明清黄河下游来水来沙与河床演变
一、明清黄河下游的来水来沙变化
黄河下游来水、在超长系列里呈现出丰枯交替的周期变化。下游的来沙，以三门峡站以上流域为主，河口至龙门区间、泾洛渭汾流域产沙量，占全河的90％以上。：故利用三门峡站的多年天然径流2，粗估来水来沙的变化趋势和量级。以三门峡以上41站在《 中国 近五百年旱涝图集》中逐年的旱涝等级，对三门峡站天然年径流 计算 分析，重建了近500年径流序列。采用该序列作低通滤波处理，：认为50年滑动平均成果具有清晰的周期变化特征：分析来水变化趋势，认为明清黄河下游具有三个长周期(1479—1595年、1596—1782年、1783—1908年)，成果如图。
从b、c丰水时段图象看，似可进—步划分为四个准丰水段，其间还有两次短暂相对偏枯振动。对复原的历史天然径流序列采用最大熵谱分析，成果显示存在23年的主周期、73年的次主周期，可能与天文一大气变化有关联。
研究认为明清时期的3次加积高潮，与a、b、c三个丰水时段大致同步(1534—1595、1643-1782、1798-1908年)，下游河道的堆积低谷又与枯水时段大致同步，定性地认识到丰水时期的来水，与挟带而来较多的泥沙及下游河床的堆积存在密切关联的特性。造成下游河道堆积的泥沙，主要由大于0.05mm的粗颗粒所组成，主要来源于陕北黄土丘陵沟壑地区，来自河口镇至清涧河口之间两岸支流与无定河河口以下白宇山区的支流河源区。
利用500年水旱资料，以主要产沙区的榆林、延安二站资料，适当 参考 中游其它站区，认为榆林、延安的水旱等级，相应也显示了水力侵蚀产沙程度，定性地判别主要产沙区在中游地的相对侵蚀(粗沙)产沙程度，粗分为丰、中、少三中情况。三门峡站以上来水，以已复原的径流序列，划分为偏丰、平水、偏枯三种情况，与产沙情况组合，获得九种组合形式，从而逐一确定各组合的下列大水年。又以三花间径流序列(王云璋，1989)作为下游水情的一维，进一步用三门峡以上的水沙组合与三花间水情(大水、平水、枯水)作为另一维，构成二次组合。将原中游来水来沙组合序列酌情置入；取得系列一：中游大水、大沙，下游大水，有样本57年；中游大水大、中沙，下游平水，有51年。系列二：中游大水大、中沙，下游小水，有46年。系列三：中游中水大中沙，下游平水、小水，有54年。系列四：中游小水，大、中沙，下游小水；有13年。三门峡以上来水一般与三花间洪水错峰，这里的估算从年径流总体来看；考虑到三花间来水含沙极少，致淤效果小，认为上述的二、三、四系列的水沙组合，产生淤积的可能较大，探讨称为可能致淤组合。以上四系列包含样本年数217年，占研究段1470—1855年样本总数的56.2％。将样本年按原序置人丰枯周期之中,统计得到以下成果：
表1三门峡天然径流丰枯时段与可能致淤年数的比率
周 期
丰 枯
时 段
（1）
年 数
（2）
可能致淤年数
（2）/（1）
%
a
偏 枯
偏 丰
1470—1533
1534—1595
64
62
23
36
35.9
58.0
b
偏 枯
偏 丰
1596—1642
1643—1782
47
140
23
91
48.9
65.0
c
偏 枯
偏 丰
1783—1797
1798—1855
15
58
4
40
25.0
68.9
可见，在来水偏丰时段，中游来水来沙与三花间来水再组合，可能导致淤积的比率为58.0-68.9%；而偏枯时段，这一可能致淤年数的比重在50%以下。1534-1595年丰水段，常出现连续2-3年，多达6年的连续可能致淤年，连续年区段间隔多为1-2年；1643-1595年丰水段，可能致淤年多为2-3年，也有长到7-8年的。1798-1855年，这种情况的连续段多为2-3年，多到6年，也有10余年的。分析认为正是处于丰水时段中的这些连续可能致淤年，下游河道产生严重淤积的几率较大。连续的淤积—决溢—淤积，加重了整个下游河道以及决口口门以下河段的糜烂、壅阻——淤积的恶性循环，使河道状况进一步恶化。
进一步看，在研究时期的386年之中，有72年暴雨中心在榆林、延安地区，洪水通过各支河汇入黄河北干流后，河谷开阔，由于河槽的巨大调蓄作用，黄河中游出现的洪峰量级大减；而同时洪峰来沙系数大，就可能产生高含沙量洪水，这种年次占了可能致淤年的1/3以上，在可能致淤的年次里，对下游河道的塑造起到重要作用。高含沙水流在宽浅的游荡型河段，很难维持平衡输沙，粗沙排沙比很低，对下游河道的冲淤极为不利。
钱宁等将黄河水沙组合分为6种型式，将本文的分析与其对比如下：
表2黄河水沙组合类型对比统计
钱 宁
概括的
水沙组 合类型
来 沙
系 数
kg.s/m 6
淤 积
强 度
10 4 t/d
下游淤积量占全部洪峰淤积量 %
类似典型年
三门峡站输沙 距 平
%
全下游
淤 积
10 8 t
水 情
类 型
本文的类 似
系 列
（2）
0.0516
3100
59.8
1954
+92.0
5.99
上大下中
系列一
（2）
0.0516
3100
59.8
1966
+53.6
4.29
上大下小
系列二
（3）
0.0360
545
13.6
1951
-2.0
1.11
上中下中
系列三
（3）
0.0360
545
13.6
1975
+ 9.0
-0.36
上中下小
系列三
（4）
0.0131
1898
28.2
1958
+124.0
6.85
上大下大
系列一
（6）
632
3.4
1956
+15.1
3.85
上小下大
（6）
632
3.4
1959
+105.0
7.03
上小下小
系列四
以上工作验证了在明清天然径流分析中获得的印象，即从黄河的长历时看，从统计的角度看，导致黄河下游全河床淤积的来沙（特别是淤积滩地）状况，在丰水时段中大量地出现。说明在偏丰时段，中游的主要产沙区以侵蚀产沙为主；相应地，下游河道出现较为严重的淤积，一些重大的河床变形、河道改徙的历史事件，多发生在这些丰水多沙与河道加积的时段里。
表3黄河丰水时段可能致淤年序列
1534—1595年
丰 水 时 段
1534—36，1540—44，1546—49，1551—54，1562—67，1569—72，
1578—80，1588—91，1594—99
1643—1782年
丰 水 时 段
1642—49，1651—54，1658—60，1662—64，1666—79，1686—89，
1691—95，1704—10，1715—18，1723—37，1743—46，1751—57，
1766—68，1772—76
1798—1855年
丰 水 时 段
1798—1800，1802—04，1815—30，1840—45，1848—53
表4明清时期可能高含沙洪水年
15世纪： 1475，1476
16世纪： 1503，1508，1515，1534，1535，1540，1542，1553，1557，1562，1564，1567，1569，1570，1575，1593，1594，1595，1598
17世纪： 1604，1621，1626，1641，1644，1653，1659，1662，1664，1666，1671，1677，1678，1679，1686，1694，1695，1698
18世纪： 1701，1707，1723，1725，1728，1730，1731，1736，1744，1745，1749，1751，1752，1753，1756，1757，1761，1767，1774，1775，1781，1785，1789
19世纪： 1800，1819，1820，1822，1823，1838，1843，1844，1855
二明清黄河下游的堆积、变徙与水沙变化
在明清时期，黄河下游的堆积、河床演变与来水来沙的变化，存在着密切的关系。
1495—1546年，下游人为地北堵南分，时有决徙，挟沙水流极不稳定，在偏枯时段，仍出现严重堆积。进入a丰水时段后，出现一系列的连续丰沙可能致淤年，分析可能致淤样本占该时段的58％。分流状态不利于输送泥沙，经过1534—36、1540—44两次连续丰水丰沙过程，1546年南分诸道 自然 淤塞，全河水沙尽入贾鲁大河。前阶段被称之为“小黄河”的贾鲁大河，淤阻已久，难以适应剧增的水沙，河床急剧淤高，1558年商丘新集改道，摆脱故道河线，重新出现自然改徙、分流泛滥局面。
从16世纪?0年代起，河南境内南堤创筑，1578、1588年，潘季驯三任、四任河总，大规模修治堤防，水沙得到相对约束；1578—80年，88—91年，94—99年水沙组合可能致淤，90年代又出现一系列可能高含沙年，丰沛的来沙被挟带到河口，河口延伸率一度高达1540m/a，其堆积速率也相应达到16.6cm/a左右。·
进入周期ⅱ偏枯时段(1596—1642)，可能致淤的不利水沙组合比例减小，虽有6次也可能出现了高含沙，但总的来沙量偏少，河口延伸率曾降到87m/a。诚然，明末清初在淮安以下一度处于漫溢状态，相对延缓了河口单流直进的速度。
清代前期，恰好进入了b丰水阶段(1643—1782)，修防工程从1649年起集中于豫河进行，丰水又挟带来了超过前阶段的泥沙；如42—49年、51—54年；58—60年，其中还包含着44、53、59等一些可能高含沙年，陕北在遭遇了长期大旱后，侵蚀产沙加剧。清初首先反映出来的是沿程淤积。到17世纪70年代，靳辅主持了大规模的堤防治理，工程向云梯关外延伸，沿程的纵向调整得以 发展 到海口，河口延伸又增加到239m/a，张仁估计可高达1700m/a。这一方面显示了堤防约束的功能，也显示了中游的来沙有一个非常显著的增加。
从河南河段看，这次加积至少持续到18世纪的60年代。而沿程淤积尚未缓解。1761年大水大沙，榆林、西安出现1级大水，延安、平凉出现2级水；在下游干流的基流较大情况下，又遭遇了三花间特大水，花园口洪峰流量高达32000m3/s。这次大水并未如理想的那样挟带走大量床沙，反而滞积在滩地上大量泥沙。到1766—68年，1772—76年又逢丰沛来沙，而1777—79年甚至连年出现高含沙洪水，严重的淤积发生在开封以下河段，1781年的仪封青龙岗大决似成定局。这次决口未能堵复，决定了1783年仪封至商丘河段的局部改徙。
同时，也不能忽视溯源淤积，18世纪上半叶，随武陟堤工的完成，豫河全线的工程逐步完竣，决溢与加积推向苏皖，河口延伸发展到320m/a，河口的堆积很快又溯源向上。仪封改河完成后，决溢与工程的重心，也向苏皖转移，不过进入周期ⅲ的1783—97年枯水时段，来沙相对较少，可能致淤年仅占25％，冲淤相对稳定；在1776—1803年间，河口的延伸一度降低到111m/a，堆积速率也相应降到1.2cm/a。
但这一枯水段历时甚短，旋即进入c丰水时段，遭遇到诸如1798—1800，1802—04，1815—30，1840—45，1848—53等一系列可能致淤的水沙组合年，来水来沙对下游河道冲淤十分不利。值得注意的是，出现了1819—23年的连续可能高含沙。本来在1794年之后，由于沿程加积，决溢重心已从丰县砀山以下河段发展到河南省境河段，而连续的大水、多沙、致淤又接踵而至。1819年极为典型，雨洪类型同于1843年，洪水之后，滩面淤与堤顶乃至子堰齐平，兰睢段堵口，开挖引河长达50里，开挖深达0.8丈至2.7丈。1843年特大洪水，花园口洪峰流量高达33000m3/s。暴雨中心在皇甫川、窟野河及洛河、马连河上游，是中游的主要产沙区，也正是造成下游河床淤积的粗泥沙来源区。从1843年淤沙取样颗分看，大于0.05mm的颗粒可占90％左右，颗分曲线与皇甫川含沙量1000kg/m3以上的颗分曲线十分接近，说明这次洪水含沙量是很大的。从小浪底上下沿河淤沙看，各处淤沙厚均在2m左右。19世纪40年代中牟、开封的一系列决徙、1851年丰县的改徙夺溜，无疑也加剧了河道的糜烂程度。这一切，也加速促成了1855年铜瓦厢改道的 自然 形势。
研究认识到：黄河中游粗砂颗粒来源地区的侵蚀条件变化，直接地影响到下游河道的堆积和变徙。来水来沙条件是决定下游河道淤积和变徙的首要因素。本分析中的每个加积阶段，下游河道纵向调整首先反映出来的是沿程淤积，中游的水沙变化，特别是暴雨集中、侵蚀力强，挟沙丰沛与下游河道可能致淤相关联。随着两岸堤防、工程的完善，大量泥沙被挟送到苏皖河段，被输送到河口，河口的延伸及河口段河床抬升，侵蚀基点的变化，加重了溯源淤积。两种形式的淤积，加速了河床的抬升，两种淤积效应的叠加，导致了明清下游河道的全面、迅速抬升。从堤防控制的意义上来看，明清黄河下游在长时期中的堆积，已达到2.4—2.8x108m3/a的淤积水平，和现行黄河下游河道的淤积水平相当(1950—1985年值，已扣除三门峡工程影响因素)。
明清时期黄河下游河床堆积状况,如表5所示:
表5明清时期黄河下游的堆积状况
河 道
河 段
研究时段（年） 资 料
河道 部 位
河床堆积 m
黄河干道
郑州桃花峪
1450——1850
全河床
5.0
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
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
结论
1．明清强堆积时期，黄河下游的来水来沙曾出现过丰枯交替的振动变化，存在三个丰水丰沙的加积阶段。分析水沙组合状况，可能至淤年的组合年占这些时段总年数的58-68%。
2．来水来沙条件的变化，以河南段为主的沿程淤积首先被反映出来，随工程的完善，大量泥沙被输移到河口，河口迅速延伸，河口段溯源淤积加剧，整个下游河床呈现全面抬升。
3．在 历史 的天然径流量序列复原的基础上，对水沙振动的趋势、样本年的状况作出定性判估；依靠历史旱涝资料以及业已建立的一些黄河中游区间、流域水沙关系模式，可能从量级上去深入与逼近，作为一种背景性的分析，进一步与下游河道的河床演变结合。
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