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黄河泥沙入黄的机制及过程探讨

张金良
责任编辑:范江涛 来源:

  黄河是举世闻名的多沙河流,水少沙多、水沙关系不协调是黄河区别于其他江河的基本特征,也是黄河复杂难治的症结所在。黄河中游的潼关水文站控制了黄河90%的流域面积、90%的径流量和几乎全部的泥沙,分析潼关水文站不同时期水沙量变化可以看出,20世纪60年代以来,受气候变化和人类活动的影响,黄河径流量、输沙量呈减少趋势。

  黄河水沙变化尤其是泥沙量的变化引起了国内外有关专家的高度关注。黄河水沙变化不仅影响到黄河冲积性河道的冲淤发展趋势,而且关系到重大治黄规划的实施、治黄战略的确定以及重大水利枢纽工程的布局和建设时机等。相关部门开展了大量研究,但由于研究采用的资料和方法不同,研究成果差别较大,未能形成对入黄泥沙量变化的统一认识。另外,以往对黄河泥沙变化的研究多侧重于坡面、沟道侵蚀产沙过程,对产沙入沟或入河后发生的河流输沙过程考虑较少,导致无法深入区分“产沙”和“输沙”的概念差异。

侵蚀产沙的主要机制

  侵蚀产沙主要是指地表物质(包括成土母质)在侵蚀营力作用下所发生的分散及相对初始位置的移动。根据侵蚀力的不同,可分为水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀和冻融侵蚀4种类型。黄河流域主要产沙区的产沙方式包括风力侵蚀、水力侵蚀和重力侵蚀,其中风力侵蚀产生的入黄泥沙占比较小,成因复杂多样,一般不作为研究重点。因此,本文主要分析黄河流域主要产沙区的水力侵蚀和重力侵蚀两种产沙方式。

  1.水力侵蚀

  水力侵蚀是指以地面的水流为动力冲走土壤产生的侵蚀作用,也称为水蚀,是全球分布最为广泛的侵蚀产沙类型。水力侵蚀是黄河流域主要产沙区分布最广泛、最重要的土壤侵蚀方式。除了部分沙丘沙地区和植被茂密的山区外,几乎在所有降雨及产生地表径流的地区都可以见到水力侵蚀。即便是在局部干旱区域,夏季暴雨产生的侵蚀也是塑造地面的重要侵蚀方式之一。从成因上看,黄河流域黄土高原地区大部分地面起伏较大,植被覆盖率较低,组成物质较为松散,暴雨多发,是水力侵蚀广泛分布的主要原因。水力侵蚀范围约占黄土高原总面积的74%,而由水力侵蚀产生的输沙量占黄土高原总输沙量的60%~80%。

  2.重力侵蚀

  重力侵蚀是指在重力作用下,斜坡陡壁上的不稳定土石岩体分散或整块向下移动,形成沙量,一般在35°以上的坡面都有可能发生。按其发展过程、侵蚀特点,又可分为滑坡、崩塌、滑塌和泻溜等侵蚀方式。受特定的自然地理条件和人类活动影响,黄土高原地区地面起伏不平,多沟谷斜坡,黄土等松散物质较多,因此坡面重力侵蚀十分活跃,崩塌、滑塌、滑坡、泻溜、泥石流等现象处处可见,是流域侵蚀产沙的主要方式之一。在重力侵蚀中,滑坡侵蚀较为常见,一些较大的滑坡一次就可以移动土体数万立方米;泻溜侵蚀分布也较为广泛,在30°以上的由松散物质组成的坡面上有可能发生,虽然侵蚀强度不大,但是分布广泛且几乎终年不止,因此侵蚀总量不可忽视。影响黄土高原地区重力侵蚀过程的主要因素为地形、地表物质组成、植被、气候和人类活动等。

泥沙入黄的主要过程

  黄河流域主要产沙区实际侵蚀产沙过程是由水力侵蚀和重力侵蚀相互叠加共同作用而成的。水力侵蚀会诱发或者加剧重力侵蚀,重力侵蚀又可为水力侵蚀带来松散的侵蚀沙源。

  由侵蚀产沙的机制分析可见,影响产沙的主要因素包括气候、地形、地表物质组成、植被和人类活动等,除植被可以通过水保措施进行控制外,其他主要影响因素在历史长时期内不会发生较大变化,尤其是降雨因素,虽然与人类活动和植被因素存在互馈作用,但其会基本维持自身的周期性或趋势性等自然变化特征,不会发生较大的气候背景变化。因此,可以认为黄河流域主要产沙区的产沙能力在历史长时期内不会发生变化,只要降雨条件满足侵蚀产沙要求,就会发生侵蚀产沙。当降雨形成的水流条件不足,水流中的泥沙含量超过水流能携带的泥沙量时,泥沙颗粒就会停滞于坡面或者沟道,发生局部堆积,等待较大的水流输移;当降雨形成的水流条件足够时,产生的泥沙就会随水流汇入河道,进入泥沙入黄的下一环节,即河道水流输沙过程。因此,产沙与输沙概念并不一致,产沙是持续的、相对永久的,而输沙则需要适当的水流条件。由此也引出了在坡面产输沙方面对“零存整取”概念的新诠释,即对于特定的产沙区,存在一定的降雨阈值(一般认为黄河流域主要产沙区该阈值为日降雨量25毫米),当降雨量小于该阈值时,侵蚀产生的沙量不断滞存于坡面或局部沟道内,入黄沙量很小;当降雨量满足该阈值要求时,产沙可以向输沙转化,将长期累积“零存”的沙量大规模地输送入黄。

  经过坡面汇流输沙后,泥沙进入河道,此时泥沙输移符合河流泥沙动力学理论,由水流挟沙力控制。在一定的水流和泥沙综合条件下,水流含沙量超过临界含沙量(即挟沙力)时,水流处于超饱和状态,河床将发生淤积;当小于临界含沙量时,水流处于次饱和状态,水流将向河床寻求补给,带动河床“零存”淤积的泥沙,河床发生冲刷,在河道内发生“零存整取”。从黄河支流最后一级沟道到黄河一级支流入黄口,可以认为是n级河道的衔接,河道比降从第n级到第1级(黄河一级支流末端)逐渐减小,水流挟沙力逐渐减弱。由于黄土高原巨厚层黄土的存在和支流河道比降依次减小的特性,因此从第n级河道开始,为水流饱和输沙提供了充足的泥沙来源。从这一特性来讲,坡面侵蚀输向河道(沟道)的泥沙仅占入黄泥沙的一小部分。当从第1级到第n级河道内淤积有较多泥沙或河道(沟道)处于黄土区时,入黄泥沙量与坡面侵蚀量并不会呈紧密相关的关系。

黄河多年平均来沙水平分析

  1.水保措施的作用分析

  治黄工作者针对黄河流域主要产沙区的泥沙入黄问题,开展了大量的水土保持治理工作,其中最重要的工作即构建了黄河流域主要产沙区的林草、梯田和淤地坝等水保“三道防线”。据《人民治理黄河70年水土保持效益分析》,截至2015年年底,黄河流域水土保持措施累计保存面积21.84万平方千米,其中梯田5.50万平方千米、造林10.76万平方千米、种草2.14万平方千米、封禁3.44万平方千米;建设淤地坝5.84万座,其中骨干坝5834座。目前的初步治理面积约占水土流失总面积的50%。

  入黄泥沙减少主要缘由是水保措施,且水保措施对入黄泥沙的减控作用将会持续下去。实际上,水保“三道防线”在黄河流域水土保持治理中发挥了巨大的作用,但其作用是有限的。

  在淤地坝方面,根据《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》,小型淤地坝的单坝集水面积在1平方千米以下,中型淤地坝为1~3平方千米,大型淤地坝为3~5平方千米。按照骨干坝单坝控制面积为4平方千米、中小型淤地坝单坝控制面积为1平方千米推算,目前淤地坝总控制面积为7.56万平方千米,仅占黄河流域水土流失总面积46.5万平方千米的16%。实际上,骨干坝的淤积年限一般为10~20年,中小型淤地坝一般为5~10年,很多淤地坝建设时间较早,部分拦沙库容已经淤满,失去拦沙功能。同时,淤地坝设计防洪标准较低(骨干坝、中型坝、小型坝的设计防洪标准分别为30~50、20~30、20年一遇暴雨洪水),一旦发生超设计标准的暴雨洪水,就可能导致淤地坝垮塌,发生将拦淤的泥沙再次输送入河的情况。

  在梯田方面,梯田总面积为5.5万平方千米,按照其本身面积的1.2倍来计算其控制产沙区的面积,其可发挥拦沙作用的总控制面积仅为6.6万平方千米,占流域水土流失总面积的14%。梯田发挥拦沙作用主要依靠梯田的人工田埂对泥沙实现拦截。根据《水土保持综合治理 技术规范 坡耕地治理技术》的要求,梯田边应有蓄水田埂,埂高0.3~0.5米,顶宽0.3~0.5米。然而,很多梯田首次规范修建时留下的田埂,在经过几次后续翻地耕种后,已经不复存在,基本失去了泥沙拦截功能(已多次在黄土高原地区考察中得到证实)。

  在林草方面,受资料和技术条件等因素限制,无法真正意义上获得林草的实际减沙作用,但可以通过与1922~1933年的植被定性对比来明确现状黄土高原地区植被的减沙作用,1922~1933年人类活动对植被破坏较少,植被覆盖率应好于现状下垫面,但在1933年高强度降雨条件下,陕县水文站出现了39.1亿吨的历史罕见沙量。再如林草植被较好的汾川河,2012年植被覆盖率在85%以上,然而当遭遇2013年高强度降雨后,汾川河控制站——新市河水文站实测输沙量达到1600万吨,为建站以来的最大值。由此可见,林草植被对于中等强度以下降雨的减沙作用明显,对大暴雨尤其是对大雨量、高强度暴雨的减沙作用会明显降低。

  2.来沙水平估算

  由上述侵蚀产沙的主要机制以及泥沙入黄的主要过程可以看出,“侵蚀产沙”和“河道输沙”并不是相同的概念,水力侵蚀或者重力侵蚀产生的沙量在水动力不足的情况下,在坡面、沟道或者河道堆积,当遇水动力条件适合的大水年份则会产生超饱和输沙,导致出现大输沙量。收集黄河中游河龙区间(河口镇—龙门区间)降雨摘录数据,统计不同时期降雨强度可以看出,黄河流域近期降雨条件尤其是降雨强度较小,导致未发生全流域大输沙量现象。但是,降雨是呈现周期性变化的,未来发生大水大沙年份的可能性在逐渐增大。

  在估算黄河来沙水平尤其是在进行工程输沙量设计时,既要丰平枯兼顾,又要考虑产沙和输沙不一致出现的大输沙量风险,亦即在系列中包含大输沙量的年份。按照《水利工程水利计算规范》的规定,设计工程坝(站)址年月(旬日)水位、流量及泥沙资料应不少于30年系列。鉴于黄河的特殊性和复杂性,可以考虑按照50年系列长度取值,按其估算的沙量将会更大。为更加贴近现状来沙水平,在进行黄河来沙水平估算时,仍采用最短30年的系列资料并考虑加入包含大输沙量年份的资料。根据估算,黄河上中游潼关以上2000~2012年平均年采砂量为1.13~1.73亿吨,其中2012年采砂量为1.93~2.95亿吨。综合考虑种种因素,黄河来沙水平估算结果与《黄河流域综合规划》(2012~2030年)提出的“正常降雨条件下现状、2020年水平四站年均输沙量分别为11.5~12.5亿 吨、10.5~11.0亿吨……正常降雨条件下2030年水平四站多年平均年输沙量为9.5~10.0亿吨”基本相当。

  综合而言,黄河流域水保措施对于低强度降雨可以发挥一定作用,但这种作用是有限的。水保措施只是对产输沙环节进行控制,其拦减的沙量并不等同于入黄泥沙。另外,受气候变化影响,极端降雨事件频发,必将为流域产输沙提供条件,增大泥沙入黄的风险。

  综合考虑人类对流域下垫面影响的程度及可持续性问题,结合洪水泥沙特性,从水文水沙系列的选取原则出发,为降低工程泥沙设计风险,在用于黄河长治久安的工程建设时,工程设计来沙量应考虑一定富余度。黄河的治理开发事关国民经济大局,事关黄淮海平原的长治久安,应充分认识到人类活动对黄河长时期来水来沙影响的复杂性,采取更为审慎客观的态度开展深入研究,以期为重大治黄工程的实施提供决策支持。  


发布时间:2017年11月07日
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