黄河演变过程的宏观分析——再论二十一世纪 “水沙分离,高效输沙”治黄设想

侯起秀

(水利部黄河水利委员会总工办 郑州 450003)

1 引言

笔者于2001年参加研究二十一世纪治黄新思路时写过一篇题为 《潘季驯束水攻沙理论研究——兼论二十一世纪 “水沙分离,高效输沙”治黄设想》(《水利规划与设计》2002年第2期,以下简称 “兼论”)的文章,认为治黄措施亟待调整;以水土保持为基础,建立在水库群调控下的水沙分离、高效输沙机制是解决下游河道严重淤积问题切实有效的措施之一。

本文是对上文的补充论述。潘季驯束水攻沙理论和实践强调利用下游河道排沙,在实践过程中以前有难度今后难度更大。利用上中游拦沙减淤是1955年黄河规划报告的基本思想,在实践过程中发展为“上拦下排”以及 “拦、排、调、用”的思想。“水沙分离,高效输沙”治黄设想符合这种思想。

2 黄河演变过程

黄河在漫长的演变历史过程中大致可以分为以下5个阶段。

(1)自然状态阶段。时间以万年计。在这个阶段,黄河没有束缚,随心所欲,来回摆动,填海造陆,创造出极其广大的陆地。

(2)在堤防系统束缚下进行横向控制的 “下排”阶段。时间以千年计。在春秋时代,沿河诸侯各自先后筑堤。至战国时,两岸堤防上下多连贯在一起,且具有一定规模。筑堤后,由于两岸堤距之间容量有限,泥沙淤在河槽内,河床逐渐抬高而成为地上河,防御洪水能力也随河床淤高而降低,故决口改道逐渐增多。

(3)以水库工程为主进行纵向控制的 “上拦”阶段,或可称为 “蓄水拦沙”阶段。1955年全国人大通过的黄河综合规划明确提出所应采取的方针就是 “蓄水拦沙”,并提出第一期计划。其中最为关键和迫切的工程是决定修建三门峡枢纽工程和为保护三门峡水库在中游地区修建拦泥库工程。

(4)“上拦下排”阶段。在总结三门峡水利枢纽工程经验教训的基础上,王化云提出:“在上中游拦泥蓄水,在下游防洪排沙,一句话 ‘上拦下排’,是今后治黄工作的总方向。”过去总认为黄河治本只是上中游的事,上中游问题解决了,下游的问题就好办了。从失误和挫折中,当时认识到 “黄河治本不再只是上中游的事,而是上中下游整体的一项长期艰巨的任务”,“下游也有治本任务”。从“蓄水拦沙”到 “上拦下排”,可以说是治黄指导思想上的一次重要发展。

(5)“上拦下排,两岸分滞”及 “拦、用、调、排”阶段。“75.8”淮河大水后召开的 “黄河下游防洪座谈会”,一致认为,黄河下游花园口站有可能发生46000m3/s的洪水,建议采取重大工程措施。以后,修建了小浪底、洛河故县水库工程,加高加固了堤防等。人民治黄以来,黄河下游先后兴建了以干支流水库、堤防、河道整治工程、分滞洪区为主体的 “上拦下排、两岸分滞”的防洪工程体系。同时水文、信息网络、通信及防洪组织管理等非工程措施也得到了进一步加强,初步形成了较为完善的黄河下游防洪体系。

王化云认为,今后治理黄河主要还得靠干流。拟建的小浪底、碛口、龙门 (后改为古贤)、大柳树水库,连同已建的三门峡、刘家峡、龙羊峡共七大水库,是黄河干流上对水沙调节有重要作用的骨干工程。“拦”(拦水拦沙)、“用” (用洪用沙)、“调”(调水调沙)、“排”(排洪排沙),其中哪一项也离不开七大水库的重要作用。“七大”水库建成后,连同伊、洛、沁河支流水库,全河即可形成比较完整的、综合利用的工程体系,实行统一调度,调水调沙,充分利用黄河水沙资源,发挥最大综合效益。

3 对黄河演变过程的评析

(1)1933年李仪祉先生就指出:“观黄河者须知孟津、天津、淮阴三角形,直可以三角洲视之,鲁西山地昔海岛也,则此三角形面积中俱黄淮诸流淤积而成也。所以如此之广者,迁徙之功也”。黄河水沙主要有三个特点:一是水少沙多,二是水沙异源,三是天然水沙量分布不均。在黄河自然发展或者人类缺乏有效干预手段时,在上述三个特点作用下,黄河下游演变发展的结果就是淤积甚至强烈淤积,淤积的结果就是改道。也就是说,淤积、改道、再淤积、再改道是黄河的自然特性。这是形成华北平原并奠定黄河是中华民族 “母亲河”地位的原因之一。

对应上述阶段划分,黄河填海造陆主要是在自然状态阶段取得的。由此也可以看出黄河泥沙是宝贵的自然资源。让宝贵的自然资源服务于社会和人民是治黄的根本所在。

(2)随着人类社会的不断进步,为实现人类社会生存发展和在华北平原进行开发生产就必须用必要的措施把自然状态的黄河也包括威胁人类社会生存发展的其它河流加以约束。这是堤防产生的原因也是人与河流斗争的开始。由于黄河淤积、改道、再淤积、再改道的自然特性十分显著,当堤防约束力小于黄河自然力时黄河就发生决口改道。因此,历代对黄河造成的灾害特别是洪水灾害史不绝书。在理论和技术水平相对较低的时代,防治严重的洪水灾害成为治黄的主要任务。

在明清时期出现了一种划时代的治河思想,以潘季驯治河思想为代表的 “束水攻沙”理论。在这一理论指导下,开展了修建窄堤,约束洪水,努力“下排”的实践;进行了根据 “淮清河浊,淮弱河强”的特点,一方面筑堤防止黄水南侵入洪泽湖,另一方面加强洪泽湖东岸的高家堰,充分利用洪泽湖蓄淮河之水,以清刷黄。但是,在堤防系统束缚下进行横向控制的 “下排”阶段进行的长期的治黄实践和探索也告诉我们只依靠堤防约束进行 “下排”并不能够完全解决黄河下游的淤积问题,“下排”不掉的泥沙造成的河道淤积仍然十分严重。

(3)1954年10月,编制完成的 《黄河综合利用规划技术经济报告》,主要设想以 “上拦”工程,控制水、控制泥沙而加以利用,这是 “上拦”阶段的开始。三门峡工程于1957年4月开工,1960年9月开始蓄水拦沙。但原设想的支流拦泥库工程未能修建,水土保持工作也没有达到如期效果。由于水库淤积严重和库区移民工作困难,1962年3月改为 “滞洪排沙”运用。二十世纪70年代三门峡工程改为 “蓄清排浑”运用。水库改变运用后,在“滞洪排沙”运用期间,库区淤积有所减缓,但潼关河底高程并未降低,库区 “翘尾巴”现象仍在继续发展。因而展开了多次治黄大争论并决定对三门峡工程进行两次改建。

“上拦”阶段时间不长,但通过这次实践,有诸多启示。

第一,仅依靠 “上拦”工程的纵向约束也有局限性,“上拦”库容相对于源源不断的泥沙明显不足。拦在水库里的泥沙应是 “暂存”,而不应是“永存”。有人把水库比做水银行,是对水库调蓄径流的形象比喻。水库对泥沙也应该是调蓄,而非“死拦”。只有调蓄才能可持续发展,可持续发展才是水库特别是多沙河流水库应该遵循的发展道路。如果 “死拦”对河流生态环境的负面影响是显而易见的。如果我们在中游建的若干水库,都和三门峡水库同样的结果,由于泥沙淤积在坝后形成所谓“河道型”水库,不仅对生态环境造成影响,而且隐含着日后的危机。当前正在进行的病险水库除险加固工作,就包括许多类似的水库。水库终究是有生命的,超越生命的工程是不存在的。当水库寿命终结之时,对于清水河流水库采取放空等措施可以减轻灾害,但对于多沙河流水库泥沙不能如水般容易排空,后果要比清水河流水库严重。

第二,三门峡水库是一座高坝大库,由原苏联列宁格勒水电设计院按蓄水拦沙 (基本上不排沙)运用方式设计,1960年9月建成后到1964年10月,三门峡水库330m水位以下的库容已由58.9亿m3减少到22.1亿m3,损失库容62%。这时,周恩来总理亲自主持会议研究决定三门峡水库进行改建,主要工程是将大坝内低高程的、已封堵的导流底孔打开,改建成泄洪排沙底孔。至1972年二期改建工程完成后,不仅使库水位315m时的泄洪能力从 4000m3/s增加到 10000m3/s,水库水位330m以下库容也由22.1亿m3,恢复到31亿m3。

通过三门峡等水库的实践,总结出 “蓄清排浑”等应对泥沙淤积的措施,这种在痛苦教训中的技术 “改良”完全必要,能够保持水库长期运用,对于下游防洪、防凌十分重要。但是黄河的主要问题有两个:一是洪 (凌),一是泥沙淤积。第一个问题的根源在第二个问题,对应的是 “防”和“治”。三门峡水库采用 “蓄清排浑”运用方式,表明对泥沙的 “上拦”已经贡献不大。如果这种方法推而广之,以后中游若干水库的结果就可以明了。

第三,三门峡水库改建后,从 1973年开始“蓄清排浑”运用,利用潼关以下槽库容进行调沙,经常出现小水排沙,造成黄河下游主槽强烈淤积的不利局面。据1974～1986年的资料统计,有26%的泥沙由流量小于2000m3/s排出,而龙羊峡水库投入运用后,自1987～2000年有48%的泥沙由流量小于2000m3/s排出。这是应该注意的一种现象,随着人类认识和改造自然能力的提高,治黄矛盾出现多元化,而且越来越多,越来越复杂。这种现象的发展,可能导致 “蓄清排浑”运用方式汛期“无水”排沙的情况,即很难保持库区冲淤平衡也很难遏止下游河道恶化的情况。

(4)“上拦下排,两岸分滞” 及 “拦、用、调、排”综合处理和利用水沙资源,是按照周恩来总理在上世纪60年代要让黄河水沙资源在上、中、下游都有利于生产的重要指示,长期治黄实践和探索的结果,也是实现黄河长治久安和 “维持黄河健康生命”的关键。黄河治本问题应该从上、中、下游同时考虑,按照 “上拦下排,两岸分滞”的方针,水沙兼治,标本兼治,上中游要拦水拦沙、调水调沙,下游也要排水排沙,更要做好用水用沙。

4 黄河水沙关系发生的重大变化

随着流域及相关地区经济社会的发展,工农业生产和城乡生活用水逐步增加,河道实际来水量明显减少,越来越不能反映黄河的自然状态。由于刘家峡、龙羊峡等大型水库先后投入运用,其调蓄作用和沿途引用黄河水,使黄河干流河道内实际来水年内分配发生了很大的变化,表现为汛期比例下降,非汛期比例上升。来沙情况与过去相比发生了显著的变化。二十世纪80年代以后沙量明显减少。

同时,黄河水沙关系也已经发生重大变化,特别是1986年龙羊峡水库投入运用后,减少了全河干流的中大流量过程,增加了小流量出现的几率,年内径流过程调平,各主要冲积性河道的水沙关系向不协调方向发展,主要表现:高含沙量小洪水增多,来沙更为集中。特别是1997年7～8月潼关和进入下游的来沙系数最高达0.31和0.22,是以前的数倍,反映出1986年以后水沙关系日益恶化。

总之,随着黄河流域人类活动明显加强,对黄河的水沙关系产生了深远的影响,使得黄河的水沙关系更加不协调。但是,黄河流域水土流失的治理的减沙大于减水作用,对缓和水少沙多的矛盾有利。

针对黄河水沙关系发生的重大变化,治黄的战略和措施应该进行相应调整。笔者在 “兼论”一文中,认为以水土保持为基础,建立在水库群调控下的水沙分离、高效输沙机制是解决下游河道严重淤积问题切实有效的措施之一,就是对这种调整的一种探讨。

5 “拦、排、调、用”

(1)从上述的阶段划分可以看出,人类认识和改造黄河的能力逐步提高,在今后治黄实践过程中,应该着眼于 “拦、排、调、用”,把泥沙作为一种宝贵资源,与水资源放在同等重要的地位,按照周恩来总理在二十世纪60年代要让黄河水沙资源在上、中、下游都有利于生产的重要指示,使宝贵的水沙资源服务社会和人民。

(2)“拦”,从1955年全国人大通过黄河综合规划以来,以水库工程为主进行纵向控制的 “上拦”实践已经走过半个多世纪的历程。实践已经说明,拦不是解决黄河泥沙问题的归宿,而是其中的过程。

(3)“排”,在堤防系统束缚下进行横向控制的“下排”实践时间更为长久,从春秋时代就已开始。筑堤的目的,起初是为了保护和发展生产,随着人类认识水平的提高又增加了排沙的内容。但从实践效果看,由于两岸堤距之间容量有限,泥沙淤在河槽内,河床逐渐抬高而成为地上河,防洪压力增大;同时,减淤效果也不如人意。当然,减淤效果与堤距、坡降、来水来沙情况等有着密切关系。对于黄河这样一条情况十分复杂的大河,综合考虑这些因素及其变化是十分困难的。

同样,把泥沙排出水库,进入河道,并不是解决泥沙问题的归宿,而是其中的过程。只有把泥沙送到可以利用的地方,泥沙才可以服务于社会和人民。在黄河没有束缚的自然状态阶段,由于来回摆动,填海造陆,泥沙沉积创造出极其广大的陆地。因此,我们有了息栖、生存和发展的华北平原。由此可见,黄河泥沙是宝贵的自然资源,最基本也是最伟大的功能就是填海造陆,扩大我们生存的陆地面积。随着下游陆地的生成,河海之间的距离增长,依靠黄河的自然力量发挥填海造陆的功能日益困难,黄河送不走的泥沙在华北平原不断淤积,形成灾害。随着人类对水资源重视程度和开发利用能力的不断提高,黄河水沙关系已经发生了重大变化,在这种情况下,依靠黄河的自然力量,发挥填海造陆的功能更加困难。因此,必须寻找有效途径,提高黄河 “排”的能力,让宝贵的泥沙资源服务于社会和人民。

(4)“调”,是王化云从40余年人民治黄的历程中对黄河规律性的认识,对治黄实践具有很强的指导意义。“调”的主要思想是通过干支流水库(主要是干流7大水库),调水调沙,变水沙不平衡为水沙相适应,更好地排洪、排沙入海,同时充分利用黄河水资源,为经济建设服务。因此,“调”的目的是为改变水沙关系,更好地实现 “排”。调也不是解决泥沙问题的归宿,而是其中的过程。

随着黄河流域人类活动明显加强,对黄河的水沙关系产生了深远的影响,使得黄河的水沙关系更加不协调。

也就是说,变水沙不平衡为水沙相适应的难度在增加。水库的修建为人类开发和利用水资源创造了条件,对于解决黄河防洪问题意义重大,同时客观上改变了黄河的天然来水来沙过程。王化云曾经设想,“七大”水库建成后,连同伊、洛、沁河支流水库,全河即可形成比较完整的、综合利用的工程体系,实行统一调度,调水调沙,充分利用黄河水沙资源,发挥最大综合效益。但是,目前水库隶属关系各异,而且是企业行为,在市场经济条件下,不可避免地会出现企业追求经济效益最大化与治黄追求社会效益最大化之间的矛盾。这是新时期出现的新情况、新问题、新矛盾。无疑又增加了变水沙不平衡为水沙相适应的难度。

(5)“用”,就是要把水和沙都作为资源并且加以利用。周恩来总理在二十世纪60年代就高瞻远瞩地指出,要让黄河水沙资源在上、中、下游都有利于生产。其核心就是要用水用沙,充分利用黄河水沙资源,发挥最大综合效益。这才是解决黄河水沙问题的归宿。

6 “水沙分离,高效输沙”设想符合 “拦、排、调、用”的要求

笔者在 “兼论”一文中提出利用 “水沙分离,高效输沙”的机制控制和处理泥沙的步骤有三个:

(1)在加强水土保持的基础上,在中游修建必要的干支流水库群,通过水库群的拦蓄,特别是上级水库对下级水库来水来沙的有效控制,使下级水库沉降分离水沙后,能够利用机械、管道进行输沙,体现了 “拦”和 “调”的作用。

(2)从中游水库群以下到河口铺建专门的输沙管道,利用比较成熟的固体物料的浆体管道输送技术,输沙入海,可以有效减少输沙水量,提高输沙效率,而且不造成下游河道淤积,体现了 “排”的作用。

(3)由于利用输沙管道,提高了输沙效率,有更多的泥沙进入大海,可以发挥填海造陆的功能,同时由于人为控制的输沙管道,可以调节。例如,不同海域需要泥沙补给,可以布置不同管线;中下游需要补给泥沙、改善生产条件的地区,也可以通过管线布置,予以解决。总之,能够更好地落实周恩来总理要让黄河水沙资源在上、中、下游都有利于生产的重要指示。这体现了 “用”的作用。

7 结语

(1)从上述阶段划分可以看出人类认识和改造黄河的能力在逐步提高。

(2)“拦、排、调、用”是经过几十年治黄实践取得的处理黄河水沙的珍贵经验。“拦”、“排”、“调”不是解决泥沙问题的归宿,而是其中的过程,“用”才是其合理归宿。

(3)在变水沙不平衡为水沙相适应难度增加的情况下,需要根据 “拦、排、调、用”的思想,寻找有效措施,提高黄河 “排”的能力,让宝贵的泥沙资源服务于社会和人民。

(4)“水沙分离,高效输沙”的设想符合 “拦、排、调、用”的思想,而且从技术角度也是比较成熟的。

(5)笔者认为:以水土保持为基础,建立在水库群调控下的水沙分离、高效输沙机制是解决下游河道严重淤积问题切实有效的措施之一。当前应尽早制定21世纪黄河治理长远规划,建议把上述措施做为规划内容之一并进行深入研究。