黄河流域水沙变化研究新进展

　　黄河是一条多泥沙河流，其河床冲淤演变对流域来水来沙有着高阶的非线性响应关系。河流健康状况主要取决于气候和下垫面因素的变化。不同的气候和下垫面条件，将在河流水系中形成不同的水沙条件（包括流量、含沙量、水位等）和河床边界条件，进而深刻地影响到河流的河型、河性等河流特征和以河流为依托的生态系统，即气候、下垫面对河流健康的影响最终体现于河流水沙过程和水沙约束条件的变化。因此，要实现人类与黄河的和谐相处，必须研究黄河流域水沙变化问题。可以说，水沙变化情势是制定黄河治理开发与管理重大决策的重要依据。

　　以往研究成果

　　20世纪80年代以后，黄河的水量和沙量均发生了很大变化，有关人员开始对其变化量及变化原因进行研究。科技部、水利部、国家自然科学基金委员会和黄委多年来对黄河水沙变化研究给予了持续的关注和支持。

　　水利部黄河水沙变化研究基金第一期、第二期项目对黄河水沙变化的研究相对更为系统和全面，重点分析了黄河上中游主要支流泥沙来源、水沙变化及其发生原因和发展趋势等，总结了黄河流域水沙时空分布的特点；研究了水沙变化的机制，逐步建立了“水文法”、“水保法”等分析计算水土保持减水减沙效益的方法。

　　黄河流域水土保持科研基金课题对“水文法”、“水保法”进行了系统地研究，提出了计算结果的评价方法。“黄河流域环境演变与水沙运行规律研究”成果认为：1970～1989年水利水保措施减沙效益为年均约4亿吨，预估到2030年在新增坝库工程条件下,减沙效益年均达到8亿吨。

　　这一时期不同类型的项目都对减水减沙效益分析评价方法进行了探讨，并提出了黄河流域1970年以来的水沙变化定量数据。但是，各类项目或课题对水沙变化程度，以及变化原因、不同因素对水沙变化的贡献大小的认识却有一定差异，而且有些相差很大，给治黄生产的应用带来了较大困难。后来，不少研究者对这些差异从基础数据、计算方法、时段选择、样本确定等方面先后做过一些分析，对于取得统一认识起到了一定的参考作用。

　　自20世纪90年代以来，黄委及其所属有关单位也曾设立一些专题，对黄河水沙变化问题进行研究。开展的项目主要有：“小浪底水库运用初期入库水沙预测研究”、治黄专项“黄河水沙变化及趋势分析”、治黄基金项目“黄河水沙变化及其对河道冲淤、洪水演进的影响”、“20世纪80年代黄河水沙特性与河道冲淤演变”、黄河防汛科技项目“人类活动和气候变化对黄河中游水资源的影响”、黄河流域第二次水资源规划工作对水资源的评价等。这些研究分为两种：一种是比较宏观，要求高度概括水沙基本特点和发展趋势，但研究深度有限；另一种是侧重于生产需要，局限性较大。因而，这些项目开展规模相对较小，主要是针对流域某一区域和水沙条件中某一部分进行研究的，但研究较为深入。此外，在组织召开的一些专题会议上，对黄河水沙变化的某些方面也开展了一些研究和讨论，如2004年12月中国水利学会、黄河研究会联合举办的“黄河源区径流及生态变化研讨会”等。

　　通过上述一系列的研究，基本摸清了20世纪50年代至1996年黄河水沙变化的历史过程；分析了干流、区间和各主要支流水沙变化特点和成因，对1950～1996年黄河水沙变化原因有了基本认识；建立了适用于黄河流域特点的“水文法”、“水保法”和“水文水保混合法”等计算方法；初步分析了黄河中游干流主要控制断面不同时期多年平均情况下泥沙组成的变化；宏观预测了未来黄河水沙变化趋势。但是，目前，对水土流失治理措施的减水、拦沙和减蚀的大小及其发展趋势方面还存在较大分歧，对各区间暴雨和大暴雨特性的时空变化与产流产沙的关系等还缺乏深入研究，对渭河等重要支流地表水和地下水之间的关系还缺乏深入探讨。同时，因观测，资料不足以及部分统计资料失真等，尚难说清近20年来黄土高原降雨减少不多但洪水和输沙量却衰减很大的原因。还有，由于黄河源区气候恶劣、观测资料短缺、多学科协作和沟通不够，因而，关于黄河唐乃亥以上地区径流变化的原因众说纷纭，已有的研究成果尚不能说明各个因素对黄河源区径流变化影响的程度和发展趋势。

　　研究新进展

　　近年来，随着黄河流域经济社会的快速发展和水土保持生态建设的大力推进，加之在全球气候变化的背景下，流域下垫面和降雨等水文要素进一步发生变化，引起黄河流域水沙发生了新的变化。近期，高旭彪等研究认为，1997～2006年黄河中游潼关以上人类活动年均减沙量为7.0亿吨；李焯等研究认为，1996～2005年河口镇至龙门区间水利水保措施年均减沙量为3.1亿吨；中国水土流失与生态安全综合科学考察成果认为，截至2005年底，黄土高原地区水利水保措施年均减沙量为4.1～4.5亿吨，占黄河输沙减少量的50%。

　　姚文艺等近期通过“十一五”国家科技支撑计划资助的课题研究表明，在黄河河口镇至龙门区间，1997～2006年与1969年以前相比（含未控区），实测年均总减水量43.60亿立方米，其中，水利水保措施等人类活动年均减水量29.90亿立方米，占总减水量的68.6%，因降雨减少10.2%的影响作用引起的年均减水量为13.70亿立方米，占总减水量的31.4%；年均总减沙量7.77亿吨，其中，水利水保措施等人类活动年均减沙量3.5亿吨，占总减沙量的45.0%，因降雨减少影响而引起的年均减沙量为4.27亿吨，占总减沙量的55.0%。另外，在泾河、北洛河、渭河、汾河流域，1997～2006年与1969年以前相比，实测年均总减水量为68.52亿立方米，其中，水利水保措施等人类活动年均减水量55.88亿立方米，占年均总减水量的81.6%，因降雨减少15.2%影响年均减水量12.64亿立方米，占年均总减水量的18.4%；年均总减沙量为4.03亿吨，其中，水利水保措施等人类活动年均减沙量2.37亿吨，占年均总减沙量的58.8%，因降雨减少而年均减沙量为1.66亿吨，占年均总减沙量的41.2%。另外，在此项研究中，还系统核查了1997～2006年黄河中游水土保持措施基础资料；总结了黄河流域水沙变化特点，分析了变化规律，包括径流量、输沙量、洪水、泥沙级配和降雨径流关系等；从气候、生态变化等方面的相互作用，剖析了河源区水量变化原因及产流机制的变化；基本搞清了干流水库调节和主要灌区引水对干流水沙量、洪水过程的影响；初步分析了暴雨洪水对水利水保措施的响应关系；探索了基于GIS技术的人类活动对产流产沙影响的识别评价方法，根据黄土高原的产流机制改进了SWAT模型；利用多种方法预测了黄河流域水沙变化趋势等，为黄河治理开发与管理决策提供了新的科学依据和丰富的资料，取得了多方面进展。

　　1997～2006年黄河中游的水沙变化是人类活动和降雨变化共同引起的，其中，人类活动起主要作用。但必须注意到，这样的影响是在近年来河口镇至龙门区间降水连续偏枯的情况下产生的，因而，对水利水保措施的减水减沙效益评估时，应当充分注意到这一点。

　　须进一步研究的问题

　　黄河问题非常复杂，就目前的基础理论、分析手段和方法而言，还很难能够取得较高精度的评估结果，对一些重大的关键科学问题还须做深入研究。主要有：

　　1.水土保持生态建设对流域产流机制的影响。水土保持生态建设可以改变流域下垫面状况，包括被覆度、土壤结构、土壤含水量、地下水循环等，大区域的生态建设还可能对局地气候产生影响。那么，下垫面的变化是否会对产流机制产生影响，有什么影响，目前，对这一问题还缺乏深入认识。

　　2.水沙变化分析评价方法研究。目前，大多利用“水文法”、“水保法”作为分析水沙变化及其原因的手段，这些方法概念明确且计算简单，在水沙变化分析中得到广泛应用。但是，这些方法在理论上均有一定的缺陷，例如，“水保法”的理论前提条件是各项水利水保措施的作用具有线性关系，即流域水沙变化的结果等于各类措施作用的线性叠加，显然，这是不合理的；再如，“水文法”的理论基础是降雨径流关系具有不变性，也就是评价期的降雨径流关系与基准期的相同，这样的理论假设，往往会使连续枯水期的径流泥沙量估算偏大，从而降低了水沙变化的评价精度。

　　3.人类活动对水沙变化的影响作用分析。目前，人类活动对流域产流产沙的影响作用日益增强，是影响水沙变化的主导因子。但是，对诸如人类活动增沙作用的估算，基本上仍属于调查评估、经验判断和以点推面的统计方法，还缺乏更为科学的评估技术，需要利用GIS、遥感影像等先进技术，探讨有效的分析评价方法。

　　4.水土保持措施作用机制研究。需要根据水文学、生物学、土壤学、泥沙运动学及流体力学等理论和方法，结合试验观测的方法，研究不同水土保持措施对径流、泥沙的作用关系，找出作用机制，为建立减水减沙指标体系提供依据。

　　5.暴雨洪水泥沙关系变化规律及机制研究。需要通过产流机制、降雨径流关系及水循环过程的分析，搞清楚上中游地区的暴雨洪水有什么变化，为什么产生变化，变化的机制是什么等问题，为分析水沙变化原因、预测水沙变化趋势提供理论支撑。

　　黄河水沙变化研究是一个重大的也是一个需要长期研究的课题，需要不断探讨解决一系列的应用基础、技术和方法等各层面的科学问题，力求对黄河水沙变化及其趋势得到更为科学的认识，更好地为黄河治理开发与管理提供科技支撑。

　　（作者为黄河水利科学研究院总工程师）