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周建军:黄河泥沙问题与长远安全对策
发布日期:2019-01-11 来源:九三学社中央参政议政部
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黄河是中华母亲河,历史上黄河北越京津、南极长江,12000年来泥沙在平原堆积平均厚度35.6米,创造了广袤的华北及黄淮平原。花园口以下800千米的黄河下游是地上悬河,黄河长期泛滥是中华民族心腹之患,与华夏安危兴衰密切相关。人民治黄已经实现七十年安澜,而黄河长远安全是中国平安的基础。

一、黄河下游泥沙淤积与影响概述

黄河流域面积79.5万平方千米,多年平均泥沙16亿吨。水资源647亿立方米、天然径流496亿立方米,其中62%来自河口镇以上少沙区,唐乃亥以上河源区径流202亿立方米;泥沙89.1%来自中游“多沙粗沙区”(11.82亿吨),是危害下游的主要沙源和水土保持重点地区。

(一)黄河下游淤积历程

由于人类活动对河流的约束越来越大,随时代发展,黄河下游淤积强度不断增加。历史上,明清黄河故道600余年,从河南东坝头到苏北云梯关(600千米)滩面抬高17—18米,河口延长了187千米,两岸地面抬高约10米;1855年以来现代黄河河床抬高10—15米。1960年以来,尽管上游水库大量拦沙,下游淤积有所减弱,但下游淤积抬高仍然严重。1960—2000年平均年升高8.5厘米,1958—1995年花园口至利津河道抬高了2.1—3.4米,下游两岸四次加高大堤,悬河程度已经与明清故道相当;1950—2010年,三门峡水库和黄河下游总淤积超过140亿立方米,其中下游河道淤积超过60亿立方米,水库淤积占比很大,2000年小浪底蓄水以来水库淤积也很严重。而且,由于三门峡等水库调节“消灭”了中小洪水,使河道排沙能力减弱、河槽萎缩,下游形成“二级悬河”,使洪水期间出现“滚河”威胁大堤安全风险更显著加大。

(二)黄河下游河道的洪水安全状况

有水库拦沙后,黄河下游安全状况同样不容乐观。三门峡水库蓄水以来,下游洪水位全线升高,钱正英院士曾在上世纪90年代发表过一组数据,比较花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口和利津等1958年和1996年洪水情况。通过数据可以看出,1996年黄河洪水流量只有1958年40%左右,但除艾山外,前者洪水水位均超过后者。河道普遍萎缩,2002年平滩流量每秒只有1800立方米。小洪水、高水位成为普遍状况。2000年小浪底蓄水以来,平滩流量有所增加,但黄河下游整体情况并无根本改观。

现在黄河下游地上悬河和高洪水位严重,下游必须依靠中上游水库保护。而必须注意的是,目前黄河下游大堤内人口超过200万,小浪底等水库防洪首先必须考虑堤内人口安全。张光斗先生曾戏称小浪底变成了“保滩水库”,滩地问题严重制约着水库防洪运用,影响着下游安全。同时,黄河中游水库在不断淤积减少库容。流域水库防洪能力的可持续是下游长远安全的根本,这必须完全依赖于水库寿命。

(三)三门峡水库的泥沙淤积教训

目前,三门峡水库淤积87亿立方米。其中仅初期4年45.7亿立方米,导致渭河侵蚀基面(潼关高程)抬高5米,渭河变成地上悬河,洪水危及西安,因此1964年周恩来总理亲自决定改建和降低三门峡运行水位,后来又经过多次反复改建,已经完全放弃原来规划。虽然水库泥沙淤积得到控制,但潼关高程仍然居高不下。三门峡水库泥沙淤积使渭河变成人造悬河,在华县一带形成“二华夹槽”凹地,支流泥沙倒灌淤堵、排涝不畅、渭南支流桥梁不断被迫加高、渭北良田沼泽盐碱化,广袤富饶的关中平原受到严重破坏。

历史是一面镜子,必须吸取教训。工程拦沙可造成的淤积尺度和危害是惊人的!我们必须站在更高更长时空高度审视黄河泥沙和水库淤积。黄河虽然暂处于安定时期,但我们绝不能掉以轻心,居安思危必须一以贯之。

二、黄河流域水沙变化、水土保持与泥沙问题

60余年间,黄河下游(花园口)径流不断减少,1987—2016年比1950—1969年平均减少47.5%。黄河源区(兰州以上)水量比较平稳,相同时期只减少18.3%,现在花园口水量已经少于河源区。源区径流减少,使龙羊峡水库(247亿立方米)1986年建成后20年不能蓄满,1998年后万家寨计划向域外供水14亿立方米。黄河水量减少与流域水库建设高度相关,水库调节已经使黄河汛枯水量格局发生了根本性颠覆。三门峡蓄水前多年平均16亿吨泥沙进入下游,1952—1972年平均出海沙量12亿吨,每年4亿吨泥沙淤积在下游河道,黄河整体排沙比75%;1960年后进入下游泥沙逐步减少,2000年后平均只有0.86亿吨,减少95%。由于上游工程拦沙,黄河出海沙量仅为1.17亿吨,黄河整体排沙比只有7.33%(假设流域产沙量不变)。2014年后,黄河中游小北干流和渭河进入三门峡水库的泥沙已经不足0.8亿吨,几乎无沙进入下游和出海。举世闻名的万年黄河,几十年内变成了“清河”。黄河泥沙剧烈减少是水土保持作用还是工程拦沙作用、是否可持续、“黄河清”是利是弊都值得认真思考和研究。

黄河流域水土保持减沙作用研究很不充分。近年植树造林和耕作改善,特别是农民工进城在很大程度利于流域泥沙减少。但是,不争的事实是黄河流域沟壑地貌没有发生根本改变,土地利用面积不断增加(用水大量增加即为佐证),真正拦截在流域坡面的泥沙有限。黄河流域以沟道重力侵蚀为主现象并没被遏制,除淤地坝拦沙外尚无有效措施可以大规模减沙。另一方面,近几十年来,因气候变化和人类活动影响,全球主要流域产沙都在大幅增加。国务院新闻办2009报告认为水土保持每年减沙3亿吨,目前黄河流域大量减沙主要依靠淤地坝等水保工程措施。由于黄河沙源主要在中游“多沙粗沙”区,目前这些工程措施寿命都非常有限。总体而言,目前黄河泥沙大幅减少与水土保持有一定关系,但主要是高强度坝系拦沙的作用。水土保持及其长效作用研究还需要加强。

近几十年(特别是近20年)流域拦蓄工程包括塘坝184万、淤地坝9万座、拦沙坝5399座,流域蓄水工程总库容716亿立方米,已超黄河水资源总量。一般淤地坝和小支流拦沙坝缺乏泄洪设施、短期粗细都拦、效率低、寿命短(一般工程20—30年、减淤5—10年)、排洪条件差、易溃决、维护和修复困难。同时,随着气温升高或雨带北移和暴雨强度增加,流域侵蚀和泥沙增加预期风险也很大,大量积累在沟道泥沙若“零存整取”或成为威胁下游安全的风险。中游大型水库都以为下游防洪减淤名义规划建设,但实际上在发电等兴利方面作用更大。目前大型水库实际排沙比都很小,可长期利用减淤库容非常有限。三门峡水库仅4年就淤积47亿立方米,基本丧失减淤功能;小浪底设计减淤年限只有20年(近年入库沙量减少,可延长)、工程寿命80年;其它拟建工程也都多为相同目标。黄河水利委员会拟寄托于多库联合“调水调沙”提高水库时效,然而目前实际运用证明其效果很差。当前的基本事实是,黄河整体排沙比很小而且越来越小(“调水调沙”没有提高水库排沙比,小浪底水库16年平均排沙比只有30%,远低于三门峡水库淤积最严重的1961-1964年排沙比),水土保持主要依靠坝系,大坝上游沟谷大量堆积的同时黄河下游变清。

黄河安全的主要问题是下游河道不断抬升。当前,黄河安全,根本原因是下游泥沙少了,但是,这种减少是否可持续?假设水土保持每年能将3亿吨泥沙完全拦截在坡面而其余为沟道和水库拦截(考虑到已经20年了)或可粗略匡算:50年后65立方千米泥沙将被堆积在小浪底大坝以上河谷。黄河中游十分狭小,水库、河谷和沟道空间有限,淤地坝等约束泥沙存在时效和全球变暖增加黄河流域暴雨风险较大,今天所拦截的或是未来难以承受之重。如何化解?这是我们所面临的黄河泥沙问题。

三、黄河下游持续抬升的主要原因

黄河水少沙多是泥沙淤积原因。在没有更好水土保持方法前,筑坝拦沙是完全必要的。但是,黄河中游河谷空间是十分珍贵的不可再生资源,筑坝高强度拦沙只是保卫黄河下游安全的权宜之计,不可持续。著名河流动力学家钱宁院士上世纪七十年代业已经揭示对黄河下游危害最大的主要是泥沙中含量比例较小的粗沙。历史上淤积在花园口以下河床中的泥沙超过70%和50%粗于0.08和0.1毫米,1954-1995年三门峡入库泥沙中,0.1毫米以上粗沙平均只占3.8%。大量观测证实,这种粗沙主要来自黄河中游多沙粗沙区很小范围。因此,淤积黄河下游河槽的根本原因不在于沙多而在于粗沙,大量粗沙淤积河槽而降低平滩洪水流量,导致洪水期大量漫滩、泥沙全面淤积而抬高黄河。多沙粗沙区理论是黄河中游水土保持和小浪底工程设计逐步提高运行水位、主要拦截粗沙的理论依据。

遗憾的是,上述理论并没有得到严格应用。虽然多沙粗沙区已经是黄河水土保持重点地区,但淤地坝建设粗放、高强度拦水拦沙、粗细都拦,没有更好发挥对下游的有效减淤作用。小浪底工程2000年建成后,为多发电不顾“防洪减淤”规划目标和规划确定的从205米低汛限水位运行、逐步抬高水位原则,2002年就将汛限水位提高到230/248米。产沙区泥沙全面拦截、水库没有发挥分选拦沙作用,黄河变清的同时流域有限的拦沙空间消耗更快。

四、黄河泥沙治理方向与对策

黄河自然多沙,而泥沙不都是害。实际上,千万年的黄河泥沙缔造了中华生存家园(华北平原)和最年轻国土(东营)。黄河泥沙还是近海生产力的基础和河流生态与环境容量的支撑。黄河治理不能改变自然属性,“黄河清”不是好事。未来黄河治理应该是加强水土保持和水利工程提高“拦粗排细”。

当务之急是暂缓正在推进中的小北干流古贤、碛口和泾河东庄三个以防洪拦沙为主要目标的工程建设,避免其加剧黄河低效拦沙和“黄河清”危害三门峡、小浪底等重要水库水质。按可持续发展和生态文明要求重新论证后,这些珍贵的坝址资源应该放到黄河下游安全最需要和最有利的使用。同时,黄河泥沙长远治理需要改进水土保持,切实优化调度用好已有工程和创新泥沙处理方式。

多沙粗沙区水土保持和淤地坝建设是黄河重点流域治理的有效手段,今后需要进一步改进和提高淤地坝寿命。建议通过分类改造逐步增加重点淤地坝泄洪设施、安全监测和维护维修机制,优化目标应该是降低拦水拦沙强度;二是通过植树造林、农田加固和治沟造地等方式加强固沟保塬和坝地保护。

黄河流域水利水电工程应该首先处理好发电等现实利益与保卫黄河长远利益的关系。在当前流域来沙较少的有利条件下,小浪底等水库的防洪减淤寿命可明显加长,高效用好当前大型水库非常重要。建议大型水库切实按照原规划确定的建设目标和运行原则调度(比如小浪底应在汛期防洪排沙期间按原规划切实降低水位、努力增加排沙),延长水库使用寿命。

水库是河流粗细泥沙的高效分选器。在三门峡、小浪底等河道型水库,粗沙主要淤积在库尾上游变动回水区。当前我国挖机械进步很大、费用也越来越低,泥沙处理能力和效率已不可同日而语。建议在上述水库库尾固定河段枯水期水下挖粗沙(每年最多5000万吨),将其堆放到中游大荔和小浪底下游的温孟滩等规划的巨型放淤区,建设国家建筑材料基地将粗沙集中长期利用,同时通过适时降低水库水位等方式冲刷水库,让更多于下游无害的淤泥出库入海。

人民治黄70年安澜取得了伟大成就。黄河安全关系民族生存和国家发展的基础,也是美丽中国建设的根本保障。当前治黄主要依靠工程措施,但是,水库目前运行方式不能实现长效和高效减淤;当前水土保持作用巨大,但是流域面上减沙和长期效果尚不能肯定;当前高强度筑坝拦沙又明显操之过急。黄河中游坝址、水库、河谷和沟道空间十分有限,大量工程高强度拦沙浪费着不可再生空间资源,下游泥沙和河道抬升恢复的风险很大。在当前安澜条件下,我们不能麻木不仁,居安思危必须一以贯之。建议国家高度重视黄河长远安全。

(作者系清华大学水利系教授、九三学社中央资源环境专委会主任)