中国泥沙研究的几个问题

中国泥沙研究的几个问题

王兆印1，2，林秉南2

（1. 华大学水利系 河流海洋研究所,2.国际泥沙研究培训中心）

摘要：几千年来泥沙一直是中国河流治理和灾害防治中的难题。众所周知，黄河频繁的迁徙和洪水灾害就是泥沙淤积的结果。中国学者在黄河治理和土壤侵蚀、水库淤积、河口海岸泥沙漂移、泥石流灾害防治等方面进行了大量研究工作，促进了学科发展，取得了举世瞩目的成就。本文概述这些泥沙问题、治理方略和研究成果。在21世纪，泥沙研究将面临新的挑战。泥沙理论研究方面，非恒定流输沙、环境泥沙学、生态泥沙学和经济泥沙学将成为新的生长点。为了检阅现有泥沙理论和研究方法，国家大量投资对三峡工程建设中和建设后的泥沙运动和沉积规律进行大规模的测量。中国的泥沙研究将有一个新的飞跃。

关键词：土壤侵蚀；黄河；水库淤积；河口泥沙；泥石流；非恒定流；植被发育；经济泥沙学

1 土壤侵蚀及治理

人类生存的环境之健康状况取决于土壤、水、空气和生物群的质量。据统计，全世界地表土壤在降雨作用下每年被侵蚀600亿t ，其中170亿t被河流输送到海洋。这种侵蚀造成了每年50～70亿公顷农田退化。中国是水土流失严重的国家之一。全国有水蚀面积125万km2，风蚀面积188万km2，还有冰蚀面积125万km2。换言之，全国46％的陆地遭受侵蚀。长江流域每年水土流失22亿t，黄河流域23亿t。从1950～1996年，人们治理了70万km2的水土流失面积。但在同期，由于砍伐森林，开发农业，过渡放牧，采集药材，开矿等又增加了66万km2水土流失面积。例如，仅长江流域坡耕地面积就有1 100万公顷，水土流失较高；神府-东胜煤田仅在1988～2000年间就开挖了1.6亿t土壤，大大增加了当地的水土流失量。水土流失也造成了大量营养物质和化肥的流失。据估算，每年有200万t的氮肥通过侵蚀带入水域，成为引发赤潮的重要原因。

中国学者对水土流失进行了大量研究，主要方法是实验室模拟，野外人工降雨和数学模型，建立了一些侵蚀率与雨滴激溅、土壤结构与组成、表面结皮、植被发育、地形与坡度等参数的关系公式［1］。利用卫星遥感和地理信息系统，土壤侵蚀的数学模型也正趋于成熟 在中国南方潮湿多雨地区，控制侵蚀的主要方略是植树造林、修建谷坊拦沙坝和改造坡耕地。在北方干旱地区，控制侵蚀的主要方略则是修建淤地坝和梯田，辅之以植树种草。不论南方北方，集中力量进行小流域综合治理，都是最有效的方法。黄土高原是严重水土流失区，由于干旱，植树造林效果较慢且难以控制侵蚀。当地人民修建了许多淤地坝群，截留泥沙造出高产农田，坡地基本上都梯田化，有高于20cm的田埂可将暴雨降水拦在田中，林草和果园建设也在一定程度上减弱了降雨侵蚀。此外，大大小小的水库拦截了大量泥沙。这些综合措施大大减小了水土流失，一个重要的证明是由侵蚀冲刷带入黄河的泥沙量在最近20年中显著减少。图1给出了黄河利津站近30年来的年水量年沙量的变化，可见1985年之后图1 最近30年黄河下游利津站年水量年沙量变化（1985年后年沙量减少一半）

Fig.1 Variation of annual water and sediment load of the Lower

Yello w River (Lijin Station) Annual sediment load reduced by 50%

since 1985 黄河入海径流量和泥沙量减少了大约一半，除了气候水文变化，黄河中游的水土保持和下游引水是重要原因。 2高含沙河流治理

黄河是著名的高含沙河流，平均沙水比为37 kg/m3。由于河床迅速淤高经常发生水灾。从公元前602年到1950年，洪水破堤1 593次，大河以郑州为顶点改道26次，其中8次（3次人工，5次天然）改道造成流入黄海或流入渤海的交替。这些洪水灾害造成几百万人死亡。人们在与黄河的斗争中积累了大量的治理高含沙河流的经验。古代的大禹，汉朝的王景，明朝的潘季驯，清朝的靳辅和陈潢都是治黄的杰出代表。历史上，黄河防洪的主要方略是修建大堤。有两种主要的理论和实践，其一是宽河分洪，大禹和王景采用这种理论治河；其二是束水攻沙，潘季驯是最重要的代表。新中国成立后，黄河没有发生大的决堤和伤亡。黄河治理总投资大约80亿元，防洪效益达到40 000亿元［2］。半个世纪来，除了河口段局部改道，黄河下游基本稳定，只是随着河口淤积延伸平行抬高［3］。黄河长期安澜是中国水利建设的一大成就，王化云领导的黄河水利委员会做出了重要贡献［4］。在理论上，钱宁领导的高含沙水流研究在国际上处于领先地位［5，6］。

现在黄河主要治理方略和研究方向为: ①水库调水调沙。黄河干流上共修建了11座水库，其中龙羊峡、刘家峡、三门峡和小浪底水库是控制黄河水沙的主要水库。小浪底有70亿m3拦沙库容，可在20年内将中游来沙拦在库内，减缓下游淤积。如何联合调度运用这些水库实现 调整河床演变、保护生态环境和防洪、发电、灌溉的最大综合效益是主要研究方向；②宽河 固堤。黄河下游河南段两岸堤距宽达20km。1946年以来已加高了9m，近年来又做了混凝土 防渗墙加固。一旦大洪水发生，宽阔的河谷提供了几十亿槽蓄库容滞蓄洪水，减小洪水对人口密集的下游的直接威胁。但是，只有几百米宽的枯水河槽在宽阔的河谷里游荡。如何治理这一河段形成相对稳定的宽滩窄槽是主要的研究方向；③束水攻沙。下游山东河段，河宽仅0.4～5km，河道窄深使水流保持较高流速，泥沙保持悬浮随水入海。此河段的治理方向是规顺、单一、平衡、不抬高的输水输沙通道；④滞洪区建设。从50年代开始建设分滞洪区，现有封丘大功、北金堤、东平湖、北展和南展5个分滞洪区，分别担负分滞特大洪水、防凌汛、控制进入山东河段洪水不超过10 000m3/s的任务。其中东平湖在1954、1957、1958 和1982年自然分洪和控制分洪，起到了减小下游洪水的作用。由于水库建设减小了洪水威胁，可以研究解放部分滞洪区用于经济建设。⑤稳定河口。由于河口延伸河床抬高，河口60～ 110km河段自1855年改道10次。1976年从钓口河改道清水沟后采取了稳定河口方略，东营市基础 建设由此得以迅速发展。1996年河口段18km改道汊河，将部分浅海油田淤积出水面促进了胜利油田的开发。长期稳定河口、利用泥沙资源造陆、和保护新生的陆地是主要研究方向。

近20年来，黄河出现了新的问题。尽管来沙大量减小，黄河河槽的淤积速率没有降低，洪水水位抬高的速度甚至超过以往。人口增长和经济发展对土地的压力使得居住在黄河滩地上的人口增加到170万。1996年发生两年一遇的洪水，洪峰流量只有7 860m3/s，但是洪峰水位超过了历史最高水位，并且造成很大的经济损失，从而引发了人们对“小水大灾”的思考。异常的高水位一是由于河床淤积，有的河段河槽淤平；二是长期低流量改变了河势，洪峰到来不能适应。50年代同流量洪峰从花园口传播到河口仅需7～8天，1996洪水传播了17天。另外，经济发展导致大量引用黄河水，年引水量已增加到300亿m3。河水减少，流到利津站的年水量从300亿m3降到100多亿m3。下游经常断流，1997年下游700km河段断流 226天。

为了解决水少沙多的矛盾，水利工作者正在探索新的治理方略来解决这些矛盾：（1）疏浚。经济发展使我们有能力较大规模地疏浚黄河泥沙，减缓河道淤积。研究发现，在某些特殊河段疏浚减沙很有效，如河口，疏浚可起到降低拦门沙，减少溯源淤积的作用。在一般河段疏浚，回淤速度很快，效果不佳。目前，研究工作者正在通过实验寻找疏浚效益与疏浚部位和疏浚时机的关系［6］；（2）引海水冲沙。根据林秉南建议，用水泵抽海水通过人工渠道，在河口上游110km或者70km处注入黄河，连续不断冲刷河床泥沙入海。再通过 洪水期溯源冲刷使山东以下河道不再淤高。目前正在研究冲刷入海后形成异重流的条件，发生溯源冲刷的可能，以及对环境生态的负作用和减小负作用的措施［7，8］。（3）采用节水农业增水减沙。建议国家投资50亿元，用滴灌、喷灌设备将大量耗用黄河水的内蒙古、宁夏灌区中1 000万亩改造成节水灌溉农田，每年节水30亿t。黄土高原是严重水土流失地区，又是缺水干旱地区，耕作大大增加了水土流失和蒸发耗水。免耕法特别适合这一地区。美国1/5的农田采用了免耕法，特别是那些水土流失严重的半干旱地区。根据试验结果，免耕法保护了土壤根系，单位体积土壤生物量显著增多，减少了水的损耗。风蚀和降雨侵蚀引起的水土流失量从5 830t/km2yr，降到100t/km2yr。三年大面积野外对比观测说明，常规耕作法土壤侵蚀量为2 407t/km2yr，采用免耕法后降到73t/km2yr［9，10］。（4）南水北调。从长江流域大规模调水入黄河和黄河供水区将大大减轻黄河水少沙多的矛盾。

3 水库泥沙

中国水库泥沙淤积严重，例如黄河三门峡水库因淤积损失库容57%，青铜峡水库78%，大渡河龚嘴水库损失80%，汾河水库45%，全国水库因淤积总库容损失达40％。为减小水库淤积，主要措施为大型水库蓄清排浑和泄降冲沙，小型水库不定期泄空冲沙，高含沙河流水库异重流排沙等。长江、黄河汛期2～4个月内来水占全年的40％～60%，来沙占全年的60％～90%。汛期降低库水位排沙，汛后含沙量低时蓄水是大型水库的主要减淤方略。三峡水库建成后按蓄清排浑运用，6～9月汛期库水位降到145m，含沙量达1～6kg/m3的浑水穿库而过。10月含沙量降到1kg/m3以下，水库蓄水逐渐升到175m。用这种方法控制淤积，运用150年后淤积170亿m3，有效库容仍有220亿m3。黄河三门峡水库汛期降低水位通过底孔排沙，引起溯源冲刷达100多公里。山西恒山水库位于干旱缺水地区，汛期含沙量虽高，仍需蓄水利用。多年后淤积达一定 程度，汛期泄空冲刷恢复库容。从1966到1974总库容1 300万m3因为淤积损失了30%，1974和1979汛期两次泄空冲刷，恢复库容200多万m3。甘肃蒲河巴家嘴水库经常发生高含沙洪水，当含沙量超过200kg/m3时形成异重流在水库清水下面运行到坝前，水库底孔打开将高含沙异重流排出库外。排沙比（出库含沙量与进库含沙量之比）经常达到100%以上。

水库减淤方案在投入使用前都要通过模型试验。正在修建的三峡水库世界闻名，其总库容为390亿m３，主要用于防洪、发电和航运，建成后为世界上最大的水电站，可使万吨船队和3 000t级客船直达重庆。库区泥沙淤积和变动回水区航道淤积是对保持长期有效库容和航运效益的最大挑战。为研究解决这些问题，长江水利委员会、水利科学研究单位和大学建造了21座不 同河段的实体模型进行实验，其中6座下游模型，14座库区和变动回水区模型，1座汉江丹江口水库模型（初步检验模型技术的可信度）。这些模型试验比较了各种运用方案三峡水库运用100年期间的泥沙淤积及减淤措施，例如局部河段建设导流堤、库区延长引航道隔离堤减少航道淤积等。在实验技术上，窦国仁提出的全沙模型（即采用统一的推移质和悬移质时间比尺）得到了推广应用［11］。 数学模型在三峡水库设计方案中起着重要作用。1972年韩其为利用非平衡输沙方程开发了一维三峡数学模型，后来他和林秉南又分别推出如下方程（韩其为，1979；Lin et al., 1983 ）［12，13］