黄河流域泥沙系统治理科学研究与工程实践
“黄河宁，天下平”。作为全世界泥沙含量最高、治理难度最大、水害严重的河流之一，黄河历史上曾“三年两决口、百年一改道”，给沿岸百姓带来深重灾难。从“筑堤治水”到“分流杀势”，从“宽河行洪”到“束水攻沙”，中华民族始终在同黄河水旱灾害作斗争，但黄河“屡治屡决”的局面始终没有得到根本改变，沿黄百姓对黄河安澜的夙愿一直难以实现。
水少沙多、水沙关系不协调是黄河复杂难治的症结所在，也是洪水泛滥、河流频繁改道的根源。人民治黄以来，通过长期探索和实践，逐步形成了“拦、调、排、放、挖”综合治理和利用泥沙的模式，水沙治理取得显著成效。党的十八大以来，习近平总书记站在中华民族永续发展的战略高度，提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路。2019年9月18日，习近平总书记在郑州主持召开黄河流域生态保护和高质量发展座谈会，提出“治理黄河，重在保护，要在治理。要坚持山水林田湖草综合治理、系统治理、源头治理，统筹推进各项工作，加强协同配合，推动黄河流域高质量发展”，发出“让黄河成为造福人民的幸福河”伟大号召。黄河流域泥沙治理进入系统治理新阶段，黄河流域泥沙系统治理与工程控制得到长足发展。
1、黄河泥沙特性及治理历史
黄河泥沙变化特性
历史上黄河就是一条多泥沙河流。泥沙主要来自于世界上水土流失最严重、我国生态环境最脆弱的黄土高原地区。黄土高原总面积64.06万km2，根据1990年公布的全国土壤侵蚀遥感普查资料，黄土高原水土流失面积高达45.4万km2，约占黄河流域水土流失总面积的98%，其中侵蚀模数大于15000t/（km2·a）的剧烈侵蚀区面积高达3.67万km2，约占全国同类面积的89%。研究人员通过不同方法，综合分析提出人类活动较小时期，黄土高原自然侵蚀背景值在6亿～11亿t/a。
受气候变化、水土流失治理等因素影响，近年黄河实测水沙量明显减少。1919—1959年潼关站实测多年平均年径流量426.14亿m3、年输沙量16亿t，平均含沙量达37.5kg/m3，可代表黄河天然来沙量。1919—2020年潼关站实测多年平均年径流量364.3亿m3、年输沙量11.1亿t，平均含沙量30.5kg/m3；2000—2020年潼关站多年平均年径流量258.1亿m3、年输沙量2.4亿t，较1919—1959年分别减少39.4%和85.0%，较2000年以前分别减少34.1%和82.1%。同时，有利于输沙的大流量过程明显减少，潼关站汛期日均流量大于2000m3/s年均出现天数由1986年以前的57.7天减少至2000—2021年的20.9天，相应水量由年均163.2亿m3减少至48.9亿m3。虽然实测水沙量大幅度减少，但是黄河水沙关系仍不协调，黄河泥沙治理问题依然突出。
黄河泥沙带来的灾害和问题
黄河来沙量之多、含沙量之高，在世界大江大河中绝无仅有。中游黄土高原的大量泥沙进入下游河道，导致下游河床长期以0.05~0.10m/a的平均速度抬升，形成了举世闻名的“千里悬河”，高悬于两岸黄淮海平原之上。近几十年来，由于人类活动加剧等因素，黄河下游河道主槽持续萎缩，行洪能力明显下降，更是形成“槽高、滩低、堤根洼”的“二级悬河”。尽管2002年黄河调水调沙实施以来，黄河下游河道主河槽平均下切3.1m，主槽过流能力恢复至5000m3/s，防洪能力得到显著改善，但“悬河”与“二级悬河”叠加的严峻形势依然存在。目前黄河下游河床平均高出背河地面4～6m，“二级悬河”与滩地平均高差2～3m，两岸依靠堤防约束洪水泥沙。
▲黄河下游河道与滩区示意图
历史上黄河堤防多次决口改道，决溢范围北抵海河，南达江淮，纵横25万km2，造成严重的社会、经济、生态灾难。在当前“二级悬河”背景下，洪水一旦上滩极易形成“横河”“斜河”，增加顶冲堤防、顺堤行洪风险，严重威胁滩区近百万群众生命财产安全，制约沿岸经济社会发展。
黄河下游洪水灾害历来为世人所瞩目，被称为中华民族之忧患。随着经济社会发展，社会财富日益增长，基础设施不断增加，黄河一旦决口，势必造成巨大灾难，打乱经济社会发展的战略部署。为了满足经济可持续发展和社会稳定等要求，科学系统治理黄河流域泥沙，尽量遏制下游河道淤积抬高，确保堤防不决口，保障黄河下游防洪安全，仍是未来黄河保护治理的第一要务。
黄河泥沙治理方式演变及成效
黄河治理历来是兴国安邦的大事。黄河水患由于泥沙量巨大而复杂难治。历史上对黄河水患的治理从治水开始，而后逐渐发展到水沙共治。黄河治水最早可以追溯至上古时期，共工用“壅防百川，堕高堙庳”的治水方法抵御洪水，而后逐步形成了“分流杀势”“宽河行洪”“蓄洪减水”“人工改道”等治水方略。第一次把治沙提到黄河治理方略高度的是明代著名治河专家潘季驯，他在长期治河实践中不断研究探索，逐步凝练出“筑堤束水，以水攻沙”的治河方略，其核心在强调治沙，实现了治黄方略从分水到束水、从单纯治水到注重治沙的转变，从此改变了历来治黄实践中只重治水、不重治沙的片面倾向。此后，从单一缕堤束水，到遥堤、缕堤配合使用，再到蓄清刷黄、淤滩固堤，“束水攻沙”治河方略不断丰富发展，为处理黄河泥沙、治理黄河下游河道开辟了新途径。但受限于当时的技术水平，泥沙问题始终难以根治。
到了近代，李仪祉第一次提出了黄河上、中、下游全面进行治理的治河方略。他认为，若只着眼下游，来自上中游的洪水不减，沙患不除，则黄河恐终无治理之日。黄河之所以为害，不仅在于洪水，更在于泥沙。而沙是从山谷中来的，所以要在山谷中设置谷坊，平缓水势以拦减泥沙。李仪祉的治河方略，成为黄河治理由数千年来只注重下游到向上中下游并重转变的里程碑。人民治黄以来，治黄工作者通过长期实践逐步形成了“上拦下排、两岸分滞控制洪水，拦、排、放、调、挖处理和利用泥沙”的全流域综合治理方略，确保了黄河七十余年岁岁安澜。
2、新形势下黄河泥沙系统治理进展
黄河泥沙工程控制理论研究
黄河泥沙治理可以视为一个系统工程，涉及防洪减淤、水资源利用、航运、生态等各方面，并可将整个涉及泥沙的系统视为分级受控的工程系统。因此，张金良等将系统论和控制论拓展到泥沙治理领域，创立了黄河泥沙工程控制理论。
黄河泥沙工程控制理论是以黄河百年尺度稳定行河为总体目标，将黄河泥沙工程控制系统划分为入黄、水库、河道和河口四级泥沙控制子系统，建立了泥沙工程控制总体目标函数和分级目标函数，并解析出总体目标与分级控制目标函数间的隶属度；通过识别泥沙控制系统的状态变量和控制变量，分别构建以流域产沙、水库调沙、河道输沙、河口容沙等为代表的系统运行状态模型，以及以水沙关系协调度、径流/泥沙调控度等为代表的系统控制模型，实现对泥沙产输全过程的数值模拟以及泥沙工程调控效果的定量评价。同时，将热力学熵、信息熵、耗散结构与水力学及河流动力学等理论相结合，建立泥沙工程控制系统评价模型-泥沙工程调控指数（SRI），并揭示出各级控制间泥沙信息“控制—传递—影响—反馈—再控制”作用机制，形成了黄河泥沙治理的控制链和控制网。
此外，基于趋衡响应原理等，辨识出稳定坝控面积、水库径流/泥沙调控度、滩槽形态、河道三角洲顶点水位是泥沙系统的主控要素，从而提出构建黄土高原长效稳定坝系、水库群“蓄清调浑”运用方式、下游三滩分区生态治理、河口主备流路行河的总体控制策略，并明晰出各类控制措施处理泥沙的协同关系、潜力和布局，实现了黄河泥沙工程的总体控制和最优控制。黄河泥沙工程控制理论贯穿黄河泥沙工程控制系统的分析、设计和运行全过程，可以充分发挥已建工程整体合力，指导后续黄河泥沙治理工程布局及建设，为流域泥沙系统治理提供了坚实的理论支撑。
黄河泥沙治理相关规划编制
从流域视角，统筹考虑行洪输沙、生态环境、社会经济等各方面综合需求，对泥沙系统治理进行顶层规划设计是开展黄河流域泥沙治理工作的前提。党的十八大以来，特别是2019年9月18日黄河流域生态保护和高质量发展座谈会召开后，国家针对黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施需求出台或修编了一系列规划，为今后一定时期内黄河泥沙治理工作明确了方向。其中，2021年批复的黄河流域生态保护和高质量发展水安全保障相关规划，以系统治理为指导思想，提出要构建“一核两策”的水灾害综合防治格局，即以调控水沙为核心，坚持“上拦下排、两岸分滞”调控洪水和“拦、调、排、放、挖”综合处理泥沙两大策略。近期正在开展的黄河流域防洪规划修编，遵循《“十四五”水安全保障规划》的要求，提出要在客观判断水土保持减沙效果及其可持续性的基础上，兼顾规划期和长治久安两个时间尺度，综合处理入河泥沙，包括淤地坝和水库拦截、水沙关系调节、畅通输沙通道、沉沙空间合理利用等。近期开展的黄河河口综合治理规划编制，同样坚持系统治理理念，提出合理安排备用入海流路、充分挖掘河口容沙潜力、尽可能延长行河年限及减少对下游的反馈影响，是保障黄河长治久安的关键。
黄河泥沙系统治理技术攻关
以系统治理理念为引领，以黄河泥沙工程控制理论为基础，针对黄河流域泥沙治理存在的问题开展技术攻关，提出了黄河流域入黄、水库、河道、河口四级泥沙协同控制模式及治理措施，为黄河泥沙系统治理奠定坚实的技术支撑。
入黄泥沙控制
林草、梯田、淤地坝是黄土高原水土保持的主要措施。其中，淤地坝是拦减入黄泥沙的最后一道“防线”。黄土高原现存淤地坝5.72万座，它们在淤地造田、改善生态等方面发挥了重要作用。然而，绝大部分淤地坝为均质土坝，抵御洪水能力低，易发生漫顶溃决，进而诱发坝系连溃，引发两大问题：一是拦沙防线失守，治理成效锐减；二是溃坝洪水梯级叠加，“头顶库”防洪风险大。张金良等针对现行淤地坝漫顶易溃诱发坝系连溃关键难题，发明了坝面抗冲刷无机黄土固化剂和防溃决坝工结构，用于建设防溃决多拦沙新型淤地坝；建立了坝系“滞洪—拦沙—泄流”协同控制技术；提出了长效稳定淤地坝系的布局规则。新型坝工结构较传统土坝拦沙能力提高30%～40%，单方成本降低25%～35%。坝面可抵御流速15m/s含沙水流冲刷，实现洪-沙协同控制，构筑稳定淤地坝系以长效拦减入黄泥沙。防溃决多拦沙新型淤地坝已在陕西、甘肃、内蒙古多地开展试点工作，并取得了良好示范效果。
▲坝面抗冲刷无机黄土固化剂及防溃决坝工结构示意图
此外，针对黄土高原水土流失、生态脆弱、民生发展滞后等突出问题，张金良提出黄土高原“小流域+”综合治理新模式，以新型淤地坝为统领，构建沟底、沟坡、沟缘、坡（塬）面立体化水土流失综合治理体系，结合乡村振兴和美丽乡村建设，在人口相对聚集的区域强化农业面源和农村生活污染防治，开展农村人居环境整治，发展生态农业，实现山上有林果、坡上有梯田、沟底有坝系、坝上有水田、村村有产业，可推动今后一段时间黄土高原生态建设和农业持续发展，实现黄土高原“系统治理、综合治理”。
水库泥沙控制
泥沙处理是黄河流域水库建设、运行过程中的一个关键问题。三门峡水库设计之初采用“蓄水拦沙”运用方式，即以库容换时间，水库淤满即丧失设计寿命。三门峡水库蓄水运用初期泥沙淤积严重，造成库容大量淤损，并造成潼关高程急剧抬高，威胁关中平原乃至西安市防洪安全。随后，三门峡水库通过改建及不断实践，先后发展出“滞洪排沙”和“蓄清排浑”运用方式。其中，“蓄清排浑”运用方式在小浪底水库设计、运行中得到成功应用，该运用方式能够长期保持多沙河流水库的有效库容，但水库汛期综合效益无法充分发挥，同时也难以保持超高、特高含沙量河流水库的有效库容。
张金良等结合三门峡水库和小浪底水库运用实践经验，提出多沙河流水库通过调水调沙长期保持有效库容的同时，还要尽可能调节出库水沙搭配关系，有利于下游河道减淤。在“蓄清排浑”的“拦”“排”处理泥沙基础上，全面发展调水调沙理念，构建水库群人工塑造异重流排沙、水库群联合调水调沙调度、多沙河流滩槽同步塑造、拦沙库容再生与多元化利用、库容分布与库容再生、水沙分置开发等技术，逐步形成了以尽可能长期提高下游水沙关系协调度为核心的“蓄清调浑”设计运用技术体系。“蓄清调浑”设计运用方式可实现拦沙库容再生并循环利用，有效延长水库拦沙年限，充分发挥水库综合利用效益。黄河古贤和泾河东庄是黄河水沙调控体系骨干水库，长期以来因为泥沙问题迟迟未能上马。“蓄清调浑”设计运用方式成功突破制约古贤、东庄等国家重大水利工程上马的关键技术瓶颈，有效促进东庄水利枢纽工程建设落地，加快了古贤水利枢纽工程前期工作进程，对提升黄河流域水沙调控能力和洪水风险防御能力具有重要意义。
▲黄河流域重大水利工程布局示意图
河道泥沙控制
当前，黄河下游河道“槽高、滩低、堤根洼”的“二级悬河”不利河道形态仍未消除，加上下游游荡性河势尚未完全控制，大堤冲决风险大。同时，滩区仍有百万群众居住，防洪保安与滩区行洪、滞洪、沉沙之间矛盾突出。因此，黄河下游河道治理不但受系统外社会、环境约束，还受系统内滩槽关系的强力约束。张金良等以系统治理理论为基础，统筹考虑黄河下游河道滩槽关系，因滩施策，提出了“洪水分级设防、泥沙分区落淤、三滩分区治理”多沙宽滩河道生态治理新策略。
该策略采用生态疏浚稳槽、泥沙淤筑塑滩的方法，形成主槽、嫩滩、二滩、高滩的空间格局。同时坚持生态、生产、生活融合，统筹黄河长治久安、防洪保安与经济发展、沿黄生态空间建设等多目标需求，构建“主槽水沙畅通、嫩滩生境成廊、二滩生态集成、高滩建镇安居”的空间治理新格局。采用“水沙联合调控、洪水主动防御、产业优化布局、滩区生态开发、泥沙资源利用、多维安全保障”的滩区生态治理技术体系，建设“三滩分治”复合生态廊道。多沙宽滩河道生态治理已在河南郑州、开封、新乡、长垣等地开展试点工作，突破制约黄河下游长期安全稳定行河的技术瓶颈，有效协调黄河下游滩区内生态、生产、生活关系，推动滩区生态修复和高质量发展。
▲多沙宽滩河道生态治理示意图
河口泥沙控制
黄河河口淤积延伸及尾闾河道不通畅，将对黄河下游河道产生溯源淤积反馈影响，改变下游河道河势稳定性，其中河道长度是反馈影响的关键因素。因此，统筹黄河长治久安及地方经济社会发展需求，黄河河口泥沙治理需要合理布局黄河入海流路，加强黄河入海流路空间管控，为黄河长治久安留有足够的输水输沙通道和容沙空间。同时，要有计划地运用入海流路，提高容沙空间利用效率。因此，针对当前黄河河口治理需求提出河口主备流路行河方案，即现阶段仍以清水沟流路运用为主；在保证黄河下游防洪安全的前提下，可根据生态保护、油田开发、经济发展等需求适时运用清水沟流路北汊、清8汊和原河道三条汊河，以充分利用清水沟海域容沙潜力，进一步延长行河年限。同时，考虑将刁口河作为优先启用的备用入海流路，在不影响清水沟流路行河的前提下，根据自然保护区生态补水需求、黄河水资源条件和进入河口地区的水沙条件，相机向刁口河生态补水，以优化河口地区水沙时空配置，促进三角洲生态保护修复。此外，将马新河和十八户作为远景备用入海流路。
▲黄河口主备流路行河布置示意图
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展望及建议
将黄河泥沙工程控制理论融入数字孪生黄河建设，为流域泥沙管理提供决策依据
数字孪生黄河为黄河水沙治理与流域综合管理提供了高效工具。其中，数字孪生平台是数字孪生黄河建设的核心与底座，其由数据底板、模型平台和知识平台组成，但是缺乏智慧决策评估指标。黄河泥沙工程控制理论作为一种管理理论，不仅构建了长时间尺度下黄河治理的水沙控制框架，而且其构建的水沙关系协调度、泥沙工程调控指数等控制和评价模型可系统评估黄河流域泥沙工程控制成效，为数字孪生黄河智慧决策体系建设提供有力支撑。
加大防溃决多拦沙新型淤地坝推广力度，筑牢黄土高原拦沙防线
截至2022年，黄土高原地区水土流失面积仍有22.78万km2。该区水土流失治理格局空间不均衡、不匹配，部分地区植被覆盖度已超过地区水资源承载力，且已建淤地坝淤满数量较多（约占淤地坝总数的70%），拦减入黄泥沙效率降低。同时，近年气候变化影响下区域极端暴雨增多，使得现行老旧淤地坝遭遇超标准洪水而引发溃坝的风险增大。因此，应以山西、陕西、甘肃、内蒙古等地为重点，在沟壑发育活跃、重力侵蚀严重、水土流失剧烈的黄土丘陵沟壑区，以黄河支流为骨架，以小流域为单元，大力推广防溃决多拦沙新型淤地坝建设及老旧淤地坝改造，提升防御“黑天鹅”降雨引发的超标准洪水能力，筑牢黄土高原拦沙防线。
加快推进黑山峡等骨干水库前期工作进程，进一步提高黄河水沙调控能力
黑山峡河段开发治理工程是黄河水沙调控体系的七大骨干工程之一，具有协调水沙关系、防洪防凌、全河水资源合理配置等重要功能，可对龙羊峡、刘家峡水库下泄的水量进行反调节，改善内蒙古河段的水沙条件，遏制宁蒙河段新悬河发育，并调控凌汛期流量，保障内蒙古河段防凌防洪安全，同时可为中游骨干水库调水调沙和有效库容恢复提供水流动力条件，实现黄河上中下游有效联动。黑山峡水利枢纽工程经过50年论证，前期工作已取得一定基础，建议国家加大协调力度，加快前期工作进程，进一步提高全河水沙调控能力。
加快推进南水北调西线工程前期工作进程，缓解水沙关系不协调矛盾
除上述工程体系建设外，黄河泥沙治理的另一个关键问题是解决黄河“水少”的问题，即实施“增水”措施。“增水”即在进一步强化流域水资源节约集约利用前提下，实施南水北调西线等跨流域调水工程，增加黄河流域水资源量。南水北调西线工程作为国家水网“四横三纵”的主骨架和大动脉，其建设对于解决黄河上中游地区水资源短缺和发展制约问题意义重大，可有力推动黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略实施。此外，西线工程调水在基本保障经济社会发展和生态环境用水、河流生态系统良性循环的同时，可以使黄河中下游的输沙用水得到基本保证，为泥沙输送入海提供充足水流动力条件，有效缓解水沙关系不协调的矛盾。因此，建议加快南水北调西线工程前期工作进程，推动工程早日开工建设。
