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黄河泥沙

2020-04-09 21:01

中国黄河以泥沙多而闻名于世。中国古籍记载“黄河斗水,泥居其七”。根据近代实测资料分析,进入黄河干流的多年平均年输沙量为16亿t,含沙量为35 kg/m3。黄河沙量之多,含沙量之大,为世界大江大河之冠。20世纪70年代以来,由于水土保持的进展,来沙量有减少的趋势。黄河流域大约70%的面积为黄土高原,其表层覆盖着数十米至数百米的黄土层,土质疏松,抗冲能力低,遇水极易崩解。黄土高原地区年降水量虽然只有400~500mm,但降雨集中,暴雨强度大。地质和气候特性造成了严重的水土流失,这是黄河多泥沙的根源。

泥沙基本特性

泥沙的地区分布

黄河河口镇以上水量占全河水量的54%左右,沙量只占9%,而三门峡以下水量约占10%,沙量仅占2%,这两个河段水多沙少。河口镇至龙门河段水量占14%,而沙量却占55%;龙门至潼关河段水量占21%,沙量占34%,这两个河段水少沙多。上述情况说明,上游是黄河水量的主要来源区,中游是沙量的主要来源区,存在着水沙异源的特点。中游地区的黄土分布最广,泥沙粗细分布具有明显的分带性:西北地区的泥沙较粗,东南地区的泥沙较细。粒径大于0.05mm的粗泥沙占总沙量的比例,各水文测站不同:河口镇为20%,吴堡为37%,龙门为32%,渭河为23%。黄河的粗泥沙对河道的淤积危害最大,其总量中,约有74%来自河口镇至龙门河段。黄河粗泥沙主要来自两个区域:①皇甫川到秃尾河间各条支流的中下游地区,粗泥沙模数为10000t/(km2·a)。 ②无定河中下游地区及广义的白宇山河源区(无定河、清涧河、延水、北洛河及泾河支流马莲河的河源地区),粗泥沙模数分别为6000~8000t/(km2·a)和6000t/(km2·a)左右。在黄河的泥沙和粗泥沙总量中,约有3/4来自中游的10万~11万km2的黄土丘陵沟壑区,约有1/2来自其中的4万~5万km2,泥沙来源地区集中的特点很明显。

根据流域来沙多少和泥沙颗粒粗细不同,可把泥沙来源分为三大区:①多沙粗泥沙来源区,即河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河;②多沙细泥沙来源区,除马莲河以外的泾河干支流、渭河上游、汾河;③少沙区,河口镇以上、渭河南山支流、伊洛河和沁河。

泥沙的时间分布

黄河泥沙的时间分布非常不均匀,年际变化很大,具有丰、枯相间的周期性变化,丰、枯水时段和丰、枯水年交替出现,其中有1922~1932年连续11年的枯水段、1969~1974年6年的枯水段和1990年以后出现的枯水段,并出现了1933~1968年36年以丰为主丰、平、枯交替出现的时段。由于存在“水沙异源”的特点,来沙多少并不完全与来水丰枯同步。洪水泥沙搭配视暴雨降落区域的不同而出现丰水多沙年(1937年三门峡水量659亿m3,沙量26.2亿t)及丰水少沙年(1983年水量524亿m3,沙量9.25亿t),或枯水多沙年(1977年水量327亿m3,沙量20.8亿t)及枯水少沙年(1928年水量327亿m3,沙量4.88亿t)。年沙量变幅大于年水量的变幅。自1919年以来,三门峡年水量最大为659亿m3(1937年),最小为202亿m3(1928年),相差3.3倍;而年沙量最大为39.1亿t(1933年),最小为4.88亿t(1928年),相差8倍。

泥沙在年内分配也很不均匀,水沙量主要集中在汛期(7~10月)。汛期水量占年水量的60%左右,汛期沙量更加集中,占年沙量的85%以上,且集中于几场暴雨洪水。如干流三门峡站洪水期最大5d沙量占年沙量的31%,而水量只占4.4%。支流沙量的集中程度更甚于干流,无定河川口站最大5 d沙量占年沙量的42%,窟野河温家川站占75%。高度集中的泥沙形成浓度很大的高含沙量洪水,皇甫川、无定河、窟野河等支流洪水含沙量常达1000~1 500 kg/m3,其中窟野河1958年7月10日出现1 700 kg/m3的高含沙量洪水。干流龙门站1966年7月出现的含沙量高达933 kg/m3,三门峡站1977年8月出现的含沙量高达911 kg/m3

洪峰与沙峰的差异性

黄河流域不同地区的植被和水土流失情况有很大的不同,而暴雨往往集中在一个较小的地区,单位面积产沙量常有显著差异。在中游流域面积不大的支流,可以出现沙峰大、洪峰小,或洪峰大、沙峰小的洪峰与沙峰不同步现象。在控制流域面积较大的测站,来水来沙经过较长河段的沿程调整作用,洪峰与沙峰的大小比较同步。每年汛前流域比较干旱,地表物质疏松,土壤易被冲走,因此汛期第一、第二场洪水的含沙量较大,继之而来的洪水含沙量就较小。一般7~8月洪水含沙量较大,9~10月洪水含沙量较小。不同时间相同流量的含沙量变幅很大,一般达到10倍左右。

悬移质泥沙颗粒组成

黄河的泥沙主要是悬移质,推移质很少。河口镇泥沙粒径较细,经中游支流泥沙汇入后,吴堡、龙门站泥沙粒径变粗,然后沿程变细。在年内变化也十分明显,汛期泥沙主要来源于暴雨冲刷造成的土壤流失,粒径较细,而非汛期泥沙多来自河床冲刷,粒径较粗。汛期悬移质中值粒径,河口镇为0.02mm,龙门为0.031mm,花园口为0.020mm,利津为0.018mm;而非汛期河口镇为0.022mm,龙门为0.04mm,花园口为0.035mm,利津为0.026mm。

人类活动对泥沙的影响

黄河受人类活动影响极大,特别是1986年以来,上游刘家峡和龙羊峡大型水库的联合运用,调节了径流过程,水土保持综合治理措施逐渐发挥减沙作用,使黄河来沙特性发生了变化。主要表现在:实测年沙量减少,年际变化仍较大,同时年内分配更不均匀。1986~1999年实测年均沙量为7.6亿t。但沙量的减少并不稳定,在一般降雨条件下,减沙作用较明显,遇强暴雨条件,沙量仍较大,其中9月下旬~10月沙量减幅较大,已接近非汛期特征,同时又受三门峡水库“蓄清排浑”运用的影响,汛期进入下游沙量可占年沙量的90%以上。黄河悬移质泥沙组成随含沙量增大而变粗,自1986年以来,由于沙量的减少悬移质泥沙组成发生细化,中数粒径略变细。

河道冲淤特性

大量泥沙进入河道后,河床发生冲淤变化。黄河上游河段沙量不大,河道冲淤幅度较小。中下游河道特性不同,河口镇至龙门、潼关至小浪底为峡谷河段,冲淤变化不大;龙门至潼关河段和下游河道冲淤变化较大。

(1)龙门至潼关河段是支流北洛河、渭河、汾河的汇流区,河道宽浅散乱,河床随来水来沙条件的变化进行调整,一般表现为6~8月淤积,9月至次年5月冲刷,在年内起着泥沙的反调节作用。其冲淤变化过程与来水来沙周期性变化密切相关。河床演变的基本规律是:当前期河床淤高到一定程度,河床宽浅散乱,遇高含沙水流,河床发生揭河底现象,冲槽淤滩,形成明显的滩槽高差,河势平面趋于规顺。以后遇一般水沙条件,河床回淤抬高,河槽变为宽浅,河势游荡摆动,新淤滩地不断坍塌,进入坍滩淤槽时期,多年平均处于淤积状态,天然情况下年平均淤积量约为0.5亿~0.8亿t。

(2)黄河下游是一条强烈堆积性河道。大量泥沙淤积使河床逐年抬高。目前下游滩面一般高出背河地面3~5m,最大达10m,是世界著名的“悬河”,成为华北大平原的“屋脊”,淮河和海河流域的分水岭。从1950年7月至1999年10月下游河道共淤积泥沙93亿t,同流量(3000m3/s)水位抬高2.59~4.26m。河道的冲淤状况主要取决于来水来沙条件,各年的变幅很大。遇多沙的水文系列,河道淤积,如1933年黄河来沙39.1亿t,孟津至高村河段淤积达17亿t;遇少沙年份,河道发生冲刷。1950~1960年黄河下游河道年均淤积泥沙3.6亿t,主槽淤积约占23%;1960~1964年三门峡水库拦洪运用下泄清水,河道发生冲刷;1964~1973年滞洪排沙运用,下游河道回淤;1973~1999年控制运用,下游河道淤积,1986年以来全断面年平均淤积量2亿t,主槽淤积量占全断面淤积量的70%,主槽淤积量约为50年代的2倍,河槽淤积萎缩,过水面积大大减少,同时艾山以下主槽年均淤积量达0.29亿t,改变了天然情况下冲淤基本平衡的状况。从多年平均情况看,天然情况下进入下游的泥沙,约有25%淤积在利津以上河道及引出河道,约有50%淤积在利津以下的河口三角洲及滨海地区,其余25%被海流输送至外海(参见彩图Ⅰ—34)。1986年以来,进入下游的泥沙约有52%淤积在利津以上的河道及引出河道,约有43%淤积在利津以下的河口三角洲及滨海地区,仅有5%被海流输送至外海。

Ⅰ—34 黄河入海口——清浊分明

殷鹤仙摄

黄河河口1855~1954年造陆面积达1 510km2,平均每年造陆面积23.6km2(实际行水64年),1954~1991年共造陆1 020km2,平均每年造陆面积26km2。河口循着淤积、延伸、摆动、改道的规律演变,对近河口段的河床冲淤变化产生一定的影响。

展望

黄河经过多年的治理开发,在改变流域内生态面貌的同时,减沙效益也开始显示出来。水土流失有自然和社会两方面的因素。自然因素将长期发生作用,不易在短时间内改变;社会因素也难以完全消除,在人口增长过快的地方,还可能加剧。因此,随着中国西部大开发的进行,加强生态环境建设将会较好地实现水土保持减沙的作用,输入黄河的泥沙将有所减少,黄河仍将是一条多沙河流。黄河是中国西北和华北地区重要水源,随着社会经济的发展,水量将进一步减少,水少沙多的矛盾将更为突出。泥沙问题始终是治理开发黄河的一个重要问题。小浪底水利枢纽工程已建成运用,下游河道冲淤将发生剧烈变化。加强对黄河水沙变化规律、泥沙运动规律的研究,成为黄河治理开发的基础课题。

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