黃河下游治理方略演變及綜合治理前沿技術(shù)

張金良，仝 亮，王 卿，段 沛,2，尚毅梓,3

(1．黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

通常認(rèn)為多年平均輸沙量大于1億t，或者多年平均含沙量超過(guò)10 kg/m3的河流為多沙河流，目前世界上的多沙河流有13條，其中黃河年輸沙量排在首位[1]?！八?、沙多，水流挾沙量大”是多沙河流的突出特征，譬如黃河潼關(guān)站多年平均輸沙量高達(dá)9.2億t，多年平均年徑流量?jī)H為335.3億m3[2]。若水流挾帶泥沙能力不足，泥沙沿程淤積，在其下游就會(huì)形成“地上懸河”。泥沙淤積是多沙河流下游潰壩，形成漫灘洪水，威脅灘區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)的根源[3]。

國(guó)際上通常在多沙河流的上中游建造水庫(kù)攔截泥沙以減少下游淤積[4]。與常規(guī)水庫(kù)顯著不同，多沙河流水庫(kù)的運(yùn)用方式主要是蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙[5]，即當(dāng)汛期來(lái)沙時(shí)，空庫(kù)或低水位運(yùn)用迎汛，當(dāng)洪水裹挾大量泥沙入庫(kù)時(shí)，使用如排沙底孔等排沙設(shè)施進(jìn)行排沙減淤；河水沙量較少時(shí)，方能攔蓄徑流，蓄水興利[6]。多沙河流在常年輸沙的作用下，河道及水庫(kù)內(nèi)的淤積是不可避免的，河流泥沙治理就顯得尤為重要[7]。上中游的水土流失是下游泥沙的主要來(lái)源，所以治理的關(guān)鍵和根本是水土保持[8]，主要由覆蓋坡面、緩截水勢(shì)、截排水流、蓄存水能4種方法控制水流沖刷力，進(jìn)而防止水土流失[9]，通過(guò)治溝工程、治坡工程等措施實(shí)現(xiàn)。根本治理所需時(shí)間長(zhǎng)、見(jiàn)效慢，還需同步進(jìn)行下游河道的流路治理，防止洪水災(zāi)害。多沙河流的下游曲折多彎，河床易沖易淤，由于彎道的形態(tài)約束，造成表層水流指向凹岸，后潛入河底朝凸岸流去，而底層水流則指向凸岸，后翻至水面流向凹岸，呈現(xiàn)凹岸沖刷而凸岸淤積的現(xiàn)象[10-11]?！坝偻箾_凹”造成了主流擺動(dòng)不定，使得下游河段河勢(shì)呈現(xiàn)出游蕩性變化特征?！拔澬驼巍本褪抢枚嗌澈恿鬟@一河流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，設(shè)置人工彎道，利用凸岸淤積來(lái)防沙排沙[12]。

黃河是世界上最復(fù)雜難治的多沙河流，黃河下游的泥沙、懸河等問(wèn)題尤為突出[13]。從自然形態(tài)上來(lái)看，黃河下游地形地貌特征獨(dú)特，斷面寬淺、灘槽高差較小，尤其是河南段游蕩性河道“洲灘密布、汊道交織”，而且有洪水變化急劇、同流量下的含沙量不穩(wěn)定的復(fù)雜演變特點(diǎn)，以及水流分散，主流擺動(dòng)不規(guī)律，河勢(shì)變化劇烈，河床易發(fā)生沖淤且幅度大等特征[14]。而黃河下游灘區(qū)不僅是滯洪沉沙的場(chǎng)所和行洪輸沙的通道，也是老百姓賴以生存的家園。在國(guó)家全面建設(shè)小康社會(huì)、大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，黃河長(zhǎng)期存在著防洪運(yùn)用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾：由來(lái)已久的“人水爭(zhēng)地”矛盾，灘區(qū)脫貧致富投入與防洪管理調(diào)度大局之間愈發(fā)凸顯的矛盾，黃河下游生態(tài)保護(hù)與灘區(qū)無(wú)序開(kāi)發(fā)、低端供給之間的矛盾等，無(wú)不昭示黃河下游灘區(qū)治理矛盾的復(fù)雜性[15]。

本文以我國(guó)在黃河下游治理方式的轉(zhuǎn)變?yōu)橹骶€，闡述黃河下游復(fù)雜難治的特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)時(shí)期最前沿的治理技術(shù)進(jìn)行評(píng)述，并討論生態(tài)治理技術(shù)的發(fā)展方向，期望對(duì)黃河下游治理有所啟發(fā)。

1 黃河下游治理方略的演變及其成效

黃河下游以“善徙、善淤、善決”聞名于世[16]。自公元前600余年至1938年下游河段發(fā)生決口近1 600次，重大改道5次，決溢縱橫面積達(dá)到約25萬(wàn)km2，涉及河北、山東、河南、江蘇、安徽五省[17]。頻繁的水患給下游沿岸百姓帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，黃河安危事關(guān)國(guó)家政治安定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，古往今來(lái)，許多治河思想與方略應(yīng)運(yùn)而生[18]，總體而言，可分為3個(gè)階段。

1.1 第一階段：黃河下游河道“治水防洪”

春秋以前，由于認(rèn)知水平有限、治理手段落后，黃河治理局限于防洪保安，表現(xiàn)出從“水來(lái)土擋”到“筑堤分流”逐漸合理的演變過(guò)程。傳說(shuō)中共工率眾“壅防百川，墮高堙卑”，而后鯀“障洪水”未果，禹采用“因水之流”“疏川導(dǎo)滯”之法最終成功治水，便體現(xiàn)了治河思想的演變[19]。春秋時(shí)期，齊國(guó)的管仲主張“筑堤防洪、除害興利”，這是最早有關(guān)黃河下游修筑堤防的文字記載[20]。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，黃河下游的河岸堤防相互連貫形成一體，有記載“做堤去河二十五里”[21]，表明筑堤防洪已成為當(dāng)時(shí)治河的主要手段。西漢末年，先前的堤防已很難有效防洪，黃河下游決口和泛濫頻繁發(fā)生。賈讓提出“治河三策”：上策是避免人水沖突，擴(kuò)寬河道；中策是在黃河河道的狹窄處分水；下策是對(duì)已形成的堤防工程進(jìn)行加固[22]。這一治河策略體現(xiàn)了“不與水爭(zhēng)地”的原則。受當(dāng)時(shí)歷史背景所限，決策者只采納了下策，但也隱含了“寬河固堤”的思想[23]。東漢初期，漢明帝令王景治理黃河，達(dá)到“河汴分流，復(fù)其舊跡”的良好效果，上段滎陽(yáng)一片堤距數(shù)十里，兩岸堤防間設(shè)置充足的寬度容納洪水并沉積泥沙，“左右游波，寬緩而不迫”，使河床淤高明顯變慢[24]，實(shí)際踐行了賈讓“治河三策”中的上策。此后數(shù)百年內(nèi)，黃河下游未出現(xiàn)大型改道[25]。北宋時(shí)期，黃河下游水患再度嚴(yán)重，新改河道行河不久就嚴(yán)重淤積。任伯雨提出“寬立堤防，約攔水勢(shì)，使不至大段漫流”的治河方略[26]，表明了當(dāng)時(shí)我國(guó)水利學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到“若未能妥善解決河道淤積問(wèn)題，即使黃河改道也很難持久”，黃河水患與泥沙淤積有著密切的聯(lián)系。在戰(zhàn)亂動(dòng)蕩的兩宋之際，黃河決堤后便改道南下，夾雜著大量泥沙淤塞了入海通道，致使洪水排泄不暢，四處泛濫。明朝時(shí)期，萬(wàn)恭和潘季馴明確提出黃河難治的根源在于泥沙[27]，認(rèn)為黃河不應(yīng)分流，宜采用堤防約束使其合流，再?zèng)_刷河道淤沙，并攜沙入海，實(shí)現(xiàn)“淤不得停，則河深，河深則永不溢”，該治河主張被后人總結(jié)為“束水攻沙”。清朝時(shí)期，靳輔、陳潢延續(xù)“束水攻沙”的治河思路，直到清朝末期，黃河下游未發(fā)生大的災(zāi)害。清朝后期，自然環(huán)境變化加上治河投入減少，歷經(jīng)宋、明、清初所治理的明清故道比降逐漸變緩，下游河床淤積抬升再趨嚴(yán)重[28]，行河七百余年的明清古道被廢棄，由此形成利津入海的現(xiàn)行河道。

1.2 第二階段：全河“治水與治沙”相結(jié)合

1949年以后，政府認(rèn)識(shí)到黃河河道“上沖下淤”的自然規(guī)律，于1953年制定出“蓄水?dāng)r沙”方案，在三門(mén)峽建設(shè)大型水庫(kù)攔截上游來(lái)沙。然而，三門(mén)峽水利樞紐1960年下閘蓄水后不久就產(chǎn)生了嚴(yán)重淤積。隨后總結(jié)三門(mén)峽水庫(kù)的慘痛教訓(xùn)，在涇河、渭河、延水、洛河等主要支流繼續(xù)修筑10座水庫(kù)，同時(shí)展開(kāi)植樹(shù)造林、種草等水土保持工作[29]，實(shí)際的治理效果也表明了“在上中游攔泥蓄水，在下游防洪排沙”是行之有效的治河策略[30]，后世稱之“上攔下排”治河方略[31]，為黃河后期進(jìn)行“調(diào)水調(diào)沙”奠定了基礎(chǔ)。

自1973年10月起，三門(mén)峽水庫(kù)開(kāi)始采用“蓄清排渾”運(yùn)用，平水期控制水位305m，降低水庫(kù)運(yùn)行水位，增強(qiáng)排沙輸沙能力，并通過(guò)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電；來(lái)較大洪水時(shí)，水庫(kù)敞泄排沙運(yùn)用，把非汛期淤積的泥沙排出水庫(kù)。經(jīng)過(guò)改建并采用“蓄清排渾”運(yùn)用之后，水庫(kù)淤積的泥沙得到了有效控制，三門(mén)峽水庫(kù)逐漸進(jìn)入淤積平衡狀態(tài)。

1986年，黃河水利委員會(huì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)提出了“攔、用、調(diào)、排”四字治河方略[32]。其中“攔”，即在上中游通過(guò)植樹(shù)造林種草等水土保持措施和干支流水庫(kù)的死庫(kù)容運(yùn)用實(shí)現(xiàn)攔截泥沙?！坝谩?，即用洪用沙，在全河段采取引洪放淤、引洪漫地、淤背固堤等措施?！罢{(diào)”，即調(diào)水調(diào)沙，通過(guò)建設(shè)黃河干支流水庫(kù)來(lái)調(diào)節(jié)水量和泥沙，將原有不利的水沙不平衡轉(zhuǎn)變成適宜的水沙相適應(yīng)，進(jìn)而排沙排洪，同時(shí)減少下游河道淤積。“排”，即充分利用中上游水庫(kù)攔沙，使得下游河道沖刷，從而比降變陡，排洪排沙能力加大，排沙排洪入海。

2002年，水利部將控制黃河洪水的方略定為“上攔下排，兩岸分滯”，將處理與利用黃河泥沙的方略定為“攔、排、調(diào)、放、挖”。其中“放”，即對(duì)下游兩岸進(jìn)行處理時(shí)利用好一部分洪水?dāng)y帶的泥沙，“挖”就是通過(guò)挖河淤背，進(jìn)而對(duì)黃河干堤加固，逐漸發(fā)展成“相對(duì)地下河”。至此，先后經(jīng)歷了“寬河固堤”“蓄水?dāng)r沙”“上攔下排，兩岸分滯”“調(diào)水調(diào)沙”和“攔、用、調(diào)、排”等治河方略，真正使治黃由下游防洪走向了全河治理。

1.3 第三階段：黃河下游流域“分區(qū)治理”

2000年以來(lái)，黃河流域下墊面條件、進(jìn)入下游的水沙過(guò)程及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平顯著變化[33]，原來(lái)的河道行洪區(qū)(灘區(qū))人類活動(dòng)頻繁，進(jìn)一步加大了治理難度。黃河下游灘地作為流域的重要成分，既是行洪、滯洪、沉沙的場(chǎng)所，也是沿黃居民生產(chǎn)、生活、發(fā)展的區(qū)域[34-35]。目前黃河下游山東灘區(qū)、河南灘區(qū)居住有上百萬(wàn)人口，在灘區(qū)從事生產(chǎn)活動(dòng)，影響并制約著防洪工程的建設(shè)及其調(diào)度運(yùn)用[36]。此外，1949年之后4次加高加固的堤防工程雖然確保了黃河下游70余年安瀾，但也阻隔了灘區(qū)與沿黃30余座大中城市的協(xié)同發(fā)展，制約了“黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[37]。

2018年，黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司首次提出“分區(qū)治理”的新思路，在現(xiàn)狀“寬河固堤”的格局下改造黃河下游灘區(qū)，使用泥沙放淤、挖河疏浚等手段進(jìn)行施工建設(shè)，形成不同功能區(qū)域。最主要的是適當(dāng)加高臨堤2 000 m以內(nèi)區(qū)域形成“高灘”，將其劃為生態(tài)宜居區(qū)，按照20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，用以安置灘區(qū)原有居民，解決群眾的防洪保安難題；“二灘”為“高灘”和“嫩灘”之間的區(qū)域，經(jīng)過(guò)人工改造達(dá)到5年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在政府的引導(dǎo)和扶持下，按市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、環(huán)保工業(yè)等，解決移民的生產(chǎn)生活問(wèn)題[38]；對(duì)貼近河道的“嫩灘”，可建設(shè)生態(tài)濕地景觀，還能在汛期與黃河河道共同行洪輸沙。這是一種流域綜合治理模式，特色十分突出，通過(guò)“三灘”(“二灘”“高灘”和“嫩灘”)的生態(tài)建設(shè)，可將黃河下游塑造為“人-水-沙”和諧共存的濱河廊道[39]。

該模式在防洪標(biāo)準(zhǔn)制定、移民安置等方面均有一定政策依據(jù)[40]，且遵循了河流水沙輸移的自然規(guī)律，具有充分的可行性?！案邽钡暮樗烙鶚?biāo)準(zhǔn)建設(shè)達(dá)到了普通縣城的水平；“二灘”按照一般耕地的防洪標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)劃建設(shè)，能夠抵擋住小型洪水。如此按照保護(hù)對(duì)象及其重要程度進(jìn)行的洪水防御，被稱為“洪水分級(jí)設(shè)防”。黃河下游中、小洪水發(fā)生頻繁，采用該治理模式，泥沙多在“嫩灘”落淤，對(duì)灘區(qū)居民的生產(chǎn)生活影響較小。只有遭遇到數(shù)十年一遇的大洪水乃至特大洪水，“二灘”乃至“高灘”才會(huì)和河道共同行洪輸沙，泥沙在整個(gè)灘區(qū)落淤，這便是“泥沙分區(qū)落淤”。此外，“三灘”彼此之間未設(shè)置隔斷，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)灘-槽水沙的自由交換，而且在各種量級(jí)的洪水發(fā)生后，其退水均能以自然狀態(tài)回歸河道，這也是該模式有別于以往“束水攻沙”和“寬河固堤”等方略淤灘刷槽的重要特點(diǎn)。

2 多沙河流流域治理的前沿技術(shù)

黃河下游的治理問(wèn)題需要從流域的角度來(lái)解決，這是多年工程實(shí)踐獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)[41]?；谶@一思路，21世紀(jì)以來(lái)治黃工作者們圍繞多沙河流水庫(kù)運(yùn)用[42]、治沙工程結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化及河道灘區(qū)生態(tài)治理[43]等相關(guān)技術(shù)開(kāi)展積極探索并取得重要成果。

2.1 攔沙水庫(kù)減淤興利運(yùn)用新技術(shù)

多沙河流水庫(kù)運(yùn)用技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段：

第一階段以三門(mén)峽水庫(kù)初期蓄水?dāng)r沙運(yùn)用技術(shù)為代表，庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。蓄水?dāng)r沙運(yùn)用技術(shù)可進(jìn)一步細(xì)分為“蓄洪攔沙”和“蓄洪排沙”兩種運(yùn)用方式，值得注意的是，此處蓄洪攔沙運(yùn)用過(guò)程中，水庫(kù)的蓄水工作不僅在泥沙含量較低的非汛期進(jìn)行，而且也在泥沙含量較高的汛期內(nèi)進(jìn)行，因而該運(yùn)用方式較適合具有較大攔沙庫(kù)容的水庫(kù)，這類大型水庫(kù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期蓄水?dāng)r沙后，仍有一部分庫(kù)容滿足各種興利調(diào)度要求[44]。我國(guó)官?gòu)d水庫(kù)、三門(mén)峽水庫(kù)在起初的運(yùn)用上曾采用過(guò)這種運(yùn)用方式，結(jié)果水庫(kù)泥沙大量淤積，運(yùn)行方式在后期被迫調(diào)整。后期對(duì)水庫(kù)采取的蓄洪排沙運(yùn)用方式，是指在水量與含沙量的量級(jí)較大的季節(jié)(汛期)，只對(duì)一部分洪水進(jìn)行攔蓄，且這一時(shí)期的限制水位會(huì)根據(jù)排沙水位而受到限制，當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)該限制水位時(shí)，水庫(kù)主動(dòng)棄水[45]。已有的劉家峽、石泉、馮家山等水庫(kù)采用此類運(yùn)用方式，通過(guò)控制水位運(yùn)用，限制水庫(kù)泥沙淤積在某一高程以下，可長(zhǎng)期保持一定的有效庫(kù)容用于興利調(diào)度。

第二階段以三門(mén)峽水庫(kù)兩次改建后“蓄清排渾”運(yùn)用為代表，有效庫(kù)容得到保持，實(shí)現(xiàn)了部分開(kāi)發(fā)目標(biāo)。“蓄清排渾”運(yùn)用技術(shù)進(jìn)一步細(xì)分為汛期滯洪運(yùn)用、汛期控制低水位運(yùn)用和汛期控制蓄洪運(yùn)用等形式[46]。其中，汛期滯洪運(yùn)用是指在汛期采取空庫(kù)迎洪、滯洪排沙，水庫(kù)對(duì)洪水按泄洪能力自然滯洪，僅起到緩滯作用，洪水過(guò)后立即敞泄沖刷，把汛前蓄水期和滯洪期淤積的泥沙沖刷排出水庫(kù)，排沙效果較好，能大大減少水庫(kù)的淤積，如黑松林、紅領(lǐng)巾、洗馬林等水庫(kù)均采用此運(yùn)用方式。汛期控制低水位運(yùn)用即汛期水庫(kù)不泄空，而是采取限制一定的低水位進(jìn)行控制運(yùn)用，一般為排沙限制水位。當(dāng)洪水到來(lái)時(shí)，庫(kù)水位限制這一水位運(yùn)行，大部分洪水排沙出庫(kù)，因排走汛期大部分泥沙，依靠年際間來(lái)水的豐枯過(guò)程，可以基本控制水庫(kù)淤積。青銅峽水庫(kù)和改建后的三門(mén)峽水庫(kù)采用的運(yùn)用方式屬于此類型[47]。汛期控制蓄洪運(yùn)用是在汛期含沙量較高的洪水時(shí)采取低水位控制運(yùn)用，將泥沙排至庫(kù)外，而含沙量較低的小洪水可以適當(dāng)加以攔蓄，以提高水庫(kù)的興利效益，滿足用水需求。這種運(yùn)用方式主要解決水庫(kù)排沙與蓄水興利的矛盾，如山西的恒山水庫(kù)。“蓄清排渾”運(yùn)用技術(shù)是我國(guó)多沙河流水庫(kù)較廣泛采用的技術(shù)。

第三階段以小浪底水庫(kù)攔沙初期“調(diào)水調(diào)沙”運(yùn)用為代表，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)及河道減淤，提升了綜合利用效益[48]。“調(diào)水調(diào)沙”是以下游河道泥沙沖淤情況為依據(jù)，對(duì)水庫(kù)運(yùn)用方式進(jìn)行靈活且及時(shí)的調(diào)節(jié)，再充分利用水庫(kù)下游河道大流量洪水過(guò)程的輸沙能力，盡可能多地把水庫(kù)和下游河道中的淤沙輸送入海，這一運(yùn)用方式可視作對(duì)“蓄清排渾”的進(jìn)一步深化[49]。21世紀(jì)以后，黃河水利委員會(huì)在總結(jié)三門(mén)峽、青銅峽、天橋、王瑤、巴家嘴等已建水庫(kù)“蓄清排渾”運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出多沙河流水沙聯(lián)合調(diào)控技術(shù)，該技術(shù)核心在于對(duì)主汛期入庫(kù)的水量和沙量進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，通過(guò)對(duì)水庫(kù)的蓄、泄水時(shí)間和數(shù)量進(jìn)行有目的地控制，盡可能延長(zhǎng)攔沙水庫(kù)使用年限，將減少水庫(kù)淤積與下游河道減淤有機(jī)結(jié)合起來(lái)[50]。

2.2 流域治沙工程新結(jié)構(gòu)及新工藝

黃河治沙工程有著悠久的歷史，隨著人們對(duì)黃河泥沙問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深入，加上實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，一些傳統(tǒng)治沙工程的建筑材料、建筑物類型、結(jié)構(gòu)工藝形式等實(shí)用性能不斷改進(jìn)，其中以淤地壩和丁壩的發(fā)展最為典型。

淤地壩是以攔泥淤地為目的而修建在溝道中的壩工建筑物，在黃河流域水土流失治理中發(fā)揮著重要作用[51]。明朝時(shí)期陜西省子洲縣首次“天然聚湫”形成黃土洼淤地壩，時(shí)至今日，黃河流域已有淤地壩5.88萬(wàn)座，淤地面積約940 km2，累積攔減入黃泥沙95.4億t，年均攔減入黃沙量超過(guò)3億t[52]。以往的淤地壩全部為均質(zhì)土壩，潰決風(fēng)險(xiǎn)高，即便增設(shè)混凝土溢洪道或在建筑材料中添加漿砌石等措施，僅可一定程度上減小潰決的風(fēng)險(xiǎn)，不能從本質(zhì)上解決臨壩身過(guò)流而導(dǎo)致壩體受損的問(wèn)題[53]。況且，作為小型水利工程，很多淤地壩的泄洪設(shè)施并不完善，極端氣象條件下作用不穩(wěn)定。2013年陜西延河遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，上千座淤地壩不同程度受損；2016年內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗西柳溝和罕臺(tái)川小流域發(fā)生特大暴雨，數(shù)十座淤地壩發(fā)生決口。黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司開(kāi)展淤地壩免管護(hù)研究，歷經(jīng)十余年探索研究，于2020年提出了一種全新的壩工結(jié)構(gòu)[54]，它在土壩壩體上設(shè)置防沖刷保護(hù)層，沖刷保護(hù)層是以當(dāng)?shù)攸S土為原料，由黃土、固化劑、細(xì)砂按照6∶3∶1的比例摻和，實(shí)現(xiàn)了原料就地取材，在提高性能的同時(shí)還降低了成本。

丁壩是河道整治建筑物，因其具有保護(hù)河岸、調(diào)整水流等功能被廣泛應(yīng)用，但對(duì)于黃河下游不利的河道形態(tài)，傳統(tǒng)土石結(jié)構(gòu)的丁壩在對(duì)高含沙水流控導(dǎo)、自身安全防護(hù)等方面都出現(xiàn)了不同程度的問(wèn)題。對(duì)此加以改進(jìn)，形成了壩垛結(jié)構(gòu)和丁壩壩頭保護(hù)結(jié)構(gòu)兩種設(shè)計(jì)，在黃河下游游蕩型河段整治中普遍采用[55]。

傳統(tǒng)水利工程以建設(shè)水工建筑物為手段，目的是改造和控制河流。然而，河流不應(yīng)只看到可供開(kāi)發(fā)水資源的一面，同時(shí)更是河流系統(tǒng)水生生物生命的承載。我國(guó)水利行業(yè)工作者基于生態(tài)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)理念，對(duì)現(xiàn)有水利工程進(jìn)行了深入的思考與反思，意識(shí)到河流治理不但事關(guān)河流的資源功能，還有河流的生態(tài)功能，相應(yīng)地水利工程也應(yīng)當(dāng)在符合工程設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，更應(yīng)該符合自然原理。目前，河堤工程仿生態(tài)改造及其新材料的研發(fā)已經(jīng)提上日程，且不局限于設(shè)計(jì)壩型滿足防洪要求，更主張兼顧防洪安全與生態(tài)友好的河道整治工程形式與設(shè)計(jì)。將使用近自然的河道工程結(jié)構(gòu)和材料，實(shí)現(xiàn)有利于水生生物繁衍生息的目的[56]，構(gòu)建“韌性河道”，并在黃河下游的游蕩性河段示范應(yīng)用。

2.3 河道灘區(qū)生態(tài)環(huán)境治理新技術(shù)

黃河是連接河源區(qū)、上中下游及河口等生態(tài)區(qū)域單元的“廊道”，近年來(lái)黃河流量衰減，加之持續(xù)的河道治理使河灘邊界發(fā)生變化，出現(xiàn)“人進(jìn)水退”局面，污水進(jìn)入河道、人水爭(zhēng)地等造成的水環(huán)境污染、生態(tài)受損等問(wèn)題凸顯。

從生態(tài)視角解析，河道形態(tài)和人水爭(zhēng)地是生態(tài)問(wèn)題的癥結(jié)，并隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生“人水爭(zhēng)地—河道形態(tài)破壞—生態(tài)問(wèn)題—人水爭(zhēng)地”的惡性循環(huán)。因此，對(duì)河道形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工干預(yù)，是破解生態(tài)問(wèn)題負(fù)循環(huán)的根本途徑。黃河下游河流生態(tài)系統(tǒng)包含水、土等非生物環(huán)境與人類等生物要素兩大部分，其特征主要表現(xiàn)在：水少沙多、懸河的自然特征，土地?zé)o序開(kāi)發(fā)、人水爭(zhēng)地的社會(huì)特征以及土地、村鎮(zhèn)綴塊化、物種單一等生態(tài)特征[57]。“二級(jí)懸河”導(dǎo)致了洪水風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，生態(tài)水文過(guò)程異常，水陸交錯(cuò)帶邊緣效應(yīng)喪失；人水爭(zhēng)地導(dǎo)致了洪水風(fēng)險(xiǎn)高、灘區(qū)經(jīng)濟(jì)受損、發(fā)展受限、農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境污染等[58]。這些問(wèn)題導(dǎo)致了黃河下游生態(tài)環(huán)境破壞加劇、生態(tài)景觀格局破碎的局面。

在問(wèn)題識(shí)別、功能定位調(diào)整的基礎(chǔ)上，2019年6月黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司提出黃河下游生態(tài)治理目標(biāo)。一是以消除“二級(jí)懸河”為目標(biāo)，重塑寬灘河流地貌，扭轉(zhuǎn)“二級(jí)懸河”特征，恢復(fù)自然河流健康的斷面形態(tài)，從結(jié)構(gòu)上喚醒河流邊緣效應(yīng)，修復(fù)水陸交錯(cuò)帶的濕地生境，提高生境質(zhì)量，增強(qiáng)寬灘河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[59]。二是以重構(gòu)生態(tài)空間為目標(biāo)，布局生活、生產(chǎn)、水沙等最適生態(tài)位，增加生態(tài)系統(tǒng)類型；科學(xué)布局人工綴塊，連塊成廊，功能融合，構(gòu)建層次多樣的生態(tài)空間優(yōu)化格局。三是以增效生態(tài)過(guò)程為目標(biāo)，加強(qiáng)寬灘河流生態(tài)空間的異質(zhì)性，發(fā)展高效循環(huán)農(nóng)業(yè)，綠色移民生態(tài)建鎮(zhèn)，保護(hù)和培育生物多樣性，促進(jìn)河-灘-人復(fù)合整體有序性和自組織結(jié)構(gòu)完善，提高生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效率。

為此，筆者所在團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)構(gòu)建了多沙河流灘區(qū)生態(tài)環(huán)境治理關(guān)鍵技術(shù)體系，包括研發(fā)基于河湖生態(tài)增長(zhǎng)極的選址方法、基于多維平衡的水體規(guī)模論證方法、水體生境模擬和數(shù)模驗(yàn)證技術(shù)、懸浮過(guò)濾人工濕地及濕地公園生態(tài)水凈化系統(tǒng)、雨污管網(wǎng)防堵控流技術(shù)和污水處理總氮智控技術(shù)、生態(tài)仿生水工新結(jié)構(gòu)、新型高效原位水質(zhì)凈化技術(shù)等新型技術(shù)與方法，進(jìn)一步保障水生態(tài)文明目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 討 論

黃河之所以難治，根源在于泥沙問(wèn)題。自然條件下，黃河每年都會(huì)生產(chǎn)約16億t泥沙，其中有12億t流入大海，剩下的滯留在黃河下游。隨著滯留的泥沙不斷抬高河床，使得堤壩相對(duì)河面高度變低，如果發(fā)生洪水，便會(huì)導(dǎo)致洪水泛濫[60]。歷史上黃河下游的治理一直圍繞防洪開(kāi)展。2000年以來(lái)，隨著小浪底水庫(kù)建成運(yùn)用，黃河下游治理進(jìn)入了一個(gè)全新時(shí)期，下游防洪風(fēng)險(xiǎn)得到了有效控制，然而，上中游經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展導(dǎo)致用水劇增，黃河下游水量持續(xù)衰減，下游居民大量在灘區(qū)從事生產(chǎn)活動(dòng)。加之全球氣候變化、極端氣象天氣增加，導(dǎo)致下游治理面臨新的挑戰(zhàn)，流域洪災(zāi)與旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)共存，灘區(qū)居民防洪與保安沖突。

最新研究提出的“分區(qū)治理”實(shí)質(zhì)是對(duì)黃河下游全流域進(jìn)行的河道-灘槽協(xié)同治理，是對(duì)下游懸河不利形態(tài)進(jìn)行重塑。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)建設(shè)“高灘”和“二灘”有效消除“二級(jí)懸河”的倒比降，助力洪水自然漫灘并減小下游河道淤積。從已開(kāi)展的原型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，嫩灘淤積減少幅度更大，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及模型實(shí)驗(yàn)均表明該模式可有效遏制黃河下游河床進(jìn)一步抬升。表1為采用“寬河固堤”“束水攻沙”和“分區(qū)治理”不同方略治理黃河下游的減淤效果。由表1可見(jiàn)，遭遇千年一遇高含沙洪水，“寬河固堤”“束水攻沙”和“分區(qū)治理”3種治理方略的河道淤積量分別為2.06億t、1.45億t和1.03億t，其中“嫩灘”的泥沙淤積量分別為1.53億t、1.68億t和0.77億t；遭遇百年一遇高含沙洪水，河道淤積量分別為2.01億t、1.44億t和0.98億t，其中“嫩灘”淤積量為1.42億t、1.59億t和0.69億t；遭遇十年一遇高含沙洪水，河道淤積量分別為7.72億t、6.98億t和6.00億t，其中“嫩灘”淤積量分別為3.85億t、3.76億t和2.99億t；遭遇“96·8”洪水，河道淤積量分別為2.45億t、2.30億t和1.95億t，其中“嫩灘”淤積量分別為0.27億t、0.26億t和0億t。

表1 不同治理方略下的黃河下游減淤效果 單位：億t

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為下游河道“嫩灘”泥沙淤積量。

以黃河下游禪房斷面為例，評(píng)估該斷面分別采用“寬河固堤”“束水攻沙”和“分區(qū)治理”方略后，“二級(jí)懸河”倒比降消除效果，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，采用“寬河固堤”治理模式后，若遭遇漫灘洪水，禪房斷面灘槽高差將達(dá)到5.5 m，灘槽橫向倒比降最高為0.6‰，若臨近主槽生產(chǎn)堤決口，流速約為3.0 m/s，黃河大堤偎水7.5 m；采用“束水攻沙”方案，遭遇十年一遇洪水，灘地橫向流速最高將達(dá)到3.5 m/s。分區(qū)治理方案通過(guò)“二灘”再造和“高灘”淤筑，“二級(jí)懸河”不利局面基本消除，灘槽橫向倒比降不復(fù)存在，洪水自然漫灘，堤根偎水深度僅有0.9 m。

表2 “二級(jí)懸河”倒比降消除效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前，“分區(qū)治理”新模式在黃河下游河南段已有規(guī)劃建設(shè)試點(diǎn)。該模式的實(shí)施要點(diǎn)可總結(jié)為[61]：①由黃河大堤向主槽的灘地依次分區(qū)改造為“高灘”“二灘”和“嫩灘”，各類灘地設(shè)定不同的洪水上灘設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，不足部分通過(guò)改造治理達(dá)標(biāo)；②根據(jù)灘區(qū)特點(diǎn)針對(duì)性地進(jìn)行河道整治，穩(wěn)定主槽，工作包括開(kāi)展“二級(jí)懸河”治理、低洼地整治和利用疏浚主槽泥沙對(duì)灘區(qū)進(jìn)行塑造；③劃分并建設(shè)生態(tài)移民安置區(qū)、高效生態(tài)農(nóng)業(yè)(旅游觀光)區(qū)、生態(tài)濕地3個(gè)功能區(qū)，實(shí)施分區(qū)治理。不過(guò)該模式構(gòu)建是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在論證實(shí)施的過(guò)程中我們需要回答“為什么以前沒(méi)有這種模式，現(xiàn)在這種模式還有什么技術(shù)障礙，現(xiàn)在這種模式如何行得通，做這個(gè)事情有什么保障”4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，這就需要在泥沙科學(xué)預(yù)測(cè)、洪水主動(dòng)防御、產(chǎn)業(yè)合理布局、灘區(qū)有序開(kāi)發(fā)、多維安全保障、流域綜合管理方面形成一整套技術(shù)體系。如前所述，目前已掌握了保障該模式落地實(shí)施的一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)、如攔沙水庫(kù)減淤興利運(yùn)用新技術(shù)，流域治沙工程新結(jié)構(gòu)及新工藝、河道灘區(qū)生態(tài)環(huán)境治理新技術(shù)等。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在黃河下游河道“寬河固堤”的格局下改造黃河下游灘區(qū)，并采取生態(tài)治河的系列措施，黃河下游寬灘區(qū)規(guī)劃為不同功能區(qū)域，實(shí)現(xiàn)“洪水分級(jí)設(shè)防，泥沙分區(qū)落淤，灘槽水沙自由交換”的設(shè)計(jì)理念，如若實(shí)施，將很大程度上有助于黃河下游生態(tài)廊道構(gòu)建，并為連接沿黃城市群及打造黃河下游生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶提供良好資源基礎(chǔ)條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

不利的河道形態(tài)、灘區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與治河的矛盾以及人水無(wú)法和諧共生等問(wèn)題，造成了黃河下游治理形勢(shì)嚴(yán)峻、灘區(qū)良好發(fā)展建設(shè)任務(wù)艱巨、沿黃城市群生態(tài)空間匱乏的局面，下游灘區(qū)也成了治黃工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。盡管黃河下游問(wèn)題復(fù)雜難治，但中華民族幾千年來(lái)一直在積極探索和不懈嘗試，竭力謀求最好的治理模式。從治水防洪為主，到治水與治沙相結(jié)合，再到黃河下游灘區(qū)綜合治理，以及當(dāng)今的水庫(kù)運(yùn)用、生態(tài)治理等模式，無(wú)不體現(xiàn)了中華人民的智慧和勤勞。

本文重點(diǎn)介紹了黃河下游“分區(qū)治理”新方略，這一方略不僅完好地體現(xiàn)了黃河下游灘區(qū)水沙交互和行洪滯洪沉沙功能，而且進(jìn)一步鞏固和加強(qiáng)下游原有“寬河固堤”治理格局，是對(duì)《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》的落實(shí)實(shí)施。該模式將灘地分區(qū)設(shè)定不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)，在保證防洪的基礎(chǔ)上，在這些灘地安置群眾，發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)治河與惠民雙贏的目的。

黃河下游作為整個(gè)流域范圍內(nèi)人水矛盾最為突出的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)社會(huì)、自然、經(jīng)濟(jì)等因素交織相互影響，錯(cuò)綜相連。仍需深入研究游蕩型懸河生態(tài)恢復(fù)重建與寬灘治理關(guān)鍵技術(shù)，這對(duì)于確保多沙河流自然屬性及其社會(huì)屬性的整體協(xié)調(diào)意義重大，同時(shí)對(duì)筑牢國(guó)家生態(tài)安全屏障、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、滿足居民對(duì)優(yōu)美生態(tài)環(huán)境新期待也有重大意義。