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淺析黃河下游的堆積歷史和發(fā)展趨勢(shì)
論文關(guān)鍵詞：黃河下游 時(shí)期 堆積形態(tài)
論文摘要：本文將歷史學(xué)及地的研究方法和科學(xué)相結(jié)合，著重探索黃河下游的堆積歷史過程，并借助于“灰色系統(tǒng)”理論分析下游超長(zhǎng)期河川徑流與堆積歷史的關(guān)系，給出河床堆積的發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)估。通過與相關(guān)科學(xué)的關(guān)聯(lián)，認(rèn)識(shí)到揭示下游堆積的自然機(jī)理，聯(lián)系到大變遷背景的必要性。
一 歷史和現(xiàn)代的黃河下游河床堆積形態(tài)
本文所指的堆積狀況，是指在較長(zhǎng)的歷史時(shí)段中河道沖淤累積的宏觀結(jié)果，探索首先通過大量的水文鉆孔，結(jié)合文物考古工作，對(duì)華北大平原的堆積作出概估，為估算干流河床堆積，提供了宏觀的基面。
西漢時(shí)豫北�；�、濮陽(yáng)一帶河床埋深8-l0m，當(dāng)時(shí)床砂由中砂向細(xì)砂轉(zhuǎn)化，表明曾有劇烈加積。從西漢初到北宋初，黃河河床積厚3-4m，宋金時(shí)期積厚4.5m，床砂向極細(xì)砂、粉砂轉(zhuǎn)化[1]。豫東的明清黃河，15世紀(jì)初在開封黃河上下，尚無系統(tǒng)堤防；明代天順年河決，“城中水丈余”，河漫灘至少已高于地面2-3m；崇楨年河決沒城，泥沙淀積，灘地竟高于城市地面5-6m，明末至清道光年，市區(qū)淤厚達(dá)7-8m。累計(jì)15世紀(jì)中至19世紀(jì)中，開封河漫灘累積淤厚達(dá)11.5—13.5m。蘭考以下，北股河道利用臨背差判斷堆積厚，1495—1781年淤厚7.0-10.0m；南股河道新筑南堤高6-8m，到1855年黃河改道前，新河積厚6-9m．利用文物資料及太行堤內(nèi)外地層資料，曹（州）考（城）河段1494—1781年積厚7.0—10.0m，1534年劉天和比較北流與南枝河段，北流高出1.5丈，概估在1494—1546年的分流期內(nèi)，堆積約占總積厚的一半。蘭（封）睢（州）河段的臨背差顯示了堆積厚，1783—1855年積厚4.0—8.1m．商（丘）虞（城）河段臨背差已不反映實(shí)際積厚，利用始建南堤時(shí)原地面高，得1572—1855年積厚8.8—12.0m。對(duì)蘇皖兩省明清故道的研究，參考南京師范大學(xué)所作地貌考查成果。
上述工作皆忽略了地殼垂直升降的影響．綜合以上工作，參照復(fù)原后的黃河故道平面形態(tài)[2]，分析、黃河下游各河段、各時(shí)期的堆積狀況(表1)。
可見：1)黃河下游的堆積，在西漢初到金元，明清、現(xiàn)行河道三個(gè)時(shí)期不同河道中，河床形態(tài)具有相對(duì)可比性，各期堆積速率呈一定規(guī)律變化。從豫河看，北宋前堆積小于0.30—0.35cm／a，宋金時(shí)期存在一加積時(shí)段，典型的滑（州）澶（州）段已與明清豫河接近；元明時(shí)賈魯大河堆積率又高于滑澶河段。明清堆積率最高部位在豫河，似以沿程淤積為主，宏觀堆積速率也高于歷代。1855年改道后，山東境內(nèi)堤防在19世紀(jì)末逐漸完善，至本世紀(jì)70年代，平均堆積率未超過5cm／a，高村以下不少地方，本世紀(jì)30—60年代堆積率超過l0Cm／a。從歷史過程的縱向看，黃河下游的堆積率正在增長(zhǎng)中。2)利用復(fù)原的河道平面形態(tài)粗估明清下游的堆積量，自有系統(tǒng)堤防控制到清末銅瓦廂改道，下游河道淤積2.39-2.84*108m3／a，略等于1950—1985年的平均淤積2.73*108m3／a(已扣除工程環(huán)境因素)。表明古今下游的堆積是具有可比性的。3)以云梯關(guān)以下河段作為明清的河口段處理，參考南京師范大學(xué)成果與河口段實(shí)測(cè)資料，假定堆積與河口延伸成線性關(guān)系，則各時(shí)段河口延伸及堆積估算如表2：
表1 歷史時(shí)期河南黃河下游河道堆積狀況
表2 明清黃河河口延伸、堆積估算
可見，除了潘季馴大治堤防，全流出海時(shí)河口段堆積較大外，在河床充分調(diào)整的長(zhǎng)歷時(shí)中，河口段與蘇豫皖各河段抬升趨勢(shì)大致相當(dāng)。
二、下游的來水、河患與堆積的關(guān)聯(lián)，對(duì)未來的預(yù)測(cè)
黃河下游的來水量，在超長(zhǎng)系列里呈現(xiàn)出豐枯交替的周期變化；下游的來沙以三門峽以上河流為主，故粗略地利用三門峽站多年徑流來評(píng)估下游來水來沙的量級(jí)。黃河委員會(huì)的白昭西等人以三門峽以上11站在《中國(guó)近500年旱澇分布圖集》里的豐枯水定級(jí)，對(duì)三門峽站天然徑流加以分析，復(fù)原了近500年（1470-1978）的徑流量系列。本研究對(duì)該序列進(jìn)行各級(jí)平滑處理，認(rèn)為50年平滑成果具有清晰的周期變化的意義，有助于定性概估下游來水變化，將明清加積時(shí)期的史料記載與周期分析相結(jié)合，認(rèn)為周期變化如表3：
表 3 三門峽站天然年徑流豐枯變化周期分析
利用上述圖、表和資料，將明清時(shí)期黃河下游的堆積狀況分為三個(gè)階段：1）1495—1546年，北堤已建，但有南北多股分流，在表3所示的I期的偏枯時(shí)段，豫河出現(xiàn)劇烈堆積。1546年后，南流諸道先后淤塞，而來水進(jìn)入A豐水時(shí)段，來沙劇增，賈魯大河河道淤阻已久，難以適應(yīng)，河床急劇淤高，遂發(fā)生1558年改道，大溜沿古汴河水道經(jīng)單、豐、碭、肖至徐州；虞城一帶古代湖泊淀洼旋被淤淀，河床高出兩岸地面，1572年創(chuàng)筑南堤。16世紀(jì)末，潘季馴大規(guī)模修治堤防，下游河防逐步完善，大量泥沙被挾帶到河口，河口延伸率達(dá)1.5km／a，河床堆積也高達(dá)16.6cm／a；1591-1700年河口延伸降到87—239m／a，因時(shí)段過長(zhǎng)，內(nèi)含1595-1642年的枯水段，來沙較少，河口段也長(zhǎng)期處于漫溢狀(直至清初)，泥沙被帶到堤外，河床堆積偏低。1591-1677年低堆積時(shí)期，又恰恰與Ⅱ期偏枯時(shí)段大致吻合。2)清初，相應(yīng)地是Ⅱ期豐水段，從1649年起堤防建設(shè)集中在豫河，河床縱向調(diào)整也使堆積回溯到河南。70年代靳輔治河，堤防工程向云梯關(guān)外延伸，短期內(nèi)河口延伸達(dá)1720m／a[3]。河口段的延伸與加積反饋上溯，溯源淤積加�。磺珊系氖钦迪掠微蚱贐豐水段，豐水多沙，河道的沿程淤積加劇，與河口延伸造成的溯源淤積疊加，下游河床出現(xiàn)全面加積的局面．從河患與堤防修筑的時(shí)空分布看，抬升具有逐步上溯趨勢(shì)。
明清河道與原豫北故道在桃花峪附近分野，兩個(gè)多世紀(jì)以來明清河道仍低于后者，沁河口至詹店未立河防，利用故道高灘御水，大水時(shí)還可分洪，“故留此無堤之十八里，以資宣泄”(《續(xù)行水金鑒》)。但是17世紀(jì)90年代，堆積發(fā)展到?jīng)_積扇頂點(diǎn)，甚而到桃花峪以上，無堤處才補(bǔ)筑遙堤。這一次加積至少持續(xù)到18世紀(jì)60年代；加積與表3的B豐水時(shí)段又恰好同步．在B豐水段后，縱向調(diào)整似乎主要在開封以下進(jìn)行。明清時(shí)期的400年里，桃花峪堆積厚達(dá)5m，很可能主要地是這一豐水階段所形成的。18世紀(jì)上半葉，豫河工程全竣，決溢和加積又向蘇皖轉(zhuǎn)移，河口延伸為320m／a；但這一局面維持甚短，溯源加積很快又上達(dá)到河南，在清初的基礎(chǔ)上，蘭考以下河道堆積尤甚，1781年儀封大決造成局部改道。3)乾隆儀封改河工成，下游兩岸都加強(qiáng)了堤防，決溢與筑堤的重點(diǎn)，又向蘇皖轉(zhuǎn)移。但恰處于第Ⅲ期的1782—1797枯水時(shí)段，來沙相應(yīng)較少，沖淤相對(duì)穩(wěn)定；1776—1803年河口堆積降到1.2cm／a，不過這一機(jī)遇也不太長(zhǎng)，1794年以后，決溢重心又從豐碭以下河段發(fā)展到以上，1819—1822、1841—1844年大水，中牟、開封河段大決，1851年豐縣改徙奪溜、河督嚴(yán)烺認(rèn)為當(dāng)時(shí)河病之根本在豫河，“尚非�？谟賶|，下游頂阻之故”，豫河的加積又成了主導(dǎo)方面，終于促成了1855年改道。 ．
明清時(shí)期的三次加積高潮、河口延伸，與所分析的A、B、C三次豐水多沙時(shí)段一一對(duì)應(yīng)，而堆積的低谷和枯水時(shí)段同步；定性地認(rèn)識(shí)到下游豐水狀況與河道來沙、堆積具有正相關(guān)特性。盡管存在其它多種現(xiàn)象，但大水多沙，淤積為主的趨勢(shì)仍是居多的。為使問題簡(jiǎn)化，以上忽略了河勢(shì)橫向變化、調(diào)整和河患、堤防自身問題的復(fù)雜關(guān)系，而且在突出河道縱向調(diào)整時(shí)，概化了整個(gè)下游河床演變，忽略局部。 。
據(jù)此，將水沙豐枯變化與河床堆積聯(lián)系起來，以未來下游來水量的豐枯，做堆積的宏觀趨勢(shì)的關(guān)聯(lián)性預(yù)測(cè)，是很有意義的。
從而，采用三門峽站天然年徑流序列，借助于“灰色系統(tǒng)”理論進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算[4]，將預(yù)測(cè)段銜接在天然年徑流序列段之后進(jìn)行平滑處理，發(fā)現(xiàn)50年平滑結(jié)果最具有豐枯變化周期的性質(zhì)(圖1)，歷史與預(yù)測(cè)分析結(jié)果，變化趨勢(shì)基本一致，B、C豐水時(shí)段在平滑曲線上長(zhǎng)達(dá)110-140年左右；D豐水時(shí)段長(zhǎng)123年左右，前后對(duì)應(yīng)。從預(yù)測(cè)出的數(shù)據(jù)看，第Ⅳ周期長(zhǎng)約147年．這與陳家其對(duì)482-1981年黃河中游水早等級(jí)序列擬合，滿足信度要求后的趨勢(shì)分析結(jié)果基本一致[5]。
這樣，初步地把第Ⅳ期豐水長(zhǎng)時(shí)段的下限，定在21世紀(jì)50年代，沿用上述水、沙堆積分析概念，預(yù)測(cè)在下個(gè)世紀(jì)50年代之前，黃河下游將處于清初清未那樣的豐水、多沙和強(qiáng)烈的堆積階段中。
在現(xiàn)狀工程條件下，黃河下游堆積仍將大體上遵循的大趨勢(shì)，近500年來的堆積狀況是最直接的參考．黃河委員會(huì)對(duì)今后50年平均淤積估算為3.79*108t／a，是歷史年淤積量的1.5倍。直觀地看，河床抬升率將明顯地加大，在現(xiàn)狀前提下，有關(guān)單位估算下游各站50年防洪水位和平灘流量5000m3／s下的相應(yīng)水位；現(xiàn)按同一速率預(yù)估70年，預(yù)估成果如表4所示：
表4 黃河下游河道到21世紀(jì)50年代淤積水平的預(yù)估
這一淤積速率與歷代狀況基本一致，從東壩頭以下河段，近百年堤防加高每10年0.81m看，與按1950-1975年水沙條件下估算的下游堤防加高數(shù)值近似。但預(yù)測(cè)數(shù)值比某些實(shí)測(cè)數(shù)值偏低。在現(xiàn)狀工程條件下，實(shí)際到2054年的淤積水平，在某些和段河床將超過堤頂高程；倘遭遇如若1958年型的洪水，淤積將進(jìn)一步提高。夾河灘到艾山的豫魯河防，危機(jī)將進(jìn)一步加劇。如果在未來的70年中，目下所研討的種種工程減淤措施未附諸實(shí)施，或者尚未達(dá)到預(yù)期作用，單純依靠加高堤防的辦法，對(duì)付未來的豐水多沙時(shí)段的持續(xù)加積，下游河道的修防工作，將面臨更為險(xiǎn)峻的形勢(shì)。
三、影響河床演變的一些廣義的背景
以上探討，局限于考慮上游來水來沙及縱剖面發(fā)育的外觀形態(tài)．但要深人預(yù)測(cè)，還應(yīng)弄清影響侵蝕及堆積的大環(huán)境機(jī)制，其中，氣候變遷無疑是一個(gè)重要因素，且已引起人們注目；而新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是另一個(gè)重要因素。誠(chéng)如《河床演變學(xué)》[6]所言：河床的形態(tài)變化，“是地表在內(nèi)營(yíng)力和外營(yíng)力作用下長(zhǎng)期發(fā)展的產(chǎn)物，既要考慮流水的動(dòng)力作用，也要考慮構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的深刻影響；既要研究現(xiàn)代過程，也要了解演變”．這里就它與其它學(xué)科的聯(lián)系，提出一些聯(lián)想。
1．錢寧提出：“一般當(dāng)氣候變得干寒時(shí)，河流的中上游表現(xiàn)為水沙條件的變化所引起的堆積抬高，中下游則表現(xiàn)為海平面下降所帶來的溯源侵蝕。當(dāng)氣候向濕熱方向波動(dòng)時(shí)，則河流作出的反應(yīng)正好相反”(文獻(xiàn)[6]第334頁(yè))。劉東生等長(zhǎng)期對(duì)黃河中游黃土的研究，恢復(fù)了黃土和古土壤的時(shí)間序列，指出這一序列與氣候變遷、華北平原土壤發(fā)育、細(xì)粒沉積、平原河湖侵蝕—沉積的關(guān)系[7]，啟示我們?cè)谌率罋夂蚺c地層的劃分中，找出子屬的寒冷—溫暖周期變化和子屬的黃土侵蝕振蕩來。
2．聯(lián)系趙松齡、高善明與周志德對(duì)海面變化及其對(duì)河道影響的研究[8-10]，認(rèn)為西漢末期下游河患加劇、變徙頻繁，可能受兩漢之際渤海海面波動(dòng)影響。侵蝕基面因海進(jìn)造成抬升，河口段流速減小，削弱了宣泄洪水和挾送泥沙的能力，導(dǎo)致河床溯源抬升，觸發(fā)一系列決溢。
3．陸中臣提出了傳統(tǒng)的河相關(guān)系研究缺乏對(duì)內(nèi)營(yíng)力的考慮，從而引入廣義邊界條件地殼垂直形變率T[11]：洪笑天等對(duì)地殼沉降抬升影響河型轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬研究[12]，指出地殼沉降造成水流擴(kuò)散，挾沙力降低、堆積加劇、河床比降增大；在地殼間歇上升中，河型由分汊型向單一順直型轉(zhuǎn)化，原沉降段的上游，相對(duì)地加積，發(fā)育江心洲．從而從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)于河床演變的理論意義。
總之，廣義邊界條件的引入，使人聯(lián)想到黃河下游在歷史上各河段的加積與相對(duì)穩(wěn)定的交替存在，除了河床自身調(diào)整的因素外，還有更為宏大的環(huán)境背景．加強(qiáng)河床演變和關(guān)聯(lián)學(xué)科的相關(guān)性研討，將有助于加強(qiáng)對(duì)歷史、現(xiàn)代、未來黃河下游河床堆積、河床變徙內(nèi)在機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
四、結(jié)語
1)黃河下游存在西漢末東漢初，宋金、明清三個(gè)強(qiáng)加積時(shí)期，現(xiàn)行黃河正處于一新的強(qiáng)加積時(shí)期中。自古至今堆積速率逐漸加大。
2)對(duì)近500年來下游來水與堆積的相關(guān)分析，說明豐水多沙與堆積加強(qiáng)的正相關(guān)性的存在，劃分出1533-1595、1642-1782、1797-1908年三個(gè)豐水時(shí)段。豐枯周期變化大致遵從于我國(guó)氣侯變化的110-150年周期規(guī)律。
3)對(duì)未來一個(gè)多世紀(jì)下游來水預(yù)測(cè)，認(rèn)為在21世紀(jì)50年代之前，下游將處于豐水多沙的D豐水階段，相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)比歷史狀況更為嚴(yán)重的加積局面。
4)利用文史記載和地貌學(xué)、沉積學(xué)的方法，對(duì)黃河歷史作出科學(xué)的認(rèn)識(shí)，是一切實(shí)可行的方法，并有待于深入與展開，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合氣候變遷、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等這些更為深刻、廣闊得多的大環(huán)境背景因素，進(jìn)行綜合考慮。
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