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黄河下游河道治理中的地貌学问题和假说 精选

已有 4691 次阅读 2022-2-18 11:17 |个人分类:黄河|系统分类:科研笔记

本文是我2022年2月18日在“中科院地貌讲堂”上所做报告的文字版,比口头报告增加一些文字。全文较长,为方便阅读,开头增加“摘要”。摘要内容同口头报告结尾的小结。


摘要:黄河下游河道是研究冲积河流跨尺度过程的“模式河道”。几十年来,治黄工程学家追踪研究畸形河弯和二级悬河演变,为黄河下游河道跨尺度过程研究积累了大量观测资料,贡献了许多真知灼见。河流地貌学研究以复杂响应过程为中心,关注灾变;在全球变化和人类活动加剧的形势下,河流地貌学应和河流动力学一样,在黄河下游河道治理研究中居核心地位。为满足治黄需求,需要抓紧攻克的地貌学问题有:(1)黄河下游游荡性河道河弯失稳的过程与机制;(2)黄河下游耐冲黏土层的成因、展布及其和黄河决口的联系;(3)东汉河道、明清河道和现今河道的沉积体系及其沉积动力学对比研究。冲积河道系统的跨尺度过程牵动了“营力-水沙运动-沉积-地貌”全链条,需加大河流沉积动力学、古水力学、生物地貌学的研究力度,开展现代过程和历史演化相结合的河流地貌学研究。另外,我提出两个普适性的假说。假说1:冲积河道响应水沙变化的速率和规模,进行螺旋往复式的跨尺度自适应调整。假说2:水沙剧烈波动或其他原因造成的河漫滩二元结构破碎化,是冲积河流上畸形河弯形成的主要原因。



正文:

非常感谢陈东主任邀请我来“中科院地貌讲堂”做学术交流。陈主任半年前就邀请我了,我想讲《黄河下游河道治理中的地貌学问题和假说》,因为我在黄河水利科学研究院全职工作过一年,了解一点治黄需求。虽然我研究了13年黄河,但离成为黄河研究的资深专家还远。从治黄需求中发现和凝炼出一些有价值的科学问题,对我来说不是一件容易的事情。

 

在准备报告的过程中,我了解到我国河流地貌学的现代过程研究就是从中科院地理所地貌室发展起来的,你们的科研成果为我国大江大河治理提供了重要的科学依据。地貌室老主任沈玉昌先生谈地貌学科发展时,有两个坚信,一是“任务带学科”,二是要搞好协作,大协作才能干成大事。五六十年代和八九十年代,地貌学界和黄委会合作开展科研有两次高潮,都是由中科院地理所牵头的。我在这儿谈治黄中的地貌学问题,需要好好准备一下。我花了很多时间思考讲什么,怎么讲,完善汇报内容。所以一直拖到今天,才来和大家汇报一下自己思考的结果。

 

我今天汇报的内容包括三部分。第一部分是引子,讲在全球变化和人类活动加剧的形势下,河流地貌学应在黄河下游河道治理研究中居核心地位。第二部分交流我从治黄需求中凝炼出来的科学问题,分享两个假说。第三部分讲一下咱们大家如何一起行动起来,实现“任务带学科”。最后是一个小结。

 

早在60 年代,沈玉昌先生和钱宁先生就大力倡导地貌学和河流动力学两大学科互相融合,开创河流学科新方向。河道治理既需要河流动力学,也需要河流地貌学。举个例子,河流动力学家发现,当曲流自由发展时,河弯流路方向角沿程变化曲线和正弦派生曲线接近。所以,工程师们试图利用整治工程,把黄河下游主槽的位置按以上规律固定下来。但是,真实河流是一个开放系统,更是地球表层系统的一个子系统,受各种因素影响,流路会偏离理想曲线(图1)[1]。河流地貌学就专门研究流路为什么会偏离河流动力学家发现的理想曲线。所以,要设计出稳健的河道整治工程,离不开河流地貌学。

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图1真实河流的河弯流路总会偏离河流动力学家发现的理想曲线

 

但是,大部分时候,河流地貌学徘徊在治黄应用研究的外围。原因是河道治理属于工程学,工程学研究河道系统时,广泛使用冻结参数法,将气候、植被、地质活动、海平面变化等随时间变化较慢的参数都“冻结”为常数,也不考虑河床边界的复杂细节。但冻结参数法只对参数变化缓慢、均一的系统才有效。为了使工程设计时有条件采用冻结参数法,工程选址回避那些变化剧烈、形势复杂的地点。在水库选址这个环节,地貌学家可以大显身手。水库建好后,洪灾减少,似乎不需要河流地貌学家了。

 

治黄没这么简单。现行河道整治工程适应的是1970到90年代黄河下游的水沙情况和边界条件。2000年后,小浪底水库运行,黄土高原水土保持见成效,黄河下游的水沙条件发生很大变化,现行河道整治工程的适应性不足,控导能力下降。游荡性河道的主流时常偏离规划的路线,出现治黄上所说的畸形河弯。九堡到黑岗口,也就是中牟到开封之间的主流线最乱,和治导线大角度斜交(图2)[2]。畸形河弯会造成主流顶冲堤防,加大决口风险。

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图2 2000-2015年黄河下游游荡性河道的主流线变化图

 

治黄专家们总结了畸形河弯形成的三个主要原因。第一个原因是水沙短时间内大幅度变化,河槽冲淤变化剧烈,形成横比降,导致横河、斜河等畸形河弯。第二个原因是小浪底水库应用后,下游流量变小,河弯曲率随之减小,弯道扭曲程度加大。这两个原因背后的过程机制研究透了,可以通过完善水沙调控和河道整治工程解决。比较头疼的是第三种原因:河床冲刷过程中,在河床边界上遇到了耐冲黏土层(在河岸出露的称为胶泥嘴)。胡一三、江恩慧等资深治黄专家认为由河底的耐冲黏土层引发的畸形河弯问题,无法通过河道整治工程来改善,“必须通过工程勘察,探明不同抗冲性河床质的分布情况,然后治导线进行有计划的开挖、疏通”[2]。

 

2003年,小浪底水库运行三年,河底高程降低,河床强烈冲刷,一些耐冲黏土层出露。当年6月份,在兰考蔡集工程上游1000多米处,主流遇到耐冲黏土层坐弯,形成畸形河势。这幅图是黄科院河道治理专家齐璞博客上的,我根据他的文字描述,再补充了一些元素,可能标得不够准确(图3)[3]。本来,由于有这三个控导工程,主流要走这条蓝线。主流可能在黄色标志这里位置遇到了耐冲黏土层,发生急转弯(工程上称坐弯),走红线,形成畸形河弯。那一年秋汛丰水,花园口下泄流量2600立方米/秒左右,持续了80多天。在这个流量长时间作用下,蔡集工程上首的主流,也就是黄色胶泥层上游那段红线不断向南岸冲刷滚动(因为边溜区河床质抗冲性比主流区河床质差),9月18日冲垮生产堤,生产堤决口。由于这个河段是二级悬河,河道的横比降是纵比降的3.5倍,所以尽管黄河流量只有平滩流量的一半多,决口口门宽度却达到110米,决口分流比超过30%。洪水进入生产堤和大堤之间的滩区,8.2万人被洪水围困,26公里长的大堤偎水,偎堤水深平均3米,水面宽度1-8公里。更险的是,决口期间还遇到8级阵风的天气,大堤堤坡发生风浪淘刷险情121次,个别堤岸出现管涌群,大堤非常危急。最后是调动5500名官兵群众,40天后堵口成功的。

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图3 2003年兰考蔡集生产堤决口期间的河势图

 

所以,探明耐冲黏土层分布很重要,也比较急迫。我知道黄科院江恩慧院长安排了一个课题组专门研究耐冲黏土层。从基础研究的角度看,耐冲黏土层在冲积河道中普遍存在。这个治黄需求里包含了一个重要的河流地貌学问题,即水沙运动-沉积-地貌的跨尺度过程,如何影响耐冲黏土层的形成、展布、解体和埋藏,后者又如何影响河流突变。

 

黄河下游河道治理中,除了畸形河弯需要地貌学家主导研究,工程项目如何应对全球变化带来的不确定性,如何抵御人类活动加剧触发的灾变,提高稳健性,也需要地貌学家主导研究。具体而言,未来百年黄河输沙量如何变化?高含沙水流发生的可能性如何?黄河下游的极限洪水到底有多大?各个蓄洪分洪区的运用几率如何?河道治理方略要不要调整?如何调整?如何增强河弯的稳定性?如何降低二级悬河?现有河道能维持多久?假如人工改道,如何选择流路?如何塑造新流路?这些关于治黄应用研究课题,都需要以地貌学为核心展开。

 

这些课题大部分不是我自己想出来的,是很多专家在2004年(也就是蔡集生产堤决口的第二年)黄委会开的两次高层专家论坛上提出的。有几十位专家的发言被收录在《黄河下游河道治理方略专家论坛》这本书里,我看了一下,里面一位地貌学家都没有[4]。于是我问自己:为什么2000年后,中国河流地貌学的科研与治黄应用渐行渐远?

 

我认为渐行渐远的原因主要有两个。一是治黄的现实约束越来越大,治黄研究进入“深水区”,容易解决的问题都已经解决掉了,剩下的都是难题,需要打“攻坚战”,而目前的科研评价体系不利于打“攻坚战”。二是河流地貌学的定量研究滞后治黄需求。地貌学应用于选址和区划,定性研究差不多够用了,但是不知道地貌响应过程中的定量关系,就无法设计控制系统。

 

其实,我们地貌学者积极主动地投入治黄应用研究,有很多好处。治黄需求中包含很多重要的科学问题;治黄研究成果包含了很有前景的地貌学假说(治黄专家们总结的畸形河弯三种成因就是三个很有价值的假说),帮助我们开启有前景的研究方向。就算不做治黄应用研究,也可以在这个方向上自由探索,有所发现。假如我们和黄委会深入合作,不但能够实现数据自由,还有在原型黄河上做控制实验的便利。

 

在谈具体的科学问题前,我先提一个关于冲积河道系统演化的假说。这是一个初步的、粗糙的假说,有待验证和改进。我认为冲积河道是一个多尺度嵌套的层级系统,其演化直接受水沙为主的物质流、能量流驱动,牵动了“营力-水沙运动-沉积-地貌”全链条。河道响应水沙变化,反复依次动用底形、河槽横断面、河弯流路、河床纵剖面(河床粗化或细化的时空尺度可能接近河床纵剖面的时空尺度)、河道横断面和河道路线等不同时空尺度上的自由度,通过同尺度上的渐进稳定和跨尺度过程,进行螺旋往复式的自适应调整,努力实现全河床处处冲淤平衡(图4)。

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4 一个冲积河道系统自适应调整的假说

 

当水沙即刻变化的速率超过某个尺度上自由度即刻调整的速率,发生跨尺度过程。假如在新尺度上,控制参量尚未跨越突变的阈值,发生跨尺度渐变。假如在新尺度上,控制参量已经跨越突变的阈值,触发跨尺度突变。某个时段里跨尺度过程最终动用的最大尺度,取决于该时段内水沙运动的规模。“螺旋反复”指每次形态调整后,不管是哪个尺度上的形态被调整了,下个时刻,都会回到最底层,从最底层开始继续(渐变时)或重新(突变后)跨尺度调整(图4)。假如反复调整中,某个尺度上自由度用光了或受到抑制,这个尺度将被跳过,直接跨到高等级的尺度。

 

冲积河流的这种自适应调整,有点类似人工系统非线性控制里的滑模变结构控制。滑模变结构控制中的“变结构”,指控制系统的结构根据系统当前的状态有目的地、不连续地变化,迫使系统按照预定的滑动模态的状态轨迹运动。“变结构”类似地貌上的“跨尺度过程”,而“滑模运动”类似“同尺度上的渐进稳定”(图5)。


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图5 滑模变结构控制状态轨迹变化示意图

 

滑模变结构控制有一个内在缺陷,就是抖振。抖振是指结构切换过程中,由于时间滞后、状态量变化存在“死区”、系统惯性等原因,本应该平滑的渐进稳定轨迹上叠加了一些锯齿形的轨迹(图5)。抖振会降低控制系统的抗扰动能力。抖振不能被消除,但可以被削弱;不稳定系统要尽力削弱抖振。因此,研究不同尺度上的抖振成因及其强度非常重要。

 

黄河下游河床的耐冲黏土层就属于状态量变化的“死区”,它引起畸形河弯,就类似控制系统发生抖振。畸形河弯引发蔡集生产堤决口那种“小水大灾”,就类似“抖振”降低了河道系统的抗扰动能力,引发了跨尺度突变。

 

应用以上自适应调整假说,有助于理解当前黄河下游河道的治理措施。要实现“堤防不决口”,就是要防止河道在自下而上,跨尺度响应水沙变化中,动用“河道路线”的自由度。在二级悬河上,由于河道横比降已经大大跨越了改道的内部阈值,属于极不稳定的系统,因此,要尽力削弱畸形河弯这种“抖振”。所以,在二级悬河上,河弯不得不严格遵循规划的治导线。

 

“河床不抬升”是在河床纵剖面这个尺度上实现冲淤平衡或下切。在冲积河道系统的层级结构里,我们人类可以自下而上,通过工程减少来沙,控制水沙变化的速率,塑造窄深河槽,裁弯取直等方法来实现“河床不抬升”;也可以自上而下,通过调控较高层级,比如加大堤距、决口分流、三角洲上的改道,来实现“河床不抬升”。

 

现在讲科学问题。应用研究以需求为中心,先谈治黄需求。近期的下游河道治理目标很明确,就是“堤防不决口,河床不抬升”。考虑到黄河下游滩区治理面临的现实困难,我觉得滩区再造与生态治理,应该是未来10-50年,也就是中期的目标。我认为只要愿意不断加大防洪投入,愿意承担一点洪灾风险,现在的下游河道维持两三百年应该不成问题。所以,工程界可以50年后再考虑黄河如何人工改道。下面我将按治黄需求的迫切程度,列出值得研究的河流地貌学问题。

 

“堤防不决口”需求里包含以下科学问题:

 

1. 古洪水研究。据著名水文学家王国安研究,世界大河的极限洪水几乎都发现在近600年里(19世纪最多)。他认为黄河1843年洪水,花园口流量33000立方米每秒已经接近上限,重现期为1000-2000年。王国安把1843年洪水加大大约20%,得到花园口的极限洪水为40000立方米每秒。他认为黄河下游防洪工程体系按花园口极限洪水为55000立方米每秒设计,这是一个不可能发生的流量。他因此认为北金堤滞洪区可以取消[4]。有没有可能从河流沉积物找到比40000立方米每秒更大的古洪水纪录?除了在河谷河段做古洪水调查,能否从黄淮海平原的黄河沉积物中提取古洪水的信息?比如,郑州地区有一个全新世古湖泊群,湖沼相沉积层埋深约4-12m,湖沼相沉积层和黄河冲积层交迭出现[5]。我们能否从中找到史前黄河泛滥的沉积记录?

 

2. 从河流地貌学和沉积动力学结合角度,研究决口(尤其是高含沙水流决口)的机制、过程与产物。调查文献记载为“冲决”“溃决”的决口遗址,考察决口部位及其上下游的沉积物:有没有畸形河弯,有没有耐冲黏土层,黏土层的位置、形态和展布特征如何,黏土层下方有没有沙层——这是管涌发生的沉积物基础。

 

现在畸形河弯集中在中牟到兰考这一段;我们知道这个河段是历史上大决口最多的河段。濮阳河段位于构造沉降带,沉积速率高,1128年以前多次大改道则发生在那个河段[6]。治黄专家认为遇到耐冲黏土层是形成畸形河弯,进而导致蔡集生产堤决口的原因。我们知道宋以后,黄土高原滥垦滥伐,黄河成为多沙河流,流量波动增大,决口频率跃升。我还读到Fielding和Allen等人写的一篇文章;文章的结论是冲积河流的流量波动越大,河漫滩的泥质沉积层被破坏的可能性越大,河漫滩二元结构越破碎[7]。综合以上所有信息,我提出第二个假说:“决口的地点和频率受以下正反馈过程控制:流量波动大或河道沉积速率大时,该河段容易决口。决口导致该河段河床边界沉积物不均一、黏土层破碎。于是,该河段畸形河弯增多,河弯稳定性变差,同时,由于黏土层有裂缝,堤防发生管涌的几率提高,因此该河段更加容易决口”。

 

SRTM 30m DEM数据清晰显示了明清黄河的决口扇,1855年黄河改道前的河弯流路也很清楚(图6-7),复旦大学的历史地理学家孙涛已经重建了清代不同时期黄河下游的河弯流路变化[8],我们应该有条件通过调查明清古河道,验证这个假说。我们也可以通过水槽实验中验证这个假说。实验时,放水一段时间,停止放水几天,让细颗粒脱水压实,再接着放水,应该可以模拟出固结的耐冲黏土层。

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图6-7 SRTM 30m DEM数据显示了明清黄河故道的决口扇和河弯流路

 

黄河的滩地和河底都有耐冲黏土层。黄河的耐冲黏土层,和一般少沙河流河漫滩上的黏土层,在成因、几何形态、大小、展布、内部结构、不均匀性等方面,有何区别?为什么?高含沙水流和决口事件在黏土层的形成、大小、展布、解体和埋藏中起有何作用?在冲积扇、决口扇的不同部位,黏土层的特征有何差异?

 

郑州到铜瓦厢这一段河道行水时间很长,下伏民国和明清老黄河的沉积物。老黄河的沉积物是什么特征?耐冲黏土层多不多?如何分布?未来南水北调向黄河补水、调水调沙继续冲刷下游河床,遇到耐冲黏土层导致畸形河弯的几率、大堤管涌的几率,会不会越来越大?调水调沙继续冲刷,二级悬河是降低一点了,但稳定河势的难度会不会越来越大,决口的风险反而更大了?总之,耐冲黏土层就像旧系统的幽灵。我们得搞清楚这个幽灵,才能提防它干扰新系统运行。

 

3. 河弯失稳的过程和机制。陈东主任是这个课题的专家,你们关于植被影响河弯失稳的最新研究成果,可应用于设计植被护岸工程。我认为两个科学问题值得研究,供你们参考。(1) 从跨尺度演化的角度,河弯如何响应水沙变化?对天然波动的水沙过程和经水库调节的水沙过程,河弯的响应有何不同?(2)河弯流路偏离正弦派生曲线,形成所谓的畸形河弯,在自然界很常见。能否对世界河流做元分析研究,看看水沙剧烈波动及其造成的河漫滩二元结构破碎化,是否畸形河弯形成的主要原因。

 

接着谈“河床不抬升”需求里包含的地貌学问题:

 

1. 关于黄土高原侵蚀产沙,黄河水科学研究联合基金2021年度项目指南里列出了很多水文学选题。这里,我提一个地貌学选题:研究全新世黄土高原侵蚀产沙,为预测未来黄河输沙量、布局淤地坝工程、估计中游水土保持的减蚀潜力等提供参考。主要科学问题包括:从什么时期开始,黄土高原频发高含沙水流?和地貌景观演化的内在趋势、气候变化、人类活动有什么关系?在无人类活动加速侵蚀的时期,黄土高原有没有发生高含沙水流?

 

2. 东汉河道、明清河道、现今河道的沉积体系及其沉积动力学过程对比研究。“河床不抬升”目标能否实现,取决于治河方略和具体的河道整治方案。黄河下游游荡性河道的排洪宽度、整治流量、整治河宽多大更合理,引洪放淤的可行性等问题还没有定论。研究真实河道在不同营力作用下、不同的水沙条件下、不同尺度上的响应过程与机制,有助于设计出适应性强的河道整治工程。据我所知,黄科院泥沙所的李勇所长对这个研究课题很感兴趣。前不久他们写了一个“十四五”重大研发计划的立项建议书,就建议研究黄河典型故道的淤积模式,及其对现状河道淤积发展趋势和调控对策的启示。

 

东汉河道和明清河道是历史时期行水最久的两条河道。东汉河道实施“宽堤分流”的治河方略,明清河道实施“束水攻沙”方略,现今河道实施“宽堤定槽”方略。这三条河道的输沙量变化显著,都有在遥感影像上可见的河道高地,是便于研究的代表性河道(图8-10)。

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图8 SRTM 30m DEM数据显示了东汉黄河、明清黄河和现今黄河的河道高地 

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图9 根据SRTM 30m DEM数据生成的徐州附近明清故道的三维图示

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图10 商丘黄河故堤

 

以下问题值得研究:

 

(1)东汉河道、明清河道和现今河道行水期间,黄河泥沙“从源到汇”的变化有何差异?需要更精确地估算沉积在河道中的泥沙量和通过决口分流排入泛滥盆地的泥沙量,根据下游河道内外不同年代沉积物的粒度和物源特征,考察黄河泥沙“从源到汇”变化的驱动力。如有可能,还要在黄河中游小流域和小北干流,寻找暴雨洪水、高含沙水流事件的沉积记录,和下游的事件沉积记录做对比,在洪水事件的尺度上建立起源汇联系。

 

(2)如何反演古河道的沉积动力学过程?可依据1949年以来的河势变化图,找到今黄河的废弃河道,比如这条十几年前自然裁弯后废弃的河道(图11-12),调查废弃河道的沉积特征,定量重建这些沉积特征和来水来沙、地貌演化之间的联系。再将今论古,研究东汉河道、明清河道的沉积体系,可以部分反演古河道的沉积动力学过程。

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图11-12 东明境内自然裁弯后废弃的黄河河道

 

(3)东汉河道、明清河道和现今河道的淤积模式有何差异?决口分流对这三条河道淤积速率的影响有何差异?为什么?研究这些问题,需要精细调查这些河道的沉积体系,区分河床砂体和堤内外滩地的沉积速率,研究不同的沉积速率如何沿程变化,如何随时代变化,分别受哪些过程控制。东汉河道为什么能维持接近一千年?除了中游来沙少、堤距大,和高含沙水流发生频率、粗泥沙比例、决口分流、泛滥平原水系格局、河床边界组成物质的均匀程度、河岸植被类型、流路上的地质构造运动、海平面变化、没有地形造成的卡口河段等有什么关系?这些因素的相对重要性如何?它们如何耦合起来共同作用?这些问题都值得研究。

 

未来10-50年的治理目标是下游滩区再造与生态治理。黄河下游现在堤距1-24公里,堤内滩区总面积达3154平方公里。黄河勘测规划设计有限公司的工程学家们认为可以靠机械,东挖西填,在大堤内淤筑出一条相对地下河,为滩区生态再造,创造一个稳定的地貌基础[9]。我认为“淤筑和维持相对地下河”这个目标的工程量过于庞大,很难实现。可行的做法是继续稳定主槽,塑造窄深主槽,尽可能降低二级悬河。

 

假如未来黄河的水土保持、水沙调控和下游河道整治工程不断优化升级,主槽稳定、河床不抬升的目标实现了,那时黄河下游防洪风险如何变化呢?

 

我们基于河道的自适应调整假说分析一下:河弯这个尺度被人类控制,失去了自由度。洪水来临时,虽然河势稳定,生产堤冲决的风险很小,但是假如主槽下切调整的速度不够快,生产堤漫决的风险加大。大范围漫滩会加大二级悬河程度,提高生产堤漫决的风险和分流比,威胁大堤安全。而小规模漫滩,只淤高近河的滩唇,有利于塑造窄深河槽,降低生产堤漫决的风险和分流比,而且小规模漫决很容易堵塞,还可能自愈。因此,小规模的漫滩和漫决不但不会酿成洪灾,还是滩区生态再造所必须水文地貌过程。所以,中期治理目标对应的地貌学问题是“漫滩、漫决的过程与机制是什么?漫滩、漫决规模的影响因子是什么?”需要以生物地貌学为主导研究这些问题。

 

我有一个想法:未来河床下切、主槽稳定后,我们能否利用调水调沙下泄的泥沙,重塑河床边界?将由老沉积物构成的、既耐冲又不均一的河床边界,用松散、均一的新床沙覆盖起来,让水流在这种响应很快、响应不确定性小的河槽里流动。(这么做也有利于保护控导工程——减少工程的根石走失。)同时,通过适度的滩槽水沙交换,泥沙分区落淤,塑造有利于主槽稳定的河漫滩二元相结构。也就是说,要塑造一个微弯曲的河型,而不仅仅是一条微弯曲的深泓线。

 

50年后我们需要开始研究黄河如何人工改道。历史上黄河改道,都始于决口,决口后黄河长期漫流泛滥。渐渐地,依托某条河流的河槽,水流汇聚,冲出更大的黄河河槽。然后,人们才沿河筑堤。堤距一开始不固定,太靠近河岸、不适应洪水的堤坝会被冲毁,人们在较远的地方再筑一道堤。慢慢地,大堤稳定下来,流路才固定下来。未来黄河改道,不可能任由河流泛滥,等待水流归槽,只能人工改道。为一条世界级大河实施七八百公里长的人工改道,将是河流工程史上开天辟地的超级大工程!

 

这个超级工程在规划阶段,要解决很多难题,包括新河道的流路如何选择?人工改道的施工程序如何?未来中游水库寿命到期,在中游水库不能发挥作用的情况下,如何设计出堤防不决口、河床不抬升的下游河道?新河道采取什么治河方略?河道整治工程如何设计?泛滥平原的防洪工程如何设计?为了解决这些工程上的难题,我们需要提早深入研究以下课题:

 

1. 详细调查黄淮海平原的沉积体系。这是新流路工程地质选线的基础,例如,新河道要回避下伏沉积物性质高度不均一的路线,要考虑地质构造的影响。由于未来中游水库寿命将到期,新河道可以附近的古河道砂体为调蓄空间,修建地下水库。

 

2. 研究黄淮海平原的沉积体系,重建整个全新世的黄河改道史、黄河下游不同河段的河型转化史、黄淮海平原水系变迁史,为确定治河方略、设计治河工程,提供参考。

 

3. 研究冲积河流改道的类型、机制、过程与产物,启发我们设计人工改道的施工方案。 我想了一个施工方案:首先要在海河流域找一条入海河流作为母河,在母河上筑大堤,安排好河道整治工程。然后把黄河水引过来,按照一定的流量过程放水,让水流在整治工程的约束下,自己冲出一个河槽。

 

最后讲一下咱们如何一起行动起来,实现“任务带学科”。

1. 加大河流沉积动力学、古水力学、生物地貌学的研究力度,开展现代过程和历史演化相结合的河流地貌学研究。

2把全新世黄河下游河道的水文地貌变迁、沉积体系及其沉积动力学研究,纳入国家重点研发计划项目申报指南。 

3. 开展黄河古河道的抢救性调查,发动黄河古河道及其自然遗迹和文化遗产的申遗工作,将代表性的古河道高地、决口遗迹、埋藏古河道保护起来。 

4. 建设一批满足实验地貌学研究需求的水槽系统,推进地貌演化的跨尺度建模与不确定性建模研究。 

5.加大跨学科研究力度,把黄河的河流地貌学研究打造成自然科学、社会科学和工程学知识大融通的典范。

 

以上是我思考的全部内容。最后总结一下:

 

黄河下游河道是研究冲积河流跨尺度过程的“模式河道”。几十年来,治黄工程学家追踪研究畸形河弯和二级悬河演变,为黄河下游河道跨尺度过程研究积累了大量观测资料,贡献了许多真知灼见。河流地貌学研究以复杂响应过程为中心,关注灾变;在全球变化和人类活动加剧的形势下,河流地貌学应和河流动力学一样,在黄河下游河道治理研究中居核心地位。

 

为满足治黄需求,需要抓紧攻克的地貌学问题有三个:(1)黄河下游游荡性河道河弯失稳的过程与机制;(2)耐冲黏土层的成因、展布及其和黄河决口的联系;(3)东汉河道、明清河道和现今河道的沉积体系及其沉积动力学对比研究。

 

冲积河道系统的跨尺度过程牵动了“营力-水沙运动-沉积-地貌”全链条,需加大河流沉积动力学、古水力学、生物地貌学的研究力度,开展现代过程和历史演化相结合的河流地貌学研究。

 

另外,我提出两个普适性的假说。假说1:冲积河道响应水沙变化的速率和规模,采取螺旋往复式的跨尺度自适应调整。假说2:水沙剧烈波动或其他原因造成的河漫滩二元结构破碎化,是冲积河流上畸形河弯形成的主要原因。

 

我的汇报好了,请各位专家批评指正!欢迎大家找我合作研究。

 

参考文献:

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