黄河小北干流泥沙影响及防治对策探讨

黄河小北干流泥沙影响及防治对策探讨黄河小北干流为典型的堆积游荡性河道，由于泥沙问题突出，水少沙多，水沙不协调，对社会、经济、环境和河流健康都造成很大影响，使河道萎缩，河床不断淤积抬高，滩槽高差减小，过洪能力降低，河势游荡加剧，洪水漫滩机率增加，临背差加大，滩地盐碱化严重，生态环境恶化，潼关高程居高不下，严重影响防洪、防凌安全。甚至出现小水大险，灾害严重。在高含沙洪水时，还会引发特有的“揭河底”冲刷现象。因此，关键在于增水减沙，调水调沙，协调水沙关系。要坚持科学的发展观，加强流域一体化综合管理，大力建设资源节约型、环境友好型社会，实行预防为主，保护为先，统筹兼顾，标本兼治，综合治理，进一步规范人类活动，采取“保、节、拦、排、调、放、挖”等综合措施，统筹协调水沙。强化工程、法律、行政、政策、经济、技术等手段，加速河道治理，建立完善工程和非工程体系及干支流水沙调控体系，大力实行开源节流，合理配置、高效利用、节约保护水资源，不断提高用水效率和效益。加快南水北调工程建设，尽快实施引水济渭工程，加大黄土高原水土保持工作力度，大力开展黄河小北干流引洪放淤，相机进行调水调沙，充分利用水库死库容拦沙，合理调整三门峡水库的运用方式，尽快降低潼关高程，有效治理利用黄河泥沙，促使水沙平衡，进一步控制理顺河势，塑造相对窄深河槽，提高河道综合功能。同时，可实行群库联合调度，在潼关河段塑造高含沙洪水，促成“揭河底”冲刷，以有效降低潼关高程，保持三门峡库区长治久安，维持河流健康生命，使人与自然和谐共处。1、水沙特性1.1 水少沙多，水沙不平衡根据 1919 年 7 月2002 年 6 月龙门水文站实测资料统计，龙门水文站多年平均水沙量分别为 294.5 亿m3、8.81 亿 t(见表 1)，多年平均含沙量 29.9kg/m3。最大含沙量 1040 kg/m3。沙量之多，含沙量之高，水少沙多，水沙关系失调。表 1 黄河小北干流河段不同时期水沙量表水文站时期水量(亿 m3)沙量(亿 t)(年)710 月 116 月 76 月 710 月 116 月 76 月龙门 1919-1949198.4130.4328.88.91.310.21950-1959191.5123.6315.110.751.1111.861960-1969202.9138340.910.121.2611.381970-1979150.6132.6283.27.810.868.671980-1989146.6132.1278.73.880.814.691990-200273.8108.6182.43.640.854.491986-200282.1112.1194.23.80.834.631919-2002167127.6294.67.721.098.81河津 1919-19499.75.615.30.450.030.481950-195911.95.517.40.660.040.71960-19699.98.418.30.290.060.351970-19796.73.310.0 0.180.010.191980-19894.12.66.70.0400.041990-20022.71.44.10.0200.021986-20023.11.64.70.0300.031919-20027.94.612.50.310.020.33龙门河津1919-1949208.1135.9344.0 9.351.3310.681950-1959203.4129.1332.511.411.1512.561960-1969212.8146.4359.210.411.3211.731970-1979157.2135.8293.0 7.990.878.861980-1989150.7134.7285.43.920.824.741990-200276.5109.9186.43.790.864.651986-200285.2113.6198.83.910.844.751919-2002174.9132.2307.18.031.129.15特别是自 20 世纪 80 年代以来，进入黄河小北干流的水量、沙量大幅度减少。龙门站 1986 年2002 年平均年水量为 194.2 亿 m3，仅占 20 世纪 50 年代来水量的 61.6%，汛期水量仅为 50 年代的 42.9%。平均年沙量为 4.63 亿 t，仅占 20 世纪 50 年代来沙量的 39.1%，汛期沙量为 20 世纪 50 年代的 35.3%。1986 年以来，大流量出现机遇明显减少，小流量出现机遇明显增加。1986 年2002 年汛期大于2000m3/s 流量出现天数平均每年汛期为 6 天，大于 1000m3/s 流量出现天数平均为 30 天，与 1950 年1985年汛期大于 2000m3/s 流量出现天数平均 40 天、大于 1000m3/s 流量出现天数平均为 90 天相比，大大减少(见表 2)表 2 黄河龙门 19502001 年实测汛期各级流量出现天数统计表水文系列流量级(m3/s)天数(天)年平均天数(天/年)1950 年1985 年(36 年)0Q 4002176400Q 1000973271000Q 20001815502000Q 2500605172500Q 3000381113000Q 400031094000Q 5000782Q5000491Q 2000142340合计 44281231986 年2002 年(17 年)0Q 40062036400Q 1000951561000Q 2000415242000Q 25005732500Q 30003223000Q 40001014000Q 500020Q500040Q20001056合计 20911231.2 来水来沙异源黄河小北干流河段的水量主要来自河口镇以上水多沙少的清水来源区，河口镇多年平均来水量 235.7 亿m3，多年平均输沙量 1.24 亿 t，水量占龙门站的 79.5%，而沙量仅占 14%。而泥沙则主要来自河口镇至龙门之间水少沙多、含沙量高的多沙粗沙来源区，该区间多年平均来水量 60.6 亿 m3，输沙量 7.64 亿 t，含沙量为 126.1kg/m3，水量占龙门站的 20.5%，而沙量占龙门站的 86.0%。1.3 水沙量年际年内分布不均一是水沙量年际间分布不均。龙门水文站最大年沙量为 1967 年的 24.24 亿 t(按水文年，下同)，为最小年沙量 1.96 亿 t(2000 年)的 12.4 倍；最大年水量为 552.1 亿 m3(1967 年)，为最小年水量 131.2 亿 m3(2002年)的 4.2 倍。二是水沙量年内分布不均，主要集中于汛期。龙门水文站多年平均汛期水量为 167.0 亿 m3，占全年水量的 56.7%。多年平均汛期沙量为 7.72 亿 t，占全年沙量的 87.6%。1987 年 7 月以来，水沙量年内分配发生了新的变化，水沙条件更为不利。该河段汛期水沙量分别较 1986年以前减少了 13.5%和 7.2%，且减水幅度大于减沙幅度。1950 年 7 月1987 年 6 月，来沙系数为 0.010， 1987 年 7 月1997 年 6 月为 0.012，1990 年 7 月1997 年 6 月为 0.014，来沙系数逐时期增大，水沙条件更为不利。2、泥沙来源及其组成2.1 泥沙来源黄河流域的黄土高原面积为 64 万平方公里，就有 45.4 万平方公里的水土流失区，而产沙集中在中游的黄土丘陵沟壑区，其间黄河两岸粒径组成有明显的分带性，从西北到东南中值粒径从 0.045mm 以上，逐渐减小到 0.015mm 以下。据对三门峡库区及下游河道主槽淤积物的粒径分析，73%为大于 0.05 毫米的粗颗粒泥沙。这些泥沙主要来自 7.86 万平方公里，仅占黄土高原地区面积 12.3%，侵蚀模数大于 5000t/km2.a，且粗沙模数大于 1300t/km2a 的多沙粗沙区，产沙量高达 11.82 亿吨，占黄河流域总输沙量的 74%，粗泥沙量达 3.19亿吨，占粗泥沙量的 77%，主要分布于两个地区：一是干流头道拐吴堡区间的两岸支流，主要有皇甫川(出口站皇甫)、孤山川(高石崖)、窟野河(温家川)、秃尾河(高家川)等，其中值粒径多在 0.030mm 以上；二是吴堡以下无定河(白家川)、北洛河(刘家河以上)及泾河(马莲河、蒲河)上游地区，以及晋西北的忻县地区，主要涉及黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区。其中粒径大于 0.1 毫米，且粗泥沙输沙模数为 1400 吨每平方公里以上的区域为粗泥沙集中来源区，总面积 1.88 万平方公里。占多沙粗沙区面积 23.9%，产生的泥沙却高达4.08 亿吨，占多沙粗沙区产沙的 34.55%；产生的粗沙(粒径大于 0.05 毫米)为 1.52 亿吨，占多沙粗沙区的47.6%；产生粒径大于 0.1 毫米的粗沙为 0.61 亿吨，占多沙粗沙区的 68.5%。主要涉及黄河中游右岸皇甫川、清水川、孤山川、窟野河、秃尾河、佳芦河、无定河、清涧河、延河等 9 条主要支流，该区域地貌形态复杂多样，具有沟壑密度大、坡度陡、切割深的特点，形成了黄土高原强烈产沙的地貌形态组合。2.2 泥沙组成及变化特点黄河流域中游地区主要是暴雨产流产沙，全年泥沙的 80%以上来自汛期，根据有关资料统计，1957 年至2000 年，龙门站平均悬沙粒径小于 0.025mm 的占 45.7%，其中 7 至 10 月占 45.1%，小于 0.05mm 的占 71.7%，其中 7 至 10 月占 71.3%，大于 0.05mm 的占 28.3%，其中 7 至 10 月占 28.3%。潼关站平均悬沙粒径小于0.025mm 的占 52.4%，其中 7 至 10 月占 54.2%，小于 0.05mm 的占 79%，其中 7 至 10 月占 81.3%，大于 0.05mm的占 21%，其中 7 至 10 月占 18.7%。1986 年以来，其泥沙组成发生了新的变化，主要呈现以下几个特点：一是中游干流汛期来沙量及各分组泥沙量都大量减少。河口镇、龙门、潼关三个站 1986 年后年均沙量比 1968年前分别减少 80%、50%、46%(见表 3)。二是粗泥沙比例相对减少，细泥沙比例却相对增加。1986 年后河口镇细泥沙(d 表 3 黄河中游干流汛期不同时期各分组沙量多年平均值表站名时期沙量(亿 t)占全沙比例(%)全沙细沙中沙粗沙细沙中沙粗沙河口镇 196019681.5870.9810.3780.228622414197119860.9290.5560.2080.165602218198719950.3250.2090.0580.058641818龙门 1960196810.1934.5412.8212.831442828196919866.1482.8961.6481.604472726198719964.8322.8191.2240.789592516潼关 1961196812.7456.9223.5182.305542818196919869.0725.1802.3521.540572617198719966.7734.1401.7180.9156125143、泥沙的二重性及其影响3.1 泥沙的二重性泥沙作为一种物质，同其他任何物质一样都有其二重性，既有有利的一面，也有有害的一面，即泥沙的资源性和灾害性。3.1.1 泥沙的灾害性根据泥沙致灾的特性，泥沙灾害可以分为直接灾害和间接灾害。由泥沙为致灾因子而形成的灾害称其为泥沙的直接灾害；由泥沙诱发其他载体引发的灾害称其为泥沙的间接灾害。无论是直接灾害，还是间接灾害，其泥沙都是来自土壤侵蚀(广义的土壤侵蚀)。多沙粗沙区的强烈侵蚀的后果表现是多方面的，一方面是中游的地形支离破碎，生态环境日益恶化；另一方面是侵蚀泥沙在小北干流和下游河道堆积，为之后的间接的泥沙灾害奠定物质基础。泥沙的直接灾害主要是因滑坡、泥石流及崩塌形成的泥沙物质给人类、社会和环境造成的危害(至今仍被世人称之为地质灾害)。我国山丘区分布广，山丘区面积约占国土面积的 48%，加之人类活动的影响，每年发生的滑坡数以万计，有泥石流沟一万多条，约有 5.5 亿人不同程度地受到山洪和泥石流、滑坡灾害的威胁。泥沙间接灾害主要是因土壤侵蚀形成的泥沙在河道或水库年复一年又一年的淤积使河床抬高，泄洪能力降低，由中常洪水引发的漫堤、溃决的灾害，在干旱半干旱地区地面堆积的风砂在强风暴作用下也能引起风沙灾害。间接泥沙灾害的形成一般应具备以下条件：第一，中上游的强烈的侵蚀产沙；第二，强烈的沟道与河道的泥沙输移；第三，河道泥沙堆积空间受到制约；第四，水沙关系不协调，表现出水少沙多，即来沙系数大。在以上条件的前提下，形成泥沙灾害链。3.1.2 泥沙的资源性泥沙不全都是灾害，而且在许多方面也是人们离不开的宝贵资源；我国劳动人们很早就利用泥沙作为建筑材料，著名的秦砖汉瓦就是一例。我国西北地区很早就有引洪漫地的习惯，即把洪水有计划地引入农地，让洪水中的泥沙沉积在农地，既灌地，又改良了土壤。当前有很多地方大力推广应用高含沙洪水引洪漫地，化害为利。在黄河下游引黄灌溉的同时，还起到洗碱压碱，改造中低产田的作用。在人类历史以前，由高处侵蚀产生的泥沙大量地堆积在流域的低洼处，为后人塑造了赖以生存的土地资源；如黄河中上游的侵蚀产沙不仅塑造出河套平原、汾渭平原，而且还塑造出约 20 万 km2 的华北平原。在西南地区位于河谷中的乡镇，村庄乃至县城都建于由滑坡、崩塌或泥石流堆积的冲洪积扇上，或河流阶地上。这些泥沙堆积地貌区也还是当前的主要基本农地。即使进入人类社会，泥沙也不全都是害，如黄河的泥沙每年仍以 23km2 的速度在河口三角洲建造陆地，1855 年黄河改道以来，使近代三角洲的面积达到 2200km2。此外泥沙灾害与泥沙资源也是可以相互转换的，如黄土高原上的一些大型黄土或红土滑坡堵塞沟道，形成聚湫；开始可能造成一些经济损失，但不久形成天然淤地坝，成为旱涝保收的基本农地。含沙水体还具有一定的环境效应，原状水体中主要表现为浓度-生理化学效应和浓度-生态效应。在水环境系统中，泥沙通过对污染物质的吸附与解吸，直接影响着污染物质在水固两相间的赋存状态。同时，伴随着泥沙在水体中的运动，污染物质在水体和底泥之中的赋存状态也发生着变化。因此，泥沙与水流共同成为污染物的主要载体，影响着污染物在水体中的迁移转化过程，从而最终影响着水生态环境的状态。重金属物质在泥沙颗粒物上以吸附状态的存在占有很大比例，并且由于泥沙悬浮而构成的浑水环境对水体的生化效应和生态效应都产生重要影响。水体中悬浮的泥沙可以吸附一定量的还原性物质，使水体的耗氧作用加大，从而在水体耗氧有机物污染的过程中发挥重要作用。水体悬浮泥沙和底泥都有降低水中微量溶解有机物的作用。如黄河高含沙水流泥沙本身含有相当数量的粘土矿物和有机、无机胶体，可吸附种类繁多的污染物，因而具有净化水环境的效应。但泥沙又作为污染物和污染物载体对水环境和泥沙沉积区造成污染。3.2 黄河小北干流泥沙影响黄河小北干流为典型的堆积游荡性河道，由于泥沙问题突出，水少沙多，水沙不协调，对社会、经济、环境和河流健康都造成很大影响，使河道萎缩，河床不断淤积抬高，滩槽高差减小，过洪能力降低，河势游荡加剧，洪水漫滩机率增加，临背差加大，滩地盐碱化严重，生态环境较差，潼关高程居高不下，在高含沙洪水时，还会引发特有的“揭河底”冲刷现象。严重影响防洪、防凌安全。甚至出现小水大险，灾害严重。3.2.1 泥沙对河道冲淤的影响黄河小北干流河段冲淤变化剧烈，是典型的堆积性河道。据统计，1919 年至 2000 年，黄河龙门站年平均输沙量为 8.97 亿 t，其中汛期 7 至 10 月占 87.5%，年最大输沙量达 24.6 亿 t(1964 年)。黄河潼关站年平均输沙量为 11.87 亿 t，其中汛期 7 至 10 月占 82.5%，年最大输沙量达 27 亿 t(1959 年)。三门峡建库前，该河段的淤积量一般变化在 0.51.5 亿 t 之间；三门峡水库建库后，1960 年 9 月至 2003 年 10 月，该河段共淤积泥沙 25.134 亿 m3，年均淤积约 0.59 亿 m3(见表 4)，且淤积还在不断发展。三门峡水库建库后的 1960年 9 月1973 年 10 月，受水库淤积上延的影响，该河段大量淤积，共淤积泥沙 18.543 亿 m3，淤积主要集中在黄淤 4550 断面，其淤积量占整个河段淤积量的 36.3%；1973 年 10 月1986 年 10 月，由于三门峡水库合理的运用方式和有利的来水来沙条件，该河段仅淤积泥沙 0.093 亿 m3，冲淤基本平衡；1986 年 10 月至2003 年 10 月，黄河小北干流河段共淤积泥沙 6.499 亿 m3，年平均淤积量为 0.38 亿 m3。淤积主要集中在黄淤 5968 断面，其淤积量占整个河段淤积量的 48.1%。与 1973 年以前对比，淤积部位发生了调整，淤积形式也由溯源淤积变为沿程淤积；该时段河道淤积严重有两方面原因：一是 1987 年以后进入该河段的年平均水沙量锐减，其水沙量较 19501987 年的平均值分别减少 89.2 亿 m3 和 3.65 亿 t，来沙系数增大 0.002，加剧河道淤积；二是 1986 年 10 月以后，黄河上游龙羊峡水库投入运用，龙、刘两库联合运用，改变了进入黄河小北干流河段来水的年内分配过程，汛期来水量显著减少，非汛期来水量变化不大，年平均淤积量明显增加。表 4 三门峡水库建库后黄河小北干流河段淤积量分布表水库运用方式时 段黄河小北干流河段各河段淤积量(亿 m3)C41-45C45-50C50-59C59-68C41-68蓄水拦沙运用期 60.09-62.032.2020.7580.0850.2293.274滞洪排沙运用期改建前 62.04-66.050.6221.4070.2430.5592.831一期改建 66.05-70.061.1284.022.5172.33610.001二期改建 70.06-73.10-0.0830.5480.9121.0622.439小计 62.09-73.101.6675.9743.6713.95615.268蓄水拦沙和滞洪期 60.04-73.103.8696.7333.7564.18518.543蓄清排浑运用期 73.10-86.10-0.017-0.6250.6570.0780.09386.10-03.100.5251.1151.6973.1626.499小 计 0.5080.4902.3543.2406.592总 计 60.9-03.104.3777.2226.1107.42525.134洪水泥沙直接影响河床的冲淤变化，据有关资料统计，1919 年至 2000 年，黄河龙门站年平均含沙量为29.7 kg/m3，其中汛期 7 至 10 月平均含沙量为 47.2 kg/m3，最大含沙量达 933kg/m3(1966 年)。黄河潼关站年平均含沙量为 31.7 kg/m3，其中汛期 7 至 10 月平均含沙量为 48.5 kg/m3，最大含沙量达 911kg/m3(1977年)。黄河小北干流河段淤积主要集中于平水丰沙、含沙量相对较高的年份，主要发生在几次沙量较大的洪水。如 1988 年和 1994 年，年平均水沙量及含沙量分别为 253.4 亿 m3、9.678 亿 t、38.2kg/m3 和 241.6 亿m3、8.570 亿 t、35.5kg/m3，年平均淤积量分别为 1.724 亿 m3 和 1.075 亿 m3(见表 5)，这两年淤积量占1987 年2002 年总淤积量的 44.9%。如果洪水的含沙量不是很大，则洪水漫滩时，滩地淤积，主槽发生冲刷；如果洪水的含沙量很大(“揭河底”的情况例外)，则主槽和滩地均发生淤积，大水过后，水流归槽，主槽淤积。滩地和主槽的这种相互调整和转化，形成了该河段滩、槽同步抬高的趋势。1968 年1982 年，本河段滩地淤积量约占全断面淤积量的 72.8%，主槽淤积量占 27.2%。1986 年以后，由于进入该河段漫滩洪水的机遇明显减少，本河段滩地淤积约占全断面淤积量的 59.5%，主槽淤积约占全断面淤积量的 40.5%。使主槽萎缩，漫滩流量减少。如 1992 年桃汛期间，龙门 2140m3/s 的洪水，滩地就已过水，水面最宽处可达 5km 左右。表 5 黄河小北干流河段近期水沙量及冲淤量表年份水量(亿 m3)沙量(亿 t)含沙量(kg/m3)淤积量(亿 m3)1987151.12.71418.00.2551988253.49.67838.21.72419893456.14317.8-0.3011990243.95.38722.10.3591991151.92.8819.00.7911992209.36.4530.80.6321993225.23.3815.0-0.0931994241.68.5735.51.0751995230.27.6433.20.4561996185.77.9843.00.6821997146.33.0921.20.8861998162.94.1325.4-0.5271999184.62.2912.4-0.1072000145.31.9613.50.3412001158.03.0919.50.2902002133.32.6720.0-0.271平均 198.04.8824.60.390该河段的冲淤演变具有一定的规律，随着来水来沙条件的变化，河床调整存在一个往复性演变过程。在一定的河床边界条件下，经过高含沙洪水产生“揭河底”冲刷，主槽强烈冲刷，滩地大量淤积，淤滩刷槽，滩槽高差增大，形成高滩深槽，河道在平面上大幅度摆动，河势趋于归顺，一般洪水漫滩机会减少，削峰滞洪能力减小。自 1950 年以来，黄河小北干流河段共发生了 9 次“揭河底”(见表 6)，冲刷深度一般为 24m，最深达 9m(1970 年 8 月)。尔后，在一般水沙条件下，河床又回淤抬高，短则当年就回淤，长则需 23年，河槽变宽浅，河势游荡摆动，河槽平滩流量和输沙能力降低，洪峰漫滩机会增大，削峰滞洪率增大，当河床调整达到临界状态时，在适宜的来水来沙情况下，再次发生“揭河底”冲刷现象。这一周期性循环和河道往复性演变，孕育了该河段由淤积强烈冲刷淤积的周期性变化，但河床总的趋势是淤积抬高的。这是该河段河床冲淤演变的基本规律。表 6 1950 年以来黄河小北干流河段历次“揭河底”情况统计表时间年.月.日 Qmax 龙(m3/s)Smax 龙(kg/m3)龙门断面冲刷深度(m)冲刷长度(km)间隔时间(年)河槽摆动情况1951.8191321954.8.319.6175006051.691322 有大摆动1964.7.67.7102006953.60909 有大摆动1966.7.167.2074609337.50731 无大摆动1969.7.267.2988607402.85492 有大摆动1970.8.18.5138008269.00900 有大摆动1977.7.6145006904.00716 有大摆动