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以河治河 以水治水——学习潘季训治河思路的思考
http://www.irtces.org    2005年12月23日17:02     

以河治河 以水治水——学习潘季训治河思路的思考

刘善建(原国家计委国土局)


    引言:明末治河名巨潘季训(1565-1592)根据“黄流最浊,以斗计之,沙居其六,若至伏秋,则水居其二,以二升之水载八升之沙,非极迅溜,必致停滞”,“水分则势缓,势缓则沙停,沙停则河饱,尺寸之水  皆由沙面,止见其高,水合则势猛,势猛则沙刷,沙刷则河深,寻丈之水皆由河底,止见其卑”等水文、泥沙水情,提出“以河治河,以水攻沙”的治河方案。其间并著重论述,“筑堤束水,以水攻沙”指出“水不奔溢于堤旁,则必直刷乎河底”“旁溢则水散而浅,反之则水刷而深”,“借水攻沙,以水治水”则是一定之理,必然之势。(参见黄委会“黄河水利史述要”)。他对黄河的了解,深入浅出,形象清晰;他的治河方策深思熟虑,高瞻远瞩,给人启迪;他的治河措施反复论述,令人信服。惜乎,限于当时的政治经济与科技水平,难以实施。五百年后的今天黄河水沙灾害依旧,生产条件大变,秉承先贤遗志,信守治黄事业,也是我靠治黄工作者的一定之理,必然之势。据此,下面将论述我们的设想。

    一、依靠黄河高含沙洪水与游荡性河床相互演变的规律,辅以人工措施,自主形成窄深河槽。

    黄河下游荡性与过度段河道,床面高低不平,坑坑洼洼,滩高槽低,凸岸高,凹岸低,高含沙水流通过高地,水浅沙淤,迫使水流向低地集中,从而形成相对窄深河槽。以1959年花园口7、8月洪水为例(见表一、表二,参见钱宁,周文浩“黄河下游河床演变”)洪水前后河宽可压缩50%至60%,水深可增加30%至60%。这种河床形态是与形成过程中的水沙相适应的,维持时间的长短决定於水沙条件的变化,短则三五天,长则一个月,甚至整个汛期,此后如不及时加以调整、保护,又会受到非汛期小水淤积和清水刷岸的破坏。利用水沙自然能量为建设窄深河槽奠定基础,据此维护,巩固并构建窄深河槽,事半功倍。即所谓以河治河的观点所在。

    大水期河床有冲有淤,进行大幅度调整,不但发生在1959年高含沙洪水(来沙系数0.025),同时也发生在较低浓度(来沙系数0.01左右)的1958年。该年当上下两站区间淤 积4.71亿吨泥沙的同时,两站也分别冲深1.88和6.40M(详见表三)。

                     注:洪水期月内总输沙量单位亿吨。流量水深系截取洪水过程中的有关整数值。

    此外,洪水泥沙都居于中等平均情况,如1973年8月和1977年7月两次洪水,前者历时四天,河宽由3000M缩小到1000M,水深由2.5M增加到4.5M;后者历时四天,同流量河宽缩小1/4,水深增加3.5倍。进入本世纪以来,包括人造洪峰的汛期洪水,高村站三年冲深0.25M,滩淤槽冲。总之,依靠洪水泥沙自主运动规律,塑造窄深河槽的现象,屡见不鲜,并非仅限于大型洪水。

    当前,充分利用自然的能量修复水土资源开发利用中的生态环境,已经形成潮流,河道整治并非例外,好自为之,前景可期。

    二、窄深河槽的水沙特性及其对治水治沙的相应效应

    1.针对黄河水少沙多,提高泄洪输沙能力,力争节水冲淤,惠及水资源利用。

    表一、表二显示:宽河变窄河相应增加水深与流速,从面提高其输沙能力是明显的。表二中1959年8月23日洪水与1959年7月19日洪水的断面冲刷量可能是受窄河形成后的河宽与流速影响,其值较低。如果以窄河宽度乘以增加的水深作为冲刷体积,与表列冲刷量相互对照,求其平均情况,则两场洪水的冲刷量均在五六百M3之间。1959年的高浓度洪水,来沙系数为0.028左右,本属高强度淤 积典型,能够在窄河形成中,历时不长就冲出五六百万M3淤沙,确实不易。冲刷数量之多,冲刷效率之高,由此可见。效率体现单位冲刷量所耗水量的多寡。窄河的冲淤输沙与一般河流相比,可节省不少水量,对缓解流域水资源供需矛盾,具有现实意义。

    2.缩狭河身,增加滩槽高差,改变河势河型,提高河道的安全与稳定。

    泥沙研究与河道整治的专家一般将河道的宽深比( /h)视为河流的稳定因素,也是游荡与弯曲两种河型的判别指标,其值愈大,河流愈不稳定。河南花园口河段其值可在五六十以上,而山东洛口河段其值常在十以下,两者在环境与生态方面的情况也不一样。表一相应于宽深比也列出滩槽高差,两者成反向升降。黄河高村站经人造洪峰冲淤变化,2003与2004年汛期以同水位63.50M对比,平滩流量由3500m3/s提高到4200m3/s(参见中国水利2005年9期),影响所及降低了漫滩行洪的机迂,削弱主流摆动的河势,改变了河道纵向形态与洪水传播速度,提高了河道的安全与稳定,随着整治工程的进展,窄深河槽的塑造与构建,年复一年河床与水流形势,将全改观。旧貌换新颜,意义重大。

    3.窄深河槽在排洪能力,防洪保安方面情况复杂,也有优势

    首先,黄河下游河床在含沙洪水冲淤演变过程中,宽浅变窄深,表二1959年洪水各行河宽与水深流速的乘积基本无大变化,显示窄槽过洪能力不但没有减少,甚至还有所增加。

    其次,根据曼宁公式,在河宽、比降、糙率不变的情况下,流量与水深的1.6次方相关,水深增加相对于流量增加的比值与流量的0.4次方成反比,流量愈大,水深增长愈慢。表三1958年洪水,水位只占水深的一小部分,因而水位增值相对于流量增值的比例,比定床情况更为缓慢。也就是说:洪水期流量上涨时,水位上升相对平稳,对防洪抢险十分有利。

    再者,窄深河槽为适应流量增加,过水断面需要向上下扩展,表三以同样增加5000m3/s流量对比,宽窄两类河型向上扩展的面积分别为500m2和870m2,向下增加的冲刷量(槽宽×冲深)分别为1400m3和1920m3.窄河比宽河的断面冲刷量多三分之一,从而给排洪水量腾出更多的空间。水下增容潜力对减轻防洪风险具有优势。

    三、上下协调,优化配置最大限度发挥束水冲沙的作用

    窄深河槽的目的是尽可能提高河道的输沙能力,节约输沙用水与中游水库的调水调沙和扩散输沙入海的沙量相协调,使黄河下游河道不再淤积抬高,甚至可以变淤为冲,逐步向地下河发展。

    河道速水攻沙与水库调水调沙的运用原则,第一必须辨证处理水库淤积与河道冲刷的关系。水库淤多了尽早丧失应有的调水调沙库容,不利于水库的持续利用,水库淤少了,下泄沙量多,不利于当前高效冲淤的作用。第二水库下泄流量的控制数字,根据理论测算与历年水沙资源分析似应为三四千秒立米,过大对河道的防洪保滩不利,过小不能发挥应有的攻沙作用。近年来几次人造洪峰试验,限于局部河段滩区的安全与生产,泄放流量均在2500m3/s左右,如能调整到设计情况运用,冲刷效果可能增加两三倍。吸取教训,建议尽加快强滩区防洪措施,俾能放足流量,确保束水攻沙效果。过多照顾局部眼前利益,有损长期整体运用,是不妥的。河道束水攻沙与输沙入海的运用原则,主要是避免过多的泥沙堆积在海口,从而引起淤积上延,抬高洪水水位,既不利于防洪,也不利于持续冲刷。设想的措施,第一是在近海河段积蓄清水加大冲刷,或抽引海水制造异重流将淤沙送入深海。第二是扩大淤积扇面,预设若干出海支沟在扇面上轮流使用,在停流期间,借助海水的蚀退作用,削减沿海岸的淤沙,从面减缓淤积上延的速度。

    总之,黄河下游束水攻沙措施,对其上端水库要力求有利配合,提高攻沙效果;对下端河口要尽可能降低攻沙后的负面影响。

    四、左右充筹,合理组合,分段分区因地制宜拟定持续利用的框架布局

    如前所述,窄深河槽既为利用高含沙水流的运动规律自动塑造,更能适应高含沙量水流的排洪输沙要求。如果我们能够及时加以调整巩固,根据国内外经验与我国当前不断发展的治河技术,例如最近黄科院的科技人员提出的双岸整治意见,已经专家们初步讨论评议,维持相对稳定的窄深河床是可能的。以此为基础作为下游河道整治的主轴,分段分区对行洪区、滞洪区、放淤 区、沼泽区,安全保护区和生产建设区进行统筹安排是必要的。

    窄深河槽的纵向似应参考现时游荡性河段大水趋中的特点,采取微弯河型,充分利用其较大比降和排洪输沙能力。窄深河槽的宽度参照“治河方略专家论坛”的有关资料及意见,上宽下窄,河南河段600-800米,山东河段400-500米,初期通过3000m3/s高含沙洪水可以不淤,冲深后可达8000m3/s,相当于黄委测算5年至10年一遇洪水。

    行洪河道的宽度参考现时花园口河段经过高含沙洪水冲淤变化后的形态以及多年统计6000m3/s流量时的河宽(见表一、表二)可以拟定为2.5.-3.0km。这一河宽对该河段而言是相对稳定的。单宽流量3m3/s左右,总过水能力9000-10000m3/s相当于黄委测算20-25年一遇的洪水。

    大于10000m3/s以上的洪水可以动用滞洪区。在减少淹没影响和重视分滞实效的原则下,滞洪区的运用上限不应超过安全保护区的防洪标准,按照黄河东坝关至艾山区间大堤两岸都是农业区的情况,参考国外经验不应超达百年一遇,其值约合15000m3/s。滞洪区只滞不蓄,仅考虑时间差,所需容量有限,可以因地制宜适当安排。

    原北金堤滞洪区按花园口22000m3/s相应流量开启使用,在小浪底正式运用后,该流量已达千年机率,远远超过当年设计标准。建议“摘帽”恢复安全生产区的正常状态。即使某些滩地具有较高经济价值,其防洪减灾可按个案处理,或考虑非工程措施,没有必要过分强调堤防工程。

    此外对滩区内的串沟、堤河、河渠、洼 地、坑塘也要因地制宜适当考虑放淤改土和湿地保护的措施以利防洪安全,土壤改良和生态环境的改善。

    总之,黄河下游河道的平面布局应当遵循科学发展观,考虑治河整体,促进人地和谐,确保黄河的健康生命与可持续发展。

    五、黄河下游河道的远景展望和整治目标的设想

    作为黄河下游河道的远景,一般可分为改道与改造两条路线。当前黄淮海经济、人文在我国占有十分重要的地位,改道是不可能的,也很少有人再提及。改造一般又分两种途径,一是继续向上发展,即所谓“相对地下河”的概念,措施是继续加高加厚大堤,目前河南、山东精心构建的标准堤段,堤宽十数米甚至更宽,包括备料、防汛、交通,、管护以及旅游观光,绿化设施就是其雏形°在经国务院2002年批复的黄河规划中拟定花园口以上某些河段按照500m的淤筑宽度开展引黄沉沙,逐步形成强大后戗的试验,更是走向这一途径的具体措施。果然如此,则将黄河洪水控制在两侧“高岗厚岺”,之间铜墙铁壁,确保安全。另一种途径是向地下发展,利用水流自身规律辅以人工调整加固构建窄深河槽进行束水冲沙,结合中游一系列水库的调水调沙,扭转河道逐年抬高的特点,以冲刷替代淤积,使河道向纵深发展,深槽过水能力相应增加,年复一年可使设计洪水的水量逐步纳入窄深河槽,相应水位降至现有平滩高程,甚至现有大堤以外地面高程以下,从而形成“绝对地下河”,彻底消除地上悬河的不利形势,万无一失,永保万全。

    一个目标,两种途径,各具特点,各有优缺:

    相对地下河土方工程量巨大,所需劳力费用可观,但利用长期经验和近期实践,前景可信,地方群众容易接受,工作可以顺利进展。绝对地下河主要依靠水沙自然能量,仅辅以人工措施,可以事半功倍;但由于是一个创新事物,群众还有疑虑,工作无可借镜,需要摸着石头过河,是其弱点。

    相对地下河相对于现有黄淮海平原,悬河形势不但没有改变,还将继续恶化,大则危及伊、洛、沁、汶诸河的入黄水位,影响支流的防洪安全和地区的生产生活与经济发展;小则不利于临河地区的土地利用与生态环境的改善。绝对地下河将使入海沙量有所增加,促使尾闾水道向海沿伸,比降变缓,洪水位升高,不利于济南以下部分地区的防洪与土地利用。

    相对地下河对于当前滩区诸多问题,如生产堤、串沟、堤河以及群众的居住条件和生产生活上的困难,不但得不到妥善解决,还会有所增加。绝对地下河的好处不但能够缓解当前当滩地上的难题,而且随着时间的推移,问题还会逐渐消失。

    相对地下河河道仍要淤积,水张船高,继续加高大堤难以避免,愈高愈危险,愈险愈加高,形成恶性循环,长期被动。绝对地下河水位愈来愈低,不断向良性发展,既造福于当代,也为后代子孙创造更为良好的防洪减灾与生产发展的条件。是科学发展观在治黄事业上的具体体现。

    我对于后者具有较多兴趣。可以设想黄河下游的整治目标:

    近斯针对黄河水少沙多应以提高排洪输沙能力,塑造相对稳定的中水河槽,节水输沙,兴利除害,旧貌换新颜。远景针对地下河的构建,充分利用自然能量,优化实施措施,远近结合,保证黄河建康生命,支撑国民经济的持续发展。

    六、结论与建议

    潘季训的治河思想在当时是不可能实现的,现在无论社会经济自然条件,特别是工程技术已远非四五百年以前的情况,与时俱进是有现实意义的。他的“以河治河”“以水治水的”观念,本文在前面已有译注,一靠高含沙水流的滚动变迁特性可以自主调整河床形态,稳定河势;二靠集中水流,加大冲刷力度,束水改沙扭转冲淤条件。以现代理论解释,决定水流性质的两大因素,一是来水来沙,二是边界条件,靠上中游水库调水调沙,借河道整治构建窄深河槽,既可改善河道,也可减轻水旱灾害;既继承我国历代先贤的治河思想,又结合现代科学理论与实践,不愧为具有中国特色的治河方略,意议深远,值得当代治河者予以重视。但是本文只是一个粗浅的设想,引用事例资料不够全面,未必具有代表性;评估论述难免思路狭窄未免没有片面性,不妥与错误之处肯定不少,仅仅作为引子,建议主管单位与研究部门尽可能列出专项课题,在科学发展观,构建和谐社会,保证持续发展与持续利用的原则下进行:

    1.探索以河治河、以水治水的科学理念、进一步挖掘自然界的潜在能量。
    2.论证束水攻沙,构建窄深河槽的可能性、合理性及其现实意议。
    3.落实下游河道整治的目标与导向,争取主动性,避免盲目性。
    4.审慎检验当前正在进行的治河措施,有偏必纠,有错必改。
 

 

 
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