陳蘊(yùn)真　李軍華　江恩慧

關(guān)鍵詞：河道治理;千年藍(lán)圖;河流地貌學(xué);復(fù)雜響應(yīng);改道;黃河下游

中圖分類號：TV85;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.007

引用格式：陳蘊(yùn)真，李軍華，江恩慧.將地貌學(xué)應(yīng)用于黃河下游河道治理長遠(yuǎn)決策的建議[J].人民黃河，2022，44（3）：32-39.

1引言

治黃的首要任務(wù)是確保黃河下游防洪安全。習(xí)近平總書記指出“保護(hù)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計(jì)”，意味著黃河下游河道治理要突破“水利工程是百年大計(jì)”的傳統(tǒng)觀念，要敢于謀劃千年藍(lán)圖，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)雙贏，促進(jìn)流域可持續(xù)發(fā)展。

河流地貌學(xué)研究的時(shí)間尺度可達(dá)數(shù)千年，關(guān)注洪水事件、氣候變化和人類活動(dòng)對水沙運(yùn)行及地貌演化的影響，致力于提升防災(zāi)減災(zāi)能力，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，在歐美國家，越來越多的地貌學(xué)家為河流修復(fù)提供咨詢服務(wù)，參與河流修復(fù)工程設(shè)計(jì)。1986年英格蘭及威爾士環(huán)境署僅有1位全職地貌學(xué)家，2010年后全職地貌學(xué)家數(shù)目不斷增加，2019年已達(dá)35位[1]。

本文以地貌系統(tǒng)演化的復(fù)雜性理論為指導(dǎo)，思考黃河下游河道長治久安的策略。首先簡述河流地貌學(xué)的發(fā)展史、研究內(nèi)容、學(xué)科特色及其關(guān)注的治河問題，提出適用于黃河下游河道治理的應(yīng)用地貌學(xué)工作流程;然后基于6000a黃河泛濫史的地貌學(xué)研究結(jié)論及其治黃啟示，評估黃河下游的改道風(fēng)險(xiǎn)，提出“分步走”的千年治理藍(lán)圖;最后列出為支撐治理決策必須深入研究的地貌學(xué)問題。

2河流地貌學(xué)簡介

2.1河流地貌學(xué)發(fā)展簡史

一百多年來，河流地貌學(xué)經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段。20世紀(jì)50年代之前，地貌學(xué)家主要應(yīng)用描述法推測河流地貌景觀的演化史，代表性研究成果是戴維斯的侵蝕輪回說。1914年Gilbert首創(chuàng)利用水槽試驗(yàn)研究泥沙輸移機(jī)制，1917年發(fā)表論文闡釋美國內(nèi)華達(dá)山區(qū)金礦開發(fā)造成的泥沙災(zāi)害，地貌過程研究由此開創(chuàng)。

20世紀(jì)50、60年代是歐美國家通過筑壩、河道渠化、裁彎取直等開發(fā)利用河流的高峰時(shí)期，河道被視為輸水輸沙的通道。過程研究成為河流地貌學(xué)的主流，代表性研究成果如Leopold和Wolman關(guān)于造床流量、河型判別的經(jīng)典成果。該階段地貌學(xué)基于河流動(dòng)力學(xué)理論建立沖積河床自動(dòng)調(diào)整的動(dòng)態(tài)平衡理論，并依靠極值條件假說，預(yù)測河床形態(tài)對來水來沙的確定性響應(yīng)，以期為河流開發(fā)服務(wù)，推動(dòng)了地貌學(xué)的第一次定量革命[2]。

20世紀(jì)70年代，Schumm創(chuàng)立流域地貌系統(tǒng)理論，河道被視為流域水沙“從源到匯”運(yùn)行的一個(gè)地貌單元。地貌學(xué)家開始關(guān)注作為復(fù)雜系統(tǒng)的河道系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)河道對來水來沙的響應(yīng)具有復(fù)雜性和不確定性，自動(dòng)調(diào)整行為受反饋?zhàn)饔谩⒌孛矁?nèi)部閾值、跨尺度關(guān)聯(lián)等多種因素控制[2-3]。

20世紀(jì)80、90年代，歐美國家出臺河流環(huán)保法案，河流開始被視為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，地貌系統(tǒng)成為生態(tài)系統(tǒng)的物理載體。地貌學(xué)家在治河中廣泛應(yīng)用“生態(tài)流量”這一概念，指出河流連通性是生態(tài)系統(tǒng)健康的保障，灘槽之間的橫向連通性和上下游的縱向連通性一樣重要。

進(jìn)入21世紀(jì)，氣候變化和人類活動(dòng)影響加劇，水沙過程變異，極端事件增加，水利工程的適應(yīng)性下降。修復(fù)河流，實(shí)施基于自然的治河方案成為歐美國家治河的主流。地貌學(xué)家視河流為流域地理系統(tǒng)的子系統(tǒng)，研究河道如何響應(yīng)筑壩、河道渠化等人類活動(dòng)，河流系統(tǒng)和人類系統(tǒng)如何共同演化等[2]。同時(shí)，遙感、GIS、測年和計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)快速發(fā)展，推動(dòng)地貌學(xué)發(fā)生第二次定量革命。地貌演化模型的預(yù)測能力提高，可直接應(yīng)用于治河決策，促進(jìn)應(yīng)用河流地貌學(xué)蓬勃發(fā)展[1]。

2.2河流地貌學(xué)的研究內(nèi)容和學(xué)科特色

從河流地貌學(xué)發(fā)展簡史可以看出，一方面，河流地貌學(xué)和治河實(shí)踐相互促進(jìn)：河流開發(fā)推動(dòng)地貌學(xué)實(shí)現(xiàn)第一次定量革命，而定量化程度提高的地貌學(xué)，又為河流保護(hù)提供決策支撐;另一方面，隨著人類對河流系統(tǒng)的認(rèn)知不斷加深，河流地貌學(xué)不斷通過學(xué)科交叉拓展研究領(lǐng)域。那么，什么是河流地貌學(xué)的學(xué)科特色？河流動(dòng)力學(xué)和河流地貌學(xué)都是圍繞泥沙研究河道的形態(tài)與過程之間的相互關(guān)系，它們的研究內(nèi)容和研究方法有何差異？

河流動(dòng)力學(xué)探究沖積河流形態(tài)變化的力學(xué)機(jī)制，聚焦泥沙輸移、河床變形、邊岸崩塌這3個(gè)過程，研究的時(shí)間尺度不超過100a。河流地貌學(xué)則探究作為復(fù)雜系統(tǒng)的河道，如何通過過程—響應(yīng)機(jī)制適應(yīng)不同時(shí)空尺度、不同成因的變化[4]。這些變化的尺度大到持續(xù)千年以上的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，小到一場洪水造成的河床底形（Bedform）變化;成因從氣候變化引發(fā)的水沙變異和海平面升降，到生物和人類活動(dòng)造成的邊岸抗沖性變化。因此，河流地貌學(xué)非常熱衷從河流動(dòng)力學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、歷史學(xué)、考古學(xué)、沉積地質(zhì)學(xué)等諸多學(xué)科中借鑒研究工具[4]。

在方法論上，當(dāng)代河流地貌學(xué)保持鮮明的學(xué)科特色，將整體論與還原論相結(jié)合，宏觀與微觀相結(jié)合，歷史與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，定性與定量相結(jié)合，使用先綜合、再微觀分析、最后再次綜合的“綜合微觀分析法”[5]。河流地貌學(xué)采用該方法論，是復(fù)雜性研究的必然要求。河道演化的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)。

（1）多層級結(jié)構(gòu)，多過程耦合。一方面，在河道系統(tǒng)外部，河道和坡面、泛濫平原一起構(gòu)成流域地貌系統(tǒng)，而流域地貌系統(tǒng)又和大氣、海洋、生物、人類等系統(tǒng)構(gòu)成更大的流域地理系統(tǒng)。另一方面，河道系統(tǒng)內(nèi)部可分為主槽、天然堤、河漫灘等地貌單元，各地貌單元又包含多種微地貌。河道系統(tǒng)內(nèi)外組分之間通過多種過程耦合，通過反饋機(jī)制共同演化。

（2）跨尺度關(guān)聯(lián)引發(fā)地貌災(zāi)變。為了適應(yīng)不同時(shí)空尺度上的外部變化，河道通過底形、河床粗化或細(xì)化、河槽形態(tài)河道形、河勢、河型、態(tài)和流路等不同空間尺度上的自由度進(jìn)行自我調(diào)整（見圖1，形態(tài)變量調(diào)整的時(shí)間尺度為推測的典型尺度，有待研究證實(shí)）[6]。在漸變式調(diào)整中，當(dāng)不同尺度上控制突變的內(nèi)部閾值被跨越后，通過跨尺度關(guān)聯(lián)，很小的擾動(dòng)即可觸發(fā)一系列突變，引發(fā)地貌災(zāi)變，即“小水大災(zāi)”。例如，洪水來臨，河道通過調(diào)整底形、床面細(xì)化、改變河槽形態(tài)等方式，減小阻力，提高行洪能力。在調(diào)整過程中，河槽內(nèi)部的橫比降將發(fā)生變化，當(dāng)橫比降跨越某個(gè)閾值后，觸發(fā)河勢突變，形成橫河、斜河頂沖堤壩，觸發(fā)決口[7]。當(dāng)決口河段河道高懸的程度沒有超過某個(gè)閾值時(shí)，決口擴(kuò)張較慢，汛期過后，決口可自愈，不會(huì)導(dǎo)致河流改道;否則，決口將快速擴(kuò)張，導(dǎo)致河流改道[8]。2003年，蘭考蔡集控導(dǎo)工程所在河段在2500m/s的小流量洪水下即發(fā)生河勢突變，進(jìn)而觸發(fā)生產(chǎn)堤決口。該河段二級懸河局面顯著，決口出流比超過0.5，導(dǎo)致部分河段在堤內(nèi)改道;順堤行洪達(dá)25.7km，偎堤水深約3m，險(xiǎn)些觸發(fā)大堤決口[9]。

（3）系統(tǒng)狀態(tài)多變。為響應(yīng)外部變化，沖積河床可在動(dòng)態(tài)平衡（Dynamic equilibrium）、不平衡（Disequi?librium）、非平衡（Non-equilibrium）間轉(zhuǎn)換（見圖2[10]）。例如，河床在一段時(shí)間內(nèi)保持沖淤平衡，其處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)來沙減少、水流沖刷能力加大時(shí)，河床轉(zhuǎn)為持續(xù)沖刷，處于不平衡狀態(tài)。這種情況下，河床將自我調(diào)整，降低輸沙能力，“抗拒”沖刷，經(jīng)過一定的響應(yīng)時(shí)間，河床達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)來沙增加較多、河床以淤積為主時(shí)，河床高程周期性地跨越閾值，河道周期性地裁彎取直，河床高程因此發(fā)生周期性的波動(dòng)，河床處于閾值主導(dǎo)的非平衡態(tài)。當(dāng)河流為人工堤所約束、無法改道、河床持續(xù)抬升時(shí)，河床處于受“河床抬升，人類加高大堤，河床進(jìn)一步抬升”這一正反饋驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)，極不穩(wěn)定。物理模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來水來沙保持不變時(shí)，辮狀河道處于非平衡混沌態(tài)[11]。系統(tǒng)對變化越敏感，狀態(tài)轉(zhuǎn)換就越頻繁;系統(tǒng)抗拒外部變化的能力越強(qiáng)，維持動(dòng)態(tài)平衡的能力就越強(qiáng)。

（4）系統(tǒng)演化具有不確定性。天氣、氣候、海平面、地震等外部變化以及河道對外部變化的響應(yīng)，都具有不確定性。另外，地貌系統(tǒng)演化還受到遺存效應(yīng)（Legacy effect）影響。遺存效應(yīng)主要指某項(xiàng)人類活動(dòng)在其主要功能失效或被撤銷后，繼續(xù)對泥沙輸移和地貌演化產(chǎn)生長久的影響[12]。有的遺存效應(yīng)很難定量預(yù)測，具有高度不確定性。比如淤地壩淤滿失效后，突發(fā)垮壩事件，導(dǎo)致入河泥沙劇增。

3地貌學(xué)在治河決策上的應(yīng)用

3.1地貌學(xué)的關(guān)注點(diǎn)河流地貌學(xué)的特色是研究

河道演化的復(fù)雜性。應(yīng)用地貌學(xué)指導(dǎo)治河實(shí)踐，有利于制定更主動(dòng)、更長遠(yuǎn)、更具可持續(xù)性的治河策略。首先，地貌學(xué)應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)思維，而非簡單系統(tǒng)思維。例如，地貌學(xué)不僅考察研究河段主槽的輸水輸沙能力，還注重灘槽協(xié)同治理[13-14]，促進(jìn)生態(tài)保護(hù);不僅關(guān)注河床能否在平面上維持動(dòng)態(tài)平衡，不發(fā)生河勢突變，還關(guān)注河床在垂向上是否處于易失穩(wěn)的非平衡態(tài)，不發(fā)生大改道;關(guān)注可控、可預(yù)測的河道演變，更關(guān)注跨尺度關(guān)聯(lián)引發(fā)不可控災(zāi)變的可能性。其次，地貌學(xué)重視研究河道在千年尺度上的演化規(guī)律，有利于從自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和治河技術(shù)相互作用、共同演化的角度，預(yù)測未來河道邊界條件的動(dòng)態(tài)變化，謀劃治理藍(lán)圖，動(dòng)態(tài)評估治河方案的風(fēng)險(xiǎn)、有效性和可持續(xù)性。再次，地貌學(xué)研究以自然為中心，而非以工程為中心。地貌學(xué)既探究天然河道的演化規(guī)律，也探究人類活動(dòng)改變天然河道演化軌跡的機(jī)理，尋求基于自然的解決方案，推動(dòng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)、自組織的治河工程。

3.2地貌學(xué)應(yīng)用于治河決策的工作流程

國外地貌學(xué)家在實(shí)踐中總結(jié)了地貌學(xué)應(yīng)用于治河決策的工作流程[4，15-17]。這些工作流程均采用上述“綜合微觀分析法”，但適用于治理目標(biāo)較為單一的中小河流。以下提出更適合黃河下游河道多目標(biāo)協(xié)同治理需求的工作流程。

步驟1：明確流域概況。將流域作為一個(gè)人地耦合的地理系統(tǒng)，分析其結(jié)構(gòu)和功能，為下一步聚焦地貌子系統(tǒng)提供背景知識。主要研究內(nèi)容包括流域的自然概況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，流域的重要性、治理要求和治理現(xiàn)狀等。

步驟2：重建河道的演化史?；谶^程與機(jī)制重建河道演化史，有利于追根溯源，為后續(xù)的問題診斷、治理決策和項(xiàng)目評估提供支撐。重要的研究課題包括：河道近萬年的地貌演化軌跡、狀態(tài)轉(zhuǎn)換及其驅(qū)動(dòng)力;來水來沙、河勢、河型、河道、泛濫平原、河網(wǎng)等響應(yīng)氣候、植被、海平面、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和人類活動(dòng)等變化的敏感性、復(fù)雜性和機(jī)制;裁彎取直、河流改道等地貌突變發(fā)生的頻率、機(jī)制、控制因子及其閾值;泥沙在不同地貌單元存儲(chǔ)、輸移通量及其長期變化的原因;各種遺存效應(yīng)及其持續(xù)時(shí)間，等等。利用地貌演化模型定量重建河道演化史，旨在發(fā)現(xiàn)重要變量的可能取值范圍，探索演化機(jī)制，盡管對模擬結(jié)果的精確度要求較低，但要能滿足長期決策的需求。

步驟3：診斷河道的問題?；趯α饔虻乩硐到y(tǒng)要素（氣候、海平面、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等）演變趨勢的預(yù)判、地質(zhì)時(shí)期河道演化規(guī)律的模擬研究結(jié)論，預(yù)測未來水沙和河道變化的方向和速率、河道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的條件、控制因子突破閾值的可能性，等等。診斷河道面臨的問題，找到問題的主要矛盾，分河段評估洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和河道修復(fù)難度等。

步驟4：制定治理藍(lán)圖和方略?；诤拥绬栴}的診斷依據(jù)和診斷結(jié)論，參考近萬年河道經(jīng)歷過的不同狀態(tài)，確定河道治理的目標(biāo)體系，制定治理藍(lán)圖和治理方略。河道治理決策分流域和河段兩個(gè)層次。流域?qū)哟蔚臎Q策聚焦如何布局和協(xié)調(diào)河道及其上下游的治理活動(dòng)，確定合理的造床流量和生態(tài)流量，以便協(xié)調(diào)防洪、生態(tài)修復(fù)、水土資源高效利用之間的矛盾。河段層次的決策聚焦制定灘槽協(xié)同治理的原則和確定優(yōu)先修復(fù)的河段，指導(dǎo)具體工程項(xiàng)目的實(shí)施。

步驟5：項(xiàng)目的影響預(yù)評估和方案優(yōu)選。構(gòu)建地貌演化的計(jì)算機(jī)模型和物理模型，通過對比試驗(yàn)、情景分析、敏感性分析、繪制地貌災(zāi)變的規(guī)?！l率曲線等方法，預(yù)測和評估不同治理方案的實(shí)施效果和風(fēng)險(xiǎn)，選擇環(huán)境影響小、穩(wěn)健性和適應(yīng)性強(qiáng)的方案。由于黃河河道系統(tǒng)狀態(tài)多變，因此還需預(yù)測治理方案的動(dòng)態(tài)變化。

步驟6：監(jiān)測、后評估和適應(yīng)性決策。對于黃河這類流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和河道狀況變化很快的大河，監(jiān)測和評估項(xiàng)目的實(shí)施效果時(shí)，應(yīng)力求長期化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，這樣才能滿足適應(yīng)性決策的需求。

4地貌學(xué)在黃河下游河道治理決策中的初步應(yīng)用

作為部分工作流程的操作示范，基于筆者關(guān)于黃河泛濫史的地貌學(xué)研究結(jié)論及其治黃啟示，將地貌學(xué)應(yīng)用于初步評估黃河下游河道的改道風(fēng)險(xiǎn)和構(gòu)建治理藍(lán)圖。

4.1黃河泛濫史的地貌學(xué)研究及其治黃啟示

4.1.1重建6000a黃河下游泛濫史

考察黃河下游考古遺址和河口三角洲沉積地層分布的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化[18-19]，推測距今6200～5500a，黃河從今濮陽和安陽中間穿過，在渤海灣中部入海;距今5500～5100a，高海平面引發(fā)溯源淤積，加速河床抬升，黃河在今濮陽附近決口，向南泛濫，發(fā)生部分改道，形成奪淮入海的分流河道，此后數(shù)百年，黃河同時(shí)流入黃海和渤海;距今4600～3900a，氣候突變，大洪水頻發(fā)，黃河再次在今濮陽附近決口，向東改道，全河入渤海[18]。

近4000a來的黃河下游泛濫史及其驅(qū)動(dòng)力主要依據(jù)歷史文獻(xiàn)記載考察。早期，黃土高原開墾強(qiáng)度小，入黃泥沙尚少，下游河道淤積尚不嚴(yán)重，人類無力阻止黃河改道，下游河床處于改道閾值主導(dǎo)的非平衡態(tài)，周期性改道使河床高程和決口頻率在低水平上波動(dòng)，決口規(guī)模較小。明清時(shí)期，黃土高原開墾強(qiáng)度大，入黃泥沙劇增，下游河道淤積嚴(yán)重。其時(shí)堤壩強(qiáng)度不足，但人類堵口技術(shù)提高，有能力阻止黃河改道。于是，一個(gè)人為正反饋環(huán)形成：隨著河床抬升，決口的頻率和規(guī)模逐漸增大，決口分流加劇泥沙淤積在河床上，河床進(jìn)一步抬升，下游河床進(jìn)入正反饋主導(dǎo)的非平衡態(tài)，形成極不穩(wěn)定的懸河，決口的頻率和規(guī)模均達(dá)歷史之最。中華人民共和國成立后，工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化為治黃帶來機(jī)遇，水庫調(diào)節(jié)洪峰、大堤強(qiáng)度提高，使決口風(fēng)險(xiǎn)大幅降低，中游水土保持減沙，小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙沖刷下游河床，上述正反饋環(huán)被打破，黃河安流[20]。

為定量重建黃河下游泛濫史，構(gòu)建了一個(gè)基于過程的地貌演化模型，將黃河中上游的水文模型、下游河道的水力參數(shù)變化模型和決口演化模型耦合起來，考察在千年尺度上氣候變化、土地利用和筑堤堵口等因素如何影響下游泛濫行為。重建結(jié)果顯示，從西周末期到清末，黃河下游的各種狀態(tài)變量都相對自然背景值發(fā)生數(shù)量級增長：花園口的年輸沙量從2.8億t增加到12億t[21]，下游河道沉積速率從3mm/a增加到30mm/a[22];河槽變寬淺，河床相對超高即河道超高（天然堤頂或人工堤內(nèi)的灘地相對堤外地面的高度）和河槽平均深度的比值從0.6提高到3.0;大決口（出流比大于0.1）的重現(xiàn)期從大于500a縮短為不到10a，出流比提高27倍[21]。

敏感性分析揭示河床相對超高是改道行為的控制因子。歷史時(shí)期，隨著堤防強(qiáng)度不斷提高，堵口越來越迅速，河床相對超高的改道閾值從0.6提高到2.0，即堤防能維持越來越高的懸河。改道類型從耗時(shí)十幾年漸進(jìn)完成的部分改道，變?yōu)橐粓龊樗纯赏瓿傻目焖偃痈牡?河網(wǎng)形態(tài)從天然狀態(tài)下的多支分流轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぜs束下的單一河道。由此，數(shù)值模擬研究解釋了在16世紀(jì)70年代潘季馴治河前，黃河下游長期處于多支分流狀態(tài)[23]的機(jī)理。

4.1.2黃河泛濫史研究的治黃啟示

從上述重建黃河泛濫史的地貌學(xué)研究，得到如下治黃啟示。

（1）在黃河流域，人河互動(dòng)，共同演化。黃河泛濫行為和流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切關(guān)聯(lián)，因此制定治理藍(lán)圖時(shí)，需要根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃和未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，制定分步走戰(zhàn)略。

（2）黃河地貌系統(tǒng)對氣候變化和人類擾動(dòng)極其敏感，響應(yīng)很快，河道系統(tǒng)狀態(tài)多變，治黃方案大都見效快、失效也快。例如，20世紀(jì)90年代黃河下游頻發(fā)高含沙小洪水，河槽淤積嚴(yán)重，河床組成變細(xì)。1999年小浪底水庫運(yùn)用后，下游河槽大幅沖刷，但河床組成不斷粗化，導(dǎo)致2006年后沖刷效率下降，2015年汛期水流沖刷效率較2003年下降了78%[24]。因此，治黃需要加強(qiáng)監(jiān)測，不斷調(diào)整治理方案。長遠(yuǎn)來看，治黃應(yīng)追求智能控制，借力自然，設(shè)計(jì)自適應(yīng)河道，有條件時(shí)應(yīng)允許河道發(fā)生可控的突變和自組織演化，自己尋找新的穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）模擬結(jié)果顯示，歷史早期近天然狀態(tài)下黃河下游的含沙量約為4kg/m3[22]，與密蘇里河（4.4kg/m）差不多[25]。密西西比河三角洲葉瓣的改道周期長達(dá)1200～1700a[26]，天然黃河下游大改道的周期為500～1000a[18，21]（根據(jù)考古遺址動(dòng)態(tài)變化所做的推測和地貌演化模型計(jì)算結(jié)果）。天然黃河屬于改道較頻繁的河流，盡管如此，依然可在數(shù)百年里保持流路穩(wěn)定（否則泛濫平原上難以形成戚城、十里鋪北等多個(gè)大型考古遺址[18]），其原因如下：首先，天然黃河中游多沙粗沙區(qū)侵蝕較弱，來沙粒徑小，多為沖瀉質(zhì)，下游河槽不受約束，可以在較大寬度內(nèi)自由擺動(dòng)，因此河道淤積速率小，約為2mm/a[22]，需要很長時(shí)間河床相對超高才能跨越改道閾值;其次，天然黃河下游屬于多支分流河道，還有眾多湖泊起分洪調(diào)蓄作用[23]，因此只要黃河中游來水保持低含沙量且以沖瀉質(zhì)為主，下游擁有一定數(shù)量的分流河道，行水初始時(shí)為地下河狀態(tài)，新流路就可以維持幾百年不發(fā)生大改道。王景主持開挖新河道后，從東漢末年的西北羌亂到中唐的安史之亂600多a間，黃河中游土地利用以牧業(yè)為主，黃河下游出現(xiàn)長期安流局面，就是一個(gè)可靠例證[27]。

（4）對于黃河下游河道，決口發(fā)生并最終發(fā)展為改道，需同時(shí)滿足4個(gè)條件：第一，堤防存在薄弱環(huán)節(jié)，成為決口發(fā)生的突破口;第二，需要一系列洪水過程作為決口觸發(fā)和擴(kuò)張的條件;第三，河勢變化，引發(fā)沖決或潰決[28];第四，河床相對超高跨越了改道閾值。堤防整體強(qiáng)度越弱，相對超高的改道閾值越小，小決口發(fā)展為大改道的概率越大。

實(shí)施黃河下游河道治理方略“穩(wěn)定主槽、調(diào)水調(diào)沙、寬河固堤、政策補(bǔ)償”，可以全面破除上述4個(gè)條件。從地貌學(xué)角度看，“穩(wěn)定主槽”應(yīng)該包括兩層含義：平面上保持河勢穩(wěn)定和垂向上保持地下河狀態(tài)。因此，利用整治工程控制河勢，不應(yīng)以加快懸河發(fā)展為代價(jià)。同理，將“調(diào)水調(diào)沙”的目標(biāo)定為實(shí)現(xiàn)下游河床沖淤平衡是不夠的，應(yīng)盡可能沖刷河槽，改善懸河局面。“寬河固堤、政策補(bǔ)償”旨在提高堤防強(qiáng)度、調(diào)蓄洪水，寬堤距還可降低堤內(nèi)灘面淤高的速度。后兩類措施能適應(yīng)所有的水沙變化，實(shí)施效果有保障，應(yīng)作為整個(gè)方略的基礎(chǔ)。

4.2評估黃河下游的改道風(fēng)險(xiǎn)

對照改道必須滿足的4個(gè)條件，初步評估黃河下游的改道風(fēng)險(xiǎn)。

第一，盡管2018年標(biāo)準(zhǔn)化堤防主體工程建設(shè)完成后基本消除了大堤隱患，但是大堤是一種微損傷積累極易觸發(fā)整體崩潰的復(fù)雜系統(tǒng)，沒有臨水大堤質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)堤防隱患早期預(yù)警和精準(zhǔn)消除的話，決堤風(fēng)險(xiǎn)仍不可控。

第二，關(guān)于洪水風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》，依靠流域水庫群，40～50a后小浪底水庫攔沙庫容淤滿進(jìn)入后水庫時(shí)期[29]。其時(shí)，啟用北金堤和東平湖等滯洪區(qū)可以極大程度削減洪峰。但是，一旦控制突變的地貌內(nèi)部閾值被跨越，跨尺度關(guān)聯(lián)導(dǎo)致“小水大災(zāi)”的風(fēng)險(xiǎn)將大幅提高?？菟诤驼{(diào)水調(diào)沙期間的河床自動(dòng)調(diào)整，淤地壩“葡萄串”式垮壩形成的高含沙洪水等，都可導(dǎo)致地貌內(nèi)部閾值被跨越。

第三，黃河下游河勢突變的原因多樣，河床處于沖刷、淤積和整體處于沖淤平衡狀態(tài)時(shí)河勢突變均可發(fā)生。由于無法探查水下邊界的抗沖性，因此河勢突變很難預(yù)測。按照已有經(jīng)驗(yàn)，采取微彎型整治方案，兩岸工程的合計(jì)長度達(dá)到河道長度的90%后，才可初步控制河勢[28]?？梢灶A(yù)見，未來隨著科技進(jìn)步，整治方案不斷優(yōu)化，對河勢的控導(dǎo)效果將不斷提升[30]。但是，工程的規(guī)模越大，改建、維修的難度和周期越長，控導(dǎo)工程失效的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

第四，黃河下游大部分河段的懸河局面未解除，部分河段的河床相對超高或許已經(jīng)跨越了改道閾值。未來幾十年，假如不提高堤防強(qiáng)度，就算依靠水庫攔沙和灘區(qū)放淤可以維持下游河道不淤積抬升，這些河段仍有決口奪流改道的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)入后水庫時(shí)期，下游河道又將淤積抬升[30]。淤積抬升的速率取決于堤距、來水來沙狀況、整治工程能否有效提升河道輸沙能力、滯洪區(qū)和分流河道數(shù)量、海平面上升速率等。

水利學(xué)家劉曉燕和王光謙等考慮了氣候、水土保持效果和人類耗水的動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測2020—2070年黃河潼關(guān)站年輸沙量為4億～5億t[31-32]，天然徑流量為438.6億m，約44%徑流被人類消耗，實(shí)測徑流量為247.3億m[32]。現(xiàn)在讓我們基于水利學(xué)家的預(yù)測，從地貌系統(tǒng)和人類系統(tǒng)共同演化的角度，預(yù)測一下后水庫時(shí)期的黃河下游水沙狀況。

其時(shí)水資源利用效率將提高、人口減少（預(yù)測到2100年中國人口約為7.32億[33]），海水淡化技術(shù)很可能普及，實(shí)測徑流量將略增加。中國告別農(nóng)業(yè)和礦業(yè)粗放開發(fā)的年代，加劇黃土高原侵蝕的人為因素基本消除。但是，由于經(jīng)歷了兩千多年的強(qiáng)烈侵蝕作用，黃土高原的平均坡度已遠(yuǎn)大于歷史初期，因此即使植被恢復(fù)到歷史初期的近天然狀態(tài)，流域產(chǎn)沙量也將大于歷史初期。不過，未來人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有減沙效果。Syvitski和Milliman對世界大河輸沙量的研究發(fā)現(xiàn)，在人口密度大于200人/km2且人均GNP大于1.5萬美元的歐美地區(qū)，人類活動(dòng)有強(qiáng)烈的減沙效應(yīng)，最多可減少七成產(chǎn)沙量[34]?？梢灶A(yù)見，泥沙作為日益稀缺的資源，未來泥沙資源化利用將減少入黃泥沙[35]，而且粗沙利用的比例較高。

假設(shè)后水庫時(shí)期流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙水平和2020—2070年差不多，年產(chǎn)沙量約為4.5億t，人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)減少三成泥沙，進(jìn)入黃河下游的年輸沙量將為3.15億t。假設(shè)花園口站的徑流量為潼關(guān)站的1.1倍，下游含沙量將為6.5kg/m。假設(shè)約35%徑流量被人類消耗，黃河下游的年徑流量約為313.6億m，則下游來沙系數(shù)約為0.0065kg·s/m，和北宋時(shí)期差不多[21]。從已知的鉆孔數(shù)據(jù)看，北宋時(shí)期下游河道的長期沉積速率最大為2.3cm/a[22]，據(jù)此預(yù)測2070年以后下游河道的長期沉積速率最大不超過2.5cm/a。這個(gè)預(yù)測具有合理性：雖然其時(shí)黃河下游沒有北宋時(shí)的分流河道，但按黃河水利委員會(huì)的遠(yuǎn)景展望，后水庫時(shí)期將啟用滯洪區(qū)[29]，我們也有理由相信整治工程將不斷提升下游河道的輸沙滯沙能力;而且未來堤防的整體強(qiáng)度必將不斷提高，河床相對超高的改道閾值將加大。因此，進(jìn)入后水庫時(shí)期，現(xiàn)有河道還可維持較長時(shí)間。

綜上所述，以上4種改道的風(fēng)險(xiǎn)都可通過優(yōu)化防洪工程而減小，但是防洪工程需要水土保持、水沙調(diào)控、水系重建等工程密切配合，精心設(shè)計(jì)，使地貌內(nèi)部閾值不會(huì)因?yàn)檫吔鐥l件變化而加快積累，長遠(yuǎn)看不會(huì)導(dǎo)致“小水大災(zāi)”，具有可持續(xù)性。

4.3構(gòu)建千年治理藍(lán)圖

基于上述治黃啟示和改道風(fēng)險(xiǎn)評估，提出黃河下游河道的治理藍(lán)圖，在確保防洪安全和水資源高效利用的基礎(chǔ)上，分步推進(jìn)灘區(qū)治理、生態(tài)修復(fù)和水系重建。

第一步，水庫調(diào)控時(shí)期（2021—2100年）。該階段是黃河下游防洪、水資源高效利用、灘區(qū)土地利用和生態(tài)修復(fù)之間的矛盾最嚴(yán)重的階段。該階段的首要目標(biāo)是通過聯(lián)合應(yīng)用流域內(nèi)的水利樞紐緩解下游的懸河局面，為進(jìn)入后水庫時(shí)期做準(zhǔn)備。關(guān)于水沙調(diào)控體系的遠(yuǎn)景效果展望，《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》里寫道：“隨著2030年水平規(guī)劃的實(shí)施，水土保持的減沙量達(dá)到6.0億～6.5億t，南水北調(diào)西線一期工程增加輸沙用水25億t左右，古賢水利樞紐、黑山峽河段工程和現(xiàn)狀骨干水利樞紐聯(lián)合運(yùn)用調(diào)控水沙，可使黃河下游河道在今后40～50年的時(shí)間里不顯著淤積。”[29]2030年后可能建成磧口水利樞紐，加上未來一段時(shí)間里人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有減沙效應(yīng)，黃河輸沙量應(yīng)比該規(guī)劃的預(yù)測量小，我們初步預(yù)測，依靠較完善的水沙調(diào)控體系，可使黃河下游河道在今后80a內(nèi)不顯著淤積。

為了盡可能減輕下游的懸河局面，需要多管齊下：一是逐步破除生產(chǎn)堤，通過堤河和串溝放淤、灘區(qū)植被按促淤能力分區(qū)布置等措施，消除二級懸河，減小堤內(nèi)灘面的橫比降;二是通過調(diào)水調(diào)沙、攔粗排細(xì)，并加大調(diào)水調(diào)沙期小浪底水庫下泄流量，將中水河槽的整治流量從4000m/s提升到不小于5000m/s，以便打破現(xiàn)有河床粗化層制約，塑造過流量大的窄深河槽;三是通過灘區(qū)放淤、淤背固堤造就相對地下河，減小堤內(nèi)灘地相對堤外地面的高度，減輕一級懸河局面;四是疏浚河口，減輕溯源淤積;五是繼續(xù)加固標(biāo)準(zhǔn)化大堤，建設(shè)臨水大堤質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，提高堤壩強(qiáng)度，提高河床相對超高的改道閾值。

第二步，后水庫獨(dú)流時(shí)期（2100—2260年）。該階段的首要目標(biāo)是減小河道的淤積抬升速率，延長行水時(shí)間。在評估改道風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，我們預(yù)測在后水庫時(shí)期黃河下游河道的長期沉積速率小于2.5cm/a。由于調(diào)水調(diào)沙已經(jīng)使下游主河槽平均下降超過2m[36]，因此后水庫時(shí)期回淤2m最快也需要80a。距今一百多年后，搶險(xiǎn)和堤壩工程技術(shù)必定大幅提升，大堤能維持的懸河高度也將提高。模擬計(jì)算顯示歷史時(shí)期土堤能維持的懸河高度增加了3.4m[21]。保守推測其時(shí)大堤能維持的懸河高度較今天增加2m，回淤后河道還可安流至少80a，到2260年現(xiàn)河道行水時(shí)間達(dá)405a。和明清時(shí)期黃河的情況做個(gè)對比，就會(huì)發(fā)現(xiàn)以上期望并不高：從1565年潘季馴治河到1855年大改道，在黃河年輸沙量大約10億t[37]、治河技術(shù)落后的情況下，黃河故道尚能行水290a。

其時(shí)水資源壓力將減小，灘區(qū)群眾將全部遷出。不過，由于地上河局面依舊，全面修復(fù)河道的時(shí)機(jī)不成熟，因此仍需要依靠河道整治工程穩(wěn)定河勢。其時(shí)，流域水利樞紐的水沙調(diào)控功能衰退，可模仿世界上徑流量年際差異巨大的天然河道，例如湄公河、印度的Nar?mada河等，設(shè)計(jì)自適應(yīng)河道和滯洪區(qū)，使其在特大洪水、洪水、中水和枯水條件下均能保持輸水輸沙能力和河勢穩(wěn)定[38]。在此階段末期，規(guī)劃一條分流河道，為下一步人工改道做準(zhǔn)備。由于此階段末期中國的基建熱潮將消退，還會(huì)出現(xiàn)新型建筑材料，預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的減沙效應(yīng)將減弱，黃河下游輸沙量可能略有回升，因此需要為新河道規(guī)劃足夠大的堤距和滯洪區(qū)。

第三步，人工改道時(shí)期（2260—2290年）?；ù蠹s30a時(shí)間完成黃河下游的人工漸進(jìn)改道。新河道為地下河，河床相對超高遠(yuǎn)離改道閾值，黃河含沙量低，河道淤積抬升慢，決口的風(fēng)險(xiǎn)和出流比小。其時(shí)可實(shí)施王國安提出的“寬河固堤，河順自然，適當(dāng)整治，人水和諧”的治理方略，減少整治工程，給河流更多自由擺動(dòng)的空間[39]。

第四步，分流河網(wǎng)體系建設(shè)時(shí)期（2290—2390年）。該階段人口、土地和水資源的壓力進(jìn)一步減小，但海平面比現(xiàn)在高約1m（假設(shè)海平面上升速率為4mm/a[40]），溯源淤積的效應(yīng)顯著。應(yīng)參考?xì)v史初期的水系格局[23]，建設(shè)黃河下游的湖泊群和分流河網(wǎng)體系，為未來黃河在黃淮海平原上自組織演化創(chuàng)造條件。

第五步，受限自組織演化時(shí)期（2390年以后）。黃河主流周期性地在人類規(guī)劃好的分流河網(wǎng)中遷移，自己尋找最優(yōu)的流路。不時(shí)調(diào)整和優(yōu)化分流河網(wǎng)，使黃河泥沙較為均勻地沉積在華北平原上，以免制造懸河。

5待深入研究的科學(xué)問題

以上千年治理設(shè)想基于較多假設(shè)和有限的研究成果，為了向黃河下游河道治理決策提供更堅(jiān)實(shí)的支撐，需深入研究以下地貌學(xué)問題。

（1）全新世黃河中下游水文地貌變遷的驅(qū)動(dòng)力、過程與機(jī)制及其相關(guān)的沉積記錄和考古證據(jù)。

（2）未來黃河流域氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)變遷、水利工程建設(shè)、海平面上升等對中游侵蝕產(chǎn)沙和下游河道變化的影響及其不確定性。

（3）河勢、河型演變的規(guī)律和機(jī)制，防洪工程和調(diào)水調(diào)沙對河勢、河型的調(diào)節(jié)機(jī)制。

（4）河勢突變、裁彎取直、改道等不同尺度地貌突變的控制因子及其閾值、觸發(fā)機(jī)制和形成條件。

（5）天然自適應(yīng)河道的特征和形成機(jī)制，天然河網(wǎng)系統(tǒng)自組織及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)制。

（6）植被、水沙、沖積河流地貌（尤其是微地貌）相互作用的過程與機(jī)制。

（7）如何確定整治流量、生態(tài)流量和調(diào)水調(diào)沙方案，以便塑造高效輸沙河槽、構(gòu)建生態(tài)適宜度高的水文情勢和地貌景觀。

（8）構(gòu)建評估河流健康水平的水文地貌指標(biāo)體系。

（9）開發(fā)復(fù)雜度適中、運(yùn)算速度快的計(jì)算機(jī)模型，以及能滿足規(guī)律相似性、運(yùn)行成本低的微型物理模型，以便開展大量模擬試驗(yàn)，探尋地貌演化的機(jī)制。

6總結(jié)

河流地貌學(xué)將河道當(dāng)作流域地理系統(tǒng)和流域地貌系統(tǒng)的組成部分，研究河道對洪水、氣候和人類活動(dòng)等外部變化的復(fù)雜響應(yīng)。河道演化的復(fù)雜性表現(xiàn)為河道系統(tǒng)具有多層級結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)外存在多過程耦合，跨尺度關(guān)聯(lián)將引發(fā)地貌災(zāi)變，系統(tǒng)狀態(tài)多變和系統(tǒng)演化具有不確定性等。河流地貌學(xué)采用整體論與還原論相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合的“綜合微觀分析法”。基于這一方法論，提出地貌學(xué)應(yīng)用于黃河下游河道治理決策的工作流程，該流程包括明確流域概況，重建河道的演化史，診斷河道的問題，制定治理藍(lán)圖和方略，項(xiàng)目的影響預(yù)評估和方案優(yōu)選，監(jiān)測、后評估和適應(yīng)性決策等6個(gè)步驟。

作為工作流程的操作示范，基于6000a黃河泛濫史研究，從地貌學(xué)角度闡釋黃河下游改道的四大風(fēng)險(xiǎn)來源，分析黃河下游河道治理方略“穩(wěn)定主槽、調(diào)水調(diào)沙、寬河固堤、政策補(bǔ)償”的更多內(nèi)涵。從流域自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和治河技術(shù)相互作用、共同演化的角度，預(yù)測水庫失效后黃河下游河道的沉積速率不超過2.5cm/a，保守預(yù)測現(xiàn)有河道可再行水240a。提出一個(gè)千年治理藍(lán)圖，設(shè)想經(jīng)過水庫調(diào)控、后水庫獨(dú)流、人工改道、分流河網(wǎng)體系建設(shè)和受限自組織演化等時(shí)期，分五步走，逐漸推進(jìn)黃河下游的灘區(qū)治理、生態(tài)修復(fù)和水系重建。為了支撐科學(xué)決策，地貌學(xué)需深入研究黃河下游的河勢、河型、流路和分流河網(wǎng)演變的規(guī)律和機(jī)制。

【責(zé)任編輯 許立新】