1963 年由北京水力發(fā)電學(xué)校畢業(yè),分配到中國(guó)水科院泥沙所參加工作,開始接觸黃河泥沙問題。屈指算來,已經(jīng)有58個(gè)春秋。回顧往事,我深深地體會(huì)到,黃河不是60年前的黃河,對(duì)它認(rèn)識(shí)不同于60年前,治理的方法也不應(yīng)是60年前的老辦法。袁隆平發(fā)現(xiàn)雜交野生稻引發(fā)了水稻生產(chǎn)一場(chǎng)革命,但有高含沙水流塑造的北洛河下游河道形成的發(fā)現(xiàn)卻并沒能推動(dòng)黃河治理的變革!
1.北洛河下游河道形成的啟示
上世紀(jì)70年代我參加了黃河第二次規(guī)劃,查勘了三門峽水庫庫區(qū)。在三門峽水庫的回水末端,我們發(fā)現(xiàn)流入庫區(qū)的北洛河下游河道窄深穩(wěn)定,宛如一條人工修建的彎曲渠道,這給我留下了極為深刻的印象。就此問題向錢寧先生請(qǐng)教,他沉思了片刻,只說了四個(gè)字“含粘量高”。在以后幾年的時(shí)間里,我學(xué)習(xí)了前人的研究成果,分析了北洛河、渭河的來水來沙特點(diǎn)及其下游河道的演變特性,發(fā)現(xiàn)北洛河經(jīng)常發(fā)生含沙量700~900kg/m3的洪水,洪水塑造出窄深河槽,大量泥沙能在上百公里長(zhǎng)河道上順利輸送,主槽還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷。渭河、北洛河下游河道的輸沙特性,與渠道高含沙水流及管道物料高濃度輸移的特性極為相似。在管道高濃度輸送中,像黃河這樣泥沙組成、粒徑小于0.08mm的高含沙水流均按重介質(zhì)處理,只要克服阻力,即可順利輸送,不用考慮挾沙能力問題。
通過黃河主要干支流不同河段的高含沙洪水的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行類比分析,可以得出:窄深河槽有利于高含沙水流輸送;適宜輸送的含沙量不是低含沙量;造成高含沙洪水在黃河下游河道嚴(yán)重淤積的主要原因是其河道極為寬淺;當(dāng)一條河流的泥沙主要由高含沙洪水輸送時(shí),就能形成具有窄深河槽的彎曲性河道。
此項(xiàng)研究成果得到中國(guó)水利學(xué)會(huì)泥沙專業(yè)委員會(huì)錢寧教授的高度重視,《水利學(xué)報(bào)》1982年第8期將《黃河高含沙洪水輸移特性及其河床形成》一文發(fā)表。獲得首屆錢寧優(yōu)秀論文獎(jiǎng). 在隨后的歲月里,圍繞著高含沙洪水對(duì)防洪的影響,研究了高含沙洪水在游蕩性河道上輸送時(shí)因河床劇烈調(diào)整而產(chǎn)生的各類“異?!爆F(xiàn)象,如能否形成“漿河”,洪峰流量為什么會(huì)沿程增大等。這些研究成果,不僅能解釋當(dāng)時(shí)防洪中的生產(chǎn)問題,也加深了對(duì)高含沙洪水輸移特性的認(rèn)識(shí)。
針對(duì)游蕩性河道不利于高含沙洪水輸送的情況,深入研究黃河下游游蕩性河道在不同來水來沙條件下河床調(diào)整變化規(guī)律,揭示黃河水沙組合不合理,小水挾沙過多,形成游蕩性河道比降陡,組成河床的粉細(xì)沙易起動(dòng);在不同水沙條件下河床調(diào)整相互制約、破壞,始終保持寬淺散亂特性;河道沒有因淤積使比降變陡以及輸沙能力增加而達(dá)到穩(wěn)定,而是呈現(xiàn)惡性循環(huán),其演變特性如同一條沒有興建跌水的不穩(wěn)定渠道;只有具有窄深河槽的河流才有可能發(fā)展成為穩(wěn)定的彎曲性河道。這些研究成果在1989年第4期《泥沙研究》上以《黃河游蕩性河道形成與改造途徑》為題全文發(fā)表。以學(xué)術(shù)界的反映為基礎(chǔ),1989年至1991年,萬兆惠博士牽頭完成國(guó)家自然科學(xué)基金。
2.學(xué)術(shù)界的重視推動(dòng)了研究工作的進(jìn)展
我們的初步研究成果引起學(xué)術(shù)界的重視,早在1987年中美黃河學(xué)術(shù)討論會(huì)上,黃秉維(1913-2000)院士就指出:“在諸多對(duì)策之中,利用高含沙水流特性,使下游河道基本消除淤積,可能是一個(gè)有效途徑”?!耙乾F(xiàn)在就可確定利用高含沙水流特性排沙是不行的,我也希望知道否定它的理由”
項(xiàng)目專著《黃河高含沙水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用前景》(1)。該著作匯集了清華大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、黃河水利科學(xué)研究院等科研單位最近幾年的研究成果,基本搞清了高含沙水流的流變特性、運(yùn)動(dòng)特性和輸沙特性以及在黃河上的應(yīng)用前景。該專著由錢正英和黃秉維兩院士分別作序,寄托了老專家對(duì)黃河高含沙水流研究的希望:使黃河下游的洪水災(zāi)害由“史不絕書,變?yōu)槭凡辉贂保煌ㄟ^小浪底水庫的調(diào)節(jié),形成泥沙主要由高含沙洪水輸送的水沙條件,以利于黃河下游治理。
1988年,錢正英院士在黃河下游治理座談會(huì)上的總結(jié)發(fā)言中,認(rèn)為黃河水利科學(xué)研究院提出利用窄深河槽輸送高含沙水流是個(gè)重大突破,希望在黃河治理規(guī)劃中有所反映。在她的大力推動(dòng)下,利用黃河高含沙水流輸沙特性解決黃河下游淤積的問題,列入國(guó)家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目,由我作為專題負(fù)責(zé)人,聯(lián)合黃河水利科學(xué)研究院、黃委設(shè)計(jì)院、清華大學(xué)和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院協(xié)同攻關(guān)。我們通過三年的努力完成了攻關(guān)任務(wù),成果匯集成專著《黃河水沙變化與下游河道減淤措施研究》(2),研究成果獲得河南省科技成果2等獎(jiǎng)。
由黃河水利出版社正式出版。書中首次提出:小浪底水庫的防洪運(yùn)用由消滅高含沙洪水改為利用洪水排沙,水庫的運(yùn)用方式由傳統(tǒng)的“蓄清排渾”改為“泥沙多年調(diào)節(jié),相機(jī)利用洪水排沙”,明確提出水庫在枯水年不排沙,按最大興利效益進(jìn)行調(diào)度運(yùn)用。方案計(jì)算結(jié)果表明,水庫的興利指標(biāo)大幅增加,輸沙用水大量節(jié)省,年平均輸沙用水量?jī)H為60億m3左右,節(jié)省2/3,且均安排在豐水年小浪底水庫無法調(diào)節(jié)利用的洪水期。
為此我被評(píng)為八五攻關(guān)先進(jìn)個(gè)人,在人大會(huì)堂受到中央領(lǐng)導(dǎo)親切接見,攻關(guān)成果引起水利界眾多知名人士的關(guān)注。1995年水利界10名院士:嚴(yán)愷、竇國(guó)仁、林秉南、徐乾清、潘家錚、黃秉維、劉東生、黃文熙、陳述彭、李鄂鼎,會(huì)同其他9位水利界專家聯(lián)名,建議進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。由水利部原部長(zhǎng)楊振懷送李鵬總理(3)。水利部,規(guī)劃總院給我們列支項(xiàng)目經(jīng)費(fèi),使我們能夠繼續(xù)深入研究。
3.輸沙理論重大突破——洪水非恒定性——漲沖落淤規(guī)律的破解
根據(jù)多年研究黃河泥沙運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn),應(yīng)通過現(xiàn)象分析摸清造成該現(xiàn)象的力學(xué)基礎(chǔ),只有分析清楚造成現(xiàn)象的過程和原因,才能真正地認(rèn)識(shí)黃河下游。例如“淤灘刷槽”問題,一場(chǎng)大洪水過后,灘地大量淤積,主槽強(qiáng)烈沖刷,從表面看似乎它們之間有關(guān)聯(lián),但通過對(duì)河槽沖刷過程的分析,則會(huì)發(fā)現(xiàn)河槽沖刷發(fā)生在漲水期,而在落水期不管高、低含沙洪水主槽都是淤積,甚至在比降變幅相差十倍的情況下也是如此,由此可見,漫灘清水在落水期回歸主槽造成刷槽的假說不能成立。
為什么會(huì)發(fā)生不管高、低含沙洪水,在比降變幅十倍的情況下均會(huì)發(fā)生“漲沖落淤”呢?用以往有關(guān)恒定流、挾沙力為單值的理論無法解釋。應(yīng)該從黃河實(shí)際出發(fā),首先認(rèn)識(shí)造成窄深河槽“多來多排”的機(jī)理(見1994年第2期《泥沙研究》)。丁聯(lián)臻看到我們的研究成果后給我寫信,建議在他主編的英文版《國(guó)際泥沙研究》上發(fā)表,是他老人家和李文學(xué)總工幫助譯成英文,登在1995年2期《國(guó)際泥沙研究》上。在此基礎(chǔ)上分析洪水非恒定性,對(duì)作用在床面上力的變化過程與河床沖淤之間的關(guān)系進(jìn)行分析,才能形成正確的認(rèn)識(shí)。這個(gè)復(fù)雜的問題我們是經(jīng)過十多年的探索,才取得成果(見2005年第6期《水利學(xué)報(bào)》)。
洪水輸沙的非恒定性、漲沖落淤規(guī)律的破解,打開了對(duì)下游治理的新視野。經(jīng)過長(zhǎng)期研究,我們搞清楚了為什么高含沙量、低含沙量、比降陡與比降緩的河流,河床在漲水期都是沖刷,落水期都是淤積。由于對(duì)這個(gè)問題的認(rèn)識(shí)有了進(jìn)展,所以對(duì)窄深河槽的過洪機(jī)理、淤灘刷槽之間沒有聯(lián)系、利用洪水長(zhǎng)距離輸沙入海、水庫排沙調(diào)控原則等問題的認(rèn)識(shí),都向前推進(jìn)了一步?;谶@些新的認(rèn)識(shí),我們提出了《應(yīng)該把河床不抬高作為黃河下游治理的戰(zhàn)略目標(biāo)》,得到水利部汪恕誠部長(zhǎng)重視。
2017年在泥沙研究2期上發(fā)表《基于洪水漲沖落淤特性分析游蕩性河道雙整治后對(duì)下游沖淤影響》,根據(jù)黃河干支流主要河段,高.低含沙洪水大量實(shí)測(cè)資料分析從理論上回答下游河道的進(jìn)一步治理可行性。
4.黃河下游游蕩性河道形成與改造途徑
此時(shí)正值小浪底水庫投入運(yùn)用,初期下泄清水。根據(jù)三門峽水庫的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),清水沖刷期塌灘,河槽展寬,不利于水庫排沙通過河道輸沙入海;在多年調(diào)節(jié)水庫排沙初期,因要塑造窄深河槽,故會(huì)發(fā)生大量淤積,減淤效果不如節(jié)省輸沙用水效果顯著。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,若能通過河道整治方法形成有利于輸沙的窄深河槽,不僅可以減少淤積,寬淺的游蕩河道諸多防洪問題也可以得到解決,于是開始了游蕩河道整治新方法研究。(在2003年水利部科技司,批準(zhǔn)河道整治新方法科研項(xiàng)目)
對(duì)黃河下游游蕩性河道研究表明,主槽的強(qiáng)烈堆積,造成槽高灘低,致使主流頻繁游蕩擺動(dòng),對(duì)防洪極為不利。三門峽水庫投入蓄清排渾運(yùn)用后,小水淤槽減弱,加上河道整治工程的控導(dǎo),河道開始向穩(wěn)定方向發(fā)展,對(duì)當(dāng)時(shí)防洪雖然能起到比較顯著的效果,但在游蕩性河道來水來沙沒有得到根本改變之前,也控制了泥沙堆積部位,改變了游蕩性河道依靠主流自然擺動(dòng)平衡槽灘高差的演變規(guī)律,使主槽的抬升速度大于灘地的抬升速度,促成了“二級(jí)懸河”的形成,而生產(chǎn)堤的存在只是加劇了懸河的發(fā)展,給防洪帶來新的威脅;寬淺河段也成了利用河道輸送高含沙洪水入海的主要障礙。
游蕩河段的整治任務(wù)是穩(wěn)定主槽,形成排洪輸沙通道。黃河下游寬河段采用的“微彎”整治方法,主要是基于“水流性曲,按彎曲性整治可使河道穩(wěn)定”的認(rèn)識(shí),并參照高村以下過渡河段的整治經(jīng)驗(yàn)。其實(shí)高村以下成功的原因是由于有了窄深河槽,而不是因?yàn)槠矫鎻澢斐?。參考世界上重多河流整治?jīng)驗(yàn),提出黃河下游以形成穩(wěn)定窄深河槽為目標(biāo)的雙岸整治,是基于游蕩河道河勢(shì)變化規(guī)律具有隨機(jī)性,河床調(diào)整呈現(xiàn)惡性循環(huán),“微彎”整治無法控導(dǎo)河勢(shì),形成窄深河道的基礎(chǔ)上提出的。窄河固堤只能減少洪水的灘地淹沒損失,雙岸整治可形成高效排洪輸沙通道,控制河床不抬高。出版了《(黃河下游窄深河槽輸沙潛力與高效排洪輸沙通道構(gòu)建》(3)
參考文獻(xiàn)
[1]齊璞、趙文林、楊美卿,黃河高含沙水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及應(yīng)用前景,科學(xué)出版社,1993年,北京,錢正英,黃秉維分別作序
[2]齊璞、劉月蘭、李世瀅等,黃河水沙變化與下游河道減淤措施(M),黃河水利出版社,1997年,獲河南省科技進(jìn)步2等獎(jiǎng),被評(píng)為八五攻關(guān)先進(jìn)個(gè)人
[3]齊璞、孫贊盈、齊洪海,黃河下游泄洪輸沙潛力和高效排洪通道構(gòu)建(M),黃河水利出版社,2010年12月,鄭州,汪恕誠,潘家錚,李國(guó)英分別作序!