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中国水情分析研究报告
2012年第3期（总第164期）
水规总院水利规划与战略研究中心 2012年12月10日 
黄河下游河道近10年的变化与前景展望
齐 璞 （教授）
(黄委会水科院，郑州，邮编450003)
【提要】黄河的泥沙随洪水而来，利用洪水输沙入海在下游治理上又具有长远意义。黄河上水库的大量兴建，水土保持与灌溉的发展，下垫面巨大的变化，洪水发生的机会与洪峰流量大幅度减小，为了保持和提高洪水的造床和输沙入海的能力，不再需要宽河削峰。
近年来对黄河窄深河槽泄洪输沙规律有了新认识，下游河道具有极强的泄洪输沙能力、为黄河下游河道的治理指明方向。
三门峡水库改建后“蓄清排浑”运用的减淤作用已经使花园口以上河道基本不淤。小浪底水库投入运用以后，下游河道均发生了冲刷，平滩流量迅速增大，水位全程降低1至2米，但是夹河滩以上河道依然宽浅散乱，急需进行世界河流通用的双岸整治，形成稳定的窄深河槽；通过峡谷型的小浪底水库泥沙多年调节优化进入下游的水沙组合，将泥沙调节到洪水期输送，利用改造后新河槽输沙入海，可以控制河槽不抬高，并大幅度增加水库兴利。
* * *
泥沙淤积是洪水在黄河下游危害的根源，千百年来人们都希望河床能不抬高。早在1955年，第一届全国人民代表大会第二次会议就通过了《关于根治黄河水害和开发黄河水利的综合规划的决议》，曾以“节节蓄水、分段拦泥”的规划原则，对黄河做了全面规划，企图使黄河变清，从根本上解决下游的洪水灾害。由于规划不符合国情，三门峡水库被迫进行两次改建，改“蓄水拦沙”为“滞洪排沙”运用。但是，黄河泥沙问题没有根本解决。
水利部针对21世纪黄河治理，提出“堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高”宏观治理目标。其中最难的是河床不抬高。泥沙随洪水而来，随洪水而去是最好的归宿。我们要改变传统靠拦沙治理下游的思想，以调沙为主，充分利用洪水排沙入海为主的治河方略。
近年来对黄河下游河道泄洪输沙规律有了新认识，黄河的治理也取得很大的进展，进入下游的水沙条件已发生巨大变化，防洪形势已有新的发展，下游河道治理方向更加明确。其中近年对河道输沙能力认识的突破—窄深河槽具有很强的输沙潜力和过洪能力，为实现河床不抬高提供了可能。
由于黄河长期多沙，且水沙组合不合理，小水挟沙过多，形成很陡的比降，有万分之二到万分之一，流速可以达到三到四每秒米，且在涨水期河床不断冲刷，水深迅速增大，最大洪峰时河床最低，过流能力最大，与淮河泄洪河道比降三万分之一；长江下游比降小于五万分之一的情况不同。黄河要比淮河、长江下游河道陡。黄河下游花园口站河床高程为90几米，长江武汉站的海拔高程只有20几米。优化来水来沙组合后，目前的河床比降利用洪水输送泥沙入海是富富有余。
1、黄河下游河道近10年发生强烈冲刷、洪水位大幅度降低
小浪底水库投入运用以后，使得河南河道、山东河道都发生了冲刷[1]。从1999年10月至2009年10月，小浪底库区淤积量为24亿m3，表明水库仍处于拦沙运用初期。因近期入库沙量明显偏小，导致水库实际淤积程度比原先预计的要轻。根据下游淤积大断面测量成果计算，1999年11月～2009年10月黄河下游小浪底～利津河段共冲刷13.4亿m3（合18亿t），黄河下游年平均冲刷1.30亿m3。高村以上冲刷总量为9.572亿m3，占冲刷总量的74％。特别是夹河滩以上河段冲刷量，占冲刷总量的64％，河道过流面积增加了3000至4000m2；夹河滩～高村河段冲刷总量1.391亿m3，占冲刷总量的10.7％，河道过流面积增加了1700 m2，高村～艾山冲刷量1.785亿m3，占冲刷总量的13.7％，河道过流面积增加了800 m2；艾山～利津河段冲刷1.688亿m3，占冲刷总量的12.9％，河道过流面积增加了600 m2。图1给出的各河段过水面积的变化。
图1 1999年10月～2009年10月各河段主槽断面法冲淤面积(m2)
黄河9次调水造峰期共计冲刷3.4亿t.占9年总冲刷量的28.5％。
小浪底水库运用后下游水位全程降低，与1999年汛后相比（见表1）2009年汛后同流量（2000m3/s）水位降低1.91～0.96米，水位下降幅度沿程变化同样具有两头大，中间小的特点，花园口、夹河滩、高村、流量（2000 m3/s）水位分别下降1.91米。1.85米，1.85米，艾山下降0.96米、利津下降1.23米。下游河道经过9年冲刷，河道排洪能力得以恢复，与小浪底水库运用前相比平滩流量增加了1000～2800 m3/s。2010年汛后下游各站平滩流量达到4000～6500 m3/s，其中花园口站最大、孙口站最小。
表1 小浪底水库运用以来（2000至2009年）下游河道同流量水位变化
目前花园口站以上河段平滩流量大于7000m3/s, 夹河滩站以上河段平滩流量大于6000m3/s，高村站以上平滩流量达5300 m3/s，加上高1.2-2.5m生产堤的作用可过7000-9000m3/s，平滩流量最小的孙口河段也有4000 m3/s，加上高1.5-2.5m生产堤的作用也可过5000m3/s，目前艾山到利津河段平滩流量也达到4000-4300 m3/s。今后小浪底水库还要进行泥沙多年调节，相机利用洪水排沙，河床还会向下冲刷，河段平滩流量还会增大。
2. 黄河中上游的治理已使下游的防洪形势产生巨大变化
由于海河流域的治理，华北平原上的河流已经相继都变成干河，只偶尔才会有洪水下泄，黄河流域也属干旱、半干旱地区，中上游大量兴建水库，灌溉农业与水土保持的发展，引起下垫面汇流的巨大变化，也使黄河实测洪水也大幅度减小。
黄河兰州站的径流量占黄河总水量的58%，1968年刘家峡水库投入运用，1986年龙羊峡水库投入运用，两座水库的联合运用及工农业用水的增长，汛期进入下游的水量大幅度减少。据1994年统计，黄河干支流上已有的大中小型水利枢纽达600余座，总库容达700亿m3，超过黄河的年水量。仅龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底四库防洪库容就达156.2亿m3（相当黄河千年一遇洪水12天的总量）。
在主要支流上也兴建许多大型水库，如伊河陆浑、洛河故县水库，防洪库容分别为6.77亿m3和 6.98亿m3。千年一遇洪水花园口站洪峰流量由42300m3/s降为22500m3/s；百年一遇洪水的洪峰流量由29200 m3/s降为15700 m3/s；若发生1958年的22300m3/s洪水花园口站洪峰流量将降为9620 m3/s；自1982年发生15300m3/s大洪水以来，近30年来花园口站洪峰流量没有大于8100m3/s，小浪底水库投入运用以来没有出现大于5000 m3/s，洪水已经得到有效控制，大洪水发生的机会大幅度减少。如花园口站从1950年至2008年历年实测最大洪峰流量变化过程见图2。
洪峰流量的大幅减小，洪水造床作用减弱，水少沙多的矛盾更加突出。水库的防洪运用，削峰淤沙作用已代替天然洪水漫滩后滞洪，滞沙作用，洪水漫滩机会也会大量减少。
图2 花园口站1950年至2008年实测最大洪峰流量变化
由龙羊峡、刘家峡水库的联合运用后1987-1996与1950-1986年花园口站各级日均流量出现的天数，自1987年龙羊峡水库投入运用以后花园口站没有日均流量大于7000m3/S大洪水发生。而在1986年以前经常会发生日均流量大于7000m3/S的漫滩洪水。
由于黄河干支流上水库群的调节作用，及下垫面的变化对地表径流的影响，今后的水沙将进一步变化，使黄河下游洪水下泄机遇减少。不会经常发生上世纪50，60年代的大洪水，利用此资料分析得出认识，如宽滩的滞洪堆沙作用，对今后黄河下游河道的演变与治理研究意义不大。
黄河治理结果使洪峰流量的大幅度的减小是不可逆转的变化，今后黄河下游只要河床不抬高，洪水灾害不难解决。
3. 黄河窄深河槽具有强大输沙泄洪潜力
3.1 巨大输沙潜力
上世纪80年代，对黄河干支流不同河段的高含沙洪水的输沙特性对比分析表明，窄深河槽是有利于高含沙洪水输送，适宜输送的含沙量是大于200kg/m3的高含沙水流（见图3），而不是低含沙量[2]。造成高含沙洪水在黄河下游河道中严重淤积的原因（见图4），及在输送过程中产生异常现象的根本原因是黄河下游高村以上河道河槽极为宽浅，不适合高洪水输送。
图3 垂线含沙量分布特性随含沙量变化图
图4 黄河下游含沙量最高的五次洪水平均含沙量沿程变化
造成黄河窄深河道多来多排的原因：在低含沙水流时是因水流的流速达到1.8～2m/s，床面形态进入高输沙动平整输沙状态；对高含沙水流而言，是因为黄河泥沙组成比较细，因含沙量增高后使流体的黏性增大，粗颗粒泥沙易浮不易沉。可利用曼宁公式进行水力计算，说明河床对水流的阻力并没有增加。适宜输送的是含沙量大于200kg/m3以上，800kg/m3以下的高含沙水流，而不是低含沙量水流 [2]。
黄河下游艾山以下河道比降万分之一，表3给出的1973、1977年3场洪水的含沙量较高，艾山至利津河段的输沙情况表明，在流量3000m3/s时，最大含沙量200kg/m3时，以水流中含沙浓度变化表示的河段排沙比在0.97～1.04间，表明上述洪水均可顺利输送而河床不淤。
表3 艾山至利津河段较高含沙洪水输沙情况与河床冲淤情况
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时 段 |
站名 |
Qmax
/m3·s-1 |
Qcp
/m3·s-1 |
Smax
/kg·m-3 |
Scp
/kg·m-3 |
河段含沙
浓度比
(S下/S上) |
河床
冲淤面积/m2 |
Q=3000m3/s水位差(m) |
|
73.8.30-9.8
9.1-10 |
艾山 |
3880 |
3010 |
246 |
145 |
1.04 |
-54.1 |
+0.46 |
|
利津 |
3680 |
2994 |
222 |
151 |
|
-174 |
-0.09 |
|
1977.7.9-8.5
7.10-16 |
艾山 |
5540 |
4490 |
218 |
121 |
1.02 |
-292 |
-0.02 |
|
利津 |
5280 |
4160 |
196 |
124 |
|
-168 |
+0.36 |
|
1977.8.8-1.4
8.9-15 |
艾山 |
4600 |
3100 |
243 |
147 |
0.97 |
+20.8 |
+0.15 |
|
利津 |
4100 |
2944 |
188 |
143 |
|
+62.4 |
-0.20 |
在水库中也表现出黄河高含沙洪水输移的高效输沙特性。在1977年7、8月的两场高含沙洪水，在三门峡水库库区水面宽600～800m，水库严重壅水的情况下，坝前41.2km的范围比降分别为0.27 和0.92 ，最粗的平均粒经达0.105mm，d90达到o.35mm，两场洪水的进出库的排沙比分别达到97%和99%，出库的最大含沙量分别达到589 kg/m3和911kg/m3，详见表4给出的有关资料。说明粗颗粒在高含沙水流中也可以顺利输送。
表4 三门峡水库在1977年7、8月的两场高含沙洪水排沙情况
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时段 |
洪峰流量
/m3·s-1 |
平均流量
/m3·s-1 |
最大含沙量
/kg·m-3 |
平均含沙量/kg·m-3 |
d50
/mm |
库区
比降/ |
水库
排沙比/% |
库区
冲淤量/亿t |
|
7月6-9日 |
13600 |
5069 |
616 |
391 |
0.04-0.05 |
0.27 |
97 |
0.200 |
|
8月3-9日 |
15400 |
3908 |
911 |
369 |
0.06-0.10 |
0.92 |
99 |
0.104 |
在窄深河槽中随着流量的增大，河道输沙特性由淤积变为冲刷:形成艾山以下窄深河道“多来多排”的输沙规律；高村以上宽浅河道“多来多排多淤”（见图6）：其中河槽发生“多来多排”,而滩地则产生“多来多淤”。黄河下游艾山以下河道实测洪水最大含沙量达到200 kg/m3。目前的山东河道在流量2000～3000m3/s，不仅可以输送实测含沙量小于200 kg/m3的洪水，待含沙量增加到500～600kg/m3时，会更有利于输送。该段河道存在巨大的输沙潜力[3]。
图5 黄河下游沿程各河段输沙能力沿程变化比较图
3.2 极强的泄洪能力
造成窄深河槽过洪能力大的主要原因是河槽的过流能力与水深的高次方成正比。洪水泄洪能力的增加主要是靠河床冲刷，水深迅速增大来造成的[3]。
花园口站河道比降万分之二，在1977年经过7月和8月两场高含沙洪水塑造后，8月8日实测河道主槽宽分别为467m和483m，相应实测水深分别为5.4m和5.3m，平均流速分别为3.85 m/s和3.73m/s，流量分别达到8980m3/s和9540m3/s（见图6）。由此可知，要保持主槽很大的过流能力，只有保持较大的水深，从而泄洪要求的河宽并不是很大。
图6 花园口站历年流量与河宽的关系变化图
黄河下游艾山站河道比降万分之一，在1958年7月21日、22日，在河宽分别为476m和468m，平均水深分别为8.9m和10.6m的条件下，下泄流量分别为12300m3/s和12500m3/s洪水；泺口水文站：在1958年7月22日、23日，主槽宽295m，平均水深分别为10.6m和13.1m的条件下，通过的洪峰流量分别达到10100m3/s和11100m3/s。
洪水流过冲积河床时，随着洪峰流量的上涨，在水位上升时，河床不断刷深，使得河道的过流能力迅速增加。高、低含沙洪水均是如此。其河床刷深对过洪能力的影响往往比水位抬升的影响大，甚至由于河床剧烈地刷深，使得洪水位不涨反而大幅度降低。形成窄深河槽随着流量的增大，河床不断被冲深，水位的涨势趋缓机理，是因水深对泄流能力影响是高次方的作用结果。
由于底沙的运动状况决定了河床的冲刷或淤积，其运动速度远小于洪水波的传播速度[3]；河流的调整，没有因比降的沿程变缓而使水流的流速降低，往往是比降变缓，河宽减小，水深增加，从而使流速不变，甚至沿程增大,能维持维持河流纵向输沙平衡, 因此洪水在河道长度达几百公里、甚至上千公里，比降变化在万分之六至万分之零点六，相差甚至十倍的冲积河道中均可产生强烈冲刷，因此利用洪水排沙不必刻意拦粗排细，说明“粗颗粒”泥沙在洪水中也能顺利输送。
4. 利用洪水排沙入海是黄河泥沙的主要出路
4.1 水库多年调沙
三门峡水库的改建成功，创造了在多沙河流上长期保持水库有效库容的范例。然而三门峡水库的“蓄清排浑”运用方式经验有其局限性。其一是受潼关高程的限制，调沙库容小，不能对黄河泥沙进行多年调节，每年汛期不得不降低水位运用，往往使小水带大沙进入下游；其二是水位变幅小，不能产生强烈的溯源冲刷，难以维持长时段，高含沙量的出库水沙条件，因而不能充分利用下游河道的输沙能力。
“拦、排、调、放、挖”以调为核心的治河方略，也为下游形成窄深河槽提供了技术支撑。黄河的泥沙随中游洪水而来，输沙入海也要利用洪水。黄河洪水多，才来沙多，水库排沙机会多，为利用洪水处理泥沙形成良性循环。
小浪底是峡谷型水库，进行泥沙多年调节运用，会有更多的泥沙调节到洪水期输送，远大于三门峡水库的调节作用，为进一步整治游荡性河道创造了条件。
为充分利用下游河道在洪水期的输沙潜力，主槽过流能力要大，洪水漫滩机会要少，尽量保持洪水的造床和输沙入海的作用，将来黄河下游河道一般洪水不需要宽河削峰。
小浪底水库调沙，利用洪水输沙不仅有利于河口河段冲刷也利于河口治理，因高含沙洪水输沙到河口地区可形成异重流使泥沙在更大海域堆积，减少河口淤积对上游河道的影响。河口流路的规划应使泥沙在更大范围堆积，以便充分利用海洋动力将泥沙尽量输送至外海。
4.2 高含沙水流产生机理
在洪水期水库主动泄空，库水位迅速大幅降低，随着主槽强烈冲刷，河床高程降低，滩槽高差增大，土体荷重增加。随之土体内发生超孔隙水压力，引发土体向主槽坍塌,为利用洪水排沙，高含沙水流形成创造了有利条件[4]。
小浪底水利枢纽的设计防洪库容40.5亿m3，相应的防洪限制水位为254m。水库调水调沙可控制在库水位为200～254m进行。衡量黄河水库调水调沙运用方式的优劣主要标准有二条，其一是有多少泥沙能够调到洪水期输送，其二是有多少水量通过水库的调节得到利用[5]。
由小浪底水库分析计算结果可知，水库的淤积量大于30亿m3后，才能利用洪水冲刷排沙。小浪底库区目前淤积量为24亿m3，表明水库仍处于拦沙运用初期。相同的来水来沙条件，库区淤积量小，水库冲刷机会多，但冲刷效率低；当首次起冲量大时，库区淤积量多，冲刷效率高，但冲刷机会少。同样的来水条件和库区泄空水位，水库淤积量大时，冲刷效率高，出库的含沙量大。通过对小浪底水库泥沙多年调节系列年的计算,可以使更多（70%-90%）的泥沙调节到洪水期输送。
当遇到长期枯水系列年，小浪底水库无法利用天然洪水排沙时，利用龙羊峡、刘家峡水库的联合调节一定水量冲刷小浪底水库进行排沙。使进入下游的水沙为可供兴利的小流量清水和挟带泥沙的洪水。由于水库主动空库泄洪排沙,淤土滑塌所形成的调沙库容可以长期重复使用,为保证黄河下游河槽长期不淤创造了有利的来水来沙条件。
4.3 水库调节综合效益
经过多年研究，当小浪底水库初期拦沙库容淤满后，通过小浪底水库泥沙多年调节，把泥沙调节到洪水时输送，可以控制主槽不抬高，甚至下切。因为每当发生高含沙量洪水时，主河槽都是冲的，洪水存在“涨冲落淤”的输沙特性。小浪底水库初期运用下泄清水，淤满拦沙库容以后，进行泥沙多年调节，相机利用洪水排沙，这两个组合起来，有可能使下游河床不抬高。如果黄河不抬高，或者平滩流量逐渐增大，漫滩机会少了，滩区人民的生活也就稳定了，黄河泥沙与洪水问题可以得到根本解决。
方案计算结果表明[5]，水库的兴利指标大幅增加，输沙用水大量节省，年平均输沙用水量仅为60亿m3左右，节省2/3，且均安排在丰水年小浪底水库无法调节利用的洪水期；多年平均发电量比目前汛期低水位运用的初步设计年发电量要增加20%，年均发电量由50亿度增加到60亿度。同时有利于黄河水资源的合理利用，最大限度满足华北地区工农业用水的需求。
5. 形成窄深稳定河道是防洪洪输沙共同需要
黄河下游游荡型河道，宽浅散乱。从防洪、高含沙量洪水输沙来说都需要形成一个稳定、窄深河槽。沈怡在评述各家治河主张时就明确指出：“因为种种病象由河无定槽而起，所以如果要治河，必须首先使河槽稳定”，并说“无论何人来治河，都必须这样做”。
只有稳定主槽，形成窄深河槽才能保证防洪的安全；只有形成窄深河槽才能提高河道的输沙能力，充分利用下游河道在洪水期的输沙潜力多输沙入海。把游荡性河道改造成窄深、归顺、稳定的高效排洪输沙通道，既保护了滩区，也提高了河道的输沙能力，一举两得。治理目标是形成窄槽宽滩，窄槽用于排洪输沙，宽滩用于特大洪水时滞洪削峰。
游荡性河道具有比降陡、河槽极为宽浅和不稳定的特性，就像在比降陡的地形条件下没有兴建跌水的不稳定渠道，河槽宽浅对水流约束作用差，河势变化呈现随机性。由于不同水沙条件下河槽形态的变化是相互制约，相互破坏的，如汛期变窄深，非汛期变宽浅、高含沙洪水塑造的窄深河槽，在其它水沙作用下遭到破坏，河道总是宽浅形态。无法通过自动调整形成窄深河槽，为此游荡性河道需进行双岸整治，形成多来多排的窄深高效输沙排洪通道，为利用洪水排沙入海创造条件[6]，并可有效控导河势，彻底解决游荡河道河势游荡而产生的众多防洪问题，为控制河床不抬高提供可能。
6.黄河下游治理前景展望
通过以上的治理，解决了河床不抬高问题，主槽过流能力增大，洪水漫滩机会减少，不仅防洪的大问题解除了，河道内滩区的所有问题，也必将逐渐淡化。才能使黄河滩区人们与自然和谐相处,滩区189万群众得到解放，359万亩耕地得到充分利用,体现了以人为本、科学发展观对现今黄河下游河道治理的客观要求。
今后：不管黄河水沙如何变化，都要经过小浪底水库调节进入下游。暴雨多，洪水多，来沙多，水库排沙机会多；降雨少，洪水小，来沙少时，小浪底水库无排沙条件，则蓄水拦沙运用，调节径流供水、发电兴利。充分利用洪水排沙入海在黄河的治理中具有十分重要的战略意义。不仅可以解决河床淤积问题，还可大量节省输沙用水量，不必再从千里之遥的长江调水冲刷黄河下游泥沙，为国家节省大量建设资金。
黄河经过今后若干年的治理开发，可以从一条灾害频繁的害河变为一条效益巨大的利河。黄河泥沙问题得到根本性解决，黄河将发生巨变---洪水不再泛滥，黄河的水资源得也到充分利用。
我们40余年对利用高含沙水流特性排沙，使下游河道基本消除淤积的可行性进行了认真的研究，至今已形成一整套可行的治理方案，研究成果本应引起有关领导重视，然而总是使我失望，希望未来能有志士仁人完成我未尽的历史任务。
【主要参考文献】
[1] 齐 璞、孙赞盈、齐宏海，黄河下游泄洪输沙潜力和高效排洪通道构建，黄河水利出版社，2010年12月，郑州，306-312
[2] 齐 璞、余 欣、孙赞盈、齐宏海，黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)[J]，泥沙研究，2008年8月，第4期：74-81
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