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淺析黃河下游的堆積歷史和發展趨勢
論文關鍵詞：黃河下游 時期 堆積形態
論文摘要：本文將歷史學及地的研究方法和科學相結合，著重探索黃河下游的堆積歷史過程，并借助于“灰色系統”理論分析下游超長期河川徑流與堆積歷史的關系，給出河床堆積的發展趨勢的預估。通過與相關科學的關聯，認識到揭示下游堆積的自然機理，聯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
本文所指的堆積狀況，是指在較長的歷史時段中河道沖淤累積的宏觀結果，探索首先通過大量的水文鉆孔，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，提供了宏觀的基面。
西漢時豫北浚滑、濮陽一帶河床埋深8-l0m，當時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世紀初在開封黃河上下，尚無系統堤防；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）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際積厚，利用始建南堤時原地面高，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[2]，分析、黃河下游各河段、各時期的堆積狀況(表1)。
可見：1)黃河下游的堆積，在西漢初到金元，明清、現行河道三個時期不同河道中，河床形態具有相對可比性，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，宋金時期存在一加積時段，典型的滑（州）澶（州）段已與明清豫河接近；元明時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5cm／a，高村以下不少地方，本世紀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中。2)利用復原的河道平面形態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(已扣除工程環境因素)。表明古今下游的堆積是具有可比性的。3)以云梯關以下河段作為明清的河口段處理，參考南京師范大學成果與河口段實測資料，假定堆積與河口延伸成線性關系，則各時段河口延伸及堆積估算如表2：
表1 歷史時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，全流出海時河口段堆積較大外，在河床充分調整的長歷時中，河口段與蘇豫皖各河段抬升趨勢大致相當。
二、下游的來水、河患與堆積的關聯，對未來的預測
黃河下游的來水量，在超長系列里呈現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估下游來水來沙的量級。黃河委員會的白昭西等人以三門峽以上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水變化，將明清加積時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，將明清時期黃河下游的堆積狀況分為三個階段：1）1495—1546年，北堤已建，但有南北多股分流，在表3所示的I期的偏枯時段，豫河出現劇烈堆積。1546年后，南流諸道先后淤塞，而來水進入A豐水時段，來沙劇增，賈魯大河河道淤阻已久，難以適應，河床急劇淤高，遂發生1558年改道，大溜沿古汴河水道經單、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，因時段過長，內含1595-1642年的枯水段，來沙較少，河口段也長期處于漫溢狀(直至清初)，泥沙被帶到堤外，河床堆積偏低。1591-1677年低堆積時期，又恰恰與Ⅱ期偏枯時段大致吻合。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，溯源淤積加劇；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，兩個多世紀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，大水時還可分洪，“故留此無堤之十八里，以資宣泄”(《續行水金鑒》)。但是17世紀90年代，堆積發展到沖積扇頂點，甚而到桃花峪以上，無堤處才補筑遙堤。這一次加積至少持續到18世紀60年代；加積與表3的B豐水時段又恰好同步．在B豐水段后，縱向調整似乎主要在開封以下進行。明清時期的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，又向蘇皖轉移。但恰處于第Ⅲ期的1782—1797枯水時段，來沙相應較少，沖淤相對穩定；1776—1803年河口堆積降到1.2cm／a，不過這一機遇也不太長，1794年以后，決溢重心又從豐碭以下河段發展到以上，1819—1822、1841—1844年大水，中牟、開封河段大決，1851年豐縣改徙奪溜、河督嚴烺認為當時河病之根本在豫河，“尚非海口淤墊，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三次豐水多沙時段一一對應，而堆積的低谷和枯水時段同步；定性地認識到下游豐水狀況與河道來沙、堆積具有正相關特性。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。為使問題簡化，以上忽略了河勢橫向變化、調整和河患、堤防自身問題的復雜關系，而且在突出河道縱向調整時，概化了整個下游河床演變，忽略局部。 。
據此，將水沙豐枯變化與河床堆積聯系起來，以未來下游來水量的豐枯，做堆積的宏觀趨勢的關聯性預測，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”理論進行預測計算[4]，將預測段銜接在天然年徑流序列段之后進行平滑處理，發現50年平滑結果最具有豐枯變化周期的性質(圖1)，歷史與預測分析結果，變化趨勢基本一致，B、C豐水時段在平滑曲線上長達110-140年左右；D豐水時段長123年左右，前后對應。從預測出的數據看，第Ⅳ周期長約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期豐水長時段的下限，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年來的堆積狀況是最直接的參考．黃河委員會對今后50年平均淤積估算為3.79*108t／a，是歷史年淤積量的1.5倍。直觀地看，河床抬升率將明顯地加大，在現狀前提下，有關單位估算下游各站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測數值偏低。在現狀工程條件下，實際到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，淤積將進一步提高。夾河灘到艾山的豫魯河防，危機將進一步加劇。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，對付未來的豐水多沙時段的持續加積，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，局限于考慮上游來水來沙及縱剖面發育的外觀形態．但要深人預測，還應弄清影響侵蝕及堆積的大環境機制，其中，氣候變遷無疑是一個重要因素，且已引起人們注目；而新構造運動是另一個重要因素。誠如《河床演變學》[6]所言：河床的形態變化，“是地表在內營力和外營力作用下長期發展的產物，既要考慮流水的動力作用，也要考慮構造運動的深刻影響；既要研究現代過程，也要了解演變”．這里就它與其它學科的聯系，提出一些聯想。
1．錢寧提出：“一般當氣候變得干寒時，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的溯源侵蝕。當氣候向濕熱方向波動時，則河流作出的反應正好相反”(文獻[6]第334頁)。劉東生等長期對黃河中游黃土的研究，恢復了黃土和古土壤的時間序列，指出這一序列與氣候變遷、華北平原土壤發育、細粒沉積、平原河湖侵蝕—沉積的關系[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。
2．聯系趙松齡、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影響。侵蝕基面因海進造成抬升，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，觸發一系列決溢。
3．陸中臣提出了傳統的河相關系研究缺乏對內營力的考慮，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，發育江心洲．從而從實驗角度證實了構造運動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，還有更為宏大的環境背景．加強河床演變和關聯學科的相關性研討，將有助于加強對歷史、現代、未來黃河下游河床堆積、河床變徙內在機理的認識。
四、結語
1)黃河下游存在西漢末東漢初，宋金、明清三個強加積時期，現行黃河正處于一新的強加積時期中。自古至今堆積速率逐漸加大。
2)對近500年來下游來水與堆積的相關分析，說明豐水多沙與堆積加強的正相關性的存在，劃分出1533-1595、1642-1782、1797-1908年三個豐水時段。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)對未來一個多世紀下游來水預測，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、沉積學的方法，對黃河歷史作出科學的認識，是一切實可行的方法，并有待于深入與展開，同時，應當結合氣候變遷、新構造運動等這些更為深刻、廣闊得多的大環境背景因素，進行綜合考慮。
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