的淹没损失与主河槽的过洪能力关系甚密，不同时段、时期主河槽的过洪能力不同，滩区淹没损失与漫滩流量也不同。

　　黄河洪水必须实行分级管理

　　1． 水沙分级管理是水沙资源化的具体体现

　　随着预报技术与水平的提高，小浪底水库的运用及今后黄河水沙调控体系的逐步完善，在主汛期，黄委对中小洪水进行联合调控，对大洪水优化调度，防御汛期大洪水同时又冲刷了河道；在后汛期和非汛期，黄委不但有条件合理蓄滞生态用水水量，而且为汛前调水调沙用水奠定了基础。黄河汛前调水调沙正是通过合理调度，对平时的多余水量实行“零存整取”，高效地排沙出库，输沙入海，实现了中游水库的长期有效利用和下游河道的冲刷，改善了下游河道的边界条件及河口湿地的生态良性维持。也正是通过水沙的分级管理理念，真正地体现了黄河水沙资源化的合理配置。

　　2 水沙分级管理对维持河道排洪输沙能力意义重大

　　排洪输沙是黄河下游河道最重要的功能。研究表明，黄河下游河槽的排洪输沙能力与其断面形态密切相关，而河槽的断面形态是一定水沙条件的产物，一定频率和量级的洪水过程对河槽形态的塑和维持具有十分重要的作用。

　　对于黄河下游，不漫滩洪水调控流量在2600立方米每秒以上对维持河道输沙能力有一定作用；一般漫滩洪水流量在4000～6000立方米每秒时，不仅造成滩区的淹没损失，而且对河道的输沙效率并没有太大改善，在调控中应尽量避免；大于6000立方米每秒的洪水以及大漫滩洪水，尽管增加了一定的滩区损失，但对改善河槽断面形态，提高河道排洪输沙能力有十分显著的作用。因此，水沙分级管理对维持河道排洪输沙能力有着十分重要的意义。

　　3．水沙资源化可有效改善黄河下游“二级悬河”局面

　　黄河下游河道处于强烈的淤积抬升状态，河床高于两岸地面，形成“地上悬河”；同时中小洪水和枯水期淤积主要发生在河槽里，嫩滩附近淤积厚度较大，而远离主槽的滩地因水沙交换作用不强，淤积厚度较小，堤根附近淤积更少，致使平滩水位又明显高于两边滩地，形成了“槽高、滩低、堤根洼”的“二级悬河”局面，而形成“二级悬河”的主要原因之一是黄河水少沙多、水沙不均衡。近几年，黄委通过调水调沙，利用不同量级洪水的调度，不但使河道达到了最佳的输沙效果，而且还大大改善了河道的淤积形态，缓解了“二级悬河”的不利局面。

　　4．改善“二级悬河”局面要以水沙资源化为依托

　　“二级悬河”的症结在于进入下游河道水沙条件的变化。黄河的功能就是把流域内的水资源和泥沙资源输送到华北平原和大海。从以往的治理经验看，只有改善下游河道的水沙条件，才能更好地改善“二级悬河”的不利局面。因此必须通过水沙资源化塑造协调的水沙条件，利用自然的力量改善“二级悬河”不利的局面。

　　5．维持黄河下游均衡输沙的协调发展必须对洪水实行分级管理

　　黄河下游从上到下由游荡型逐步过渡到弯曲型，从而导致了它在输沙、冲淤方面的独特性，不利的水沙关系容易造成“上冲下淤”或“上淤下冲”等不利局面。黄河特有的水沙特性决定了它在整个下游输沙难以均衡，而在黄河治理的过程中又要求遵循上下协调、统筹兼顾的原则，要遵循这一原则，只有通过科学的研究，利用不同量级洪水调控才能维持黄河下游均衡输沙的协调发展。

　　目前，黄河下游水沙关系不协调带来的河槽萎缩、排洪能力降低、二级悬河等问题非常严峻，而解决这问题的最主要方法就是要塑造协调的水沙关系，真正实现黄河洪水的资源化管理。目前，我们应该吸取黄河洪水调度的经验，进一步扩大洪水分级调度的成果。

　　在调度过程中，对含沙量较小的中、小洪水要适当拦蓄削峰，灵活调度，且调度过程中应避免出现小于2600立方米每秒的洪水过程；大漫滩洪水与一般漫滩洪水对下游造成的损失与对河槽的塑造及输沙效率，调度过程中尽量避免4000～6000立方米每秒的一般漫滩洪水；大洪水要坚持“淤滩刷槽”的调度。

　　（江恩惠：黄河水利科学研究院副院长 教授级高工）