黃河泥沙工程控制理論與關(guān)鍵技術(shù)

張金良

黃河輸沙量之大、含沙量之高，居世界大江大河之首。確保河床不抬高、維持中水河槽過(guò)流能力、維持河勢(shì)穩(wěn)定，是下游行河穩(wěn)定和黃河長(zhǎng)治久安的基礎(chǔ)。從流域尺度看，黃河泥沙問(wèn)題處理是一個(gè)系統(tǒng)工程，可以用工程控制論來(lái)統(tǒng)領(lǐng)和指導(dǎo)黃土高原、水庫(kù)、河道、河口多層級(jí)泥沙控制。黃河泥沙工程控制論也同樣具有工程控制論的四項(xiàng)基本特征，可定義為黃河泥沙工程控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的理論與技術(shù)。我們結(jié)合黃河實(shí)際情況，開(kāi)展了黃河泥沙工程控制研究，建立了黃河泥沙工程控制理論與關(guān)鍵技術(shù)體系，應(yīng)用于二十余項(xiàng)重大工程。

研究提出，黃河泥沙從產(chǎn)生到輸移入海全過(guò)程為四級(jí)控制，包括入黃泥沙控制（一級(jí)控制子系統(tǒng)）、水庫(kù)泥沙控制（二級(jí)控制子系統(tǒng)）、河道泥沙控制（三級(jí)控制子系統(tǒng)）和河口泥沙控制（四級(jí)控制子系統(tǒng)），各級(jí)控制作為工程控制系統(tǒng)的一部分。各級(jí)控制子系統(tǒng)間通過(guò)控制措施實(shí)現(xiàn)自上而下的“控制－傳遞－影響”作用，同時(shí)根據(jù)作用結(jié)果反饋再進(jìn)行控制調(diào)整，整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了系統(tǒng)“控制－傳遞－影響－反饋－控制”的運(yùn)行機(jī)制。

黃河泥沙工程控制的終極目標(biāo)是使主要河道（重點(diǎn)是下游河道）水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度（水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度是我們研究建立的一個(gè)重要指標(biāo)，可以用來(lái)度量河道水沙關(guān)系協(xié)調(diào)程度，協(xié)調(diào)度等于1時(shí)，代表河道沖淤基本平衡）約等于1，河道百年尺度內(nèi)沖淤基本平衡，泥沙產(chǎn)、輸過(guò)程長(zhǎng)期處于受控狀態(tài)，黃河長(zhǎng)久安瀾有保障。

入黃泥沙控制是黃河泥沙工程控制論的主要手段，主要從源頭實(shí)施控制，具有控制面大的特點(diǎn)，可以有效減少進(jìn)入黃河的泥沙。控制手段主要是通過(guò)林草措施、恢復(fù)植被、梯田耕作等措施來(lái)涵養(yǎng)水源，起到減少流域面上土壤侵蝕的作用。結(jié)合黃河流域黃土高原千溝萬(wàn)壑的獨(dú)特地形地貌特征，通過(guò)在溝壑中修建淤地壩，可以進(jìn)一步控制從面上侵蝕而下的泥沙。淤地壩作為黃河流域入黃泥沙控制的最后一件“法寶”，不僅可以有效攔截流域面上侵蝕而下的泥沙，還可通過(guò)淤地造田、蓄水保肥作用，有效減少黃土高原溝壑的重力侵蝕作用。除此之外，若修建的淤地壩符合標(biāo)準(zhǔn)、安全可靠，待淤地壩攔截泥沙淤滿成地，在黃土高原形成陡坎時(shí)，通過(guò)陡坎的跌水等消能作用，減小水流動(dòng)能，可以有效減小流域面上的水力侵蝕作用，并在黃土高原形成長(zhǎng)遠(yuǎn)的侵蝕基準(zhǔn)面。同時(shí)，陡坎還能進(jìn)一步減少水流輸沙，從而發(fā)揮淤地壩對(duì)入黃泥沙的控制作用。

干支流水庫(kù)泥沙控制是黃河泥沙工程控制論的核心手段。水庫(kù)泥沙控制不僅承接入黃泥沙控制后匯入黃河的泥沙，還通過(guò)水庫(kù)調(diào)控改變水庫(kù)下游河道的水沙關(guān)系，因此是最直接、最行之有效的黃河泥沙工程控制手段。

黃河流域水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)主要是因?yàn)辄S河流域水資源主要集中于黃河上游，而泥沙主要集中在黃河中游，中游黃土高原地區(qū)產(chǎn)沙量大、入黃泥沙多，區(qū)間自身產(chǎn)水及上游來(lái)水與區(qū)間產(chǎn)沙時(shí)空搭配不合理，無(wú)法在下游實(shí)現(xiàn)全部泥沙輸送入海。因此，調(diào)節(jié)黃河水沙關(guān)系還應(yīng)充分利用黃河水沙調(diào)控工程體系，運(yùn)用“蓄清調(diào)渾”這一調(diào)控技術(shù)方法體系，干支流、上下游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)控水沙，實(shí)現(xiàn)干支流水庫(kù)泥沙控制。通過(guò)入黃泥沙控制手段，有效減少了入黃泥沙，而對(duì)于已經(jīng)入河的泥沙，則需要通過(guò)水庫(kù)工程實(shí)施控制。

當(dāng)前黃河流域水沙調(diào)控工程體系仍在不斷完善之中，因此在實(shí)施入黃泥沙控制的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步完善黃河流域水沙調(diào)控工程體系，并通過(guò)干支流水庫(kù)群的“攔、排、調(diào)”全方位協(xié)同調(diào)控，進(jìn)一步控制黃河泥沙，協(xié)調(diào)下游河道水沙關(guān)系。

河道環(huán)節(jié)的泥沙控制主要考慮各灘區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)、人口分布等因素，控制懸河發(fā)展，維持下游河勢(shì)穩(wěn)定，保障黃河下游防洪保安，因此河道泥沙調(diào)節(jié)是黃河泥沙工程控制的最關(guān)鍵手段?？紤]黃河各河段水沙特點(diǎn)、河道特點(diǎn)及防洪要求等眾多因素，黃河河道泥沙控制遵循因?yàn)┦┎叩墓ぷ魉悸?，遏制懸河發(fā)展，維持河勢(shì)穩(wěn)定。由于河道具有來(lái)水歸一的特點(diǎn)，河床通過(guò)水沙條件不斷發(fā)生“沖淤—平衡”再到“沖淤—平衡”的過(guò)程，因此河道具有調(diào)節(jié)泥沙級(jí)配的功能。根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，結(jié)合黃河下游河道的基本特點(diǎn)，考慮來(lái)水來(lái)沙條件、灘區(qū)安全建設(shè)措施等要求，實(shí)施淤填方案、灘區(qū)分灘治理等措施，消除“二級(jí)懸河”不利的河道斷面，穩(wěn)定主槽來(lái)補(bǔ)齊黃河下游河道生態(tài)安全屏障的短板，重組黃河下游河道與灘區(qū)的空間格局以破解人水矛盾，增效生態(tài)過(guò)程來(lái)增強(qiáng)黃河下游河道生態(tài)供給能力以實(shí)現(xiàn)河道的生態(tài)治理；并充分利用黃河下游河道輸沙能力，多排沙入海，實(shí)現(xiàn)河道對(duì)泥沙的進(jìn)一步調(diào)控，同時(shí)河道與水庫(kù)形成有機(jī)整體，調(diào)控已經(jīng)入黃的泥沙。

黃河口的泥沙問(wèn)題主要是前三級(jí)調(diào)控的反饋過(guò)程，考慮到黃河口泥沙溯源淤積問(wèn)題，黃河口水沙調(diào)控要綜合考慮入海流路的安排及尾閭河道的整治。河口泥沙控制應(yīng)與下游河道泥沙控制相協(xié)調(diào)。我們通過(guò)河口水沙演變趨勢(shì)的反饋?zhàn)饔?，結(jié)合水庫(kù)調(diào)控水沙的控制手段，提出新的適應(yīng)下游河道的泥沙控制方法。因此，黃河口的泥沙控制必須與下游河道防洪安排相協(xié)調(diào)，既要有利于減緩黃河下游河道的淤積抬高，又要有利于減輕防洪負(fù)擔(dān)。河道長(zhǎng)度是反饋影響的關(guān)鍵因素，盡量縮短河長(zhǎng)，才能減少河口淤積延伸對(duì)黃河下游河道的反饋影響。

通過(guò)黃河泥沙工程控制的四級(jí)手段，可以實(shí)現(xiàn)分環(huán)節(jié)、分工程、分方式地系統(tǒng)控制黃河泥沙。人民治黃以來(lái)，在泥沙處理上探索出了“攔、調(diào)、排、放、挖”的泥沙治理思路，這不僅抓住了泥沙主要輸送通道河流本身的調(diào)配與控制，還提出了中游黃土高原地區(qū)系統(tǒng)治理的措施，體現(xiàn)了黃河問(wèn)題“表象在黃河、根子在流域”的認(rèn)識(shí)，從系統(tǒng)工程角度來(lái)講，是對(duì)整體系統(tǒng)的控制，是主動(dòng)治河。黃河泥沙工程控制論與“攔、調(diào)、排、放、挖”的泥沙治理思路相輔相成、步調(diào)一致，其通過(guò)流域面上的攔沙減蝕到水庫(kù)的“蓄清調(diào)渾”，再到下游河道的遏制懸河、三灘分治、穩(wěn)定河勢(shì)，最后通過(guò)河口的反饋與調(diào)控作用，形成了一套完整的、系統(tǒng)的黃河泥沙工程控制方法論。

總的來(lái)說(shuō)，黃河復(fù)雜難治是由于黃河的泥沙問(wèn)題兼具系統(tǒng)性和分散性，我們應(yīng)以黃河泥沙工程控制論為指導(dǎo)，結(jié)合黃河流域的整體性、局部性特點(diǎn)，站在全流域的角度，分環(huán)節(jié)、分工程、分方式地開(kāi)展黃河系統(tǒng)治理，推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)黃河安瀾這一中華兒女的千年期盼！