(黄委会黄河水利科学研究院)

基金项目：国家自然科学基金和水利部联合资助重大项目(59890200)

作者简介：齐璞(1942-)，男，北京市人，黄河水利科学研究院泥沙研究所高级工程师，副总工程师。

引言

　　近年来，随着清水资源的优先开发，龙羊峡、刘家峡两座大型水库投入运用以及上中游地区工农业用水的增长，黄河下游的防洪和水资源利用问题更加突出。龙、刘水库汛期的最大蓄水量可达100亿m³，使得汛期进入下游的水量大幅度减小，含沙量增加，洪峰流量减小，洪水的造床作用减弱，河槽严重淤积并萎缩，平滩流量减小，二级悬河进一步发展，几乎年年出现长时间断流，防洪和水资源利用问题更加突出。如1996年汛前，黄河下游的平滩流量不足3000m³/s，在8月份发生流量7860m³/s洪水，花园口站洪水位达94.73m，创历史最高，使高滩上水，顺堤行洪。造成300多万亩滩地受淹，受灾人口达100多万，比1958年发生的流量22300m³/s特大洪水所造成的淹没损失还大。造成小水大灾的主要原因是二级悬河的普遍存在与河槽的过流能力小。面对黄河水沙条件的不利变化，在特殊情况下形成的三门峡水库“蓄清排浑”泥沙年调节的运用方式，受库区条件限制不能对黄河水沙进行大幅度调节，因此无法解决目前下游河道出现的问题。造成二级悬河的主要原因是游荡性河道不利的来水来沙条件没有得到根本改变之前，在游荡性河道上进行河势控导的结果。要想从根本上解决二级悬河的问题，则应与小浪底水库调水调沙运用结合。正在兴建的小浪底工程，是黄河进入平原前最后一座峡谷型水库，具有较强的调节能力，不管黄河上中游水沙如何变化，都要经过小浪底水库的调节进入下游河道。通过水库调水调沙改变进入下游的水沙条件，控制小水挟沙与河槽淤积，利用大洪水输沙，塑造有利输沙的新河槽，并长期保持其调水调沙作用，为下游河道治理作出应有的贡献。

1黄河下游窄深河槽的输沙能力^[1]

　　黄河下游河道的输沙特性，常用Q_s=KQ^αS^β_a描述，即本站的输沙量，不仅与流量有关，还与上站的含沙量有直接关系，其中上站含沙量S_a的方次β值与河槽形态有关，随着黄河下游河道沿程河槽形态越窄深，β值逐渐增大，由宽浅游荡河段的0.6～0.7，增长到艾山以下河段的1.0，在流量大于2000m³/s时，河道的输沙量完全取决于上站的含沙量。

　　艾山以下属窄深河槽，具有很强的输沙能力，当床面形态进入高输沙动平整状态时，将形成粗泥沙(D=0.05～0.1mm)也能输送的“多来多排”的水力条件。实测含沙量200kg/m³的高含沙水流，在流量大于3000m³/s时，河段的排沙比达100%，详见表1。考虑到与艾山以下河型相似的渭河、北洛河下游、三门峡库区窄深河槽实测高含沙洪水，在流量较大时，含沙量800～900kg/m³的水流也可顺利输送。经分析计算艾山以下河道在流量大于3000m³/s时，可顺利输送含沙量高达800kg/m³。造成窄深河槽输沙能力大的主要原因，是随着含沙量的增加，粘性增大，粗颗粒的沉速降低，更容易悬浮，而河床对水流的阻力并没有改变，可用曼宁公式进行水力计算，即同样的比降、水深条件下流速不会减小，因此造成黄河高含沙水流可以在较弱的水流条件下输送大量泥沙，利用高含沙水流输沙入海是一种理想的技术途径。

　　对实测资料与输沙机理的分析研究表明，在含沙量200kg/m³左右，输送最困难。主要是此时含沙量在垂线上梯度大，表层140～150kg/m³，底层300kg/m³，其粘滞性相差一半，因此使主流区流速梯度增大，作用在床面附近的流速减小，但1973、1977年艾山以下河道实测最大含沙量200多kg/m³的洪水均能顺利输送，表明艾山以下河道存在着巨大的输沙潜力。利用河道输送高含沙洪水入海的主要障碍是高村以上的宽浅河段。

表1艾山至利津河段较高含沙洪水输沙情况与河床冲淤情况
Sediment transport, deposition and erosion by floods of high sediment content in Aishan-Lijin reach

　　造成高村以上宽浅河段，河道输沙特性“多来多排多淤”的主要原因，是泥沙在边滩上大量淤积所致。河槽的输沙特性呈现“多来多排”，洪水漫滩后则“多来多淤”，造成宽浅河道输沙规律双重性。根据对高村以上河段历年高含沙洪水期主槽的冲淤条件的分析，主槽的冲淤主要与流量大小有关，与含沙量关系不明显，而滩地的淤积则主要取决于含沙量的高低，高含沙洪水时滩地淤积最强烈。从洪峰前后水位变化判断，在流量4000m³/s时，主槽均会发生强烈冲刷，用此级流量排沙不仅不会造成河槽淤积，还会通过边滩淤高，主槽刷深，会塑造出窄深河槽，形成输沙通道。如1973年的流量4000m³/s的高含沙洪水在通过夹河滩以上210km长的宽浅河道时，通过滩淤槽冲塑造成窄深河槽，使河段的排沙比由8月28日～31日的66%，到9月1～3日迅速提高到124%。由此可见利用高含沙洪水塑造新河槽，可以迅速提高河道的输沙能力。

2 高含沙洪水塑造的窄深河槽过洪能力

2.1 枯水系列连年淤积是造成洪水位高的主要原因

表2 花园口站近年典型洪水位变化情况
Stages of typical floods at Huayuankou station

　　黄河是多沙河流，小水挟带的泥沙在河床中的强烈淤积，是造成洪水位逐年抬升的主要原因^[2]。表2给出近年来花园口站典型洪水位的变化表明，1973年8月和1992年8月的高含沙洪水均出现了历史最高洪水位，而1977年7、8月的两场高含沙洪水的水位，与流量相近的1976年的低含沙洪水位相比略低，1996年8月5日洪峰流量7860m³/s，最大含沙量126kg/m³的低含沙洪水也出现历史最高洪水位。

　　根据文献[3]的分析，造成洪水位高低的主要原因是前期河床条件，当前期连续几年枯水，河槽连年淤积，或汛初小水大沙均会造成前期河床集中淤积，使水位大幅度抬升，在本年汛期出现历史最高洪水位。由表2给出历年汛初3000m³/s和1000m³/s的水位数据可以证明。在出现历史最高洪水位的年份，汛初3000m³/s和1000m³/s的水位均表现最高，如1973年、1992年、1996年。其中1969年至1973年为枯水系列，花园口站3000m³/s水位累计抬升0.93m；1986年到1996年也是枯水系列，其3000m³/s 水位抬升1.35m。由此可见，造成最高洪水位的主要原因基本清楚。前期连续枯水引起河床连续淤高是出现历史最高洪水位的主要影响因素。

2.2 窄深河槽的过洪能力

　　高含沙洪水在塑造窄深河槽的过程中，水面宽大幅度缩窄，引起河道的过水面积减小，对洪水位的影响并不突出。其主要原因，是高含沙洪水漫滩后虽然会在滩地上产生严重淤积，使滩面抬高，过水面积减少，过流减少，但同时主槽往往会产生强烈冲刷，使主槽的水深、流速增大，泄流能力迅速增加，洪水位不会大幅度抬升。如1973年汛期花园口站河槽的泄流能力的变化表明，7月8日，流量3760m³/s，水面宽2840m，过水面积2540m2，水位92.96m，经过汛期高含沙洪水冲槽淤滩，到9月10日，流量3720m³/s，水面宽缩窄到557m，水位92.97m，过水面积减小到1570m²。水面宽大幅度缩窄，而洪水位没有抬升的主要原因是平均水深由汛初的0.89m迅速增加到2.82m，相应的断面平均流速由1.48m/s增加到2.37m/s。

　　在高含沙洪水流量较大，主槽发生强烈冲刷时，洪水位不仅不抬升还会大幅度降低。如表3给出1977年7、8月两场洪水，花园口断面过流能力的变化。从表3中给出全断面、主槽的过流能力变化充分说明窄深河槽具有极强的过流能力。在7月8日6～9点时，流量6330m³/s，水位92.73m，水面宽2640m，宽534m的主槽泄量为3860m³/s，经过最大流量8100m³/s和10800m³/s，最大含沙量546kg/m³和809kg/m³的两场大流量高含沙洪水的造床作用，到8月8日15～16时，在主槽宽度483m，洪水位92.62m，略有下降的情况下，主槽的过流能力达到9540 m³/s，过流能力增加了147%。其水深、流速分别达到5.3m和3.73m/s，相应的过水面积由汛初1370m²，增加到2560m²过流比由61%增加到98.4%。滩地的过流能力由初期的39%，降至1.58%。洪水前后3000m³/s水位下降1.3m。

表3 1977年花园口站洪水期主槽过流能力变化
Capacities for flow discharging through the main channel

　　对于具有复式断面的游荡性河段，洪水漫滩后，水面宽虽然增加很多，但由于滩地水深浅，阻力大，流速慢，过流能力增加不多。滩地的水深仅0.4～0.9m，流速为0.58～1.53m/s。洪水漫滩后，由于滩槽水流的动量交换，还会使主槽的流速减小，引起主槽的过流能力降低^[4]，影响河槽的泄流能力。因此在防洪设防流量许可的范围内，没有必要通过漫滩过多地削减洪峰,而应充分利用河槽的泄洪排沙能力。应把高村以上的游荡宽浅河段治理成窄槽宽滩,利用窄深河槽输水输沙能力大的特点排沙泄洪,只有 在洪峰流量较大,威胁防洪安全时才需利用漫滩滞洪的方式削减洪峰。为此应尽量保持较大的平滩流量。

3 小浪底水库应进行泥沙多年调节

　　为了减少下游河道淤积，在60年代根据河道输沙公式Q_s=KQ^m中的m值一般为2，提出利用人造洪峰排沙入海的设想，认为把水集中起来用大流量放，可以多输沙入海。为此1963年曾利用三门峡水库进行两次造峰试验，结果效果不好，流量小时还会产生上冲下淤，其原因是河道输沙公式应该为Q_s=KQ^αS_a^β，α值仅为1.1～1.3，远小于2。由于今后黄河水资源更加紧缺，这一调水措施难以实施。

从不同河型的来水来沙条件可知，当进入本河段的输沙率与流量之间的关系(Q_s=KQ^m)中m值较大时，则会形成具有窄深河槽的弯曲性河流。如黄河的主要支流渭河、北洛河的m＝4～5，美国的一些河流m=3～4，也形成窄深河槽(B=KQ^b中的b=0.0～0.1)的河流^[5]。m值大的主要原因是泥沙主要由高含沙洪水输送，而小水挟带的含沙量低，不会造成主槽的严重淤积，高含沙洪水塑造的窄深河槽得以长期保持，使多年小水坐弯得以累积形成弯曲性河流。通过对黄河下游实测资料分析，发现河宽与流量的0.5次方成正比，与来水含沙量的0.6次方成反比^[1]。若能通过小浪底水库的调水调沙运用，将进入下游的水沙条件调节成泥沙主要由大流量高含沙洪水输送的单一水沙条件，高村以上的宽浅河道则会改造成窄深河槽，河道的输沙能力则会提高，利用河道输送高含沙水流入海才有可能。为此小浪底水库应进行泥沙多年调节，在枯水、平水年蓄水拦沙运用，兴利发电，在丰水年洪水期集中进行泄空冲刷，形成大流量高含沙水流输沙，使输沙用水集中在丰水年小浪底水库无法调节利用的汛期，一般年份取消输沙用水。只有这样才能适应黄河水沙的不利变化，解决三门峡水库“蓄清排浑”运用方式的局限性，使小浪底水库充分发挥作用。

4 利用泄空冲刷形成高含沙洪水的可能性

　　通过对三门峡水库、恒山水库、王瑶等水库的实测资料的分析, 只有蓄水拦沙运用水库在洪水期突然泄空，库水位大幅度降落，才有利于高含沙水流产生。三门峡水库在1993年6月突然泄空后，库水位下降12m，初期产生了300kg/m³的高含沙水流。其原因是处于水下饱和状态的淤积物，在水位突然下降到淤积面以下， 孔隙水来不及排出,淤积物土力学强度很低，在渗透压力和重力共同作用下产生滑塌。随着坝前水位降低,主槽的迅速冲刷下切,滩槽差加大，边坡上的淤积物向主槽或坝前泄水孔口滑塌,这是水库泄空冲刷初期产生高含沙水流的主要形式。坝前水位迅速下降,使得纵剖面调整滞后于水流条件的变化,在强烈溯源冲刷的库区往往产生跌水,使水流能量损失集中，冲刷加剧,是空库后溯源冲刷产生高含沙水流的必然形式。为了提高冲刷效率,一方面在水库运用中应尽量避免淤积物固结，另一方面应尽量降低坝前水位, 加大冲刷比降。考虑到小浪底水库调沙库容大，淤积量多，水位降落幅度大，可达40～50m，迅速泄空冲刷产生300～500kg/m³的高含沙水流是完全可能的，随着冲刷历时的延长，出库的含沙量会逐渐降低。从有利于高含沙水流产生，水库应采取速冲的运用方式。

5 小浪底水库不同运用方式的减淤计算结果分析

　　在“八五”攻关中我们分析比较了泥沙多年调节的高蓄速冲^[1]、逐步抬高拦粗排细^[1]、控蓄速冲造峰三种运用方式^[1]，采用2000年设计水平50年水沙系列进行了减淤计算，表4给出了逐步抬高、控蓄速冲造峰及高蓄速冲三个主要运用方式的减淤计算结果，分析比较如下：

　　(1) 在水库运用初期，由于调水造峰的运用方式不同，黄河下游河道的冲刷量差别较大。调水造峰越强烈，艾山以下河道的减淤效果越好。如控蓄速冲运用方式，充分利用防洪限制水位以下的库容，把800～3500m³/s来水中大于800m³/s的水量蓄起来造峰，所以造成艾山以下河道不仅不淤，反而发生冲刷。其次是逐步抬高水位运用方式，把800～2500m³/s来水中大于800m³/s的水量蓄起来造峰。高蓄速冲运用方式水库按最大兴利原则调节运用，不造峰，艾山以下河段减淤比仅为46%，仍为淤积。

　　造峰虽然会使艾山到利津河段产生一定数量的冲刷，但用水量太大，冲刷效率低，很不经济。表5给出艾山至利津河段冲刷1t泥沙用水量的变化情况(K=0.00026,α=1.20,β=0.93)。

表4 水库不同运用方式不同运用期减淤效果比较
Efficiency of deposition mitigation due to operational modes

表5 艾山至利津河段冲刷用水量变化
Amount of water used to erode one ton of sediment

　　表5给出的出库含沙量5kg/m³时，在不同流量时，含沙量的沿程变化情况表明，随着流量的增大，冲刷距离不断的增加，但主要冲刷范围在高村以上近300km的河段内。高村至艾山河段的含沙量略有增加，到艾山至利津河段，在流量小于2000m³/s时，含沙量沿程变小，河道为淤积，流量大于3000m³/s以后才开始冲刷。从表中给出的流量为3000m³/s时，冲1t泥沙耗水量为994m³；流量为4000m³/s时，冲1t泥沙的耗水量为500m³。为了使艾山至利津河段冲刷1t泥沙，而耗用几百立米的清水，显然是不经济的，为此不能把调水造峰作为减少本河段淤积的主要措施，需要寻求其它减淤途径。

    (2)在正常运用期逐步抬高方式年均淤积量最多，几乎没有减淤作用。随着泄空冲刷水位的降低，下游淤积量虽减小，但数量变化不大，而部分库容得不到充分利用，对兴利影响较大。高蓄速冲方式，有利于提高水库兴利，在正常运用期随着泄空水位降低，淤积量迅速减小，并能产生优化的水沙组合，使泥沙主要由大流量高含沙洪水输送，可对高村以上的宽浅河道进行改造，为利用窄深河槽输沙入海创造条件，年均淤积量较逐步抬高方案的3亿多t减少了1亿多t。“控蓄速冲”运用方式在正常运用期的减淤效果虽然也较好，但主要是造峰的结果，从表6给出的调沙比仅有10%～16.8%，远较“高蓄速冲”调沙比40%～66%小。

    (3由表6给出的最低冲刷水位对减淤效果的影响表明，随着冲刷水位的降低，调沙库容增大，冲刷效率提高，水库的调沙能力增加，下游河道的淤积量大幅度减少，水位225m与180m相比年均淤积量相差1亿多t。因此尽量降低泄空冲刷水位，保持较大调沙库容对减淤有利。

    (4)方案计算表明，对于“高蓄速冲”方式，在初期蓄水拦沙运用期，随着下游引水量的增加，高村以上河道冲刷量减小，艾山以下河段淤积量也减小。在正常调沙运用期，随着泄空冲刷水位的降低，水库调沙能力增强，使得引水量增加对河道淤积的影响发生质的变化，在泄空水位225m时，下游引水量增加，河道的淤积量增大；泄空水位200m时，引水量增加对河道淤量影响已不明显；泄空水位180m时，引水量增加，河道的淤积量反而减少。因此对于泄空水位200m和180m方案除排沙期输沙用水量外，其余时间下泄水量都可引用，而不会增加下游河道淤积。因此，输沙用水可节省三分之二。

    (5)通过水库的泥沙多年调节，泥沙主要由大流量高含沙洪水输送，增强了洪水的造床作用，也能使艾山以下河道输沙潜力得到充分利用，若能配合宽浅河道整治，使其能早日形成窄深稳定的新河槽，还可减少河道淤积，有利于洪水输送。目前高含沙洪水在下游宽浅河道输送中产生的“异常”现象的主要原因是前期河道极为宽浅，不适合高含沙水流输送。

    (6)水库采用高蓄速冲的运用方式，不仅年均发电量比初步设计多10亿度，而且使60%～80%的泥沙集中在排沙期下泄，使过机的含沙量、沙量减少，泥沙组成变细，为平时的发电运行创造良好的大环境。但泄空冲刷期将影响发电，为此应根据水库淤积情况，提前通知电力系统做出调度安排。

表6 水库最低冲刷水位对减淤效果的影响
Effects of the lowest operational stages on deposition mitigation

    综上所述，小浪底水库采用高蓄速冲泥沙多年调节的运用方式具有明显的优点。当然要彻底解决问题，还需要结合河道整治。

6 加速河道整治的必要性

6.1加速宽河段整治

    早在30年代，德国著名治河专家恩格斯教授^[6]，就指出在游荡性河道形成中水河槽的重要性。并得到众人的认同。沈怡在评述各家治河主张时，对治理中水河槽给予高度的评价。他指出：“因为种种病象均由河无定槽而起，所以如果要治河，必须首先使河槽定”，并说“无论何人来治河，都必须这样做”。可见具有河槽的重要。但如何形成中水河槽一直是人们关心的问题，也是游荡性河道治理的关键。如新中国成立以后，黄河下游高村以下河段通过护弯导流，河道稳定，整治获得成功，然而对高村以上的宽浅河段，虽然也采取同样的整治办法，使目前的摆动范围有所减小，但在洪水期仍经常发生河势的突然变化，造成平工出险，给防洪造成被动。其主要原因是前者具有窄深河槽，河道容易控制。而后者河槽极为宽浅散乱，整治工程无法控制主流的自由摆动。

    我们虽然按照冲积河流形成最有利的来水来沙条件，制定小浪底水库调水调沙运用方式，但在水库运用的初期和正常调沙期将长时间下泄清水，在高村以上河段将产生较强烈的冲刷，经方案计算初期8年内累计冲刷量达9.04亿t，清水冲刷会造成滩地的大量坍塌，使河槽趋于宽浅，在水库排沙时还需要重新塑造窄深河槽，从而增加了河道的淤积量。

    据三门峡水库运用初期下泄清水的运用经验，防止滩地冲蚀是高村以上河段整治的主要任务。若能通过河道整治，把高村以上宽浅河道改造成主槽宽700～800m的窄深河槽，则可为利用河道输送高含沙洪水创造条件，在水库排沙时基本上不用塑造，高含沙洪水即可顺利输送，对于超过平滩流量的漫滩洪水仍可利用滩地滞洪，削减洪峰，保持天然宽浅河道的滞洪滞沙特性，以确保艾山以下窄河段的防洪安全。窄槽宽滩的形成，既提高河道的输沙能力，同时又保持宽浅河道的滞洪削峰的作用，使多年无法解决的宽浅河道游荡摆动问题，由于有了窄深河槽对主流的控导作用，得到较彻底的解决。

6.2 制定滩区防洪新策略

　　二级悬河的形成，是在黄河游荡性河段来水来沙条件没有改变之前，采取了工程措施控导了主流的摆动范围，改变了天然情况下依靠主流摆动平衡滩槽高差的演变规律，从而使小水淤积的位置固定在河槽内，造成主槽逐渐抬高。滩地在洪水漫滩后淤积成具有横比降2000～3000分之一滩面，且抬高的速度慢，久而久之形成目前二级悬河。生产堤已破除20多年，二级悬河的问题并没有得到解决，说明主槽的冲刷与滩地之间淤积之间并没有必然的联系，不可能通过“淤滩刷槽”的规律解决二级悬河问题。为了解决当前的小水大灾问题，考虑到小浪底水库近年就投入运用，并下泄清水，主槽的淤积可以得到控制。可恢复生产堤，使其只防小水，不防大水，在流量小于6000m3/s时，能集中水流输沙入海。在洪峰流量较大，需要滩区滞洪时，破除生产堤。解决小浪底水库投入运用前，过渡时段下游防洪中小水大灾的问题。此后与小浪底水库泥沙多年调节相结合，利用水库在大洪水排沙时进行滩区放淤，改造目前滩区低洼、生产生活条件差的状况，为促使滩区经济的发展创造条件。高滩深槽的形成将开创黄河下游宽河段治理的新局面。

7 结语

　　综上所述，考虑到黄河水沙条件的变化，以及水资源越来越宝贵的现实情况，利用人造洪峰冲刷下游河道已失去实用价值。因此，本文推荐小浪底水库高蓄速冲的调节方式，利用水库泥沙多年调节，使黄河的泥沙主要由高含沙洪水输送，利用窄深河槽输沙入海。这样不仅能适应黄河水沙条件的不利变化，同时使河道的减淤、河型转化、水资源的充分利用及水库的兴利紧密结合，与其它的运用方式相比明显优越。为了解决目前防洪中经常发生的小水大灾，应恢复生产堤，不仅可以解除当前下游滩区治理燃眉之急，同时可与小浪底水库投入运用后，下游河道长期治理紧密结合，有助于从根本上解决黄河下游的防洪问题。

　　分析与方案计算表明，小浪底水库招标设计确定的泄流能力，较多年调沙的要求，仍有些不足。若能进一步降低最低冲刷水位和增加低水位的泄量，将为水库今后的调水调沙运用创造更为主动的有利条件，以利于充分利用洪水期排沙，增大水库的调沙能力，提高冲刷效率，缩短空库时间，有利于水库兴利与下游河道的减淤。考虑三门峡水库的改建过程，小浪底水库应尽量保持部分施工导流设施的泄流能力。

参考文献

[1] 齐璞，刘月兰等。黄河水沙变化与下游河道减淤措施。黄河水利出版社， 1997年。

[2] 尹学良。黄河下游冲淤特性及其改造。泥沙研究，复刊号，1980年。

[3] 齐璞，李勇等。“92.8”高含沙洪水在黄河下游输移与演变分析。人民黄河，1993年8月。

[4] 庞炳东。河流洪水流场中的能量分布。水利学报，1997，(5).

[5] L.B.里奥普等。河槽水力几何形态及其他在地学上的意义，钱宁译。水利出版社，1957年。

[6] 黄委会《黄河志》总编室。历代治黄文献(下册).河南人民出版社，1989年。