将地貌学应用于黄河下游河道治理长远决策的建议

陈蕴真　李军华　江恩慧

关键词：河道治理;千年蓝图;河流地貌学;复杂响应;改道;黄河下游

中图分类号：TV85;TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.007

引用格式：陈蕴真，李军华，江恩慧.将地貌学应用于黄河下游河道治理长远决策的建议[J].人民黄河，2022，44（3）：32-39.

1引言

治黄的首要任务是确保黄河下游防洪安全。习近平总书记指出“保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计”，意味着黄河下游河道治理要突破“水利工程是百年大计”的传统观念，要敢于谋划千年蓝图，实现经济发展和生态保护双赢，促进流域可持续发展。

河流地貌学研究的时间尺度可达数千年，关注洪水事件、气候变化和人类活动对水沙运行及地貌演化的影响，致力于提升防灾减灾能力，促进可持续发展。进入21世纪，在欧美国家，越来越多的地貌学家为河流修复提供咨询服务，参与河流修复工程设计。1986年英格兰及威尔士环境署仅有1位全职地貌学家，2010年后全职地貌学家数目不断增加，2019年已达35位[1]。

本文以地貌系统演化的復杂性理论为指导，思考黄河下游河道长治久安的策略。首先简述河流地貌学的发展史、研究内容、学科特色及其关注的治河问题，提出适用于黄河下游河道治理的应用地貌学工作流程;然后基于6000a黄河泛滥史的地貌学研究结论及其治黄启示，评估黄河下游的改道风险，提出“分步走”的千年治理蓝图;最后列出为支撑治理决策必须深入研究的地貌学问题。

2河流地貌学简介

2.1河流地貌学发展简史

一百多年来，河流地貌学经历了5个发展阶段。20世纪50年代之前，地貌学家主要应用描述法推测河流地貌景观的演化史，代表性研究成果是戴维斯的侵蚀轮回说。1914年Gilbert首创利用水槽试验研究泥沙输移机制，1917年发表论文阐释美国内华达山区金矿开发造成的泥沙灾害，地貌过程研究由此开创。

20世纪50、60年代是欧美国家通过筑坝、河道渠化、裁弯取直等开发利用河流的高峰时期，河道被视为输水输沙的通道。过程研究成为河流地貌学的主流，代表性研究成果如Leopold和Wolman关于造床流量、河型判别的经典成果。该阶段地貌学基于河流动力学理论建立冲积河床自动调整的动态平衡理论，并依靠极值条件假说，预测河床形态对来水来沙的确定性响应，以期为河流开发服务，推动了地貌学的第一次定量革命[2]。

20世纪70年代，Schumm创立流域地貌系统理论，河道被视为流域水沙“从源到汇”运行的一个地貌单元。地貌学家开始关注作为复杂系统的河道系统，发现河道对来水来沙的响应具有复杂性和不确定性，自动调整行为受反馈作用、地貌内部阈值、跨尺度关联等多种因素控制[2-3]。

20世纪80、90年代，欧美国家出台河流环保法案，河流开始被视为一个生态系统，地貌系统成为生态系统的物理载体。地貌学家在治河中广泛应用“生态流量”这一概念，指出河流连通性是生态系统健康的保障，滩槽之间的横向连通性和上下游的纵向连通性一样重要。

进入21世纪，气候变化和人类活动影响加剧，水沙过程变异，极端事件增加，水利工程的适应性下降。修复河流，实施基于自然的治河方案成为欧美国家治河的主流。地貌学家视河流为流域地理系统的子系统，研究河道如何响应筑坝、河道渠化等人类活动，河流系统和人类系统如何共同演化等[2]。同时，遥感、GIS、测年和计算机模拟等技术快速发展，推动地貌学发生第二次定量革命。地貌演化模型的预测能力提高，可直接应用于治河决策，促进应用河流地貌学蓬勃发展[1]。

2.2河流地貌学的研究内容和学科特色

从河流地貌学发展简史可以看出，一方面，河流地貌学和治河实践相互促进：河流开发推动地貌学实现第一次定量革命，而定量化程度提高的地貌学，又为河流保护提供决策支撑;另一方面，随着人类对河流系统的认知不断加深，河流地貌学不断通过学科交叉拓展研究领域。那么，什么是河流地貌学的学科特色？河流动力学和河流地貌学都是围绕泥沙研究河道的形态与过程之间的相互关系，它们的研究内容和研究方法有何差异？

河流动力学探究冲积河流形态变化的力学机制，聚焦泥沙输移、河床变形、边岸崩塌这3个过程，研究的时间尺度不超过100a。河流地貌学则探究作为复杂系统的河道，如何通过过程—响应机制适应不同时空尺度、不同成因的变化[4]。这些变化的尺度大到持续千年以上的区域地质构造运动，小到一场洪水造成的河床底形（Bedform）变化;成因从气候变化引发的水沙变异和海平面升降，到生物和人类活动造成的边岸抗冲性变化。因此，河流地貌学非常热衷从河流动力学、生态学、地理学、历史学、考古学、沉积地质学等诸多学科中借鉴研究工具[4]。

在方法论上，当代河流地貌学保持鲜明的学科特色，将整体论与还原论相结合，宏观与微观相结合，历史与现实相结合，定性与定量相结合，使用先综合、再微观分析、最后再次综合的“综合微观分析法”[5]。河流地貌学采用该方法论，是复杂性研究的必然要求。河道演化的复杂性主要体现在以下4点。

（1）多层级结构，多过程耦合。一方面，在河道系统外部，河道和坡面、泛滥平原一起构成流域地貌系统，而流域地貌系统又和大气、海洋、生物、人类等系统构成更大的流域地理系统。另一方面，河道系统内部可分为主槽、天然堤、河漫滩等地貌单元，各地貌单元又包含多种微地貌。河道系统内外组分之间通过多种过程耦合，通过反馈机制共同演化。

（2）跨尺度关联引发地貌灾变。为了适应不同时空尺度上的外部变化，河道通过底形、河床粗化或细化、河槽形态河道形、河势、河型、态和流路等不同空间尺度上的自由度进行自我调整（见图1，形态变量调整的时间尺度为推测的典型尺度，有待研究证实）[6]。在渐变式调整中，当不同尺度上控制突变的内部阈值被跨越后，通过跨尺度关联，很小的扰动即可触发一系列突变，引发地貌灾变，即“小水大灾”。例如，洪水来临，河道通过调整底形、床面细化、改变河槽形态等方式，减小阻力，提高行洪能力。在调整过程中，河槽内部的横比降将发生变化，当横比降跨越某个阈值后，触发河势突变，形成横河、斜河顶冲堤坝，触发决口[7]。当决口河段河道高悬的程度没有超过某个阈值时，决口扩张较慢，汛期过后，决口可自愈，不会导致河流改道;否则，决口将快速扩张，导致河流改道[8]。2003年，兰考蔡集控导工程所在河段在2500m/s的小流量洪水下即发生河势突变，进而触发生产堤决口。该河段二级悬河局面显著，决口出流比超过0.5，导致部分河段在堤内改道;顺堤行洪达25.7km，偎堤水深约3m，险些触发大堤决口[9]。

（3）系统状态多变。为响应外部变化，冲积河床可在动态平衡（Dynamic equilibrium）、不平衡（Disequi⁃librium）、非平衡（Non-equilibrium）间转换（见图2[10]）。例如，河床在一段时间内保持冲淤平衡，其处于动态平衡状态。当来沙减少、水流冲刷能力加大时，河床转为持续冲刷，处于不平衡状态。这种情况下，河床将自我调整，降低输沙能力，“抗拒”冲刷，经过一定的响应时间，河床达到新的动态平衡。当来沙增加较多、河床以淤积为主时，河床高程周期性地跨越阈值，河道周期性地裁弯取直，河床高程因此发生周期性的波动，河床处于阈值主导的非平衡态。当河流为人工堤所约束、无法改道、河床持续抬升时，河床处于受“河床抬升，人类加高大堤，河床进一步抬升”这一正反馈驱动的非平衡态，极不稳定。物理模型试验研究发现，当来水来沙保持不变时，辫状河道处于非平衡混沌态[11]。系统对变化越敏感，状态转换就越频繁;系统抗拒外部变化的能力越强，维持动态平衡的能力就越强。

（4）系统演化具有不确定性。天气、气候、海平面、地震等外部变化以及河道對外部变化的响应，都具有不确定性。另外，地貌系统演化还受到遗存效应（Legacy effect）影响。遗存效应主要指某项人类活动在其主要功能失效或被撤销后，继续对泥沙输移和地貌演化产生长久的影响[12]。有的遗存效应很难定量预测，具有高度不确定性。比如淤地坝淤满失效后，突发垮坝事件，导致入河泥沙剧增。

3地貌学在治河决策上的应用

3.1地貌学的关注点河流地貌学的特色是研究

河道演化的复杂性。应用地貌学指导治河实践，有利于制定更主动、更长远、更具可持续性的治河策略。首先，地貌学应用复杂系统思维，而非简单系统思维。例如，地貌学不仅考察研究河段主槽的输水输沙能力，还注重滩槽协同治理[13-14]，促进生态保护;不仅关注河床能否在平面上维持动态平衡，不发生河势突变，还关注河床在垂向上是否处于易失稳的非平衡态，不发生大改道;关注可控、可预测的河道演变，更关注跨尺度关联引发不可控灾变的可能性。其次，地貌学重视研究河道在千年尺度上的演化规律，有利于从自然、社会经济和治河技术相互作用、共同演化的角度，预测未来河道边界条件的动态变化，谋划治理蓝图，动态评估治河方案的风险、有效性和可持续性。再次，地貌学研究以自然为中心，而非以工程为中心。地貌学既探究天然河道的演化规律，也探究人类活动改变天然河道演化轨迹的机理，寻求基于自然的解决方案，推动设计自适应、自组织的治河工程。

3.2地貌学应用于治河决策的工作流程

国外地貌学家在实践中总结了地貌学应用于治河决策的工作流程[4，15-17]。这些工作流程均采用上述“综合微观分析法”，但适用于治理目标较为单一的中小河流。以下提出更适合黄河下游河道多目标协同治理需求的工作流程。

步骤1：明确流域概况。将流域作为一个人地耦合的地理系统，分析其结构和功能，为下一步聚焦地貌子系统提供背景知识。主要研究内容包括流域的自然概况、社会经济现状，流域的重要性、治理要求和治理现状等。

步骤2：重建河道的演化史。基于过程与机制重建河道演化史，有利于追根溯源，为后续的问题诊断、治理决策和项目评估提供支撑。重要的研究课题包括：河道近万年的地貌演化轨迹、状态转换及其驱动力;来水来沙、河势、河型、河道、泛滥平原、河网等响应气候、植被、海平面、地质构造活动和人类活动等变化的敏感性、复杂性和机制;裁弯取直、河流改道等地貌突变发生的频率、机制、控制因子及其阈值;泥沙在不同地貌单元存储、输移通量及其长期变化的原因;各种遗存效应及其持续时间，等等。利用地貌演化模型定量重建河道演化史，旨在发现重要变量的可能取值范围，探索演化机制，尽管对模拟结果的精确度要求较低，但要能满足长期决策的需求。

步骤3：诊断河道的问题。基于对流域地理系统要素（气候、海平面、社会经济等）演变趋势的预判、地质时期河道演化规律的模拟研究结论，预测未来水沙和河道变化的方向和速率、河道系统实现动态平衡的条件、控制因子突破阈值的可能性，等等。诊断河道面临的问题，找到问题的主要矛盾，分河段评估洪灾风险和河道修复难度等。

步骤4：制定治理蓝图和方略。基于河道问题的诊断依据和诊断结论，参考近万年河道经历过的不同状态，确定河道治理的目标体系，制定治理蓝图和治理方略。河道治理决策分流域和河段两个层次。流域层次的决策聚焦如何布局和协调河道及其上下游的治理活动，确定合理的造床流量和生态流量，以便协调防洪、生态修复、水土资源高效利用之间的矛盾。河段层次的决策聚焦制定滩槽协同治理的原则和确定优先修复的河段，指导具体工程项目的实施。

步骤5：项目的影响预评估和方案优选。构建地貌演化的计算机模型和物理模型，通过对比试验、情景分析、敏感性分析、绘制地貌灾变的规模—频率曲线等方法，预测和评估不同治理方案的实施效果和风险，选择环境影响小、稳健性和适应性强的方案。由于黄河河道系统状态多变，因此还需预测治理方案的动态变化。

步骤6：监测、后评估和适应性决策。对于黄河这类流域社会经济和河道状况变化很快的大河，监测和评估项目的实施效果时，应力求长期化、系统化、标准化和智能化，这样才能满足适应性决策的需求。

4地貌学在黄河下游河道治理决策中的初步应用

作为部分工作流程的操作示范，基于笔者关于黄河泛滥史的地貌学研究结论及其治黄启示，将地貌学应用于初步评估黄河下游河道的改道风险和构建治理蓝图。

4.1黄河泛滥史的地貌学研究及其治黄启示

4.1.1重建6000a黄河下游泛滥史

考察黄河下游考古遗址和河口三角洲沉积地层分布的时空动态变化[18-19]，推测距今6200～5500a，黄河从今濮阳和安阳中间穿过，在渤海湾中部入海;距今5500～5100a，高海平面引发溯源淤积，加速河床抬升，黄河在今濮阳附近决口，向南泛滥，发生部分改道，形成夺淮入海的分流河道，此后数百年，黄河同时流入黄海和渤海;距今4600～3900a，气候突变，大洪水频发，黄河再次在今濮阳附近决口，向东改道，全河入渤海[18]。

近4000a来的黄河下游泛滥史及其驱动力主要依据历史文献记载考察。早期，黄土高原开垦强度小，入黃泥沙尚少，下游河道淤积尚不严重，人类无力阻止黄河改道，下游河床处于改道阈值主导的非平衡态，周期性改道使河床高程和决口频率在低水平上波动，决口规模较小。明清时期，黄土高原开垦强度大，入黄泥沙剧增，下游河道淤积严重。其时堤坝强度不足，但人类堵口技术提高，有能力阻止黄河改道。于是，一个人为正反馈环形成：随着河床抬升，决口的频率和规模逐渐增大，决口分流加剧泥沙淤积在河床上，河床进一步抬升，下游河床进入正反馈主导的非平衡态，形成极不稳定的悬河，决口的频率和规模均达历史之最。中华人民共和国成立后，工农业现代化为治黄带来机遇，水库调节洪峰、大堤强度提高，使决口风险大幅降低，中游水土保持减沙，小浪底水库调水调沙冲刷下游河床，上述正反馈环被打破，黄河安流[20]。

为定量重建黄河下游泛滥史，构建了一个基于过程的地貌演化模型，将黄河中上游的水文模型、下游河道的水力参数变化模型和决口演化模型耦合起来，考察在千年尺度上气候变化、土地利用和筑堤堵口等因素如何影响下游泛滥行为。重建结果显示，从西周末期到清末，黄河下游的各种状态变量都相对自然背景值发生数量级增长：花园口的年输沙量从2.8亿t增加到12亿t[21]，下游河道沉积速率从3mm/a增加到30mm/a[22];河槽变宽浅，河床相对超高即河道超高（天然堤顶或人工堤内的滩地相对堤外地面的高度）和河槽平均深度的比值从0.6提高到3.0;大决口（出流比大于0.1）的重现期从大于500a缩短为不到10a，出流比提高27倍[21]。

敏感性分析揭示河床相对超高是改道行为的控制因子。历史时期，随着堤防强度不断提高，堵口越来越迅速，河床相对超高的改道阈值从0.6提高到2.0，即堤防能维持越来越高的悬河。改道类型从耗时十几年渐进完成的部分改道，变为一场洪水即可完成的快速全河改道;河网形态从天然状态下的多支分流转变为人工约束下的单一河道。由此，数值模拟研究解释了在16世纪70年代潘季驯治河前，黄河下游长期处于多支分流状态[23]的机理。

4.1.2黄河泛滥史研究的治黄启示

从上述重建黄河泛滥史的地貌学研究，得到如下治黄启示。

（1）在黄河流域，人河互动，共同演化。黄河泛滥行为和流域社会经济活动密切关联，因此制定治理蓝图时，需要根据国家中长期发展规划和未来社会经济发展趋势，制定分步走战略。

（2）黄河地貌系统对气候变化和人类扰动极其敏感，响应很快，河道系统状态多变，治黄方案大都见效快、失效也快。例如，20世纪90年代黄河下游频发高含沙小洪水，河槽淤积严重，河床组成变细。1999年小浪底水库运用后，下游河槽大幅冲刷，但河床组成不断粗化，导致2006年后冲刷效率下降，2015年汛期水流冲刷效率较2003年下降了78%[24]。因此，治黄需要加强监测，不断调整治理方案。长远来看，治黄应追求智能控制，借力自然，设计自适应河道，有条件时应允许河道发生可控的突变和自组织演化，自己寻找新的稳定状态。

（3）模拟结果显示，历史早期近天然状态下黄河下游的含沙量约为4kg/m3[22]，与密苏里河（4.4kg/m）差不多[25]。密西西比河三角洲叶瓣的改道周期长达1200～1700a[26]，天然黄河下游大改道的周期为500～1000a[18，21]（根据考古遗址动态变化所做的推测和地貌演化模型计算结果）。天然黄河属于改道较频繁的河流，尽管如此，依然可在数百年里保持流路稳定（否则泛滥平原上难以形成戚城、十里铺北等多个大型考古遗址[18]），其原因如下：首先，天然黄河中游多沙粗沙区侵蚀较弱，来沙粒径小，多为冲泻质，下游河槽不受约束，可以在较大宽度内自由摆动，因此河道淤积速率小，约为2mm/a[22]，需要很长时间河床相对超高才能跨越改道阈值;其次，天然黄河下游属于多支分流河道，还有众多湖泊起分洪调蓄作用[23]，因此只要黄河中游来水保持低含沙量且以冲泻质为主，下游拥有一定数量的分流河道，行水初始时为地下河状态，新流路就可以维持几百年不发生大改道。王景主持开挖新河道后，从东汉末年的西北羌乱到中唐的安史之乱600多a间，黄河中游土地利用以牧业为主，黄河下游出现长期安流局面，就是一个可靠例证[27]。

（4）对于黄河下游河道，决口发生并最终发展为改道，需同时满足4个条件：第一，堤防存在薄弱环节，成为决口发生的突破口;第二，需要一系列洪水过程作为决口触发和扩张的条件;第三，河势变化，引发冲决或溃决[28];第四，河床相对超高跨越了改道阈值。堤防整体强度越弱，相对超高的改道阈值越小，小决口发展为大改道的概率越大。

实施黄河下游河道治理方略“稳定主槽、调水调沙、宽河固堤、政策补偿”，可以全面破除上述4个条件。从地貌学角度看，“稳定主槽”应该包括两层含义：平面上保持河势稳定和垂向上保持地下河状态。因此，利用整治工程控制河势，不应以加快悬河发展为代价。同理，将“调水调沙”的目标定为实现下游河床冲淤平衡是不够的，应尽可能冲刷河槽，改善悬河局面。“宽河固堤、政策补偿”旨在提高堤防强度、调蓄洪水，宽堤距还可降低堤内滩面淤高的速度。后两类措施能适应所有的水沙变化，实施效果有保障，应作为整个方略的基础。

4.2评估黄河下游的改道风险

对照改道必须满足的4个条件，初步评估黄河下游的改道风险。

第一，尽管2018年标准化堤防主体工程建设完成后基本消除了大堤隐患，但是大堤是一种微损伤积累极易触发整体崩溃的复杂系统，没有临水大堤质量实时监测系统实现堤防隐患早期预警和精准消除的话，决堤风险仍不可控。

第二，关于洪水风险。根据《黄河流域综合规划（2012—2030年）》，依靠流域水库群，40～50a后小浪底水库拦沙库容淤满进入后水库时期[29]。其时，启用北金堤和东平湖等滞洪区可以极大程度削减洪峰。但是，一旦控制突变的地貌内部阈值被跨越，跨尺度关联导致“小水大灾”的风险将大幅提高。枯水期和调水调沙期间的河床自动调整，淤地坝“葡萄串”式垮坝形成的高含沙洪水等，都可导致地貌内部阈值被跨越。

第三，黄河下游河势突变的原因多样，河床处于冲刷、淤积和整体处于冲淤平衡状态时河势突变均可發生。由于无法探查水下边界的抗冲性，因此河势突变很难预测。按照已有经验，采取微弯型整治方案，两岸工程的合计长度达到河道长度的90%后，才可初步控制河势[28]。可以预见，未来随着科技进步，整治方案不断优化，对河势的控导效果将不断提升[30]。但是，工程的规模越大，改建、维修的难度和周期越长，控导工程失效的风险依然存在。

第四，黄河下游大部分河段的悬河局面未解除，部分河段的河床相对超高或许已经跨越了改道阈值。未来几十年，假如不提高堤防强度，就算依靠水库拦沙和滩区放淤可以维持下游河道不淤积抬升，这些河段仍有决口夺流改道的风险。进入后水库时期，下游河道又将淤积抬升[30]。淤积抬升的速率取决于堤距、来水来沙状况、整治工程能否有效提升河道输沙能力、滞洪区和分流河道数量、海平面上升速率等。

水利学家刘晓燕和王光谦等考虑了气候、水土保持效果和人类耗水的动态变化，预测2020—2070年黄河潼关站年输沙量为4亿～5亿t[31-32]，天然径流量为438.6亿m，约44%径流被人类消耗，实测径流量为247.3亿m[32]。现在让我们基于水利学家的预测，从地貌系统和人类系统共同演化的角度，预测一下后水库时期的黄河下游水沙状况。

其时水资源利用效率将提高、人口减少（预测到2100年中国人口约为7.32亿[33]），海水淡化技术很可能普及，实测径流量将略增加。中国告别农业和矿业粗放开发的年代，加剧黄土高原侵蚀的人为因素基本消除。但是，由于经历了两千多年的强烈侵蚀作用，黄土高原的平均坡度已远大于历史初期，因此即使植被恢复到历史初期的近天然状态，流域产沙量也将大于历史初期。不过，未来人类的经济活动具有减沙效果。Syvitski和Milliman对世界大河输沙量的研究发现，在人口密度大于200人/km2且人均GNP大于1.5万美元的欧美地区，人类活动有强烈的减沙效应，最多可减少七成产沙量[34]。可以预见，泥沙作为日益稀缺的资源，未来泥沙资源化利用将减少入黄泥沙[35]，而且粗沙利用的比例较高。

假设后水库时期流域的产水产沙水平和2020—2070年差不多，年产沙量约为4.5亿t，人类的经济活动减少三成泥沙，进入黄河下游的年输沙量将为3.15亿t。假设花园口站的径流量为潼关站的1.1倍，下游含沙量将为6.5kg/m。假设约35%径流量被人类消耗，黄河下游的年径流量约为313.6亿m，则下游来沙系数约为0.0065kg·s/m，和北宋时期差不多[21]。从已知的钻孔数据看，北宋时期下游河道的长期沉积速率最大为2.3cm/a[22]，据此预测2070年以后下游河道的长期沉积速率最大不超过2.5cm/a。这个预测具有合理性：虽然其时黄河下游没有北宋时的分流河道，但按黄河水利委员会的远景展望，后水库时期将启用滞洪区[29]，我们也有理由相信整治工程将不断提升下游河道的输沙滞沙能力;而且未来堤防的整体强度必将不断提高，河床相对超高的改道阈值将加大。因此，进入后水库时期，现有河道还可维持较长时间。

综上所述，以上4种改道的风险都可通过优化防洪工程而减小，但是防洪工程需要水土保持、水沙调控、水系重建等工程密切配合，精心设计，使地貌内部阈值不会因为边界条件变化而加快积累，长远看不会导致“小水大灾”，具有可持续性。

4.3构建千年治理蓝图

基于上述治黄启示和改道风险评估，提出黄河下游河道的治理蓝图，在确保防洪安全和水资源高效利用的基础上，分步推进滩区治理、生态修复和水系重建。

第一步，水库调控时期（2021—2100年）。该阶段是黄河下游防洪、水资源高效利用、滩区土地利用和生态修复之间的矛盾最严重的阶段。该阶段的首要目标是通过联合应用流域内的水利枢纽缓解下游的悬河局面，为进入后水库时期做准备。关于水沙调控体系的远景效果展望，《黄河流域综合规划（2012—2030年）》里写道：“随着2030年水平规划的实施，水土保持的减沙量达到6.0亿～6.5亿t，南水北调西线一期工程增加输沙用水25亿t左右，古贤水利枢纽、黑山峡河段工程和现状骨干水利枢纽联合运用调控水沙，可使黄河下游河道在今后40～50年的时间里不显著淤积。”[29]2030年后可能建成碛口水利枢纽，加上未来一段时间里人类经济活动具有减沙效应，黄河输沙量应比该规划的预测量小，我们初步预测，依靠较完善的水沙调控体系，可使黄河下游河道在今后80a内不显著淤积。

为了尽可能减轻下游的悬河局面，需要多管齐下：一是逐步破除生产堤，通过堤河和串沟放淤、滩区植被按促淤能力分区布置等措施，消除二级悬河，减小堤内滩面的横比降;二是通过调水调沙、拦粗排细，并加大调水调沙期小浪底水库下泄流量，将中水河槽的整治流量从4000m/s提升到不小于5000m/s，以便打破现有河床粗化层制约，塑造过流量大的窄深河槽;三是通过滩区放淤、淤背固堤造就相对地下河，减小堤内滩地相对堤外地面的高度，减轻一级悬河局面;四是疏浚河口，减轻溯源淤积;五是继续加固标准化大堤，建设临水大堤质量实时监测系统，提高堤坝强度，提高河床相对超高的改道阈值。

第二步，后水库独流时期（2100—2260年）。该阶段的首要目标是减小河道的淤积抬升速率，延长行水时间。在评估改道风险时，我们预测在后水库时期黄河下游河道的长期沉积速率小于2.5cm/a。由于调水调沙已经使下游主河槽平均下降超过2m[36]，因此后水库时期回淤2m最快也需要80a。距今一百多年后，抢险和堤坝工程技术必定大幅提升，大堤能维持的悬河高度也将提高。模拟计算显示历史时期土堤能维持的悬河高度增加了3.4m[21]。保守推测其时大堤能维持的悬河高度较今天增加2m，回淤后河道还可安流至少80a，到2260年现河道行水时间达405a。和明清时期黄河的情况做个对比，就会发现以上期望并不高：从1565年潘季驯治河到1855年大改道，在黄河年输沙量大约10亿t[37]、治河技术落后的情况下，黄河故道尚能行水290a。

其时水资源压力将减小，滩区群众将全部迁出。不过，由于地上河局面依旧，全面修复河道的时机不成熟，因此仍需要依靠河道整治工程稳定河势。其时，流域水利枢纽的水沙调控功能衰退，可模仿世界上径流量年际差异巨大的天然河道，例如湄公河、印度的Nar⁃mada河等，设计自适应河道和滞洪区，使其在特大洪水、洪水、中水和枯水条件下均能保持输水输沙能力和河势稳定[38]。在此阶段末期，规划一条分流河道，为下一步人工改道做准备。由于此阶段末期中国的基建热潮将消退，还会出现新型建筑材料，预计经济活动的减沙效应将减弱，黄河下游输沙量可能略有回升，因此需要为新河道规划足够大的堤距和滞洪区。

第三步，人工改道时期（2260—2290年）。花大约30a时间完成黄河下游的人工渐进改道。新河道为地下河，河床相对超高远离改道阈值，黄河含沙量低，河道淤积抬升慢，决口的风险和出流比小。其时可实施王国安提出的“宽河固堤，河顺自然，适当整治，人水和谐”的治理方略，减少整治工程，给河流更多自由摆动的空间[39]。

第四步，分流河网体系建设时期（2290—2390年）。该阶段人口、土地和水资源的压力进一步减小，但海平面比现在高约1m（假设海平面上升速率为4mm/a[40]），溯源淤积的效应显著。应参考历史初期的水系格局[23]，建设黄河下游的湖泊群和分流河网体系，为未来黄河在黄淮海平原上自组织演化创造条件。

第五步，受限自组织演化时期（2390年以后）。黄河主流周期性地在人类规划好的分流河网中迁移，自己寻找最优的流路。不时调整和优化分流河网，使黄河泥沙较为均匀地沉积在华北平原上，以免制造懸河。

5待深入研究的科学问题

以上千年治理设想基于较多假设和有限的研究成果，为了向黄河下游河道治理决策提供更坚实的支撑，需深入研究以下地貌学问题。

（1）全新世黄河中下游水文地貌变迁的驱动力、过程与机制及其相关的沉积记录和考古证据。

（2）未来黄河流域气候变化、社会经济变迁、水利工程建设、海平面上升等对中游侵蚀产沙和下游河道变化的影响及其不确定性。

（3）河势、河型演变的规律和机制，防洪工程和调水调沙对河势、河型的调节机制。

（4）河势突变、裁弯取直、改道等不同尺度地貌突变的控制因子及其阈值、触发机制和形成条件。

（5）天然自适应河道的特征和形成机制，天然河网系统自组织及其结构产生的机制。

（6）植被、水沙、冲积河流地貌（尤其是微地貌）相互作用的过程与机制。

（7）如何确定整治流量、生态流量和调水调沙方案，以便塑造高效输沙河槽、构建生态适宜度高的水文情势和地貌景观。

（8）构建评估河流健康水平的水文地貌指标体系。

（9）开发复杂度适中、运算速度快的计算机模型，以及能满足规律相似性、运行成本低的微型物理模型，以便开展大量模拟试验，探寻地貌演化的机制。

6总结

河流地貌学将河道当作流域地理系统和流域地貌系统的组成部分，研究河道对洪水、气候和人类活动等外部变化的复杂响应。河道演化的复杂性表现为河道系统具有多层级结构，系统内外存在多过程耦合，跨尺度关联将引发地貌灾变，系统状态多变和系统演化具有不确定性等。河流地貌学采用整体论与还原论相结合、定性与定量相结合的“综合微观分析法”。基于这一方法论，提出地貌学应用于黄河下游河道治理决策的工作流程，该流程包括明确流域概况，重建河道的演化史，诊断河道的问题，制定治理蓝图和方略，项目的影响预评估和方案优选，监测、后评估和适应性决策等6个步骤。

作为工作流程的操作示范，基于6000a黄河泛滥史研究，从地貌学角度阐释黄河下游改道的四大风险来源，分析黄河下游河道治理方略“稳定主槽、调水调沙、宽河固堤、政策补偿”的更多内涵。从流域自然、社会经济和治河技术相互作用、共同演化的角度，预测水库失效后黄河下游河道的沉积速率不超过2.5cm/a，保守预测现有河道可再行水240a。提出一个千年治理蓝图，设想经过水库调控、后水库独流、人工改道、分流河网体系建设和受限自组织演化等时期，分五步走，逐渐推进黄河下游的滩区治理、生态修复和水系重建。为了支撑科学决策，地貌学需深入研究黄河下游的河势、河型、流路和分流河网演变的规律和机制。

【责任编辑 许立新】