黄河水沙平衡与调控

第1章绪论 1.1黄河治理保护历史回顾 黄河发源于青藏高原，流经9个省区，全长5464km，是我国仅次于长江的第二大河［1］。黄河流域面积为79.5万km2。黄河是一条驰名中外的多沙河流，1956～2000年实测资料统计［2］，黄河多年平均河川天然径流量为534.8亿m3，三门峡水文站多年平均输沙量为11.2亿t。黄河水少沙多、水沙异源、水沙关系不协调的矛盾十分突出，这也是黄河成为世界上*为复杂难治河流之一的症结所在。 黄河具有善淤、善决、善徙的特征，下游河道长期的累积性淤积，使河道成为“地上悬河”。自公元前602年以来，黄河下游河道决口1590余次，较大的改道有26次，经历了5次大的迁徙，黄河的安危始终是中华民族的心腹之患［3］。 中华民族治理黄河已有4000多年的历史，在长期治理黄河的实践中，伴随着对黄河水沙特性、冲淤规律及河床演变过程认识的进步和深化，将治河与科学技术相结合，逐步积累了丰富的治河经验，形成了一套闪耀着远见卓识及智慧火花的治河思想［4］。治黄方略取决于人们对黄河的认识，体现了当时的社会、政治、经济背景以及水利科学技术的发展水平，随着自然环境的变化和黄河水沙关系的改变，治黄方略也将发生变化。在古代原始社会生产力极为低下时，为避免洪水危害，先人们往往“择丘陵而处之”，随着生产力的发展，人们从高丘移居平地。 历史上，黄河治理方略的形成与几次重大治河行动紧密联系［5］。公元前2000多年，大禹治水顺应水流的自然规律，采取以疏导和分流为主的治河方略，取得了成功，该时期成为历史上黄河的**个安流期。黄河下游堤防始建于春秋时期，战国以后黄河水沙发生变化，表现为径流量减少、泥沙量增加，导致水沙关系由相对协调转变为不协调，堤内河床逐渐淤积抬高而成为“地上悬河”，使黄河决口改道次数增多。为寻求治河对策，从西汉、北宋到明清，不断产生新的治河思想，*具代表性的治河方略有西汉贾让的“治河三策”，其上策是扩宽河道，主张分流治理；东汉王景主张宽河筑堤，因势利导，堤内蓄洪治沙，治河取得了成功，迎来了大禹之后黄河的第二个安流期；明代潘季驯提出“筑堤束水，以水攻沙”的治河思想，主张合流，引发了分流与合流的争论。潘季驯论证了在黄河多沙的条件下，治河要从以洪水为主转化为以泥沙为主，要从以分为主转化为以合为主，在潘季驯主持治河期间，堵塞决口、截支强干、筑堤束水、以水攻沙，改变了此前河道“忽东忽西，靡有定向”的乱流局面，取得了后人称道的治理成就。潘季驯的“束水攻沙”治河方略把治河思想大大向前推进了一步，其后明清两代治河工作者，大多遵循潘季驯的治河原则，实行合流治理。需要指出的是，潘季驯治河思想存在两方面的不足：一是治沙虽然在归顺河道、减灾方面发挥了重要的作用，但堤内河道淤积抬高问题始终没有得到解决；二是治河主要针对黄河下游河道，尚未将黄河作为一个整体来考虑治理对策。 1946年人民治黄以来，进入现代治河时期，黄河治理工作逐步由下游防洪走向全河治理，提出了一系列新的治河方略［6-8］。 1）宽河固堤。1947～1949年黄河大汛期间，黄河下游堤防险象丛生，特别是1949年汛期出现了12 300m3/s的较大洪水后，下游两岸出现了400多个漏洞、200多次险情。1950年，通过分析黄河决口频繁的原因，水利部黄河水利委员会提出了采取“宽河固堤”的方略治理黄河下游。在这一方略的指导下，确定并实施了加培大堤、整修险工、废除民埝、开辟滞洪区等防洪工程建设，初步改变了下游的防洪形势，为战胜1954年和1958年的洪水奠定了基础。 2）蓄水拦沙。通过对中国古代治河方略的总结，结合深入调查研究，初步认识了黄河上冲下淤的客观规律。1953年，水利部黄河水利委员会提出了“蓄水拦沙”的治河方略，把重点放到中上游。在这一方略的指导下，首先在三门峡修筑高坝大库。为了拦截进入三门峡水库的泥沙，在无定河、延河、泾河、洛河、渭河等支流修筑10座水库，同时进行大规模的水土保持、造林种草工作。 3）上拦下排，两岸分滞。三门峡水利枢纽于1960年9月下闸蓄水，采用“蓄水拦沙”运用方式，之后水库很快便发生了严重淤积。1963年3月，水利部黄河水利委员会从三门峡水库的失误中总结经验教训，提出了“上拦下排”的治河方略。“上拦下排”就是“在上中游拦泥蓄水，在下游防洪排沙”。从“蓄水拦沙”到“上拦下排”，是治黄方略的一次重要进展。1975年8月淮河流域发生特大暴雨，造成严重灾害。于是，水利部黄河水利委员会又提出处理特大洪水的方略，即“上拦下排，两岸分滞”。在“上拦下排，两岸分滞”方略指导下，拟在花园口以上兴建小浪底水库，削减洪水来源，改建北金堤滞洪区，对东平湖围堤进行加固，加大位山以下河道泄量，使洪水畅排入海。 4）拦、排、放、调、挖。1986年，水利部黄河水利委员会总结40年的治黄经验，概括提出了“拦”“用”“调”“排”四字治河方略。所谓“拦”，就是在中上游拦水拦沙，通过水土保持和干支流水库的死库容拦截泥沙。“用”就是用洪用沙，在上、中、下游采取引洪漫地、引洪放淤、淤背固堤等措施。“调”就是调水调沙，通过修建黄河干支流水库，调节水量和泥沙，变水沙关系不协调为水沙相适应，更有利于排洪，同时达到下游河道减淤的效果。“排”就是充分利用黄河中上游水库拦沙，下游河道冲刷，比降变陡、排洪能力加大的特点，排洪入海。2002年，水利部将“上拦下排，两岸分滞”作为控制黄河洪水的方略，将“拦、排、放、调、挖”作为处理和利用黄河泥沙的方略。所谓“放”，主要是在下游两岸处理利用一部分泥沙，“挖”就是挖河淤背，加固黄河干堤，逐步形成“相对地下河”。经过半个多世纪的探索和实践，已将治理黄河流域作为一个整体来进行统筹考虑、综合治理，在治理中采取水沙兼治，更加注重将泥沙处理和利用的思想纳入治河方略。 21世纪初期修编的《黄河流域综合规划（2012—2030年）》进一步强化了人水和谐、维持黄河健康生命的理念，针对黄河水少沙多、水沙关系不协调的突出问题，提出“增水、减沙，调控水沙”是解决黄河根本问题的有效途径，通过水沙调控体系、防洪减淤体系、水土流失综合防治体系、水资源合理配置和高效利用体系、水资源和水生态保护体系、流域综合管理体系六大体系建设，贯彻全流域统筹兼顾、治水治沙并重的治河思想［2］。在“上拦下排，两岸分滞”防洪工程体系基本形成的前提下，提出了黄河下游河道治理方略：“稳定主槽、调水调沙、宽河固堤、政策补偿”。在“拦、排、放、调、挖”处理和利用泥沙措施中，强调了粗泥沙来源区的治理和泥沙资源的利用。新修编的规划仍坚持人民治黄以来实践总结出的洪水泥沙综合治理思想，更加突出了水沙调控的作用，其核心是要协调水沙关系。需要指出的是，在规划依据的来水来沙条件确定中，虽然已考虑了黄河水沙变化的因素，但仍与近几十年的实际情况存在较大的差距，特别是对来沙量大幅减少的影响考虑不够［9，10］。 从黄河流域自然环境变迁、人类活动影响到治河方略的演变，充分体现了自然界是一个不断运动演化、相互联系、相互制约的整体。人类治黄的历史也是一个不断认识、不断创造的过程。在几千年黄河治理的过程中，人们总结出两条治黄的基本经验：一是给洪水出路，二是给泥沙空间。人们围绕这两条基本经验，一直在坚持不懈地探索治河的措施。在治黄方略上，从分流与合流治理的争论、水和沙治理并重思想的提出，到将黄河上游、中游、下游、河口作为一个整体系统治理等治河思想的提出，是黄河几千年来治理实践成果的结晶［11］。随着黄河流域自然环境的演变、人类活动的影响及水沙关系的变化，相信治黄方略将继续发展完善。 2019年9月18日，习近平总书记在河南郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，强调“黄河流域生态保护和高质量发展，同京津冀协同发展、长江经济带发展、粤港澳大湾区建设、长三角一体化发展一样，是重大国家战略”。保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计。讲话指明了当前黄河流域面临的挑战和存在的突出问题，提出了黄河流域生态保护和高质量发展的主要目标任务，发出了“让黄河成为造福人民的幸福河”的伟大号召［1］。 建设幸福河，就是要在确保黄河“大堤不决口，河道不断流，水质不超标，河床不抬高”的前提下，为流域人民提供优质生态环境和社会服务功能，提高人民的安全感、获得感、幸福感，支撑流域经济社会高质量发展，实现“防洪保安全，优质水资源，健康水生态，宜居水环境，先进水文化”的目标［12］。因此，进入新时代，基于新的更高的要求，水沙变化情势下黄河治理策略是实施黄河流域生态保护和高质量发展战略亟待回答的重大问题。 1.2黄河治理保护面临的主要问题 1.2.1水沙变化情势 黄河的水主要来自上游地区，泥沙主要来自中游地区，中游的潼关水文站控制了黄河流域面积的91%、水量的90.3%、输沙量的近100%。根据实测资料［13］，1919～1959年为受人类活动影响较小的天然时段，该时段潼关水文站实测年平均水量和输沙量分别为426.1亿m3和15.92亿t，这就是人们常说的黄河泥沙量有16亿t/a的依据；随着人类活动的日益加剧和自然气候的变化，1987～1999年实测年平均水量和输沙量分别为260.6亿m3和8.07亿t，水沙量较1919～1959年有较大幅度的减少，分别减少了38.8%和49.3%。2000年以来潼关水文站水沙量进一步减少，2000～2018年实测年平均水量和输沙量分别为239.1亿m3和2.44亿t，较1919～1959年分别减少了43.9%和84.7%。影响黄河水沙量大幅减少的主要驱动因素包括气候变化、水利工程、生态建设工程和区域经济社会发展等，其中气候变化属自然因素，其他因素均属人类活动影响，据分析［14］，近几十年来人类活动对水沙量减少的作用越来越大，特别是生态建设工程的减沙作用不断增强。 黄河水沙变化情势研究是实施黄河流域生态保护和高质量发展战略*为重要的基础条件，是黄河重大水沙调控工程布局及运用方式、河道治理工程布置、流域内水资源配置和跨流域调水工程决策等的基础。鉴于黄河水沙变化情势研究的重要性，2016年，“十三五”国家重点研发计划启动了“黄河流域水沙变化机理与趋势预测”项目，根据项目的总体安排，项目下设9个课题，分别开展了不同区域水沙变化主要影响因素和阶段特征的研究，定量预测了黄河流域未来30～50年水沙量，确定了不同影响因素对水沙量减少的贡献率。综合项目各个课题入黄沙量预测的研究成果，未来30～50年黄河潼关水文站年平均输沙量为3亿t左右［14，15］。 1.2.2面临的主要问题 水沙情势的剧烈变化导致黄河流域生态保护和高质量发展遇到一系列新情况和新问题：一方面，黄土高原水土流失持续治理改变了流域产沙的数量和过程，极大地改善了黄土高原生态环境；另一方面，产沙数量和过程变化及干支流水库建设直接影响了进入黄河干流河道泥沙的数量和过程，间接影响了黄河干流沿程河床演变［16，17］。当前黄河治理保护面临两方面的主要问题：一是流域产沙过程出现的问题；二是河道输沙过程中出现的问题，分述如下。 （1）黄土高原水土流失治理格局亟待调整 习近平总书记强调：“水土保持不是简单挖几个坑种几棵树，黄土高原降雨量少，能不能种树，种什么树合适，要搞清楚再干。有条件的地方要大力建设旱作梯田、淤地坝等，有的地方则要以自然恢复为主，减少人为干扰，逐步改善局部小气候。”［1］近年来，随着复杂极端气候变化、科技手段的发展及黄河治理开发对水土保持工作不断提出新要求，黄土高原水土流失治理面临着新挑战［18］，如局部区域植被覆盖度已到上限，有的地质单元因退耕还林出现耕地面积不足的情况，这些区域的林草植被改善是否还持续开展；部分区域劳动力转移到城镇致使优质梯田被大量弃耕，部分区域坡陡沟深、地形破碎使坡地梯田化潜力不足；这些区域的坡改政策如何分区推进；淤地坝工程虽然实现了沟道侵蚀阻控与