水沙调控的有效对策

随着未来黄河流域需水量增加，兰州断面的供水量逐年大幅增加，梯级水库多年平均可调水量呈锐减趋势，极大地限制了水沙调控的能力和潜力，未来黄河上游实施水沙调控将面临巨大的挑战。

从水沙调控长系列的计算结果可以看出，随着2020、2030远景水平年兰州断面需水量的增加，在无调水的条件下，兰州断面供水量的增加，导致梯级水库可调水量大幅减少，且黄河流域的缺水率呈显著的增加趋势，黄河流域水资源的供需矛盾日益突出。具体来说，随着2020远景水平年兰州断面需水量的增加，黄河流域的缺水率达到14.5%，水沙调控能力减弱。由于2030远景水平年兰州断面供水量较2020远景水平年减少了7亿m3，使2030远景水平年水沙调控能力略有提升，但是以黄河全流域缺水率上升到19.0%为代价的。在未来黄河流域水资源的供需矛盾日益突出的严峻形势下，梯级水库的可调水量若转化为短时间范围内的大流量过程，应用于黄河上游沙漠宽谷河道的水沙调控，势必会造成梯级水电站大量的弃水，梯级水电站的发电效益将严重受损。更重要的是，大流量的水沙调控过程消耗了有限的水资源，使得黄河流域内的可供水量减少，无法满足未来黄河全流域的水资源需求。因此，面临未来日益严峻的水资源供需矛盾，梯级水库的可调水量用于供水、提高黄河全流域的缺水率，将更为关键和合理。

从水沙调控典型年的计算结果可以看出，在不考虑南水北调西线调水的情况下，仅在丰水年或部分偏丰水年可开展水沙调控运行。2010现状水平年实施水沙调控时，梯级水库联合运行满足了兰州断面的供水要求，但龙羊峡、刘家峡梯级水库的蓄能减少，年末水位大幅降低，且梯级水库的弃水量大幅增加，损失电量达到6.81亿k W·h，直接发电效益损失近1.68亿元，水沙调控目标与发电目标之间的矛盾突出。2020远景水平年实施水沙调控时，仅在丰水年才能满足兰州断面的总供水量和月供水过程的需求，偏丰水年则出现了满足兰州断面的总供水量，但部分月份的供水流量遭到破坏的情况，且大量的弃水加重了梯级发电效益的损失。水沙调控目标与发电目标、供水目标之间的矛盾呈愈演愈烈之势。

受未来黄河流域水资源的供需矛盾、发电企业经济效益和梯级水库群水资源高效利用等综合影响，黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的可持续性将难以为继，梯级水库群水沙调控中“调”的作用将大打折扣。此外，由水沙调控典型年各方案的调控成果可知，“固-拦-放-挖”的调控手段对水沙调控做出了巨大贡献，对于从源头上减少入黄沙量，缓解沙漠宽谷河段、特别是严重淤积河段的防洪防凌压力，具有不可替代的重要作用。随着日后水资源供需矛盾的日益紧张、环境恶化引起黄河上游支流来沙较大、水库拦沙库容越来越小等远景情况的变化，“固-拦-调-放-挖”作为水沙调控的综合手段，特别是利用水土保持、沙柳沙障沙坝、防护林等措施，减少研究区域的入黄沙量，是今后黄河上游水沙调控的必然选择和趋势。

近年来，黄河上游的来沙量大幅减少，与沿黄各省区大力开展退耕还林、恢复植被等水土保持措施密不可分。从支沟到沟道、从沟道到支流，从支流到干流，依靠沿黄地区各级自主修建淤地坝、拦沙坝、沙柳沙障，从种一棵树到一亩到一片到沙漠绿洲、防护林，最大限度地改善植被、修复生态，通过人为主动地实施防风固沙等措施，逐节减少进入黄河干流的沙量，从根源上控制入黄沙量的“固-拦-放-挖”综合调控手段贡献巨大。相比而言，水库调沙是被动地将河道中的泥沙向下游搬运，其输沙量所占入黄沙量的比例小，且以日益严峻的宝贵的水能资源作为水沙调控的水量，造成供水、发电的极大损失，从数量上和效率上均无法与“固-拦-放-挖”相比。鉴于此，在“固-拦-调-放-挖”的综合调控手段中，本节提出以减少入黄泥沙量作为黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的根本，以“固-拦-放-挖”为主、“调”为辅的综合调控对策，以达到黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控可持续发展的最终目标，作为维持黄河上游河道冲淤相对平衡可持续发展的调控策略。具体的调控对策如下：

（1）以固为主，从根源上减少大颗粒的入黄沙量。以沿黄水土流失最为严重的黄土高原地区和十大孔兑等主要产沙区为突破口，发挥主观能动作用，建立“两带一区”的泥沙源区防治区域，即十大孔兑水土保持区和库不齐沙漠防沙带和乌兰布和沙漠防沙带，大力、持续地开展封禁封育、退耕还林、恢复植被、植树造林等生态修复和水土保持工作，积极、主动地改善区域下垫面条件，优化植被覆盖结构，防止大规模、大面积的水土流失，将大部分粗泥沙“锁”在坡面、沟道、支流内。黄土高原的生态环境极度脆弱，水土保持工作将是一场持久战，需要数代甚至几百年的努力方能呈现质的改善。因此，水土保持将是未来黄河流域治沙的核心。

在黄河上游沙漠宽谷河段的库不齐沙漠防沙带和乌兰布和沙漠防沙带，以生物措施与工程措施相结合的方式，最大限度地实施沙柳沙障沙坝、防护林等措施，建设地面、沟道水土保持和治沙工程，形成沙漠锁边林带，防风固沙，以减少大颗粒的风沙、水沙入黄量，从根源上减少入黄沙量。

（2）节节蓄水，分段拦沙，利用和修建控制性拦沙工程，从源头、沟道、支流、干流等多地区拦截泥沙；“拦”与“调”“放”结合，提高拦沙水库寿命。随着流域产汇流的形成，泥沙随着径流沿坡面向沟道、支流、干流输移。拦沙成为固沙后被动性的泥沙治理对策之一。在源头和沟道利用已建和建设淤地坝、拦泥坝等拦沙、拦水工程，拦截泥沙。拦泥坝等拦沙工程是拦截已进入河道泥沙的第一道防线。淤地坝是水土流失区小流域沟道中建造的以滞洪拦泥和淤地造田为目的的水土保持工程。目前，黄河流域已建设淤地坝9万余座，潼关以上地区现状淤地坝总数约5.6万座，其中骨干坝5467座，中小型淤地坝约5.04万座。据有关研究，2007—2013年，潼关以上淤地坝年均拦沙1.23亿t/年。随着泥沙由沟道输移到干支流河道，利用支流已建和待建的中小型水库和干流的大中型水库，节节蓄水，分段拦沙，将河道内的泥沙拦截在水库的库区内，是拦截已进入河道泥沙的第二道防线。如黄河上游的青铜峡、海勃湾水库，黄河中游的万家寨水库、古贤、小浪底水库，均为黄河干流拦沙的重要水利工程。(www.xing528.com)

与此同时，随着控制性拦沙水库淤积泥沙的增加，库容减小，导致水库使用寿命和运行水平大幅降低，更直接威胁水库的安全运行。目前，黄河流域已建骨干水库剩余拦沙潜力为129.4亿t。因此，水库拦沙必须与水库调水调沙、水库放淤相结合，以实现泥沙由库区向下游或低洼地区的输移为目标，才能够实现水库拦沙的可持续发展。

（3）因势利导，引黄放淤，利用疏浚、放淤、淤灌、引水引沙等手段，将泥沙放淤至河道滩地、两岸洼地、盐碱地等。与拦沙类似，放淤也是固沙后被动性的泥沙治理对策之一。以黄河泥沙的主要源地的黄土高原丘陵沟壑区为核心区域，基于弯道环流原理和有利地势，利用疏浚、放淤、淤灌、引水引沙等手段，将河道中的浊水放淤至河道滩地、两岸洼地、盐碱地等，亦将粒径大于0.08mm的粗沙放淤至河道外，有效利用河道中的粗泥沙用于加固两岸堤防、改良农田土壤、淤填洼地，减缓黄河河道淤积抬升的速度，大大提高堤防的抗洪能力，是黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控的有效对策之一。将“放”与“调”相结合，开展黄河上游沙漠宽谷河段的泥沙放淤，将高含沙水流放淤至河道外，益处多多：可最大限度地减少进入下游河道泥沙，缓解沙漠宽谷河段的淤积压力，延长干支流水库使用寿命；可清淤疏浚河道，增加河道的行洪能力，减轻黄河上游悬河的防洪压力；淤粗排细，可有效改善进入下游河道的水沙条件和泥沙的粒径组合，为调水调沙塑造和谐的水沙关系；放淤可把洼地、沼泽、坑塘、盐碱等不毛之地淤高，造出大片良田，促进当地经济的发展。

目前，黄河干流滩区的放淤潜力与能力较大。干流滩区人工放淤潜力为192.1亿t，2008—2050年下游滩区的平均年放淤能力为0.34亿～0.64亿t/年。特别是黄土高原丘陵沟壑区的小北干流滩区，据预测，2030—2050年小北干流滩区的年平均放淤能力为1.07亿～1.42亿t/年，无古贤水库、有古贤水库和“古贤水库+小北干流放淤”三种条件下温孟滩区的年平均放淤能力分别为1.06亿t/年、0.45亿t/年和0.43亿t/年。预计，2008—2050年黄河干流最大年引水引沙潜力为2.8亿t/年，年平均引水引沙能力为1.62亿～2.54亿t/年。因此，坚持以“放”、“调”相结合，是未来黄河上游沙漠宽谷河段水沙治理可持续发展的有效对策之一。

（4）挖河疏浚，淤背固堤，采用挖泥船或泥浆泵挖取河道泥沙。在“拦”“放”治理效果不理想的顽疾河段，“挖”无疑是治理重点河段淤积泥沙最有效的对策之一。在局部淤积严重的顽疾河段，采用挖泥船、挖沙船或泥浆泵挖取河道泥沙，挖河清淤，利用管道将泥沙输送至大堤背河侧沉放，将黄河大堤加宽。通过挖河，一方面可降低河床高程，又可用挖出的泥沙加固大堤，降低工程成本，提高大堤的防洪能力；另一方面，挖河疏浚，结合淤背固堤和淤高低洼地面，处理和利用泥沙，增加可用土地。

自20世纪70年代以来，经过近40年的不断改良、创新，采用挖沙船进行管道输沙已经成为一项相对成熟的实用技术。管道输沙的动力已由以前的以柴油机为主发展为以高压动力电为主，由单级输沙到多级接力配合输沙，输沙距离由最初的1000m左右发展到12000m以上，单船日输沙能力最大达5000m3以上。将“放”“挖”相结合，将河道内的泥沙输送到需要的地方，用于淤田改良土壤、制作建材或防汛石料、陶冶含金属泥沙，还可以将泥沙堆放到紧邻黄河岸边的一些城郊沟壑，为城市发展提供建设用地，实现黄河泥沙的资源化，将是未来黄河上游沙漠宽谷河段水沙治理的必然趋势。

（5）以“调”为辅，调水调沙，以异重流排沙和人工塑造可控洪水相结合，将库区和河道内泥沙向下游搬运，冲刷水库下游河道河槽，直至冲沙入海。水库“调”沙包括水库库区泥沙和下游河道泥沙，即利用具有较大调节性能的控制性水库，构造异重流和适应河道输沙特性的可控人工洪水过程，将库区泥沙向下游搬运，将下游河道泥沙向更下游搬运，直至输沙入海。对于黄河上游沙漠宽谷河段而言，水库库区泥沙压力略轻，但河道泥沙向下游输移必定造成黄河中下游的万家寨、古贤、小浪底水库淤积，综合利用性能降低，难以保证黄河下游的水资源综合利用要求。考虑到黄河上游沙漠宽谷河段距离河口较远，实施冲沙入海困难重重，且实施龙羊峡、刘家峡梯级水库水沙调控运行易造成发电、供水等多方效益的损失。“调”作为黄河上游沙漠宽谷河段迫不得已的水沙调控对策，受到日益尖锐的水资源供需矛盾、梯级水电站发电效益、河道安全行洪能力等多方面的制约，其调控效果呈现出杯水车薪、捉襟见肘的境遇。因此，在满足黄河全流域水资源供需平衡的前提下，在浪费宝贵、有限的水资源的基础上，在最大程度实施“固-拦-放-挖”综合调控对策的努力下，以“固-拦-放-挖”为主、以“调”为辅的水沙调控对策，将是未来黄河上游沙漠宽谷河段水沙治理最为有效的可持续调控对策。