黃河下游灘地沖淤演變及生態(tài)保護研究

安恩惠 李玉杰

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

黃河下游河道于河南省孟津縣由山區(qū)進入平原，經(jīng)華北平原后，在山東省墾利縣注入渤海，區(qū)間流域面積約2.3萬km，河長約880 km。黃河下游灘地主要是指河南省鄭州市桃花峪以下廣闊的河漫灘，在行水過程中表現(xiàn)為中小型水流歸槽、大型水流漫灘的明顯特征。黃河下游河段具有水少沙多、水沙過程不協(xié)調(diào)的顯著特點，大量泥沙沿河道淤積，最終在黃河下游區(qū)域造就了寬廣的灘地。黃河下游共有120多個灘地，約占總河道面積的84%。由此可見，灘地在整個黃河下游區(qū)域占據(jù)著舉足輕重的地位。因此，研究黃河下游的灘涂演變及生態(tài)修復極其重要。

黃河一向以含沙量大著稱。近年來，經(jīng)過國家大力治理，黃河含沙量已大幅減少，但與國內(nèi)外其他河流相比仍含沙量較大。由于黃河具有水少沙多、水沙關系不協(xié)調(diào)的特性，因而分析黃河下游的水沙變化特征是研究黃河下游灘涂沖淤演變的基礎。近十幾年來，自然環(huán)境的惡化和人類不合理的開發(fā)對灘地原有的植被造成了破壞，同時引起了嚴重的環(huán)境問題和生態(tài)災害?？茖W恢復和重建灘地植被以及當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，有效保護和利用灘涂資源成為當前迫切需要解決的問題，而灘涂的演變機制和灘涂植被功能及特征研究是解決該問題的前提和基礎。因此，研究黃河下游的灘涂演變機制，提出適宜當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的灘涂生態(tài)保護措施，是當下研究的重點問題。

1 黃河下游灘地演變規(guī)律

經(jīng)過幾十年的研究，黃河下游地區(qū)灘地沖淤演變已經(jīng)取得了大量成果，尤其在水沙突變分析和漫灘洪水的沖淤規(guī)律方面。例如，張治昊在黃河下游灘槽水沙運動及演變研究中提出了黃河下游漫灘洪水淤灘刷槽演變機制：漫灘初期，灘唇初步形成，由于灘槽水沙交換不完全，淤灘刷槽作用尚未得到充分體現(xiàn)；漫灘中期，灘槽水沙交換較充分，主槽發(fā)生了急劇沖刷，灘地發(fā)生了大量淤積，淤灘刷槽作用良好；漫灘后期，主槽流速增幅減小，灘槽水沙交換減少，淤灘刷槽作用趨于緩慢。張敏等提出灘地的淤積層分布規(guī)律代表以往漫灘洪水的特征，即反映漫灘洪水的量級、頻率和持續(xù)時間等，同時提出河漫灘是預估河流泥沙、洪水災害防治和濕地生態(tài)系統(tǒng)保護等的重要組成部分。李文文等在水沙突變分析方面也開展了相應的研究，其研究結論為黃河下游年來水量和年輸沙量一級變點均出現(xiàn)在1985年，變異成因主要為氣候變化及龍羊峽等水利工程的建設運行。基于上述對黃河下游水沙情況的認識可知，近年來，黃河下游來水來沙年際變化很大，導致河道演變出現(xiàn)了總體上為累計沖刷，但在某些時期沖淤交替發(fā)展的過程中，黃河下游各個水文站水沙年際變化均呈現(xiàn)下降趨勢。

1.1 黃河下游水沙資料分析

筆者查閱近50 a黃河下游年徑流量及含沙量資料，選取花園口水文站為代表性水文站，分析黃河下游水沙變化特征。近幾十年來，黃河下游受人為干預較大，1960年以后，來水含沙量出現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。此次通過對黃河下游花園口水文站1970—2020年徑流量、1970—2000年含沙量進行分析，得出黃河下游水沙變化規(guī)律。之所以分析1970—2000年黃河下游含沙量，是因為在這個時間段內(nèi)有工程修建，這樣選取更具代表性，如2000年后小浪底水庫運行。

由圖1可知，1970——2020年花園口水文站年徑流量呈波動性下降趨勢，其中年徑流量在1988年后波動幅度減小，1971—1987年平均徑流量為398.95億m/a；20世紀80年代后期，由于受自然及人為因素影響（上游龍羊峽水庫投入運行），年徑流量呈現(xiàn)明顯下降趨勢，1988—1999年平均徑流量為279.2億m/a；2000—2020年，小浪底水庫逐漸投入使用，每年都會進行調(diào)水調(diào)沙，年徑流量波動幅度不大。

圖1 花園口水文站年徑流量

由圖2可知，花園口水文站年均含沙量也呈波動下降趨勢。1971—2000年花園口水文站平均含沙濃度約15.5 kg/m。由上述年徑流量數(shù)據(jù)也呈波動性下降可得出，花園口年輸沙量呈波動性下降趨勢。

圖2 花園口水文站年均含沙量

1.2 黃河下游沖淤演變分析

查閱1960—2015年共55 a黃河下游水沙資料，結合近幾十年來河流地形變化，分析出黃河下游水沙變化特征。如表1所示，為黃河下游不同時段主槽與灘地的沖淤量變化。其中，因2000年后小浪底水庫運行，黃河下游河段沖淤情況好轉(zhuǎn)，所以筆者僅截取了小浪底水庫運行后2000—2015年的黃河下游河段沖淤量變化。

表1 黃河下游河段沖淤量變化 億t/a

受自然氣候、邊界條件和人類活動的影響，不同時段黃河下游水沙過程明顯不同。1986年后，黃河下游水沙呈劇烈減少趨勢。黃河下游灘槽沖淤演變過程為：1960—1964年，主灘槽地皆沖刷；1965—1973年，主槽淤積多，灘地淤積少；1974—1980年，絕大部分泥沙淤積在灘地；1981—1985年，主槽沖刷，灘地淤積；1986—1999年，灘地主槽皆淤積；2000—2015年，主槽持續(xù)沖刷，灘地有少量淤積。

由此可見，從2000年后，由于小浪底工程的建設，使得低含沙水流下泄，主槽一直處于沖刷狀態(tài)。從20世紀70年代起一直到近幾年，灘地的淤積量逐漸降低，未來可能由淤積轉(zhuǎn)為沖刷。

從黃河下游各水文站得知，近年來受水庫運行及人類活動影響，黃河下游漫灘洪水發(fā)生概率呈降低趨勢，但今后黃河下游發(fā)生大漫灘洪水的可能性依然存在。盡管漫灘洪水發(fā)生的概率不大，但是其能充分發(fā)揮水流動力的輸沙造床作用，其削峰滯洪與淤灘刷槽的功效十分顯著且不可替代。因此，由漫灘洪水引起的灘涂演變?nèi)匀皇钱斚轮匾难芯糠较颉?/p>

2 黃河漫灘洪水水力生態(tài)效應的試驗研究

2.1 淤積試驗裝置

筆者在黃河下游河段現(xiàn)場設置試驗裝置，模擬黃河下游來水淤積和退水沖刷情形。選取規(guī)格為10 m×5 m的灘地作為試驗田。為避免試驗區(qū)域出現(xiàn)下陷現(xiàn)象，將試驗田設在距離黃河岸邊8 m左右區(qū)域。用泥漿泵抽取帶有泥沙的水流并經(jīng)分水柵分水之后流進灘地試驗區(qū)與自然條件下水流漫灘特征極其相似，并且考慮自然灘地有高羊茅、香根草、香蒲等植物影響，因此，筆者在現(xiàn)存上述草類植物的試驗區(qū)內(nèi)模擬真實水流漫灘情形。在布置好試驗裝置后，用小型泥漿泵從黃河中抽取帶有泥沙的河水，之后水流經(jīng)分水柵流到布置的試驗區(qū)內(nèi)，用于真實模擬水流漫灘的情形，帶有泥沙的水流在試驗區(qū)內(nèi)經(jīng)過一段時間沉淀后，上層清水由排水管道排出，底層泥沙即為試驗測量對象（見圖3）。

圖3 試驗裝置模型示意圖

2.2 灘涂濕地歸槽洪水的退水沖刷模擬試驗

在實驗室設置物理模型，在裝置內(nèi)設置素土邊坡、高羊茅邊坡、香根草邊坡，模擬實地退水沖刷的場景，試驗裝置如圖4所示。

圖4 試驗裝置模型圖

在實驗室布置物理模型，用于模擬自然灘地退水沖刷時的情形，通過控制閥門調(diào)整水流的流速。此次試驗所取流速為1.2、1.3、1.4、1.5 m/s，與自然退水時的情形相像。在布置好試驗裝置后，進行沖刷試驗。整個沖刷槽用隔板分為4個部分，沖刷槽中培育一些抗沖草種，如香根草、高羊茅等，用于模擬自然灘地并進行對比試驗，探究不同草種的抗沖刷程度，便于制訂灘地生態(tài)保護措施。在試驗時通過控制臺調(diào)整水流與沖刷槽之間的角度，以此來模擬水流不同角度對灘地的沖刷程度，通過對不同流速、不同沖刷角度及不同草種所沖出的不同質(zhì)量的泥沙數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出退水沖刷的機制，并提出灘地生態(tài)保護措施。

2.3 試驗結果分析

由圖5可知，沖刷角度相同，當流速越大時，水動力越強，被沖刷下來的泥沙量越多；當流速相同時，隨著沖刷角度增大，被沖刷下來的泥沙量逐漸減少。這是因為隨著沖刷角度的增大，水流無法正沖灘地，一方面相當于流速降低，一方面由于沖刷路徑增長，泥沙可能沿程落淤。當沖刷角度大約90°時，流速對泥沙沖刷量的影響不太顯著。

圖5 不同條件下的泥沙沖刷量

由圖6可知：種植香根草的邊坡上沖刷量最?。环N植高羊茅的邊坡沖刷量比素土邊坡小，比種植香根草的邊坡大；隨著流速增大，沖刷量也不斷增大；當流速較大的時候，香根草的水土保持作用增強。因此，種植香根草的邊坡抗沖作用較強，香根草根系對泥土包絡作用較好。

圖6 不同邊坡與流速下的沖刷量

3 灘地生態(tài)環(huán)境修復的辦法

3.1 常用的灘地保護方法

灘地很容易受到洪水沖刷，因此，相關部門必須保證灘地安全穩(wěn)定，這樣才能發(fā)揮灘地的豐富功能。在河道基本穩(wěn)定、基本未受擾動的灘地，應努力加以保護；對于半擾動灘地，以恰當?shù)恼螢橹?，力促河道穩(wěn)定，盡量不對當?shù)卦械纳鷳B(tài)系統(tǒng)進行大改變；對擾動較大的區(qū)段，如果破壞較大，應考慮生態(tài)重建，如果還留有基本的環(huán)境，應做適度處理，以整理護灘為主，不宜過度開挖或者堆積，以免造成河道流態(tài)不穩(wěn)等情況出現(xiàn)。在修復過程中，對河灘原有的低洼、河床原有的基質(zhì)等均要加以保護。其中，低洼地可增加河灘濕地景觀多樣性，提高河灘濕地生物多樣性；而河床自然狀態(tài)下的基質(zhì)，不但有利于河流水體內(nèi)生物、濱水生物的生存和繁衍，而且有利于河流水體自然滲透補充地下水。

3.2 灘地生態(tài)保護宜采用的技術

由于黃河具有含沙量大，且水、沙異源的特點，多年來黃河流域水土流失問題嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此，需及時開展黃河流域水土保持等方面的研究。黃河下游灘地有著很多自然生長的灌木、草種，所以宜在黃河灘地上種植易生長、根系發(fā)達的灌木、草種，一是較符合黃河含沙量大、需進行水土保持的特點，二是可以滿足植物生長繁殖及其他新陳代謝活動的需要。此外，種植的灌木和草類不僅可以起到凈化空氣、修復當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的作用，還可以起到凈化水體、降低水體污染的作用。

因此，筆者針對黃河下游區(qū)域提出灘地修復及生態(tài)環(huán)境保護的幾點建議。根據(jù)地形，在坡度較陡且不經(jīng)常被淹沒的灘地上種植香根草，其具有良好的水土保持作用且抗性強，能很好地適宜當?shù)氐沫h(huán)境，但種植密度不要過大。在坡度較緩的灘地上種植一些既耐旱又耐澇的灌木，如胡枝子，其具有耐旱、耐寒耐瘠薄、耐酸性、耐鹽堿、耐刈割等優(yōu)良特點，對土壤適應性強，在瘠薄的新開墾地上可以生長，具有一定的觀賞性。在常年淹沒的地域，種植蘆葦、香蒲、水蔥等可以凈化水體的植物，但種植密度不要過大。選取的這幾種植物能夠很好地融入當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，在不同類別的灘地中發(fā)揮各自的作用，并能形成一個小循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，逐步修復當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。此外，政府應該加強對黃河下游灘區(qū)的管理，防止對灘區(qū)的侵占、破壞，防止城市對灘地產(chǎn)生工業(yè)污染，建立一套適應灘區(qū)的管理方法，及時調(diào)查灘地的生態(tài)系統(tǒng)情況。

4 結論與展望

4.1 結論

近三四十年來，黃河下游來水量、來沙量都呈波動下降趨勢，其主要原因為小浪底水庫投入使用，經(jīng)過調(diào)水調(diào)沙，使得大量低含沙水流下泄。黃河下游主槽在2000年后持續(xù)沖刷，灘地淤積量相較于2000年之前有較大減少。在未來，黃河下游灘區(qū)可能從淤積模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷模式。灘地植被是灘地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時對于灘涂沖淤有著較大影響，對維持灘地的穩(wěn)定和保持河流生態(tài)系統(tǒng)功能的連續(xù)性具有十分重要的意義。在黃河下游區(qū)域灘地可以選種香根草、胡枝子，在常年水淹區(qū)域可選種蘆葦、香蒲、水蔥等。

4.2 展望

未來的灘地修復研究應集中在抗沖刷方向上，因為黃河下游灘地在未來可能開始呈沖刷狀態(tài)。此外，因灘地具有巨大的社會效益與經(jīng)濟效益，在保護好灘地生態(tài)環(huán)境的同時，要逐漸發(fā)揮灘地的經(jīng)濟效益，探究黃河灘地與城市發(fā)展之間的聯(lián)系，探索灘地資源開發(fā)、旅游開發(fā)及其開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響。