寧蒙黃河治理對策

摘要：

資料分析表明，寧蒙黃河冰凌災害頻繁的被動局面是由於主槽萎縮、卡冰結壩所致；而洪災與用水安全問題則是河勢變化無常和多沙支流突發性洪水淤堵幹流形成“沙壩”引起的。為有效恢復寧蒙河段的行洪排沙功能，實現河道減淤、恢復和維持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的寧蒙黃河治理目標，從產沙、輸沙、調控機理三個角度出發，分析了各因素對寧蒙黃河河床演變特徵的影響。

就產沙而言，通過產沙地貌分區、遙感影像分析和流域水系分區相結合的方法確定黃河上游不同沙源區的分佈。基於提出的風蝕輸沙通量計算方法及風沙入河估算方法，並結合區域風速與植被覆蓋率實測數據，發現近30a風速下降、區域植被覆蓋率上升是風沙侵蝕量與入黃風沙量逐漸減少的原因。分析寧蒙河段日均風速、日降雨量和已有侵蝕觀測資料，發現寧蒙地區的風水兩相侵蝕主要體現為風蝕與水蝕交錯存在及其交互促進，風力侵蝕主要發生在3—5月，水力侵蝕則集中在7—9月。現場觀測與黃土降雨侵蝕模型試驗則表明，重力侵蝕在黃土高原的整個侵蝕過程中佔有重要的份額，暴雨形成的徑流是黃土遭到侵蝕的主要外營力，也是激發和加劇重力侵蝕發展的重要影響因子。總體來看，寧蒙黃河的流域產沙具有典型的風-水-重力多營力交互特點，在比尺模型與野外觀測揭示的流域徑流彙集過程、溝道水流與河床自適應以及非平衡輸沙機理基礎上，構建了複雜地貌形態的小流域產流產沙動力學模型，成功模擬了不同植被特徵和分佈狀況對流域產流產沙的影響，並得出了植被的減水減沙效果與延滯徑流洪峰的作用同鬱閉度呈正相關關係，陡坡區域植被對徑流洪峰的延滯作用大於緩坡區域的結論。

就輸沙而言，以泥沙起動、推移質輸沙與河床均衡調整等基礎理論為基礎，提出了水沙兩相流數值模擬方法與沖積河流全沙運動模型相似條件。數值計算與模型試驗表明，龍、劉水庫聯合運用改變徑流分配是導致寧蒙河道淤積萎縮的主因，協調水沙關係是修復黃河行洪排沙功能的有效途徑。並分析確定了寧蒙黃河河道水沙調控閾值和多沙支流入匯口乾流防淤堵的流量閾值，即寧蒙黃河臨界調控流量為2000~2500 m3/s，臨界含沙量5.4~10.5 kg/m3，調控時間為15～20 d，證實了通過協調水沙關係可修復和維持寧蒙黃河行洪排沙功能；防止多沙支流入匯堵河的黃河流量閾值為2500 m3/s，治理淤堵沙壩配合“挖引疏浚”有效沖刷的閾值流量為3000 m3/s。從各河段模型試驗給出的來沙係數閾值沿程減小的變化趨勢看，在內蒙古河段現狀河床邊界條件下，全線沖刷要求的流量至少為2600 m3/s，表明黑山峽工程必須預留充足的水沙調控庫容。

就宏觀調控而言，針對流域下墊麵條件多樣、入黃泥沙沙源眾多、河道輸沙受水庫調度影響顯著等特點，以幹流水庫群為調節器，以徑流泥沙為調節對象。採用模塊化開發方法集成了風-水-重力侵蝕模型、河道輸沙模型、冰情預報模型於水庫聯調模型上，構建了可進行大範圍、高精度的水沙過程模擬預報的寧蒙黃河區域數字流域模型平臺，併成功在下河沿—石嘴山河段進行了調試和應用。

此外，針對寧蒙黃河河型複雜、凌汛期易卡冰結壩、夏季多沙支流突發性洪水易堵幹流形成“沙壩”等河情狀況，提出了“水沙調控、支流攔沙、堤外放淤”的處治模式。在穩定性分汊河段、大型支流入匯段、受沙卵石河床組成限制的河段，則指出不宜強行套用微彎型治理方案，而可採用“工程導送（簡稱為‘導’）、塞支強幹（簡稱為‘塞’）、挖引疏浚（簡稱為‘挖’）”方針，亦即“導、塞、挖並舉”的對策。建設黑山峽水庫、南水北調西線工程等是寧蒙河段長遠治理的根本對策，通過增加河道內汛期水量和調水調沙，恢復並維持中水河槽，提供防凌庫容，才能徹底解決寧蒙河段凌洪災害，並得出建立黃河上游沙源固定、支流泥沙阻截、幹流泥沙輸導與堤外淤沙處置的“固-阻-輸-置”綜合防治體系，是目前可行的治理對策的結論。

關鍵詞：

黃河; 寧蒙河段; 水沙調控; 治理對策; 多沙支流; 侵蝕產沙; 河道輸沙;

張紅武（1958—）,男,教授,副總工程師，博士研究生導師，博士，主要從事治河防洪研究.E-mail:[email protected];

張紅武，方紅衛，鍾德鈺，等. 寧蒙黃河治理對策[J]. 水利水電技術，2020，51（2）：1-25.

ZHANG Hongwu, FANG Hongwei, ZHONG Deyu, et al. Control measurements in Ningmeng Reach of the Yellow River[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2020, 51(2): 1-25.

0 引言

近30多年來，全球氣候變化導致天然徑流減少，尤其是龍羊峽水庫1986年投入運用並同劉家峽水庫聯調之後，寧蒙黃河在自然與人類活動的雙重影響下，水沙關係逐步惡化，水沙過程失衡凸顯，河流功能退化，使得寧蒙河段在近20a來成為黃河河道淤積最為嚴重、洪凌災害最為頻繁的河段，問題主要表現為：

（1）寧蒙河段防洪、防凌問題突出。隨著沿岸經濟的快速發展，強烈的人類活動使河流水沙變異並引發一系列災害問題。近年來洪凌災害造成的經濟損失顯著增加，嚴重危及沿岸人民生命財產安全。寧蒙河段兩岸為西部經濟發達地區，其附近的寧夏東部基地及內蒙古河套基地，為國家規劃的重要煤化工基地，區域防災減災呼聲很高。

（2）水沙關係惡化、泥沙淤積嚴重。由於上游引黃水量增加，幹流河道水量大幅減少。同時，龍羊峽水庫和劉家峽水庫的聯合運用，使得非汛期水量所佔比例增加，洪峰流量大幅減小，流量過程調平，加劇了寧蒙河段水沙關係的不協調。來水量減少及汛期大流量歷時的縮短，導致寧蒙河段的泥沙淤積嚴重，尤其是內蒙古河道，大量泥沙淤積在主河道內，河槽淤積萎縮，導致主槽過流能力大幅降低，平灘流量急劇減小。

（3）黃河水沙異源，調節能力弱，治理難度極大。黃河上游水沙調控是全流域水沙調控與配置的關鍵環節，水沙過程調整直接影響黃河中下游水資源管理及泥沙治理。現實中沒構建出調控體系，缺失水沙調節條件。研究黃河上游粗泥沙來源，塑造上下游協調的水沙關係，實現全河水沙科學調控，是黃河治理開發面臨的迫切任務，也是黃河流域治理開發的迫切要求和保障黃河長治久安的國家戰略需求。

為從根本上解決寧蒙河段的河槽萎縮及由此引發的洪凌問題，本文擬著重關注風-水-重力侵蝕產沙的耦合過程、寧蒙河段河床衝淤過程及河床演變機理及水庫群聯動調控水沙的理論與方法等三個方面，分別從微觀的力學機理、宏觀的系統運動規律及綜合的應用方法等三個層面入手，對寧蒙黃河的治理對策加以探討。

關於流域的侵蝕性沙問題，以往學者開展了大量研究。張紅武等 基於河流動力學原理進行了力學分析，鑑於黃土高原進入黃河下游粒徑大於或等於0.075 mm的泥沙多難以被水流直接輸送入海，故而將黃河粗細沙的臨界粒徑取為0.075 mm。中科院寒旱所對寧蒙河段鑽孔資料進行了分析，將黃河寧蒙河道的粗泥沙界限定為0.08 mm 。對於黃河中上游粗泥沙的來源，畢慈芬 研究發現黃河中上游區域的黃土高原基岩產沙區是黃河粗沙集中來源的核心。楊根生等 研究發現，風成沙以風沙流和坍塌兩種方式進入黃河，是黃河粗沙的重要組成部分，內蒙古河段淤積主要來源於烏蘭布和沙漠及十大孔兌(溝谷)的庫布齊沙漠和丘陵溝壑梁地。劉曉燕等 對黃河內蒙古河段1960—2006年典型斷面輸沙量資料分析後則認為，巴彥高勒—頭道拐河段淤積主要源自十大孔兌洪水。支俊峰等 認為黃河流域的粗沙主要來源於河口鎮一龍門區間以及涇、洛、渭四河中上游。韓鵬等 認為黃河中游地區仍是黃河主要的粗泥沙來源區，其中又以窟野河、皇甫川和無定河流域粗泥沙產量最大，佔黃河中上游流域粗沙產量的85%以上。總體而言，目前就黃河上游粗泥沙的來源問題尚未形成統一定論。

對於黃河流域侵蝕產沙機理，目前普遍認為，黃河流域土壤侵蝕為風蝕、水蝕和重力侵蝕以及交織在一起的複合侵蝕。對此，眾多學者給與了關注。例如，唐政洪等 對內蒙古砒砂岩地區的水蝕、風蝕及重力侵蝕的研究指出，該地區的侵蝕產沙呈現水、風和重力侵蝕交互作用的特點，並在時空分佈上具有其規律性。巫錫勇等對喇嘛溪溝流域的侵蝕現象進行了研究，認為重力侵蝕與水力侵蝕相互影響，同溝道不斷的下切和加寬形成了該溝的溯源侵蝕。許炯心 研究證實高含沙水流搬運與重力侵蝕之間存在著很強的耦合關係。王隨繼 對大面積出露砒沙岩的黃土丘陵溝壑區第一副區作為研究區，發現其凍融侵蝕主要發生在溝道中，在有重力作用參與的情況下，凍融侵蝕產沙量至少可達到溝道產沙的1/3左右，最多可以達到這些特殊流域侵蝕產沙量的1/2左右。師長興 以無定河為研究區，發現整個無定河流域風力作用產生的輸沙量包括入河風沙、降塵以及風力與水力耦合侵蝕搬運作用可能增加的泥沙，接近流域總輸沙量的1/6。黃河流域侵蝕產沙量受侵蝕營力強度，植被覆蓋，土壤類型，溝谷密度，泥沙中徑等自然因素制約 。儘管自然要素奠定了黃河流域侵蝕產沙過程的基本空間格局，但是人文要素進一步加大了流域侵蝕產沙過程的複雜性。陳劭鋒等 認為黃河流域多沙粗沙區，自然因素對產沙的貢獻約佔80.5%，而人文要素對產沙的貢獻約為19.5%。就目前研究現狀看，對複合侵蝕還停留在對點的研究上，尚未形成系統，尤其機理性和定量研究仍然缺乏，對多重營力複合作用下的侵蝕機理研究更為有限。複合侵蝕面積分布廣，對合理分析上游泥沙來源至關重要，需專門對複合侵蝕規律進行系統研究。

近些年來，以往學者針對寧蒙河段水利樞紐下游河床演變與調控研究開展了大量研究。水庫下游河床的再造床過程一直是河流研究的重點，大型水庫調節下河床演變與調控受到廣泛重視 。已有研究認為，大型水庫調控水沙關係是減緩下游淤積的重要措施 。特別是通過水庫群的聯合調度，塑造適當的水沙過程，可遏制黃河下游河道形態惡化的趨勢 。但也注意到，不合理的調度方式惡化了水沙搭配關係，導致下游水沙過程不協調，從而下游短暫沖刷後隨之出現河槽淤積、河道萎縮的現象 。隨著劉家峽，特別是1986年龍羊峽建成並實施龍劉聯調以來，由於水庫調節的影響，河道輸沙能力降低，引起寧蒙河段河槽淤積加速，河道斷面形態顯著改變，河槽萎縮明顯，河段排洪能力下降。張紅武與趙業安等 建議修建黃河大柳樹水利樞紐工程，通過它的反調節作用緩解寧蒙河段淤積問題。不過，有些學者對利用人造洪水沖刷寧蒙河段可行性進行了質疑，認為寧蒙河段淤積主要來源於烏蘭布和沙漠及十大孔兌的庫布齊沙漠和丘陵溝壑梁地 ，因泥沙較粗而認為人造洪水沖刷效果還有待檢驗 。我們研究認為，寧蒙黃河部分河段是在沙漠上通過水流造床作用形成的，在床沙中發現與河谷堆積物類似的物質組成，並不足以證明河床淤積物中的粗沙就一定來源於河谷（沙漠），根據鑽孔資料直接確定粗泥沙來源，也在一定程度上混淆了床沙與床沙質兩者的概念。另外，按此觀點，寧蒙河段因粗沙累計淤積，床沙應呈粗化趨勢，而實際河床組成幾十年來並未有所粗化。至於有關學者所分析的坍塌入黃資料，因大部分為主流刷灘坐灣所致，更不能說明是沙漠入黃的貢獻。由此可見，對於寧蒙河段粗沙淤積問題尚有待深入研究。黃河上游水沙調控缺乏系統的理論基礎與先進的研究平臺，制約著黃河上游的治理開發。隨著學科間交叉與融合，逐漸形成了以流域整體為研究對象的流域水沙動力學理論體系，通過基於該理論體系的數字流域平臺，將理論研究、數值模擬、模型試驗、野外觀測等集成起來，並進行流域信息的深度發掘，以便揭示樞紐下游河床響應於調控的系統動力學行為。王光謙等 做出的嘗試表明，流域水沙動力學理論及其研究平臺是在該研究方向取得重大突破的基礎。

與其它地區相比，黃河上游區域地貌變化劇烈，氣候條件特殊，其河道水沙輸移是大尺度降雨、徑流、風-水-重力侵蝕產沙、河道泥沙輸移和沉積、人類活動干擾等多因子共同作用下的複雜動力過程，具有鮮明的地域特點。綜合已有研究發現：（1）在沙源來源方面，提出了多種沙源的估算和分析方法，開展了不少實例研究，但缺乏綜合解析方法可信度分析和實測資料的直接驗證，造成不同研究結果相差較大；（2）在侵蝕產沙機理方面，單一下墊面或單一動力條件的恆定產沙動力機理研究較多，複雜下墊麵條件、複雜動力條件下動態的流域產沙過程研究不足；對產沙數量和空間分佈研究較多，對泥沙匯入河流的動態過程研究較少；（3）在水庫調節與河床演變方面，對一般水流條件下河床演變研究較多，對多河型河床演變的研究不足；對幹流水沙變異作用下的河床演變研究較多，對季節性多沙支流突發性高含沙水流對幹流河道的影響研究不足；對黃河水庫下游水沙調控研究多，對上游水庫群水沙調控研究較少。流域非平衡水沙運動機理、水沙關鍵過程調控理論與方法等方面還存在諸多科學問題亟待解決。本文緊密結合學科發展趨勢，綜合運用原型觀測、室內試驗、數值模擬、理論分析等方法，從多層次、多營力、多模式、多驅動力、多目標和全流域的角度開展系統研究，有望在黃河沙源解析、侵蝕產沙、河床演變、水沙變異和調控機理等科學問題上取得突破。

1 研究區域概況

黃河寧夏至內蒙古河段（簡稱“寧蒙黃河”）位於黃河上游的下段與黃河中游的上段，流經寧夏回族自治區（下河沿—石嘴山河段）與內蒙古自治區（石嘴山—頭道拐河段）。幹流自寧夏中衛縣南長灘翠柳溝入境，至內蒙古伊克昭盟準格爾旗馬柵鄉出境，全長約1203 km，河道平面形狀呈∩型大彎曲（見圖1），根據河床演變特性可劃分為若干河段，主要參數如表1所列。

圖1 寧蒙黃河下河沿—頭道拐河段示意

表1 黃河寧夏—內蒙古河段河道特性

據統計，黃河上游流域面積約38.6萬km2，佔全流域面積的51.3%，多年平均天然徑流量330 億m3，佔黃河天然徑流總量的57.2%，是全河主要的來水區。進入內蒙古境內後，由於河道流經黃土區及沙漠邊緣，河水含沙量增加較多。水沙異源致使泥沙不斷堆積，河身逐漸由窄深變為寬淺，河道中淺灘出露，灣道疊出。考慮到青銅峽以下的仁存渡至石嘴山長約152 km的河段及內蒙古三盛公至蒲灘拐長約540 km的河段為沙質河床組成，河床比降與整個黃河下游比降相當，昭君墳至頭道拐河段河床比降甚至小於山東黃河窄河段而同河口段接近，河床難免淤積抬升。尤其龍羊峽水庫1986年投入運用並同劉家峽水庫聯調之後，水沙過程失衡凸顯，河流功能退化，寧蒙河段泥沙淤積佔全黃河干流除水庫以外河道淤積總量的45 %以上，年均淤積量約0.8 億t/a，主槽淤積量佔全斷面淤積量的百分比達45％左右，河床上升與河槽萎縮造成過流能力降低，河道漫灘決口幾率大幅度增加，洪凌災害危及沿岸人民生活、生產、生態用水安全。

為分析寧蒙河段的水沙變化趨勢，圖2給出了1952—2010年黃河干流三湖河口和頭道拐水文站年徑流量與年輸沙量的變化過程。由圖可以看出，三湖河口和頭道拐斷面的年徑流量和年輸沙量總體均表現為明顯的減少趨勢，尤其20世紀80年代後期以來，年徑流和輸沙率均大幅減小。此外，年徑流量和輸沙量年際間也存在明顯差異，20世紀70年代年以前，年際間變幅較大，70年代—80年代，變幅稍小，80年代後期至今，年際間變幅進一步變小。

圖2 三湖河口和頭道拐斷面年徑流量和輸沙量變化（1952-2010年）

選取沙量平衡法計算黃河寧蒙河段河道衝淤量，計算時以運用年為時段，其中非汛期為11月—6月，汛期7月—10月。圖3和圖4分別給出了下河沿—石嘴山河段（寧夏段）及巴彥高勒—頭道拐河段（內蒙古段）的歷年衝淤量過程。結果表明：1951年11月—1960年10月的寧夏河段淤積較多，年平均淤積量達0.536億t，期間累計淤積4.83億t。1960年後鹽鍋峽、青銅峽、劉家峽、八盤峽、龍羊峽等水利樞紐陸續投入運用，受水庫攔沙和天然來水豐枯的影響，1960年11月—1968年10月總體表現為沖刷，年平均沖刷量0.173億t，期間累計沖刷1.39億t。1968年11月—1986年10月有衝有淤，總體表現為微沖，年均沖刷量為0.047億t；1986年龍羊峽水庫運用以來，進入寧夏河段河道的水沙量均減少，河道略有沖刷，1986年11月—2010年10月總體表現為微淤，年均淤積量為0.043億t。1951年11月—2010年10月累計淤積量3.62億t，主要發生在1960年以前和1986年以後；1951年11月—1960年10月內蒙古河段淤積較多，年平均淤積量達0.973億t，累計淤積8.76億t，1960年以後各水利樞紐陸續投入運用，1960年11月—1968年10月巴彥高勒—頭道拐河段衝淤調整幅度小，總體表現為沖刷，年平均沖刷量0.022億t，累計沖刷0.18億t；1968年11月—1986年10月衝淤調整幅度小，有衝有淤，總體表現為淤積，年平均淤積量0.049億t，累計淤積0.88億t；1986年龍羊峽水庫運用以來，進入內蒙古河道的水沙量均減少，致使河道淤積量增加，年平均淤積量達0.506億t，累計淤積量12.14億t。巴彥高勒—頭道拐河段1951年11月—2010年10月累計淤積量21.60億t，主要發生在1960年以前和1986年以後。可見，劉家峽、龍羊峽投入運行對河道泥沙影響。在1952年至1960年寧蒙河段處於汛期水量、沙量較大，寧蒙河段總體淤積比較嚴重，但下河沿—青銅峽河段略有沖刷；1961—1986年隨著上游水庫的不斷運行，其攔截部分沙量，使得非汛期水量增加、沙量減少，但是水沙量所佔全年比例明顯增加，其中寧夏河段總體略有沖刷，內蒙古河段輕微淤積，青銅峽—石嘴山和巴彥高勒—三湖河口河段表現為沖刷；1986年以後隨著龍羊峽水庫的運用，較前一時段寧蒙河段的淤積形勢加劇。

圖3 下河沿—石嘴山河段（寧夏段）衝淤量過程

圖4 巴彥高勒—頭道拐（內蒙古段）河段歷年淤積量過程

2 研究概況

2.1 研究內容

寧蒙河段幹流長、多沙支流影響大使其河床演變極為複雜，作用機理探索與河道治理難度不亞於黃河下游。冰凌災害頻繁的被動局面，是由於主槽萎縮、卡冰結壩所致；而防洪與用水安全問題，則是河勢變化無常和多沙支流突發性洪水淤堵幹流形成“沙壩”引起。“水沙異源、 水沙失衡”造成的持續性泥沙淤積是寧蒙河段河道治理的重點與難點。為解決此問題，就必須對產沙機理、輸沙機理、調控機理三個方面進行研究。

根據黃河長遠治理開發的需求和目標，圍繞上述關鍵科學問題，開展如下四個層面的研究（見圖5）。第一，在機理方面，以泥沙的移動路徑為主線，研究多沙源分佈規律、多營力侵蝕產沙機理、多模式與河道泥沙輸移機理、多動因河床演變機理、多驅動力水沙變異機理；第二，在方法層面，建立沙源解析方法，多河型、多驅動力條件下河床演變的模型方法，多目標水庫群調度自適應水沙調控理論與方法；第三，在應用層面，建立寧蒙黃河流域泥沙綜合防治體系、河道淤積臨界調控和最佳水沙搭配模式和不惡化下游水沙的上游調控閾值；第四，在平臺方面，完善寧蒙河段模型試驗平臺，流域數值模擬平臺，並充分利用原型水沙調控觀測平臺。

圖5 研究內容之間的有機聯繫

2.2 技術路線

以泥沙的“源-產-輸-淤-調”為研究主線，以河道綜合治理為目的，以河道萎縮為核心問題，以黃河上游寧蒙河段數字流域模型和沙漠寬谷河道防洪防凌實體模型為平臺，重點研究：（1）多類型沙源分佈規律；（2）多營力侵蝕產沙機理；（3）多河型、多約束河道洪水演進與河床演變相互影響機制；（4）多驅動力河道水沙關係變異規律等科學問題。通過現場調研與監測、理論分析、模型試驗、數值模擬、系統集成等綜合手段，建立流域非平衡水沙動力學理論體系及黃河上游水沙調控方法，奠定黃河上游流域科學管理的基礎。

眾所周知，物理動床模型試驗是目前本學科研究複雜的水流運動、輸沙過程、河床演變及檢驗河道治理方案的最有效方法；野外觀測資料分析是探索黃河泥沙淤積及河勢變化規律的基礎；河流泥沙數學模型是進行長系列水沙過程預測模擬和開展多種方案比選的有力工具，資料分析、數值模擬是配合物理動床模型試驗的輔助手段。此外，野外觀測、室內降雨侵蝕及風沙模擬試驗與邏輯推理等特殊研究手段（以下簡稱特殊試驗），不僅能夠從定量上完善流域模型計算的可靠性，而且又是揭示土壤侵蝕、風沙及支流入黃影響程度的必要手段。因此，本文采用物理模型試驗與數學模型計算、實測資料收集分析、特殊試驗、野外觀測、理論探索有機結合的研究途徑（見圖6），多手段相互補充、相互印證。例如，通過對調查和實測資料以及試驗結果的分析，研究黃河上游沙源分佈、流域侵蝕、河道淤積、洪水及凌汛災害，為後續的多沙源解析、多營力產沙、多模式輸沙、多動因河床演變、多驅動力水沙變異等研究提供基礎。再如，為開展機理研究，主要採用試驗研究和基礎力學分析相結合的手段進行，基於調查成果和物理試驗（包括模型試驗、原型觀測、現場短期觀測和長期自動監測），剖析變化過程、揭示物理機制，研究黃河上游粗泥沙來源與分佈規律、多營力作用下流域侵蝕產沙與輸移機理、寧蒙河段演變機理。

圖6 總體技術路線

3 寧蒙黃河產沙機理

3.1 沙源解析及入黃機制

3.1.1 沙源空間分佈特徵與變化趨勢

黃河寧蒙區域沙源類型可分為七大類：耕地及居民區、沙漠沙、沙地沙、裸地、砒沙岩、黃沙土和山地（基岩），基本體現多沙源空間分佈特徵。以流域多年水沙觀測資料和重點地區入河風沙實測資料為基礎，通過產沙地貌分區、遙感影像分析和流域水系分區相結合的方法可確定黃河上游多沙源分佈特徵（見圖7）。結果表明，研究區域內山體覆蓋面積最大，面積約為4.94萬km2，佔25.96 %，包括賀蘭山、桌子山和陰山山脈等。其次為耕地及居民地，面積約為4.03萬km2，佔21.18%，主要沿幹流分佈於中寧平原、銀川平原和內蒙古河套平原。第三為裸地（乾旱草原），面積約為3.41萬km2，佔17.92%，主要分佈於桌子山東西兩側。第四為沙地，面積約為1.99萬km2，佔10.46%，以毛烏素沙地和河東沙地為主；第五為黃沙土，面積約1.81萬km2，佔9.51%，主要分佈研究區域西南的寧夏地區；第六為砒砂岩，面積約1.39萬km2，佔7.30%，主要集中在鄂爾多斯高原；面積分布最小的沙源是沙漠沙，約為1.27萬km2，佔總面積的6.67%。可知，傳統風成沙中的沙漠沙和沙地沙分別佔6.67%和10.46%，介於風成沙和非風成沙之間的黃沙土所佔比例為9.51%。

圖7 黃河寧蒙區域沙源分佈解譯結果

區域沙源分佈是風沙入河計算的基礎，接近河岸的沙源類型與風沙入河關係最為密切。統計干支流不同沙源的岸線長度，可以發現，耕地是最主要的沙源類型，耕地及居民地河岸長1389 km，佔黃河干流左右兩岸總長的67%；其次為山地，總長234 km，佔11%，主要集中在石嘴山和頭道拐至內蒙古出口的峽谷型河道；此後分別為裸地、黃沙土、沙漠沙、砒沙岩和沙地沙，分別佔河岸總長度的7%、7%、6%、1%、1%，其中傳統風成沙和沙漠沙主要分佈在石嘴山—巴彥高勒河段左岸、巴彥高勒—三湖河口河段右岸、黑山峽—下河沿河段左岸、青銅峽—石嘴山河段右岸，分別為59 km、35 km、10 km和9 km（剩餘7 km零星分佈在其餘河段兩側），分別對應烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、騰格裡沙漠和河東沙地。

風速實測資料統計結果表明，黃河寧蒙地區1973—2014年風速總體呈減小趨勢，年均風速平均每年減小0.0157 m/s，與全國年均風速0.013 m/s的下降趨勢 和整個黃河流域0.009 m/s的下降趨勢相比 ，下降速率相對更大，主要是因為內蒙古高原地勢相對平坦，20世紀中期風速相對較大，下降的空間更大所致。相對於年平均風速，風沙入河更關注極端風況下的風速變化趨勢，包括年最大風速、大風日數和起沙風日數。根據統計結果，總體上，年最大風速、大風日數和起沙風日數均呈現明顯下降趨勢，其中年瞬時最大風速每十年下降3.854 m/s，大風日數平均每十年下降6.08 d，起動沙風日數平均每年下降18.17d，分別佔42 a平均值的14.4%、45.4%和8.4%，下降幅度非常大，以至於近年很多風速測站甚至無法監測大風日數。一般而言，輸沙率和風速的三次方成正比，風力大幅度下降會導致輸沙率的大幅下降，研究區域風沙活動強度的減弱將導致寧蒙地區風沙入河量的大幅減小。

根據Modis NDVI及GIMMS數據統計寧蒙河段植被覆蓋率，發現該區域在1981—2014年間植被覆蓋率總體呈上升趨勢，第一階段為緩慢增長階段，從1981—1999年，年平均植被覆蓋率緩慢增長，平均每年約增長0.097%；第二階段為快速增長階段，從1999—2014年，年平均植被覆蓋率年均增長率達到0.713%。其中第一階段植被覆蓋率緩慢增長主要是受自然因素影響，包括種子傳播等，而第二階段主要受“退耕還林”和“退牧還草”等政策的影響。

3.1.2 沙源解析與產沙量估算

傳統上常採用間接方法進行沙源解析，如楊根生等 早在2000年左右，就通過輸沙平衡法得到河段泥沙淤積量，通過粒徑分析的得到沙源分佈進而對風沙來源進行解析。對理想狀態下輸沙通量的計算公式較多，複雜的風沙計算模型都是在其基礎上得到。公式形式雖不盡相同，但與實測資料相比，計算值一般都大於實測值。SHERMAN等 比較了輸沙模型，並以BELLY 的試驗數據進行檢驗，發現C =6.7， =0.25 m/s的時候，符合最好，其形式如下

式中：q為單寬輸沙率 [kg/( m·s)]；d為風沙粒徑 (m)；D為特徵粒徑(m)；ρ為空氣密度 (kg/m3)；g為重力加速度 (m/s2)；u*為摩阻風速 (m/s)；u*t為臨界起動摩阻風速 (m/s)；係數CL=6.7。

計算結果表明，多年平均月單寬風蝕輸沙通量最大值出現在4月份，高達0.410 t/（m·月），介於中度侵蝕和強烈侵蝕之間，總體而言春季風蝕輸沙通量（3—5月）均大於0.300 t/（m·月），處於較高的水平，遠超過均值0.188 t/（m·月）；最低值出現在8月和9月，僅為0.047 t/（m·月），屬於微度侵蝕範疇，總體而言，夏秋兩季（6—8月，9—11月）風蝕均較低，在均值線以下。冬季（12—2月）處於一年中風蝕低谷和高峰的過渡階段，在均值線兩側波動。風蝕輸沙通量出現上述年內分佈主要與研究區域內平均風速的年內分佈和平均植被覆蓋率年內分佈有關，春季風速最大，植被覆蓋率較低，因此風蝕輸沙通量較大，而夏季風速最小，植被覆蓋率最大，因此風蝕輸沙通量最小。

將各類沙物質按所佔面積加權平均，可以得到研究區域多年平均年累計單寬風蝕輸沙通量為2.26 t/(m·a)，但不同沙物質類型之間差異較大。其中沙漠沙區域多年平均累計單寬風蝕輸沙通量最高，高達11.36 t/(m·a)，屬於極強程度的風蝕等級；接著分別為黃沙土和沙地沙，風蝕輸沙通量分別為7.58 t/(m·a)和5.80 t/(m·a)，屬於強度風蝕範疇；其次為裸地和砒砂岩，風蝕輸沙通量分別1.99 t/(m·a)和1.30 t/(m·a)，在全區域加權均值線以下，屬於輕度風蝕；風蝕輸沙通量最小的為耕地及居民地，年累計單寬風蝕輸沙通量僅為0.44 t/(m·a)，屬於微度侵蝕（見圖8）。

圖8 不同沙物質1981—2014年多年平均月單寬風蝕輸沙通量

值得注意的是，風速減弱是近幾十年來風速變化的直接體現，人們關心未來趨勢如何。我國是世界風力發電能力第一的國家，佔全球總額的1/3以上。近40a資料表明，近80%站點損失了超過30%的風能資源，在我國東北和西北地區，風能損失更為明顯。部分學者以此認為“大氣減速”是大勢所趨，未來亦呈現風速減弱的趨勢，風沙入河量會相應減少；另有部分學者以1993年寧蒙區域全年出現多場大風，使得全年風速高於80年代水平，而認為未來個別年份也可能會出現風速反彈升高的情況。這裡可運用大氣渦團理論（或動量傳遞）闡釋人類活動對“風速減弱”的影響。人類活動使地面附近粗糙度增加，對氣流的摩阻作用變大，使風速變弱；同時由於人類活動使氣流中的固體微粒含量增加，渦團參數變小，引起流速梯度變大，同樣高空風速下，地面附近的風通過渦團摻混獲得的上層傳遞下來的動量就會變少，風速就會減弱。因此認為，只要人類活動不斷，“大氣減速”是必然的，風沙入河量減少在所難免。

3.1.3 入黃機制與入河沙量計算

通過實地考察，發現風沙流與沙丘前移是風沙入黃的主要途徑，其中沙丘前移是輸沙的主要形式，幹流平均每年沙丘前移量佔總風沙入河量的60%以上，支流佔50%以上。根據建立的風沙流與沙丘前移輸沙推算模型，計算1995年、2000年、2005年和2010年四年的全年風沙入河量（見表2、表3）。結果表明，近年來風沙入河量急劇下降，干支流之和減小了約2/3。主要是（1）風沙入河段縮短，受人為因素影響，大量護河工程和防風固沙措施的建立，使得原有的流動性沙丘轉換為固定或半固定沙丘，而非流動性沙丘的風沙活動能力也大大減弱；（2）受全球氣候變化影響，寧蒙地區風力減弱，據初步估計，僅僅因為風力減弱，2010年風沙入河量相對於1995年減小了一半左右；（3）寧蒙區域植被覆蓋率增加，從1985年到2010年，年平均植被覆蓋率大約從8%增長到22%。如果以1995年、2000年、2005年和2010年四年平均值代表正常年份的風沙入黃量，那麼計算得到的年平均風沙入黃量為1142萬t，其中幹流風沙入黃量為726萬t，支流（主要指十大孔兌）風沙入河量為416萬t。

實際上，寧蒙河段大部分河道兩岸均修築了堤防，且已建大量河道工程，呈現具有人工顯著約束的河道形態。在堤防阻礙下，以風流沙吹入和坍塌入河兩種方式直接進入黃河的沙量十分有限。從野外坍塌入黃資料看，大部分為主流刷灘坐彎所致，不能說明是沙漠入黃的貢獻。幾十年來寧夏河段斷面法測量結果表明河床淤積量較小，說明石嘴山以上風沙入黃影響很小。石嘴山—巴彥高勒河段左岸存在烏蘭布和沙漠，沙粒最有可能在西北風作用下進入黃河，但利用水文站輸沙及地形測驗資料分

析發現，烏海河段及三盛公庫區幾十年來並沒有出現明顯淤積，且由於巴彥高勒輸沙量往往小於石嘴山，表明“大量的以風沙流和坍塌兩種方式進入黃河的粗沙”也沒被輸送到三盛公樞紐以下。而在三盛公以下河段，庫布齊沙漠位於黃河右岸，在強勁的西北風作用下又很難直接吹入黃河。

表2 1995—2010年黃河寧蒙河段幹流風沙入黃量彙總 萬t

表3 1995—2010年黃河寧蒙河段支流風沙入黃量彙總 萬t

3.2 風-水-重力侵蝕產沙機制

3.2.1 風、水侵蝕特徵及交互作用

基於寧蒙河段日均風速、日降雨量和已有侵蝕觀測資料，可以刻畫寧蒙區域的基本侵蝕特徵，分析不同時間風力侵蝕和水力侵蝕的作用特點和交互機制，以估算該區域的風、水侵蝕量分佈規律。圖9給出了1958年以來風力侵蝕和水力侵蝕隨時間的演化規律，總體上，風力侵蝕隨時間呈現明顯減小趨勢，顯然同近幾十年來“大氣減速”或“風速減弱”有直接關係，而水力侵蝕則變化相對不大，略有減小。

圖9 風力侵蝕和水力侵蝕輸沙率估計值的月度序列

統計風力侵蝕和水力侵蝕的年內分佈規律（見圖10），以及不同量級風力侵蝕和水力侵蝕所佔比例，可以發現：日重現概率15%以上的大風貢獻了風力侵蝕的主要部分，重現概率5 a一遇以上的暴雨貢獻了水力侵蝕的主要部分；黃河上游的風水兩相侵蝕，主要體現為風蝕與水蝕交錯存在和交互促進，風力侵蝕主要發生在3—5月，水力侵蝕則集中在7—9月暴雨季節。

圖10 風力侵蝕和水力侵蝕的年內分佈比較

3.2.2 風水共同作用下的重力侵蝕機理

通過現場觀測和室內試驗研究侵蝕溝道的形成過程，發現（見圖11、圖12）：滑坡侵蝕量最多，崩塌次之，流侵蝕量最少；在陡峭的溝坡上，重力侵蝕是土壤流失的重要因素，次重力侵蝕佔總侵蝕量的50%以上。由於重力侵蝕在黃土高原的整個侵蝕過程中佔有重要的份額，是形成高含沙水流的重要原因。同時重力侵蝕不同於一般的坡面流侵蝕，其主要原因是陡峭的溝坡，在重力作用和暴雨作用下的崩坍、滑坡，以及由此形成的泥流。即重力侵蝕強度主要取決於地形地貌及土壤特性。在一定降雨強度等條件下，土體的結構和臨空面高度，對發生重力侵蝕的可能性與突發性有直接影響，高強度降雨形成的徑流，是激發和加劇重力侵蝕發生發展的重要影響因子。黃土高原長期侵蝕沖刷形成的陡峭溝坡，以及黃土的直立特性是導致典型重力侵蝕的根本原因。

圖11 重力侵蝕類型發生百分比

圖12 重力侵蝕類型體積百分比

3.2.3 暴雨作用下小流域黃土侵蝕變化模型試驗

黃土高原侵蝕現場觀測難度較大，野外資料十分有限。因侵蝕機理尚不清晰，採用數學方程進行描述十分困難，且缺乏足夠實測資料對模擬參數進行率定，因此數學模型模擬暴雨作用下的侵蝕發展過程可靠性不大 。為研究暴雨形成的地面徑流對黃土的沖蝕變形，本文以黃土高原某複雜地貌形態的溝道小流域為原型，按溝道地形圖與幾何比尺製作模型，並以堆填模型沙形成坡面多變的初始下墊面，通過降雨侵蝕模擬，分析在暴雨作用下侵蝕變化，研究不同黃土侵蝕破壞而導致地形破碎及下游溝道淤積等規律。考慮到水流在流動過程中主要受重力作用，因此主要考慮重力相似條件 ；黃土顆粒細，又具有一定的固結性，所以作用於顆粒間的粘著力也不可忽視 ，故為保證侵蝕形態的相似性,下墊面需要採用模型沙製作裸地模型,其初始含水量同原型相近,且模型降雨強度必須大於模型沙相應的臨界雨強I 。在衝淤變形過程中重點研究顆粒運動的集積效果，主要考慮顆粒級配相似；坡面侵蝕試驗區下游溝道中的泥流按照高含沙洪水模型相似律 進行設計，以滿足水流運動相似和泥沙運動相似。選取電廠粉煤灰為模型黃土材料，按黃土降雨侵蝕模型相似律開展模型設計並製作模型，佈設降雨管路、水沙系統及觀測設備等開展試驗 。

結果表明，暴雨形成的徑流是黃土遭到侵蝕的主要外營力，也是激發和加劇重力侵蝕發展的重要影響因子，土體結構和臨空面高度，對發生重力侵蝕的可能性與突發性有直接影響；從空間上看，洩流溝上段以下切和溯源侵蝕為主，中段以側蝕與重力侵蝕為主，下段以堆積或衝淤交替為主；降雨侵蝕大量產沙使中下段溝道內形成高濃度泥流並奔騰而下，洪水流量明顯大於小流域降雨形成的徑流量；高強度降雨形成的洪水沿溝道將大量泥沙帶入下游河流，表明在黃土高原局部地區高強度降雨難免出現的條件下，局部還會出現大量泥沙進入黃河的情況；按降雨階段看，降雨初期徑流量小，陡坡處沖溝形成後才產生溯源侵蝕，高強度降雨匯流量大，各坡面均出現侵蝕變形，陡坡洩流溝在下切、側蝕的同時，土體在自重力作用下沿坡面下移，出現了突發性強的重力侵蝕；降雨後期侵蝕減慢，主要通過溯源侵蝕形式發展，中段沖溝仍有所衝深與展寬，下游溝道由於比降減緩而繼續淤積，體現了水流與邊界的自適應調整作用；降雨不同時期在各坡面幾乎都發生了溯源侵蝕，而重力侵蝕多是高強度降雨期發生在陡坡地段。

圖13(a)、(b)給出了洪峰流量1226 m3/s，徑流量1111萬m3下的模型試驗結果，由溯源侵蝕長度與沖溝寬度隨降雨歷時的變化關係，可知侵蝕沖刷發展過程呈“S”型分佈，侵蝕沖刷發展最快的時段與高強度降雨期相對應，降雨後期還能夠體現出侵蝕沖刷趨於穩定的特點。此外，圖13(c)統計了各試驗條件下徑流量與侵蝕沖刷量可得侵蝕沖刷量與徑流量成正比關係，尤其徑流量大於15 萬m3後，侵蝕量增加速率明顯增加。由於退耕還林還草能夠在暴雨條件下明顯減少流域的徑流量，因此能夠通過減少黃土高原土壤侵蝕量，明顯減少進入黃河的泥沙量。

圖13 降雨模型試驗結果

3.2.4 產流侵蝕模型建立

以小流域降雨侵蝕模型試驗結果建立的物理圖形，將其概化為坡面基本單元和溝道網絡的有機結合體，坡面上採用準二維運動波產匯流模型和二維侵蝕模型，溝道採用擴散波模型描述水沙輸運過程，在分析物理模型與野外觀測資料揭示的流域徑流彙集過程、溝道水流與河床自適應機理和非平衡輸沙機理基礎上，構建了適合於複雜地貌形態的小流域產流產沙動力學模型。模擬不同植被特徵和分佈狀況對流域產流產沙的影響（見圖14），表明植被減水減沙效果與延滯徑流洪峰的作用同鬱閉度之間呈正相關的關係，陡坡區域植被對徑流洪峰的延滯作用大於緩坡區域。對於十大孔兌來講，生物水保措施應主要集中在上游產沙區，然而丘陵溝壑區和沙漠區的植被恢復十分困難，且因缺少水分，植被很難長期生長；而下游區域的植被已經相對較好，進一步提高覆蓋率的空間已很有限。因此，在十大孔兌區域，通過生物措施減少粗沙來源，存在很大的困難，在短期內效果十分有限，還需採取其他的工程措施。

圖14 1985年9月15日降雨某時刻(t=350 min)小流域內徑流及侵蝕分佈模擬結果

4 寧蒙黃河輸沙機理

4.1 水沙過程對寧蒙河段排洪輸沙功能修復的作用

4.1.1 入黃泥沙輸移特徵

惠遇甲等 利用不同容重、粒徑的顆粒在不同水流條件下運動軌跡的水槽試驗資料，給出不同顆粒以懸移質形式運動所佔百分數相對水流強度Θ（希爾茲數）的計算公式形式如下

式中，希爾茲數Θ的表達式為 ，其中R為沙粒阻力半徑 (m)，J為比降，D為代表粒徑 (mm)。鑑於上述研究主要基於水槽試驗結果，其試驗條件同天然河流差距很大，按照模型相似律確定的懸沙粒徑比尺λ=0.6進行修正。根據2012年汛期黃河寧蒙河段水文站資料，可計算出各站懸移質形式比例。結果發現，黃河寧蒙河段河床大部分沙質組成在水流強度較大時都有可能以懸移形式運移，並且隨著粒徑的減小，呈懸移運動形式的比例增加，整體隨水流運移的泥沙量有所增加。0.048 mm粒徑的泥沙在流量大於2200 m3/s後，呈懸移質運動百分比較大；而粒徑大於0.075 mm的泥沙呈懸移質運動百分比不大；尤其是大於0.15 mm的泥沙難以全部以懸移形式向下遊輸移（0.15 mm以上的泥沙主要以推移形式向下遊運動）。因此，在實施水沙調控時必須持續出現相當大的流量 ，才能以足夠的水流強度，使大於0.1 mm的泥沙多呈懸移形式向下遊輸移，保證寧蒙黃河實現長河段沖刷。

4.1.2 粗沙輸移對水沙調控的響應機制及調控臨界條件分析

選取下河沿、石嘴山、巴彥高勒和頭道拐水文站從輸沙率與流量、汛期和非汛期輸沙量與水量的關係分析黃河寧蒙河段泥沙輸移規律。結果發現：（1）黃河寧蒙河道的衝淤與來沙係數的關係密切，其中，以下河沿站表示的汛期、非汛期衝淤平衡來沙係數分別為0.0026和0.0056 kg·s/m6；以下河沿站加區間水沙條件表示的汛期、非汛期衝淤平衡來沙係數分別為0.0033和0.0053 kg·s/m6；（2）以巴彥高勒站水沙條件表示的汛期、非汛期衝淤平衡來沙係數分別為0.0033和0.0034 kg·s/m6；以巴彥高勒站加區間水沙條件表示的汛期、非汛期衝淤平衡來沙係數分別為0.0045和0.0033 kg·s/m6。利用黃河上游寧蒙河段水文站資料，分析了水流挾沙力因子、阻力因子隨流量的變化規律。表明為保持河道具有較高的輸沙效率，下洩流量應按2500~3000 m3/s進行輸沙調控，以維持頭道拐斷面流量大於2000~2500 m3/s，便於全河段的分配與調控。

4.1.3 基於數值計算的水沙臨界條件及調控目標

李肖男等 通過三維水沙數學模型對青石段和三頭段分別開展了1981洪水和2012洪水的模擬計算。結果發現：在現狀地形條件下，通過場次洪水可使河道實現淤灘刷槽的效果。受來水來沙條件和河型的影響，青石段兩場洪水的衝淤過程均可以分為初始衝淤平衡、漲水刷槽淤灘、退水沖刷效率降低直至末時刻衝淤基本不變等四個階段；而三頭段則表現為漲水刷槽淤灘、退水沖刷效率降低、末時刻衝淤基本不變等三個階段；洪水演進過程中各河段灘槽的水沙交換過程有所不同，青石段上段為微彎型河道，河道相對窄深，河勢穩定，主槽在水沙輸移中所佔比重大，故而流路更多的集中在主槽；而青石段下段和三頭段上段為遊蕩性河道，河槽平灘面積小，洪水條件下灘槽水沙交換頻繁，灘槽在水沙輸移中的差異相對較小；三頭段的下段有一定數目的河彎，裁彎取直和灘槽更替在本段較為集中。

4.2 多沙支流突發性產輸沙對黃河干流的影響

4.2.1 多沙支流的來沙量、組成和分佈特徵分析

通過對進入寧蒙黃河干流的泥沙的進行定量化分析，可以確定多沙支流入黃沙量、泥沙組成及時空變化規律。此外，分析收集的206場洪水資料，發現在年尺度上產沙量與降水量的相關性不高，但與徑流深、降雨強度指標均具有良好的數量關係，即降雨強度大，降雨濺蝕能力強，分離地表物質的能力強，地表徑流流速和地表徑流量也相應很大，洪峰流量大，溝道侵蝕量大，侵蝕搬運地表物質量多。野外調查資料表明，十大孔兌上游區河床泥沙級配主要為砂粒(0.05~2 mm)，其含量平均值高達75%以上。位於孔兌中間的風沙區， 河床中粒徑>0.5 mm和<0.02 mm的泥沙幾乎沒有，河床泥沙顆粒的粒徑比較均勻地在分佈在均值為0.17 mm的兩邊。在孔兌下游至入黃口處，河床沉積物中粒徑0.05-0.25 mm的泥沙佔到了75%以上。

4.2.2 多沙支流突發性產輸沙過程發生機制

實測資料分析表明，西柳溝流域年內來水來沙主要集中於汛期7—9月，場次洪水的C-Q（含沙量-流量）關係呈現順指針滯後環，逆時針滯後環、“8”字型滯後環等滯後環現象（見圖15）。從河道形態來看，大洪水情況下形成的順時針滯後，主要是由於河道內沉積有足夠的可蝕物質，在大洪水情況下很快就達到了沙峰。這些高含沙洪水具有極大的挾沙力和輸送能力 ，能夠將上游粗顆粒泥沙一直輸送到入河口，以沖積和洪積的形式進人與黃河干流的交匯處。十大孔兌產生的入黃洪水發生時間快、持續時間短、含沙量高、出現頻率低，儘管水土保持和生態恢復措施對一些孔兌的減水減沙效應明顯，但對黃河干流河道造成淤堵的威脅依然存在，應進一步強化對這些高含沙洪水形成過程的監測、預警和源頭治理並採取有效措施降低黃河干流河床、提高河堤防洪標準，以減輕其可能造成的災害。

圖15 1973 年7月12日洪水過程及相應的流量-含沙量

4.2.3 干支流匯流特徵與河床演變衝淤響應機制

以毛不拉孔兌為典型多沙入黃支流，以黃河干流出現枯水、中水和洪水三種情景為條件，考慮了支流匯入的各類代表性情景開展試驗。模型試驗結果表明：（1）黃河干流流量很小時，多沙支流突發性較大高含沙洪水入匯，會導致幹流河槽和支流溝口被嚴重淤堵，形成的沙壩使得幹流洪水倒流，沙壩上游不斷壅水後大量漫灘，直接逼近左岸防洪大堤。（2）由於大量顆粒較粗的風沙在溝口上游已發生淤積，實際被帶入黃河干流的風沙量，只佔支流入黃總輸沙量的百分比為50%~75%。（3）黃河干流中水流量時，多沙支流突發性較大高含沙洪水入匯，會形成高出主河槽兩側灘地的巨大沙壩，上游不斷壅水後將使洪水倒流、大量漫灘，會造成多處漫溢、乃至決口的險情。在交匯口形成的沙壩，在黃河主河槽縱向上的長度可達4700 m，橫向寬度約1600 m。沙壩產生的嚴重壅水將導致絕大部分水流漫過左岸防洪大堤從堤外向下游分流。淤積範圍和淤積厚度較大、在主河槽縱向淤積較長的極端情況下的沙壩，需要幹流加大流量至3000 m /s後才有可能衝開。（4）多沙支流突發性產輸沙使幹流河道產生的淤積程度同幹流來水流量有關，在黃河干流流量增大至3000 m /s後，幹流河槽就難以出現淤堵情況。若干流已形成沙壩堵河現象時，在幹流流量為1500~2000 m /s時，可配合“挖引疏浚”措施將淤積在主河槽的泥沙沖刷帶走。

4.3 寧蒙河段物理模型試驗研究

4.3.1現狀工程條件下的中小水試驗

（1）通過河道模型中實測的水位流量關係可直接查出研究河段的平灘流量，發現個別河段平灘流量僅1000 m /s左右，三盛公至三湖河口河段的平灘流量約為1500 m3/s。（2）由於上游水庫的調節運用，汛期流量較小時，流路可能在兩岸工程間穿堂過，部分工程脫河，畸形河灣時有發生（尤其昭君墳至頭道拐河段）。小水條件下寧蒙河段沖刷作用不大，甚至出現主槽淤高、斷面變得寬淺的趨勢。流量大於2000 m /s後主槽河床沖刷才逐漸明顯，流量大於2500 m3/s後漫灘範圍增大，河道出現槽衝灘淤現象，斷面形態向有利方向轉化。2012年型洪水對內蒙古河段沖刷後，巴彥高勒、三湖河口水文站造床流量約為2250 m /s，頭道拐水文站約為2750 m3/s，治導線設計時可取2250 m3/s作為整治流量。

4.3.2 整治工程適應性與其作用的河勢調整規律

4.3.2.1 整治工程適應性影響

目前河床邊界條件下，水沙過程持續減小後，內蒙古遊蕩型河段可以通過水流強度的變化轉變成過渡性甚至彎曲河型。但即使是三湖河口以下的過渡性和彎曲型河段，在沙質河床條件下河槽仍橫向擺動多變，刷灘坐彎，對兩岸影響較大，尚需通過必要的河道整治過程控導河勢。儘管在河道工程較為配套的河段，整治工程對中水河勢適應性較強，控導中水流路的效果較好，且在大洪水時減輕主流對堤防的直接威脅，但不少河段的河道工程還不能適應，新修工程僅僅是對限制河槽展寬，防止灘地坍塌會起到一定的作用。新修工程較多的河段流路還需要經過較長時段的調整，只有在大中洪水期才能逐漸發揮控導河勢的作用，使河勢不斷向有利方向發展。河道工程按照“就岸防護”原則佈局的河段，上下游因缺乏有效配套工程，河勢變化又有不確定性，工程對各種水沙條件均難以穩定適應。尤其存在畸形河灣的部位，可能會出現工程脫溜現象。

4.3.2.2 整治工程作用下河勢調整規律

寧蒙遊蕩性河段自然演變遵循著由量變到質變，即緩變到突變的規律，大水趨直、小水坐彎，在遇高含沙洪水時，河道發生強烈淤積，汊河消亡，水流多由幾股集成一股，往往切割阻水洲灘，主流擺動，引起河勢大變，增加了出現“橫河、斜河”的機遇；整治工程較配套的河段，河勢變化的特殊性具體表現為：（1）在工程附近“大水取直，小水坐彎”的規律表現為“小水上提，大水下挫”；（2）限制性彎曲河道上下河彎河勢變化的關聯性增強，主流入上彎工程的靠溜部位即使有些變化，下一彎著流點基本上變化不大；（3）河道工程控制了河勢變化的範圍和規模，主流線基本在工程外包線之內；（4）河勢變化受工程平面佈局狀態影響較大，不同的工程佈局形式對工程的調整規律不同。

基於物理模型試驗結果，發現：按照“就岸防護”修建的工程，同規劃的治導線難以適應，不能達到預期效果，會出現不利的河勢發展，甚至導致某些部位出現威脅堤防的不利局面；河勢控制較好的河段往往是上游送溜工程直接挑流至下游工程的河段，甚至說只有在這種完全配套的工程約束下，上下游工程存在緊密呼應關係，河勢才會得到穩定的控制。寧蒙河段尚需修建更多的河道整治工程來控導河勢流路；若進口入流條件穩定，在2～4組河彎工程逐漸配套後的河段，河勢可得到有效控制，但隨著流量的減少，水流動力作用相應減弱，河勢隨即出現靠溜部位偏離，使下游工程對河勢的控導能力發生變化，流路總會出現偏離人們設想的治導線而呈散亂之勢，從而遵循“流性習散”的自然規律。為此，除在兩岸交錯修建工程採用彎曲性整治來控導水流外，還應該通過上游水庫加大流量工程來對河槽流路進行必要的“塑造”；儘管遊蕩性河流在沒有“束流”作用的條件下從整體上河勢散亂，但無論從天然河流還是從模型小河的具體流路上看，河槽又呈彎曲形態，從而遊蕩性河流也遵循“河性習彎”的自然規律。

4.3.3 河道治導線制定

在遊蕩特性難以改變的條件下，宜採取因勢利導的彈性治理方案。河道整治工程佈局，須從理論上尋求最穩定的流路形態，建立所選彎道主流線特徵參數同河流影響因子間的定量關係式。馬良等 根據黃河、長江等天然河流及大量模型試驗資料，在引入張紅武 彎道環流沿水深分佈公式，並假設當彎道某點環流強度為弧頂0.1倍時彎道特徵消失， 時可以概化為直河段的基礎上，最終得出

式中，L為河寬跨度 (m)；R為河灣曲率半徑 (m)；σ為正弦派生曲線的彎曲係數；w為最大值即流路與平均河谷方向所成最大夾角 (這裡取弧度)；T為振幅 (m)。使用上述治導線流路方程和制衡機制設計方法，我們對寧蒙黃河河道整治進行了佈局，如圖16所示。

圖16 黃河皮房圪旦-白音赤老河段設計治導線

4.3.4 河道輸沙特性與臨界條件

通過對物理模型試驗結果觀測和分析發現，當寧蒙黃河干流施放流量大於2000m³/s的清水時，內蒙古河段床面上粒徑0.1mm以上的沙質推移質運動有較大規模，懸移質泥沙取樣中有一定含量的粒徑大於0.1 mm的泥沙，表明床沙被沖刷的粗顆粒除一部分呈推移質運動形式外，還有一部分在近河底處呈懸移質運動狀態，易與床面泥沙發生交換。內蒙古三盛公至三湖河口河段能夠形成沖刷的臨界條件為含沙量在6 kg/m³以下的洪水流量達2400 m³/s以上且要維持10 d以上，其來沙係數閾值為0.0025 kg·s/m³；三湖河口至昭君墳河段形成沖刷的臨界條件為含沙量在5.2 kg/m³以下的洪水流量大於2500 m³/s且要維持10 d以上，其來沙係數閾值為0.0021 kg·s/m³；昭君墳至頭道拐河段形成沖刷的臨界條件為含沙量在5 kg/m³以下的洪水流量大於2600 m³/s且要維持10 d以上，其來沙係數閾值為0.0019 kg·s/m³。從上述各河段來沙係數閾值沿程減小的變化趨勢看，在內蒙古河段目前河床邊界條件下，全線沖刷要求的流量至少為2600 m³/s。說明黑山峽工程必須預留充足的水沙調控庫容。

5 寧蒙黃河調控機理

5.1 上游水庫群調節對寧蒙河道水沙過程的影響

5.1.1 水庫群調控作用與河床形態調整之間的響應機制

黃河上游龍羊峽與劉家峽水庫陸續修建並投入運用後，改變了寧蒙衝積性河段長期衝淤調整狀態。實測資料分析顯示，時間上，寧蒙下河沿—頭道拐河段長期（1952—2012年）汛期大量淤積，年均淤積量達0.418億t，且主要集中在1952—1960年、1987—1999年和2000—2012年三個時段（見圖17），相應汛期年均淤積量分別為1.111億t、0.867億t和0.224億t；而非汛期分河段看，寧夏河段為沖刷，內蒙古河段為淤積，全河段非汛期呈微衝狀態，年均沖刷0.006億t；長時期綜合來看，全年表現為淤積，年均淤積0.412億t，99%的泥沙淤積在三湖河口以下；而沖刷主要集中在非汛期，沖刷部位主要是在寧夏河段，沖刷集中時期為1961—1968年和1969—1986年。空間上，下河沿-青銅峽河段比降大，長時期河道基本能維持平衡；石嘴山—巴彥高勒河段峽谷段居多，衝淤調整量不大；青銅峽—石嘴山和巴彥高勒—三湖河口河段在年內一定時期能夠沖刷；三湖河口—頭道拐河段隨著進口（下河沿+清水河）流量的增加衝淤效率呈現淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點。

圖17 寧蒙河道不同時期衝淤量年內分佈

5.1.2 均衡輸沙條件及河床動力平衡臨界閾值

據統計，寧蒙河段當進口站（下河沿+清水河+苦水河+十大孔兌）含沙量小於7 kg/m³時，河道發生沖刷，並且隨著洪水期平均流量的增加，沖刷量明顯增大；當含沙量大於7 kg/m³時，河段淤積，並且隨著含沙量的增大，河道淤積量明顯增大；在相同含沙量條件下，隨著平均流量的增加，淤積量有所減小；隨著流量增大到2000～2500 m³/s時，河道淤積量有所減少，場次洪水平均沖刷0.026億t；當流量大於2500 m³/s時，場次洪水平均淤積量僅為0.067億t。根據長時段1952—2012年實測資料，考慮主要支流和引水引沙以及風沙等因子，以及風沙量的影響，分河段點繪來沙係數與河道衝淤量之間的關係如圖18、圖19所示。

圖18 下河沿-石嘴山河段汛期衝淤量與來沙係數關係

圖19 巴彥高勒-頭道拐河段汛期衝淤量與來沙係數的關係

5.1.3 潛發性極端條件下泥沙空間傳遞過程

關於青銅峽水庫，統計1991—2010年青銅峽水庫15場汛末拉沙資料，發現入庫含沙量平均為1.8kg/m³，出庫含沙量平均為42.4 kg/m³，出庫含沙量平均為入庫的20倍以上。同時，青銅峽—石嘴山段淤積1.40億t，平均單次拉沙引起青銅峽—石嘴山段淤積0.093億t，表明汛期排沙對青銅峽—石嘴山河段淤積影響顯著，而對石嘴山以下河道影響很小。對三盛公水庫而言，在“錯峰排沙”的運行方式下，即當石嘴山水文站含沙量達到23 kg/m³或25 kg/m³時，敞洩或降低閘前水位進行排沙，在灌溉期停灌和非灌期進行敞洩沖刷，灌溉期停灌沖刷的排沙比可達到130%以上，非灌期敞洩沖刷的排沙比可達250%。三盛公水庫排沙後，淤積主要發生在坡度較緩的巴彥高勒至喇嘛灣區間，尤以巴彥高勒—昭君墳河段最為嚴重；其它河段雖然也有一定淤積，但由於比降較大，相對來說洪水時容易發生沖刷，可及時恢復過流能力。

5.2 黃河上游水沙關鍵過程調控

5.2.1 數字流域構建基礎

降雨是水沙過程預報的重要輸入條件，降雨數據的時空分佈率顯著影響水沙過程模擬預報結果。本文采用時空降尺度方法對實際觀測的降雨數據進行加密處理，以滿足精細水沙預報的要求。其中，空間降尺度採用了屏蔽參數加權法，時間降尺度採用了基於雨強-歷時統計關係的隨機模型法。同時與TRMM衛星降雨數據進行融合，增強降雨數據的時空分辨率。從計算結果來看，該方法基本滿足場次暴雨洪水水沙過程模擬分析的要求。

模型計算單元順序表的存在和計算模式的限制使得其計算效率和適用範圍具有一定的侷限性，特別是河網很密集、複雜時系統的魯棒性降低，其單線程的計算方式也無法適應大數據時代多核計算機甚至雲計算的運用。因此需改進模型平臺的計算方法和存儲規則以提高計算效率，增加其對大範圍、具有複雜河網結構的流域水沙規律研究的適用性。

5.2.2

基於自適應動態多目標控制理論與水沙調控方法，採用模塊化開發方法集成黃河寧蒙河段數字水沙調控模型的各個功能模塊，在分佈式水文模型DWSM及河道輸沙和水庫調度模型CREST1D的基礎上建立對大規模河網流域的管理體系，實現計算機集群上的流域並行計算，最終將這些功能和模型集成在清華大學開發的數字流域平臺上，構建了寧蒙黃河流域數字流域模型平臺，並通過實例驗證平臺的有效性和適用性。

以坡面產流產沙過程和河道水沙演進過程為例，描述系統平臺的搭建過程。這兩個過程合成的核心子系統採用模塊化開發方法，主要包括數據庫模塊、河網提取模塊、計算順序提取模塊、DWSM模型模塊以及水文成果對比與顯示模塊。DWSM模型模塊是數字流域平臺的核心，主要功能是從DWSM伺服模塊接收計算需要的坡面、河道信息和下墊面泥沙、植被信息，以及邊界條件的流量、輸沙率信息，從降雨開始計算坡面的超滲和入滲，並計算形成徑流和壤中流。同時計算坡面雨滴濺蝕效應的土壤剝離率，演算坡面泥沙的輸出量，然後結合給定的邊界條件計算水流和泥沙在河道中的演進，迭代計算直至流域的出口。從結構上看，數字流域模型包括數據層、模型層和應用層，其中模型層是核心，提供適當的理論和模擬方法對流域內的徑流、泥沙、汙染物等過程進行模擬計算（見圖20）。

圖20 數字流域模型的框架結構

在黃河上游產沙、輸沙、河道演變、冰洪致災條件及水庫群調度方法等成果的基礎上，集成風-水-重力侵蝕模型、河道輸沙模型、冰情預報與水庫聯調模型，構建黃河上游區域數字流域模型平臺。優化黃河上游水庫及寧蒙河段防凌減災的調控指標，並利用創建的數字流域平臺研究多因素、多參數、多工況條件下黃河上游寧蒙河段的產輸沙規律，以及水庫調度後河道水沙條件的響應，進而依據水沙輸移目標和河道水沙響應反饋，實施水庫調度的實時過程，以確保黃河上游水沙過程目標的實現。對於冰情預報與水庫聯調模型，通過以往單獨運用的冰情預報模型、水庫防凌調度模型無縫耦合，實現寧蒙河段水庫防凌調度在冰情信息預報的支持下的動態模型。

5.2.3 寧蒙黃河場次降雨產流產沙預報

基於DEM數據和遙感影像獲取的地形與下墊面參數，本文建立了完整的寧蒙黃河產輸沙、河道衝淤、河流演變、流域模擬的預測分析平臺，解決了複雜水沙、邊界、人類活動影響下河流模擬的難題，除通過實例驗證了平臺的有效性和適用性外，還將數字流域模型在下河沿到石嘴山段進行了調試和應用。應用結果表明（見圖21），石嘴山的流量過程和輸沙率過程與下河沿的圖形基本類似，即可推測寧夏段的水沙受到上游的來水來沙影響很大。此外，汛期（7—10月）流量相對集中，輸沙率較大，其他月份水量較少，部分月份的輸沙率甚至接近於零。由此可見，黃河寧蒙河段水沙年內分配比不協調，輸沙主要集中在汛期。縱向比較發現，水沙年際變化也很明顯，輸沙率年際波動較大。由於黃河水沙的多變性和不重複性，在年與年、季與季以及地區之間來水都不同，且變化很大。然而大多數用水部門（例如灌溉、供水、航運、發電等）均要求相對固定的用水量和時間，生產生活要求難以與天然來水情況完全相適應；並且黃河水沙在年內分配的不協調性，可能會導致河道的沖刷和淤積，輸沙問題更不容忽視。為了解決水沙在時間上和空間上的重新分配問題，充分利用水資源，使之適應用水部門的要求，以及更好的協調黃河泥沙輸移問題，可在黃河上游寧蒙河段適當位置興建一些能調蓄洪水的綜合利用水庫，蓄洪補枯，蓄在水庫的一部分洪水可在枯水期有計劃地用於興利需要，使天然來水能在時間上和空間上較好地滿足用水部門以及河道輸沙的要求.

圖21 出入口斷面水沙對比分析

利用所構建的寧蒙黃河數字流域模型平臺，結合寧蒙河段的衝淤演變分析結果，對黃河上游控制性水利樞紐進行水沙調度，調節水沙關係，進而恢復下游河道衝淤平衡。發現，在當前來水來沙條件下，寧蒙黃河段處於淤積態勢。假設建立控制性水利樞紐對汛期上游來水來沙過程進行適當調節後，在不改變現有排沙量的基礎上，當下洩水量增加15%到30%時，下河沿—石嘴山河段由淤積狀態轉變成沖刷狀態；在不改變現有排洪量的基礎上，當下洩沙量減少30%到50%時，下河沿—石嘴山河段由淤積狀態轉變成沖刷狀態。

6 寧蒙黃河河道綜合治理措施

6.1 調整龍劉水庫運用方式的作用

設置龍劉水庫汛期基本不蓄水（極端情況，用於分析龍劉水庫基本不影響水沙條件或影響很小的情況下寧蒙河段的衝淤特性）和增洩（少蓄）不同水量的方案，擬定龍劉水庫汛期下洩水量較現狀運行方式分別增加10億m3、15億m3、20億m3、25億m3、30億m3、35億m 方案，各方案下水庫汛期日入庫流量分級控制原則見圖22。數學模型計算結果表明，調整龍劉水庫運用方式能在一定程度上減少寧蒙河段淤積抬升的速度，龍劉水庫汛期少蓄水40億m 年平均淤積量由現狀的0.70億t減少到0.42億t，中水河槽過流能力增加約400 m /s；但是由於龍劉水庫運用方式調整，給流域的供水、發電帶來嚴重影響，龍劉水庫汛期少蓄水40億m3多年平均供水量減少9.90億m ，特枯水年供水量減少23.70億m ，保證出力減少2245 MW，發電量減少18.68億kWh。

圖22 龍羊峽水庫汛期日入庫流量分級控制示意

6.2 黑山峽水庫不同開發方案的作用

能為上中下游水沙調控提供強大水流動力的黑山峽工程，地處甘肅、寧夏兩省區交界處，其中水利部推薦的方案為大柳樹樞紐工程，位於黑山峽出口以上2km處，是水多沙少的黃河上游最後一個可建高壩大庫的壩址。在此建造高壩後可形成大型水庫，並能長期保持巨大的有效庫容；在全河調水、調沙、調電中發揮承上啟下功能，戰略地位重要 。研究表明：黑山峽水利工程通過水庫調蓄並提高下洩水溫，使寧夏河段不再封河，基本解決內蒙古河段上段的冰塞問題，並消除洪水危害;通過對上游梯級電站反調節多發電，增加巨大效益，且使上游龍羊峽、劉家峽水庫可大膽參與水沙調控，有效增加河道內汛期的輸沙水量，對寧蒙河段及中下游河道保持久遠的調水調沙功能，有效恢復寧蒙河段行洪輸沙能力，即可扭轉黃河寧蒙河段水沙失衡及河情惡化趨勢。

從數學模型計算結果看，一級開發方案能夠明顯減輕寧蒙河段淤積，使年均淤積量由現狀的0.696億t減少至0.170億t，年均減淤量0.526億t，同時，由於黑山峽河段水庫的反調節和攔沙作用，一級開發方案的水庫在2030年建成以後，中水河槽過流能力由1500 m /s恢復到2000 m /s以上，對改善和維持寧蒙河段惡化的河道形態最為有利。

實際上，上游黑山峽、龍羊峽、劉家峽這三座大型骨幹水庫與中游古賢等骨幹工程聯合運行，在黃河主要來沙期洩放高效造床輸沙流量，促使三門峽庫尾的潼關高程降低與渭河下游溯源沖刷，減輕渭河下游嚴峻的防洪壓力，進一步再發揮三門峽水庫水沙調控作用，即可提高小浪底水庫的調水調沙效果，為黃河下游衝沙減淤提供動力條件。表明上馬古賢與黑三峽工程後，能夠“激活”三門峽工程，共同發揮調控作用。遠期黑山峽水庫作為國家‘四橫三縱’水利佈局中重要的控制性骨幹工程，能夠調節南水北調西線工程入黃水量，實現黃河流域水資源合理配置，提高調水調沙效果的可持續性，確保黃河長治久安。

黑山峽水利工程高位優勢顯著，是能夠從時空上優化配置黃河水資源、保障陝甘寧蒙相關地區生態建設和經濟社會發展的天賦寶貴資源。其中生態建設覆蓋區域涉及黃河中上游相關地區，關係到我國中東部地區的環境質量。加快黃河黑山峽河段開發利用，是有效破解本區域生態建設和經濟社會發展水資源瓶頸制約的關鍵所在。除能支撐原有的綠洲建設外，還能提高土地承載能力，接納大量生態移民；以小面積土地的開墾換取大面積土地植被恢復，實現“建設小綠洲、保護大生態”的戰略構想；通過向甘肅民勤補水，能夠實現“民勤綠洲”救護；通過人口分佈調整，促進生態系統休養生息，有效遏制沙漠擴張；提高林草覆蓋率和植被覆蓋度，構建以沿黃灌區為主、以灌區外圍生態修復區為輔的我國西北生態屏障，減少區域及京津地區沙塵天氣。

依託樞紐向甘肅中東部、寧夏中北部、陝西北部、內蒙古鄂爾多斯等我國十分重要的能源資源戰略高地供水，即可在國務院目前對於上述省區用水指標範圍內，解決區域生態建設和經濟社會發展用水的合理調配問題，為陝甘寧蒙“能源金三角”建設提供水源保證，推動資源優勢向經濟優勢轉化，實現黃河流域經濟高質量發展。隨著黃河流域成為我國新的經濟增長極的集聚效應不斷強化，能夠有效驅動“一帶”沿線的全面發展。同時，結合河段水能的開發利用，實現區域水、風、火電“打捆”外送，保障國家能源安全。

惟及早上馬黑山峽工程，黃河水沙調控體系的主要構架才能形成，調水調沙功能才會久遠，才不至於出現中游水庫死庫容淤滿後，上游可提供強大水流動力的骨幹水庫剛剛建成而難以對中下游發揮衝沙減淤功能的尷尬局面，因為如果多年後再形成的整個黃河的水沙調控體系，將會因缺乏中游水庫的配合而使調控作用明顯變小。何況水沙調控體系只有持續保持高效輸沙能力，才能提供更多的生態建設和經濟社會發展用水。

6.3 南水北調西線工程生效後對寧蒙河段的作用

南水北調西線一期工程調入水量配置主要遵循以下原則：（1）統籌考慮黃河水資源和調入水量進行統一配置。（2）統籌考慮河道外生活、生產、生態用水和河道內生態環境用水。（3）統籌考慮不同河段、不同省（區）、不同部門的用水要求。（4）統籌配置幹流和支流水資源，體現高水高用、低水低用的原則。根據西線第一期工程開發任務及受水區缺水情況，調水80億m3，綜合考慮各方面因素，將河道內配置25億m3、河道外配置55億m3方案作為推薦方案。採用寧蒙河段泥沙衝淤數學模型計算得到一級開發方案西線調水寧蒙河段年平均衝淤量，西線調水寧蒙河段河道內配置水量25億m 時，寧蒙河段為沖刷狀態，年平均沖刷泥沙約為-0.101億t。

南水北調西線一期工程生效後，通過上游龍羊峽、劉家峽、黑山峽等骨幹水庫聯合調節，增加汛期大流量過程，可使寧蒙河段由淤積轉為沖刷，中水河槽過流能力將維持在2700 m3/s左右。向黃河增水方案中，較為可行的只有水利部從長江上游或相關區域引水進入黃河上游的南水北調西線調水方案。為減少這種大規模跨流域調水工程對四川相關地區的影響，可利用西藏之水置換或補充南水北調西線工程調水區四川省所需水量，同原來南水北調西線調水方案結合起來講，即是“川水濟黃、藏水補川”方案。初期可先在昌都（瀾滄江在當地年徑流230億m3）至江達一帶溝通瀾滄江水系和金沙江水系，即不難將金沙江與雅礱江聯通，再由南水北調西線調水方案的線路，進入黃河上游支流賈曲自流入黃。

6.4 綜合治理對策

為實現減輕泥沙淤積、恢復和維持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的寧蒙黃河治理目標，目前可行的治理對策，是建立黃河上游沙源固定、支流泥沙阻截、幹流泥沙輸導與堤外淤沙處置的“固—阻—輸—置”綜合防治體系。從寧蒙河段治理的近期和長遠需求看，還需要在黑山峽河段開發工程和南水北調西線工程實施之前，繼續開展堤防和河道整治工程建設，加強水土保持建設以及局部挖河疏浚等，同時應加強多沙支流、風沙區綜合治理，減少入黃泥沙。在穩定性分汊河段、大型支流入匯段、受沙卵石河床組成限制的河段，不宜強行套用微彎型治理方案，而可採用“工程導送（簡稱為‘導’）、塞支強幹（簡稱為‘塞’）、挖引疏浚（簡稱為‘挖’）”方針，亦即“導、塞、挖並舉”的對策。“工程導送”即通過修建控導工程、險工迎溜送溜，控制主流的工程措施；“挖引疏浚”即沿整治線在過渡段淺灘開挖引槽，疏浚通道，而挖出的沙卵石儘量用來堵塞支流、串溝，加高邊灘，以利於引導水流歸入引槽；“塞支強幹”即通過工程截住支汊入口或惡化支汊的入流條件，還可採用鎖壩將支汊堵塞，儘可能將堵塞支汊的鎖壩同治導線聯繫起來，使該壩同時具有一定的導送主流的功能。以上三者相互結合，相互依託，也可稱這一整治措施為“工程送導為主、挖引疏浚與塞支強幹為輔”的方針。尤其是對於邊界複雜且必須重點整治的重要河段（如黃羊灣至泉眼山河段），更需要採取“工程送導為主、塞支強幹與挖引疏浚為輔”，可通過佈局河道整治送導工程達到主要流路按治導線的目的，以保證重要位置（如泉眼山取水部位）靠溜；通過“塞支強幹”與“挖引疏浚”這些輔助手段，作為“工程送導”的保證條件，以保證主流的分流比例，並消減多沙支流突發性洪水對溝口的影響或解決影響的補救措施。

7 結論與建議

7.1 結論

（1）從多營力侵蝕產沙的問題出發，採用宏、微觀相結合的動力學過程的研究途徑，分析風蝕嚴重的沙漠邊緣區、風成沙丘區、溝坡區在水流切割、風力掏蝕及重力作用下，發生崩坍、水流挾帶、風力再掏蝕等多變化形式，顯現風、水、重力多營力作用侵蝕的循環過程和交互、銜接作用，確定黃河上游多沙源分佈規律，對計算、觀測和試驗數據進行綜合分析，解決了寧蒙黃河沙源解析的難題，揭示黃河上游流域多營力作用下的侵蝕產沙機理和主、次因素，提煉風、水、重力侵蝕的基本規律，研究出流域風-水-重力侵蝕及泥沙輸移模擬方法，提出了一套基於不同沙源類型的風蝕輸沙通量計算方法及黃河寧蒙河段風沙入河的估算方法，建立了普適性較強的風沙動力學輸移模型，並發現近30年風速下降、區域植被覆蓋率上升是風沙侵蝕量與入黃風沙量呈逐漸減少趨勢的原因。

（2）黃土降雨侵蝕模型試驗表明，暴雨形成的徑流是黃土遭到侵蝕的主要外營力，也是激發和加劇重力侵蝕發展的重要影響因子，土體結構和臨空面高度，對發生重力侵蝕的可能性與突發性有直接影響；從空間上看，洩流溝上段以下切和溯源侵蝕為主，中段以側蝕與重力侵蝕為主，下段以堆積或衝淤交替為主；降雨侵蝕大量產沙使中下段溝道內形成高濃度泥流並奔騰而下，體現了多模式輸沙與溝道的非平衡輸沙特性，洪水流量明顯大於小流域降雨形成的徑流量，其原因是侵蝕黃土與水流共同構成了溝道的洪水流量，導致每場暴雨洪水沿溝道將大量泥沙帶入下游河流；按降雨階段看，降雨初期徑流量小，陡坡處沖溝形成後才產生溯源侵蝕，高強度降雨匯流量大，各坡面均出現侵蝕變形，陡坡洩流溝受到下切、側蝕的同時，土體在自重力作用下順坡下移，易突發重力侵蝕；降雨後期主要通過溯源侵蝕形式發展，中段沖溝仍有所衝深與展寬，下游溝道由於比降減緩而繼續淤積，體現了水流與邊界的自適應調整作用；降雨不同時期在各坡面幾乎都發生了溯源侵蝕，而重力侵蝕多是高強度降雨期發生在陡坡地段。以上述物理模型與野外觀測資料揭示的流域徑流彙集過程、溝道水流與河床自適應和非平衡輸沙機理基礎上，構建了複雜地貌形態的小流域產流產沙動力學模型，由此模擬分析了不同植被特徵和分佈狀況對流域產流產沙的影響，表明植被的減水減沙效果與延滯徑流洪峰的作用同鬱閉度呈正相關關係，陡坡區域植被對徑流洪峰的延滯作用大於緩坡區域。

（3）從流域有機構成要素間的不同物理機制、不同尺度過程間的複雜耦合及影響結果這個複雜系統角度，來研究流域內非平衡水沙運動機理；通過泥沙起動、揚動、推移質輸沙率、泥沙級配分佈、非平衡輸沙與河床均衡調整等研究進展，以黃河上游各種河型的河段泥沙運動的不同狀態為主線，分析這些狀態轉換的機理及狀態轉換對河流衝淤的影響，形成了能夠研究寧蒙黃河及其多沙支流非平衡水沙運動機理的動力學理論，為研究寧蒙黃河問題提供了理論與方法。例如，由此在工程上量化了推移質泥沙在寧蒙河段的年輸移量，確定了寧蒙沙質河段最大沖刷時床沙中徑，發現寧蒙河道通過床沙與懸沙交換可產生河床沖刷，漫灘洪水淤灘刷槽作用明顯等，且還同時豐富了河流動力學學科體系。

（4）提出了水沙兩相流數值模擬方法與沖積河流全沙運動模型相似律條件，突破了傳統數學模型適用條件苛刻的限制，克服了黃河懸移質泥沙模型不考慮推移質泥沙運動相似條件的缺陷，建立了寧蒙黃河干流動床模型、多沙支流入黃河影響河工模型與三維水沙動力學數學模型，形成了黃河寧蒙河段模擬分析平臺，為研究寧蒙黃河治理對策提供了綜合分析工具。可由此通過模擬研究，揭示出龍、劉水庫聯合運用改變徑流分配是導致寧蒙河道淤積萎縮的主因；確定了水沙調控閾值和支流入匯口防幹流淤堵的流量閾值，發現協調水沙關係是修復黃河行洪排沙功能的有效途徑，且還系統論證並優化了寧蒙河道整治佈局與防洪（凌）治理對策的工程方案，發現上下游具有呼應關係的工程控導河勢後，能形成流路順暢的平面輪廓，同時在洪水中起到護堤、護灘作用，寧蒙遊蕩型河段整治工程有效靠溜度大於80%時，河勢即可基本得到控制。

（5）針對流域下墊麵條件多樣、入黃泥沙沙源眾多、產沙模式複雜、河道輸沙及衝淤過程受水庫調度影響顯著、洪凌災害威脅大的特點，以幹流水庫群為調節器，以徑流泥沙為調節對象，採用時空降尺度方法對實際觀測的降雨數據進行加密處理，以滿足精細水沙過程預報對重要輸入條件的要求；空間降尺度採用了屏蔽參數加權法，時間降尺度採用了基於雨強-歷時統計關係的隨機模型法，同時與TRMM衛星降雨數據進行融合，增強降雨數據的時空分辨率，以滿足場次暴雨洪水水沙模擬分析的要求；基於自適應動態多目標控制理論與水沙調控方法，採用模塊化開發方法集成黃河寧蒙河段數字水沙調控模型的各個功能模塊，在分佈式水文模型DWSM及河道輸沙和水庫調度模型CREST1D的基礎上，建立對大規模河網流域的管理體系，實現計算機集群上的流域並行計算，最終集成風-水-重力侵蝕模型、河道輸沙模型、冰情預報模型於水庫聯調模型上，構建了可進行大範圍、高精度的水沙過程模擬預報的寧蒙黃河區域數字流域模型平臺，在通過DEM數據和遙感影像獲取地形與下墊面參數的基礎上，形成了完整的寧蒙黃河產輸沙、河道衝淤、河流演變、流域模擬的預測分析平臺，解決了複雜水沙、邊界、人類活動影響下河流模擬的難題，通過實例驗證了平臺的有效性和適用性，並將數字流域模型在下河沿—石嘴山河段進行了調試和應用。

（6）闡明瞭1986年以來進入寧蒙河段水沙量減少，徑流年內分配比例明顯改變，有利於輸沙的大流量顯著減少，同期區間支流來沙量總體變化不大；揭示了風沙入黃、水沙變化、水沙搭配、多沙支流風-水-重力侵蝕、水流輸沙能力等多因子共同作用下寧蒙河段淤積抬高、河道萎縮的內在機理，明確了上游龍、劉水庫聯合運用對徑流年內分配過程改變是河道淤積萎縮的主要因素；明確了青銅峽水庫汛期排沙及汛末拉沙影響集中在石嘴山以上河段，三盛公水庫排沙時影響不超過三湖河口站；分析確定了寧蒙黃河河道水沙調控閾值和多沙支流入匯口乾流防淤堵的流量閾值，即寧蒙黃河臨界調控流量宜在2000~2500 m3/s，臨界含沙量5.4~10.5 kg/m3，調控時間宜在15—20d，證實了通過協調水沙關係可修復和維持寧蒙黃河行洪排沙功能；防止多沙支流入匯堵河的黃河流量閾值為2500 m /s，治理淤堵沙壩配合“挖引疏浚”有效沖刷的閾值流量為3000 m3/s。

（7）建立了寧蒙黃河不同河段造床流量與河道整治參數的關係，發現彎曲型整治線符合水流和河床調整規律，建立了典型彎曲係數與最大夾角的表達式等輔助方程，使基於正弦派生曲線的治導線流路方程具有通用性，據此從理論上比選了寧蒙黃河河道整治工程佈局方案。

（8）針對寧蒙黃河河型複雜、凌汛期易卡冰結壩、夏季多沙支流突發性洪水易堵幹流形成“沙壩”等河情狀況，明確了減輕寧蒙河段泥沙淤積、恢復和維持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全是寧蒙黃河治理目標。提出多沙支流突發性洪水淤堵幹流形成“沙壩”災害的處治模式為“水沙調控、支流攔沙、堤外放淤”；建設黑山峽水庫、南水北調西線工程等是寧蒙河段長遠治理的根本對策，通過增加河道內汛期水量和調水調沙，恢復並維持中水河槽，提供防凌庫容，徹底解決寧蒙河段凌洪災害。且加強流域攔減泥沙、以幹流河道整治工程穩定中水流路和多沙支流綜合治理等也是解決有關問題的有效措施，以此歸納出目前可行的治理對策是建立黃河上游沙源固定、支流泥沙阻截、幹流泥沙輸導與堤外淤沙處置的“固-阻-輸-置”綜合防治體系。

（9）在穩定性分汊河段、大型支流入匯段、受沙卵石河床組成限制的河段，不宜強行套用微彎型治理方案，而可採用“工程導送（簡稱為‘導’）、塞支強幹（簡稱為‘塞’）、挖引疏浚（簡稱為‘挖’）”方針，亦即“導、塞、挖並舉”的對策。“工程導送”即通過修建控導工程、險工迎溜送溜，控制主流的工程措施；“挖引疏浚”即沿整治線在過渡段淺灘開挖引槽，疏浚通道；“塞支強幹”即通過工程截住支汊入口或惡化支汊的入流條件，還可採用鎖壩將支汊堵塞。也可稱這一整治措施為“工程送導為主、挖引疏浚與塞支強幹為輔”的方針。

（10）利用黑山峽所建高壩大庫，可通過水庫調蓄並提高下洩水溫，使寧夏河段不再封河，基本解決內蒙古河段上段的冰塞問題，並消除洪水危害;通過對上游梯

級電站反調節多發電，增加巨大效益，且使上游龍羊峽、劉家峽水庫可大膽參與水沙調控，有效增加河道內汛期的輸沙水量，有效恢復寧蒙河段行洪輸沙能力，即可扭

轉黃河寧蒙河段水沙失衡及河情惡化趨勢；上游這三座大型骨幹工程與中游古賢等骨幹工程聯合運行，在黃河主要來沙期洩放高效造床輸沙流量，促使三門峽庫尾的潼

關高程降低與渭河下游溯源沖刷，減輕渭河下游嚴峻的防洪壓力，再進一步發揮三門峽水庫泥沙調控作用，即不難提高小浪底水庫的調水調沙效果，為黃河下游衝沙減

淤提供動力條件。

7.2 建議

（1）寧蒙黃河治理對策的許多研究內容已在河道整治工程佈局與防洪工程建設中應用，而且近幾年寧蒙河段洪水輸沙與河床沖刷等方面的表現頗為一致。不過，由於寧蒙河段水沙條件複雜，影響寧蒙河段河道淤積的原因眾多，必須要通過大量的數據積累、整理、分析，才能摸透、掌握河道衝淤演變規律，建議加強河道斷面、支流水沙、入黃風沙等基礎資料監測工作，為深入研究河道衝淤演變規律，支撐防凌、防洪工程規劃、設計提供基礎支撐。

（2）寧蒙河段治理基礎薄弱、欠賬多，應繼續加強堤防工程和河道整治工程建設。從長遠考慮，建議加快推進大柳樹水庫與南水北調西線工程建設，並實施“川水濟黃、藏水補川”方案，利用西藏之水置換或補充其調水區所需水量，對黃河寧蒙河段及中下游河道保持久遠的調水調沙功能，保證黃河長治久安的同時實現戰略性水資源科學配置，解決黃河與華北地區水資源短缺問題。

基金項目：

國家重點研發計劃項目“黃河下游河道與灘區治理研究”（2016YFC0402500）;

寧夏與內蒙古自治區水利廳聯合資助攻關項目（20110510);

水利水電技術

水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。

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