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  科学时报:调水调沙难以实现黄河宁蒙河段的冲沙减淤  
          2010-09-21    【关闭】  
 

作者:景可李炳元  来源:科学时报  发布时间:2010-9-21

 

□景可 李炳元

问题的提出

黄河冲沙减淤是一个涉及多方面利害关系的问题,本文仅以学科观点阐述对问题的见解。

 

黄河宁蒙河段是指黑山峡的下河沿至内蒙古托克托县的河口镇(头道拐),全长约1100公里,被誉为“塞外江南”。建国以来河段内灌溉工程得到修复和兴建、两岸新修和加固了大堤,扩大了耕地。与此同时,上游河道的梯级开发和工农业发展也使得河段来水来沙和河道的冲淤发生变化。自上世纪50年代以来,宁蒙河段尤其是内蒙古河段河道逐年淤积抬高,目前局部河段发展为“地上悬河”,严重威胁到大堤两岸居民的安危。

 

受黄河小浪底水库调水调沙冲刷,为下游河道减淤的启迪,有关专家提出只要兴建黑山峡大柳树高坝水库,利用水库的调节库容水资源形成每秒3000立方米~4000立方米的人造洪峰流量,每年为期15天~20天的冲刷,可将沉积泥沙输入黄河口,宁蒙全河段可形成一条不冲不淤的河段。对此也有专家提出不同看法,认为大柳树水库的主要作用是发电、灌溉、调节水资源,也可以调水调沙,但从流量、时段、水量三要素分析,要调水调沙不是现在,而必须借助在西线南水北调调入部分水量与流量以后,方有可能通过大柳树水库实现这一目的。还有人从全流域生态环境特征和流域水资源态势的角度分析,提出黄河采用调水调沙减少河道淤积并非最佳选择。

 

以上三种对黄河宁蒙河段调水调沙的不同见解,无论是同意的还是不同意的,或者认为条件还不成熟的,共同之点都只涉及到调水冲沙条件之一,即水资源的数量,对调水调沙减淤条件缺少全面分析。须知即使有了足够的水,如果没有其他条件的有机配合,照样不能实现调水调沙减淤。

 

要充分认识到调水调沙是一个复杂的系统工程,水资源仅仅是条件之一,至少还必须要有可冲起的,并能输移的泥沙条件,还要有可输移泥沙的河道条件,这是决定性条件,此外还要有有利的泥沙堆积条件。以上四个条件中的前三个条件是必备的,缺一不可;后一个条件是衡量调水调沙的可行性,也就是在前三个条件满足的前提下,被冲刷的泥沙堆积何处,堆积以后对当地环境、经济和社会产生怎样的影响,如果有利于当地可持续发展,那么这样的调水调沙是可行的,反之则要进行利益得失的比较方能裁决是否可行。

 

调水调沙条件分析水资源条件分析

 

所谓调水调沙就是人为地塑造一个大于平滩流量的造床洪峰流量,在设定的时间内冲刷河道的沉积泥沙,达到河道冲沙减淤目的。宁蒙河段调水冲沙对水资源的基本要求是能够形成每秒3000立方米~4000立方米流量的人造洪峰,持续时间半个月左右,总需水量50亿~60亿立方米。如何才能集中到这么多水,为此有关方面规划修建大柳树高坝水库,规划中的大柳树水库库容是114亿立方米,可调节库容是57亿立方米。这就意味着大柳树水库的全部调节库容在一年一度的半个月调水调沙中泄空。水库泄空以后是否能够在短时间内得到恢复,若能在短时间内调节库容得到补充,调水调沙就不会影响到水库其他功能的发挥。若调节库容在短期内得不到完全补充,这将严重地影响到水库其他主功能的发挥,首当其冲的是农业用水,调水调沙的可能性就要受到质疑。实际情况是上游整个汛期年平均来水量只有130亿立方米,以此来补充50亿~60亿立方米的调节径流量是不现实的,上游龙羊峡水库已运行20多年,调节库容至今未达到设计标准。

 

宁蒙河段属于干旱半干旱区,年降水量不足200毫米,区内自产径流量很小,河道径流量主要是来自兰州以上流域,也就是说宁蒙河段的水资源量是由上游产流量决定的。1952年至2003年进入宁蒙河段的年径流总量逐年减少,1987年以后年径流量明显减少,下河沿减少25.2%,年约80亿立方米,汛期径流量减少更明显。减少的原因之一是上游用水量的增加,而且还有加剧的趋势,如青海省规划拉西瓦灌区、李家峡灌区、公伯峡灌区和积石峡灌区的灌溉面积扩大到72.5万亩,新增灌溉面积18.97万亩;甘肃省为了解决陇中部分地区的干旱和人畜饮水,也正在修建引洮工程(引黄河支流洮河的水),与此同时以水土保持为中心的生态环境建设的需要水和减水也在发展,进入宁蒙河段的年径流量呈现继续减少的趋势。

 

据水文资料分析,1987年至2003年下河沿站年径流量240.6亿立方米,今后下河沿站的年径流量不会超过300亿立方米,其中汛期小于130亿立方米,非汛期小于170亿立方米。这年300亿立方米的水资源中大约有110亿立方米是为了维持中下游河流健康用水(以河口镇年均流量不小于每秒250立方米计算);宁蒙河段年均农业灌溉用水90亿立方米;若年均调水调沙50亿立方米;鉴于修建大柳树水库的主功能不是调水调沙,而是发电、灌溉、调节水资源,计划新开垦600万亩耕地,灌溉用水36亿立方米;这里还未考虑到生态环境建设减水和用水对水资源的影响,这几项用水就达到年286亿立方米,这已占到下河沿站多年平均径流量300亿立方米的90%。如果再考虑到枯水年与丰水年、需水与自然来水的季节错位,不但每年50亿立方米的冲沙用水很难得到可靠保证,维持中下游健康用水都很难得到保证。若要保证冲沙用水,势必要牺牲农业或其他用水,这无论是从农民层面还是国家层面都是不可行的。

 

河道泥沙特性分析

 

河道沉积泥沙特性指两方面,一是泥沙的粒级特性即泥沙颗粒大小;二是指泥沙的粒配结构特性。在有足够水量条件下,什么样粒配结构特性的泥沙才能冲沙减淤最大化,根据黄河下游2002年以来调水调沙的结果看,总的情况是河道中小于0.025毫米粒径的表层沉积泥沙基本上能够起动成为悬移质被水流携带出利津,而河床沉积物中0.05~0.1毫米的粗泥沙只有部分起动成为悬移质被携带至河口;大于0.1毫米的粗泥沙基本上不能成为悬移质输出利津入河口。

 

宁蒙河段现代河床沉积物取样分析,河床质粒配结构普遍比黄河下游粗。主槽的中数粒径0.1毫米左右,而黄河下游高村——泺口河段断面床沙质中数粒径都小于0.064毫米。河床沉积物中小于0.05mm的细泥沙宁蒙河段平均只占有14%;而下游则占到41.5%;大于0.1毫米的泥沙下游只占20.3%;宁蒙河段大于0.1毫米的泥沙约占42%。由比较得到的认识,在同样来水条件下,宁蒙河段沉积沙被掀起成为悬移质的泥沙只有黄河下游的1/3,而不能成为悬移质的粗泥沙宁蒙河段是下游的1倍。

 

通过比较可知,在其他条件相同的情况下,宁蒙河段初期冲刷量只相当于黄河下游的1/3左右;随着冲刷时间的推移,河床粗化的加剧,冲刷量产生递减,而且递减速率要大于下游,河道泥沙冲刷量将会明显减少。

 

河道特性分析

 

河道是冲刷还是沉积与河道特性分不开,如果以河道沉积或侵蚀特性为指标进行河床分类,所有河流可以概括为两大类,一类是侵蚀性河流,另一类是沉积性河流又称冲积性河流。从长时间尺度考虑,世界上的河流不是侵蚀就是堆积,世界上没有绝对冲淤平衡河流。规模比较大的河流,都不是单一的河型,如我国七大江河中的每一条河流都是既有冲积性河段又有侵蚀性河段,一般规律是中上游是侵蚀性河段,中下游是冲积性河段。黄河有三个规模较大的冲积性河段,分别是上游的宁蒙河段,中游的小北干流,桃花峪以下的下游河段。

 

自然界任何一个有规模的河段特性的形成与该河段所在的地质构造背景是分不开的,一般规律是侵蚀性河段发育在地质构造的抬升区,而沉积性河段发育在构造的下沉区,这一规律具有普遍性的,我国七大江河无一例外。宁蒙河段就是发育在构造凹陷带内,这个凹陷带由三个次级凹陷区构成,分别是卫(中卫)宁(中宁)区、银(川)吴(忠)和河套凹陷区;这三个凹陷区之间是青铜峡和巴彦高勒两个相对隆升区。在这样的地质构造背景条件下形成了宽谷与峡谷相间的串珠状河谷地貌形态,这严重地影响到泥沙输移。

 

冲积性河段一个基本特点是纵比降很小,宽深比很大,是导致沉积的主要原因,而泥沙的沉积速率决定于流域来沙量。宁蒙河段自地质时期以来就是一个以泥沙沉积为主的区域,堆积了巨厚的河湖相地层,据相关资料,卫(中卫)宁(中宁)盆地第四纪沉积层厚250米,银(川)吴(忠)盆地200米;内蒙古河套盆地第四纪沉积层超过1000米,沉降中心临河达到1245米。根据1954年至1975年间的大地精密水准测量结果,银吴地壳现代下降的速率是年2.12毫米。这一区域若沉积速率不超过地壳的沉降速率,河床显示不出抬高的变化。

 

近代宁蒙河段泥沙沉积特性并没有改变,全河段(进口站下河沿至出口站河口镇)1952年至2003年共沉积泥沙17.9133亿吨,年均0.3445亿吨;各区段在某些时段也出现冲刷,但总的趋势还是沉积,各区段的沉积速率不尽相同,总的趋势与第四纪地质期沉积速率保持一致,宁夏河段小于内蒙古河段,泥沙沉积量的90%是发生在内蒙古境内。

 

冲积性河段形成是地质过程,单靠人造洪峰改变河流的沉积特性是没有可能的,除非流域完全没有泥沙进入河道;即便如此,河道沉积的基本特性也不会改变为侵蚀性河道,只能恢复到地质时期的河湖相沉积。宁蒙河段的冲积性河流特性也不因一年一度的调水调沙而改变,黄河下游也是如此,小浪底拦沙库容用完以后,下游河道照样要淤积,就是当今一年一度的调水以后河道仍然有淤积,仅仅是淤积量的多少问题。

 

河段泥沙输移特性分析

 

河道冲刷起动的泥沙有无适合的堆积区域,这是调水调沙必须考虑的问题,如果调水调沙是冲上段淤下段,这就失去了调水调沙意义。小浪底调水调沙被冲刷的泥沙可以堆积在黄河河口及海区,有时在山东段也有沉积;从小浪底至沉积区,泥沙输送的最远距离小于1000公里。宁蒙河段调水调沙泥沙输送最远距离近3000公里,要在这么长距离的河段内,尤其是要在小北干流和下游冲积性河段内泥沙不沉积,全河段排沙比达到1的可能性是否存在,这是最大的疑点。冲积性河段排沙比长期以来就小于1,宁蒙河段本身排沙比也一直是小于1,冲刷泥沙能否出河口镇就是一个值得商榷的问题。从1952年至2003年,宁蒙河段没有一个时段是全线冲刷,各个时段都出现冲上段,淤下段或淤上冲下。如青铜峡上下河段冲淤有着交互关系,即上段冲下段淤或上段淤下段冲,这也是符合水力学消能原理的;宁蒙河段无论哪个区段的上河段或是下河段,或全河段输沙平衡计算都是淤积,排沙比小于1。这一河道输移特性不会因一年一度的调水调沙而改变。

 

减缓宁蒙河段淤积的途径

 

分析1986年以来沉积速率加大的原因,不外自然因素和人为因素两方面,自然因素主要是上游来水的减少,自1986年以来径流量减少28%;人为因素促使泥沙沉积速率加大的原因反映在两方面;一是由于区段灌溉面积扩大,增加了农业灌溉用水;二是由于两岸修建大堤减少了泥沙沉积范围,导致沉积速率加大。宁蒙黄河段在建国前基本上没有大堤,自上世纪50年代以来两岸陆续修了大堤,使泥沙的沉积范围由2万多平方公里减少到2000多平方公里;尽管大堤的出现有束水攻沙的作用,但由于整个河段不是渠道式河道,宽深比大,削弱了束水攻沙功能,反而导致沉积加大;还有一个不可忽视的原因是受该河段两岸脆弱生态环境的影响,每年都有一定数量的风成沙进入河道,由于风成沙粒径比较粗,很少能被水流携带而就地沉积。在以上因素综合影响下,导致泥沙沉积速率加大。

 

减缓内蒙古河段的泥沙淤积速率,最有效的是减少上游和两岸流域来沙,尤其是要减少风成沙入黄量,为此只有加大区域生态环境建设力度;同时科学的水资源利用和调度也是减轻淤积不可缺少的。

 

结论

 

通过调水调沙必备条件分析,宁蒙河段水资源供需矛盾严重,难以保证冲沙的有效水资源量;二是河床沉积泥沙粒配结构较粗,可冲起成为悬移质的泥沙只有下游的1/3,难以冲起的泥沙则是下游的1倍;三是宁蒙河段是近1000公里的串珠状冲积性河流,只要地质构造性质不发生改变,永远是沉积性河道,不会转变为侵蚀性河道;四是受河流形态的地质地貌背景影响,被冲起的悬移质泥沙难以输送到3000公里以外的黄河河口;小浪底利用调节库容形成人造洪峰冲沙减淤的经验在上游宁蒙河段难以得到实现。减轻宁蒙河段泥沙沉积的有效途径是加强上游及两岸的生态环境建设,减少入河泥沙,同时加强水资源的科学管理。

 

(作者系中科院地理科学与资源研究所研究员)

 《科学时报》 (2010-9-21 A3 观察)