黄河下游及河口环境生态对水沙调控的响应

第1草概述 黄河以高含沙著称于世，也因其高含沙水流，生物难以生存其中，生态系统结构单一。随着黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的提出，黄河生态保护与修复进入高质量发展时期，下游和河口的生态问题则是重中之重。黄河以内蒙古托克托县河口镇与河南荥阳市桃花峪为节点分为上游、中游、下游。小浪底水库位于桃花峪上游120km处，是黄河下游*重要的水利枢纽。本书的研究区域主要面向小浪底水库以下河段到河口，考虑到研究对象的整体性，将小浪底水库以下河段到河口统称为下游河流系统。本章主要从黄河下游流域、河道、水利工程、黄河口及三角洲四方面介绍黄河下游河流系统整体情况。 1.1黄河下游流域概况 黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，流经青海、四川、甘肃、宁夏、河南、山东等九省（区），在山东垦利区流入渤海，全长约5464km，是中国第二大长河、世界第五大长河。黄河流域位于95°53E～119°5E和32°10N～41°50N，流域面积为79.5万km2（图1.1），属于温带大陆性气候，气候干燥，平均年降水量为467mm。黄河下游流域面积为2.3万km2，占黄河流域总面积的3%左右。下游流域属温带大陆性季风气候，干燥度处于1.0～1.5，年*大潜在蒸发量为650～900mm，年平均气温为10～15°C，年均降水量为550～800mm，60%以上的降水集中在7～10月。黄河下游地势平坦，由黄河、淮河、海河冲积而成，包括豫东、豫北、鲁西、鲁北、冀南、冀北、皖北、苏北等地区，面积达25万km2。平原地势大体以黄河大堤为分水岭，地面坡降平缓，微向海洋倾斜。 黄河下游洪水主要受三个区域影响：河口镇至龙门区间的黄河干支流区，龙门至三门峡区间的泾河、渭河、北洛河流域和三门峡至花园口区间的伊河、洛河、沁河流域（史辅成等，1990）。来沙源于中游黄土高原，泥沙经各支流汇入黄河。下游落差小，仅为94m，比降为1.2%。，每年大约有4亿t泥沙沉积在下游河道（许炯心，2012），这导致主槽淤积严重，削弱河道过流能力，加剧河床抬升，甚至在局部河段形成河床高程高于沿岸的“地上悬河”，严重加剧黄河中下游洪水风险。针对黄河下游现有水沙问题，亟须开展泥沙动态调控研究，通过水利设施科学调配水沙过程，合理利用黄河水沙资源，在满足下游社会经济用水需求的同时，实现黄河的健康可持续发展。 1.2黄河下游河道概况 1.2.1下游河势地貌及形态 黄河下游河道按不同河型特点自上而下分为游荡型河道、过渡型河道、弯曲型河道及河口段河道（图1.2），其中白鹤至高村为游荡型河道，长299km，纵比降为0.172%。～0.265%%，河身相对顺直，滩槽高差较小、滩地广阔，河道水流散乱、断面宽浅，主河槽宽度达3～5km，主流迀徙不定。河道泥沙冲淤剧烈，河势具有强烈游荡性，断面形态变动频繁，河相系数变动范围大。高村至陶城铺为游荡段向弯曲段过渡的过渡型河道，长165km，滩槽高差相对增大，平滩河槽相对变窄，河道主槽位置相对固定，河流游荡性减弱。陶城铺至利津河段为弯曲型河道，长300km，这一河段河道较为窄深，滩槽高差大。利津以下是黄河的河口段，河道长114km。黄河口位于渤海湾与莱州湾之间，滨海区海洋动力较弱，潮差约为1m，属弱潮多沙、摆动频繁的陆相河口。 河势演变主要是指河道水流平面形式的变化。长期以来，黄河下游，尤其是其游荡型河道，河槽宽浅，溜势散乱，河势演变十分复杂。影响河势演变的主要因素包括来水来沙条件、河床边界条件和河道整治工程。来水来沙条件主要是指在一定时期内进入下游的水量、沙量和来水来沙过程。水量的大小、沙量的多少及水沙过程的不同都将直接影响河势演变。河床边界条件主要是指容纳和约束水流运动的河床边界的主要特征与参数，包含河床的平面形态、断面形态、纵比降、河床物质组成及抗冲性、滩槽高差等。自然形成的卡口、节点和胶泥嘴等都会对河势的变化起到较好的控导作用，河床土体抗冲性的不同往往会形成塌滩坐弯，滩槽高差（或平滩流量）是反映河势稳定的一个重要指标。河道整治工程对河势产生影响，主要是由于不同整治工程的边界条件不同，如工程长度、工程布置形式、工程间距大小、上下工程之间的衔接及工程靠溜情况等，均可引起河势的变化。 黄河下游河道河势演变具有复杂多变性、随机性、相关性和不均衡性的基本特征。①复杂多变性。多变的水沙条件和善冲善淤的河床边界共同决定了河势变化的复杂性。水沙条件、河床边界、工程边界条件在时空上的随机组合构成千差万别的河势变化影响条件，进而导致了复杂多变的河势演变过程和形式。游荡型河道河势演变的多变性反映了河势演变的激烈变化过程和河势状态的不稳定程度。②随机性。河势在水沙条件和边界条件的随机组合下，在较短时间内造成河势演变趋势的不确定性。河势的突变多发生在一场洪水的峰顶附近或洪峰过后的落水期，前者主要表现为洪水的切滩取直改道，后者则多为局部河段出现畸形河弯、“横河”。③相关性。河段河势的变化具有显著的时空相关性，相邻河段、相邻时段的河势变化互相影响，“一弯变、多弯变”是河势演变相关性的典型表现。④不均衡性。不同时段、不同河段的河势演变状况及性质存在明显差异。自然河段的河势变化幅度较大且表现出不确定性。同一时段，有些河段以左摆为主、有些河段以右摆为主。河道整治工程配套的河段，受整治工程的约束、控制，河势演变过程相对简单且摆幅小。 河道整治工程前，黄河下游河势演变多处于自然状态。随着社会经济的发展，河势演变受到的人类干预越来越频繁。自然（半自然）状态下游荡型河道河势的演变规律为：①演变遵循由量变到质变，即由缓变到突变的规律；②大水趋直、小水坐弯；③高含沙洪水特殊的造床作用；④主流线呈横向波状摆动；⑤主流线的纵向变化上下游存在明显的关联性；⑥节点及人工边界对河势的演变影响巨大。人工干预（河道整治工程较多）情况下河势演变的基本规律为：①在工程附近“大水取直、小水坐弯”的规律表现为“小水上提，大水下挫”；②限制性弯曲型河道上下河弯河势变化的关联性增强，河势变化的可预测性增大，河务部门防汛抢险的主动性增强；③河道整治工程控制了河势变化的范围和规模，河势基本在工程外包线之内，大大缓解了主流直冲大堤、汛期临堤抢险的局面；④河势的变化受工程平面布局形式影响较大，不同的工程布局形式存在不同的河势演变规律。 1.2.2下游滩区形成及特征 黄河下游河道摆动频繁，平均“三年两决口”，百年一改道，使黄河下游形成了大范围的滩涂区域，*宽处达24km，滩涂总面积达3544km2，占河道面积的84%。按照形状划分下游滩区可分为条形滩区和三角形滩区，条形滩区又可分为100km2以上的大滩和较小的中滩。三角形滩区面积较小，一般在50km2以下。滩区存在着大量串沟、洼地、堤河等自然地貌，还有平行于河道的控导护滩工程、生产堤，以及星罗棋布严重阻水的片林、村庄、避水村台、房台等人工构筑物。每块滩区大体上是上下窄、中间宽，滩面的纵比降与相应河段的河道纵比降基本相同。黄河下游河道典型横断面图和宽滩区示意图见图1.3和图1.4。 黄河下游滩区被左右摆动的河槽和生产堤分割，形成124个自然滩。面积大于100km2的滩区有12个，50～100km2的有5个，30～50km2的有15个，30km2以下的有92个。滩区分布在河南、山东两省43个县（区），滩区内村庄有2004个，人口有189.5万人。滩区的土地利用类型主要为耕地，其面积约为2267km2，占河道面积的66.1%（张金良，2017）。河南段滩区自洛阳市孟津县白鹤至濮阳市台前县张庄，河道长464km，滩区面积约2116km2，占滩区总面积的99%以上。耕地面积为1520km2，居住人口为125.4万人，涉及郑州、开封、洛阳、焦作、新乡、濮阳6个省辖市、17个县（区）。山东省内滩区总面积为17.02km2，涉及9个市、26个县（区），居住人口为60多万人。 根据河道特性将黄河下游滩区划分为四个河段，各河段内的滩区状况差异明显：①孟津白鹤至郑州老京广铁路桥河段。全长98km，河道宽5～10km。右岸为邙山黄土高岗，左岸为温县清风岭，滩区主要集中在左岸的孟州市、温县、武陟县境内，习惯称为“温孟滩”，是孟州市、温县粮棉高产区，滩内修建了防御10000m3/s洪水的堤防，使中小洪水不漫滩。②郑州老京广铁路桥至开封兰考东顼头河段。全长131km，河道宽5.5～12.7km，滩区多为高滩区，涉及原阳县、封丘县、中牟县、龙亭区、祥符区。③兰考东顼头至濮阳渠村河段。全长70km，河道宽5～20km，滩地开阔，下部逐渐变窄，呈喇叭形，素有“豆腐腰”之称，涉及兰考县、长垣市。④濮阳渠村至台前张庄河段。全长165km，河道宽1.4～8.5km，洪水漫滩概率较高，涉及濮阳县、范县、台前县。 滩区由于特殊的地理和自然条件，难以大力发展工业，产业以传统农耕为主，滩区经济发展缓慢，交通、水利等基础设施薄弱，教育、医疗、文化等社会事业发展滞后。2020年前滩区内集中分布着封丘县、范县、台前县、兰考县4个国家*贫困县和原阳县、濮阳县2个省级贫困县，涉及贫困村414个，贫困人口达33万人。据调查，滩区乡2012年的人均公共财政预算收入为290元，仅为全省平均水平的15%;人均公共财政支出为366元，仅为全省平均水平的7.7%;57个乡镇农民人均纯收入低于全省平均水平，特别是兰考县的三义寨乡、爪营乡、顼头乡和濮阳县的徐镇镇，农民人均纯收入低于国家贫困线2300元/a。决胜决战脱贫攻坚战后，滩区人民收入大幅提升，贫困县全部摘帽，但经济发展较全省整体水平仍相对落后，人均收入低于全省水平。 1.2.3下游河道生态概况 黄河下游河道生态系统以湿地为主，主要类型包括河流、河漫滩、背河洼、故道和稻田，湿地面积总计2885km2，共有5处国家*、省级湿地自然保护区，2处国家*水产种质资源保护区。保护区内有国家重点保护鸟类黑鹳、白鹳、白头鹤、白鹤、大鸨、天鹅等39种。河南省境内滩区内分布有维管束植物130科455属827种，其中蕨类植物13科14属17种，裸子植物5科7属8种，被子植物112科434属802种。乔本科和菊科物种占有明显优势，其中乔本科103种，菊科49种，蒿属25种，寥属21种，分布有国家一级保护野生植物水杉、银杏，国家二级保护野生植物野大豆、水曲柳、莲、野菱（国家林业局，2015a）。脊椎动物有5纲35目93科498种，包括两栖纲2目9科29种，爬行纲2目9科34种，鸟纲17目47科269种，鱼类均为硬骨鱼，鲤形目种类为主，两栖目中无尾目达102种，鸟类中雀形目*多，其次是鹆形目与雁形目，爬行动物中有鳞目*多，以游蛇科为主，哺齿目和食肉目种类*多。 山东省境内滩区分布有湿地植物115科390属687种，其中苔藓植物4科4属5种，蕨类植物4科4属5种，裸子植物4科10属17种，被子植物103科372属660种，其中乔本科和菊科占有明显优势，乔本科90种，菊科85种。含种数目*多的为寥属，其有18个物种；蒿属次之，有14个物种；莎草属有13个物种。湿地主要的植被类型有针叶林湿地植被、阔叶林湿地植被、灌丛、灌草丛、盐生草甸、沙生植被、沼泽和水生植被，在黄河下游常年积水或湿润地带常分布香蒲科的长苞香蒲、水烛、小香蒲，浮萍科的浮萍、品藻、紫萍，莎草科的各种簏草、莎草、薹草，禾本科的芦苇等植物分布（国家林业局，2015b）。湿地脊椎动物28目84科473种，两栖类1目4科8种，爬行类3目7科19种，鸟类19目60科406种，哺乳动物5目13科40种。两栖动物以蛙科种类为多，爬行类中蛇目占优，鸟类中以水鸟类为主，约占总物种的3/4，以鹬科和鸭科为主，哺乳动物包括翼手类、啮齿类、食虫类和小型食肉动物。 黄河下游河道鱼类有27种，隶属5目7科。鱼类以鲤形目居多，其次为鲈形目和鲇形目。鱼类群落结构以小型化、低经济价值鱼类为主，重要经济鱼类较少（刘洪波