黄河泥沙工程控制理论与关键技术

张金良

黄河输沙量之大、含沙量之高，居世界大江大河之首。确保河床不抬高、维持中水河槽过流能力、维持河势稳定，是下游行河稳定和黄河长治久安的基础。从流域尺度看，黄河泥沙问题处理是一个系统工程，可以用工程控制论来统领和指导黄土高原、水库、河道、河口多层级泥沙控制。黄河泥沙工程控制论也同样具有工程控制论的四项基本特征，可定义为黄河泥沙工程控制系统的分析、设计和运行的理论与技术。我们结合黄河实际情况，开展了黄河泥沙工程控制研究，建立了黄河泥沙工程控制理论与关键技术体系，应用于二十余项重大工程。

研究提出，黃河泥沙从产生到输移入海全过程为四级控制，包括入黄泥沙控制（一级控制子系统）、水库泥沙控制（二级控制子系统）、河道泥沙控制（三级控制子系统）和河口泥沙控制（四级控制子系统），各级控制作为工程控制系统的一部分。各级控制子系统间通过控制措施实现自上而下的“控制－传递－影响”作用，同时根据作用结果反馈再进行控制调整，整个过程体现了系统“控制－传递－影响－反馈－控制”的运行机制。

黄河泥沙工程控制的终极目标是使主要河道（重点是下游河道）水沙关系协调度（水沙关系协调度是我们研究建立的一个重要指标，可以用来度量河道水沙关系协调程度，协调度等于1时，代表河道冲淤基本平衡）约等于1，河道百年尺度内冲淤基本平衡，泥沙产、输过程长期处于受控状态，黄河长久安澜有保障。

入黄泥沙控制是黄河泥沙工程控制论的主要手段，主要从源头实施控制，具有控制面大的特点，可以有效减少进入黄河的泥沙。控制手段主要是通过林草措施、恢复植被、梯田耕作等措施来涵养水源，起到减少流域面上土壤侵蚀的作用。结合黄河流域黄土高原千沟万壑的独特地形地貌特征，通过在沟壑中修建淤地坝，可以进一步控制从面上侵蚀而下的泥沙。淤地坝作为黄河流域入黄泥沙控制的最后一件“法宝”，不仅可以有效拦截流域面上侵蚀而下的泥沙，还可通过淤地造田、蓄水保肥作用，有效减少黄土高原沟壑的重力侵蚀作用。除此之外，若修建的淤地坝符合标准、安全可靠，待淤地坝拦截泥沙淤满成地，在黄土高原形成陡坎时，通过陡坎的跌水等消能作用，减小水流动能，可以有效减小流域面上的水力侵蚀作用，并在黄土高原形成长远的侵蚀基准面。同时，陡坎还能进一步减少水流输沙，从而发挥淤地坝对入黄泥沙的控制作用。

干支流水库泥沙控制是黄河泥沙工程控制论的核心手段。水库泥沙控制不仅承接入黄泥沙控制后汇入黄河的泥沙，还通过水库调控改变水库下游河道的水沙关系，因此是最直接、最行之有效的黄河泥沙工程控制手段。

黄河流域水沙关系不协调主要是因为黄河流域水资源主要集中于黄河上游，而泥沙主要集中在黄河中游，中游黄土高原地区产沙量大、入黄泥沙多，区间自身产水及上游来水与区间产沙时空搭配不合理，无法在下游实现全部泥沙输送入海。因此，调节黄河水沙关系还应充分利用黄河水沙调控工程体系，运用“蓄清调浑”这一调控技术方法体系，干支流、上下游水库群联合调控水沙，实现干支流水库泥沙控制。通过入黄泥沙控制手段，有效减少了入黄泥沙，而对于已经入河的泥沙，则需要通过水库工程实施控制。

当前黄河流域水沙调控工程体系仍在不断完善之中，因此在实施入黄泥沙控制的同时，还应进一步完善黄河流域水沙调控工程体系，并通过干支流水库群的“拦、排、调”全方位协同调控，进一步控制黄河泥沙，协调下游河道水沙关系。

河道环节的泥沙控制主要考虑各滩区洪水风险、人口分布等因素，控制悬河发展，维持下游河势稳定，保障黄河下游防洪保安，因此河道泥沙调节是黄河泥沙工程控制的最关键手段。考虑黄河各河段水沙特点、河道特点及防洪要求等众多因素，黄河河道泥沙控制遵循因滩施策的工作思路，遏制悬河发展，维持河势稳定。由于河道具有来水归一的特点，河床通过水沙条件不断发生“冲淤—平衡”再到“冲淤—平衡”的过程，因此河道具有调节泥沙级配的功能。根据生态学原理，结合黄河下游河道的基本特点，考虑来水来沙条件、滩区安全建设措施等要求，实施淤填方案、滩区分滩治理等措施，消除“二级悬河”不利的河道断面，稳定主槽来补齐黄河下游河道生态安全屏障的短板，重组黄河下游河道与滩区的空间格局以破解人水矛盾，增效生态过程来增强黄河下游河道生态供给能力以实现河道的生态治理；并充分利用黄河下游河道输沙能力，多排沙入海，实现河道对泥沙的进一步调控，同时河道与水库形成有机整体，调控已经入黄的泥沙。

黄河口的泥沙问题主要是前三级调控的反馈过程，考虑到黄河口泥沙溯源淤积问题，黄河口水沙调控要综合考虑入海流路的安排及尾闾河道的整治。河口泥沙控制应与下游河道泥沙控制相协调。我们通过河口水沙演变趋势的反馈作用，结合水库调控水沙的控制手段，提出新的适应下游河道的泥沙控制方法。因此，黄河口的泥沙控制必须与下游河道防洪安排相协调，既要有利于减缓黄河下游河道的淤积抬高，又要有利于减轻防洪负担。河道长度是反馈影响的关键因素，尽量缩短河长，才能减少河口淤积延伸对黄河下游河道的反馈影响。

通过黄河泥沙工程控制的四级手段，可以实现分环节、分工程、分方式地系统控制黄河泥沙。人民治黄以来，在泥沙处理上探索出了“拦、调、排、放、挖”的泥沙治理思路，这不仅抓住了泥沙主要输送通道河流本身的调配与控制，还提出了中游黄土高原地区系统治理的措施，体现了黄河问题“表象在黄河、根子在流域”的认识，从系统工程角度来讲，是对整体系统的控制，是主动治河。黄河泥沙工程控制论与“拦、调、排、放、挖”的泥沙治理思路相辅相成、步调一致，其通过流域面上的拦沙减蚀到水库的“蓄清调浑”，再到下游河道的遏制悬河、三滩分治、稳定河势，最后通过河口的反馈与调控作用，形成了一套完整的、系统的黄河泥沙工程控制方法论。

总的来说，黄河复杂难治是由于黄河的泥沙问题兼具系统性和分散性，我们应以黄河泥沙工程控制论为指导，结合黄河流域的整体性、局部性特点，站在全流域的角度，分环节、分工程、分方式地开展黄河系统治理，推动黄河流域生态保护和高质量发展，实现黄河安澜这一中华儿女的千年期盼！