论河流治理的方向

论河流治理的方向 王兆印 （清华大学水沙科学与水利水电工程重点实验室， 北京100084）

河流的治理一直是中华民族的一件关乎民生大计的大事，历史上，中华民族曾遭受了无数次河流泛滥的灾难，各个时代都有河流治理的记载以及著名的治河人士。新中国成立后，河流治理取得了空前的成效，在理论上也有了很大的突破。为了更好地利用和治理河流，在许多河流上都兴建了水库、大堤和引水渠道等，在河流利用和防洪等方面取得了辉煌的成就。近几年来，人们对治河的理论和方法又有了新的思考，不仅要考虑兴利防害，还必须考虑河流利用对生态的影响和长期可持续性发展。另外，河流治理应该在满足当地河段的水资源开发和防洪安全的同时，还要考虑对河流水系整体和上、中、下游河床演变的影响。为此我们需要从国内外的治河实践和理论中学习经验、总结教训，明确河流治理的方向。 历史上，无论是国内还是国外，如果迷失河流治理的方向，就会走弯路。莱茵河是德国的第一大河，也是中欧和西欧的第二大河，莱茵河的治理开始于19世纪中期，为促进航运、加强防洪和土地利用，人们开始了对莱茵河的渠化治理。通过人工裁弯，把弯曲性河流改成微弯型，使航运距离大大缩短。目前从上游博登湖至北海河口已全部渠化，沿河修建了10座大坝，用块石硬化河岸，缩窄和规顺河道，使莱茵河变成了一条人工控制的渠化河道。河道渠化后，阻力降低流速提高，河床冲刷下切数米，两岸地下水位下降，导致航道恶化，引水设施和港口设施搁置，危及护岸等建筑物安全。因洪水下泄速度很快，对下游造成很大威胁。为了控制河床冲刷下切，人们不得不每年投入巨资实施人工喂沙，每年喂沙20多万吨。类似地，欧洲多瑙河在渠化多年后人们发现，洪水下泄过快带来许多问题，而且规则归一化的河道失去了原来蜿蜒多姿的美感，许多人士提出要求回归自然化（renaturalization）。 美国密西西比河为减少泥沙淤积，促进航运，开发土地资源和水资源，修建了几十座大坝、密集的丁坝群、顺坝群，采取护岸固滩、束窄河道、硬化和抬高大堤。半个多世纪来，泥沙减少了70%。与此同时，密西西比河河口长期依赖泥沙补充的湿地损失了1万多平方公里。20世纪30年代起，密西西比河逐渐向阿彻发拉亚河改道，影响原入海河道两侧的港口。为此，美国专门制订了法律禁止其改道。20世纪50年代美国通过工程措施，修筑了水工建筑以阻止河流改道，控制水流使只有三分之一的流量进入阿彻法拉亚河，而三分之二的流量仍维持在原河道以保证新奥尔良和巴登鲁日港口能照常运行。现在阿彻发拉亚河入海通道的坡度更陡，密西西比河向阿彻发拉亚河改道的趋势更强。 就我国来说，1953年为开发利用水资源，在永定河上建成官厅水库，由于没有考虑到全流域的长期发展，目前流入水库的“水资源”不到原来设计的十分之一，而且几乎都是污水。1960年蓄水的黄河三门峡水库是为了防洪发电和控制泥沙，达到下游“黄河清”的目标，但在建成一年后泥沙大量淤积，三门峡水库反被泥沙“控制”，不得不改变运用方式。下游黄河不但没有变清，发电效益也远远没有达到预期目标。 以上实例说明在河流治理中，由于缺少对河流的全面认识和方向感，会走许多弯路。因此我们需要有明确的河流治理的方向，学习前人的经验教训，考虑河流作为生态系统的特性，既尽可能满足社会经济发展的要求，同时不违背河流发育的自然规律。总结目前国内外先进的治河经验，以及作者多年来的科研探索，本文提出如下河流治理的方向。 河流综合治理工程应该在满足具体目标的同时，不违背下面三个原则： 1、 增加河水在陆地上的流动时间（加长河道、降低流速） 河流是生命的载体，为各种水生生命提供了发展的场所，增加河水在陆地上的流动时间即为水生生命的繁衍生息提供更好的条件。由此看来，水库建设是符合这个原则的，为各种水生物提供了稳定的栖息地。虽然水库也有一些负面影响，但毕竟是次要的。而河道渠化、裁弯取直和清障减糙等以利洪水尽快下泄的工程，不符合这个原则，在河流治理中不宜提倡。 我国许多河流河岸硬化，而且堤岸都十分光滑，设计者的初衷是使水流能够更快地通过，增加行洪能力。然而，光滑的堤岸使得贴岸水流的速度增高，这样就增加了水流冲刷堤岸的风险，随处都可能撕裂大堤造成灾害。做过泥沙起动试验的人可能都有这样的体会，在床沙拍实整平时，在较低的流速下就有泥沙起动，而松散不平整的河床在较高流速下才发生泥沙起动。所以河岸愈光滑愈不利于大堤安全。允许河岸粗糙不平能使高速水流不能靠岸，对保护河岸非常重要。自然界的许多河岸都是凹凸不平的，许多大石块和植被分布或镶嵌在岸边，既降低近岸流速保护了河岸，又稳定了河势。 清障减糙则是将洪水威胁由高水位的威胁转化为高流速的威胁，初衷是清除滩地上和河道中的障碍物，以利洪水能够更快地下泄。实际上，洪水漫滩后糙率大增，降速沉沙，清水回归，有利于形成高滩深槽的稳定河势。另外, 洪水高水位的威胁容易对付，而来自高流速的威胁更加危险。现在我们有足够的经济和技术实力加高大堤，以控制高水位，但是高流速可以对河床和河岸的任一点造成冲刷破坏。高水位往往对于维持较高的生物多样性是必不可少的，但是高流速对河流生态系统造成破坏。 弯曲是河流的本性，将蜿蜒的河流改成顺直或裁弯，违背了河流的本性。裁弯取直减少了河道长度和河水流动时间，减少了河流的沿岸利用，同时使得水流能量集中，破坏力增加，洪水威胁增大。虽然缩短了航运距离，但引起的冲刷会破坏航运设施以及造成河岸侵蚀，正如莱茵河的例子。目前关于长江簰洲湾的裁弯问题，大家呼声很高。裁弯工程能暂时降低洞庭湖的洪水位和洪水威胁，但集中的水流能量要在下游得到发泄，对下游造成更大的威胁，所以对长江中下游防洪来说并不是一件好事。簰洲湾下游群众有俗语说“簰洲湾弯一弯，武汉水落三尺三”，所以与其裁弯不如加高洞庭湖大堤。 对于生态来讲，水陆交界区域具有最大的栖息地多样性和生物多样性, 大洋深处和沙漠最少生命体。湿地之所以具有较多的生态功能，就是处于水陆交界区的缘故。加长河道增大了水陆交界区，对于生态是非常有利的, 也增加了河流利用的条件。 2、维持河势稳定，降低产沙和输沙 河流治理中一般应尽可能维持河势不变。改变现行河势的治理工程往往带来一系列连锁反应，常常带来不利影响。如三门峡水库已建成47年，尽管有许多负面作用，特别是渭河淤积问题，但如果突然废弃，将带来黄河、渭河的河势巨变，对已经稳定的河流生态系统造成冲击和破坏。河流的“阻力建设”是稳定河势的关键，河流的能量分布和阻力结构要相适配，才能维持稳定的河势。可以采用仿天然的人工阻力单元如人工阶梯-深潭等建设河流的阻力结构。阻力意味着水流能量的消耗（如河中卵石），也意味着水流能量的储存（如水坝），通过人工管理河流的阻力分布，有效进行阻力建设，对整体河势的稳定具有重大意义。 河床演变的动力在于泥沙，而泥沙运动的根本在于冲刷，没有冲刷就没有泥沙运动和淤积，也就没有河势的变化。因此控制侵蚀是稳定河道的根本。泥沙主要来自上游山区河段，山区河流的下切作用是造成河岸侵蚀、沟道侵蚀、细沟侵蚀甚至坡面侵蚀的根本原因。可以采取一系列的措施，引导山区河流发育出抵抗侵蚀下切的河床结构，既能稳定河床，防止下切和侵蚀，又能保持良好的河流生态。山区治理侵蚀应当以治河治沟为本，治坡为辅。如果河床沟床不再下切甚至抬高，岸坡不再增加甚至减少，侵蚀就失去了动力。如黄土高原的淤地坝建设，对减沙、保护生态和稳定河势等都起着重要作用。 有的河流治理工程目标是增强河道输沙能力，实际上不利于河势的稳定和生态。历史上，潘季驯曾提出“束水攻沙”的治河思路，即束窄河道，增加流速，提高输沙能力。这对于稳定河势不利，也为下游河床演变带来不稳定因素。实际上，“束水攻沙”很难掌控，潘季驯用“束水攻沙”理论来治理黄河，开始时有效，但其去世不久，黄河又不断的泛滥成灾。 总之，如果河流的上下游和各支流的治理都向着降低输沙能力的方向发展，同时加强河道抗冲刷能力和阻力建设，则整条河流就能达到长期稳定的状态。 3、提高生物栖息地的多样性和连通度 作者及研究小组发现，河流水生物的多样性正比于河流所能提供的栖息地的稳定性和多样性。因此，河流治理应向着提高生物栖息地多样性的方向发展。为此要做到两方面：一是增加河流和通河水域水面面积；二是增加具有低流速和不同水深的水域，如河湾，通河湖泊等。由此可见，河流渠化使河道均匀整齐归一化的治理思路和治理工程不符合这个原则，渠化后的河道所能提供的生物栖息地比较单一，水生物多样性较低。 河流中存在着从浮游生物到底栖动物再到鱼类的各种生物。底栖动物-包括各种昆虫如浮游石蛾蜻蜓摇蚊和腹足类等-处于河流生物链的中间环节，即为鱼类的饵料又能消耗和转化许多污染物质。作者及其研究小组曾对国内外几十条河流做过底栖动物调查和采样分析，事实证明底栖动物物种丰富的河流，其水生态环境和水质也都较好，整个河流是一条健康的河流。相反，河道不稳定、污染的河流中，底栖动物的物种少且单一。对底栖动物影响最大的是河床稳定和底质，卵石河床和浮泥及水生植物对底栖动物的生长繁衍最有利。因此，在山区河流中维持卵石河床稳定，在平原河流里促使粘性细颗粒淤积形成浮泥层，以及促进水生植物生长等河流治理工程，对于净化水质和维持良好的河流生态是最为有利的。 目前，一些河流利用和治理工程造成了生物栖息地的隔离。例如北京市的河道多已用混凝土硬化河岸甚至河床，使得底栖动物和两栖动物难以生存。最近北京市政府有关部门要求取消这种做法，采用土岸加石块，“让河流自由呼吸”，底栖动物可以大量生存。电视报道说这样一来可以只用一半的水量就能维持较高的水质。长江沿岸发展水产业的同时造成许多通江湖泊被隔断，对于生态系统很不利。大坝也造成生物栖息地的隔离，从这一点上看是不符合提高连通度的治理方向的，可以采用附加措施例如鱼道来减小影响。但另一方面水库可以提高生物栖息地的多样性，对于生态的影响也有有利的方面。 以上三个治理方向只是原则，对于小河段的治理可以具体问题具体分析，但是对于影响整个河流发展的大的治理工程，则应该遵循这三个方向。