多元侵蚀下黄河（内蒙古段）水生态问题探究与分析

李超 汪晓华 侯聚峰

摘  要：黄河是举世闻名的多泥沙河流，其泥沙来源主要在水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀和重力侵蚀等多种侵蚀模式交错并存下发生。尤其是黄河（内蒙古段）受其特殊的地理位置和气候特征影响，多种侵蚀模式共存的现象尤为明显。本文通过对黄河（内蒙古段）典型的泥沙特征和冻融特征分析，指出近年来受气候变化和人工控导工程影响，黄河（内蒙古段）区间风沙和“十大孔兑”来沙占总来沙量的70%以上，该部分来沙多以水力侵蚀和冻融侵蚀作用而进入黄河，为保障黄河流域生态环境，应加大其流域保护，尤其是黄河南岸“十大孔兑”、乌兰布和沙漠、库布其沙漠等沙地的治理工作，同时开展黄河干流水文、气象、泥沙、冰情、地形等监测工作，应用数值模式、理论分析、模型试验等多方法开展黄河生态水利方面的研究，从而建设黄河数值水利和智慧水利工程。

关键词：黄河（内蒙古段）   多元侵蚀  生态水利  泥沙  冻融

黄河（内蒙古段）概况及泥沙特征

黄河是我国仅次于长江的第二大河，她发源于昆仑山脉南支青藏高原巴颜喀拉山，干流全长5464公里，落差4480米，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省（自治区），在山东省垦利县注入渤海。黄河流域位于东经96°～119°、北纬32°～42°之间，东西长约1900公里，南北宽约1100公里，流域面积79.5万平方公里。

黄河（内蒙古段）地处黄河最北端，介于北纬39°～41°、东经106°～112°之间，从宁夏的石嘴山入内蒙古境内，流经乌海市、阿拉善盟、鄂尔多斯市、巴彦淖尔盟、包头市、呼和浩特市6个盟市的17个旗（县、区），于准格尔旗马栅乡榆树湾出境流入山西和陕西。河道流向分别为从石嘴山至巴彦高勒为由西南流向东北，巴彦高勒至包头市为自西向东，包头市至清水河县的喇嘛湾为由西北流向东南，喇嘛湾至出境为由北向南。其河道形状呈∩形大弯曲，全长840余公里，占黄河干流总长度的15.74%，落差240米，约占黄河总落差的5%，图1给出了黄河（内蒙古段）地理位置图。

黄河是举世闻名的多泥沙河流，其水沙基本特点是水少沙多，含沙量高;水沙异源，分布不均;水沙年际变化大，年内分配不均匀，尤其是近年来黄河（内蒙古段）受上游水库、河道控导工程和气候变化等因素影响，导致河道萎缩和泥沙淤积严重，河道形态演变剧烈，黄河（内蒙古段）部分河段淤高了近2米多，形成了200余公里的地上“悬河”。

黄河（内蒙古段）泥沙的主要来源包括上游河段源区、河东沙地、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和十大孔兑，黄河（内蒙古段）中游以上5个沙源的贡献率分别为31.38%、3.78%、3.52%、16.69%和44.63%。杨根生对黄河风巧段沿岸（沙坡头—河曲段）的风成沙入黄量进行了研究，結果表明，以风沙流和坍塌两种方式进入黄河的风成沙总量为5.32×l07吨/年，再加上发源和流经风沙区的几大支流5.00×l07吨/年的泥沙入黄量，每年这个区域大约有1.32亿多吨风成沙进入黄河干流。

黄河（内蒙古段）共有石嘴山水文站、巴彦高勒水文站、三湖河口水文站、包头水文站和头道拐水文站。其中，位于宁夏的石嘴山水文站为黄河（内蒙古段）入境站，头道拐水文站为黄河（内蒙古段）出境站，根据水利部黄河水利委员会泥沙公报统计，1987—2015年石嘴山水文站断面年输沙量为0.718亿吨，而头道拐水文站年输沙量为0.432亿吨，每年从上游河段源区淤积在黄河（内蒙古段）的泥沙为0.286亿吨，加之黄河（内蒙古段）流域河东沙地、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和十大孔兑的区间来沙约为1.28亿吨，每年淤积在黄河（内蒙古段）的泥沙约为1.57亿吨左右，年平均淤积厚度约为0.046米。

黄河（内蒙古段）冻融侵蚀特征

同时，黄河（内蒙古段）每年有4个多月的冰期，黄河封河冰盖形成后，河道水流除受河床糙率影响外，还受到冰盖糙率的影响，河道的综合糙率明显大于无冰盖时的河道糙率。同时，冰盖的存在增加了过流断面的湿周，减小了水流过流断面，从而在同流量下封河时河道水位较敞流期上升1/3左右，黄河（内蒙古段）封河时水位较未封河时增加近1.5米。随着水位的上升，堤岸表面含水量迅速升高，并且水体不断渗入堤内，使堤岸土体由非饱和状态转化至饱和状态，从而引起土的基质吸力消失以及抗剪强度的减小。同时，在水的浸泡作用下，边坡土体内的胶凝物质逐渐溶解，颗粒之间的润滑作用得以增强，导致土体的内摩擦角与黏聚力降低，再加上张裂缝的产生，最终导致堤岸的自身稳定性减弱。但在高纬度地区河流冬季，堤岸饱和土体经过2—3个月的冰期，堤岸土体逐渐冻结，形成冻土，其力学特性和剪切强度又显著增加。

开河期冰盖融化、破裂，河道内槽蓄水量释放，水位下降，堤岸冻土逐渐融解而存在滞水性，致使坡内水位下降速率低于坡外，此时坡内的孔隙水压力还未消散，产生指向坡外的渗透压力。同时，堤岸土体经过冰期冻融循环后，土体内部孔隙率增大，土体抗剪破坏力学物理指标明显下降，原本作用在坡体表面为整个坡体提供支撑作用的静水压力迅速消失，以及坡脚部分受流水淘刷影响，导致堤岸崩塌、失稳破坏。河流崩岸具有短时性、突发性、剧烈性等特点，加之河冰因素影响，使其破坏过程更加严重，如图2所示。

统计数据表明，河流崩岸有30%的概率发生在水位上涨初期，约50%发生在水位下降期间。崩滑体落入河道内，会增加河流的泥沙含量，造成大量淤积，影响河道过流，进而加剧河道的淤积与演化。图3给出了黄河（内蒙古段）包头水文站2010—2015年月平均含沙量，可以看出：冰封期含沙量为汛期含沙量的1/10，但进入开河期，含沙量明显增加，尤其是开河4月份水流含沙量是仅次于汛期9月份含沙量次高的月份，因此，开河期河流来沙主要是堤岸崩塌泥沙入河，堤岸崩塌已成为黄河（内蒙古段）泥沙的主要沙源之一。

气候变化下黄河冰情及泥沙新特征

近年来，受全球气候变暖和人类活动的影响，黄河（内蒙古段）冰情出现一些新的特征，图4显示了1961年—2011年11月1日至3月31日累计日平均气温的变化。

从图中可以看出，近50年来，虽然在个别年份出现了冷冬，但冬季气温呈明显的上升趋势，冬季日平均累计气温减少了300℃—400℃。气温的升高导致黄河（内蒙古段）冰期缩短，产冰量减少，冰厚变薄。图5给出1961年—2011年和2013年—2014年11月1日至3月31日日平均气温变化。可以看出，2013年—2014年冬季气温明显高于历年，流凌日期较往年推后15天，冰期缩短将近20天。同时，由于河道建筑物的作用，使得卡冰位置、封河形态都发生较大的变化，黄河的泥沙和冰情呈现出新的特征：

一是黄河（内蒙古段）河道水沙异源特征越发明显;

二是反复的冻融循环作用使得黄河（内蒙古段）河岸崩塌频繁，河道演变越来越剧烈;

三是气温的升高导致整个冰期缩短，冰厚变薄;

四是产冰量的减少，使得封河位置向下游移动;

五是河道中公路桥、铁路桥及其它河工建筑物的存在导致卡冰结坝的发生，使得封河过程出现分段封河的现象;

六是上游水库、水闸等河道控导工程对封河流量的控制导致封河过程更加平缓;

七是下游水库（万家寨水利枢纽）的建设，使上游河道流速变小，产冰量增加，原来的不封冻河段变成封冻河段。

八是气温升高使得封河位置下移，封河时下游段极易发生冰坝、冰塞;开河时，上游和下游同时开河，中游段因流量增大，易形成卡冰结坝危险。

图6分别给出了石嘴山和头道拐水文站2010年—2015年径流量，从图中可以看出，出境站头道拐断面的平均年径流量为194.65亿米3，小于入境站石嘴山断面的平均年径流量268.36亿米3，头道拐断面的年均径流明显小于石嘴山断面的年均径流73.71亿米3。图7给出石嘴山和头道拐水文站2010-2015年平均含沙量，头道拐断面年均含沙量为2.46千克/米3，石嘴山断面年均含沙量为1.71千克/米3，头道拐断面的年均含沙量明显大于石嘴山断面的年均含沙量0.75千克/米3。黄河（内蒙古段）呈现明显的水少沙多的水沙特征，加之河道比降小，水流流速低，导致该河段淤积严重。

讨论

通过以上分析可以看出，由于黄河（内蒙古段）水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀和重力侵蚀交错并存，导致该河段的泥沙、生态问题尤为严重。加之气候变化的影响，使得在研究河道生态安全、用水安全及防洪安全时需要综合考虑气象、地形、水文及河道建筑物等因素，针对各种侵蚀的源头展开机理研究，提出各项保护黄河干流及其流域范围生态治理措施，按照习近平总书记提出的“表象在黄河，根子在流域”的方针，在治理黄河干流的同时，加大其流域保护力度，尤其是加强黄河南岸“十大孔兑”、乌兰布和沙漠、库布其沙漠的治理工作，减少由于水力侵蚀和风力侵蚀导致的沙量。大力发展沙漠、山洪沟渠绿色产业，在生态保护为根本，以绿色产业为带动，以经济提升为附加，形成新型生态产业，带动地方经济发展。

在黄河干流上要开展黄河水文、冰情、气象、地形等方面的野外观测，将传统的黄河水利转变为数字水利和智慧水利，采用理论分析、数学模拟等方面揭示黄河冻融侵蚀和重力侵蚀的规律，提出治理黄河干流生态的工程和管理措施，维护黄河的防凌、河道、生态安全，保证河道的生态健康和可持续发展。

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（作者单位：1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院;2.内蒙古大学生态与环境学院;3.乌海市水务局）

责任编辑：代建明