心得體會(huì)：黃河泥沙入黃的機(jī)制及過(guò)程探討

心得體會(huì)：黃河泥沙入黃的機(jī)制及過(guò)程探討黃河是舉世聞名的多沙河流，水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河區(qū)別于其他江河的基本特征，也是黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)所在。黃河中游的潼關(guān)水文站控制了黃河９０％的流域面積、９０％的徑流量和幾乎全部的泥沙，分析潼關(guān)水文站不同時(shí)期水沙量變化可以看出，２０世紀(jì)６０年代以來(lái)，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，黃河徑流量、輸沙量呈減少趨勢(shì)。黃河水沙變化尤其是泥沙量的變化引起了國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家的高度關(guān)注。黃河水沙變化不僅影響到黃河沖積性河道的沖淤發(fā)展趨勢(shì)，而且關(guān)系到重大治黃規(guī)劃的實(shí)施、治黃戰(zhàn)略的確定以及重大水利樞紐工程的布局和建設(shè)時(shí)機(jī)等。相關(guān)部門開展了大量研究，但由于研究采用的資料和方法不同，研究成果差別較大，未能形成對(duì)入黃泥沙量變化的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。另外，以往對(duì)黃河泥沙變化的研究多側(cè)重于坡面、溝道侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程，對(duì)產(chǎn)沙入溝或入河后發(fā)生的河流輸沙過(guò)程考慮較少，導(dǎo)致無(wú)法深入?yún)^(qū)分“產(chǎn)沙”和“輸沙”的概念差異。侵蝕產(chǎn)沙的主要機(jī)制侵蝕產(chǎn)沙主要是指地表物質(zhì)（包括成土母質(zhì)）在侵蝕營(yíng)力作用下所發(fā)生的分散及相對(duì)初始位置的移動(dòng)。根據(jù)侵蝕力的不同，可分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕和凍融侵蝕４種類型。黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)的產(chǎn)沙方式包括風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕和重力侵蝕，其中風(fēng)力侵蝕產(chǎn)生的入黃泥沙占比較小，成因復(fù)雜多樣，一般不作為研究重點(diǎn)。因此，本文主要分析黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)的水力侵蝕和重力侵蝕兩種產(chǎn)沙方式。水力侵蝕水力侵蝕是指以地面的水流為動(dòng)力沖走土壤產(chǎn)生的侵蝕作用，也稱為水蝕，是全球分布最為廣泛的侵蝕產(chǎn)沙類型。水力侵蝕是黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)分布最廣泛、最重要的土壤侵蝕方式。除了部分沙丘沙地區(qū)和植被茂密的山區(qū)外，幾乎在所有降雨及產(chǎn)生地表徑流的地區(qū)都可以見到水力侵蝕。即便是在局部干旱區(qū)域，夏季暴雨產(chǎn)生的侵蝕也是塑造地面的重要侵蝕方式之一。從成因上看，黃河流域黃土高原地區(qū)大部分地面起伏較大，植被覆蓋率較低，組成物質(zhì)較為松散，暴雨多發(fā)，是水力侵蝕廣泛分布的主要原因。水力侵蝕范圍約占黃土高原總面積的７４％，而由水力侵蝕產(chǎn)生的輸沙量占黃土高原總輸沙量的６０％～８０％。重力侵蝕重力侵蝕是指在重力作用下，斜坡陡壁上的不穩(wěn)定土石巖體分散或整塊向下移動(dòng)，形成沙量，一般在３５°以上的坡面都有可能發(fā)生。按其發(fā)展過(guò)程、侵蝕特點(diǎn)，又可分為滑坡、崩塌、滑塌和瀉溜等侵蝕方式。受特定的自然地理?xiàng)l件和人類活動(dòng)影響，黃土高原地區(qū)地面起伏不平，多溝谷斜坡，黃土等松散物質(zhì)較多，因此坡面重力侵蝕十分活躍，崩塌、滑塌、滑坡、瀉溜、泥石流等現(xiàn)象處處可見，是流域侵蝕產(chǎn)沙的主要方式之一。在重力侵蝕中，滑坡侵蝕較為常見，一些較大的滑坡一次就可以移動(dòng)土體數(shù)萬(wàn)立方米；瀉溜侵蝕分布也較為廣泛，在３０°以上的由松散物質(zhì)組成的坡面上有可能發(fā)生，雖然侵蝕強(qiáng)度不大，但是分布廣泛且?guī)缀踅K年不止，因此侵蝕總量不可忽視。影響黃土高原地區(qū)重力侵蝕過(guò)程的主要因素為地形、地表物質(zhì)組成、植被、氣候和人類活動(dòng)等。泥沙入黃的主要過(guò)程黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)實(shí)際侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程是由水力侵蝕和重力侵蝕相互疊加共同作用而成的。水力侵蝕會(huì)誘發(fā)或者加劇重力侵蝕，重力侵蝕又可為水力侵蝕帶來(lái)松散的侵蝕沙源。由侵蝕產(chǎn)沙的機(jī)制分析可見，影響產(chǎn)沙的主要因素包括氣候、地形、地表物質(zhì)組成、植被和人類活動(dòng)等，除植被可以通過(guò)水保措施進(jìn)行控制外，其他主要影響因素在歷史長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生較大變化，尤其是降雨因素，雖然與人類活動(dòng)和植被因素存在互饋?zhàn)饔?，但其?huì)基本維持自身的周期性或趨勢(shì)性等自然變化特征，不會(huì)發(fā)生較大的氣候背景變化。因此，可以認(rèn)為黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)的產(chǎn)沙能力在歷史長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，只要降雨條件滿足侵蝕產(chǎn)沙要求，就會(huì)發(fā)生侵蝕產(chǎn)沙。當(dāng)降雨形成的水流條件不足，水流中的泥沙含量超過(guò)水流能攜帶的泥沙量時(shí)，泥沙顆粒就會(huì)停滯于坡面或者溝道，發(fā)生局部堆積，等待較大的水流輸移；當(dāng)降雨形成的水流條件足夠時(shí)，產(chǎn)生的泥沙就會(huì)隨水流匯入河道，進(jìn)入泥沙入黃的下一環(huán)節(jié)，即河道水流輸沙過(guò)程。因此，產(chǎn)沙與輸沙概念并不一致，產(chǎn)沙是持續(xù)的、相對(duì)永久的，而輸沙則需要適當(dāng)?shù)乃鳁l件。由此也引出了在坡面產(chǎn)輸沙方面對(duì)“零存整取”概念的新詮釋，即對(duì)于特定的產(chǎn)沙區(qū)，存在一定的降雨閾值（一般認(rèn)為黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)該閾值為日降雨量２５毫米），當(dāng)降雨量小于該閾值時(shí)，侵蝕產(chǎn)生的沙量不斷滯存于坡面或局部溝道內(nèi)，入黃沙量很小；當(dāng)降雨量滿足該閾值要求時(shí)，產(chǎn)沙可以向輸沙轉(zhuǎn)化，將長(zhǎng)期累積“零存”的沙量大規(guī)模地輸送入黃。經(jīng)過(guò)坡面匯流輸沙后，泥沙進(jìn)入河道，此時(shí)泥沙輸移符合河流泥沙動(dòng)力學(xué)理論，由水流挾沙力控制。在一定的水流和泥沙綜合條件下，水流含沙量超過(guò)臨界含沙量（即挾沙力）時(shí)，水流處于超飽和狀態(tài)，河床將發(fā)生淤積；當(dāng)小于臨界含沙量時(shí)，水流處于次飽和狀態(tài)，水流將向河床尋求補(bǔ)給，帶動(dòng)河床“零存”淤積的泥沙，河床發(fā)生沖刷，在河道內(nèi)發(fā)生“零存整取”。從黃河支流最后一級(jí)溝道到黃河一級(jí)支流入黃口，可以認(rèn)為是ｎ級(jí)河道的銜接，河道比降從第ｎ級(jí)到第１級(jí)（黃河一級(jí)支流末端）逐漸減小，水流挾沙力逐漸減弱。由于黃土高原巨厚層黃土的存在和支流河道比降依次減小的特性，因此從第ｎ級(jí)河道開始，為水流飽和輸沙提供了充足的泥沙來(lái)源。從這一特性來(lái)講，坡面侵蝕輸向河道（溝道）的泥沙僅占入黃泥沙的一小部分。當(dāng)從第１級(jí)到第ｎ級(jí)河道內(nèi)淤積有較多泥沙或河道（溝道）處于黃土區(qū)時(shí)，入黃泥沙量與坡面侵蝕量并不會(huì)呈緊密相關(guān)的關(guān)系。黃河多年平均來(lái)沙水平分析1.水保措施的作用分析治黃工作者針對(duì)黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)的泥沙入黃問(wèn)題，開展了大量的水土保持治理工作，其中最重要的工作即構(gòu)建了黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)的林草、梯田和淤地壩等水?！叭婪谰€”。據(jù)《人民治理黃河７０年水土保持效益分析》，截至２０１５年年底，黃河流域水土保持措施累計(jì)保存面積２１．８４萬(wàn)平方千米，其中梯田５．５０萬(wàn)平方千米、造林１０．７６萬(wàn)平方千米、種草２．１４萬(wàn)平方千米、封禁３．４４萬(wàn)平方千米；建設(shè)淤地壩５．８４萬(wàn)座，其中骨干壩５８３４座。目前的初步治理面積約占水土流失總面積的５０％。入黃泥沙減少主要緣由是水保措施，且水保措施對(duì)入黃泥沙的減控作用將會(huì)持續(xù)下去。實(shí)際上，水?！叭婪谰€”在黃河流域水土保持治理中發(fā)揮了巨大的作用，但其作用是有限的。在淤地壩方面，根據(jù)《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范溝壑治理技術(shù)》，小型淤地壩的單壩集水面積在１平方千米以下，中型淤地壩為１～３平方千米，大型淤地壩為３～５平方千米。按照骨干壩單壩控制面積為４平方千米、中小型淤地壩單壩控制面積為１平方千米推算， 目前淤地壩總控制面積為７． ５６萬(wàn)平方千米，僅占黃河流域水土流失總面積４６．５萬(wàn)平方千米的１６％。實(shí)際上，骨干壩的淤積年限一般為１０～２０年，中小型淤地壩一般為５～１０年，很多淤地壩建設(shè)時(shí)間較早，部分?jǐn)r沙庫(kù)容已經(jīng)淤滿，失去攔沙功能。同時(shí)，淤地壩設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)較低（骨干壩、中型壩、小型壩的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)分別為３０～５０、２０～３０、２０年一遇暴雨洪水），一旦發(fā)生超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的暴雨洪水，就可能導(dǎo)致淤地壩垮塌，發(fā)生將攔淤的泥沙再次輸送入河的情況。在梯田方面，梯田總面積為５．５萬(wàn)平方千米，按照其本身面積的１．２倍來(lái)計(jì)算其控制產(chǎn)沙區(qū)的面積，其可發(fā)揮攔沙作用的總控制面積僅為６．６萬(wàn)平方千米，占流域水土流失總面積的１４％。梯田發(fā)揮攔沙作用主要依靠梯田的人工田埂對(duì)泥沙實(shí)現(xiàn)攔截。根據(jù)《水土保持綜合治理 技術(shù)規(guī)范 坡耕地治理技術(shù)》的要求，梯田邊應(yīng)有蓄水田埂，埂高０．３～０．５米，頂寬０．３～０．５米。然而，很多梯田首次規(guī)范修建時(shí)留下的田埂，在經(jīng)過(guò)幾次后續(xù)翻地耕種后，已經(jīng)不復(fù)存在，基本失去了泥沙攔截功能（已多次在黃土高原地區(qū)考察中得到證實(shí)）。在林草方面，受資料和技術(shù)條件等因素限制，無(wú)法真正意義上獲得林草的實(shí)際減沙作用，但可以通過(guò)與１９２２ ~１９３３年的植被定性對(duì)比來(lái)明確現(xiàn)狀黃土高原地區(qū)植被的減沙作用，１９２２ ~１９３３年人類活動(dòng)對(duì)植被破壞較少，植被覆蓋率應(yīng)好于現(xiàn)狀下墊面，但在１９３３年高強(qiáng)度降雨條件下，陜縣水文站出現(xiàn)了３９．１億噸的歷史罕見沙量。再如林草植被較好的汾川河，２０１２年植被覆蓋率在８５％以上，然而當(dāng)遭遇２０１３年高強(qiáng)度降雨后，汾川河控制站——新市河水文站實(shí)測(cè)輸沙量達(dá)到１６００萬(wàn)噸，為建站以來(lái)的最大值。由此可見，林草植被對(duì)于中等強(qiáng)度以下降雨的減沙作用明顯， 對(duì)大暴雨尤其是對(duì)大雨量、高強(qiáng)度暴雨的減沙作用會(huì)明顯降低。2.來(lái)沙水平估算由上述侵蝕產(chǎn)沙的主要機(jī)制以及泥沙入黃的主要過(guò)程可以看出， “侵蝕產(chǎn)沙”和“河道輸沙”并不是相同的概念，水力侵蝕或者重力侵蝕產(chǎn)生的沙量在水動(dòng)力不足的情況下，在坡面、溝道或者河道堆積，當(dāng)遇水動(dòng)力條件適合的大水年份則會(huì)產(chǎn)生超飽和輸沙，導(dǎo)致出現(xiàn)大輸沙量。收集黃河中游河龍區(qū)間（河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間）降雨摘錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期降雨強(qiáng)度可以看出，黃河流域近期降雨條件尤其是降雨強(qiáng)度較小，導(dǎo)致未發(fā)生全流域大輸沙量現(xiàn)象。但是，降雨是呈現(xiàn)周期性變化的，未來(lái)發(fā)生大水大沙年份的可能性在逐漸增大。在估算黃河來(lái)沙水平尤其是在進(jìn)行工程輸沙量設(shè)計(jì)時(shí)，既要豐平枯兼顧，又要考慮產(chǎn)沙和輸沙不一致出現(xiàn)的大輸沙量風(fēng)險(xiǎn)，亦即在系列中包含大輸沙量的年份。按照《水利工程水利計(jì)算規(guī)范》的規(guī)定，設(shè)計(jì)工程壩（站）址年月（旬日）水位、流量及泥沙資料應(yīng)不少于３０年系列。鑒于黃河的特殊性和復(fù)雜性，可以考慮按照５０年系列長(zhǎng)度取值，按其估算的沙量將會(huì)更大。為更加貼近現(xiàn)狀來(lái)沙水平，在進(jìn)行黃河來(lái)沙水平估算時(shí)，仍采用最短３０年的系列資料并考慮加入包含大輸沙量年份的資料。根據(jù)估算，黃河上中游潼關(guān)以上 2000~2012 年平均年采砂量為1.13～1.73億噸，其中2012年采砂量為1.93～2.95億噸。綜合考慮種種因素，黃河來(lái)沙水平估算結(jié)果與《黃河流域綜合規(guī)劃》 （2012~2030 年）提出的“正常降雨條件下現(xiàn)狀、 2020年水平四站年均輸沙量分別為 11.5～12.5億噸、10.5～11.0億噸正常降雨條件下2030年水平四站多年平均年輸沙量為9.5～10.0億噸”基本相當(dāng)。綜合而言，黃河流域水保措施對(duì)于低強(qiáng)度降雨可以發(fā)揮一定作用，但這種作用是有限的。水保措施只是對(duì)產(chǎn)輸沙環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，其攔減的沙量并不等同于入黃泥沙。另外，受氣候變化影