参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2006-25
2006年7月10日
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平原河流的治理方法、理论与实践(下)
(讨论稿)
林一山
四、水流中的合力与分力
在水工模型试验中,当河道弯曲到一定程度时,眼睛看得见的环流才出现,这时河流学专家才认为有分力存在。有时模型中的环流不明显或看不出来时,他们认为分力就不存在。但我认为仍然有分力存在,只不过不明显罢了;因为河道在这里仍是弯曲的,无非当曲率低的时候,环流和分力不明显罢了;实际上还是有一部份水从凸岸流向凹岸(表层),从凹岸流向凸岸(底层)。水流从上面下来,在一定长度内,某段河道成为触发点中心,为什么弯道的中心曲率最大,因为这里合力点最大,以后慢慢转向并衰减,即合力点最大时,那就是弯曲的中心。
一般人认为凸岸不会产生分力,实际上它就是一个分力。因为凸岸和凹岸是交替的;凸岸这个力量是从哪儿来的,是从凹岸过去的,即通过横向环流从凹岸的底部过去的。在做模型试验时,有的人只观察自己眼睛能看得见的东西,看不到的,他就认为没有。我后来经过研究认识到,如果你看不到环流就认为它没有,那凸岸的分力就形成不了,弯段也就不能形成和发展了。
那么河流的弯段为什么会走向反面?即从总的情况说,是30年河东30年河西。为什么在同一个位置上,凹变凸、凸变凹,这是因为河流在正常情况下,弯段要有一定的长度;在某种情况下,在同一位置和本地条件所要求的长度下,弯段逐步向下移动,结果对岸,即原来的凸岸冲了,这里的凹岸淤了。
在某种条件和情况下,河流发生大变化,产生一个大弯段。这样,它在这里延长了河道,于是它就不能向下移了,下面反而要往上移了;因为它把弯段的长度占了。这是一种特殊情况。在正常情况下,弯段是逐步下移的。在冲刷顶点,即崩岸最厉害的地方,也就是合力点最大的地方,也是逐步下移的;因此弯段是全段下移。这种下移的结果,便使弯段走向反面。在做水工模型时,可以注意到这样的情况:在水流顺着凹岸走过来,走到一定程度,在转向对岸时,有个很短的过渡段,这是一个比较直的河段,从这里转到下一段,这个分力的力量是这样变化的:对岸的力,即凹岸的力逐渐增加,而它逐渐削弱;这样当它弱到一定时,对岸的力强到一定时,反转过来的优势就大了,到一定程度,水流就这么转过来了。
当水向凹岸来的时候,凹岸这个力的每一个小分力与来水产生一个合力,这个合力就向前走;以往我是用箭头表示它,两个分力的夹角越来越小,这样它就朝对岸来了。你看河流是顺着河岸走,实际上它不断地冲向对岸;环流冲向对岸,就产生一个作用,因为水流有重力,越冲对岸,就有一部份水下到底层了。在表层水上,你看不出,因为它没下去,而底下的水往对面去了,这就是环流,底沙也就从这里转过去了。结果这边崩,那边淤。上面的水是从凸岸向凹岸走,中间层更是紊流、乱流。这时,当水往对岸走时,不是全部的水,还有一部份水从底下走到凸岸了,这两部分水从哪儿分界呢?这个很难说,因为有个力量的对比、大小的问题。
从凹岸到下一个过渡段时,水流总的是往这个过渡段走了,但有一部分水是从底层走了,变成了凸岸的力量了。当水流从凹岸转到对岸时,凸岸的水从哪儿来?从上游看,它俩个分力以后,一部分水主要到过渡段这儿来,另一部分从底层走了,这就形成了下一个弯段的凸岸的水流了。这是上一部份的情况,再往下走,它就往对岸走。开始它从对岸过不来,这时是从上游的凸岸过来的,再往下游是从对面的凹岸过来的,即从环流过来的。
过去认为只有在弯得最厉害的、流速最大的地方才产生环流,而在弯段的其他部分,他们看不到环流,就说没有。而我认为这样说不通,根据我几十年的研究,你看不见就说没有,这不对。正如列宁对马赫的批评那样:你看不到电子,但它仍然存在,因为物质的存在通过运动表现出来了。弯道的存在表明 它是分力和合力运动的结果。如果没有分力、合力,就不能形成河流的弯段。
当弯段不够长的时候,河流总是要使它够长,为什么?这是因为上边很长那段凸岸的水,与这里没发生关系,即与这里的这个丁坝无关。从另外的角度看就容易明白了。即当这个丁坝(或说刚形成的凹岸)逐渐延长时,它有一部份转过来了,使对岸那个分力成为一个很大的分力,这个分力又合过来了。实际上,这个丁坝越长,这个分力就越大,致使对岸的分力也越大。因为这个丁坝这么一栏过来,对岸那个力量足以把它转过来以后,剩下那个力量就没形成分力,它自己就下去了。当丁坝长度不够时,对岸不需要这个力量,它只有一部分转过来;所以到一定程度后,它全部需要时,这时弯段长度就够了。长度不够就不行;这是因为有一个你看不见的原因,即很远的上游起了个分力的作用。为什么长度不够就不行呢?因力很远地方的那个分力,它最后得用上才行。
当水经过过渡段转到对岸时,它还有一部分水没过去,而是到凸岸来了。我当时的观察是:在底层有一个力量朝凸岸过去了。没有分力、合力就形成不了弯段。从凸岸往凹岸来的力(横向)偏于下游,与凹岸沿河流方向的纵向力形成一个锐角,凹岸是优势的分力。这两个箭头合起来,形成一个合力箭头,这个箭头的方向倾向优势分力的方向。由于两个分力的夹角不对等,所以弯段向下移动。这是总的情况。至于横向环流的局部情况,又与此不同,如所看到的底沙运动情况。
从总的情况看,丁坝越长,力量就越大;因为开始时,总的力量对比是对岸大于这边,从而使弯段始终往这边走;水来了以后,冲击这里,就反向转到对岸(入射角和反射角的关系)。这个丁坝能形成和对岸相等的力时,小的还有一部分剩余,即刚才讲得有一部分力量影响不到,它也不需要。从无数个小丁坝的分析看,就有无数个小分力。当丁坝小时,小分力就直接下去了,不需要对岸的力量。而当丁坝加大时,这个力也就大了,它对对岸发生的作用也就大了。形成合力时,凹岸的力总是大于凸岸的力,这就形成弯段了。因为河流弯段岸边的阻力,产生了一个折射力,就像物体从上边以某个角度打下来后,又以某个角度反弹上去。所以凹岸就像无数个小豆豆,实际这就是磨擦力,在开始它还小的时候,形成的分力与合力,与远处的力没有关系,用不上;而丁坝越小时,不需要上游的来水,丁坝越大时,就越要用到上游的力了。所以河流的弯段要有一定的长度,否则对面的力用不完。
分力和合力是逐渐形成的。在没有丁坝时,是无数个小分力和小合力;丁坝越长,分力、合力越明显。这从局部看不出来,因为这里是紊流、乱流状态。没有大丁坝时,就是无数个小丁坝;有了大丁坝时,就把这些无数个小分力、小合力变成了大分力、大合力。有了大丁坝以后,它就把更多的小分力形成了一个大分力了,对岸的力也就加大了。因为丁坝小时,对岸不需要它,它自己就走了;所以这个丁坝越大,对岸的力也越大。有了丁坝后,不仅这里的分力加大了,而且还会在这里形成一个合力;丁坝越长,合力越大;它到下游后又变成一个更大的分力。因此,合力在一定条件下变成分力,而分力又变成合力。
即使你没有修丁坝,但实际上那些小豆豆就是小丁坝。它使得两个分力都加大了。所以顺河丁坝越长,形成凹岸这个分力和凸岸上游来的这个分力,两个都加大了。所以丁坝越长,这个地方就刷得越深。远处的水和这里无关了,也就不形成分力了。所以凹岸的力越大,凸岸的力也越大,这就成了合力,实际上,到处都有这个问题。而这个合力再往下游走,它自己又变成了一个新的分力,它又和下边对岸的另一个分力构成了一个新的合力。这就是辩证法。两个分力形成一个合力,这个合力前往下游又变成一个分力,并与其它分力又构成新的合力。因此,河流运动可看成无数个分力与合力的总和。
张瑞瑾是比较懂得河流学的教授,但是当他看不到环流时,他就认为没有;我说有,他不同意,也不相信。实际上,我越思考就越觉得我的认识对。当然,假以时日他的认识也会发展的。为什么弯道要有一定的长度?为什么河弯的宽窄与半径有关?因为从弯道的整体来看,河流远处的来水都受环流影响。在整个弯段,不是在这里形成一个合力么,它自己往下游走又变成一个分力,因为从远处上游晚来的水这个力量与它又形成一个合力了。上面讲了,丁坝越长,合力越大,它越大就越影响凸岸的水流,当这个丁坝不长时,它只和一部分水流发生关系,远处的来水自己下去了,和这个小丁坝的分力不发生关系;而和这个丁坝发生关系的水流所形成的合力往下游走时,与原来没发生关系的水流又形成合力了,即原来那个合力在下游那里又成分力了。
河流最讲辨证法,它是紊流、乱流;在同一河流中,水流的状态,方向各不相同,因此有无数个分力、合力和无数个夹角。丁坝越长,合力越大;从很小的、看不见的丁坝到很大的丁坝,凹岸的分力越大,凸岸的分力也越大;当这个丁坝不大时,就影响不到对岸(凸岸),这个丁坝越大,对对岸的影响就越大;所以丁坝的分力也不能完全叫对岸的分力与自己合起来;当丁坝这个分力和凸岸的分力形成合力以后,对岸剩下的那个力量和这个丁坝不产生合力,当二者已经形成的合力往下游走成为下一个分力时,对岸那个剩余的一部分水流又成为前沿的一个分力,这两个在下游又成为新的合力了。这样就有无数个分力和合力了。
无数个合力点的联线也可看为就是主流线。所以凹岸崩得最厉害的地方不是全部凹岸,而是最弯曲的地方。在那个地方,分力、合力表现最明显、最强烈。在这段之前,上游来的力还没有汇合成;往下呢,力量逐步减小。到了一定程度,它就走向反面,还有一股水流是直接走向反面的,大部分水是这个凹岸到一下个凹岸。但上游凸岸的力也是以不断形成夹角的形式不断形成合力,在表层走向反面—本段内的凹岸,底下还有一些水流没和新的凹岸发生关系,而是变成凸岸的力量了,凸岸的力量是从凹岸的环流底层过去的。在凹岸刚刚形成时,水流顺着对岸以锐角方向往下游走,垂直于对岸的水流与它无关,这个水流是从上游底下的分力过来的,一股力量没有和凹岸发生作用,直接垂直于对岸形成分力。如水流都从上游的凹岸到下一个凹岸,那么在下一个弯道,垂直于对岸的水流是从哪儿来的?凸岸的横向力指向凹岸的是表层水流,底层水流是从凹岸向凸岸横着流。
弯道的中心崩岸最厉害,因为这里的合力点最大,这是过渡直段所没有的。在上、下两个直段中的水流流态是相似的,它与弯段的情况是很不相同的。在直段上面凹岸的力量使得它的方向逐渐变成横向的,在对岸与它形成的合力中,它是为主的,它把凸岸的力量带到对岸去,但又不能全部带走,即在底层或中层水流中剩下一个力量,直接过来,变成下一弯段里凸岸的力量。
刚开始形成凹岸后,向下走水时,水流不可能以垂直的方向冲向对岸,垂直于对岸的水流必须从上面来。这个力量是从上面来的,开始是小的,凹岸刚形成时崩岸小,力量是逐步集中的。开始时,对岸的力量是从上游来的剩余力量,而越往下游走,力量就越大,即环流越明显,走到对岸的力越大,从而使对岸反弹回来的力也越大;大到一定程度,它又逐渐走向对岸。因为坡降是重力,而重力是垂直向下的,崩得最厉害以后,下来很多泥沙,它往下的力量也就削弱了;水流形成环流后,是往对岸的偏下游方向、而不是垂直于对岸的方向走,因为这碰到了对岸上面来的很大的力量,压着它继续向下游走。所以一直到走向对岸,就又产生了一个直段。崩岸最厉害的地方也就是最弯曲的地方,这里往对岸输送的力量也最大,从对岸回来的力量也最大,这表现在弯段中心。
以上就是水流分力与合力的理论之概要,下面我们用它来分析一些典型的河流现象。
在郝穴河段,杨家场粘土咀以上,越是右岸崩得厉害,它的分力也越大,最后它把黄水套变成小河沟了,由此形成了郝穴河段。在1949年以后,我看过这里的河床变化图。在这个河段的转变过程中,当粘土咀上游形成的崩岸逐渐增大时,右岸这个分力就逐渐增加,但从当时总的力量看,还是对面即凸岸的力量大。在这个变化过程中,不知何时,粘土咀子附近越崩越厉害,这个分力不断加大到一定程度,黄水套就变成了小河沟。当黄水套还是长江主泓时,粘土咀子刚开始起作用时,这还只是一个一般的丁坝,水流把粘土咀这里刷得很深。河道变迁图表明,后来粘土咀子这个曾经刷得很深的地方逐渐被淤死了,刷深点向对岸移了,移到一定程度,郝穴河段就形成了。在未达到一定程度时,粘土咀子对岸(即凸岸)的力量还是大于它的时候,粘土咀子这里的深沟就在逐步向对岸移。因此,当初长江主泓比较顺直时,就从上游进黄水套走了。后来,右岸越崩越大,主泓就从黄水套北移了,即从右岸移到左岸去了;而黄水套这一带就成了一片汪洋,即宽浅的漫流河滩,这里后来出现了五个沙洲,即南五洲,主流或深泓从北边走了。当粘土咀子还没能把水流挑到对岸时,粘土咀子这里的深泓就被迫向对面移,这时远处的力量就发生作用了。深泓不北移的话,一部分力量不形成合力,自己直接下去了(进入黄水套),这个剩下的力量就用不上;这样,直到它完全用上了,超过了对岸的力量,深泓很快就从黄水套转到郝穴那边去了。
在49年以后,有几年时间,这里有个采石洲,非常大,后来粘土咀子挑流力加大,两个分力一合,水流就转向对岸了。那时这里的海拔是负11米,一般地方是5至10米,所以环流就把底下的卵石都卷了出来。1949年就是这个地方差点决了口。又过了几年,这个地方慢慢地淤了一些,刷深点向下移了,再过了几年,采石洲慢慢没有了,石头全被冲走了。为什么?这是由于上游的变化,即沙市上边的芦苇洲,这里是沙市河段开始的地方,也即长江主泓从右岸转向左岸之处;这个地方在1952年至1953年崩岸很厉害,当时我就说,这一定会影响下游,但那时不知道具体影响是什么;过去粘土咀子那里冲得厉害,后来冲刷点上移了;于是水流不再通过粘土咀子挑流转过去,而是直接过去了;这样,粘土咀子的分力变小,环流减弱,所以掏出来的卵石都被冲走了,即把这里变成河床了,而不再是一个深坑。当时谁也不知道采石洲为什么没有了。现在,我从分力和合力的理论就把它搞明白了。目前,在没有从整体上解决问题之前,先在郝穴河段把危险的左岸触发点由一个点变成一条线,使崩岸力量缓和一点;从治本来说,还得从上面的沙市来解决,这里才能发生根本变化。
用丁坝的分力、合力模型看问题,治理郝穴和沙市两个危险河段的方案要点就很容易明白了。前面说过,丁坝越大,这个分力就越大,于是它就使对岸的分力也越大,在这里形成的合力也越大,于是这里就刷深了。这样,你就可以这么去想问题(包括环流在内):我假定对面那个力量(即丁坝对面)不要在这里汇合,比如我在对面那里挖个深沟,水流就从那里过去了,不到这里来;那这两个分力就不能形成一个大合力了,即对岸那个力脱离了这里。这么一想,我就可以在河弯采取措施了。你一定要观察上面这个分力是怎么来的,要研究如何削弱它,这个问题很重要。因为这是分力、合力么!一个巴掌拍不响,两个合起来,力量大得很。我不让你们合起来冲,这个问题就简单了,我只要在那个地方撇一撇就行了。这是我多年观察、分析和思考总结的结果。
例如,郝穴的粘土咀子把水流挑向对岸,在这个弯段,左岸(即粘土咀子对岸)是浅滩,原来这里的分力小,在我把它挖深以后,这个分力就大了,然后把上面堵死,这个弯子就裁直了,于是分力的合力点就向左岸移动了;这样粘土咀子就不起挑流作用了,于是当水还没有向左岸摆的时候,它就可以流向黄水套故道了。这是先在郝穴做工程的办法。
如果在上游沙市先做工程,要在观音矶以下开挖一段新河道,即相当于郝穴的黄水套故道;这样最厉害的合力点就上移了。如此,水流从上游来,郝穴的粘土咀子也就不起挑流作用了。
应该采用什么样的措施来削弱某个分力呢?以沙市为例,那里合力厉害得很!水流从观音矶头过来以后,大大地向左面弯过来了,转了这么大一个弯,到了沙市这面。水到了这里,增加了这个分力。怎么削弱它,我让对岸这个水流向右摆一摆,它们两个的合力点就到下游去了。合力点往下一移,沙市的河床形态就变成合理的形式。原来的不正常在于,这个合力太厉害了,它使得沙市几十公里的河段乱七八槽;而不像一般的河岸总有一边是陡峭的,这里是乱七八糟的。这个合力到了别处又变成分力了,即它对下游的另一个力又变成分力了,它这个分力太大了,就把右岸的分力顶出去了;由此,左岸的那个弯道形式就没有了;结果到了沙市下面又是个急转弯,这种水流流态和河床形态很不合理。
从这种角度来看上荆江两个危险河段的主泓南移;在粘土咀以上,我就给你开条新河道,上面来的水,我不论你是怎样的,首先诱导你走右岸这条新河道。这样,我就可以不管你在粘土咀以上,如沙市的三八滩一带,哪个分力大、哪个分力小了。实际上,水流在上、下一段长度内的各个分力形成了这段河床形态。
合力点在三八滩附近时,三八滩左岸的分力是主要的,右岸的分力是次要的。如在某种情况下,合力点向上移一移,这个地方的情况就变了,左岸的分力可能会减弱,这是上游变化导致的,与新修的大桥没关系。要做工程的话,沿着观音矶头以下往右岸开挖新河道,并堵死左汊,这里就从双汊河道变成单一河床了;沙市也就有了新市区。从沙市至郝穴,做了主泓南移的工程以后,根据河流的分力、合力和弯曲关系,对全河段可再做些调整,河势就理顺了。
再来看沙洲,这是两股力量当中的剩余空间,如此沙洲才得以形成。当它成长为鱼咀分水时,这两个力就看得明显了。这是一个随时变化的发展过程。例如三八滩,你看见时,也就是那两股力量明显的时候;它们隔得越远,这个三八滩就越大。实际上,上边很多力向下移动,使得在三八滩形成前,或它很小时,你还看不到。分力与合力在很多地方都存在,而在很多地方它又是紊流和乱流。也就是说,在三八滩还没形成到我们能看得见时,由于河流的关系,主要靠凹岸的力量,它和对面这个力量的界限还不明显;实际上这个界限也不可能很明显。因为它随时在变化,在水流中,不仅有纵向流、横向流,还有底流、表层流以及中间的不均匀流。因此,环流在你看不见时,它也存在。
在两股水流形成夹角时,因为有粘度,把它们互相拉近,越到后来,夹角越小,即又要分开,又分不开。对于三八滩而言,不论是左岸、还是右岸的分力谁为主,当它们过了鱼咀以后,情况就又起了变化。由此可看出两岸的磨擦,即河岸弯道形成的磨擦力,它产生了分力与合力。当它过了这个鱼咀以后,要让它朝右边来,我就挖条河让它朝这边来,原来那个河道不走水都可以,可以不让它流水了。但在开得这条新河道里,水流还是走左岸,因为原来沙市河段水是走左岸的。这就如同在郝穴那一带,水流过了粘土咀,进了黄水套后,水流还是走左岸。因为水流在沙市是走左岸,在公安是走右岸,所以到了黄水套这一带,水流开始冲向右岸,但后来还是要走左岸。
在九江那一带,河面很宽,江中有许多洲子,这里没有明显的河道,像个小湖,水在这里漫流,有个主流。洞庭那里虽说是个湖,但也有主流,靠右岸,即靠近岳阳有个深沟。这里水是从湘江下来的。它的对岸是一片汪洋,这样你就不能控制它,那个分力你不能控制,这个分力你也就不能控制;这样合力就不能听你的话了。九江这个合力现在不好处理,要把武汉下面那个峡谷挖深,并把这以下的河床缩窄,你才能控制它,那时想让它在哪儿崩,就可以在哪儿崩。
牌洲湾在宋朝就形成了,水流裁不了它,人要裁它的话,必须挖得很深,那样工程量就很大。这个弯很大,有30多公里,与其在最窄处裁,不如在上面裁,把它变成缓弯就可以了。那里是冲积层,好裁,这里也有个分力合力问题。我从上游诱导它,变成缓弯,就不会形成对河岸的很大冲刷力,而下游的粘土又自然形成了一个较好的护岸;这样,这里的河势就顺了。要不然的话,上游很宽,到这里窄了,左岸来的水很大,它一逼就又转到这个卡腰上来了。而像我说得那样做,上面来的分力就失去对合力的作用了。
对于河口学,也有个分力和合力问题。例如,在长江口一带,我主张修岸边运河。而现在有些人要到离长江口很远的一个海里小岛上去修港口。那里风高、浪大,离上海有好几十公里,还得修很长的大桥与上海陆地连起来,这得花多少钱呀!虽然他们有钱,但这样做极不经济!我虽然不知道海流的分力有多大、大多少,从浦东到海边,这个地带的海岸水流很急,按照柯氏定律,涨潮时,水从长江左岸进,退潮时水从右岸出来;到了杭洲湾,水沿北岸进,从南岸出,到了舟山群岛再往南;这个水流规律就是这样的。因此有了这个水流,再加上海里的来水,就形成了合力,它就冲刷岸边,冲刷得很厉害。
为什么他们不敢修岸边运河?运河隔海很远,黄埔江通过1至2万吨的轮船一点没问题,但一到海口就不好办了。运河一到海口,一般人感到没办法。但根据我的经验和理论,用河岸的丁坝可以解决问题。水流到了丁坝这里,它就马上被丁坝挑了过来;这一挑,那个海流的另一个分力越大,丁坝头上就刷得越深,这样运河入海口就不会淤积了。这个问题过去不能解决,而根据我的经验和理论,上述办法可以解决它。我到那些地方都去看过。把这个运河入海口的淤积问题解决了,我们为什么还要到几十公里以外的大海里去,那么远,那么大的风浪,那得花多少钱,受多大的罪呀!当然,这个设计方案目前我们还没有条件做试验加以验证。
五、关于水沙资源的综合利用
从流域规划的观点看,水和沙都应被看作是一种资源,应采用综合利用的方法。
河流泥沙主要来自某些河段和有关支流,因而对泥沙较多的支流和河段应着重于研究泥沙资源的利用。在河流梯级开发时,对于大小水库的泥沙也应统一作出调蓄计划。
对于干支流河源部分的小型水库,应着重于从小水电、水产养殖、农林牧开发等方面考虑,对于河源地区的农林牧经济开发来说,在某种意义上,泥沙资源和水资源完全处于同等重要的地位。
长江流域的泥沙主要来自某些河段,在这些地区修建水利工程时,应考虑泥沙在农业上的应用,对发展农业来说,必要的输沙工程的效益是非常显著的。
每一条河流都有其特征,因而对泥沙的处理也各有不同。像黄河这样的多泥沙河流,早在2500年前,我们的祖先就懂得用淤灌的方法利用其泥沙资源;在长江流域,也有一些地区利用泥沙肥沃土地,创造了大片农田,而且长江干流还是运输大动脉,岸边的泥沙淤积对于沿江的城镇港埠建设也是一种极有价值的资源。
从河流的平原河段来说,在河道最弯的地方,产生明显的环流和崩岸,一般的弯段不会崩岸,因为土壤的胶结强度还能支撑,可以保持较大的R,而在松散的土壤上不到这一点。在已有土壤粘度的情况下,如产生了崩岸,在整个弯段的别的地方我不动,可以在崩岸的地方搞一些采砂;这样做,好像使这里的R变小了,但实际上整个河段的R没小,因为大断面由于崩岸缩小了,这里一挖深,凸岸的水就集中到这儿来了;所以似乎R变小了,但实际R没变。崩岸最厉害的地方是V字状,在这里采砂使它变成了U字状,断面大了;从局部看,R似乎小了,但从整体看,R没小,这样在短时期内崩岸就缓和了。
河流采砂对于建材的生产很重要,但不懂得河流学的人不敢让采,怕影响河势。如果我们懂得河流学,就知道河流泥沙哪些是多余的,因而可以利用,就可以在一定的范围内让他采。过去河流的开发可以做到五利俱全(即防洪、发电、灌溉、航运、水产养殖),现在还可增加一利,即生产建材。
在凸岸部份,那里有相当大的断面是剩余的,都浪费了,在这个地方采砂,剥离几公寸乃至几米,并不影响河势恶化,因为河流不需要它过水;另外,采砂和崩岸还可以做为改造河势使之向利于我们方向发展的有力手段,例如,在那些需要扩岸的地方。你只要掌握了河流学,怎么做都有办法。
在凹岸的地方也可以搞采砂,即在崩岸地点附近的地方采砂,这就等于裁直了,降低了弯曲率,反而使崩岸得到缓和。只要你懂得了河流学,就能活学活用。河流采砂不仅可以根据我们的要求,还可根据其他采砂公司的要求来做。即使在不利的部位,例如有某种特殊材料的要求,只要人家给钱足够多,我们也可以做,然后用经济收入在相应的部位做防护工程,以此来调整河势。在崩岸附近采砂,相当于裁直,拉长了河段,使磨擦面延长,这反而可以缓和崩岸。你只要懂得了河流学,就可以做很多事情。
目前长江中下游河道定了33个可采区,年度控制开采量约为3400万吨,审批的采砂船数量控制为100艘左右,但据统计,目前长江中下游共有各类采砂船1000多艘,远远起过可采区能容纳的数量。随着经济的发展,河流采砂有可能成为一个很大的产业。
对于黄河这样的多泥沙、宽浅型河流,其水沙利用方式与长江等窄深型河流是完全不同的。黄河流经我国的干旱和半干旱地区,它的水沙是更为稀缺、更为宝贵的资源。它的500多亿方水资源对于沿岸广大地区目前乃至今后的经济社会发展已经不足,但仍有一些人却千方百计地耗巨资、做工程,把这些宝贵的水沙资源尽可能多地送到海里去,这完全是一种南辕北辙的治河方法,其指导思想在根上就错了。
在我们看来,应在黄河沿岸就地充分利用水沙资源,这样黄河下游的平原河道的泥沙淤积根源问题就解决了。因为水下来的不多了,泥沙也就下不来了。如果结合水污染的治理,利用回归水和复用水,使黄河下游的干流保持一个较小的、稳定的流量,那么下游河道治理就变得简单了。从总的原则上说,应在三门峡以上就地吃光喝净黄河水沙资源;黄河的水资源应用在西北,不应该到华北来,华北可用中东线的北调南水,西线的水应往西边走。在实现这个长期的总方针之前,有一个过渡阶段,在这个过渡阶段里,可考虑如下做法。
在黄河上游地区(即内蒙河口镇以上)应以自流灌溉和引水为主要水沙利用模式,发展沿岸的农牧业和能源重化工产业。在黄河中游地区应以淤灌和小流域治理为主要的水沙利用模式,发展沿岸的农林牧和农产品加工产业。如此在三门峡以下,不过几十亿方水资源(不含泰山水系),利用起来并非难事;主要是在伊洛河主要支流上修建山谷水库,综合利用水资源,如发展灌溉和为城市供水;并在沁河一带兴建引水灌区。
一般说来,降雨量越大的地方,河谷就越窄深;然后随降雨量变小,河谷就越来越宽浅,因为土壤变得松散了;降雨量再少的地方,就变成沙漠了,更小的地方,就是戈壁了。土壤的颗粒和粘性就是这么一个分布。因此,在不同的降雨区里,河流在不同的土壤结构下,有自己的河床胶结强度。黄河两岸是冲积平原。往南是淮河,它是窄深型的;往北是漳河、海河,海河流域的很多支流也是比较窄深的;都不像黄河摇摆得这么厉害。因此,黄河大堤两边的土壤胶结得好,如开挖河道的话,可比黄河干流河道要窄深得多。做工程,你一定要研究土壤的粘度。
我们可在黄河两边的冲积平原上,即在那些土壤胶结得比较好的地方,去分散黄河的水量;或在那些沉沙的地方、但没有很多沙子不断下来的地方,开挖河道或渠道,以便它们可以保持一定的窄深形式。例如,在京广铁路以西不远的地方,在石山脚下挖个槽子,把黄河水引出来,走黄河大堤两边的平地,从这里有计划地把黄河的水分散开来,该灌溉的灌溉,该分洪的分洪。万一来了大洪水,可以在黄河大堤两边分一些水量;在其他的时候,运用人工渠道的方式搞成无数条支流或灌溉渠道,把较大的洪水分而食之,就像都江堰一样。
黄委现在想用人工挖河的办法,使泥沙不淤高河床,这根本不行。一条河流如果它的宽浅特性没有大的改变,它的基本性质就不会改变。他们不懂得河流学,只看到河床不断淤高,因此想把它挖深;可是他们不知道R和S的关系,R没变(宽浅特性没变),S(坡降)也就变不了。黄河下游干流的坡降为什么大(差不多相当于长江下游的十倍)?因为它的河床是宽浅的(即R小,相当于长江的1/10)。这又是为什么?因为它的河床土壤结构非常松散,胶结不起来。在这种状况下,挖深了它的河床,问题会更大。
在山东位山以上,如按照上述三种方式实现了黄河水沙资源就地充分利用之后,三门峡以下河道淤积和洪水灾害就从根上消除了;这样黄河将彻底从害河、坏河变为宝河、好河!那么,在位山以下又将是一种治理模式;在这一段,我们可以有计划地把它做成窄深型河道,这就等于把河口移到了位山附近。如此,在位山以上河段,按照它自身的坡降(S)要求,河床高程就都下降了;这样,原有的淤积便可逐步解决。