浅析黄河下游的堆积历史和发展趋势

　　 论文 关键词：黄河下游 历史 时期堆积形态
　　论文摘要：本文将历史学及地 理学 的研究方法和水利 科学 相结合，着重探索黄河下游的堆积历史过程，并借助于“灰色系统”理论分析下游超长期河川径流与堆积历史的关系，给出河床堆积的 发展 趋势的预估。通过与相关科学的关联，认识到揭示下游堆积的 自然 机理，联系到大环境变迁背景的必要性。
　　一历史和 现代 的黄河下游河床堆积形态
本文所指的堆积状况，是指在较长的历史时段中河道冲淤累积的宏观结果，探索首先通过大量的水文地质钻孔，结合文物考古工作，对华北大平原的堆积作出概估，为估算干流河床堆积，提供了宏观的基面。
西汉时豫北浚滑、濮阳一带河床埋深8-l0m，当时床砂由中砂向细砂转化，表明曾有剧烈加积。从西汉初到北宋初，黄河河床积厚3-4m，宋金时期积厚4.5m，床砂向极细砂、粉砂转化[1]。豫东的明清黄河，15世纪初在开封黄河上下，尚无系统堤防；明代天顺年河决，“城中水丈余”，河漫滩至少已高于地面2-3m；崇桢年河决没城，泥沙淀积，滩地竟高于城市地面5-6m，明末至清道光年，市区淤厚达7-8m。累计15世纪中至19世纪中，开封河漫滩累积淤厚达11.5—13.5m。兰考以下，北股河道利用临背差判断堆积厚，1495—1781年淤厚7.0-10.0m；南股河道新筑南堤高6-8m，到1855年黄河改道前，新河积厚6-9m．利用文物资料及太行堤内外地层资料，曹（州）考（城）河段1494—1781年积厚7.0—10.0m，1534年刘天和比较北流与南枝河段，北流高出1.5丈，概估在1494—1546年的分流期内，堆积约占总积厚的一半。兰（封）睢（州）河段的临背差显示了堆积厚，1783—1855年积厚4.0—8.1m．商（丘）虞（城）河段临背差已不反映实际积厚，利用始建南堤时原地面高，得1572—1855年积厚8.8—12.0m。对苏皖两省明清故道的研究， 参考 南京师范大学所作地貌考查成果。
　　上述工作皆忽略了地壳垂直升降的影响．综合以上工作，参照复原后的黄河故道平面形态[2]，分析、统计黄河下游各河段、各时期的堆积状况(表1)。
　　可见：1)黄河下游的堆积，在西汉初到金元，明清、现行河道三个时期不同河道中，河床形态具有相对可比性，各期堆积速率呈一定 规律 变化。从豫河看，北宋前堆积小于0.30—0.35cm／a，宋金时期存在一加积时段，典型的滑（州）澶（州）段已与明清豫河接近；元明时贾鲁大河堆积率又高于滑澶河段。明清堆积率最高部位在豫河，似以沿程淤积为主，宏观堆积速率也高于历代。1855年改道后，山东境内堤防在19世纪末逐渐完善，至本世纪70年代，平均堆积率未超过5cm／a，高村以下不少地方，本世纪30—60年代堆积率超过l0cm／a。从历史过程的纵向看，黄河下游的堆积率正在增长中。2)利用复原的河道平面形态粗估明清下游的堆积量，自有系统堤防控制到清末铜瓦厢改道，下游河道淤积2.39-2.84*108m3／a，略等于1950—1985年的平均淤积2.73*108m3／a(已扣除工程环境因素)。表明古今下游的堆积是具有可比性的。3)以云梯关以下河段作为明清的河口段处理，参考南京师范大学成果与河口段实测资料，假定堆积与河口延伸成线性关系，则各时段河口延伸及堆积估算如表2：
　　表1历史时期河南黄河下游河道堆积状况

河 道

河 段

研究时段（年）

河 道

部 位

河床堆积

m

黄河干道

郑州桃花峪附近

西汉初期——1450

1450——1850

全河床

全河床

5.0

5.0

豫北故道

滑县-濮阳

西汉初——北宋初

北宋初期——1194

全河床

全河床

3.0—4.0

4.5

贾鲁大河

虞城-夏邑

元代——1558

全河床

7.0—10.0

明清黄河

沁河口—东坝头

开 封

兰 考

民 权

商丘—虞城

丰 县

徐 州

睢 宁

泗 阳

云 梯 关

大 淤 尖

1493——1855

1450——1642

1642——1855

1495——1781

1783——1855

1495——1781

1783——1855

1572——1855

1572——1855

1572——1855

1572——1855

1578——1855

1590——1855

1677——1855

全河床

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

河漫滩

6.0

3.0

8.5—10.5

7.0—10.0

6.0—9.0

7.0—10.0

4.0—8.1

8.0—12.0

8.79

5.0—10.0

5.5

8.4

6.05

7.55

表2明清黄河河口延伸、堆积估算

河口延伸范围

延伸距离

km

延伸率

m/a

堆积速率

cm/a

1194-1578

1578-1591

1591-1677

1677-1700

1700-1747

1747-1776

1776-1803

1803-1810

1810-1855

云梯关-四套

四套—十套

十套—十巨

十巨—八滩东

八滩东—七巨港

七巨港—新淤尖

新淤尖—南北尖

南北尖—六洪子

六洪子-望海墩-河口

15.0

20.0

7.5

5.5

15.0

5.5

3.0

3.5

13.0

39

1540

87

230

320

190

111

500

280

0.4

16.6

0.9

2.6

3.4

2.0

1.2

5.4

3.1

　　可见，除了潘季驯大治堤防，全流出海时河口段堆积较大外，在河床充分调整的长历时中，河口段与苏豫皖各河段抬升趋势大致相当。
　　二、下游的来水、河患与堆积的关联，对未来的预测
　　黄河下游的来水量，在超长系列里呈现出丰枯交替的周期变化；下游的来沙以三门峡以上河流为主，故粗略地利用三门峡站多年径流来评估下游来水来沙的量级。黄河水利委员会的白昭西等人以三门峡以上11站在《 中国 近500年旱涝分布图集》里的丰枯水定级，对三门峡站天然径流加以分析，复原了近500年（1470-1978）的径流量系列。本研究对该序列进行各级平滑处理，认为50年平滑成果具有清晰的周期变化的意义，有助于定性概估下游来水变化，将明清加积时期的史料记载与周期分析相结合，认为周期变化如表3：
　　表3三门峡站天然年径流丰枯变化周期分析

周期

丰枯时期

曲线所示

丰枯时段

复原径流

丰枯时段

所含连续

丰水时段

典 型

丰 水 年

所含连续

枯水时段

年数

i期

116年

偏枯

?—1546

1479—1533

1508、1515、1523、1530

1481—1491

1521—1533

54

偏

丰

a

1546--1583

1533--1595

1546—1558

1566—1575

1589--1595

1557、1567、1570、1575

1581--1588

62

ⅱ期

187年

偏

枯

1583—1655

1595—1642

1598、1599、1604、1605、1613、1621

1627—1641

47

偏丰

b

1655--1778

1642--1782

1644—1654

1658—1666

1678—1681

1693—1698

1723--1761

1653、1659、1662、1664、1679、1751、1761、1781

1713--1722

140

ⅲ期

126年

偏枯

1778—1796

1782—1797

1785、1793

1784—1797

15

偏丰

c

1796--1903

1797--1908

1798—1806

1815—1830

1841—1844

1848—1856

1866--1873

1800、1802、1806、1820、1822、1839、1841、1842、1843、1844、1849、1850、1851

1857—1866

1872--1881

111

ⅳ期

147年？

偏枯

1903—1943

1908—1932

1903、1914、1935、1937、1940

1922--1932

24

偏丰

d

1943—2065

？

1932—2055

？

1943—1955

1958—1968

…… ？

123

？

　　利用上述图、表和档案资料，将明清时期黄河下游的堆积状况分为三个阶段：1）1495—1546年，北堤已建，但有南北多股分流，在表3所示的i期的偏枯时段，豫河出现剧烈堆积。1546年后，南流诸道先后淤塞，而来水进入a丰水时段，来沙剧增，贾鲁大河河道淤阻已久，难以适应，河床急剧淤高，遂发生1558年改道，大溜沿古汴河水道经单、丰、砀、肖至徐州；虞城一带古代湖泊淀洼旋被淤淀，河床高出两岸地面，1572年创筑南堤。16世纪末，潘季驯大规模修治堤防，下游河防逐步完善，大量泥沙被挟带到河口，河口延伸率达1.5km／a，河床堆积也高达16.6cm／a；1591-1700年河口延伸降到87—239m／a，因统计时段过长，内含1595-1642年的枯水段，来沙较少，河口段也长期处于漫溢状(直至清初)，泥沙被带到堤外，河床堆积偏低。1591-1677年低堆积时期，又恰恰与ⅱ期偏枯时段大致吻合。2)清初，相应地是ⅱ期丰水段，从1649年起堤防建设集中在豫河，河床纵向调整也使堆积回溯到河南。70年代靳辅治河，堤防工程向云梯关外延伸，短期内河口延伸达1720m／a[3]。河口段的延伸与加积反馈上溯，溯源淤积加剧；巧合的是正值下游ⅱ期b丰水段，丰水多沙，河道的沿程淤积加剧，与河口延伸造成的溯源淤积叠加，下游河床出现全面加积的局面．从河患与堤防修筑的时空分布看，抬升具有逐步上溯趋势。

　　明清河道与原豫北故道在桃花峪附近分野，两个多世纪以来明清河道仍低于后者，沁河口至詹店未立河防，利用故道高滩御水，大水时还可分洪，“故留此无堤之十八里，以资宣泄”(《续行水金鉴》)。但是17世纪90年代，堆积 发展 到冲积扇顶点，甚而到桃花峪以上，无堤处才补筑遥堤。这一次加积至少持续到18世纪60年代；加积与表3的b丰水时段又恰好同步．在b丰水段后，纵向调整似乎主要在开封以下进行。明清时期的400年里，桃花峪堆积厚达5m，很可能主要地是这一丰水阶段所形成的。18世纪上半叶，豫河工程全竣，决溢和加积又向苏皖转移，河口延伸为320m／a；但这一局面维持甚短，溯源加积很快又上达到河南，在清初的基础上，兰考以下河道堆积尤甚，1781年仪封大决造成局部改道。3)乾隆仪封改河工成，下游两岸都加强了堤防，决溢与筑堤的重点，又向苏皖转移。但恰处于第ⅲ期的1782—1797枯水时段，来沙相应较少，冲淤相对稳定；1776—1803年河口堆积降到1.2cm／a，不过这一机遇也不太长，1794年以后，决溢重心又从丰砀以下河段发展到以上，1819—1822、1841—1844年大水，中牟、开封河段大决，1851年丰县改徙夺溜、河督严烺认为当时河病之根本在豫河，“尚非海口淤垫，下游顶阻之故”，豫河的加积又成了主导方面，终于促成了1855年改道。．
明清时期的三次加积高潮、河口延伸，与所分析的a、b、c三次丰水多沙时段一一对应，而堆积的低谷和枯水时段同步；定性地认识到下游丰水状况与河道来沙、堆积具有正相关特性。尽管存在其它多种现象，但大水多沙，淤积为主的趋势仍是居多的。为使问题简化，以上忽略了河势横向变化、调整和河患、堤防自身问题的复杂关系，而且在突出河道纵向调整时，概化了整个下游河床演变，忽略局部。。
据此，将水沙丰枯变化与河床堆积联系起来，以未来下游来水量的丰枯，做堆积的宏观趋势的关联性预测，是很有意义的。
从而，采用三门峡站 历史 天然年径流序列，借助于“灰色系统”理论进行预测 计算 [4]，将预测段衔接在天然年径流序列段之后进行平滑处理，发现50年平滑结果最具有丰枯变化周期的性质(图1)，历史与预测分析结果，变化趋势基本一致，b、c丰水时段在平滑曲线上长达110-140年左右；d丰水时段长123年左右，前后对应。从预测出的数据看，第ⅳ周期长约147年．这与陈家其对482-1981年黄河中游水早等级序列拟合，满足信度要求后的趋势分析结果基本一致[5]。
这样，初步地把第ⅳ期丰水长时段的下限，定在21世纪50年代，沿用上述水、沙堆积分析概念，预测在下个世纪50年代之前，黄河下游将处于清初清未那样的丰水、多沙和强烈的堆积阶段中。
　　在现状工程条件下，黄河下游堆积仍将大体上遵循历史的大趋势，近500年来的堆积状况是最直接的 参考 ．黄河水利委员会对今后50年平均淤积估算为3.79*108t／a，是历史年淤积量的1.5倍。直观地看，河床抬升率将明显地加大，在现状前提下，有关单位估算下游各站50年防洪水位和平滩流量5000m3／s下的相应水位；现按同一速率预估70年，预估成果如表4所示：
　　表4黄河下游河道到21世纪50年代淤积水平的预估

站名

平滩流量5000m 3 /s的水位

1984年淤积水平 50年平均淤积速率

（m） （cm/a）

2054年的淤积

水 平

高程 m

目前大堤高程（m）

左岸 右岸

花园口

夹河滩

高 村

孙 口

艾 山

利 津

93.88 3.92

74.44 7.88

62.87 9.82

48.34 9.66

41.20 8.30

13.30 5.10

96.62

79.96

69.74

55.10

47.01

16.87

99.80 100.12

80.92 81.88

67.90 68.46

54.86 54.96

47.71 山

19.49 19.49

　　这一淤积速率与历代状况基本一致，从东坝头以下河段，近百年堤防加高每10年0.81m看，与按1950-1975年水沙条件下估算的下游堤防加高数值近似。但预测数值比某些实测数值偏低。在现状工程条件下，实际到2054年的淤积水平，在某些和段河床将超过堤顶高程；倘遭遇如若1958年型的洪水，淤积将进一步提高。夹河滩到艾山的豫鲁河防，危机将进一步加剧。如果在未来的70年中，目下所研讨的种种工程减淤措施未附诸实施，或者尚未达到预期作用，单纯依靠加高堤防的办法，对付未来的丰水多沙时段的持续加积，下游河道的修防工作，将面临更为险峻的形势。
　　三、影响河床演变的一些广义的环境背景
以上探讨，局限于考虑上游来水来沙及纵剖面发育的外观形态．但要深人预测，还应弄清影响侵蚀及堆积的大环境机制，其中，气候变迁无疑是一个重要因素，且已引起人们注目；而新构造运动是另一个重要因素。诚如《河床演变学》[6]所言：河床的形态变化，“是地表在内营力和外营力作用下长期发展的产物，既要考虑流水的动力作用，也要考虑地质构造运动的深刻影响；既要研究 现代 过程，也要了解历史演变”．这里就它与其它学科的联系，提出一些联想。
1．钱宁提出：“一般当气候变得干寒时，河流的中上游表现为水沙条件的变化所引起的堆积抬高，中下游则表现为海平面下降所带来的溯源侵蚀。当气候向湿热方向波动时，则河流作出的反应正好相反”( 文献 [6]第334页)。刘东生等长期对黄河中游黄土的研究，恢复了黄土和古土壤的时间序列，指出这一序列与气候变迁、华北平原土壤发育、细粒沉积、平原河湖侵蚀—沉积的关系[7]，启示我们在全新世气候与地层的划分中，找出子属的寒冷—温暖周期变化和子属的黄土侵蚀振荡来。
2．联系赵松龄、高善明与周志德对海面变化及其对河道影响的研究[8-10]，认为西汉末期下游河患加剧、变徙频繁，可能受两汉之际渤海海面波动影响。侵蚀基面因海进造成抬升，河口段流速减小，削弱了宣泄洪水和挟送泥沙的能力，导致河床溯源抬升，触发一系列决溢。
3．陆中臣提出了传统的河相关系研究缺乏对内营力的考虑，从而引入广义边界条件地壳垂直形变率t[11]：洪笑天等对地壳沉降抬升影响河型转化进行模拟研究[12]，指出地壳沉降造成水流扩散，挟沙力降低、堆积加剧、河床比降增大；在地壳间歇上升中，河型由分汊型向单一顺直型转化，原沉降段的上游，相对地加积，发育江心洲．从而从实验角度证实了构造运动对于河床演变的理论意义。
总之，广义边界条件的引入，使人联想到黄河下游在历史上各河段的加积与相对稳定的交替存在，除了河床自身调整的因素外，还有更为宏大的环境背景．加强河床演变和关联学科的相关性研讨，将有助于加强对历史、现代、未来黄河下游河床堆积、河床变徙内在机理的认识。
　　四、结语
1)黄河下游存在西汉末东汉初，宋金、明清三个强加积时期，现行黄河正处于一新的强加积时期中。自古至今堆积速率逐渐加大。
2)对近500年来下游来水与堆积的相关分析，说明丰水多沙与堆积加强的正相关性的存在，划分出1533-1595、1642-1782、1797-1908年三个丰水时段。丰枯周期变化大致遵从于我国气侯变化的110-150年周期 规律 。
3)对未来一个多世纪下游来水预测，认为在21世纪50年代之前，下游将处于丰水多沙的d丰水阶段，相应会出现比历史状况更为严重的加积局面。
　　4)利用文史记载和地貌学、沉积学的方法，对黄河历史作出 科学 的认识，是一切实可行的方法，并有待于深入与展开，同时，应当结合气候变迁、新构造运动等这些更为深刻、广阔得多的大环境背景因素，进行综合考虑。