黄河下游水沙变化及河道响应

一、成果研究的背景

黄河是中国第二大河流，被誉为“中华民族的摇篮”，被认为是世界大河中含沙量最大的河流。黄河下游是黄河流域最为复杂的地区，其特殊的地理环境给下游居民带来了复杂而又棘手的难题。总的来说，黄河下游主要的问题包括河道淤积、洪水泛滥、断流、三角洲湿地退化等。黄河中游黄土高原地区土壤结构松散，大量泥沙被洪水携带进入下游平原地区。河流进入下游后坡度骤减，水流流速缓慢，导致泥沙迅速沉积，河道不断淤积抬高。河道淤积直接导致下游泄洪能力降低，增加了洪水灾害。此外，大量泥沙在下游淤积直接导致进入河口三角洲的泥沙减少，影响三角洲的演变。由于黄河流域纬度高受夏季风影响弱，雨季短，总体降水少，加之下游人口集中需水量大，黄河下游还面临着断流缺水的问题。因此，深入的了解和认识黄河下游及三角洲的演变特性，做好未来预测与规划，以确保黄河下游长治久安，具有重要的现实意义。

二、成果研究主要涉及的内容以及关键科学问题

研究内容1：黄河下游河道对调水调沙的响应研究

调水调沙影响黄河下游径流和泥沙的特性，调水调沙后径流和泥沙的变化不再同步。调水调沙冲刷了河床上的粗泥沙，2003-2013年泥沙粒径从小浪底到利津完全逆转变为逐渐增加。此外，利用小浪底进行调水调沙，使得下游河道实现了从淤积到冲刷的转变。研究发现黄河下游冲淤受小浪底来水含沙量的影响，高含沙量时下游淤积，低含沙量时下游冲刷（图1）。令冲淤量为零，得出下游河道不淤积时的临界来水含沙量为9.17×10^-3t m^-3。

图1 小浪底站含沙量变化与下游冲刷量的关系

研究内容2：基于黄河下游泥沙冲刷维持三角洲面积的可行性研究

图2为1983-2013年黄河三角洲的变化。A-F为沿清水沟河口逐渐向东南延伸，河口沙尖不断变尖的过程。1996年在河道上方出现了细小碎裂后成功改道Q8岔河。H-O则为黄河改道后，新河口不断淤积，河口方向逐渐向北演变的过程，至2011年新河口指向北方，河道北移2km。研究发现，黄河三角洲的面积变化与入海水沙的变化相呼应呈现三个阶段的变化，首先是稳定增长阶段，然后是急速下降阶段，最后是缓慢回升阶段。逐步回归分析结果显示，黄河三角洲面积变化主要受入海泥沙的影响。三角洲面积不变时，可求出临界的泥沙量，分别为改道前为441×10⁶t，改道后为167×10⁶t。分析发现通过小浪底调水调沙至特定的水沙条件下可以实现利用黄河下游河道冲刷维持河口三角洲面积。

图2 1983-2013年黄河三角洲的变化

研究内容3：调水调沙功能时空变化规律研究

研究发现，调水调沙措施在时空上均存在功能退化现象。在调水调沙实施过程中，黄河下游的河床被含沙量相对较低的水流冲刷，而其中超出河流运输能力的粗颗粒泥沙淤积在河床上，粗化层开始形成;河床表面粗化层的形成阻碍了下面泥沙的运动，只有当更大的来水把粗化层揭穿，河床补给才能增加，河床冲刷量及冲刷效率才有可能有所恢复（图3）。调水调沙增加了黄河下游河道的弯曲程度，使水流的一部分能量被河岸吸收，河道发生明显的横向迁移。

图3 河道泥沙输送和沉积示意图

关键科学问题1：三角洲演变对入海水沙是如何响应的？

关键科学问题2：如何通过小浪底水库调控黄河三角洲演变？

三、对服务黄河流域生态环境保护与高质量发展的积极作用

小浪底水库调水调沙以来，黄河入海水沙情势发生了剧烈变化，入海泥沙的主要来源由黄河中上游转变为黄河下游。在这种新的情势下，黄河下游河道减淤与黄河三角洲发育之间存在明显的泥沙耦合关系，即黄河下游冲刷的泥沙可用于补给黄河三角洲发育。由此可以看出，如果能通过小浪底水库的调节作用，使黄河下游河道冲刷的泥沙量满足河口三角洲发育需沙量，不仅可以缓解黄河下游悬河现状，还能维持河口三角洲的基本生态环境，实现黄河下游灾害泥沙的资源化利用。

作者：孔冬贤（邮箱kdx@sdust.edu.cn）