21世纪黄河泥沙的合理安排与调控

胡春宏，陈绪坚，陈建国

（中国水利水电科学研究院，100048，北京）

黄河以水少沙多、水沙关系不协调而闻名于世。据统计，黄河干流实测多年平均年输沙量高达16亿t/a，导致河道泥沙淤积严重，形成了下游“地上悬河”，加剧了洪水灾害，历史上黄河基本是三年两决口，给两岸人民带来了深重的洪水灾害。新中国成立以后，人民治黄取得了巨大成就，通过水土保持减沙、大型水库建设、河道整治和堤防加高等综合治理措施，黄河洪水灾害显著减少，保持了黄河下游60年的安澜。20世纪80年代中期以来，随着人类活动的加剧，黄河水资源和水能资源的快速开发利用，以及自然气候条件的变化，黄河泥沙空间分布发生了重大变化，产生了一系列的新问题，主要包括：河道输沙能力降低，主河槽淤积萎缩，“二级悬河”加剧，排沙入海比例日益减少等，形成小水大灾的局面。黄河诸多问题的症结在于泥沙，给泥沙以出路是解决黄河泥沙问题的基本思路。研究表明，在今后几十年内，通过加强水土保持等综合治理措施，黄河的年减沙量可以达到6亿～8亿t/a，但在今后相当长时期内黄河干流的平均年输沙量仍有8亿～10亿t/a，黄河仍将是一条多泥沙的河流，如何利用“拦、排、放、调、挖”等各种治理措施，对未来较长时期的黄河泥沙进行合理安排，是黄河治理需要考虑的重要问题之一。本文在分析黄河泥沙变化趋势的基础上，通过研究黄河各种泥沙处理方式的潜力与能力，提出21世纪不同时期黄河干流泥沙的治理目标、安排模式和调控措施。

一、黄河泥沙变化趋势分析

黄河泥沙主要来自中游多沙区，由于自然气候条件的变化和人类开发治理的影响，近20多年来入黄泥沙量发生了很大的变化，采用黄河4站（干流龙门站、渭河华县站、汾河河津站和北洛河河状头站）的年输沙量来分析进入黄河干流的泥沙量变化情况，表1给出了1950—2005年黄河4站不同时段的平均年水沙量。

由表1可见，1950—1960年黄河4站的平均年水量为415.73亿m3/a，平均年沙量为16.98亿t/a，随着自然气候条件变化，加之20世纪70年代开始较大规模的水土保持治理工作，黄河4站的年沙量具有明显减少的趋势，1974—1985年黄河4站的平均年水量为402.59亿m3/a，平均年沙量为10.43亿t/a。20世纪80年代中期以后，黄河4站的水沙量进一步减少，1986—1999年黄河4站的平均年水量为264.62亿m3/a，平均年沙量为8.55亿t/a。特别是小浪底水库运用以来，2000—2005年黄河4站的平均年水量为214.39亿m3/a，平均年沙量为4.36亿t/a。黄河水沙空间分布变化研究表明，1986年以来人类活动的影响和天然降雨产流的减少是黄河水沙量减少的主要原因，特别需要指出的是，1986年以来，不仅黄河干流的来水来沙量有大幅度减少的趋势，黄河干流河道泥沙的空间分布状况也发生了很大变化，较60年代以前的泥沙分布更为不合理。

表1 1950—2005年黄河4站不同时段的平均年水沙量统计表

未来进入黄河干流的沙量主要根据自然气候条件和水利水保等措施的减沙量而定，1950—2005年黄河4站的实测多年平均年沙量为12.09亿t/a，加上黄河4站以上的水保措施多年平均年减沙量约2.70亿t/a和水利工程多年平均年减沙量约1.57亿t/a，还原的1950—2005年黄河4站多年平均年输沙量约为16.36亿t/a，而1919—1960年黄河干流陕县站实测多年平均年沙量为16亿t/a，可见两者基本相同。据分析，目前水利水保措施年平均减少入黄沙量约为4亿t/a，随着水利水保措施的加强，到2020水平年的减沙量约为5亿t/a，到2030水平年的减沙量约为6亿t/a；进一步的预测分析认为，到2050水平年的减沙量约为 8亿t/a，2050年以后随着淤地坝拦沙库容逐步淤满，水利水保措施减沙作用逐步减弱，主要靠坡面措施和淤地坝抬高侵蚀基准面减沙，到2100水平年的减沙量约为6亿t/a。因此，按水利水保等措施的年减沙量和黄河4站的多年平均年输沙量之和仍为16亿t/a计算，可以宏观地预测在未来相当长时期黄河4站的平均年输沙量仍有8亿～10亿t/a。

为了研究21世纪黄河干流泥沙的合理安排，根据上述黄河4站的平均年输沙量预测，采用黄委设计公司提出的黄河4站未来可能的水沙系列来进行泥沙优化配置，在该水沙系列中，引用了进入黄河干流年水沙量的概念，它与黄河4站的水沙量是有区别的，进入黄河干流的年水沙量等于黄河4站的年水沙量加上黄河上游干流的水库拦沙、引水引沙和河道冲淤等的年水沙量，以及下游伊洛河黑石关站和沁河武陟站的年水沙量。由该水沙系列得到未来不同时期进入黄河干流的平均年水沙量分别为：2020年前的平均年水量426.98亿m3/a，平均年沙量为 11.12亿 t/a；2020—2030年的平均年水量395.93亿m3/a，平均年沙量为10.43亿 t/a；2030—2050年的平均年水量417.73亿m3/a，平均年沙量为 9.74亿 t/a；2050—2100年的平均年水量400.81亿m3/a，平均年沙量为9.46亿t/a。这与前述黄河泥沙的宏观预测是一致的。

二、黄河干流的泥沙处理潜力与能力及不同时期的治理目标

按黄河泥沙治理措施划分，主要包括“拦、排、放、调、挖”等 5 种泥沙处理措施，其中“排、放、挖”措施中均包含了泥沙利用，而且“调”和“拦、排、放”是相结合的。为了分析黄河泥沙的处理能力，考虑黄河干流泥沙的自然输移特性和人类影响方式，按黄河干流泥沙空间配置的最终空间归属地划分，确定黄河干流泥沙处理主要包括以下7种方式：水库拦沙、引水引沙、人工（机械）放淤、河槽冲淤、洪水淤滩、河口造陆和深海输沙。

需要说明的是，在分析黄河泥沙合理安排中有两个重要概念，即泥沙处理潜力和处理能力，泥沙处理潜力是指某种泥沙处理方式理论上可以处理泥沙的潜在总量，泥沙处理能力是指在一定水沙条件下某种泥沙处理方式可以实现处理的年沙量。在 “十一五”科技支撑课题相关专题研究的基础上，系统分析了未来黄河干流各种泥沙处理方式的潜力与能力，认为：

一是黄河干流河道的输沙潜力与能力较大。河道水沙数学模型计算结果表明，2008—2050年下游利津站的最大年输沙潜力为10.22亿～18.08亿t/a，平均年输沙能力为3.46亿～6.24亿t/a，河口造陆的容沙潜力为254亿t，平均年河口造陆能力为2.07亿～3.86亿t/a，深海输沙能力为1.74亿～2.57亿t/a。河道输沙作用（即排的作用）是长期的，应充分利用河道输沙能力输沙到河口造陆及输入深海。

二是黄河干支流水库的拦沙潜力与能力也较大。已建骨干水库剩余拦沙潜力为129.4亿t，拟建干流骨干水库拦沙潜力为375.89亿t，干流水库拦沙潜力合计为505.29亿t。河道水沙数学模型计算结果表明，2008—2020年小浪底水库的平均年拦沙能力为 5.07亿～5.94亿 t/a，2020—2050年古贤水库的平均年拦沙能力为3.42亿～5.45亿t/a，大柳树水库运用50年的平均年拦沙能力为1.05亿～1.15亿t/a，碛口水库运用60年的平均年拦沙能力为2.55亿～3.04亿t/a。水库的拦沙库容（即拦的作用）是有限的，应通过水库调控出库水沙过程，合理利用水库的拦沙能力改善下游河道冲淤。

三是黄河干流滩区的放淤潜力与能力相对较大。干流滩区人工放淤潜力为192.1亿t，2008—2050年下游滩区的平均年放淤能力为0.34亿～0.64亿 t/a，2030—2050年小北干流滩区的年平均放淤能力为1.07亿～1.42亿t/a，无古贤水库、有古贤水库和“古贤水库+小北干流放淤”三种条件温孟滩区的年平均放淤能力分别为1.06亿t/a、0.45亿t/a和0.43亿t/a。滩区放淤（即放的作用）是有条件的，应合理利用滩区放淤能力改善滩槽泥沙分布。

四是黄河干流具有一定规模的引水引沙潜力与能力。2008—2050年黄河干流最大年引水引沙潜力为2.8亿t/a，年平均引水引沙能力为1.62亿～2.54亿t/a，引水引沙也是有条件的，并对河道冲淤有影响。机淤固堤和建材利用等泥沙综合利用的能力（即挖的作用）相对较小。

根据黄河干流各种泥沙处理方式的潜力和能力，在充分利用河道输沙能力的条件下，采取各种措施对黄河泥沙进行调控和处理，合理安排未来进入黄河干流的泥沙，达到维持黄河上游宁蒙河段河道平滩流量2000～2500m3/s，中游潼关高程比现状降低1～2m，维持下游河道平滩流量3000～4000m3/s的黄河干流21世纪不同时期的治理目标。

下面将按2020年前、2020—2030年、2030—2050年 、2050—2100 年 等几个时期，采用黄河泥沙优化配置理论与模型，对21世纪黄河干流泥沙的安排模式和各种措施处理的泥沙量等进行初步分析。

三、黄河干流泥沙的安排模式

1.2020年前黄河泥沙的安排模式

建议2020年前采用以小浪底水库调控和下游滩区放淤为重点的泥沙安排模式，达到维持黄河下游河道平滩流量约4 000 m3/s的治理目标。该模式是针对下游主河槽淤积萎缩和“二级悬河”的问题，通过小浪底水库调控运用，结合下游“二级悬河”和滩区综合治理，有计划地进行滩区放淤，塑造与维持下游稳定的中水河槽，同时充分利用河道输水输沙能力及河口造陆能力，维持黄河口流路稳定，结合引水利用泥沙，通过机淤固堤等建设下游标准化堤防。

下游滩区放淤是一项长期任务，短期内实施全滩淤筑有一定困难，先考虑结合“二级悬河”治理、滩区安全建设等进行下游滩区放淤，改善黄河下游河道滩槽的泥沙分布状况。2008—2020年黄河干流各种泥沙处理方式的优化配置模型计算结果可见，该时期黄河干流各种泥沙处理方式的顺序和平均沙量比例为：①水库拦沙占54.2%，②深海输沙占15.6%，③河口造陆占14.7%，④引水引沙占11.4%，⑤人工（机械）放淤占9.2%，⑥主河槽冲刷占-4.4%，⑦洪水淤滩占1.2%。表明该泥沙安排模式在2020年前是以水库拦为主的泥沙安排模式，2008—2020年期间采用该模式黄河干流主河槽平均年冲刷量为-0.49亿t/a，主河槽冲刷主要是发生在下游，可以达到塑造与维持黄河下游河道平滩流量约4 000 m3/s的目标。但该模式在2020年以后，下游主河槽又将逐渐淤积萎缩，2030年后平滩流量将减小到3 000 m3/s以下，因此，仅依靠小浪底水库调控和下游滩区放淤尚不能长期维持下游稳定的输水输沙通道，也不能解决潼关高程居高不下的问题，2020年前建设古贤水库，并与小浪底水库联合调控水沙是达到黄河治理目标的重要措施之一。

2.2020—2030年黄河泥沙的安排模式

建议2020—2030年采用以古贤水库和小浪底水库联合调控及下游滩区放淤为重点的泥沙安排模式，达到中游潼关高程降低约2 m，维持下游河道平滩流量约4 000 m3/s的治理目标。该模式是针对潼关高程淤积抬升和维持下游中水河槽的问题，通过古贤水库与小浪底水库联合调控运用，结合下游“二级悬河”和滩区综合治理，有计划地进行下游滩区放淤，实现以防洪减淤为主的综合利用效益，降低潼关高程，维持黄河中下游稳定的输水输沙通道，同时充分利用河道输水输沙能力及河口造陆能力，维持黄河口流路稳定，结合引水利用泥沙，通过机淤固堤等建设下游标准化堤防。

考虑古贤水库在2020年投入运用，届时小浪底水库尚余一定的拦沙库容，通过古贤水库与小浪底水库联合调控运用，提高水库调控水沙的效果，减少黄河中下游河道淤积，降低潼关高程，维持下游稳定的中水河槽，改善黄河中下游泥沙分布状况。2020—2030年黄河干流各种泥沙处理方式的优化配置模型计算结果可见，该时期各种泥沙处理方式的顺序和平均沙量比例为：①水库拦沙占40.0%，②深海输沙占18.1%，③河口造陆占13.8%，④引水引沙占10.2%，⑤主河槽淤积占8.7%，⑥人工（机械）放淤占7.9%，⑦洪水淤滩占1.4%。表明在该泥沙安排模式下水库拦的作用有所减小，河道淤积有所增加，2020—2030年期间该模式黄河干流主河槽平均年淤积量约为0.91亿t/a，该时期主河槽淤积主要是发生在黄河上游宁蒙河段，下游主河槽缓慢回淤，中游小北干流河道平均年冲刷量约为-0.55亿t/a，可以达到中游潼关高程降低约2 m，维持下游河道平滩流量约4 000 m3/s的治理目标。因此，在该时期古贤水库可以明显改善黄河中下游泥沙分布的状况，但上游宁蒙河段的河道淤积萎缩仍未解决，尚需通过建设大柳树水库（黑山峡河段工程）来解决。

3.2030—2050年黄河泥沙的安排模式

建议2030—2050年采用以大柳树水库（黑山峡河段工程）和古贤水库联合调控及小北干流滩区放淤为重点的泥沙安排模式，达到维持宁蒙河段河道平滩流量2 300～2 500 m3/s，维持中游潼关高程比现状低约2 m，维持下游河道平滩流量约3 500 m3/s的治理目标。该模式是通过大柳树水库水沙调控，解决宁蒙河段主河槽淤积萎缩的问题，通过小北干流滩区有坝放淤，并通过大柳树、古贤和小浪底三个水库联合调控运用，结合下游“二级悬河”和滩区综合治理，有计划地进行滩区放淤，实现以防洪减淤为主的综合利用效益，维持潼关高程在2030年前的水平，维持黄河干流稳定的输水输沙通道，同时充分利用河道输水输沙能力及河口造陆能力，维持黄河口流路稳定。

大柳树水库 （黑山峡河段工程）对解决宁蒙河段主河槽淤积萎缩问题具有重要作用，小北干流滩区无坝放淤只能处理泥沙10.9亿t，有坝放淤可处理泥沙139.8亿t，建议小北干流滩区放淤采用有坝放淤，其对小北干流河道和下游河道有较大的减淤作用。2030—2050年黄河干流各种泥沙处理方式的优化配置模型计算结果可见，该时期各种泥沙处理方式的顺序和平均沙量比例为：①水库拦沙占42.2%，②河口造陆占22.4%，③深海输沙占19.6%，④人工（机械）放淤占9.9%，⑤引水引沙占8.8%，⑥主河槽冲刷占-6.6%，⑦洪水淤滩占3.7%。表明在该泥沙安排模式下大柳树水库对上游宁蒙河段主河槽淤积萎缩改善作用明显，上中游主河槽冲刷，下游主河槽缓慢淤积，输送到河口和深海的沙量大幅度提高，2030—2050年期间该模式黄河干流主河槽年平均冲刷量为-0.64亿t/a，其中上游宁蒙河段主河槽冲刷量为-0.53亿t/a，中游小北干流主河槽冲刷量为-0.30亿t/a，下游主河槽淤积量为0.19亿t/a，可以达到维持宁蒙河段河道平滩流量2300～2500m3/s的治理目标。2030年以后通过大柳树、古贤和小浪底3个水库联合调控，可以达到维持中游潼关高程比现状低约2 m，维持下游河道平滩流量约3500m3/s的目标。

4.2050—2100年黄河泥沙的安排模式

建议2050—2100年采用以碛口水库和大柳树水库联合调控及温孟滩放淤为重点的泥沙安排模式，达到维持黄河上游宁蒙河段河道平滩流量约2 000 m3/s，维持中游潼关高程比现状低约1 m，维持下游河道平滩流量约3 000 m3/s的治理目标。该模式是当古贤水库拦沙库容基本淤满后，以碛口水库和大柳树水库联合调控为主，充分利用水库拦沙库容，结合下游“二级悬河”和滩区综合治理，有计划地进行小北干流、温孟滩和下游滩区放淤，实现以防洪减淤为主的综合利用效益，并通过大柳树、碛口、古贤和小浪底等4个水库联合调控运用，维持潼关高程在一定高程之下，维持黄河干流稳定的输水输沙通道，同时充分利用河道输水输沙能力及河口造陆能力，维持黄河口流路稳定。

碛口水库运用对小北干流河道和下游河道减淤具有一定作用，并对潼关河床高程变化有一定的控制作用，温孟滩放淤对下游河道的减淤具有较大的作用。2050—2100年黄河干流各种泥沙处理方式的优化配置模型计算结果可见，该时期各种泥沙处理方式的顺序和平均沙量比例为：①水库拦沙占36.9%，②深海输沙占17.9%，③人工（机械）放淤占17.0%，④河口造陆占13.3%，⑤引水引沙占8.8%，⑥主河槽淤积占3.6%，⑦洪水淤滩占2.5%。表明该时期水库拦的作用下降，河道输沙入海和人工（机械）放淤作用加强，主河槽有所淤积。

2050—2100年期间黄河干流主河槽将经历先冲刷后缓慢回淤的过程，该泥沙安排模式黄河干流主河槽冲淤合计平均年淤积量为0.34亿t/a，其中上游宁蒙河段主河槽冲淤合计平均年淤积量为0.12亿t/a；中游小北干流主河槽冲淤合计平均年淤积量为0.09亿t/a；下游主河槽冲淤合计平均年淤积量为0.13亿t/a，可以达到维持黄河上游宁蒙河段河道平滩流量约2 000 m3/s，维持中游潼关高程比现状低约1 m，维持下游河道平滩流量约3 000 m3/s的治理目标。2050年以后，以大柳树、碛口、古贤和小浪底等水库调控为主，以小北干流滩区、温孟滩区与下游滩区等放淤为辅，黄河干流建成了较完整的水沙调控体系，结合引水引沙和泥沙综合利用，基本可以达到2100年维持黄河干流稳定的输水输沙通道等治理目标。

特别需要指出的是，上述21世纪黄河泥沙的合理安排是在对未来入黄泥沙宏观预测的基础上提出的，故本研究成果对黄河泥沙治理的宏观战略规划具有参考价值。从更长期来看，随着流域大规模水土保持等措施的普遍见效，进入黄河的泥沙将维持在一定的水平上，黄河河道将进入新的演变与平衡状态，进入黄河的泥沙数量究竟控制在多大的范围内仍是一个值得研究的课题。

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