一
黄河令人崇拜,又令人生畏。她送来了下游赖以生存的水,又带来让中华民族几千年为之忧患的沙。
“斗水沙七”,这是治河先辈们经历痛苦的思索后对黄河特性的描述,也表明中国的历代治河者对黄河泥沙的危害早有认知。黄河多年平均径流量580亿立方米,进入下游河道的泥沙年均16亿吨,平均含沙量35公斤每立方米。这样的含沙量与输沙量在世界大江大河中绝无仅有,也使得黄河的水无法带走这么多的沙,淤积下游河道便成为必然。
因黄河下游早已形成了上宽下窄的河道与堤防,平均每年数亿吨的淤积量、10厘米的抬升速度,就会造成一种可怕的后果:河床抬高,主流摆动,堤防决口,水沙俱下,甚或泛滥改道。携带大量泥沙的黄河洪水,泛滥造成的毁灭性破坏与不可修复的生态灾难,是其他河流洪水不可比拟的。这种洪灾对于人口稠密、社会日益发展的下游两岸地区而言,是绝难承受的。
新中国成立至今,黄河治理在中国共产党的领导下取得了50多年岁岁安澜的巨大成就,让世界为之折服。但是,黄河的泥沙与悬河问题却始终困扰着水利界。不断抬升的河床,迫使人们继续为了防洪不断加高两岸大堤。据测算,新中国成立后4次加高培厚黄河大堤的土方量可以磊就13座万里长城。因此,人们一直盼望着下游不再淤积,几代治河科技工作者也在冥思苦想,寻找停止淤积的途径。
地上悬河,悬而未决,随着河床不断抬高而不停加高堤防的治黄策略终有一天将步入死穴。用毛泽东主席当年视察黄河时的话讲,“黄河涨上天怎么办”?
治黄技术人员多年来对黄河洪水过程的大量分析发现,黄河沙患主要是因为“水少沙多,水沙不平衡”的特性所决定的,只要找到一个合适的水沙平衡关系,黄河水流是完全有能力输沙入海的。为了找到这个平衡的水沙关系,多少治黄人年复一年地测验、计算,观察不同断面的变化情况,终于找到了理论上可行的水沙关系,但是苦于没有靠近下游的大型调节水库,去实践、塑造这种水沙关系,人们只能望河兴叹。
2001年,以防洪减淤为主的小浪底水利枢纽正式建成投入运用,终于具备了塑造黄河下游水沙平衡关系的基本工程控制条件,也使黄河人能够通过小浪底水库调水调沙,实现冲刷河床、减少淤积、输沙入海这样一个几代治黄人的梦想。
2002年7月,背负着太多期望、备受世人关注的黄河调水调沙,正式启程上路!
二
小浪底水利枢纽,伫立于万里黄河最后一个山谷的出口。
2002年7月4日,随着呼啸的激流从9个泄洪排沙洞喷薄而出,浊流冲天,巨龙翻滚,大浪淘沙,古老的黄河战栗着试探恢复她那久违的原始野性。
这是世界上第一次在近千公里的河段上进行的原型试验。
水利学家把这一人类历史上首开最大规模河流原型试验之壮举称为“调水调沙”。此后,不同的雨情、水情催生了不同的调水调沙模式,淤积在下游河道的数亿吨泥沙也在人造洪峰的推力下,连年启程,投身渤海。
黄河首次调水调沙试验,可以称得上是延续数千年治黄史上的里程碑事件。此次试验开了人类自主调控黄河水沙关系、冲刷下游淤积泥沙使其入海的先河,成为我们由被动治黄走向主动治黄的转折点。
为完整监测小浪底水库及其以下河道的水沙变化过程和冲淤变化情况,在首次调水调沙过程中,黄河水利委员会在小浪底库区和下游河道共计900多公里河段上布设494个测验断面,开展了水位、流量、含沙量、库区异重流、坝前漏斗及库区淤积测验,下游河道淤积测验、典型断面冲淤过程监测等项目,取得了520多万组测验数据。试验过程中,观测项目之全、取得数据之多不仅在黄河上尚属首次,即使是世界水利史上这也是极为鲜见的。
“原型黄河”上的试验流量过程结束3个月之后,经过对实测资料的分析计算,黄河水利委员会正式对外公布了试验的关键数据及成效:黄河下游河道净冲刷量为0.362亿吨,河道排洪能力得到一定提高。加上小浪底出库泥沙,调水调沙期间入海泥沙共计0.664亿吨,达到了预期的效果。试验对研究黄河自身的水沙规律及河道输沙理论提供了支持,并检验了黄河下游河道整治工程的作用。
2003年汛期,黄河水利委员会党组按照新时期的治水理念和思路,利用中游洪水的契机,创新思维,科学调控黄河小浪底等干支流水库群,首次实施了大空间尺度的调水调沙试验,并获得成功,以全新的视角和勇气诠释着现代治黄涵义,从而完成了黄河治理开发与管理的历史性的新跨越。
从2003年7月30日,黄河中游府谷出现1.3万立方米每秒的洪水开始,历史罕见的华西秋雨致使黄河中游干支流洪峰一个接着一个,连绵不断,整整持续了80天,洪水量达到110亿立方米。陆浑水库突破汛限水位!故县水库突破汛限水位!作为黄河防汛“王牌”的小浪底水库水位持续上涨,突破汛限248米水位后、上升至250米,水位最高的时候超过260米!情况紧急,时不我待!
在此后的80个日日夜夜里,黄河防总面临着局部救灾与整体防洪,水库运行安全与下游滩区安全,防洪、蓄水和发电多方利益冲突等多重矛盾交织的形势。在艰难的条件下,黄河人运筹帷幄,审慎决策,经反复讨论,实现多赢目标的最佳途径渐趋明晰。“无控区清水负载,小浪底调水配沙”,利用小浪底水库把中游洪水调控为含沙量较高的浑水,然后打时间差、空间差,再用支流伊洛沁河的清水与浑水在花园口对接,实现更大空间尺度的调水调沙。一个全新的调水调沙方案诞生了!
黄河防总根据制定的2003年黄河调水调沙调度预案和当时的水情、工情,确定了“03·9”洪水四库水沙联合调度预案,通过前期实测资料分析、数学模型计算和实体模型试验,综合考虑水量、沙量、水库运用和黄河下游防洪安全等因素,在“以稳为主,宁小勿大”的原则下统筹安排,精细调度。
在调度过程中,三门峡水库敞泄排洪排沙;小浪底前期以小水大沙运用为主,中期调整沙量,后期清水冲刷,保证库区及下游河道减淤。与此同时,原型黄河水沙测验体系全面启动,水文部门加密了重点水文测验断面的测验频次,及时提供最新的流量、含沙量信息,为科学调度小浪底等水库群做好服务。
随着上游的高含沙洪水源源不断流入,经过三门峡水库合理的泄洪排沙后,在小浪底库区产生了异重流,水文部门及时跟踪监测异重流向小浪底坝前移动过程,小浪底适时打开孔洞,将细沙洪水排出去,成功实现了小浪底水库的拦粗排细。
9月6—18日,花园口水文测验断面黄河水以2400立方米每秒左右的流量、30公斤左右的含沙量滚滚东流,清水和浑水对接成功。一代又一代治黄人心中期盼多年的让黄河水按照合理的含沙量遵照人的意志驯流的梦想变成了现实。
在历时13天的2003年调水调沙试验中,1.2亿吨泥沙被输送至大海,下游主河槽各断面过流能力增大100~400立方米每秒。实践证明实时控泄小浪底水库流量,调水调沙,既确保水库安全运行,又能减少下游滩区损失,同时最大限度地实现洪水的资源化,达到冲沙减淤的多赢目标。
调水调沙的核心不是水,而是沙。2003年,小浪底水库上下游同时发生洪水,由于洪水来源不同,上面来水含沙量大,下面来水含沙量小,根本不具备“调”系列要素。然而,水利科学家却巧妙通过多个水库调度,让浑水和清水“掺混”,实现了水沙的时空对接。
2003年调水调沙的结果,仅1.2亿吨泥沙被输送入海,主河槽过流能力的增大上就够人们兴奋了,更不用说解决了世界级的泥沙分选难题。但它的影响远非如此,从传统意义上看,如果说2001年进行调水调沙,黄河水利委员会还是小心翼翼投石问路的话,那么2003年的调水调沙,水库群调度的规模、时间、空间尺度更加广阔和多维,效果愈加丰硕,黄河人的态度也更加坚定而从容。更重要的是,它开阔了人们的治河视野,增强了人们治理开发与管理好黄河的信心和勇气。
黄河第三次调水调沙试验自2004年6月19日9时开始,7月13日8时顺利结束,此次调水调沙是基于干流水库群联合调度和人工扰动条件的试验。与前两次试验相比,第三次试验科技含量更高,空间尺度更大,试验环节更多,延续时间更长。试验通过科学调控万家寨、三门峡、小浪底三大水库的泄流时间和流量,在小浪底库区塑造人工异重流,并实现异重流的排沙出库,从而保证对小浪底水库淤积泥沙形成连续的冲刷能量,调整小浪底库尾泥沙不利的淤积形态。同时充分利用小浪底出库洪水的富余能量,在下游“二级悬河”最严重和平滩流量最小的河段进行人工扰沙,增加黄河“卡口段”平滩流量,提高主河槽的行洪能力。这是本次试验的关键环节,也是试验的难点所在。
人工塑造异重流是第三次调水调沙试验中最绚丽、最精彩的乐章,也是试验成功与否的主要标志之一。7月2日12时至13日8时,万家寨、三门峡、小浪底三库经过联合调度,使下泄水沙实现精确对接,在小浪底库区坝前57公里处成功塑造出异重流并使之运动至坝前排沙出库。当小浪底水利枢纽三条排沙洞泄流相继由清变浑,高含沙水流奔腾喷涌而出的那一刻,标志着中国水利科学家在掌握水库异重流的生成机理和运行规律方面取得了重大突破,为今后进一步研究解决黄河水库泥沙问题展现了广阔的前景。三次调水调沙试验,三次不同条件下的试验,实现了三次创新。
黄河首次调水调沙试验是以小浪底、三门峡两库水沙联合调度为主,结合三门峡以上河道中小洪水进行的。第二次调水调沙试验是通过以小浪底水库为主的四库水沙联合调度,在花园口实现水沙“对接”。为了得到最优化的调水调沙效果,治黄人在第三次调水调沙试验前就开展了大量的专题研究和科学论证,人工塑造异重流是第三次试验难度最大、科技含量最高的试验,科技人员借助大量的前期工作和关键技术研究结果,对人工异重流的形成条件、持续时间、三库水流对接时机等进行了大量的科学比选,最终确定了人工塑造异重流的各种边界条件,形成调度方案,谱写了调水调沙的绚丽乐章。
随着黄河第三次调水调沙试验的圆满结束,黄河水沙调控理论体系日臻成熟,黄河水沙运动规律正逐步得到认识和掌握,作为黄河治理主要手段的调水调沙,治黄人向世人庄严宣告,在今后黄河的治理开发工作中调水调沙将由试验阶段全面转入生产运用。
从2005年开始,黄河调水调沙经历了错综复杂的各种条件下的试验之后,正式转入正常的生产运用,成为治理黄河痼疾的长效措施。在这一年,黄河人第二次成功塑造人工异重流。2006年,黄河调水调沙使下游河道排洪能力进一步扩大并成功塑造异重流,再次证明了调水调沙作为处理黄河泥沙、防止河床抬高、维持黄河健康生命的措施之一,具有划时代的深远意义。
2007年8月,小浪底水库,同样一个美丽的季节,睿智的水利科学家,用他们的智慧、充满灵感的双手,犹如调制七彩虹般的鸡尾酒,再次调制出“水沙时空对接”的诗章。这一年,黄河水利委员会连续进行了两次调水调沙,同时也首次尝试进行了汛期的调水调沙。
本次黄河调水调沙于6月19日9时开始,这是继2002年以来调水调沙下泄流量最大的一次。自6月19日小浪底水库开始预泄,6月24日凌晨6时,调水调沙水头经过近117小时的奔流,注入渤海。与此同时,充分借助自然力量和黄河中游干流水库群的联合调度,科学调控黄河干流万家寨、三门峡、小浪底水库的泄流时间、下泄流量和对接水位,万家寨、三门峡、小浪底水库联合调度塑造异重流再次获得成功并实现高含沙排沙出库。
本次调水调沙历时19天,小浪底水库排沙洞出库水流含沙量高达230公斤每立方米,这是调水调沙塑造异重流以来实现的出库最大含沙量。其间,小浪底水库共排沙出库2611万吨,库区淤积形态得到进一步改善。黄河下游主河槽得到全线冲刷,利津站输沙量达5240万吨。下游主河槽过流能力进一步提高,卡口河段最小平滩流量由本次调水调沙前的3500立方米每秒增大至3630立方米每秒。本次调水调沙期间,花园口站通过最大流量4290立方米每秒,利津站通过最大流量3910立方米每秒,这是继“96·8”洪水之后,10年来整个黄河下游河道通过的最大洪峰流量。在大流量作用下,下游主河槽得到全线冲刷,黄河口湿地得以及时补充淡水资源,进一步丰富了湿地的生物多样性。
黄河调水调沙,不同条件,不同河段,不同水沙级配模式,不同水库调度组合,演奏出水沙协奏“三部曲”,成为新世纪黄河治理的关键技术。人与河流,共同迎来一个新的时代。
三
2007年汛期,黄河第七次调水调沙结束的时候,作为黄河治理开发与管理的一项长期生产实践,实现了的汛期洪水资源化,至此,汛前、汛期、后汛期多个时段,单库、多库联调的调水调沙模式依次呈现在世人面前。
这条世界上平均含沙流量最大的河流以自然的力量,目前最经济、有效的输沙减淤模式逐步实现河床不抬高的治理目标,有效协调多方需求,同时担负起维持河流生命的重任。黄河七次调水调沙实践已经站在历史的维度上,开始了构建完善的水沙调控体系进程。
人类社会需要河流相对稳定来实现自身的成长,于变化中寻求平衡,这使人类一方面能够不断调整自己的内部结构以适应变动的世界;另一方面,又能够使人和河流的关系获得一种均衡。
在很长的历史时期中,人们认为河流仅仅是一个工具,不可能对河流产生最基本的尊重。如果不谈人与自然的伦理,不谈尊重河流、善待河流、保护河流,没有一种共同遵守的道德义务,那么人类对河流的伤害可能还要继续下去。
现实告诉人们,人在“透支”生态时获得的利益是极其有限的。实践和现实已经使得人们没有别的选择,必须义无反顾地走上河流伦理道德提升的道路。
如今,以调水调沙为代表的治河新理念,正从下游向中游乃至上游延伸,探索的脚步不止,人水和谐的梦想正逐步成为现实。
来源:中国水利网站 2008年7月24日
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