实施黄河泥沙处理与利用有机结合战略运行机制

江恩惠，曹永涛，郜国明，杨 勇

（黄河水利委员会黄河水利科学研究院，水利部黄河泥沙重点实验室，450003，郑州）

研究表明，在今后几十年内，黄河年均输沙量仍有8亿～10亿t，仍将是一条多泥沙河流，“水少、沙多，水沙关系不协调”的根本属性不可能短期内发生根本性改变。已建水库（包括拦泥库、淤地坝）拦沙库容的逐步消失、待建水库面临的淤积、下游河道持续抬高造成防洪形势的严峻状况和国民经济持续发展带来防洪任务的不断加剧，海量泥沙的处理措施及利用等等，如何通过科学规划与治理，更加合理地处理好泥沙的空间分布，如何实现泥沙处理与利用的有机结合，如何利用好源源不断而来的泥沙资源，如何将黄河泥沙输送到堆放与利用的场所，改善所面临的严峻局面，实现黄河长治久安，是目前治黄工作必须直面的一个重大课题。

一、黄河泥沙处理和利用战略的演变历程及近期相关研究成果

1.黄河泥沙处理和利用战略的演变历程

针对黄河泥沙的处理和利用，古往今来，很多专家学者开展过大量研究，特别是龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等黄河干支流大中型水库的运用，泥沙调控与处理的手段与能力也在不断升华，按其发展过程大体可分为以下几个阶段。

（1）“蓄水拦沙”对策

新中国成立初期的治黄思想从着重于送水沙入海，转变为将水沙拦截在中上游，提出了“除害兴利、蓄水拦沙”的治河方略。水土保持作为“蓄水拦沙”策略的关键和核心内容，20世纪50年代初期即在小流域进行了综合治理试点，在渭河、泾河、无定河等地试验推广了沟垄种植、筑坝淤地等单项治理措施。1956—1959年，水土保持出现第一次高潮，中游泾河、汾河50年代水利措施减沙量分别占同期实测输沙量的2.8%和10.3%。

1960年三门峡水库建成，由于当时对泥沙问题认识不足，加之水库运用初期遭遇连续几年的高含沙大洪水，库区淤积严重得令世人震惊。

（2）“上拦下排”的泥沙处理对策

“蓄水拦沙”实践，是人类历史上首次试图从宏观上大规模改变黄河泥沙分配布局的一次尝试。实践中，人们逐渐认识到，解决泥沙问题不能单靠“拦”，应该采取多种措施综合治理，尤其要充分认识和利用河道自身的输沙能力和减淤作用；在多沙河流上修建蓄水拦沙水库，同时在下游河道进行河道整治以稳定河势。这些经验和教训奠定了“上拦下排”治河思想的理论和实践基础。

1964年，“上拦下排”的治河思想得以明确，在黄河中游抓紧进行“上拦”工程的试验和探索，在下游加强“下排”措施，大力恢复下游河道的防洪能力。20世纪60—70年代“上拦”工程的实践中，水利水保工作取得了较大成绩。

（3）“拦、排、放”相结合的泥沙处理对策

由于黄河河道持续淤积，而三门峡水库集中排沙又加重了河道的淤积，因此在20世纪60年代初就有学者提出了“分流治理黄河并淤灌黄淮海平原”“把黄河水喝光吃净”的大放淤设想。1969年的“四省会议”，首次总结提出了“拦、排、放”相结合的泥沙处理原则，并在1975—1977年的治黄规划修订中得到体现。

1970年以来，黄河中下游的放淤工程尤其是下游的放淤固堤取得较大发展，截至1999年年底，河南、山东共完成淤临、淤背的堤防长度600余km，淤筑土方513亿m3。

（4）“拦、排、调、放、挖”及资源化利用的综合对策

1990年进行的治理黄河规划修订工作，充分总结了1955年和1975年规划经验教训及相关科研成果，认识到泥沙问题是治黄方略的核心，需要采取多种措施综合治理。基于这一认识，规划提出“拦、排、放、调”综合治理的治黄方略。随着20世纪90年代“挖河固堤”工程的启动，在1997年、1999年的 《黄河治理开发规划纲要》《黄河的重大问题和决策》中坚持了“拦、排、放、调、挖”综合治理措施处理利用泥沙，其间也开展了相关的研究与探索，但除“淤背固堤”、输沙入海造陆和少量的淤填堤沟河的试验工程外，泥沙资源化利用没有实质性推进。

小浪底水库的投入运用，使得“调”的工作取得了突破性进展，先后开展的12次调水调沙实践，在改善库区淤积形态的同时，使下游河道平滩流量增大到4000 m3/s左右。2010年完成的《黄河流域综合规划》，将以前的“拦、排、放、调、挖”修编为“拦、排、调、放、挖”，同时更加明确地提出了“泥沙资源化利用”。

2.水库淤积泥沙的处理途径及研究

（1）三门峡水库“蓄清排浑”对策

吸取“蓄水运用”和“滞洪排沙”运用的经验与教训，三门峡水库于1973年11月开始采用“蓄清排浑”控制运用，使潼关以下库区在一段时期内能基本保持冲淤平衡；库区的有效库容得到了恢复与利用，为发挥综合效益提供了保证。

但同时应该承认，“蓄清排浑”运用中也暴露一些问题，特别是龙羊峡水库运用后，汛期的基流与洪峰均明显变小，水流冲刷能力减弱，三门峡水库的运用面临汛期“无水”排沙，即使再降低水库运用水位，也很难保持库区冲淤平衡。20世纪90年代采用小流量排沙后曾一度导致下游河道急剧恶化，给河道防洪带来了极大压力。

（2）西北地区拦泥库自吸式管道排沙试验

20世纪80—90年代我国西北地区一些水库包括山西省田家湾水库，陕西省小华山水库，甘肃省北岔集、新添、党河水库等，这些水库大多应用自吸式管道排沙技术进行泥沙处理，且取得了一定成效，如北岔集水库，1984年一年仅工作392.5小时，就排沙21.6万t，超过了当年的来沙总量，若运用管理的好，可使淤损库容逐年得以恢复，延长水库使用寿命。据资料统计，在静宁县修建水库，每立方米库容投资约0.4元，采用水力吸泥，每排1 m3沙即等于保持或恢复1 m3库容，投资不足0.1元。

尽管效果明显，但因持续运行经费问题而搁置。同时，我们还必须指出，这些地方行为把泥沙直接排入其下游河道，必定再次并深度造成对黄河干流的破坏。

（3）三门峡水库清淤试验

1986年以后，由于上游来水特别是汛期来水大幅度减少，潼关高程出现了快速上升，为改变这一局面，黄委于1996年开始在潼关河段进行射流清淤试验，试验期间射流船平均每小时冲起泥沙量约400 m3。一方面增加水流输沙量，另一方面可改善河道边界条件，使散乱的河势变得较为归顺，水流集中，提高了水流的挟沙能力，减少了清淤河段的淤积量，降低了汛期潼关高程。射流清淤用于水库末端淤积等方面的清淤，具有广阔的应用前景。

（4）黄河调水调沙

自2002—2010年，黄河防总已连续实施了12次调水调沙，河道主槽最小过流能力由1800 m3/s提高到4000 m3/s；与此同时，通过在调水调沙期间人工塑造异重流，尽可能增大小浪底水库异重流排沙比，12次调水调沙共下泄小浪底水库淤积泥沙3.68亿t，有力地推动了调水调沙对水库减淤目标的实现。实践证明，调水调沙已经成为处理黄河泥沙、维持黄河健康生命的有效措施之一。

3.近期相关研究成果

（1）深水水库高效排沙和清淤技术

近6年来，黄科院通过国内外调研和各种渠道，对深水水库的高效排沙和清淤技术进行了一定的探讨。关于泥沙处置技术，在前人研究的基础上，基于水利部公益性行业专项等项目，重点研究了射流冲吸式排沙与库区自吸式管道排沙技术可行性，取得了一定的成果。关于水下淤沙采样及探测技术，20世纪80年代，黄科院利用核子密度仪对河滩、浅水下淤沙的密实度进行了大量研究。1996年通过“948”计划引进了“X-STAR全谱扫频式数字水下剖面仪”，该仪器具有“既能穿透高含沙水流、又能穿透淤泥层”的特点。为了取得一定水深条件下的淤积物原状样，黄科院正在与浙江大学联合，针对深水库区淤积物的特点，通过数据融合，研制适用于深水库区淤积物取样及探测综合分析技术，为深入掌握水沙运动规律、优化水沙搭配等相关研究提供支撑。

（2）泥沙输移（送）技术

在河道排沙方面，几十年的持续研究，我们建立了黄河下游各河段的冲淤临界水沙条件。在滩区放淤输沙方面，除了自流放淤方式外，目前主要是利用管道输沙，该技术自20世纪70年代以来，经过近40年的不断改良、创新，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。渠道输送泥沙方面，自20世纪50年代引黄灌溉至今，黄河两岸及滩区修建了大量引黄渠道，为我们认识渠道输沙规律提供了宝贵资料。但是，如果开展高含沙水流、大流量的泥浆输送，如何选择合适的地形、渠道断面形态及尺度、输送距离与水沙搭配关系等，仍需开展深入研究。

在水库泥沙向下游输送方面，多采用异重流排沙、降低水位利用洪水排沙、机械排沙等，有成功的经验，也有惨痛的教训。针对黄河小浪底深水水库的排沙问题，国内很多专家根据自己的经验、认识，提出了不少方案。耿明全等根据在黄河下游滩区放淤中管道输沙技术的应用经验，提出潜吸式扰沙船在水库坝前进行扰沙、抽沙，依据虹吸原理将淤积在库内的细颗粒泥沙排出库外；黄科院建议在大坝增建排沙底孔设施，利用压力管道输送高含沙水流至大海，同时解决泥沙在下游河道的淤积问题。费祥俊、王光谦等建议当泥沙排出水库后，通过人工梯形渠道实现高含沙水流的长距离输送等。但是，这些研究大多停留在方案论证阶段。

（3）泥沙资源化利用

泥沙自古以来就是一种资源，如果作为建筑材料大量、长期开发，不仅能保护沿黄的其他土地资源，还能变废为宝，变害为利。因此，泥沙资源化问题应提到黄河治理方略的高度。土地是稀缺资源，泥沙是流失的土地，也是不可多得的稀缺资源。长期以来，科技人员一直致力于黄河泥沙的资源化利用研究，除多年普遍采用的淤背固堤、淤填堤河等技术外，黄科院根据黄河泥沙颗粒细、含泥量大的特点，研发了专用环保型固化剂，使黄河泥沙砖能够保持结构致密、强度高，研制出黄河抢险用大块石、泥沙蒸养砖、泥沙烧结砖等，取得了一定的综合利用黄河泥沙的经验。

2010年完成的《黄河流域综合规划》吸收上述观点，指出随着我国建筑市场的扩大、土地资源的减少，利用黄河泥沙制砖、制作人工石材和边坡护砌材料等。预估近期仅制砖年利用黄河泥沙量约600万m3，随着远期建筑市场的稳定，年利用泥沙量可稳定在400万m3左右。为此我们建议，结合水库泥沙处理，综合考虑地形条件、施工条件、产品外运交通便利等情况，选择合适场地沉沙，用于新型肥料、基础材料、细沙造田、粗沙制砖、改性建材、含金属泥沙陶冶等。

（4）泥沙空间分布理论

近期，最具代表性的成果是由中国水科院、黄科院、黄委设计公司等在国家科技支撑项目的支持下，通过分析黄河泥沙变化趋势，研究了黄河各种泥沙处理方式的潜力与能力，建立了黄河泥沙优化配置理论与模型，提出了21世纪不同时期黄河干流泥沙的治理目标、安排模式和调控措施，给出了不同时期黄河干流各种泥沙处理方式的顺序和平均分配比例。该成果对未来黄河流域泥沙多途径处置具有指导意义，也为我们进一步从全流域的角度综合考虑泥沙的配置问题提供了重要参考。但由于该问题的复杂性，加之黄河流域产沙输沙规律研究还很不深入，上述泥沙配置模式是否科学、是否符合未来经济社会发展与黄河下游防洪及其他治黄工作的要求、设定的目标如何顺利实现、能否达到理想效果等诸多问题还需开展深入研究。

二、今后一定时期黄河泥沙处理与利用必须直面的问题

1.水土保持及面上治沙

黄河流域水土流失面积46.5万km2，占总流域面积的62%，是我国乃至世界上水土流失最严重的地区。为“锁”住泥沙，目前黄河流域已兴修基本农田555万hm2，营造水土保持林1192万hm2， 人工种草367万hm2，封禁治理142万hm2，建设淤地坝9.1万座，兴建各类小型水土保持工程184万处。这些措施初步改善了流域生态环境、农业生产和群众生活条件。经综合分析，年均减少入黄泥沙3.5亿～4.5亿t。

黄河中游粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2，是黄河泥沙特别是造成黄河下游淤积最严重、对下游危害最大的粗泥沙的主要来源区，这里是黄河泥沙治理的根本所在。黄委正积极推进，加大力度，集中力量，持续治理。然而，通过水土保持减少入黄泥沙的潜力到底有多大？通过淤地坝等工程措施，将泥沙暂时拦蓄下来，未来会产生什么影响？一旦发生“零存整取”事故我们有什么措施应对？水土保持减少入黄泥沙对黄河下游耕地改良、特别是河口地区造陆的影响如何客观评价？都是需要面对的问题。

2.水库泥沙的处理

黄河流域的水库，不但肩负“防洪、灌溉、供水、发电”的任务，而且还承担着“截沙、拦沙、排沙”的重要使命，水库的淤积速度十分惊人。在20世纪中后期14年内，西北地区20座水库，在运用初期平均损失库容31.3%，年损失率达2.26%，为美国水库淤积速度的3.2倍。据不完全统计，至1990年黄河干支流水库总淤积量约为115.5亿m3，其中大型水库淤积量约96亿m3，中型水库约14亿m3；至今，许多水库淤积超过总库容一半以上，大大制约了水库效能的发挥，有的甚至失去应有的作用。

3.河道内滞沙量的底线是多少

河道内放淤是黄河泥沙处理的重要措施之一，近期黄科院在开展黄河下游治理方略研究课题“黄河下游人工淤滩形成相对窄深河槽分析与试验方案研究”过程中，利用基于GIS的空间分析等方法，计算了黄河下游滩区的放淤能力，处理利用泥沙能力为16.5亿m3。但是，黄河下游河道是典型的复式断面，在滩区有大量群众居住，河道滞沙对滩区群众的生产、生活影响如何？河道滞沙后抬高河床，形成地上悬河，两岸堤防可承受的悬河高差是多少？悬河情况下，一旦决口对两岸经济社会发展影响如何，两岸可承受的洪水风险（一旦决口是否形成毁灭性灾害，形成毁灭性灾害的概率有多大）是多大？这些问题都是处理黄河泥沙所必须面对的，也是下阶段需要解决的。

4.泥沙输往河口地区是不是就万事大吉

黄河泥沙填海造陆造就了黄河三角洲，目前黄河三角洲自然保护区所辖的接近230万亩（15.33万hm2）土地，只有50多年的历史。近年虽然进入河口地区的黄河水量和沙量都大大减少，但黄河仍在造陆不息，在黄河三角洲每年填海造陆1万亩（0.07万hm2）左右。但是，泥沙输往河口地区是不是就万事大吉了？河口在淤积延伸的同时，其反馈影响减弱了下游河道的输沙能力，必然造成下游河床的淤积抬高；同时，河口流路问题及河口流路对当地经济社会发展、生态环境保护的影响，近年也日益显现；单一流路造成局部地区海岸的蚀退，也将带来一系列三角洲湿地生态系统问题。

5.黄河泥沙资源化利用整体框架布局

长期以来，科技人员一直致力于黄河泥沙的资源化利用研究，目前除淤背固堤、淤填堤河等技术外，黄科院还研发了泥沙蒸养砖、泥沙烧结砖的生产工艺，研制出黄河抢险用大块石。但是，从整个黄河流域的泥沙处理上看，虽然对今后一定时期内黄河的泥沙总量有了初步估算，但对这些泥沙的利用，目前还缺乏整体的框架设计，各地对泥沙的利用还停留在各取所需、随机处理的阶段，缺乏长远考虑。对黄委来说，急需在综合考虑不同区域可堆放泥沙量、不同泥沙输送技术可输送泥沙潜力、不同区域对泥沙资源化技术生产产品需求量的前提下，制订科学合理的黄河泥沙资源化利用整体框架布局，统筹规划、协调沿黄各区域对泥沙资源的利用，实现科学合理的黄河泥沙时空分布，同时促进沿黄各区域的经济发展。

6.泥沙的时空分布与黄河的长远防洪形势

对泥沙的时空布局的优化，必须考虑对黄河长远防洪形势的影响，例如，古贤水库修建后，初期运用下泄清水必将使小北干流河道发生冲刷，冲刷的泥沙进入潼关以下三门峡库区。如果没有合理的水库调度、调节，则泥沙必然淤积到三门峡、小浪底库区，影响这两个水库的防洪调度功能；若通过水库联合调度，使泥沙不在三门峡库区、小浪底库区落淤，则泥沙必然造成黄河下游河道的淤积，加重下游的防洪压力。因此对这种搬家形式的泥沙处理，必须与滩区放淤、泥沙资源利用、水库泥沙处理等泥沙处理模式结合起来，考虑黄河长远防洪形势的需要，及早规划，科学分配泥沙的时空布局。

三、水库“泥沙处理与利用”难以实质推进的问题

经验告诉我们，库区泥沙只处理不利用，形不成连续的资金链条和良性循环的机制，只能是死路一条。一是因为没有后续的资金作支撑，试验经费用完后排沙管道及设施大多在几年后，因缺乏运行维护而报废；二是这些水库对泥沙的处理，大多是地方政府的单一行为，从规划上缺乏整体和长远考虑，从库区抽出的泥沙直接排到下游河道，根本无视对黄河干流的影响和当初修建这些淤泥库的作用。这种行为在水库下游河道比降大、且仅是黄河支流的情况下，危害还不大；但对于管理整个黄河流域的黄委来说，对黄河水库泥沙的处理，必须站在整个黄河流域及其影响范围的高度，综合考虑泥沙处理的效益和影响。如果将水库淤积的泥沙直接排到下游河道，在没有充足水流冲刷的情况下，必将造成河道大量淤积，加重黄河的防洪形势，从长远上危害黄河下游影响区域黄淮海平原的经济社会健康发展。

四、实施黄河泥沙处理与利用有机结合战略运行机制

面向新时期经济社会发展的需求及治黄战略的要求，必须合理规划泥沙的时空布局，实施泥沙的资源化利用，实现泥沙处理与利用的有机结合，形成连续的资金链条和良性循环模式，才能保证黄河的长治久安。

设想黄河泥沙处理与利用有机结合运行机制如下：基于水库泥沙处理，提高水库的防洪效益，因此作为公益性工程之一，国家应先期投入部分资金作为启动基金；基于延长水库的使用寿命，作为企业应从发电增加的效益中返还一定比例资金，维持工程的持续推进；从水库中抽取的泥沙，可以通过管（渠）道输送到需要的地方，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，提取应提资金，弥补从事该项工程员工的正常开支。如此，黄河泥沙利用的规模将随着经济社会的发展而越来越大，泥沙处理亦可逐渐从水库扩展到下游河槽，相应减少需要水库拦蓄及河道输送的泥沙量。泥沙利用到一定规模，将有望从根本上改变下游河道持续淤积的状况。

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