黄河下游河道治理及滩区问题研究

水体所传递的能量， 称为传递能。如果以垂直于 ｘｙ
平面并且 ｘｙｚ 符合右手螺旋法则作为坐标系， 以 ｘ
２
方向为例， 恒定流中， ｄ （ｕｘ ）＝０， 取 ｄｔ ２
Ｗｂ ＝－ ｕｘ
! !ｘ
（
Ｐ ｐ
－ ｇ）
Ｗｓ ＝－
［（－
ｕ′ｘ ｕ′ｘ ）
!ｕｘ !ｘ
＋（－
ｕ′ｘ ｕ′ｙ ）
!ｕｘ !ｙ
＋（－
ｕ′ｘ ｕ′ｚ ）
１ 引言
黄河作为母亲河， 对于中华民族的 繁 衍 、发 展 和文明所起的作用是非常重要的。然而， 黄河带来 的灾害也是巨大的， 这些灾害几乎都发生在下游。 下游洪水灾害的发生大都和下游河道的特性有关。 治理水害， 至少是防治下游的水害， 找到合理的解 决办法， 这不仅关系到下游河道滩区百万之众的切 身利益， 而且对于国家的和谐发展也意义重大。黄 河一旦冲决大堤漫溢出来， 形成的灾害将会波及数 亿之众。研究黄河下游河道的特性和致灾因子， 有 利 于 开 展 防 灾 、减 灾 工 作 。 由 于 滩 区 是 河 道 的 一 部 分， 因而滩区问题的解决也和下游河道的特性有 关。本文从水力学和河流动力学、自然地理、人文地 理、社会发展、生态环境相结合的角度出发， 对黄河 下游河道若干特性及滩区问题进行研究， 为防灾、 减灾和治理黄河提供思路， 对于滩区问题给出了解 决方案， 以期促进下游滩区的和谐与发展。本文首 先概述黄河下游基本情况， 分析主宰河道演化的水 沙运动特性， 然后提出黄河下游河道的治理建议， 并对下游滩区问题进行了探讨。
· ３４ ·
地理科学进展
２００８ 年
高原的治理颇见成效。做到堵源头沙源， 分中间沙 害， 疏下游余沙。以期从根本上治理好黄河。
４ 黄河下游河道水流运动特性
４．１ 河道水流运动特性
河道挟沙水流（ 下简称水流） 中流速及紊动强
度沿垂线分布的研究， 是研究泥沙运动、河道演化、
河道特性而进行河道规划和整治的基础。挟沙水流
Ｗｔ ＝－
－ ｄ（τｕ） ｄｙ
（１）
此时的河道水流能量方程为：
Ｗｂ ＝Ｗｔ ＋Ｗｓ
（２）
式中， γ是比重， Ｊ 是能坡 （或水力坡降或比降）， ｕ
是平均流速， τ是切应力。沿用传统的称谓， Ｗｂ 是单 位水体单位时间所提供的势能， 称为提供能， Ｗｓ 是 单位水体单位时间所消耗的能量， 称为消耗能， Ｗｔ 是单位水体单位时间输出和输入的能量差， 即通过
第 ２７ 卷 第 ２ 期 ２００８ 年 ０３ 月
地理科学进展 ＰＲＯＧＲＥＳＳ ＩＮ ＧＥＯＧＲＡＰＨＹ
Ｖｏｌ．２７， Ｎｏ．２ Ｍａｒ．， ２００８
黄河下游河道治理及滩区问题研究
刘兆存 １， ２， 秦耀辰 １， 金 生 ２
（１． 河南大学环境与规划学院， 开封 ４７５００１； ２． 大连理工大学土木工程学院， 大连 １１６０２４）
论 是 成 立 的 。 泥 沙 起 动 、悬 浮 和 运 动 与 水 流 的 内 部
结构如猝发、涡运动等密切相关， 和平均流流速 分
布及紊动强度物理量直接关联。以恒定流流动方向
作为 ｘ 方向的正向， 垂直于流动方向向下为 ｙ 正方
向， 坐标原点位于水面， 如果取
Ｗｂ ＝γＪｕ＝－ ｄｄτｙ ， Ｗｓ ＝τｄｄｕｙ ，
２期
刘兆存 等： 黄河下游河道治理及滩区问题研究
· ３３ ·
生灾害时的损失， 降低了下游主河道的淤积速度， 对于维护和延长黄河的生命有举足轻重的作用。
由于历史的种种原因， 在滩区和主河槽之间又 修建了生产堤。经过长期发展， 在黄河下游河道中， 主河槽高过滩区， 形成了二级悬河。目前二级悬河 在黄河下游的宽河道河段普遍存在， 以高村上下河 段最为严重。据最近实测结果表明， 高村至孙口河 段的 １３ 个统测大断面中， 主槽平均高程除了 ３ 个 断面略低于滩地平均高程外， 其他 １０ 个断面都高 于滩地， 最大高差达 ０．８９ｍ； 滩唇一般高于大堤临河 堤 脚 ３ｍ 左 右 ， 双 合 岭 断 面 达 ４．５ｍ； 滩 面 横 比 降 为 ０．３８‰～２．３０‰， 是该河段纵比降的 ２．６～１５．５ 倍。高 村至孙口河段的平滩流量 已 由 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 的 ０．５～０．７ 万 ｍ３／ｓ 减 少 到 现 在 的 不 足 ０．２６ 万 ｍ３／ｓ， 高 村附近河段甚至在 ０．１８ 万 ｍ３／ｓ 时就已经漫滩。斜 河、横河出现的条件形成了。
收稿日期： ２００７－ １０； 修订日期： ２００８－ ０３． 基金项目： 国际科技部项目： 中国地球系统科学数据共享工程（２００６ＤＫＡ３２３００－ １７） 。 作者简介： 刘兆存（１９６８－ ）， 男， 博士后， 副教授， 主要从事流域数值模拟和自然地理方面的研究。Ｅ－ ｍａｉｌ： Ｌｉｕｚｃ１７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
摘 要： 从防灾观点出发， 从河道的水动力学特性入手， 研究决定黄河下游河道水动力学特性的因素， 找到河道水 动力学特性和影响因子之间的关系。在此基础上， 从水流运动和泥沙输移之间的关系出发， 分析黄河下游河道的泥 运动特性， 对于黄河下游河道的演化特性作了探讨， 对于治理黄河提出了建议。和黄河下游河道紧密联系的下游 滩区问题 ， 不仅仅是一个自然科学的问题， 而且是和社会、经济、环 境 、资 源 等 问 题 相 关 的 一 个 综 合 性 问 题 ， 本 文 从 可持续发展的角度出发， 给出了解决滩区问题的建议。 关 键 词： 黄河下游； 河道治理； 下游滩区； 河道特性
由此而形成黄河下游河床演变的三大基本问 题 是 ： 断 面 极 为 宽 浅 、纵 比 降 的 塑 造 、河 道 严 重 淤 积。这些因素的综合作用使得黄河下游的主要特征 是强烈游荡、严重淤积， 造成了黄河一切灾难的 主 要原因。前者是断面太宽浅以及纵比降偏小而直接 引起的问题， 大水来沙偏少而小水来沙偏多， 水沙 不协调， 滩地不易淤高而河槽易于淤浅， 最终形成 多汊宽浅游荡性河流。宽浅断面配合而成的输沙能 力远小于流域来沙量， 是黄河严重淤积的原因。但 是， 局部提高河道的输沙能力， 如果进入黄河下游 的沙量远大于能输往深海的沙量， 黄河下游河道及 河口的整体淤积仍然不可避免。增加河道水流挟沙 能力而不是同步增加输往深海的沙量， 只能推迟河 道淤积的到来。从长远看， 使河道由淤转冲， 除了控 制主河槽床面抬升的同时， 可以提高河道水流挟沙 能力， 或者减少来沙量， 或者增大落淤面积， 使淤积 物各得其所， 达到淤滩刷槽， 增加输往深海的沙量， 以控制河势演化。因此， 黄河下游河床演变关键问 题是河口以上悬河纵剖面塑造的机制和黄河水流 挟带的沙量能够输往深海， 河道不再发生淤积。
２ 黄河下游基本情况
黄河下游河道上宽下窄， 最宽处达 ２４ｋｍ， 最窄
处仅 ２７５ｍ。黄河进入下游冲积平原之后， 形成“悬 河”。其悬河程度， 在滨河区， 一般为 ３￣５ｍ， 多者高 达 １０ｍ， 在平原区， 局部甚至可达 １０ｍ 以上。悬河一 旦堤防决口， 洪水居高临下， 发展速度快， 特别是当 悬河程度较高时， 全河向决口奔流， 形成新河， 决口 以下故道全部淤废， 造成黄河改道。历史上大的改 道有 ５ 次之多， 改道范围， 北犯天津， 南袭江淮， 危 害几乎波及整个黄淮海大平原。黄河将其所挟带的 巨量泥沙遗留在黄淮海平原之上， 它所塑造的大平 原， 实际上为一鸟趾状大三角洲， 这是由于每一次 改道都留下一条悬河河床的缘故。由于改道， 历史 上生活在黄河大堤外面的居民， 陆续被迫圈进了河 道， 形成了 １２０ 多个自然滩区。黄河下游的广大滩 区， 是由于黄河数次的泛滥以及过水， 逐渐淤积造 就 的 。 滩 区 按 照 形 状 可 分 为 面 积 较 大 的 条 形（矩 形 ） 滩区和面积较小的三角形滩区 （ 面积一般在 ５ｋｍ２ 以下） 两种类型。黄河下游河道总面积为 ４６４７ｋｍ２， 截 至 ２０００ 年 底 ， 滩 地 面 积 ４０４６．９ｋｍ２， 占 河 道 总 面 积约为 ８５％。在这些滩区中， 分布着豫、鲁两省 １５ 个市 ４３ 个县（区）的 ２０５２ 个村庄， 有人口 １８１ 万 左 右， 耕地 ２５ 万 ｈｍ２。黄河下游滩区在处理洪水、泥沙 问题上有重要的战略地位。据统计， 大洪水或特大 洪 水 期 间 ， 宽 河 段 的 削 峰 率 可 达 ５７．８％， 泥 沙 淤 积 占下游泥沙淤积总量的 ９８％。由于黄河下游滩区的 滞洪、滞沙作用， 大大减少了下游的防洪压力和发
３ 黄河下游治理的历史传承
明代刘天和在《问水集》中总结的 黄 河 下 游 河 道是“善淤、善决、善徙”， 并说明， 徙由于决， 而决由 于淤的因果关系。黄河的这一特性也推动水利事业
的不断发展， 使得新中国在和黄河有关的高含沙水 流等问题的研究方面水平一直处于世界的前列。传 说中的大禹治水采用“疏川导滞”之策， 平息黄河水 患。据《汉书·沟洫志》记载， 西汉汉哀帝即位之初贾 让提出了治河三策， 当时黄河下游河道已是“地上 悬河”， 上策主张放弃旧有河道， 人工改道北流； 中 策主张开渠引水， 分洪入漳； 下策是筑堤治河。限于 当时的社会经济条件， 贾让三策均没能认真实现。 东汉王景的宽河行洪之策得到了大规模实施， 修渠 筑堤， 利用沿河大泽进行放淤， 取得了无重大改道 变迁的成就。明朝潘季驯在《河防一览》书中提出了 “束水攻沙”的治河理论， 南北两岸“坚筑堤防”， 努 力完善堤防系统， 用堤束水攻沙， 用遥堤约束洪水 泛滥， 用格堤阻止滩区行洪并促进滩地落淤， 为防 御大洪水修建滚水坝分泄水。在当时黄河南流的条 件下， 充分利用淮河之水， 借助洪泽湖的调节能力 “蓄清刷黄”。潘季驯治河实现了由分流到合流， 由 治水到治沙抓住黄河泥沙淤积这个根本问题。在他 之后的明、清治河举措， 多遵循他的治河原则。清代 的靳浦、陈璜治理黄河（ 康熙十六年至二十七年， 即 １６６７￣１６８８ 年 ） 遵 循 潘 季 驯 的 理 念 并 对 于 “束 水 攻 沙”理论有发展， 取得较好的效果。民国时期的李仪 祉 在 其 《治 黄 意 见 》和 《黄 河 治 本 计 划 概 要 叙 目 》等 著 作 中 更 明 确 了 “宽 河 行 洪 ”和 “束 水 攻 沙 ”为 主 的 治理方略， 采取“上拦下排， 两岸分滞”的方针。李仪 祉的贡献是把治理黄河作为一个系统工程进行考 虑。解放后的王化云协助政府制定“上拦下排、两岸 分治”的方针， 把自己对于治黄的认识总结为“拦、 用 、调 、排 ”。 针 对 黄 河 治 理 问 题 或 根 治 黄 河 必 需 的 高含沙水流运动规律， 或者是中国黄河所特有的水 流流动特性等等一系列科技问题 ， 当代很多学者［１￣ １５］做了大量的工作， 提出了自己的见解， 为治理黄河 做了有益的工作。总结治黄经验， 在遵循大的治理 方略的前提下， 认为采用“拦、排、放、调、挖， 综合治 理”的措施， 标本兼治， 近远结合， 可取得较好的效 果。当代措施的共同的特点是， 把治理黄河作为一 项系统工程， 多管齐下， 全方位进行治理。从黄河流 域的整体出发， 正确处理好局部与整体、眼前与长 远 、预 防 与 保 护 、资 源 的 利 用 与 保 护 、治 理 与 开 发 、 经济效益与生态效益、社会与自然的关系， 上、中、 下游统筹考虑， 系统分析， 建立互相联系的干支流 的控导工程体系， 上、中、下游的综合生物防护措施 和作为防灾减灾的防洪防御体系。尤其在上游黄土
!ｕｘ !ｚ
］
－ ｖ［（ !ｕｘ ＋ !ｕｘ ） !ｕｘ ＋（ !ｕｘ ＋ !ｕｙ ） !ｕｘ !ｘ !ｘ !ｘ !ｙ !ｘ !ｙ
＋（ !ｕｘ ＋ !ｕｚ ） !ｕｘ ］ !ｚ !ｘ !ｚ
Ｗｔ
＝［（
!ｕｘ
（－ ｕ′ｘ ｕ′ｘ ） !ｘ
＋
的流动特性和清水水流相比有何变化， 一直是人们
关注的一个问题。近来研究表明［７］， 尽管挟沙水流时
均流速分布及能耗和清水相比有特殊变化， 但只要
水流处于充分紊动状态， 在很大的雷诺数范围内，
紊动强度同含沙量不存在什么关系， 证明“紊动 挟
沙 水 流 的 紊 动 强 度 分 布 规 律 与 清 水 紊 流 一 致 ”的 结