黃河泥沙工程控制理論與關鍵技術

張金良

黃河輸沙量之大、含沙量之高，居世界大江大河之首。確保河床不抬高、維持中水河槽過流能力、維持河勢穩定，是下游行河穩定和黃河長治久安的基礎。從流域尺度看，黃河泥沙問題處理是一個系統工程，可以用工程控制論來統領和指導黃土高原、水庫、河道、河口多層級泥沙控制。黃河泥沙工程控制論也同樣具有工程控制論的四項基本特征，可定義為黃河泥沙工程控制系統的分析、設計和運行的理論與技術。我們結合黃河實際情況，開展了黃河泥沙工程控制研究，建立了黃河泥沙工程控制理論與關鍵技術體系，應用于二十余項重大工程。

研究提出，黃河泥沙從產生到輸移入海全過程為四級控制，包括入黃泥沙控制（一級控制子系統）、水庫泥沙控制（二級控制子系統）、河道泥沙控制（三級控制子系統）和河口泥沙控制（四級控制子系統），各級控制作為工程控制系統的一部分。各級控制子系統間通過控制措施實現自上而下的“控制－傳遞－影響”作用，同時根據作用結果反饋再進行控制調整，整個過程體現了系統“控制－傳遞－影響－反饋－控制”的運行機制。

黃河泥沙工程控制的終極目標是使主要河道（重點是下游河道）水沙關系協調度（水沙關系協調度是我們研究建立的一個重要指標，可以用來度量河道水沙關系協調程度，協調度等于1時，代表河道沖淤基本平衡）約等于1，河道百年尺度內沖淤基本平衡，泥沙產、輸過程長期處于受控狀態，黃河長久安瀾有保障。

入黃泥沙控制是黃河泥沙工程控制論的主要手段，主要從源頭實施控制，具有控制面大的特點，可以有效減少進入黃河的泥沙?？刂剖侄沃饕峭ㄟ^林草措施、恢復植被、梯田耕作等措施來涵養水源，起到減少流域面上土壤侵蝕的作用。結合黃河流域黃土高原千溝萬壑的獨特地形地貌特征，通過在溝壑中修建淤地壩，可以進一步控制從面上侵蝕而下的泥沙。淤地壩作為黃河流域入黃泥沙控制的最后一件“法寶”，不僅可以有效攔截流域面上侵蝕而下的泥沙，還可通過淤地造田、蓄水保肥作用，有效減少黃土高原溝壑的重力侵蝕作用。除此之外，若修建的淤地壩符合標準、安全可靠，待淤地壩攔截泥沙淤滿成地，在黃土高原形成陡坎時，通過陡坎的跌水等消能作用，減小水流動能，可以有效減小流域面上的水力侵蝕作用，并在黃土高原形成長遠的侵蝕基準面。同時，陡坎還能進一步減少水流輸沙，從而發揮淤地壩對入黃泥沙的控制作用。

干支流水庫泥沙控制是黃河泥沙工程控制論的核心手段。水庫泥沙控制不僅承接入黃泥沙控制后匯入黃河的泥沙，還通過水庫調控改變水庫下游河道的水沙關系，因此是最直接、最行之有效的黃河泥沙工程控制手段。

黃河流域水沙關系不協調主要是因為黃河流域水資源主要集中于黃河上游，而泥沙主要集中在黃河中游，中游黃土高原地區產沙量大、入黃泥沙多，區間自身產水及上游來水與區間產沙時空搭配不合理，無法在下游實現全部泥沙輸送入海。因此，調節黃河水沙關系還應充分利用黃河水沙調控工程體系，運用“蓄清調渾”這一調控技術方法體系，干支流、上下游水庫群聯合調控水沙，實現干支流水庫泥沙控制。通過入黃泥沙控制手段，有效減少了入黃泥沙，而對于已經入河的泥沙，則需要通過水庫工程實施控制。

當前黃河流域水沙調控工程體系仍在不斷完善之中，因此在實施入黃泥沙控制的同時，還應進一步完善黃河流域水沙調控工程體系，并通過干支流水庫群的“攔、排、調”全方位協同調控，進一步控制黃河泥沙，協調下游河道水沙關系。

河道環節的泥沙控制主要考慮各灘區洪水風險、人口分布等因素，控制懸河發展，維持下游河勢穩定，保障黃河下游防洪保安，因此河道泥沙調節是黃河泥沙工程控制的最關鍵手段?？紤]黃河各河段水沙特點、河道特點及防洪要求等眾多因素，黃河河道泥沙控制遵循因灘施策的工作思路，遏制懸河發展，維持河勢穩定。由于河道具有來水歸一的特點，河床通過水沙條件不斷發生“沖淤—平衡”再到“沖淤—平衡”的過程，因此河道具有調節泥沙級配的功能。根據生態學原理，結合黃河下游河道的基本特點，考慮來水來沙條件、灘區安全建設措施等要求，實施淤填方案、灘區分灘治理等措施，消除“二級懸河”不利的河道斷面，穩定主槽來補齊黃河下游河道生態安全屏障的短板，重組黃河下游河道與灘區的空間格局以破解人水矛盾，增效生態過程來增強黃河下游河道生態供給能力以實現河道的生態治理；并充分利用黃河下游河道輸沙能力，多排沙入海，實現河道對泥沙的進一步調控，同時河道與水庫形成有機整體，調控已經入黃的泥沙。

黃河口的泥沙問題主要是前三級調控的反饋過程，考慮到黃河口泥沙溯源淤積問題，黃河口水沙調控要綜合考慮入海流路的安排及尾閭河道的整治。河口泥沙控制應與下游河道泥沙控制相協調。我們通過河口水沙演變趨勢的反饋作用，結合水庫調控水沙的控制手段，提出新的適應下游河道的泥沙控制方法。因此，黃河口的泥沙控制必須與下游河道防洪安排相協調，既要有利于減緩黃河下游河道的淤積抬高，又要有利于減輕防洪負擔。河道長度是反饋影響的關鍵因素，盡量縮短河長，才能減少河口淤積延伸對黃河下游河道的反饋影響。

通過黃河泥沙工程控制的四級手段，可以實現分環節、分工程、分方式地系統控制黃河泥沙。人民治黃以來，在泥沙處理上探索出了“攔、調、排、放、挖”的泥沙治理思路，這不僅抓住了泥沙主要輸送通道河流本身的調配與控制，還提出了中游黃土高原地區系統治理的措施，體現了黃河問題“表象在黃河、根子在流域”的認識，從系統工程角度來講，是對整體系統的控制，是主動治河。黃河泥沙工程控制論與“攔、調、排、放、挖”的泥沙治理思路相輔相成、步調一致，其通過流域面上的攔沙減蝕到水庫的“蓄清調渾”，再到下游河道的遏制懸河、三灘分治、穩定河勢，最后通過河口的反饋與調控作用，形成了一套完整的、系統的黃河泥沙工程控制方法論。

總的來說，黃河復雜難治是由于黃河的泥沙問題兼具系統性和分散性，我們應以黃河泥沙工程控制論為指導，結合黃河流域的整體性、局部性特點，站在全流域的角度，分環節、分工程、分方式地開展黃河系統治理，推動黃河流域生態保護和高質量發展，實現黃河安瀾這一中華兒女的千年期盼！