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淺析黃河下游的堆積歷史和發(fā)展趨勢
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)相結合，著(zhù)重探索黃河下游的堆積歷史過(guò)程，并借助于“灰色系統”理論分析下游超長(cháng)期河川徑流與堆積歷史的關(guān)系，給出河床堆積的發(fā)展趨勢的預估。通過(guò)與相關(guān)科學(xué)的關(guān)聯(lián)，認識到揭示下游堆積的自然機理，聯(lián)系到大變遷背景的必要性。
一 歷史和現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(cháng)的歷史時(shí)段中河道沖淤累積的宏觀(guān)結果，探索首先通過(guò)大量的水文鉆孔，結合文物考古工作，對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(guān)的基面。
西漢時(shí)豫北�；�、濮陽(yáng)一帶河床埋深8-l0m，當時(shí)床砂由中砂向細砂轉化，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，床砂向極細砂、粉砂轉化[1]。豫東的明清黃河，15世紀初在開(kāi)封黃河上下，尚無(wú)系統堤防；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(méi)城，泥沙淀積，灘地竟高于城市地面5-6m，明末至清道光年，市區淤厚達7-8m。累計15世紀中至19世紀中，開(kāi)封河漫灘累積淤厚達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，堆積約占總積厚的一半。蘭（封）�。ㄖ荩┖佣蔚呐R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(jiàn)：1)黃河下游的堆積，在西漢初到金元，明清、現行河道三個(gè)時(shí)期不同河道中，河床形態(tài)具有相對可比性，各期堆積速率呈一定規律變化。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(guān)堆積速率也高于歷代。1855年改道后，山東境內堤防在19世紀末逐漸完善，至本世紀70年代，平均堆積率未超過(guò)5cm／a，高村以下不少地方，本世紀30—60年代堆積率超過(guò)l0Cm／a。從歷史過(guò)程的縱向看，黃河下游的堆積率正在增長(cháng)中。2)利用復原的河道平面形態(tài)粗估明清下游的堆積量，自有系統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)測資料，假定堆積與河口延伸成線(xiàn)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(jiàn)，除了潘季馴大治堤防，全流出海時(shí)河口段堆積較大外，在河床充分調整的長(cháng)歷時(shí)中，河口段與蘇豫皖各河段抬升趨勢大致相當。
二、下游的來(lái)水、河患與堆積的關(guān)聯(lián)，對未來(lái)的預測
黃河下游的來(lái)水量，在超長(cháng)系列里呈現出豐枯交替的周期變化；下游的來(lái)沙以三門(mén)峽以上河流為主，故粗略地利用三門(mén)峽站多年徑流來(lái)評估下游來(lái)水來(lái)沙的量級。黃河委員會(huì )的白昭西等人以三門(mén)峽以上11站在《中國近500年旱澇分布圖集》里的豐枯水定級，對三門(mén)峽站天然徑流加以分析，復原了近500年（1470-1978）的徑流量系列。本研究對該序列進(jìn)行各級平滑處理，認為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(lái)水變化，將明清加積時(shí)期的史料記載與周期分析相結合，認為周期變化如表3：
表 3 三門(mén)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，豫河出現劇烈堆積。1546年后，南流諸道先后淤塞，而來(lái)水進(jìn)入A豐水時(shí)段，來(lái)沙劇增，賈魯大河河道淤阻已久，難以適應，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世紀末，潘季馴大規模修治堤防，下游河防逐步完善，大量泥沙被挾帶到河口，河口延伸率達1.5km／a，河床堆積也高達16.6cm／a；1591-1700年河口延伸降到87—239m／a，因時(shí)段過(guò)長(cháng)，內含1595-1642年的枯水段，來(lái)沙較少，河口段也長(cháng)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，相應地是Ⅱ期豐水段，從1649年起堤防建設集中在豫河，河床縱向調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，短期內河口延伸達1720m／a[3]。河口段的延伸與加積反饋上溯，溯源淤積加��；巧合的是正值下游Ⅱ期B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。
明清河道與原豫北故道在桃花峪附近分野，兩個(gè)多世紀以來(lái)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(wú)堤之十八里，以資宣泄”(《續行水金鑒》)。但是17世紀90年代，堆積發(fā)展到?jīng)_積扇頂點(diǎn)，甚而到桃花峪以上，無(wú)堤處才補筑遙堤。這一次加積至少持續到18世紀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，縱向調整似乎主要在開(kāi)封以下進(jìn)行。明清時(shí)期的400年里，桃花峪堆積厚達5m，很可能主要地是這一豐水階段所形成的。18世紀上半葉，豫河工程全竣，決溢和加積又向蘇皖轉移，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到河南，在清初的基礎上，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，下游兩岸都加強了堤防，決溢與筑堤的重點(diǎn)，又向蘇皖轉移。但恰處于第Ⅲ期的1782—1797枯水時(shí)段，來(lái)沙相應較少，沖淤相對穩定；1776—1803年河口堆積降到1.2cm／a，不過(guò)這一機遇也不太長(cháng)，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(kāi)封河段大決，1851年豐縣改徙奪溜、河督嚴烺認為當時(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)段一一對應，而堆積的低谷和枯水時(shí)段同步；定性地認識到下游豐水狀況與河道來(lái)沙、堆積具有正相關(guān)特性。盡管存在其它多種現象，但大水多沙，淤積為主的趨勢仍是居多的。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，以上忽略了河勢橫向變化、調整和河患、堤防自身問(wèn)題的復雜關(guān)系，而且在突出河道縱向調整時(shí)，概化了整個(gè)下游河床演變，忽略局部。 。
據此，將水沙豐枯變化與河床堆積聯(lián)系起來(lái)，以未來(lái)下游來(lái)水量的豐枯，做堆積的宏觀(guān)趨勢的關(guān)聯(lián)性預測，是很有意義的。
從而，采用三門(mén)峽站天然年徑流序列，借助于“灰色系統”理論進(jìn)行預測計算[4]，將預測段銜接在天然年徑流序列段之后進(jìn)行平滑處理，發(fā)現50年平滑結果最具有豐枯變化周期的性質(zhì)(圖1)，歷史與預測分析結果，變化趨勢基本一致，B、C豐水時(shí)段在平滑曲線(xiàn)上長(cháng)達110-140年左右；D豐水時(shí)段長(cháng)123年左右，前后對應。從預測出的數據看，第Ⅳ周期長(cháng)約147年．這與陳家其對482-1981年黃河中游水早等級序列擬合，滿(mǎn)足信度要求后的趨勢分析結果基本一致[5]。
這樣，初步地把第Ⅳ期豐水長(cháng)時(shí)段的下限，定在21世紀50年代，沿用上述水、沙堆積分析概念，預測在下個(gè)世紀50年代之前，黃河下游將處于清初清未那樣的豐水、多沙和強烈的堆積階段中。
在現狀工程條件下，黃河下游堆積仍將大體上遵循的大趨勢，近500年來(lái)的堆積狀況是最直接的參考．黃河委員會(huì )對今后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(guān)地看，河床抬升率將明顯地加大，在現狀前提下，有關(guān)單位估算下游各站50年防洪水位和平灘流量5000m3／s下的相應水位；現按同一速率預估70年，預估成果如表4所示：
表4 黃河下游河道到21世紀50年代淤積水平的預估
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值近似。但預測數值比某些實(shí)測數值偏低。在現狀工程條件下，實(shí)際到2054年的淤積水平，在某些和段河床將超過(guò)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，危機將進(jìn)一步加劇。如果在未來(lái)的70年中，目下所研討的種種工程減淤措施未附諸實(shí)施，或者尚未達到預期作用，單純依靠加高堤防的辦法，對付未來(lái)的豐水多沙時(shí)段的持續加積，下游河道的修防工作，將面臨更為險峻的形勢。
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(lái)水來(lái)沙及縱剖面發(fā)育的外觀(guān)形態(tài)．但要深人預測，還應弄清影響侵蝕及堆積的大環(huán)境機制，其中，氣候變遷無(wú)疑是一個(gè)重要因素，且已引起人們注目；而新構造運動(dòng)是另一個(gè)重要因素。誠如《河床演變學(xué)》[6]所言：河床的形態(tài)變化，“是地表在內營(yíng)力和外營(yíng)力作用下長(cháng)期發(fā)展的產(chǎn)物，既要考慮流水的動(dòng)力作用，也要考慮構造運動(dòng)的深刻影響；既要研究現代過(guò)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(qián)寧提出：“一般當氣候變得干寒時(shí)，河流的中上游表現為水沙條件的變化所引起的堆積抬高，中下游則表現為海平面下降所帶來(lái)的溯源侵蝕。當氣候向濕熱方向波動(dòng)時(shí)，則河流作出的反應正好相反”(文獻[6]第334頁(yè))。劉東生等長(cháng)期對黃河中游黃土的研究，恢復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、細粒沉積、平原河湖侵蝕—沉積的關(guān)系[7]，啟示我們在全新世氣候與地層的劃分中，找出子屬的寒冷—溫暖周期變化和子屬的黃土侵蝕振蕩來(lái)。
2．聯(lián)系趙松齡、高善明與周志德對海面變化及其對河道影響的研究[8-10]，認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，導致河床溯源抬升，觸發(fā)一系列決溢。
3．陸中臣提出了傳統的河相關(guān)系研究缺乏對內營(yíng)力的考慮，從而引入廣義邊界條件地殼垂直形變率T[11]：洪笑天等對地殼沉降抬升影響河型轉化進(jìn)行模擬研究[12]，指出地殼沉降造成水流擴散，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化，原沉降段的上游，相對地加積，發(fā)育江心洲．從而從實(shí)驗角度證實(shí)了構造運動(dòng)對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穩定的交替存在，除了河床自身調整的因素外，還有更為宏大的環(huán)境背景．加強河床演變和關(guān)聯(lián)學(xué)科的相關(guān)性研討，將有助于加強對歷史、現代、未來(lái)黃河下游河床堆積、河床變徙內在機理的認識。
四、結語(yǔ)
1)黃河下游存在西漢末東漢初，宋金、明清三個(gè)強加積時(shí)期，現行黃河正處于一新的強加積時(shí)期中。自古至今堆積速率逐漸加大。
2)對近500年來(lái)下游來(lái)水與堆積的相關(guān)分析，說(shuō)明豐水多沙與堆積加強的正相關(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氣侯變化的110-150年周期規律。
3)對未來(lái)一個(gè)多世紀下游來(lái)水預測，認為在21世紀50年代之前，下游將處于豐水多沙的D豐水階段，相應會(huì )出現比歷史狀況更為嚴重的加積局面。
4)利用文史記載和地貌學(xué)、沉積學(xué)的方法，對黃河歷史作出科學(xué)的認識，是一切實(shí)可行的方法，并有待于深入與展開(kāi)，同時(shí)，應當結合氣候變遷、新構造運動(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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