1、第十五章 黄土高原与黄河泥沙,张梦婕,黄土高原是我国一个独特的地理单元，其侵蚀强度和规模居世界之最。高原的强烈侵蚀产沙，使的大量的泥沙注入下游，在河道里强烈堆积，形成下游的地上河。黄土高原土壤侵蚀和下游的泥沙堆积已构成流域的主要灾害环境。本章将讨论黄土高原土壤侵蚀的宏观规律及其侵蚀产沙对下游的影响，寻求流域综合治理的方略。,主要内容,第一节 现代侵蚀环境 第二节 黄河中游的侵蚀产沙 第三节 黄河泥沙的输移特征 第四节 黄河侵蚀泥沙堆积与环境 第五节 下游河道泥沙淤积趋势预估 第六节 侵蚀泥沙调控对策,第一节 现代侵蚀环境,认识黄土高原现代侵蚀环境的特征，是探讨影响侵蚀产沙诸环境因素的作用、研究
2、黄土高原强烈侵蚀形成原因的基础。可分为：一、自然环境特征二、人为侵蚀环境特点,一、自然环境特征,黄河中游占据6个纬度、11个经度、纬向与经向都远离海洋，整个黄河中游处于季风和非季风影响区的过渡带，气候的区域差异显著。同时，黄土中游地形和新构造运动性质的区域差异都十分明显。因此，黄土高原的侵蚀环境具有明显的区域分异特征。,1、地带性分异明显,（1） 气候地带性 有暖温带与中温带之别 （2） 植被地带性 全区可以分为四个植被带 （3）年降水量的区域分异,2、降雨的集中性与波动性,（1）年际间的波动性。黄河中游最大年降雨量与最小年降雨量可相差2.0-2.5倍，年变率30%左右。 （2）年内的集中性。
3、黄河中游大部分地区为东亚季风所控制，因此降雨的季节明显，年降雨量主要集中7-9月。,3、地表切割破碎,黄河中游跨越不同的地质构造单元，经过不同的发育阶段，形成不同特点的地貌，最具特色的是黄土地貌。黄土地貌地表破碎，其破碎程度可用沟谷密度来表示。区域的分布特点是：,（1）六盘山以东地区的沟谷密度普遍大于以西地区。六盘山以东的沟谷密度不仅有东西向的变化，而且还有南北向的变化，北部大于南部。 （2）六盘山以西地区的沟谷密度同样存在南北向的差异，但变化方向与六盘山以东地区则相反，即南部大于北部。,4、现代地质作用活跃,地质构造单元是现代侵蚀产生的地质基础，而现代地质环境特征则直接影响现代侵蚀产沙类型及
4、强度。现代地质环境特点是：新构造运动在高原内部以间歇性的大面积的整体抬升为主，周围的拗陷或地堑为长期下沉。,二、人为侵蚀环境特点,黄土中游的一些地区在我国历史上属开发比较早的地区。重点产沙区处于农牧交错带且农业区逐渐扩大。进入近代，人口有较大的增长，人类利用自然资源强度增加，加速了土壤侵蚀。纵观全区，影响侵蚀产沙的人为环境有如下特点：,1、人地矛盾尖锐。黄河中游虽然土地资源比较丰富，人均占有耕地3.1亩（全国人均耕地不足2亩）。但山地丘陵面积大，土地质量差，自然灾害多，加上长期以来农业生产条件改善缓慢，耕地有效灌溉率低，投入不足，以致成为中国粮食主要的低产区。,2、土地利用结构不合理，人为活动
5、加剧。黄河中游地区耕地占总土地面积的27.1%，在农、林、牧用地中耕地占34.8%。黄河中游的土地利用中耕地的比重太高。与土地利用结构相关联的是农村产业结构不尽合理，突出表现为单一的农业种植业。影响土壤侵蚀的主要人类活动有：a 开荒规模扩大；b 采矿活动扩大；c 交通及其他基本建设动土量增加。,第二节 黄河中游的侵蚀产沙,一、强烈侵蚀产沙的时间过程黄河泥沙无论其含沙量或其总沙量都居世界之首。如此巨量的泥沙的产生原因和产生的过程都一直为世人所关注，也直接关系到治理的决策。迄今为止，这方面的研究结论大致可以归纳为三类。,1、黄土高原巨量泥沙起源于人类历史时期。大约从春秋战国时期起，由于人类活动开始
6、加剧，滥砍滥伐，破坏了森林草原，于是广阔原野变成稠密深沟，由此强烈侵蚀产沙开始。曾有人根据历史考证资料计算出黄土高原森林覆盖率达53%。这一结论与下游情况的历史记载是矛盾的。,2、黄土高原的侵蚀产沙是地质过程的产物，与人类活动基本无关。这一结论缺少周密思考，同时也忽视了侵蚀产沙是多因素综合作用的结果。,3、黄河中游多沙起源于地质时期，进入人类历史时期以来，人为活动加强，促使侵蚀的增强。 （1）相关沉积。自然界如果没有地表的侵蚀，就没有地表的堆积。黄土高原侵蚀的相关沉积区是高原周围的构造沉积盆地。主要的构造沉积盆地有河套谷底、汾渭谷地和华北平原。这三个盆地沉积物主要来自黄土高原，这说明黄土高原的
7、土壤侵蚀由来已久。,（2）层状地表。黄土高原地形存在明显的层状性。头道梁、二道梁和三道梁这种层状地形，无论在梁峁区，还是再塬区都比较清楚。,黄土塬又称黄土平台、黄土桌状高地，表部平坦，或微有起伏，黄土堆积厚度较大 。 黄土梁平行于沟谷的长条状高地，梁长一般可达上千米，几公里或十几公里，梁顶宽阔略有起伏，宽几十米到几百米，呈鱼脊状往两面沟谷微倾。按梁的相对高程顺序分为“头道梁、二道梁和三道梁”。 黄土峁呈孤立的黄土丘，浑圆状形如馒头。大多数峁是由黄土梁进一步侵蚀切割形成的，但也有极少数是晚期黄土覆盖在古丘状高地上形成的。,（3）侵蚀量变化过程。黄河下游在黄河出山口有全新世不同时期的冲积扇。依据侵
8、蚀-沉积相关原理，利用冲积扇的沉积量估算中游的侵蚀量。,上述前两点说明黄土高原的侵蚀是由来已久的，后一点说明进入人类历史时期以后，黄土高原的侵蚀是发展的。概括以上所述，可以认为黄土高原的侵蚀起源于地质时期，发源于人类历史时期。,二、侵蚀强度与地理环境的关系,1、侵蚀强度确定方法侵蚀强度是指单位面积上单位时间内地表物质因内外营力破坏和移动的量，用重量或体积表示。土壤侵蚀强度可以由直接和间接两类方法来确定。,间接法：土壤剖面对比法、相关沉积法、地貌标志法、侵蚀因子综合评判法。 直接法：重复精密水准测量法、固定标志法、不同期的地形图对比法、不同期遥感图像对比法、Cs法、稀土元素示踪法。,2、侵蚀强度
9、的区域分异规律,（1）六盘山和吕梁山是黄土中游侵蚀强度区域差异的主要界限。六盘山以西和吕梁山以东大部分区域的侵蚀强度小于5000t/(km2.a),也有局部地方大于5000t /(km2.a)。两山之间地区侵蚀强度大部分区域普遍地比较大，但有明显的南北差异。,（2）以庆阳延安离石为分界线。此线以北至长城侵蚀模数都在5000t/(km2.a)以上，最大20000 t/(km2.a)。此线以南侵蚀强度都在1000 t/(km2.a)一下。,3、侵蚀强度区域分异的原因分析,（1）人文因素分析。人类活动对侵蚀形成的影响是多种多样的，如破坏植被、陡坡耕垦、工程建设弃土。 （2）自然因素分析。影响侵蚀的自
10、然因素很多，起主要影响作用的是降水、地形、植被、地表组成物质四大因素。 （3）综合分析。将上述的人为因素、自然因素和侵蚀强度空间分异进行综合，可以得出黄土高原侵蚀强度的区域分异时受控于生物气候带的特点。侵蚀的局部差异受控于非地带性因素。,第三节 黄河泥沙的输移特征,一、你泥沙输移比与排沙比泥沙的输移比与排沙比容易混淆。一般来说，泥沙输移比多用于沟道流域，而排沙比用于河道。泥沙输移比以往都定义为：流域某一断面实测的输沙量与同时段断面以上流域侵蚀产沙总量之比。dr=r/T,排沙比是指河道上断面的输沙量与同时段下断面输沙量之比。rs=Qw上/Qw下输沙比与排沙比的区别是，输移比只能等于或小于1，绝对
11、不能大于1；而排沙比则可以大于1、小于1、也可以等于1。,二、泥沙输移比与环境,确定任何一个流域的泥沙输移比，必须考虑一定的前提条件。大致包括三方面的内容。 第一，确定粒级范围。泥沙是一个十分模糊的松散堆积物概念。泥沙的最大粒径与最小粒径可差百万倍，体积差则以亿倍计。输移不同粒级的泥沙，需要不同的环境条件。,第二、时间系列。对于某一固定流域，水流的泥沙输移能力长系列时段看基本上是稳定的，但短系列又是不稳定的。 第三、空间规模，即流域的尺度。自然界流域有大有小，流域面积越大，其流域内的环境条件越复杂。,综上所述，确切的泥沙输移比的定义应是：一定的时间和空间范围内，流域内某过水断面输出小于某一粒级
12、的泥沙量与断面以上同粒级侵蚀量之比。,影响泥沙输移比的主要环境因素有以下方面：,1、地质地貌。地貌单元对泥沙输移的影响主要表现在河谷形态和地势能上。黄土高原正地形（新构造抬升区）河流有较大势能，水流的挟沙能力大。反之，构造下沉的堆积平原区河流纵比降小，水流的挟沙能力小，泥沙输移比小。,2、地表组成物质。在相同或相近的水流条件及其他条件也相似的情况下，流域侵蚀物质粒级越细，水流挟带泥沙的能力越强。相反，如果流域的侵蚀物质粗大，那么水流所能挟带物质的粒级及数量都受到限制。 3、流域的径流特征。河道的径流特性固然与流域形态、流域的地形比率有关，但在其他条件一定的情况下，径流特性主要取决于补给源及其变
13、化特性。,三、河道泥沙的输移特性,1、高含沙水流的形成及其特性。本章将含沙量大于400kg/m3的水流称高含沙水流。高含沙水流有较大的输移能力，高含沙水流的形成需要一定的条件。这些条件是：有丰富的沙源，泥沙颗粒粒径以小于0.05mm细粉砂为主，由强大的暴雨产生的径流。这些条件在黄河中游极易得到满足。只要具备这些条件，分散在洪流中的细颗粒泥沙在水流运动中相互碰撞而凝聚在一起产生絮凝现象。,2、高含沙水流的输移距离及下游泥沙输移。高含沙水流能送多长距离，取决于断面形态、纵剖面比降、一定大的宾汉极限切应力。（宾汉极限切应力是描述非牛顿体流变特性的一个重要参数,流体中泥沙颗粒之间作用的复杂性 ）黄河中
14、游这些条件都是充分具备的，而且黄河中游支流的长度都不是很长，流域的侵蚀物质都可以由高含沙水流输入黄河。黄河下游因各河段的河型及其他边界条件的差异，各具不同的输沙特性。,第四节 黄河侵蚀泥沙堆积与环境,一、泥沙堆积的环境特征泥沙在输移过程中或早或迟总是要在适宜的河段堆积。而在何处堆积，则取决于水文泥沙特性及其他边界条件。黄河中游侵蚀泥沙经输移后的最终堆积区有中游的河套谷地、汾渭谷地，以及下游的华北平原。,1、地质构造环境,黄河下游所在区域的地质构造单元属华北断块。古生代不同时期华北断块又经历不同的发育阶段，直至中生代末开始进入构造拗陷盆地发育，中新世开始整体下沉。进入第四纪一直处在下降，进入全新
15、世以来仍属全面下沉的环境，主要依据是：,第一，如果按华北平原河流挟带泥沙的数量计算，渤海沿岸的许多地方，如渤海湾、莱州湾只要2000年左右就要淤满。 第二，近30年来的重复精密水准测量资料明显地反映华北平原目前仍处于大面积的下沉之中，但各地的下沉量不均衡。 第三，地震时新构造运动的标志之一，华北平原地震活跃，并有广泛性。,2、地貌环境,上述的地质构造单元奠定了华北平原的原始地貌基础。进入全新世，特别是中全新世，平原东部普遍受到海侵的影响，平原上的湖沼洼地再次得到发展，有的甚至与海连成一体。中全新世之后海退，使湖沼洼地的发育受到限制。同时，由于人类活动逐渐加强，注入黄河的泥沙相应增加，黄河冲积扇
16、进一步发展，河流的迁徙改道更加频繁，在平原上留下纵横的河床高地、河间洼地以及其他微地貌形态。,3、泥沙堆积的人文地理环境特征,第一，泥沙陆上堆积范围日趋减小。随着社会的发展，人口的增加，人类为了保持尽可能大的空间不受洪水威胁，企图把黄河的洪水泥沙束缚在堤内，因而两岸大堤越筑越高，越筑越长。 第二，泥沙堆积的制约因素增多。人类历史时期，泥沙的堆积范围受到局部的限制，到了社会高度发展的今天，众多的因素制约了泥沙堆积，主要如农业生产的发展，工业交通的发展，油田开发等限制了黄河泥沙堆积空间。,第三，防治泥沙淤积意识的增强。黄河下游发生洪涝灾害的根本原因是泥沙，人们正有计划地减少泥沙来源和淤积，如在中游
17、建淤地坝，开展水土保持拦蓄中上游泥沙，在下游两岸引洪放淤。,二、河道泥沙堆积规律,1、公元前602年前泥沙堆积的时空过程黄河下游泥沙堆积的时空特点主要取决于黄河路径的变化，黄河流到哪里，泥沙就在哪里堆积。因此，若能准确地确定全新世不同时期黄河的流路，就有可能弄清楚泥沙堆积的时空变化。公元前602年以前，黄河是多股分流的河流，洪水期在冲积扇上分成多股，在非汛期水流相对集中。,2、公元前602年至今泥沙的堆积过程,黄河下游公元前602年至今泥沙堆积过程可根据黄河变迁改道的阶段划分为四个期、三个流区。 （1）公元前602年至公元11年北流区。公元前602年至公元11年黄河主要流经濮阳、内黄、清丰、南
18、乐、大名、馆陶、黄骅至渤海。,（2）公元11年至1128年东流期。黄河在濮阳以上仍是西汉河道，两岸有提防，濮阳以下大河漫流于大清河以东各郡，直至东汉永平十三年王景治河成功以后，泥沙主要堆积在聊城以东的马颊河与大清河之间。这期间的后期经过长期泥沙淤积，河道决溢时有发生，公元1048年河决濮阳高湖北，改道北流。,（3）公元1128年至1855年南流期。公元1128年河决滑县，从此数十年内，或决或塞，迁徙不定，直至1194年河决武阳。以后至1494年这三百多年河道极为混乱，多股分流，主次难分，摆于大清河与淮河之间。1495年以后，为确保漕运，开始加固堤，直至1546年黄河基本固定，经兰考、商丘、徐州
19、、宿迁、涟水入黄河。,（4）1855后至今的东流期。这期间除1938年花园口人为决口至1946年堵口为难流期。但1946年以后，黄河泥沙除了部分入海以外，其余都是堆积在大堤内，使河床不断的增高。,三、三角洲演变对河道淤积的影响,黄河是一条多泥沙河流，每年输入下游的泥沙中约有1/2堆积在三角洲和滨海。由此使三角洲不断地向外扩张，河口不断的延伸。河口的延伸势必影响到河道泥沙的沉积。河口延伸对河道冲淤会产生怎样的影响，尚存在不同认识： 第一，认为黄河口的延伸是黄河下游淤积的直接原因，黄河下游淤积的幅度受制于河口侵蚀基准面的升高。,第二，认为下游的淤积抬高与河口的延伸关系不明显。 第三，认为河口伸缩对
20、下游河道起相对的侵蚀基准面升降的作用。以上三种观点概括起来，一种认为下游的淤积形式、幅度受基准面的控制；另一种认为下游的淤积不受河口伸缩的控制。各家对侵蚀基准面的认识，或认为黄河终极侵蚀基准面是渤海海面，或认为是黄河水沙影响的末端，但多数把渤海海面作为黄河的最终侵蚀基准面。,第五节 下游河道泥沙淤积趋势预估,一、中游侵蚀产沙趋势预估黄河中游的侵蚀给下游带来泥沙灾害。由于基本依据任意性较大，又缺少有效的手段，因而预测的数据可信度不高。侵蚀量的正确预测必须具备两个基本条件：一是预测的基本手段有效，二是参与预测的各自变量的准确选择。,1、预测侵蚀量模型的选择,至今宏观的流域侵蚀模型还没有，根据侵蚀机
21、理分析，利用黄土高原的有利条件，采集了1000多个淤地坝资料，从中筛选出155个闷葫芦淤地坝。采集每个淤地坝的年均淤积量、淤积时间，同时采集淤地坝以上流域相关侵蚀量，建立了黄河中游侵蚀变权模型。,2、侵蚀因素趋势预测,自然界影响侵蚀的因素很多，经过侵蚀关系的分析，从中选择影响侵蚀的五个主要因素，它们分别是：地形、地表组成物质、降雨、植被和人为因素。地形与地表组成物质为静态因素，它的预测值同现状值。降雨、植被和人为因素为动态因素，降雨量预测值是根据降雨的周期性变化分析确定，而植被、人为因素是根据社会经济发展、人口的增长等综合分析估算的动态因素值。,3、侵蚀量预测,把经过相关数学处理的侵蚀因素的值
22、代入到上述侵蚀变权模型。这样就可预估出未来的侵蚀量。其结果是在区域粮食自给，水土保持进度为1.25%的前提条件下，到下世纪中叶黄河中游的侵蚀量约1.2286*109t/a。,二、下游河道泥沙沉积预估,黄河下游河道的冲淤状况取决于中、上游来水来沙条件。由于中上游的自然环境条件差异较大，来水来沙的区域差异大，对下游河道的冲淤也不一样。为了确切地说明黄河中上游不同区域产水产沙对下游的影响，将黄河中上游分为五个区：,（1）河口镇以上少沙区 （2）多沙粗沙区 （3）多沙细沙区 （4）伊洛沁河区 （5）渭河南山支流区不同区的泥沙量可通过上述的侵蚀变数模型求得。,认识：,第一，总淤积量与多沙粗沙区来沙量呈正
23、相关，与少沙清水区来水量呈反相关，即少沙区来水可起到减淤作用。 第二，粗沙区来沙对下游淤积的贡献要远大于细沙区。 第三，少沙区减水将加剧下游河道淤积，河口镇以上每减水100*108m3，下游将增淤泥沙1.5*108t。,三、下游河道发展趋势,黄河下游河道泥沙淤积仍在发展，排洪能力仍在不断地降低。黄河下游现行河道萎缩，河道的过洪能力日趋减小，现行河道能维持多久，为公众所关注。,由于从60年代初开始修建大量的水利工程及全流域的引黄灌溉的影响，黄河下游的冲淤变化经历了不同阶段。总体上，下游的地上河进一步发展，尤其是近年来的持续淤积抬升，使过水断面日益缩小，同流量下的水位不断地升高，河道萎缩严重。今后
24、随着水沙条件的改变和下游两岸工农业用水的增加，黄河下游将逐渐向间歇性的多泥沙河流发展。,第六节 侵蚀泥沙调控对策,一、调控泥沙的主要观点 （1）治本论 （2）束水攻沙论 （3）多口分流论 （4）上拦下排，两岸分滞（在中游河道上兴建大型水库拦蓄和调节泥沙，其次是在下游河道两岸放淤。这是现在和今后治黄的指导方针）,上述各种治河观点，无论是治本论，还是治标论，都各有其长，各有其短，很少全面的考虑黄河河流特性和泥沙特性及其形成机理，也很少考虑到流域的自然环境和社会环境的特性及其耦合关系。,二、控制泥沙的方略与措施,（一）控制泥沙的方略 1、多方位综合减沙黄河流域灾害的形成有着根深蒂固的自然原因，也有着
25、不可低估的人为因素。泥沙灾害的形成必须具备三个条件：首先是泥沙的产生，其次是泥沙的输移，第三是泥沙的堆积，三者缺一不可，任一条件不具备都不能形成泥沙灾害。,2、上下游兼顾，重点实施,在考虑控制泥沙方略时应充分意识到控制泥沙的复杂性、多重性与艰巨性。在控制泥沙措施时应注意到空间上的上下游兼顾，以上游为主；时间上的远近结合，近期以治标为前提，远期以治本为目的。,（二）控制泥沙的措施,1、沙源的控制措施。黄河为害，其源为沙。不根治产沙主源，任其输入黄河再治，终究不是办法。黄河泥沙主要来自黄土高原，因而要对黄土高原的侵蚀环境中的侵蚀力与抗蚀力加以调控。 2、沟道泥沙的输移控制。为了减少入黄泥沙，必须在沟道上设防线。如果能在这些沟道的大部分区段修建淤地坝，则可起到既减沙又淤地的一举两得之益。,3、河道泥沙控制。为了减少下游泥沙为害程度，必须着眼于全河段，并多途径的控制泥沙。其主要措施是：在中游河道上兴建大型水库拦蓄和调节泥沙，其次是在下游河道两岸放淤。,谢谢！,
