江恩慧

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部 黃河泥沙重點實驗室， 河南 鄭州 450003；3.河南省湖庫功能恢復(fù)與維持工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450003)

黃河是世界上最為著名的多沙河流，因“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”而成為世界上 最為復(fù)雜、最難治理的河流。由于巨量泥沙的不斷堆積，黃河下游才成為舉世聞名的地上懸河，黃河下游洪災(zāi)也因而成為中華民族的心腹之患。另外，突出的泥沙問題使黃河嚴(yán)峻的水資源形勢更加嚴(yán)峻，水資源的嚴(yán)重短缺又進一步加劇了黃河泥沙問題的復(fù)雜性和嚴(yán)重性。泥沙淤積一直是困擾河道防洪安全、水庫正常運行和有效庫容長久維持、灌區(qū)安全運行的關(guān)鍵性技術(shù)難題。因此，泥沙問題始終是黃河治理開發(fā)、保護與管理要面對的首要問題。2019年9月18日習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展會議講話中提出要“保障黃河長治久安”的目標(biāo)時，明確指出：“黃河水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，是黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)所在”，并強調(diào)：要保障黃河長久安瀾，必須緊緊抓住水沙關(guān)系調(diào)節(jié)這個“牛鼻子”。習(xí)總書記的講話給黃河泥沙研究以極大的鼓舞并且指明了方向。

自1946年人民治黃70多年以來，黃河泥沙研究相繼得到了國家政府和多方面人士的高度關(guān)注，也吸引了大量的研究人員殫精竭慮地潛心鉆研，取得了豐碩的成果。隨著當(dāng)前全球氣候變化和區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，黃河防洪安全遇到新問題和更高的要求, 黃河水資源的供需矛盾更加突出，黃河泥沙研究也迎來新的挑戰(zhàn)。本文從黃河水沙情勢變化、黃河水沙運動基礎(chǔ)研究、黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)、河床演變與河道整治、以及黃河下游河道灘槽協(xié)同治理、泥沙綜合處理與利用方略等方面，總結(jié)了幾十年來黃河泥沙重大科技進展，提出在新情勢下黃河泥沙需要進一步研究的問題。

1 黃河水沙變化研究重大科技進展與趨勢

1.1 黃河水沙變化情勢研究

黃河水沙變化情勢是治黃戰(zhàn)略決策、治理工程布局和工程實踐的前提條件。黃河水沙變化始終是人們關(guān)注的焦點問題之一。自20世紀(jì)80年代開始，針對黃河水沙變化的成因、水沙變化的特性和規(guī)律，以及對水沙變化發(fā)展趨勢的預(yù)測等方面，國家相繼組織各層面人才，設(shè)立大量科技項目圍繞上述問題開展研究。早期項目有：黃河流域水?？蒲谢痦椖俊⑺奎S河水沙變化研究基金項目、國家自然科學(xué)基金重大項目“黃河流域環(huán)境演變與水沙運行規(guī)律研究”、“八五”國家重點科技攻關(guān)計劃項目“黃河治理與水資源開發(fā)利用”、“九五”國家科技攻關(guān)計劃項目“黃河中下游水資源開發(fā)利用及河道減淤清淤關(guān)鍵技術(shù)研究”，以及近期的“十一五”國家科技支撐計劃課題“黃河流域水沙變化情勢評價研究”，“十二五”國家科技支撐計劃項目“黃河中游來沙銳減主要驅(qū)動力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”。2013年—2014年，黃委會與中國水科院聯(lián)合進行“黃河水沙變化研究”。通過以上項目的實施，對黃河水沙變化成因進行了全面系統(tǒng)的研究，闡述了黃河流域水沙變化規(guī)律，也預(yù)測了未來若干年黃河水沙變化情勢。

1.2 取得的共識與差異及研究趨勢

黃河水沙變化研究一直是黃河治理的焦點和難點問題。很多研究人員都試圖對未來黃河水沙變化趨勢做出定量預(yù)測，但由于黃河流域不斷變化的來水來沙條件使得黃河來水來沙環(huán)境復(fù)雜，致使水沙變化的趨勢受很多不確定性因素的影響，同時不同研究人員采用的水沙預(yù)測的方法也不同，從而導(dǎo)致學(xué)者們對水沙預(yù)測的結(jié)果差異較大[1-7]。目前針對黃河水沙變化的研究，定性上存在共識，定量上存在差異。在共識方面，即在黃河水沙成因的定性描述方面存在共識，研究者們一致認(rèn)為是由黃河流域氣候條件和流域環(huán)境的變化、干支流水庫和大壩的不斷修建等人類活動影響，以及為了發(fā)展流域社會經(jīng)濟而對資源的過度開發(fā)等因素共同促使黃河流域的水沙條件產(chǎn)生了變化。

而黃河水沙作為一個動態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，在未來水沙量的分配上存在差異，這是因為利用不同方法對黃河水沙未來變化趨勢預(yù)測結(jié)果不同，或即使用同一種方法由于基本參數(shù)難以確定，預(yù)測計算結(jié)果也可能有較大差異?！鞍宋濉逼陂g，國家重點科技攻關(guān)計劃項目“黃河治理與水資源開發(fā)利用”對黃河流域的來沙情況進行了預(yù)測，指出2020年黃河流域多沙粗沙區(qū)在豐水年的輸沙量(20.52億t)大致是平水年(10.31億t)的2倍，平水年的輸沙量(10.31億t)大致是枯水年(5.44億t)的2倍[4]?！笆晃濉逼陂g，姚文藝等[8]對黃河流域未來30 a—50 a的水沙變化趨勢進行預(yù)測。指出2030年花園口水文站年來水量和年輸沙量分別為236 億m3～244 億m3、8.61億t～9.56億t，2050年花園口水文站年來水量和年輸沙量分別為234億m3～241億m3、7.94億t～8.66億t?！笆濉逼陂g，黃委會劉曉燕等[9]認(rèn)為黃河中游潼關(guān)站來沙量在2030年—2050 年為0.7億t～1.0億t，2060 年以后，潼關(guān)年均來沙量為4.5億t～5.0億t；如果黃河流域主要產(chǎn)沙區(qū)發(fā)生極端條件(如普降高強度暴雨)，則潼關(guān)來沙量可達(dá)到16億t。胡春宏等[4,10]認(rèn)為：隨著水保政策的持續(xù)實施，今后黃河流域來水量和來沙量將繼續(xù)減少，但不會無限減少，會逐漸趨于穩(wěn)定，預(yù)測在未來的50 a—100 a，潼關(guān)水文站年平均水量保持在210億m3/a左右，年平均輸沙量保持在3億t/a左右。

針對黃河水沙復(fù)雜的變化情況，我們必須運用科學(xué)的方法對黃河水沙變化的內(nèi)在規(guī)律進行研究，建立新的合理的方法對未來黃河水沙變化趨勢進行預(yù)測[11]。因此我們需從機理上對以下問題開展深入系統(tǒng)的研究：黃土高原水土流失嚴(yán)重區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)，黃土高原水土保持措施減沙作用可持續(xù)維持技術(shù)等等，這些都是目前急需從科學(xué)和技術(shù)層面盡快解決的重要問題，進而為制定新的黃河治理方略提供支撐[12]。

2 黃河水沙運動基礎(chǔ)研究重大進展與趨勢

泥沙運動是一門基礎(chǔ)性技術(shù)學(xué)科，主要研究泥沙顆粒在水流、重力等各種作用下的沖刷、搬運和沉積過程。在多年的河流治理中，河流治理工程實踐促進了泥沙學(xué)科的發(fā)展，泥沙學(xué)科基礎(chǔ)理論的發(fā)展又進一步促進了河流實際工程實踐的進步。隨著治河工作的不斷開展，泥沙基礎(chǔ)理論研究得到了進一步的發(fā)展和完善。尤其是由于科學(xué)技術(shù)的進步，治黃工作也更加科技化和精細(xì)化，在前人基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上，取得了一系列先進性的理論成果，如強不平衡輸沙理論、極細(xì)沙減阻及洪峰增值機理、高含沙洪水“揭河底”沖刷機理等研究，近些年還出現(xiàn)泥沙學(xué)科與水生態(tài)，水環(huán)境等學(xué)科的交叉研究，拓展了泥沙學(xué)科理論的范圍，為解決治黃工作中的新問題提供強有力的理論支撐[13]。

2.1 強不平衡輸沙理論研究

強不平衡輸沙在黃河上主要有兩個突出的問題，一是高含沙洪水的強烈淤積，二是水庫運用初期黃河下游河道的清水沖刷。這兩個突出的問題嚴(yán)重影響著黃河下游防洪安全、生態(tài)安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水等方面。針對長期以來黃河下游河道存在的不平衡輸沙問題，韓其為等[14]結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值計算等方法，研究了不平衡沙含沙量的垂線分布規(guī)律；江恩慧等[15]針對黃河下游游蕩型河道治理模式，開展了下游河道的均衡輸沙，提出黃河下游河道均衡輸沙的水沙調(diào)控指標(biāo)，驗證了“微彎型”河道整治方案對下游河道均衡輸沙是極為有利的。

在利用數(shù)學(xué)模型提高對強不平衡輸沙模擬精度方面，韓其為等[14]建立了不平衡輸沙含沙量垂線分布的指數(shù)公式和冪函數(shù)公式；趙連軍等[16]引入粒徑概念，首次提出了“含沙量與顆粒級配的垂線分布關(guān)系式”的理論公式，解釋了不同粒徑在不平衡輸沙條件下沿垂線的分布規(guī)律，建立了懸移質(zhì)泥沙沿垂線方向的分布公式，以及在高含沙水流條件下水流的流速、含沙量以及紊動強度等因子沿垂線分布的理論公式，給出黃河“粗泥沙”粒徑的判別方法。

2.2 洪峰增值及極細(xì)沙減阻機理研究

在2004 年黃河汛前調(diào)水調(diào)沙期間，隨著小浪底水庫異重流排沙出庫，黃河下游出現(xiàn)了明顯的“洪峰增值”現(xiàn)象，洪峰流量由小浪底站的2 680 m3/s增大到花園口站的3 990 m3/s，在當(dāng)時下游河道河槽過流能力依然較弱的情況下引起了社會的廣泛關(guān)注。江恩慧等[17]針對黃河下游“04.8”洪水的洪峰增值現(xiàn)象，探討了洪峰增值的水動力學(xué)機理，認(rèn)為小浪底水庫異重流排出的極細(xì)高含沙洪水在下游河道輸移過程中引起河道糙率變小，從而造成洪峰增值。李國英[18]對2004年—2006年小浪底水庫異重流排沙期間黃河下游出現(xiàn)的洪峰增值現(xiàn)象進行分析，也認(rèn)為河道糙率減小是引起洪峰增值的主要原因。Wang等[19]借助波動失穩(wěn)理論，指出洪峰增值是洪水動力波在高傅汝德數(shù)情況下的失穩(wěn)現(xiàn)象。上述研究成果在近些年的調(diào)水調(diào)沙實踐中被黃委采納，為黃河制定防洪決策提供重要理論支撐。

2.3 高含沙洪水“揭河底”沖刷機理

“揭河底”是黃河特有的百年奇觀，因其特殊的物質(zhì)組成和造床過程，形成了黃河上典型的河床劇烈沖刷現(xiàn)象。韓其為[21]通過分析土塊的起動流速、上升運動、露出水面條件以及下降和沿縱向的運動，通過力學(xué)分析，建立了黃河揭河底沖刷的土體臨界條件和土體運動方程；江恩慧等[22]通過多年的系統(tǒng)研究，在大量原型測驗資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合概化模型試驗，通過系統(tǒng)的力學(xué)分析，對“揭河底”沖刷期河道斷面形態(tài)調(diào)整過程以及洪水位的變化進行了研究。提出了“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的條件，分析了構(gòu)成揭河底河床的淤積結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了“揭河底”現(xiàn)象沖刷時的物理圖形，首次利用室內(nèi)試驗?zāi)M“揭河底”現(xiàn)象，創(chuàng)造性地利用瞬變流模型建立了“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的臨界判別指標(biāo)。通過模型試驗，剖析了“揭河底”發(fā)生時的工程出險機理，提出了適用于“揭河底”發(fā)生河段的工程防護措施和相應(yīng)對策。該項研究具有較大的理論突破，其研究內(nèi)容不僅豐富了多沙河流河床演變的基礎(chǔ)理論研究，同時還為預(yù)測自然界“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生提供理論和技術(shù)支撐。

2.4 床面形態(tài)對水流阻力及泥沙輸移的影響機理

床面形態(tài)是沖積河流水動力結(jié)構(gòu)及泥沙輸移過程中的主要影響因素。目前，國內(nèi)外已開展了大量床面運動的室內(nèi)水槽實驗，并進行了恒定流條件下床面形態(tài)的變化過程、不同床面形態(tài)的阻力及泥沙輸移特征、穩(wěn)定床面形態(tài)的判別等方面的研究[23-24]。Nordin等[25]及Pratt等[26]還采用能量頻譜的方法，研究了室內(nèi)實驗沙壟及沙紋床面高程沿水流方向的頻譜特征、典型波長沙波的運動周期等。Verbank[27]結(jié)合聲學(xué)諧振原理，提出了床面形態(tài)控制數(shù)概念，可進行床面形態(tài)判別及形態(tài)阻力的定量計算。張原鋒等[28]基于床面形態(tài)控制數(shù)理論，結(jié)合水槽試驗成果，分析了床面形態(tài)控制數(shù)與不同床面形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，提出了床面形態(tài)參數(shù)；結(jié)合黃河下游實測資料，建立了床面形態(tài)判別方法，研究認(rèn)為床面形態(tài)控制數(shù)能夠反映高、低能態(tài)區(qū)的水流阻力特征；文獻(xiàn)[29-30]還基于旋渦流的運動特征和床面形態(tài)控制數(shù)，建立了水流阻力和床面形態(tài)運動間的關(guān)系，結(jié)合Bagnold泥沙懸浮效率的概念，提出了床沙質(zhì)輸沙能力公式，其能夠反映床面形態(tài)由低能態(tài)到高能態(tài)區(qū)的發(fā)展過程。該研究在輸沙能力公式中引入床面形態(tài)控制參數(shù)是一種新的嘗試。同時，隨著單波束及多波束測深技術(shù)的發(fā)展，世界大河沙壟幾何形態(tài)的野外觀測有了顯著進展，研究者們相繼開展了野外河流非恒定流條件下沙壟特征及動態(tài)過程等研究[31-35]。

2.5 泥沙學(xué)科與其他學(xué)科交叉新發(fā)展

(1) 環(huán)境泥沙研究方面。水利工程的建設(shè)和運行將導(dǎo)致水沙過程和河床演變發(fā)生不同于天然情況下的變化。這些變化還引起了河流中水、沙、營養(yǎng)鹽之間的分配關(guān)系發(fā)生變化，從而導(dǎo)致床面生物膜、浮游動植物、底棲動物以及水生植物等相應(yīng)隨之改變。根據(jù)實測資料表明，水沙關(guān)系的變化會引起水生態(tài)環(huán)境的明顯變化。關(guān)于這方面的研究，方紅衛(wèi)等[36]提出了生態(tài)河流動力學(xué)的概念及理論框架，對水沙輸移及微地形演變的物理過程、營養(yǎng)鹽和污染物質(zhì)隨泥沙輸移的化學(xué)過程、以及水體中及床面處各類生物過程對于水沙輸移及微地形演變的響應(yīng)等研究均進行梳理，探討了水沙輸移與河流生物化學(xué)過程之間的相互耦合關(guān)系，指出了生態(tài)河流動力學(xué)研究所面臨的多學(xué)科交叉、多尺度耦合等方面的挑戰(zhàn)。

(2) 河流物質(zhì)通量研究方面。河流是水沙等物質(zhì)、能量傳輸?shù)闹匾窂剑Ｎ镔|(zhì)通量的運行能夠促使河流健康。河流物質(zhì)通量主要關(guān)注河流中的多種物質(zhì)運動及其帶來的效應(yīng)變化，包含碳、氮、磷等主要離子和污染物。河流通量的顯著變化還會誘發(fā)一系列問題，如促使河流功能受損，加速河流系統(tǒng)惡性循環(huán)，致使河流斷流或功能性斷流，甚至出現(xiàn)小水大災(zāi)、河流污染物通量增大等嚴(yán)峻形勢。胡春宏[12]認(rèn)為，進行系統(tǒng)的河流物質(zhì)通量研究，將促進泥沙學(xué)科與生態(tài)環(huán)境、地貌學(xué)、水文學(xué)等學(xué)科的深層次交叉，有助于進一步完善泥沙基礎(chǔ)理論體系。針對黃河流域，應(yīng)開展黃河干支流全物質(zhì)通量調(diào)控體系優(yōu)化布局及運用機制，以及干流全物質(zhì)通量各要素耦合響應(yīng)機制與年度調(diào)控過程等方面研究。

3 黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)研究重大進展與趨勢

3.1 黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)研究及新進展

水沙調(diào)控是解決黃河水沙不協(xié)調(diào)的關(guān)鍵手段。我國很早就對水庫泥沙調(diào)度展開研究。早在20世紀(jì)50年代的官廳水庫[37]、到20世紀(jì)60年代的三門峽水庫[38]，再到不平衡輸沙基礎(chǔ)理論[39-42]、高含沙水庫異重流研究[15,43-44]、下游河道河床演變與整治[45-47]、多沙河流水庫泥沙數(shù)學(xué)模型[48-50]與實體模型模擬技術(shù)[51-52]等方面均取得了顯著進展。

自1955年，治黃專家王化云提出“寬河固堤”方略開始，后續(xù)根據(jù)不同時期治黃需要，相繼提出了“寬河固堤”“蓄水?dāng)r沙”“上攔下排、兩岸分滯”等一系列水沙調(diào)控思路[53]；錢寧[54]指出在治理多沙河流時，不僅要改變河流的邊界條件，還應(yīng)利用上游水庫，合理調(diào)節(jié)水沙過程，便于下游河道有利發(fā)展。王士強[55]、李國英[56]提出利用水庫群聯(lián)合調(diào)度的方式，通過人工塑造異重流，加大小浪底水庫的排沙量。同時指出只要突破塑造水庫異重流、確立河道水沙關(guān)系和遏制洪峰增值這三大技術(shù)，調(diào)水調(diào)沙便可有效遏制黃河下游的河道淤積[57]。江恩惠等[58]根據(jù)George提出的水庫保護模式概念，考慮應(yīng)用壽命周期模式提出了對三門峽水庫可持續(xù)管理的建議和意見，指出通過調(diào)度黃河上游和渭河上的水庫，調(diào)整有利的水沙條件形成人造洪峰可降低潼關(guān)高程。胡春宏等[59-60]提出水庫“蓄清排渾”運用方式有效減輕了水庫泥沙淤積問題，并進一步提出了三峽水庫和小浪底水庫等運行方式進一步優(yōu)化的建議。談廣鳴等[61]運用動態(tài)規(guī)劃的方法構(gòu)建了基于水庫-河道耦合關(guān)系的水庫水沙聯(lián)合調(diào)度模型，并將該模型成功應(yīng)用到小浪底水庫的水沙聯(lián)合調(diào)度中，該研究為多沙河流水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度提供了新的思路和理論依據(jù)。

江恩慧團隊目前正在開展的十三五國家重點研發(fā)計劃“黃河干支流骨干樞紐群泥沙動態(tài)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)”，從構(gòu)建黃河泥沙動態(tài)調(diào)控的系統(tǒng)理論，闡明水庫泥沙高效輸移機制，揭示下游河流系統(tǒng)對泥沙動態(tài)調(diào)控的多過程綜合響應(yīng)機理，提出黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模式與技術(shù)，建設(shè)黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模型與智慧決策平臺等5個方面進行內(nèi)容。

3.2 新形勢下黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)的發(fā)展趨勢

進入21世紀(jì)，黃河水沙條件發(fā)生了深刻變化，黃河水沙調(diào)控體系初步建成。特別是隨著綜合國力的提升和國家區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略、生態(tài)安全戰(zhàn)略的推進，黃河流域“防洪安全-社會經(jīng)濟發(fā)展-生態(tài)環(huán)境改善”之間的關(guān)系亟待平衡與協(xié)調(diào)。在此背景下，黃河泥沙調(diào)度應(yīng)在空間上覆蓋全流域、功能上覆蓋全維度，時間上覆蓋短、中、長期，以實現(xiàn)黃河流域全河“行洪輸沙-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境”多功能協(xié)同發(fā)展為目標(biāo)，建立全流域完整的泥沙動態(tài)調(diào)控理論、技術(shù)與工程體系[62]。鑒于此，我們應(yīng)對黃河流域進行系統(tǒng)治理，應(yīng)用系統(tǒng)論思想方法，開展黃河流域水沙聯(lián)合調(diào)控系統(tǒng)理論與技術(shù)，黃河下游河道與灘區(qū)綜合治理提升工程與技術(shù)，基于水庫長期有效庫容維持的泥沙資源利用關(guān)鍵技術(shù)與裝備等方面研究。

4 河道綜合治理理論與技術(shù)研究重大進展與趨勢

4.1 黃河下游河道整治研究進展

黃河下游游蕩段主槽寬淺散亂、擺動頻繁，河勢演變具有多變性和復(fù)雜性，河道強烈游蕩的特性嚴(yán)重威脅著黃河下游的防洪安全。新中國成立以來，國家和各級人民政府非常關(guān)注黃河的治理鞏工作，持續(xù)投入一系列人力、物力和財力修建了大量的河道整治工程和進行了一系列治黃研究。

在黃河下游河床演變方面，錢寧等[63]、龍毓騫[64]和胡一三[65]老一代先驅(qū)學(xué)者對多沙河流河床演變等基本理論開展了不懈的研究，其研究成果對治黃戰(zhàn)略的決策做出了重要貢獻(xiàn)。在黃河下游河道治理方面，謝鑒衡[66]指出要遵從黃河下游河道自身演變規(guī)律進行治理，通過小浪底水庫的攔粗排細(xì)功能，調(diào)整出庫水沙搭配比例；擴大黃河河口三角洲的面積以保證黃河山東段河床不抬升；利用大壩進行大范圍的引黃放淤，以此改善黃河下游整個河道的來水來沙條件；針對黃河河南段的淤積問題，可對河道主槽的橫斷面進行調(diào)整，并降低河床糙率。國家“八五”攻關(guān)計劃期間，胡一三等[45]對黃河下游游蕩段河道的河勢演變規(guī)律進行了系列研究，對黃河下游過渡段河道(高村至陶城鋪)以及黃河山東段的河道整治經(jīng)驗進行總結(jié)，展望并提出了針對黃河下游游蕩段河道的整治措施。在國家“九五”“十五”攻關(guān)計劃期間，江恩慧等[67]結(jié)合大量原型實測資料，通過系列的室內(nèi)模型試驗，對難以進行工程布局的黃河下游河道段進行工程布局試驗?zāi)M研究，其成果為黃河下游游蕩段河道的治理提供了理論和技術(shù)支撐。

2016年江恩慧負(fù)責(zé)的國家基金重點項目“游蕩型河道河勢演變與穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論”，引入系統(tǒng)理論與方法，結(jié)合協(xié)同理論和突變理論，揭示游蕩性河道有限控制邊界對河勢演變的作用機理，探討水沙動力與有限控制邊界的和諧效應(yīng)及工程布局模式，提出游蕩性河道河勢穩(wěn)定控制的技術(shù)方法，凝煉形成“游蕩性河道河勢演變與穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論”。該項目將有力地推動游蕩型河道河勢演變研究從“定性”到“定量”、河道整治效果從“游蕩擺動”到“相對穩(wěn)定”的跨越，有效地促進河床演變與河道整治學(xué)科的發(fā)展?！笆濉逼陂g，江恩慧負(fù)責(zé)的國家科技支撐計劃課題“黃河下游寬灘區(qū)滯洪沉沙功能及灘區(qū)減災(zāi)技術(shù)研究”，在理論、技術(shù)和應(yīng)用等方面分別對黃河下游灘槽協(xié)同治理理論與技術(shù)進行創(chuàng)新[68]。首次從理論層面揭示了灘槽水沙交換機理及漫灘洪水水沙運移與灘地淤積形態(tài)調(diào)整的互饋機制，量化了寬灘區(qū)不同運用方式對寬河段及山東窄河段的影響，提出了寬灘區(qū)灘槽水沙優(yōu)化配置方案，構(gòu)建了下游寬灘區(qū)滯洪沉沙功效二維評價指標(biāo)體系和評價模型，提出了可兼顧下游防洪與灘區(qū)可持續(xù)發(fā)展的洪水泥沙調(diào)控模式與綜合減災(zāi)措施。

4.2 黃河河道綜合治理發(fā)展趨勢

習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會時指出，“洪水風(fēng)險依然是流域的最大威脅”，“下游防洪短板突出”，在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)任務(wù)中，“保障黃河長治久安”占據(jù)著很突出的位置。同時強調(diào)，“上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃”“黃河生態(tài)系統(tǒng)是一個有機整體”“要更加注重保護和治理的系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性”“要堅持山水林田湖草綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，統(tǒng)籌推進各項工作，加強協(xié)同配合，推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展”，為今后黃河流域綜合治理指明了方向。

總書記的講話既一針見血地指出了目前黃河下游存在的問題，同時也為今后黃河流域的綜合治理指明了方向，其充分體現(xiàn)了系統(tǒng)論的思想方法。黃河是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，治理黃河是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。無數(shù)的歷史經(jīng)驗教訓(xùn)告訴人們：“治河息息相通，牽一脈而動全體”。因此，無論黃河治理的整體戰(zhàn)略、實施方案，還是不同河段的治理方略、工程布局，抑或是單一工程的具體設(shè)計、運行管理，在其規(guī)劃、可行性研究、實施的各個階段，都必須以系統(tǒng)論思想方法為統(tǒng)領(lǐng)，把黃河流域作為一個有機的復(fù)合系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮。針對黃河流域系統(tǒng)治理這個命題，黃河流域系統(tǒng)可劃分為干支流河流子系統(tǒng)、區(qū)域社會經(jīng)濟子系統(tǒng)、流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)三大子系統(tǒng)。黃河流域的系統(tǒng)治理要以河流基本功能維持、區(qū)域社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、流域生態(tài)環(huán)境有效保護三維協(xié)同為整體治理目標(biāo)，定量研究黃河流域綜合治理的整體布局及不同治理措施之間的博弈協(xié)同效應(yīng)[69]。

按照系統(tǒng)理論概念，將黃河下游河道系統(tǒng)定義為“以水沙輸移、床岸組成和涉水工程為物理基礎(chǔ)，以水沙資源開發(fā)利用和合理配置為核心，以河流基本功能維持(行洪輸沙)、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境有效保護等為最終目標(biāo)的復(fù)合系統(tǒng)”。該系統(tǒng)將河流水沙輸移、經(jīng)濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境要素等視為一個整體，其核心理念是保障河流行洪輸沙基本功能、支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、維持生態(tài)環(huán)境健康[70]。今后應(yīng)利用系統(tǒng)論思想和方法進行黃河下游河道灘槽協(xié)同治理研究，探索系統(tǒng)內(nèi)多目標(biāo)之間的協(xié)同發(fā)展和整體最優(yōu)。

5 黃河泥沙綜合處理與利用方略研究重大進展與趨勢

新中國成立以來，黨和政府高度重視黃河的治理問題，眾多科技工作者圍繞黃河泥沙處理與利用問題一直孜孜不倦地進行著研究和實踐，在不同時期形成了不同的治理方略。從建國初期的“除害興利、蓄水?dāng)r沙”，發(fā)展到1964年的“上攔下排”治河思想，再到20世紀(jì)90年代逐步形成了“攔、排、放、調(diào)、挖”處理與利用泥沙的綜合治理措施。從以上治黃方略可以看出，對于泥沙的處理都是基于泥沙的災(zāi)害屬性，而對泥沙的資源屬性認(rèn)識不足。進入21世紀(jì)，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步，在國家生態(tài)文明和鄉(xiāng)村振興等戰(zhàn)略指引下，泥沙作為一種可利用的資源已被越來越多的人認(rèn)識、接納和重視，黃河泥沙的資源屬性和經(jīng)濟價值逐漸凸顯。2013 年《黃河流域綜合規(guī)劃(2012年—2030年)》將“攔、排、放、調(diào)、挖”泥沙綜合治理策略修編為“攔、排、調(diào)、放、挖”的同時，同時首次明確提出了“泥沙資源利用”。

水利部、黃委會以及河南省和山東省政府都高度重視黃河泥沙處理與資源利用工作。2006年黃委會召開的“黃河小浪底水庫泥沙處理關(guān)鍵技術(shù)及裝備”研討會，拉開了21世紀(jì)黃河泥沙資源利用研究的序幕。2012年成立“黃河泥沙處理與資源利用工程技術(shù)中心”，中心主任江恩慧帶領(lǐng)整個研究團隊，通過科技部研發(fā)專項、水利部公益性行業(yè)專項、水利部科技推廣項目，黃委會防汛項目，小浪底監(jiān)管局專項等，對黃河深水水庫泥沙取樣技術(shù)、深水水庫泥沙處理技術(shù)、管道輸沙技術(shù)、泥沙資源利用技術(shù)與裝備等進行了持續(xù)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果，形成了“測-取-輸-用-評”黃河泥沙資源利用全鏈條技術(shù)，對黃河泥沙資源利用起到了技術(shù)示范和引導(dǎo)作用，達(dá)到了控制泥黃河沙資源利用的風(fēng)險、發(fā)揮黃河泥沙資源的優(yōu)勢、彰顯黃河泥沙利用的社會效益和經(jīng)濟效益、引導(dǎo)更廣泛的社會力量參與其中、有效減輕黃河泥沙淤積、促進黃河長治久安的目標(biāo)，為黃今后河泥沙的大規(guī)模資源利用奠定了基礎(chǔ)[71-73]。

對泥沙進行資源的利用，也就是對泥沙進行空間優(yōu)化配置。近期具有代表性的成果是胡春宏院士的“十一五”國家科技支撐計劃，該項目預(yù)測了黃河泥沙變化的趨勢，構(gòu)建了黃河泥沙空間優(yōu)化配置的總體框架，提出了泥沙優(yōu)化配置理論方法年研發(fā)了黃河泥沙空間優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型[74]；通過實測資料分析和數(shù)學(xué)模型計算，系統(tǒng)研究了2050年以前不同水沙系列條件下黃河干流泥沙空間優(yōu)化配置的潛力和能力以及經(jīng)濟投入指標(biāo)[75]；提出了黃河干流泥沙在未來不同時期內(nèi)的配置模式和配置方案[76]。

6 結(jié) 語

綜上所述，黃河泥沙研究為黃河下游防洪安全和流域社會經(jīng)濟的發(fā)展做出了極其重要的貢獻(xiàn)。2019年9月18日，習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上對新中國成立以來黃河治理取得的巨大成就給予了肯定，同時也對黃河治理提出了新要求，將黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提升到國家重大戰(zhàn)略的重要地位。近年來，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、生態(tài)安全戰(zhàn)略等的推進實施，國家在新時期新情勢下對泥沙研究賦予了新的使命。針對黃河流域當(dāng)前存在的問題，亟需我們對黃河水沙變化成因及趨勢進行深入研究和定量判斷，進行流域生態(tài)環(huán)境保護與治理，加強黃河水沙運動基礎(chǔ)研究，進行符合新情勢下的黃河水沙調(diào)控理論與技術(shù)研究，應(yīng)用系統(tǒng)論思想，進行黃河下游河道進行灘槽協(xié)同治理，通過持續(xù)性的成套技術(shù)集成和系列裝備研發(fā)進行泥沙資源利用，以加強黃河流域生態(tài)環(huán)境保護，保障黃河長治久安，讓黃河成為造福人民的幸福河。