黄河下游地上河发展趋势研究，本文主要内容关键词为：黄河论文,发展趋势论文,下游论文,地上论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
[文摘] 本文把黄河下游地上河的发育过程和发展趋势与不同时间尺度的环境变化结合起来，系统、综合地研究了下游河道形成历史与对环境演变的响应；现行下游地上河的环境演变特征；未来50年环境变化与下游地上河发展趋势预估等问题。
[关键词] 地上河 环境变化 发展趋势 黄河下游
1 问题的提出
黄河下游地上河的症结是水少沙多，含沙量高，泥沙堆积强烈。在当今河道不断淤积抬高、大堤临背高差悬殊的状况下，随着全球气候变化和人类活动的日益加剧，黄河下游将面临着伏秋大汛和凌汛洪水的严重威胁，潜伏着决口改道的风险，成为国家的“心腹之患”。这种潜在的灾害环境与中游黄土高原土壤侵蚀恶化，来沙增多，导致下游河道高度淤积，河道萎缩，行洪能力下降以及大堤工程隐患和人类活动等环境因素的共同作用密切相关。
1992年5月中国科协黄河下游防洪减灾考察团对黄河进行实地察勘后着重指出：“地上悬河的局面仍在不断发展加剧，不仅大洪水，而且中小洪水及凌汛都有可能造成决口成灾”。据此，“八五”期间专题组重点研究了未来50年内各种环境因素变化与地上河发展趋势，揭示了有关全球气候变化和人类活动对下游河道发育的影响、海平面变化对河道冲淤的影响、河流纵剖面演变、不同时空尺度上下游泥沙输移和沉积规律、近期河床萎缩过程和沿黄用水工程对水沙环境的影响、影响下游地上河决溢改道的环境因素等科学问题。最后对未来50年内环境因素变化对下游地上河发展影响及发展趋势、不同时段下游淤积量及沉积速率、下游河床萎缩演变趋势、下游地上河可能决溢改道的河段等进行了不同角度的预估和综合分析。在配合上述重点科技内容研究的同时，对一万年来下游沉积速率及沉积过程模式、下游古河道演变对环境变化的响应、下游决溢改道形成规律以及新构造运动与下游河床演变关系等历史环境背景，进行了充分的研究，为下游地上河演变分析和下游地上河发展趋势预估研究提供了依据。
2 下游河道形成历史与对环境演变的响应
2.1 一万年来下游的沉积速率
距今13023年至距今1460年黄河下游的沉积速率为0.096～0.66cm/a；距今946年至距今22年为1.25～8.2cm/a，其中1954～1982年最大，为8.2cm/a（见图1）。其沉积速率是呈幂函数关系递增，而且是一种加速沉积，即越到近代增加的速度越快。其中距今5000年与距今2000年处呈现两个明显加速的转折点，分别对应于5000年以来气候旱化所导致的自然加速沉积的影响与2000年以来人类活动所导致的人类加速沉积的影响。
图1 一万年来下游沉积速率随时间的变化
2.2 下游古河道形成环境与决溢改道演变规律
控制黄河下游古河道发育的因素有自然因素和人为因素。自然因素主要是大量的来沙，但伴随气候波动而出现有丰沙期和少沙期；人为因素主要是人工修筑堤防和各种分流、导流工程。地上河的塑造一直到明朝才完全形成，随着堤防修筑，淤积速率大大加快。对沉积物的分析表明，黄河从未流经大陆泽——宁晋泊洼地群一带，即不存在所谓的“山经河”流路。
就整个历史而言，从公元938年起下游决溢改道越来越频繁，导致这一结果的原因是黄土高原土壤侵蚀加剧，使下游淤积速率加快。在土壤侵蚀加剧的前提下，下游堤防系统是否完备和不同的治河方略，也是影响决溢改道的一个重要因素。气候相对湿润期，下游决溢相对频繁。决溢地点随着时间的推移，表现出两个方向相反的移动规律，一是自上而下的移动；二是自下而上的移动。决溢种类可分为伏秋洪水造成的漫决和冲决，冬春季凌汛造成的冲决，塌陷造成的溃决，獾狐、鼠类洞穴造成的溃决以及桃汛造成的溃决等。
3 现行下游地上河的环境演变特征
3.1 流域产沙系统与下游沉积系统耦合关系
通过下游冲淤量、冲淤强度与上中游4个不同水沙来源区的水沙之间的多元回归模型分析，表明在年系列基础上，当其它因素不变时，多沙粗沙区每增加（或减少）1t入黄泥沙，下游淤积量可增加（或减少）0.445t；多沙细沙区每增加（或减少）1t入黄泥沙，下游淤积量只增加（或减少）0.154t。说明粗沙区和细沙区所产泥沙入黄后，对下游的影响是迥然不同的。来自粗泥沙区单位泥沙所导致的淤积量，相当于来自细泥沙区单位泥沙量的3倍以上。
3.2 下游河道泥沙输移及冲淤特性
若来水不变，粒径大于0.05mm的粗泥沙来量每增加（或减少）1t，下游淤积量增加（或减少）0.842t；而全沙年增加（或减少）1t，下游淤积量仅增加（或减少）0.429t。分组粒径排沙比的研究结果表明，大于0.05mm泥沙的排沙比与大于0.05mm泥沙占全沙比例间的关系为负相关；而对于小于0.05mm和小于0.025mm的泥沙，这一关系为正相关，说明不同粒径组泥沙的输移特征与冲淤行为是大不相同的（图2）。
图2 分组粒径排沙比与各粒径组泥沙占全沙比例关系
3.3 近期下游河道萎缩过程及原因
1986年以来下游河道萎缩表现为主槽容量日趋减少，到1992年铁谢至河口段标准水位下的主槽容量为49.90亿m[3,]，只相当于1986年的83.76%（表1），主槽容量减少是泥沙严重淤积的结果，而且这几年洪水几乎没有漫滩，泥沙集中淤积在主槽内。从空间分布看，以高村至艾山段的萎缩最为突出。
河道萎缩的原因主要是由于近几年来天气干旱，流域降水量偏少，流量较小，大水淤滩刷槽的几率减少了，再加上大型水利工程调蓄洪水和引黄灌溉水量增加的影响，加速了河道的萎缩。
4 未来50年环境变化与地上河发展趋势预估
4.1 全球变暖对河道水沙和冲淤的影响
根据具有70年长系列的实测降水、径流和输沙量资料，建立黄河中上游各区间与下游河道之间相互关系的经验模型，进行了到下一世纪中叶的自然状态下下游来水来沙量的推算。综合考虑了全球性增暖（温室效应）导致的降水、径流和产沙变化以及固有气候周期性变化导致的来水来沙变化，得知到下一世纪中叶黄河流域的年均气温有可能升高4.6C，年均降水量增加9.7mm，汛期为8.4mm。分别代入全年和汛期的径流—降水和输沙—径流经验模型进行计算，得到了到2050年前后各分区的径流量和输沙量（包括年平均值和汛期值），再将各分区的数值分别按分类相加求和，得出了整个黄河上中游的来水来沙情况（表2），即年径流增加2.56%～2.96%，汛期增加4.00%～4.28%；年输沙量增加3.1%～8.0%，汛期增加1.4%～4.91%。
表2 全球环境变化（温室效应）引起的黄河下游来水来沙变化预估
由于面上的水利水保库坝和小浪底水库都要拦蓄大部分粗泥沙，所以到21世纪下游来沙组成中粗泥沙所占比例可能变化不大，从而削弱了因泥沙组成变化而造成的对河道冲淤的影响。
由于全球增暖，海平面将缓慢地抬升，也将引起黄河下游附加的淤积，同时由于河口地区的构造下沉，可以额外承担一部分淤积量。1994～2050年海平面上升值为292mm，使下游增淤7.5亿t；河口地区沉降量196mm，相对海平面上升使下游减淤5亿t。两者相抵结果，下游实际增淤2.5亿t（表3）。换言之，海平面上升对下游淤积影响程度较小，溯源淤积范围主要局限于艾山以下河段。
表3 海平面变化引起的黄河下游河道淤积量
4.2 人类活动与河道水沙环境变化
人类活动考虑了三个方面：即引黄用水、流域范围内的各项水利水保措施以及小浪底枢纽工程的修建。其中流域范围内的水利水保措施根据规划的不同方案分别进行计算（Ⅰ—不增加任何新工程；Ⅱ—按过去40年平均速度发展库坝工程；Ⅲ—按水保大规划速度发展库坝工程；Ⅳ—按过去40年平均速度减少来沙），最后得到与自然因素改变后所导致的来水来沙变化的综合结果（表4）。可见来水量比现状减少24.4%，但减沙量大不相同。如按方案Ⅰ，不增加任何新的工程，则来沙量显著增加达到20.29亿t，即比现状增大26.9%。而在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个方案状况下，来沙量比现状分别减少32.3%、53.4%和22.3%。其中Ⅱ、Ⅲ方案的减沙效益大，对改善下游淤积状况的前景是乐观的，相应地可以减轻下游的防洪压力。
表4 到2050年下游不同方案的来水来沙量变化
刘家峡和龙羊峡水利枢纽分别于1968和1986年建成运用，对黄河防洪、发电、灌溉起着积极的作用，但对中、下游水沙运行产生了很大的影响，使洪水基流减少，含沙量增大，更严重的是增大了下游的淤积量（图3）。水库建成前，上游兰州站汛期水量343亿m[3,]，占全年水量的60.7%；水库建成后，汛期水量下降为52%，即减少了8.7%。龙门站受龙刘两库影响，由建库前汛期水量占全年水量的60.7%（344.3亿m[3,]）下降到建库后的52.7%，平均每年减少76.7亿m[3,]。基流减少结果增大了含沙量，龙门站多年平均含沙量为73.3kg/m[3,]，龙刘两库拦蓄后，含沙量增大了1.73倍，相应地增大了下游的淤积量。如1988年汛期龙刘两库调蓄洪水46.2亿m[3,]，使下游多淤积了0.63亿m[3,]的泥沙。
图3 黄河上游来水量与下游泥沙淤积量的关系
非汛期4～6月引黄灌溉用水量增长迅速，到80年代全流域灌溉平均引水量达270亿m[3,]，黄河有近一半的水将被引走，比50年代增大了46.3%（表5）。其中河口镇以上的上游引水量最大，占全河引水量的42.6%，其次下游占34.8%。引黄灌溉的结果，导致下游挟沙能力变小，含沙量又相对增加，从而加剧了下游的淤积和河道的萎缩。
表5 不同年份各河段平均灌溉引水量
4.3 环境变化对地上河发展影响综合评估
黄河下游冲淤规律比较复杂，为了增加预估的可靠性，我们同时采用了三种方法对今后冲淤发展趋势进行了计算和预估。其一是采用现有的经验公式，按照前述各个层次环境因素改变后的来水来沙条件，估算今后不同时段的冲淤量；其二是采用以蒙特卡罗法重新模拟生成的天然来水来沙系列，再考虑人类活动的影响，并进一步细化小浪底枢纽工程的运用过程，计算其冲淤量；其三是采用以含沙量和来沙系数与冲淤量关系的计算方法，并与三门峡水库运用时期的情况作比较，预估的结果如表6。
综合分析认为，下游河道很可能保持较长的行水年退，不只是50～70年，而如果中、上游水利水保措施充分跟上，要做到长治久安也不是不可能的。当然，这只是从正常的平均状况来考虑，如果出现一些特大的灾变事件，例如稀有的特大洪水，大的地震等，在这有限的时段内，仍有决溢和改道的风险。
4.4 环境变化与下游可能决溢改道的预估
4.4.1 影响下游地上河决溢改道的环境因素
(1)工程地质环境背景：下游地区断裂活动强烈，地震活动表现不仅频率高，而且强度大，预估未来50年内下游地震烈度约增加1度，其中新乡、原阳、延津和范县为烈度8度区。也就是说东坝头以上黄河两岸也将成为强震区。包括历史决口的老口门在内，大堤堤基深约25m内，土质疏松饱和，强烈地震时土层液化现象突出，往往造成大堤滑塌、裂缝、沉陷等险情，破坏大堤的稳定性，一旦与洪水遭遇，将会引起大堤决溢。原阳至高村宽河段滩地的串沟分布众多，大多与大堤斜交或平行分布，遇到大洪水漫滩时顺沟行洪或洪水偎堤，洪水直冲大堤，容易发生险情，甚至决溢。
(2)河床演变剧烈：目前下游主槽淤积严重，水位不断抬升，1992年8月花园口洪峰流量6260m[3,]/s的最高水位为94.33m，接近于1958年汛期22300m[3,]/s的最高水位94.42m。近期若花园口遭遇防洪标准流量22000和36000m[3,]/s洪水时，洪水位分别为95.69和97.04m，在下游包括高滩在内均要漫滩上水偎堤，潜伏着更大的险情和决溢改道的风险。即使在中、小洪水情况下，下游险工、控导护滩工程在洪水暴涨暴落过程中，往往出现横河、斜河或滚河等灾变性河势变化，一旦抢护不及时，很可能造成大堤决溢的险情。
(3)堤防工程隐患多而险象频发：下游堤防工程存在的隐患较多，主要集中表现为“松、缝、洞”，抗御洪水的能力还比较低。大堤堤身的土质多为疏松的沙壤土，大水偎堤易于渗漏逸出。大堤土质中含有30%以上的粘性土，易于干缩而出现裂缝。开封以下济南以上两岸大堤适于獾狐生活，獾狐洞穴分布普遍，造成堤内空洞纵横交错，破坏了大堤的稳定性。以上“松、缝、洞”隐患是大堤决溢潜伏的危险因素。
4.4.2 地上河决口改道潜在风险坏境因素综合分析
根据未来流域环境变化趋势、下游工程地质环境背景、河床演变和堤防工程隐患等综合指标分析，预估2000年前和2050年内存在决溢潜在风险的重点河段有7处，即北岸的武陟、封丘、长垣、东阿和南岸的中牟、开封、东明等河段（表7）。其中除东阿段处于鲁中南山前河段外，其它主要集中在黄河冲积扇上，这也是历史时期决溢改道集中的地区。决溢后东坝头以上平原淹没面积最大，如武陟、原阳段若发生决溢，波及范围达33000km[2,]，中牟和开封两段决溢波及范围分别为28000和21000km[2,]，东坝头以下河段决溢的淹没面积为8000～13000km[2,]。
表7 下游地上河决口改道潜在风险环境因素综合分析
注：2000年水位上升值与1958年水位比较；2050年水位上升值与2000年水位比较。
总体来说，下游堤防工程的防洪标准偏低，按设防标准流量22000m[2,]/s预估，2000年花园口至利津段的水位比1958年平均水位抬高3.3m，东坝头以下堤防的超高值降低1.23～2.43m。2001～2020年小浪底水库拦沙，下游冲刷减淤。2020～2050年水库正常运用，泥沙下泄，河道回淤，洪水位又趋上升，2050年平均水位比2020年抬升2.37m，花园口至利津段大堤超高值普遍降低，累积降低值介于2.70～4.64m之间。显而易见，未来50年内需要采取强有力的措施，提高堤防的防洪标准，避免重现历史时期“千里为壑”，洪水横溢肆虐的险象。