胡春宏，陳緒堅(jiān)，陳建國

（中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京）

黃河以水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)而聞名于世。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃河干流實(shí)測多年平均年輸沙量高達(dá)16億t/a，導(dǎo)致河道泥沙淤積嚴(yán)重，形成了下游“地上懸河”，加劇了洪水災(zāi)害，歷史上黃河基本是三年兩決口，給兩岸人民帶來了深重的洪水災(zāi)害。新中國成立以后，人民治黃取得了巨大成就，通過水土保持減沙、大型水庫建設(shè)、河道整治和堤防加高等綜合治理措施，黃河洪水災(zāi)害顯著減少，保持了黃河下游60年的安瀾。20世紀(jì)80年代中期以來，隨著人類活動的加劇，黃河水資源和水能資源的快速開發(fā)利用，以及自然氣候條件的變化，黃河泥沙空間分布發(fā)生了重大變化，產(chǎn)生了一系列的新問題，主要包括：河道輸沙能力降低，主河槽淤積萎縮，“二級懸河”加劇，排沙入海比例日益減少等，形成小水大災(zāi)的局面。黃河諸多問題的癥結(jié)在于泥沙，給泥沙以出路是解決黃河泥沙問題的基本思路。研究表明，在今后幾十年內(nèi)，通過加強(qiáng)水土保持等綜合治理措施，黃河的年減沙量可以達(dá)到6億～8億t/a，但在今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)黃河干流的平均年輸沙量仍有8億～10億t/a，黃河仍將是一條多泥沙的河流，如何利用“攔、排、放、調(diào)、挖”等各種治理措施，對未來較長時(shí)期的黃河泥沙進(jìn)行合理安排，是黃河治理需要考慮的重要問題之一。本文在分析黃河泥沙變化趨勢的基礎(chǔ)上，通過研究黃河各種泥沙處理方式的潛力與能力，提出21世紀(jì)不同時(shí)期黃河干流泥沙的治理目標(biāo)、安排模式和調(diào)控措施。

一、黃河泥沙變化趨勢分析

黃河泥沙主要來自中游多沙區(qū)，由于自然氣候條件的變化和人類開發(fā)治理的影響，近20多年來入黃泥沙量發(fā)生了很大的變化，采用黃河4站（干流龍門站、渭河華縣站、汾河河津站和北洛河河狀頭站）的年輸沙量來分析進(jìn)入黃河干流的泥沙量變化情況，表1給出了1950—2005年黃河4站不同時(shí)段的平均年水沙量。

由表1可見，1950—1960年黃河4站的平均年水量為415.73億m3/a，平均年沙量為16.98億t/a，隨著自然氣候條件變化，加之20世紀(jì)70年代開始較大規(guī)模的水土保持治理工作，黃河4站的年沙量具有明顯減少的趨勢，1974—1985年黃河4站的平均年水量為402.59億m3/a，平均年沙量為10.43億t/a。20世紀(jì)80年代中期以后，黃河4站的水沙量進(jìn)一步減少，1986—1999年黃河4站的平均年水量為264.62億m3/a，平均年沙量為8.55億t/a。特別是小浪底水庫運(yùn)用以來，2000—2005年黃河4站的平均年水量為214.39億m3/a，平均年沙量為4.36億t/a。黃河水沙空間分布變化研究表明，1986年以來人類活動的影響和天然降雨產(chǎn)流的減少是黃河水沙量減少的主要原因，特別需要指出的是，1986年以來，不僅黃河干流的來水來沙量有大幅度減少的趨勢，黃河干流河道泥沙的空間分布狀況也發(fā)生了很大變化，較60年代以前的泥沙分布更為不合理。

表1 1950—2005年黃河4站不同時(shí)段的平均年水沙量統(tǒng)計(jì)表

未來進(jìn)入黃河干流的沙量主要根據(jù)自然氣候條件和水利水保等措施的減沙量而定，1950—2005年黃河4站的實(shí)測多年平均年沙量為12.09億t/a，加上黃河4站以上的水保措施多年平均年減沙量約2.70億t/a和水利工程多年平均年減沙量約1.57億t/a，還原的1950—2005年黃河4站多年平均年輸沙量約為16.36億t/a，而1919—1960年黃河干流陜縣站實(shí)測多年平均年沙量為16億t/a，可見兩者基本相同。據(jù)分析，目前水利水保措施年平均減少入黃沙量約為4億t/a，隨著水利水保措施的加強(qiáng)，到2020水平年的減沙量約為5億t/a，到2030水平年的減沙量約為6億t/a；進(jìn)一步的預(yù)測分析認(rèn)為，到2050水平年的減沙量約為 8億t/a，2050年以后隨著淤地壩攔沙庫容逐步淤滿，水利水保措施減沙作用逐步減弱，主要靠坡面措施和淤地壩抬高侵蝕基準(zhǔn)面減沙，到2100水平年的減沙量約為6億t/a。因此，按水利水保等措施的年減沙量和黃河4站的多年平均年輸沙量之和仍為16億t/a計(jì)算，可以宏觀地預(yù)測在未來相當(dāng)長時(shí)期黃河4站的平均年輸沙量仍有8億～10億t/a。

為了研究21世紀(jì)黃河干流泥沙的合理安排，根據(jù)上述黃河4站的平均年輸沙量預(yù)測，采用黃委設(shè)計(jì)公司提出的黃河4站未來可能的水沙系列來進(jìn)行泥沙優(yōu)化配置，在該水沙系列中，引用了進(jìn)入黃河干流年水沙量的概念，它與黃河4站的水沙量是有區(qū)別的，進(jìn)入黃河干流的年水沙量等于黃河4站的年水沙量加上黃河上游干流的水庫攔沙、引水引沙和河道沖淤等的年水沙量，以及下游伊洛河黑石關(guān)站和沁河武陟站的年水沙量。由該水沙系列得到未來不同時(shí)期進(jìn)入黃河干流的平均年水沙量分別為：2020年前的平均年水量426.98億m3/a，平均年沙量為 11.12億 t/a；2020—2030年的平均年水量395.93億m3/a，平均年沙量為10.43億 t/a；2030—2050年的平均年水量417.73億m3/a，平均年沙量為 9.74億 t/a；2050—2100年的平均年水量400.81億m3/a，平均年沙量為9.46億t/a。這與前述黃河泥沙的宏觀預(yù)測是一致的。

二、黃河干流的泥沙處理潛力與能力及不同時(shí)期的治理目標(biāo)

按黃河泥沙治理措施劃分，主要包括“攔、排、放、調(diào)、挖”等 5 種泥沙處理措施，其中“排、放、挖”措施中均包含了泥沙利用，而且“調(diào)”和“攔、排、放”是相結(jié)合的。為了分析黃河泥沙的處理能力，考慮黃河干流泥沙的自然輸移特性和人類影響方式，按黃河干流泥沙空間配置的最終空間歸屬地劃分，確定黃河干流泥沙處理主要包括以下7種方式：水庫攔沙、引水引沙、人工（機(jī)械）放淤、河槽沖淤、洪水淤灘、河口造陸和深海輸沙。

需要說明的是，在分析黃河泥沙合理安排中有兩個(gè)重要概念，即泥沙處理潛力和處理能力，泥沙處理潛力是指某種泥沙處理方式理論上可以處理泥沙的潛在總量，泥沙處理能力是指在一定水沙條件下某種泥沙處理方式可以實(shí)現(xiàn)處理的年沙量。在 “十一五”科技支撐課題相關(guān)專題研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了未來黃河干流各種泥沙處理方式的潛力與能力，認(rèn)為：

一是黃河干流河道的輸沙潛力與能力較大。河道水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，2008—2050年下游利津站的最大年輸沙潛力為10.22億～18.08億t/a，平均年輸沙能力為3.46億～6.24億t/a，河口造陸的容沙潛力為254億t，平均年河口造陸能力為2.07億～3.86億t/a，深海輸沙能力為1.74億～2.57億t/a。河道輸沙作用（即排的作用）是長期的，應(yīng)充分利用河道輸沙能力輸沙到河口造陸及輸入深海。

二是黃河干支流水庫的攔沙潛力與能力也較大。已建骨干水庫剩余攔沙潛力為129.4億t，擬建干流骨干水庫攔沙潛力為375.89億t，干流水庫攔沙潛力合計(jì)為505.29億t。河道水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，2008—2020年小浪底水庫的平均年攔沙能力為 5.07億～5.94億 t/a，2020—2050年古賢水庫的平均年攔沙能力為3.42億～5.45億t/a，大柳樹水庫運(yùn)用50年的平均年攔沙能力為1.05億～1.15億t/a，磧口水庫運(yùn)用60年的平均年攔沙能力為2.55億～3.04億t/a。水庫的攔沙庫容（即攔的作用）是有限的，應(yīng)通過水庫調(diào)控出庫水沙過程，合理利用水庫的攔沙能力改善下游河道沖淤。

三是黃河干流灘區(qū)的放淤潛力與能力相對較大。干流灘區(qū)人工放淤潛力為192.1億t，2008—2050年下游灘區(qū)的平均年放淤能力為0.34億～0.64億 t/a，2030—2050年小北干流灘區(qū)的年平均放淤能力為1.07億～1.42億t/a，無古賢水庫、有古賢水庫和“古賢水庫+小北干流放淤”三種條件溫孟灘區(qū)的年平均放淤能力分別為1.06億t/a、0.45億t/a和0.43億t/a。灘區(qū)放淤（即放的作用）是有條件的，應(yīng)合理利用灘區(qū)放淤能力改善灘槽泥沙分布。

四是黃河干流具有一定規(guī)模的引水引沙潛力與能力。2008—2050年黃河干流最大年引水引沙潛力為2.8億t/a，年平均引水引沙能力為1.62億～2.54億t/a，引水引沙也是有條件的，并對河道沖淤有影響。機(jī)淤固堤和建材利用等泥沙綜合利用的能力（即挖的作用）相對較小。

根據(jù)黃河干流各種泥沙處理方式的潛力和能力，在充分利用河道輸沙能力的條件下，采取各種措施對黃河泥沙進(jìn)行調(diào)控和處理，合理安排未來進(jìn)入黃河干流的泥沙，達(dá)到維持黃河上游寧蒙河段河道平灘流量2000～2500m3/s，中游潼關(guān)高程比現(xiàn)狀降低1～2m，維持下游河道平灘流量3000～4000m3/s的黃河干流21世紀(jì)不同時(shí)期的治理目標(biāo)。

下面將按2020年前、2020—2030年、2030—2050年 、2050—2100 年 等幾個(gè)時(shí)期，采用黃河泥沙優(yōu)化配置理論與模型，對21世紀(jì)黃河干流泥沙的安排模式和各種措施處理的泥沙量等進(jìn)行初步分析。

三、黃河干流泥沙的安排模式

1.2020年前黃河泥沙的安排模式

建議2020年前采用以小浪底水庫調(diào)控和下游灘區(qū)放淤為重點(diǎn)的泥沙安排模式，達(dá)到維持黃河下游河道平灘流量約4 000 m3/s的治理目標(biāo)。該模式是針對下游主河槽淤積萎縮和“二級懸河”的問題，通過小浪底水庫調(diào)控運(yùn)用，結(jié)合下游“二級懸河”和灘區(qū)綜合治理，有計(jì)劃地進(jìn)行灘區(qū)放淤，塑造與維持下游穩(wěn)定的中水河槽，同時(shí)充分利用河道輸水輸沙能力及河口造陸能力，維持黃河口流路穩(wěn)定，結(jié)合引水利用泥沙，通過機(jī)淤固堤等建設(shè)下游標(biāo)準(zhǔn)化堤防。

下游灘區(qū)放淤是一項(xiàng)長期任務(wù)，短期內(nèi)實(shí)施全灘淤筑有一定困難，先考慮結(jié)合“二級懸河”治理、灘區(qū)安全建設(shè)等進(jìn)行下游灘區(qū)放淤，改善黃河下游河道灘槽的泥沙分布狀況。2008—2020年黃河干流各種泥沙處理方式的優(yōu)化配置模型計(jì)算結(jié)果可見，該時(shí)期黃河干流各種泥沙處理方式的順序和平均沙量比例為：①水庫攔沙占54.2%，②深海輸沙占15.6%，③河口造陸占14.7%，④引水引沙占11.4%，⑤人工（機(jī)械）放淤占9.2%，⑥主河槽沖刷占-4.4%，⑦洪水淤灘占1.2%。表明該泥沙安排模式在2020年前是以水庫攔為主的泥沙安排模式，2008—2020年期間采用該模式黃河干流主河槽平均年沖刷量為-0.49億t/a，主河槽沖刷主要是發(fā)生在下游，可以達(dá)到塑造與維持黃河下游河道平灘流量約4 000 m3/s的目標(biāo)。但該模式在2020年以后，下游主河槽又將逐漸淤積萎縮，2030年后平灘流量將減小到3 000 m3/s以下，因此，僅依靠小浪底水庫調(diào)控和下游灘區(qū)放淤尚不能長期維持下游穩(wěn)定的輸水輸沙通道，也不能解決潼關(guān)高程居高不下的問題，2020年前建設(shè)古賢水庫，并與小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控水沙是達(dá)到黃河治理目標(biāo)的重要措施之一。

2.2020—2030年黃河泥沙的安排模式

建議2020—2030年采用以古賢水庫和小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控及下游灘區(qū)放淤為重點(diǎn)的泥沙安排模式，達(dá)到中游潼關(guān)高程降低約2 m，維持下游河道平灘流量約4 000 m3/s的治理目標(biāo)。該模式是針對潼關(guān)高程淤積抬升和維持下游中水河槽的問題，通過古賢水庫與小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控運(yùn)用，結(jié)合下游“二級懸河”和灘區(qū)綜合治理，有計(jì)劃地進(jìn)行下游灘區(qū)放淤，實(shí)現(xiàn)以防洪減淤為主的綜合利用效益，降低潼關(guān)高程，維持黃河中下游穩(wěn)定的輸水輸沙通道，同時(shí)充分利用河道輸水輸沙能力及河口造陸能力，維持黃河口流路穩(wěn)定，結(jié)合引水利用泥沙，通過機(jī)淤固堤等建設(shè)下游標(biāo)準(zhǔn)化堤防。

考慮古賢水庫在2020年投入運(yùn)用，屆時(shí)小浪底水庫尚余一定的攔沙庫容，通過古賢水庫與小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控運(yùn)用，提高水庫調(diào)控水沙的效果，減少黃河中下游河道淤積，降低潼關(guān)高程，維持下游穩(wěn)定的中水河槽，改善黃河中下游泥沙分布狀況。2020—2030年黃河干流各種泥沙處理方式的優(yōu)化配置模型計(jì)算結(jié)果可見，該時(shí)期各種泥沙處理方式的順序和平均沙量比例為：①水庫攔沙占40.0%，②深海輸沙占18.1%，③河口造陸占13.8%，④引水引沙占10.2%，⑤主河槽淤積占8.7%，⑥人工（機(jī)械）放淤占7.9%，⑦洪水淤灘占1.4%。表明在該泥沙安排模式下水庫攔的作用有所減小，河道淤積有所增加，2020—2030年期間該模式黃河干流主河槽平均年淤積量約為0.91億t/a，該時(shí)期主河槽淤積主要是發(fā)生在黃河上游寧蒙河段，下游主河槽緩慢回淤，中游小北干流河道平均年沖刷量約為-0.55億t/a，可以達(dá)到中游潼關(guān)高程降低約2 m，維持下游河道平灘流量約4 000 m3/s的治理目標(biāo)。因此，在該時(shí)期古賢水庫可以明顯改善黃河中下游泥沙分布的狀況，但上游寧蒙河段的河道淤積萎縮仍未解決，尚需通過建設(shè)大柳樹水庫（黑山峽河段工程）來解決。

3.2030—2050年黃河泥沙的安排模式

建議2030—2050年采用以大柳樹水庫（黑山峽河段工程）和古賢水庫聯(lián)合調(diào)控及小北干流灘區(qū)放淤為重點(diǎn)的泥沙安排模式，達(dá)到維持寧蒙河段河道平灘流量2 300～2 500 m3/s，維持中游潼關(guān)高程比現(xiàn)狀低約2 m，維持下游河道平灘流量約3 500 m3/s的治理目標(biāo)。該模式是通過大柳樹水庫水沙調(diào)控，解決寧蒙河段主河槽淤積萎縮的問題，通過小北干流灘區(qū)有壩放淤，并通過大柳樹、古賢和小浪底三個(gè)水庫聯(lián)合調(diào)控運(yùn)用，結(jié)合下游“二級懸河”和灘區(qū)綜合治理，有計(jì)劃地進(jìn)行灘區(qū)放淤，實(shí)現(xiàn)以防洪減淤為主的綜合利用效益，維持潼關(guān)高程在2030年前的水平，維持黃河干流穩(wěn)定的輸水輸沙通道，同時(shí)充分利用河道輸水輸沙能力及河口造陸能力，維持黃河口流路穩(wěn)定。

大柳樹水庫 （黑山峽河段工程）對解決寧蒙河段主河槽淤積萎縮問題具有重要作用，小北干流灘區(qū)無壩放淤只能處理泥沙10.9億t，有壩放淤可處理泥沙139.8億t，建議小北干流灘區(qū)放淤采用有壩放淤，其對小北干流河道和下游河道有較大的減淤作用。2030—2050年黃河干流各種泥沙處理方式的優(yōu)化配置模型計(jì)算結(jié)果可見，該時(shí)期各種泥沙處理方式的順序和平均沙量比例為：①水庫攔沙占42.2%，②河口造陸占22.4%，③深海輸沙占19.6%，④人工（機(jī)械）放淤占9.9%，⑤引水引沙占8.8%，⑥主河槽沖刷占-6.6%，⑦洪水淤灘占3.7%。表明在該泥沙安排模式下大柳樹水庫對上游寧蒙河段主河槽淤積萎縮改善作用明顯，上中游主河槽沖刷，下游主河槽緩慢淤積，輸送到河口和深海的沙量大幅度提高，2030—2050年期間該模式黃河干流主河槽年平均沖刷量為-0.64億t/a，其中上游寧蒙河段主河槽沖刷量為-0.53億t/a，中游小北干流主河槽沖刷量為-0.30億t/a，下游主河槽淤積量為0.19億t/a，可以達(dá)到維持寧蒙河段河道平灘流量2300～2500m3/s的治理目標(biāo)。2030年以后通過大柳樹、古賢和小浪底3個(gè)水庫聯(lián)合調(diào)控，可以達(dá)到維持中游潼關(guān)高程比現(xiàn)狀低約2 m，維持下游河道平灘流量約3500m3/s的目標(biāo)。

4.2050—2100年黃河泥沙的安排模式

建議2050—2100年采用以磧口水庫和大柳樹水庫聯(lián)合調(diào)控及溫孟灘放淤為重點(diǎn)的泥沙安排模式，達(dá)到維持黃河上游寧蒙河段河道平灘流量約2 000 m3/s，維持中游潼關(guān)高程比現(xiàn)狀低約1 m，維持下游河道平灘流量約3 000 m3/s的治理目標(biāo)。該模式是當(dāng)古賢水庫攔沙庫容基本淤滿后，以磧口水庫和大柳樹水庫聯(lián)合調(diào)控為主，充分利用水庫攔沙庫容，結(jié)合下游“二級懸河”和灘區(qū)綜合治理，有計(jì)劃地進(jìn)行小北干流、溫孟灘和下游灘區(qū)放淤，實(shí)現(xiàn)以防洪減淤為主的綜合利用效益，并通過大柳樹、磧口、古賢和小浪底等4個(gè)水庫聯(lián)合調(diào)控運(yùn)用，維持潼關(guān)高程在一定高程之下，維持黃河干流穩(wěn)定的輸水輸沙通道，同時(shí)充分利用河道輸水輸沙能力及河口造陸能力，維持黃河口流路穩(wěn)定。

磧口水庫運(yùn)用對小北干流河道和下游河道減淤具有一定作用，并對潼關(guān)河床高程變化有一定的控制作用，溫孟灘放淤對下游河道的減淤具有較大的作用。2050—2100年黃河干流各種泥沙處理方式的優(yōu)化配置模型計(jì)算結(jié)果可見，該時(shí)期各種泥沙處理方式的順序和平均沙量比例為：①水庫攔沙占36.9%，②深海輸沙占17.9%，③人工（機(jī)械）放淤占17.0%，④河口造陸占13.3%，⑤引水引沙占8.8%，⑥主河槽淤積占3.6%，⑦洪水淤灘占2.5%。表明該時(shí)期水庫攔的作用下降，河道輸沙入海和人工（機(jī)械）放淤作用加強(qiáng)，主河槽有所淤積。

2050—2100年期間黃河干流主河槽將經(jīng)歷先沖刷后緩慢回淤的過程，該泥沙安排模式黃河干流主河槽沖淤合計(jì)平均年淤積量為0.34億t/a，其中上游寧蒙河段主河槽沖淤合計(jì)平均年淤積量為0.12億t/a；中游小北干流主河槽沖淤合計(jì)平均年淤積量為0.09億t/a；下游主河槽沖淤合計(jì)平均年淤積量為0.13億t/a，可以達(dá)到維持黃河上游寧蒙河段河道平灘流量約2 000 m3/s，維持中游潼關(guān)高程比現(xiàn)狀低約1 m，維持下游河道平灘流量約3 000 m3/s的治理目標(biāo)。2050年以后，以大柳樹、磧口、古賢和小浪底等水庫調(diào)控為主，以小北干流灘區(qū)、溫孟灘區(qū)與下游灘區(qū)等放淤為輔，黃河干流建成了較完整的水沙調(diào)控體系，結(jié)合引水引沙和泥沙綜合利用，基本可以達(dá)到2100年維持黃河干流穩(wěn)定的輸水輸沙通道等治理目標(biāo)。

特別需要指出的是，上述21世紀(jì)黃河泥沙的合理安排是在對未來入黃泥沙宏觀預(yù)測的基礎(chǔ)上提出的，故本研究成果對黃河泥沙治理的宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃具有參考價(jià)值。從更長期來看，隨著流域大規(guī)模水土保持等措施的普遍見效，進(jìn)入黃河的泥沙將維持在一定的水平上，黃河河道將進(jìn)入新的演變與平衡狀態(tài)，進(jìn)入黃河的泥沙數(shù)量究竟控制在多大的范圍內(nèi)仍是一個(gè)值得研究的課題。

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