黃河下游花園口-高村河段泥沙時空分布及地貌演變

張金良，李 巖，白玉川，徐海玨，羅秋實，黃 哲

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州 450003；2.天津大學河流海岸工程泥沙研究所，天津 300072）

1 研究背景

流域內泥沙侵蝕、輸移與沉積是影響河槽、灘區以及三角洲地貌演變的主要地表過程［1］。20世紀以來全球范圍加快河流水庫的建設［2］，直接導致下游河道泥沙大幅度減少，尤其是世界性的大河，如非洲的尼羅河和奧蘭治河，亞洲的印度河、長江和黃河，美國的密西西比河，這些河流當前的輸沙量相比建壩前減少了一半以上［3-4］。由于水庫的攔沙作用，低含沙水流下泄刷深河槽，一定程度緩解了下游河道洪水發生幾率，保障行洪安全。然而，由于缺少泥沙資源供應，對下游河道形態和生態環境產生一定的影響［5-6］。隨著社會快速發展和城市化進程加快，人們逐漸認識到河流生態系統的重要性［7-9］。灘地作為河流系統重要組成部分，具有寶貴的社會與生態功能，不但起到滯洪、沉沙的作用，而且還是農業生產和野生動物的棲息地［10］。為了保護這些寶貴資源不受洪水淹沒，在主槽兩側修建許多防控工程，從而限制了洪水淹沒空間，導致泥沙淤積分布不均，河床形態更加復雜［11-12］。黃河下游河道是這類河流的典型代表，其河道形態多變且具有寬闊的灘地，于兩岸大堤內分布許多村落，居住189.52萬人的村民，因此又被稱為“灘區”［13］。

黃河由于“水少沙多、水沙關系不協調”的特性［14-15］造成下游河道長期淤積，導致河床形態不斷演變，形成舉世聞名的“地上懸河”。同時，河道內生產堤、控導工程等建筑物不斷加固與建設，造成主槽比灘地高，形成黃河下游特有的“二級懸河”［16-17］。近年來，眾多研究學者對黃河下游治理開展了大量的研究，在河槽沖淤與水沙搭配［18-21］、平灘流量［22-24］以及河道生態需水量［25-27］等方面取得豐碩的成果。然而，大部分的研究成果重心主要放在河槽區域，對兩側的灘地關注較少，尤其是2000年小浪底水庫運行之后，進入下游河道泥沙大幅度減少，在灘區地貌演變及治理方式等方面的研究尚不夠完善。目前，灘區主要存在以下問題：（1）灘區行洪、滯洪與沉沙功能與當地居民生活和財產之間的矛盾；（2）沿岸經濟快速發展與土地資源短缺之間的矛盾；（3）灘區土地無序開發、私人建設與綠色生態發展之間的矛盾［28］。

如何利用泥沙資源仍是治理黃河下游的關鍵，本文基于灘區治理這一思路，根據黃河下游花園口-高村河段斷面地形資料，采用地形空間插值與實測資料分析相結合方法，分析小浪底水庫運用之后黃河下游河道泥沙時空分布特征以及河道地形調整情況，評估泥沙減少對灘區治理的影響并提出灘區再造方案，以期為進一步完善下游河道泥沙資源的優化配置以及沿黃生態長廊建設體系提供參考。

2 研究區域

黃河是一條多泥沙河流，含沙量居世界之最，發源于青藏高原的巴顏喀拉山脈，呈“幾”字形，自西向東流經9 省，最后流入渤海，全長5464 km，流域面積79.5 萬km2（圖1（a））。黃河下游河道長約785.6 km，由河南省孟津縣進入平原，按平面形態從上到下可以分為游蕩型、過渡型以及彎曲型（圖1（b））。黃土高原嚴重的水土流失導致下游河道發生強烈的泥沙淤積［29］，根據觀測資料，1950—1999年黃河下游總沉積量約為55.2 億m3，其中約60%沉積在游蕩河段［24］。黃河下游泥沙淤積導致河槽不斷萎縮，過流能力急劇下降，局部河段淤積嚴重，出現二級懸河，給當地居民帶來大的洪水風險。

圖1 黃河流域及下游河道

選擇黃河下游花園口-高村河段作為研究區域，該河段屬于下游寬灘游蕩河段，其中花園口-夾河灘河段的主槽擺動較劇烈，河勢穩定性較差；夾河灘-高村河段主槽擺動強度比上游河段要小的多，河勢相對穩定。花園口-高村河段長約186.5 km，于兩岸大堤內分布寬闊的灘地，居住大量村民，形成大小不同的灘區，按照市（縣）區域界線把該河段灘地劃分為六大灘區，分別為原陽灘、鄭州灘、封丘灘、開封灘、蘭考東明灘以及長垣灘，分布情況如圖2所示。各大灘區和主槽區域面積統計詳見表1，主槽面積約為620 km2，占該河段總面積的36.32%，灘區面積約為1089 km2，占總面積的63.68%。

表1 黃河下游花園口-高村河段分區及面積（單位：km2）

圖2 研究河段的主槽與灘區劃分

3 資料收集與研究方法

3.1 資料收集本研究所需數據包括花園口和高村水文站1960—2017年水沙系列資料，2000—2005年花園口-高村河段各斷面泥沙中值粒徑，以及2000—2017年花園口-高村河段大斷面地形數據。本次主要探討下游河道泥沙時空分布特征及不同區域地形調整情況，其中地形測量數據以笛卡爾平面坐標的形式收集，采用北京54坐標系；另外，為得到相對于統一垂向基準面的河道地形，統一采用1985黃海高程系統。

3.2 研究方法估算某一河段泥沙沖淤變化的方法一般有輸沙率法和斷面法，近年來空間插值方法成為研究熱點，被逐漸用于計算不同地區沉積物沖淤變化，如長江感潮段泥沙收支平衡［30］、黃河三角洲水下地形沖淤變化［31-32］。同樣，河道水動力數值模擬需要對離散的水深測量數據進行空間插值，以獲得計算網格節點處的高程［33］。關于河道地形空間插值有多種方法，如反距離權重法、自然鄰域法、克里金法、樣條法等，不同的插值方法有各自的優勢，針對不同地形數據特性選擇合理的插值方法。

黃河下游游蕩型河段灘地寬闊，主槽形態變化大，根據實測大斷面數據分布特點，為了更精確對河道地形進行插值，本次把灘地和主槽分開處理。主槽地形插值過程中考慮河道地形的各向異性的性質，根據Merwade等［33］研究成果，空間各向異性插值的方法得到的結果明顯好于各向同性。采用Mike軟件中的Mesh Generator［34］對主槽和灘地進行網格處理并插值，其中主槽區域構建曲線網格，采用反距離加權插值法，而灘地采用非結構三角形網格，選擇自然鄰域方法進行插值。

4 來水來沙與泥沙粒徑變化

4.1 來水量和來沙量變化黃河流域近幾十年來受人類活動影響劇烈，如干支流水利工程建設、流域水資源開發利用以及水土保持措施的開展，進入下游河道的水沙條件發生顯著變化。通過統計花園口和高村兩處水文站1960—2017年輸沙量和輸水量（圖3）可知，1960—2017年之間水沙量呈遞減趨勢。

圖3 花園口、高村站年輸水量/年輸沙量（1960—2017年）

1960—1973年平均水量（花園口與高村水文站均值）約455.69 億m3/a，平均沙量為11.76 億t/a；1970年代大規模水土保持工作以及黃土高原地區大量淤地壩建設［35-36］，1974—1985年平均沙量減少到10.54億t/a，水量為422.28億m3/a。1980年代中期以后黃河來水減小，加之上游龍羊峽水庫投入運行（1986年10月），進入下游河道水沙量進一步減小，1986—1999年平均水量為257.86億m3/a，平均沙量降到6.18億t/a。2000年小浪底水庫進入初期攔沙運用時期，2000—2004年為水庫調水調沙試驗階段，之后每年進行調水調沙，保持長期低含沙水流下泄，有效的改善了河道，主槽過流能力逐漸增加，至2017年，河槽平灘流量由2002年汛前的1800 m3/s增大到4000 m3/s以上，此時下游河道年均水量維持在236.31億m3/a左右，而年均沙量僅1.03億t/a，較1986—1999年減少83%。

4.2 含沙濃度與泥沙粒徑變化圖4（a）為花園口和高村水文站（分別距小浪底129.67 km和303.1 km）在1960—2017年期間年均含沙濃度變化趨勢。1960—2000年平均含沙濃度約25.5 kg/m3，小浪底水庫建成投入運用后，經水庫攔沙調控等措施，2000—2017年平均含沙濃度銳減到4.31 kg/m3。其中高村站年均含沙濃度均大于花園口站，進入該河段泥沙量小于出口，說明該河段泥沙收支不平衡，河道處于沖刷狀態。

圖4（b）為黃河下游花園口-高村河段河床表層泥沙中值粒徑沿程變化趨勢，其中主槽區域粒徑沿程變化趨勢明顯大于灘地。主槽區域，花園口附近中值粒徑平均值為0.123 mm，高村附近為0.085 mm，下降0.038 mm；灘地區域，花園口為0.061 mm，高村附近為0.053 mm，僅下降0.008 mm。明渠河道水流中的泥沙粒徑分布是上細下粗，即上層水體細顆粒泥沙較多，粗顆粒泥沙多位于下層水體，當這種分布的挾沙水體進入具有灘槽復式河道后，受到灘槽高差的作用，進入灘地的泥沙主要是中上層水體中的泥沙，因而灘地上的粒徑相對較細，而留在主槽中的泥沙主要為中下層水體中的泥沙，粒徑相對較粗［37］。

圖4 黃河下游花園口-高村河段含沙濃度變化（1960—2017年）與泥沙中值粒徑分布（2000—2005年）

5 泥沙收支與地形調整

5.1 泥沙收支分析小浪底水庫運用之后，由于攔沙作用以及下游河道控導工程或生產堤的不斷建設與加固，黃河下游河道泥沙收支發生巨大變化。表2給出不同區域內于不同時期內的沉積與侵蝕體積，可以看出，黃河下游花園口-高村河段總趨勢是侵蝕的，且隨著時間的推移主槽區域持續沖刷，而灘區則是從沉積轉為侵蝕。

表2 黃河下游花園口-高村河段2000—2017年間沉積與侵蝕體積

2000—2005年：花園口-高村河段累計侵蝕2.237 億m3，其中主槽侵蝕3.005 億m3，而灘區沉積約0.768億m3，除了原陽灘其它各大灘區均表現為沉積模式。2005—2011年：各大灘區和主槽都處于侵蝕狀態，泥沙累計減少約3.638億m3，其中主槽3.062億m3，占總侵蝕的84.16%；而灘地泥沙減少0.576億m3，占總侵蝕的15.84%。2011—2017年：該河段侵蝕體積進一步增大，累計侵蝕5.498 億m3，其中主槽3.162億m3，占總侵蝕57.51%，灘地2.336億m3，占總侵蝕42.49%。

通過計算不同區域的泥沙侵蝕與沉積體積，乘以相應的干容重，可估算出各個區域的泥沙重量。根據圖4（b）可知，灘地區域平均中值粒徑約為0.05 mm，對應的干容重為1.121～1.249 t/m3，主槽河床平均中值粒徑約為0.1 mm，對應于干容重為1.233～1.410 t/m3［38］。本次研究灘地區域干容重取1.121 t/m3，主槽區域取1.233 t/m3，計算出不同區域泥沙沉積/侵蝕重量，如圖5所示。2000—2005年期間，主槽區域侵蝕3.705 億t，灘區泥沙沉積0.861 億t；2005—2011年期間，主槽持續沖刷，累計侵蝕3.775 億t，灘區從沉積轉為侵蝕，泥沙累計減少0.646 億t；2011—2017年期間河道內泥沙進一步減少，其中主槽侵蝕3.899億t，灘區泥沙減少2.619億t。綜上所述，2000—2017年期間花園口-高村河段的主槽一直處于侵蝕狀態，年均侵蝕速率維持在0.669億t/a，而灘區年均侵蝕速率為0.141億t/a。

圖5 花園口-高村河段不同區域泥沙沉積/侵蝕重量

5.2 河床形態調整分析河床形態可分為橫斷面、縱剖面和平面形態，橫斷面形態量化方法有槽寬、槽深、斷面面積、濕周及寬深比等，縱剖面主要體現在沿程河床比降的變化，而平面形態的量化方式有彎曲系數、曲率半徑、彎距、擺幅等［39］。本次我們主要從沿程縱向比降、深泓的平面擺動及橫斷面變化三個方面來探討河床形態調整規律。

5.2.1 河床沿程比降與深泓點擺動 河床縱向形態可以用河床比降來表示［40］，河床比降是一個河段的落差與水平距離的比值。1986—1999年黃河下游縱剖面調整以抬升為主，其中花園口-夾河灘主槽抬升約2.6 m，夾河灘-高村主槽約3.0 m［41］。小浪底水庫運行后，黃河下游河槽出現持續沖刷趨勢，圖6（a）采用河槽的平均河床高程點繪了2000、2005、2011 和2017年花園口-高村河段河床縱剖面，由圖可知2000—2017年的河床平均比降基本維持在0.18‰左右，2017年汛前河床高程平均比2000年汛前低約2.93 m。

黃河下游花園口-高村作為典型的游蕩型河段，河勢變化復雜，受上游水沙條件影響，主槽擺動幅度大，灘槽轉化加劇，給防洪帶來一定的壓力［42］。在1986—1999年間花園口-東壩頭平均擺幅2250 m，東壩頭-高村平均擺幅1000 m［43］。這里以2000年汛前深泓為基準，統計花園口-高村河段2000到2017年河槽深泓擺動，如圖6（b）所示（向左擺動為負值，向右擺動為正值）。不同年份河槽橫向擺動差別較大，其中花園口斷面深泓的平均擺動幅度可達1480 m，夾河灘為1300 m，而高村只有343 m。隨著向下游推進，河道平面擺動幅度呈減小趨勢。

圖6 花園口-高村河段

5.2.2 河槽斷面形態變化 水沙條件的變化不僅影響河道深泓的擺動，同時也對橫斷面形態有著重要作用。1986—1999年下游河道萎縮，游蕩河段嫩灘淤積嚴重，主槽寬度明顯減少，減少幅度在300～2000 m［44］。小浪底運行之后，長期低含沙水流下泄，不斷刷深河槽，河槽斷面形態調整劇烈，既有橫向展寬又有下切沖深，河槽主流遷徙無常。圖7為2011—2017年不同河段主槽斷面沖刷形式，有的河段以下切沖深為主，如來童寨、東壩頭和高村斷面，而有的河段則是以側沖展寬為主，如黃練集、韋城和楊小寨斷面。

圖7 不同河段主槽斷面沖刷形式

雖然主槽寬度和深度變化較大，但是由于生產堤的限制，洪水漫灘幾率降低，灘槽水沙交換困難，下游河道“二級懸河”的不利形態并沒有得到改善。圖8為荊隆宮斷面和楊小寨斷面套繪圖，其中荊隆宮斷面位于花園口-東壩頭河段，該河段二級懸河輕微發育。楊小寨斷面位于東壩頭-高村河段，該河段二級懸河發育較為嚴重。花園口-高村河段在2000—2017年間主槽和灘區寬度沿程變化如圖9所示。主槽寬度變化可分兩部分：（1）花園口-東壩頭河段的寬度變化較大，分布在400～2300 m范圍內；（2）東壩頭-高村河段的寬度集中在500～1000 m范圍內。灘區寬度變化可分為三部分：（1）花園口-韋城河段的寬度沿程逐漸增大，從5000 m逐漸增大至13 000 m左右；（2）韋城-東壩頭河段寬度相對穩定，沿程變化不大，處于6000～9000 m 范圍內；（3）東壩頭-高村河段寬度沿程逐漸減小，從15 000 m 降到4000 m左右。

圖8 黃河下游典型斷面形態

圖9 不同河段主槽與灘區的寬度變化

5.3 灘區地形變化及治理方案

5.3.1 灘區地形變化 黃河下游花園口-高村河段灘區所占面積遠大于主槽，通過計算不同區域的泥沙沉積與侵蝕速率（表3），可以了解到不同時期不同區域的地形調整強度，有助于完善灘區規劃治理方案。

從表3中可以看出，主槽的地形調整強度高于灘區，在2000—2005年各大灘區主要以沉積為主，年均沉積速率為0.017 m/a。2000年小浪底水庫進入初期攔沙運用時期，至2002年完全建成，2002—2004年進行調水調沙試驗［45］，灘區于該階段總趨勢仍表現為沉積模式。2005—2011年灘區由沉積模式轉為侵蝕模式，各大灘區均表現侵蝕，年均侵蝕速率為0.011 m/a；2011—2017年期間依然處于侵蝕狀態，且侵蝕程度進一步加大，年均侵蝕速率為0.041 m/a。而主槽區域在三個時段比較接近，年均侵蝕速率約0.085 m/a。

表3 黃河下游花園口-高村河段不同區域的沉積/侵蝕速率（單位：m/a）

小浪底運用之前，1965—1999年花園口-高村河段的灘區沉積速率在0.016～0.034 m/a 之間［16］，小浪底運用之后，2000—2017年灘區逐漸從沉積模式轉為侵蝕模式，侵蝕速率在0.005～0.025 m/a。造成灘區侵蝕的原因主要有以下幾點：（1）人為活動。當地農業生產，耕作粗放導致水土流失，土壤沙化嚴重等；區域經濟發展，實施采沙，挖塘（圖10）等土地開發利用；小浪底水庫調水調沙的實施以及河道內生產堤、控導工程的修建，有效地降低了中小洪水漫灘概率，灘區泥沙來源受限。（2）自然因素，如降雨侵蝕，黃河下游灘區新沉積物的底層較厚且時間較短，易受到降雨及徑流引起的土壤侵蝕導致地面標高下降，另外灘面雨水沖溝增加，堤根汛期積水受淹，植被遭受嚴重破壞。總的來說，相比小浪底建設之前，人類活動對灘區地貌演變明顯增強，造成灘地侵蝕加劇，土地資源變的愈發珍貴。

圖10 鄭州灘區地形變化

5.3.2 灘區治理方案 在小浪底水庫運用期間，調水調沙方案的實施有效控制黃河下游河床不抬高，增大主槽行洪輸沙能力，降低大洪水漫灘幾率，保障灘區生命財產安全，但是黃河下游“二級懸河”這一不利形態依然存在，與此同時灘區由于長時間缺少泥沙資源的補充，給灘區治理帶來不利影響。目前黃河下游灘區存在的問題主要有以下幾點：（1）灘區行洪、滯洪沉沙功能與灘區居民生命財產之間的矛盾；（2）沿黃經濟帶空間需求快速增大與土地資源供給嚴重不足之間的矛盾；（3）灘區土地無序開發、私搭亂建與灘區綠色開發、生態發展之間的矛盾。灘區存在矛盾均指向土地資源的利用，如何使用下游灘區土地資源是解決矛盾的根本，而解決這一問題的關鍵點在于黃河下游泥沙資源的配置。泥沙資源作為構建黃河下游生態灘區的基礎材料，如何優化配置黃河下游水沙資源從而實現河道治理與開發建設共贏成為當前急需解決的問題。

為適應新時期治水思路和生態文明建設新要求，解決黃河下游不利的“二級懸河”淤積形態、保障防洪安全、促進灘區經濟發展，在保持下游河道“寬河固堤”的格局下，優化下游泥沙資源配置，可以采用管道輸沙、挖河疏浚等手段對一些灘區進行改造，由黃河大堤向主槽依次改造為“高灘”、“二灘”“嫩灘”，對灘區進行功能區劃（圖11），其中嫩灘配合主槽共同承擔下游行洪輸沙任務。

圖11 黃河下游灘區治理斷面示意

由于黃河下游不同河段的形態差異，應根據當地河段具體情況采用不同的治理方式，如圖12所示。花園口-東壩頭河段，河道寬淺散亂，河勢游蕩性尚未得到完全控制，二級懸河發育并不明顯，但懸河問題尤為突出，堤根河、串溝、人工引水渠系較多。人員居住多在“老灘”，如原陽、封丘以及開封等大灘上，宜采用“高灘+現狀二灘+嫩灘”治理模式，布局新型社區或特色小鎮+休閑觀光農業+濕地公園等功能區劃。灘區治理重點以疏浚主河槽、完建控導工程、控制游蕩性河勢為重點，高灘臨堤淤筑建設解決群眾防洪保安問題，二灘主要以土地復墾、水系修整、農業集成為重要手段。

圖12 黃河下游不同河段灘區治理方式

東壩頭-高村河段，又稱作低灘區，洪水漫灘概率較高，游蕩性河勢尚未完全控制，二級懸河發育顯著、堤根河問題突出。該河段的治理應以疏浚主河槽控制游蕩性河勢為重點，開展主河槽和嫩灘的空間連塊成廊保護修復，二灘結合人工淤灘、土地復墾、高標準農田整治等綜合措施扭轉二級懸河的不利局面。可采用“高灘+二灘+嫩灘”或“二灘+嫩灘”治理模式，布局農業特色小鎮+休閑觀光農業+濕地公園等功能區劃。

黃河下游灘區再造方案能夠消除“二級懸河”不利形態，有利于下游防洪及河道輸沙，與黃河水沙調控體系和下游防洪工程共同作用，可實現黃河下游長治久安。通過改造黃河下游灘區，形成移民安置區、高效農業區以及資源開發利用區等不同功能區域，實現灘區“洪水分級設防，泥沙分區落淤，灘槽水沙自由交換”，灘區群眾的安全與發展問題得到解決，可推動灘區群眾快速脫貧致富，實現治河與惠民雙贏。同時，通過灘區治理，建設沿黃生態景觀，打造黃河沿岸生態經濟帶，可為沿黃城市提供生態空間，提升城市發展質量和競爭力，為區域經濟持續發展提供動力。

6 結論

小浪底水庫投入運行以及黃河下游灘區土地開發與經濟建設，花園口-高村河段在2000—2017年間累計侵蝕約11.373億m3。主槽受到低含沙水流下泄沖刷，累計侵蝕約9.228億m3，而灘區主要受到土地開發利用、農業生產等人為活動影響，累計減少泥沙2.145億m3，從調水調沙前的沉積模式轉變為現在的侵蝕模式，年均侵蝕速率約0.011 m/a。泥沙是維持黃河下游農業生態系統的主要來源，不但影響著黃河下游河槽形態發育，還能抵消灘區地面沉降和水土流失。泥沙資源減少給灘區治理帶來不利影響，為適應新時期治水思路和生態文明建設要求，提出采用機械清淤、填方再造等人工手段對灘區實施“高灘”淤筑和“二灘”再造，消除“二級懸河”不利形態，優化下游泥沙資源配置，完善灘區治理方案。