多元侵蝕下黃河（內(nèi)蒙古段）水生態(tài)問題探究與分析

李超 汪曉華 侯聚峰

摘 ?要：黃河是舉世聞名的多泥沙河流，其泥沙來源主要在水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕和重力侵蝕等多種侵蝕模式交錯并存下發(fā)生。尤其是黃河（內(nèi)蒙古段）受其特殊的地理位置和氣候特征影響，多種侵蝕模式共存的現(xiàn)象尤為明顯。本文通過對黃河（內(nèi)蒙古段）典型的泥沙特征和凍融特征分析，指出近年來受氣候變化和人工控導工程影響，黃河（內(nèi)蒙古段）區(qū)間風沙和“十大孔兌”來沙占總來沙量的70%以上，該部分來沙多以水力侵蝕和凍融侵蝕作用而進入黃河，為保障黃河流域生態(tài)環(huán)境，應加大其流域保護，尤其是黃河南岸“十大孔兌”、烏蘭布和沙漠、庫布其沙漠等沙地的治理工作，同時開展黃河干流水文、氣象、泥沙、冰情、地形等監(jiān)測工作，應用數(shù)值模式、理論分析、模型試驗等多方法開展黃河生態(tài)水利方面的研究，從而建設黃河數(shù)值水利和智慧水利工程。

關(guān)鍵詞：黃河（內(nèi)蒙古段） ? 多元侵蝕 ?生態(tài)水利 ?泥沙 ?凍融

黃河（內(nèi)蒙古段）概況及泥沙特征

黃河是我國僅次于長江的第二大河，她發(fā)源于昆侖山脈南支青藏高原巴顏喀拉山，干流全長5464公里，落差4480米，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東九?。ㄗ灾螀^(qū)），在山東省墾利縣注入渤海。黃河流域位于東經(jīng)96°～119°、北緯32°～42°之間，東西長約1900公里，南北寬約1100公里，流域面積79.5萬平方公里。

黃河（內(nèi)蒙古段）地處黃河最北端，介于北緯39°～41°、東經(jīng)106°～112°之間，從寧夏的石嘴山入內(nèi)蒙古境內(nèi)，流經(jīng)烏海市、阿拉善盟、鄂爾多斯市、巴彥淖爾盟、包頭市、呼和浩特市6個盟市的17個旗（縣、區(qū)），于準格爾旗馬柵鄉(xiāng)榆樹灣出境流入山西和陜西。河道流向分別為從石嘴山至巴彥高勒為由西南流向東北，巴彥高勒至包頭市為自西向東，包頭市至清水河縣的喇嘛灣為由西北流向東南，喇嘛灣至出境為由北向南。其河道形狀呈∩形大彎曲，全長840余公里，占黃河干流總長度的15.74%，落差240米，約占黃河總落差的5%，圖1給出了黃河（內(nèi)蒙古段）地理位置圖。

黃河是舉世聞名的多泥沙河流，其水沙基本特點是水少沙多，含沙量高;水沙異源，分布不均;水沙年際變化大，年內(nèi)分配不均勻，尤其是近年來黃河（內(nèi)蒙古段）受上游水庫、河道控導工程和氣候變化等因素影響，導致河道萎縮和泥沙淤積嚴重，河道形態(tài)演變劇烈，黃河（內(nèi)蒙古段）部分河段淤高了近2米多，形成了200余公里的地上“懸河”。

黃河（內(nèi)蒙古段）泥沙的主要來源包括上游河段源區(qū)、河東沙地、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠和十大孔兌，黃河（內(nèi)蒙古段）中游以上5個沙源的貢獻率分別為31.38%、3.78%、3.52%、16.69%和44.63%。楊根生對黃河風巧段沿岸（沙坡頭—河曲段）的風成沙入黃量進行了研究，結(jié)果表明，以風沙流和坍塌兩種方式進入黃河的風成沙總量為5.32×l07噸/年，再加上發(fā)源和流經(jīng)風沙區(qū)的幾大支流5.00×l07噸/年的泥沙入黃量，每年這個區(qū)域大約有1.32億多噸風成沙進入黃河干流。

黃河（內(nèi)蒙古段）共有石嘴山水文站、巴彥高勒水文站、三湖河口水文站、包頭水文站和頭道拐水文站。其中，位于寧夏的石嘴山水文站為黃河（內(nèi)蒙古段）入境站，頭道拐水文站為黃河（內(nèi)蒙古段）出境站，根據(jù)水利部黃河水利委員會泥沙公報統(tǒng)計，1987—2015年石嘴山水文站斷面年輸沙量為0.718億噸，而頭道拐水文站年輸沙量為0.432億噸，每年從上游河段源區(qū)淤積在黃河（內(nèi)蒙古段）的泥沙為0.286億噸，加之黃河（內(nèi)蒙古段）流域河東沙地、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠和十大孔兌的區(qū)間來沙約為1.28億噸，每年淤積在黃河（內(nèi)蒙古段）的泥沙約為1.57億噸左右，年平均淤積厚度約為0.046米。

黃河（內(nèi)蒙古段）凍融侵蝕特征

同時，黃河（內(nèi)蒙古段）每年有4個多月的冰期，黃河封河冰蓋形成后，河道水流除受河床糙率影響外，還受到冰蓋糙率的影響，河道的綜合糙率明顯大于無冰蓋時的河道糙率。同時，冰蓋的存在增加了過流斷面的濕周，減小了水流過流斷面，從而在同流量下封河時河道水位較敞流期上升1/3左右，黃河（內(nèi)蒙古段）封河時水位較未封河時增加近1.5米。隨著水位的上升，堤岸表面含水量迅速升高，并且水體不斷滲入堤內(nèi)，使堤岸土體由非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化至飽和狀態(tài)，從而引起土的基質(zhì)吸力消失以及抗剪強度的減小。同時，在水的浸泡作用下，邊坡土體內(nèi)的膠凝物質(zhì)逐漸溶解，顆粒之間的潤滑作用得以增強，導致土體的內(nèi)摩擦角與黏聚力降低，再加上張裂縫的產(chǎn)生，最終導致堤岸的自身穩(wěn)定性減弱。但在高緯度地區(qū)河流冬季，堤岸飽和土體經(jīng)過2—3個月的冰期，堤岸土體逐漸凍結(jié)，形成凍土，其力學特性和剪切強度又顯著增加。

開河期冰蓋融化、破裂，河道內(nèi)槽蓄水量釋放，水位下降，堤岸凍土逐漸融解而存在滯水性，致使坡內(nèi)水位下降速率低于坡外，此時坡內(nèi)的孔隙水壓力還未消散，產(chǎn)生指向坡外的滲透壓力。同時，堤岸土體經(jīng)過冰期凍融循環(huán)后，土體內(nèi)部孔隙率增大，土體抗剪破壞力學物理指標明顯下降，原本作用在坡體表面為整個坡體提供支撐作用的靜水壓力迅速消失，以及坡腳部分受流水淘刷影響，導致堤岸崩塌、失穩(wěn)破壞。河流崩岸具有短時性、突發(fā)性、劇烈性等特點，加之河冰因素影響，使其破壞過程更加嚴重，如圖2所示。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，河流崩岸有30%的概率發(fā)生在水位上漲初期，約50%發(fā)生在水位下降期間。崩滑體落入河道內(nèi)，會增加河流的泥沙含量，造成大量淤積，影響河道過流，進而加劇河道的淤積與演化。圖3給出了黃河（內(nèi)蒙古段）包頭水文站2010—2015年月平均含沙量，可以看出：冰封期含沙量為汛期含沙量的1/10，但進入開河期，含沙量明顯增加，尤其是開河4月份水流含沙量是僅次于汛期9月份含沙量次高的月份，因此，開河期河流來沙主要是堤岸崩塌泥沙入河，堤岸崩塌已成為黃河（內(nèi)蒙古段）泥沙的主要沙源之一。

氣候變化下黃河冰情及泥沙新特征

近年來，受全球氣候變暖和人類活動的影響，黃河（內(nèi)蒙古段）冰情出現(xiàn)一些新的特征，圖4顯示了1961年—2011年11月1日至3月31日累計日平均氣溫的變化。

從圖中可以看出，近50年來，雖然在個別年份出現(xiàn)了冷冬，但冬季氣溫呈明顯的上升趨勢，冬季日平均累計氣溫減少了300℃—400℃。氣溫的升高導致黃河（內(nèi)蒙古段）冰期縮短，產(chǎn)冰量減少，冰厚變薄。圖5給出1961年—2011年和2013年—2014年11月1日至3月31日日平均氣溫變化?？梢钥闯觯?013年—2014年冬季氣溫明顯高于歷年，流凌日期較往年推后15天，冰期縮短將近20天。同時，由于河道建筑物的作用，使得卡冰位置、封河形態(tài)都發(fā)生較大的變化，黃河的泥沙和冰情呈現(xiàn)出新的特征：

一是黃河（內(nèi)蒙古段）河道水沙異源特征越發(fā)明顯;

二是反復的凍融循環(huán)作用使得黃河（內(nèi)蒙古段）河岸崩塌頻繁，河道演變越來越劇烈;

三是氣溫的升高導致整個冰期縮短，冰厚變薄;

四是產(chǎn)冰量的減少，使得封河位置向下游移動;

五是河道中公路橋、鐵路橋及其它河工建筑物的存在導致卡冰結(jié)壩的發(fā)生，使得封河過程出現(xiàn)分段封河的現(xiàn)象;

六是上游水庫、水閘等河道控導工程對封河流量的控制導致封河過程更加平緩;

七是下游水庫（萬家寨水利樞紐）的建設，使上游河道流速變小，產(chǎn)冰量增加，原來的不封凍河段變成封凍河段。

八是氣溫升高使得封河位置下移，封河時下游段極易發(fā)生冰壩、冰塞;開河時，上游和下游同時開河，中游段因流量增大，易形成卡冰結(jié)壩危險。

圖6分別給出了石嘴山和頭道拐水文站2010年—2015年徑流量，從圖中可以看出，出境站頭道拐斷面的平均年徑流量為194.65億米3，小于入境站石嘴山斷面的平均年徑流量268.36億米3，頭道拐斷面的年均徑流明顯小于石嘴山斷面的年均徑流73.71億米3。圖7給出石嘴山和頭道拐水文站2010-2015年平均含沙量，頭道拐斷面年均含沙量為2.46千克/米3，石嘴山斷面年均含沙量為1.71千克/米3，頭道拐斷面的年均含沙量明顯大于石嘴山斷面的年均含沙量0.75千克/米3。黃河（內(nèi)蒙古段）呈現(xiàn)明顯的水少沙多的水沙特征，加之河道比降小，水流流速低，導致該河段淤積嚴重。

討論

通過以上分析可以看出，由于黃河（內(nèi)蒙古段）水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕和重力侵蝕交錯并存，導致該河段的泥沙、生態(tài)問題尤為嚴重。加之氣候變化的影響，使得在研究河道生態(tài)安全、用水安全及防洪安全時需要綜合考慮氣象、地形、水文及河道建筑物等因素，針對各種侵蝕的源頭展開機理研究，提出各項保護黃河干流及其流域范圍生態(tài)治理措施，按照習近平總書記提出的“表象在黃河，根子在流域”的方針，在治理黃河干流的同時，加大其流域保護力度，尤其是加強黃河南岸“十大孔兌”、烏蘭布和沙漠、庫布其沙漠的治理工作，減少由于水力侵蝕和風力侵蝕導致的沙量。大力發(fā)展沙漠、山洪溝渠綠色產(chǎn)業(yè)，在生態(tài)保護為根本，以綠色產(chǎn)業(yè)為帶動，以經(jīng)濟提升為附加，形成新型生態(tài)產(chǎn)業(yè)，帶動地方經(jīng)濟發(fā)展。

在黃河干流上要開展黃河水文、冰情、氣象、地形等方面的野外觀測，將傳統(tǒng)的黃河水利轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字水利和智慧水利，采用理論分析、數(shù)學模擬等方面揭示黃河凍融侵蝕和重力侵蝕的規(guī)律，提出治理黃河干流生態(tài)的工程和管理措施，維護黃河的防凌、河道、生態(tài)安全，保證河道的生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展。

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（作者單位：1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院;2.內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院;3.烏海市水務局）

責任編輯：代建明