林秉南 水利工程中需要研究的几个问题

林秉南水利工程中需要研究的几个问题

水利工程中需要研究的几个问题林秉南

??水利部领导指出水利工程是改善生态和环境的德政工程，道出了水利工程的本质。要体现这个本质，就必须对已完成的工作总结经验，对新科技问题展开研究，及做好规划、设计，施工和管理。对科技问题有足够的认识是做好规划设计的前提。为了争取使所有的水利工程都成为“德政”工程，就应对可能出现的新问题展开研究，为规划、设计人员积累更多针对新问题的技术依据。下面就想到的几个问题谈些不成熟的看法和建议。??（一）开展河型转化的研究??三峡水库蓄水后，将实行“蓄清排浑”的运用方式。对下游河道的年径流过程影响较少。但因初期下泄“清水”，下游河道输沙量大幅度减少。水库长期运用后，坝下河道的输沙量才逐渐恢复。如果按规划，在三峡工程建成后，上游支流大水库随即陆续开工，而且建成后也都按“蓄清排浑”运用，则长江中、下游河道的径流可能在相当长时期内（例如约150年）仍大致保持原来数值,但输沙量则大幅度减少。由于在一定的河床坡降和边界组成的条件下，冲积河流的平面形态和断面决定于径流和输沙量，长江中、下游的很大一部份，特别是湖口以上河段，实质上将成为一条新冲积河流。和原河道比较，河道的属性将有较大的改变。由此是否会导致河型转变，引起一系列重大变化，是值得高度重视的问题。??关于河型转化的规律是河流动力学中悬而未决的问题。国外对这问题已进行了相当多的研究，但研究限于较简单的情况，而且主要是简化问题的理论分析。还难用以解决实际问题。我国长江和黄河都有与河型有关的重大问题。黄河有游荡性和蜿蜒性河段。长江中下游有蜿蜒和分叉河段，洲滩变化也很迅猛。如何运用控制河型的规律、因势利导、加以整治，是亟待解决的问题。河型转变会影响险工位置。坍岸(包括护坡前沿部分滩地的破坏)和洲滩变化也可能加剧。在某些水流和护岸的条件下，在河床上还可能形成从两岸密集伸出的大型斜向沙坎（日本北海道的河流已实际发生这类沙坎），影响通航（须绕道进出河港）和排洪。如不考虑河型形成规律，企图用建筑物强行改变河势，一则不易奏效，二则维护亦将不胜其烦。这项研究属泥沙与河流动力学中的尖端问题，但如想整治好我国河流，则必须进行这方面的研究。这个问题能否解决还直接影响数学模型能否应用于全冲积河流（如黄河及下荆江）,较准确地预报其变化（否则连河长都不易确定）。建议请水利部考虑支持开展有关研究。由中国水科院，清华大学，武汉大学共同进行研究。建议研究以试验为主，并要求针对实际问题。现上游干、支流开发已在加紧筹备。干、支流大水库引起的下游输沙变化将使上述河床变化更加剧烈和持久，而且可能在相当长时期内集中发生于一个不太长的河段内。大规模的建设应有必要的研究配合，以免失误，做成重大损失。??目前正在进行的长江下游大模型试验，采用定岸模型；在模型设计中也无河型转化的规律可循。因此，这类模型还不能模拟或预报河型的转化。??（二）警惕黄河下游发生大改道的危险，进行降低河床的研究??黄河输沙量大，径流相对较小.沿程淤积使河床坡降增大、抬升。尾闾历来不在渤海便在黄海，都是弱潮海域。口门大量淤积使河口外延较快。由此引起溯源淤积，又进一步抬高河口以上的河床。2000年现黄河东坝头以下的滩唇剖面已与1855年铜瓦厢改道前夕的废黄河东坝头以下的滩面重合（参阅图1）。滩唇和最高洪水相应，约相当于二级悬河的临河内堤堤顶。上述情况说明现黄河洪水水面线已接近1855年黄河改道前的洪水水面线。值得人们高度警惕。滩唇一般高于滩面1-2米。按河床每年抬升10-20厘米计，即使只比较滩面，则约10年内滩地剖面也即接近废黄河。任何整治方案、从构思到建立可行性往往要经历10年以上。所以为了防止改道，仍应及早研究降低河床或至少防止河床进一步抬升的办法。不要临渴挖井。黄河下游剖面已接近废黄河的另一个佐证是96.8洪水对黄河下游上段老滩的淹没。当时流量只有7，500立方米/秒，但河南原阳一带在1855年改道时形成的老高滩也已上水。这本身应是一个危险的信号。何况黄河也和其它河流相似。水沙呈随机性显著变化。以进入三门峡河段的水沙为例[1]。“1933年前，连续10年干旱，水沙相对较少，平均年水量和汛期水量分别只有310和180亿立方米，平均入库沙量只有11亿吨。其中最少的1928年，水量只有200亿m3，汛期不足100亿立方米，和近年枯水水量相当，而沙量只有4.88亿吨，比近年极枯年份的沙量还少。然而1933年以后，却连年出现大水大沙。1933-1950年，平均水量达到463亿立方米，平均沙量达到18亿吨，其中1933年沙量达到39亿吨”。所以历史资料说明黄河仍有发生大水、大沙的可能。黄河下游应



图1现黄河下游滩唇纵剖面和明清废黄河滩地纵剖面比较（周建军研究成果）

警惕大洪水还会出现。既然96.8洪水即造成河南境内如此高水位，一旦大洪水出现，后果又如何呢？有史以来，黄河下游大部分时间为悬河。决溢以千次计。其中大改道（不计战争中决堤）即达5次。有“中国之忧患”（SorrowofChina）之称。由于悬河是威胁华北安全的心腹大患，黄河如发生大改道，则华北将因之动荡，后果十分严重。所以今日治黄似应以改变悬河面貌，及防止大改道为首要目标。对黄河下游的治理首先应严格执行汪恕诚部长关于河床不上升的指示，然后进而设法降低河床。如能降低河床、使相当一部分水流在地面以下运行，则即使大决堤也不可能造成全河改道。挖河固堤必须结合河口治理进行。否则河口继续延长，由此引起的溯源淤积，将要求大堤继续加高；不但工作量更大，决堤的危险也增大。这种以加高提防抗御洪水位抬高的办法是走历史的老路。后果可虑。何况在高水位下，如滩唇溃破，局部洪流将直趋大堤。即使堤身已培厚，能否抗住，仍为未知之数。??最近提出的黄河口治理方案，允许河道再外延50-70公里。据称西河口以上河床将再抬升1米多。且不论这个数值是否可靠，从黄河下游的大局来看，允许河床再抬高实属一种“檫边球”的冒险行为。何况黄河下游河床应降反升，这样的决策方向，是否正确，也宜慎重考虑。笔者以为不应允许黄河下游河床进一步抬升。事关黄河是否改道和华北安危，希注意气候变化无常，不要被近若干年水情偏枯所惑，放松警惕。??清淤治水的成功例子，我国有都江堰和上海浚浦等，在国外有美国五大湖和密西西比河以及荷兰的鹿特丹港等，都是回淤量小的水域。以清淤治理黄河口，是得不偿失的，需要作回淤和效益分析，避免浪费投资。??（三）研究海水入渗??如果从莱州湾引海水、在利津至西河口之间注入黄河，则据研究、注入点以下河道可大幅度刷深；咸水泥沙异重流可将泥沙送离河口，避免河口淤积延长。同时，在注入点以上可引起溯源冲刷，远达泺口、刘家园一带。这样，泺口或刘家园以下长距离的河床都将降低，有利于防止黄河改道；而且注入海水还可置换部分冲沙淡水，供注入点以下两岸使用。然而要采用这个方案，还需要解决咸水从黄河河槽外渗、可能影响两岸农田的问题。对这个问题，一方面可由本国土工专家进行研究（中国水科院的土工专家已表示愿意效力），同时也可在国外调查研究。据了解黄委会派了一批专家赴荷兰进修。荷兰有大片国土来自围海。围堤内的国土有很大一部分农田低于海平面。最低处约在海平面下5米。建议请我国在荷专家了解荷方如何处理海水入渗问题。??（四）研究水土保持对干流减沙的效应??水土保持有利于改善生态和环境、应该大力执行。水土保持对支流减沙的作用在小流域试验中已有证明。但水土保持对大河干流减沙的作用究竟怎样，大约几个年代才能实现？关系到治河方略，应力争心中有数。水土保持对大河干流减沙大约在多长的时间内起作用，起多大作用个人建议这事也请留荷人员利用荷兰图书馆的优良条件进行调查。建议在荷查阅美国地质调查局（U.S.GeologicalSurvey）的水文资料。重点查阅密西西比河干支流近五六十年的径流和输沙资料。建议至少查阅密苏里河（MissouriRiver，支流）和BatonRouge以下的密西西比河干流资料。确定近五六十年有没有趋势性的变化。美国进行水土保持工作约有70年的历史。据我所知，工作是很认真的。如果对干流减沙有效，则近年干流输沙应呈减少之势。密苏里河输沙量较高，有部分流域为黄土。水土保持的减沙作用，应首先在这里体现。如果近几十年来密西西比河干流输沙确呈明显减少的趋势，则水土保持对干流的减沙作用可以肯定。1994年黄秉维院士曾转述美国学者的消息，指出美国大面积推广土壤保持后，“输入河流的泥沙却没有减少”值得注意。研究这一重要问题的另一途径是由水文司和国际泥沙研究培训中心合作，加强和上述美国地调局的交流、取得密西西比河干、支流近70年的河流输沙资料，研究其输沙情况。但不论水土保持对干流减沙的作用如何，水土保持作为改善生态和环境的措施仍应大力进行。??（五）开展海水淡化??我国正在着手兴建东、中线南水北调工程。虽然调水量已很大。但随着北方经济的迅速发展和西部大开发的大踏步前进，预料在不很久的将来水资源又会紧张。现在就考虑新水源，予为之计、进行研究和小规模、试验性开发、似是可取的。不久以前看到国外资料，以色列新建的海水淡化厂，产出1立方米淡水的成本约50美分（少于人民币5元），已和我国南水北调成本相近。如果进一步开展海水淡化研究，估计成本还可以进一步降低。因此，似可考虑做开发海水淡化的准备工作，逐步加大淡化海水在东部水资源中所占的比重，而逐渐将北调的水供应离海岸较远的地区。建议请水利和电力两部门考虑是否共同支持海水淡化试点研究。可否在缺水的海岸城市（如温州和天津以南的黄骅等），配套兴建一处海水淡化实验厂和火电站。由火电站供应淡化海水所需要的能源，淡化后的海水先作电站冷却水，然后供作其它用途。结合实验淡化厂和中科院的研究力量，大力寻求降低淡化成本的方法。??淡化海水所需能源、除火电外，还可利用西电东送及发展风力发电。风电的优点包括：（1）因风电站址基本不受地质制约，设备又可以标准化在工厂大量生产，故而便于大量迅速普及；（2）除对附近电视收视，可能有些干扰外，无其它环境影响；（3）无移民问题；（4）不需要燃料；（5）在战争中有若干优点。风电的不足之处有：（1）不能长期稳定发电，风停电亦停；（2）风力变化范围大、给结构设计带来很大困难；（3）叶片根部容易发生疲劳破坏。风电时停时发对海水淡化尚无大碍。北方一般不受台风的影响，较宜于利用风力发电。80年代初，笔者曾介绍一位新疆的技术人员去荷兰学习风力发电。现新疆已发展了一定规模的风电。可了解一下是否引进了荷兰技术和以上问题是否已解决。我国华北一带一般不受台风影响，较宜发展风力发电。??现在国际上已提出水资源安全问题。我国东南沿海，尤其是冀鲁沿岸一带常有严重春旱。从长远看，这一带、甚至东南沿海半壁河山、将来多半是缺乏水资源安全的。应该未雨绸缪，加强代用水源的研究及小规模试点生产工作（以后还可以配套生产简易的滴灌等节水设备，如脚踏水泵、竹管输水等）。从长远看，海水淡化似乎是一项具有重大战略意义的工作。随着经济建设的发展，其优越性将更突出。??（六）恢复八百里秦川富饶发展的基本条件,消除不安定因素??渭河流域是秦、汉、唐三代建都之地，曾是我国的文化发祥地，也是唐代灿烂诗歌的摇篮。渭河下游原是一条地中河。三门峡建库后，潼关水位由323米左右上升到328米以上。渭河变为地上河。过去误信外国顾问的话，在水少沙多的冲积河流上，兴建了大型高坝大库，以至淤积末端深入渭河及部分小北干流，抬高了河床。往者已矣，来者可追。今后应力争降低潼关水位。为至少部分恢复800里秦川的富饶面貌创造条件，消除库区社会的不安定因素。如果强调水沙变化的影响，则刘、龙等水库的运用不能没有干系。那末为何还要上古贤等水库呢？个人以为，水利工作者不应提出让渭河按潼关高水位（例如高程328米）来整治。这样会使渭河永远变为高悬的悬河；水利工程便不是"德政"了。另对水沙变化、应全面考虑，既考虑水量和沙量的变化，也考虑泥沙特性的变化；如近年泥沙变细等。??整治渭河还要大力治污和合理利用水资源。中国工程院已建议考虑引洮济渭，值得高度重视。??参考资料：周建军林秉南从三门峡水库水沙条件变化看潼关高程，清华大学水利系，2002年11月