黄土高原现状产沙情势评价

在黄河来沙锐减背景下，厘清现状黄土高原在不同降雨情景的年均产沙量，对客观认识黄河未来水沙情势具有十分重要的意义。本文分析了过去60年黄土高原汛期径流及含沙量变化特点，认为该区2010年以来的下垫面可作为现状产沙情势评价的代表下垫面。采用理论推算和实际产沙能力分析等两种方法，计算了黄土高原现状下垫面在4种降雨情景下的年均产沙量。结果表明，如果汛期降雨较1956—2019年均值偏丰0～17.3%,2010—2019年下垫面的年均产沙量为3.9亿t/a～5亿t/a;若基于2018年以来的下垫面，其年均产沙量为3.6亿t/a～4.5亿t/a;受坝库工程拦截影响，可输送至潼关断面的沙量更少。分析了黄土高原植被和梯田的发展趋势，并考虑流域产沙指数与植被梯田覆盖状况的响应规律，认为该区产沙能力进一步降低的潜力很小。事实上，由于年降雨量450 mm以下地区的新生植被抵御恶劣气候和人类干扰的能力较低，黄土高原产沙量存在反弹至5亿t/a～8亿t/a的风险。     

黄河上游黄土高原入黄沙量变化分析

早在20世纪70年代黄河上游实测输沙量就开始大幅减少，其中黄河下河沿站1970—1999年和2000—2022年年均输沙量分别较天然时期减少50%、76%,但迄今有关该区沙量锐减的研究极少。以黄河李家峡大坝至青铜峡区间的黄土高原为重点，分析了该区水沙和有效降雨变化情况、水库和淤地坝在不同时期的拦沙作用，还原了1960年以来流域实际产沙量，研究了梯田和植被变化情况，计算了现状下垫面在设计降雨情景下的产沙量。研究结果表明：20世纪后期水库拦沙是研究区输沙量大幅减少的主要原因，2000年以来梯田建设和植被改善逐渐成为主要减沙因素、水库拦沙次之；基于2021年下垫面推算的下河沿以上产沙能力为5 800万～6 600万t/a、较天然时期降低约62%,清水河流域产沙能力为1 920万～2 743万t/a、较天然时期降低约53%;未来植被改善潜力很小，新建梯田仅可弥补老旧梯田田埂损毁的负面影响，因此产沙能力进一步降低的潜力极小。     

黄土高原现状梯田和林草植被的减沙作用分析

2000年以来,黄河来沙明显减少。本文以黄土高原主要产沙区为对象,利用卫星遥感与实地调查相结合方法,获取2012年研究区各支流的梯田面积和质量信息,分析2010—2013年林草植被覆盖率及其较天然时期的变化;提出林草与梯田叠加作用地区的减沙量计算方法。基于流域尺度上构建的黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖率与产沙系数、梯田比与减沙幅度之间的响应关系,计算在多年平均降雨条件下黄河龙门、北洛河状头、汾河河津、渭河咸阳和泾河张家山等5站以上现状林草植被和梯田的减沙能力,其值为10.65亿t,占该区天然年均来沙量的60%。     

佳芦河流域极端暴雨可能来沙量研究

黄河水沙变化情势尤其是来沙量变化趋势判断是确定治黄方略的重要依据。以近年来径流泥沙锐减的黄河中游佳芦河流域为研究对象,分析了极端暴雨情况下的可能来沙量。结果表明:依据佳芦河流域1962—2017年204场降雨、输沙量实测资料点绘的次洪雨量—沙量双累计曲线在1972年、2002年出现明显拐点,相同降雨量条件下拐点后输沙量明显减少,可把1971年以前作为天然时期、把2002年以后作为现阶段;采用次降雨量拟合法、降雨侵蚀力(降雨因子组合)拟合法、次降雨分时段雨量拟合法、上包络线法等4种方法和大于50 mm场次降雨量拟合的佳芦河次洪输沙量计算公式,拟合效果较为理想;次降雨分时段雨量拟合法分析表明,场次降雨过程中最大1 h降雨量、最大2 h降雨量减去最大1 h降雨量、最大3 h降雨量减去最大2 h降雨量这3个分时段降雨量对次洪输沙量的影响较大;采用4种拟合公式和历史实测极端强降雨组合法设定的极端暴雨,计算的现阶段佳芦河可能来沙量为0.12亿～0.22亿t,与天然时期相比减沙效益为88.7%～94.8%,其中最大可能来沙量0.22亿t是实测最大次洪输沙量0.52亿t的42.3%。     

黄河流域近百年产沙情势变化

基于实测降雨、水文、坝库拦沙、灌溉引沙和河道冲淤等数据,分析了1919-2016年黄河潼关以上流域实际产沙量、产沙强度和不同时期下垫面在多年平均降雨情况下的产沙能力变化。结果表明,20世纪30年代以后,流域产沙能力逐渐增大,至50~70年代达到顶峰;80~90年代以后,流域产沙逐渐减少,其中2010-2016年流域产沙强度只有1919-1939年的23%。1919-2016年流域年均产沙量为13.7亿t。在多年平均降雨和1919-1953年下垫面情况下,潼关年均来沙量应约为14.6亿t;至1956-1975年,该值达到16.6亿t。     

黄河中游主要产沙区下垫面变化减沙作用评估

2000年以来,黄河上中游干支流来沙量明显减少。为了揭示黄河中游主要产沙区土壤侵蚀特征和水土保持措施使下垫面变化的减蚀和减沙作用,基于GIS与RS技术,利用CSLE模型,定量分析了主要产沙区2000—2013年土壤侵蚀时空变异特征,并在多年平均降雨条件下,以1980年的下垫面为基准,评估了2000年、2005年、2010年、2013年下垫面变化的减沙效果。结果表明:2000年以来,在降雨侵蚀力变化不大的情况下,研究区土壤侵蚀强度呈下降趋势,但遇到强降雨年份,仍然可能产生较为剧烈的土壤侵蚀;土壤侵蚀强度与坡度坡长、降雨有较好的对应关系,研究区强烈及以上等级的土壤侵蚀主要分布在黄土丘陵沟壑区,风沙区和土石山区土壤侵蚀强度相对较低;在多年平均降雨条件下,与1980年相比,2000年、2005年、2010年、2013年水土保持措施使下垫面变化造成的减蚀量分别为1.22亿、1.95亿、3.29亿、3.45亿t,减蚀效果明显。     

黄河中游水土保持措施减沙量宏观分析

对黄河中游水土保持措施减沙量进行了宏观分析，研究结果分为黄河中游水土保持措施减沙量、水利措施减沙昔、水利水土保持措施减沙量、“水保法”计算的水土保持综合减沙超和黄土高原水土保持措施减沙量等5个层次：结果表明，1970～1996年：①黄河中游水土保持措施年均减沙3．2亿t，黄河中游水利水土保持措施年均减沙4．5亿t，“水保法”计算的黄河中游水土保持年均综合减沙量为4．2亿t，黄土高原水土保持措施年均减沙3．5亿t，黄土高原水利水土保持措施年均减沙4．8亿t；②若扣除1970年以前的减沙量，则黄河中游水土保持措施年均新增减沙量2．1亿t，黄河中游水利水土保持措施年均新增减沙量2．6亿t，黄土高原水土保持措施年均新增减沙量1．7亿t，黄土高原水利水土保持措施年均新增减沙量2．2亿t.     

近期黄河潼关以上地区淤地坝拦沙量初步分析

进入21世纪以来,黄河泥沙显著减少,潼关水文站实测输沙量由1919—1959年的平均15.92亿t减少到2000—2012年的平均2.76亿t。黄河流域已建淤地坝58 099座,分布在黄土高原的千沟万壑,具有显著的拦沙减蚀作用。依据第一次全国水利普查、水利部淤地坝大检查等基础数据,初步分析了2000—2012年黄河潼关以上地区淤地坝拦沙减蚀作用。结果表明:(1)2000—2012年黄河潼关以上淤地坝年均拦沙减蚀量为4.50亿t,其中年均拦沙量为3.75亿t、减蚀量为0.75亿t。同期潼关以上地区5 520座骨干坝的年均拦沙减蚀量为2.05亿t,其中年均拦沙量为1.71亿t、减蚀量为0.34亿t;50 935座中小型淤地坝的年均拦沙减蚀量为2.45亿t,其中年均拦沙量为2.04亿t、减蚀量为0.41亿t。(2)淤地坝拦沙减蚀作用对2000—2012年黄河泥沙减少的贡献率为34%。     

未来极端降雨情景下黄河可能来沙量预测

目前黄土高原主要产沙区的侵蚀产沙环境较20世纪70年代大幅改善,但并不意味着未来不再出现"大沙"年份。基于过去百年实测数据,设计了两种极端降雨情景,分析了黄河主要产沙区的可能产沙量,结果表明:如果黄河主要产沙区普降高强度暴雨,那么在循化以下水库和淤地坝不拦沙且不水毁情况下,潼关年来沙量有可能达到13.1亿t,龙门达到9.0亿t、张家山达到2.6亿t;如果该降雨情景发生在"泾河流域连续干旱11 a"之后,那么潼关来沙量甚至可能达到16亿t左右。     

80年代龙羊峡 刘家峡水库运用及上游来水来沙变化

80年代黄河上游来水来沙偏丰,唐乃亥以上来水来沙量分别比多年平均值偏丰16％和64％。由于龙羊峡、刘家峡两水库拦沙和削减洪峰调平流量,使河口镇实测水量比还原后的天然值偏小40％,并使汛期水量减少,非汛期水量增加。两库的调节作用,使河口镇年平均来沙量减少0.4亿t左右。     

黄河流域降水变化规律分析

近年来，黄河下游出现许多新问题，如冬春季断流日益严重，汛期洪水水位表现高、传播速度慢等，这些问题都与黄河流域降水量变化有关系。本文分析了黄河流域各区年降水量和暴雨量及暴雨强度的变化规律，其中用年最大７日（或最大１日）和最大３０日降水量代表暴雨量和暴雨强度，能比较好地反映降水与产流产沙的关系，对黄河下游防洪减淤工作具有指导意义。     

黄河主要产沙区近年降水变化的空间格局

采集整理了1966—2014年黄河潼关以上主要产沙区604个雨量站的逐年逐日降水,并基于GIS制作了1966—2014年不同时期的年降水量和日降水大于10、25、50、100 mm的年降水总量空间分布图,进而分析了该区不同雨强量级的年降水总量和大暴雨发生频次等降水因子的变化。研究认为,该区日降水大于50 mm的降水总量占年降水量的比例为2.3%~7.8%,其产洪产沙量占年水沙量的比例分别为20%和44%;在潼关来沙较天然时期减少约88%的2005—2014年,河龙间大部、泾河上中游和汾河上游等日降水大于10、25、50 mm的年降水总量总体偏丰;2010—2014年,日降水大于25 mm和50 mm的年降水总量偏丰程度更高,其偏丰程度大于5%的面积占研究区总面积的比例分别为76.9%和69.6%;近年降水偏枯区主要分布在祖厉河和渭河上游西北部。2012—2013年几乎是1966年以来研究区降水最丰的时段。2001年以来,河龙间大部和泾河上中游地区大暴雨发生频次偏高,其它区偏低。     

黄河花园口断面近60年来水量变化分析

根据《黄河水资源综合规划》中1956-2000年和《黄河水资源公报》中2001-2015年黄河花园口断面以上区域降水量,断面实测径流量、天然径流量和水资源总量组成的1956-2015年60年系列花园口断面来水数据,分析60年系列来水过程并对比1956-1979年、1956-2000年、1956-2015年、1980-2000年、1980-2015年和2001-2015年系列平均断面以上区域降水量、断面实测径流量、天然径流量、水资源总量数据成果。1956-2015年60年间,花园口以上区域年降水量年际变化不大,其中1980-2000年系列平均降水量相对偏小;花园口断面实测径流量、天然径流量和水资源总量年际变化大且总体渐次减少,临近近期且均值系列最短的2001-2015年,平均实测径流量、天然径流量和水资源总量均为各系列平均最小值。1990年左右以来,经济社会用水量增加、包括退耕、禁牧和矿山开采等带来的下垫面条件改变,已成为花园口断面来水量渐次减少的主要影响因素。     

永定河三家店以上流域径流减少归因分析

20世纪70年代以来,永定河流域径流特征发生了巨大变化,下游常年处于断流状态。根据1956—1991年及2006—2018年永定河三家店以上流域各站的气象与水文数据,利用M-K检验和小波分析方法分析了永定河流域的气象要素及径流变化趋势,利用双累积曲线和基于Budyko假设的弹性系数法进行了径流减少归因分析。结果表明:①1956—2018年间永定河流域的降雨无明显增加或减少趋势,气温有显著上升趋势,蒸发能力略有下降,径流减少非常明显,达到99.9%置信水平。②永定河流域大部分站点的降雨和径流变化存在大概11或23 a的波动周期。③永定河10个水文站的降雨-径流双累积曲线均发生了2~4次较为明显的偏移,在20世纪的60年代中期、70年代初期、80年中期和90年代初期都发生了偏向径流的偏移,这表明在降雨量水平未发生明显变化的情况下,径流减少了。④永定河流域是强人类活动区域,弹性系数绝对值依次为:降水>下垫面参数>蒸发能力,人类活动对径流减少的平均贡献率约为95%。     

黄河流域天然径流量评价探讨

针对现有径流系列一致性处理方法不够具体的问题,提出了一种黄河流域天然径流量还原、还现算法。根据黄河流域入海口利津站的实测径流、利津断面以上流域地表水消耗量、地下水开采引起的地表径流减少量、人工水库和淤地坝水面蒸发增加量、水库蓄变量等数据,对利津站的天然地表径流量进行还原分析,并以2001—2016年下垫面作为参照下垫面估算下垫面还现后的天然径流量。结果表明:1956—2016年长系列的黄河利津站地表水天然径流量为577.72亿m³,下垫面还现后的天然径流量为551.72亿m³,还现天然径流量比流域机构给出的第三次水资源评价结果多61.72亿m³。     

黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。     

修正水沙资料是当前治黄的基础性研究课题

黄土高原水土保持工作大规模持续进行和黄河干支流水利枢纽工程的大量修建,极大地改变了黄河流域下垫面状况。实测资料分析结果表明:从黄河中游进入黄河的水量、特别是沙量已大幅度减少,小浪底水库的拦沙年限可以延长,黄河流域防洪规划和小浪底水利枢纽设计所预测的水沙量远大于最近10余年实测的水沙量。过去观测的水沙资料已不再具有可重现的性质,必须根据当前下垫面的变化,适时进行修正,用修正后的水沙资料,分析预测此后一段时间的水沙过程,才能作为此后一段时间河流治理规划、工程设计和管理运用的依据。因此,修正水沙资料是当前治黄工作中一项新的迫切而重要的基础性科研课题。     

黄河流域降水演变规律研究

基于黄河流域及其周边地区1000多个水文气象站近50年的月降水资料所生成的整个流域及其29个三级区的面雨量过程,采用多种时间序列分析方法,研究了黄河流域降水的随机性、趋势性和周期性。结果表明：黄河流域各三级区降水量Hurst系数的分布范围在0.449～0．644之间,说明其具有长期弱相关性;Kendall秩次相关检验结果表明黄河流域降水减少的趋势性不明显,从三级区看,大通河享堂以上等7个三级区降水有一定的减少趋势;黄河流域降水的短周期为准3年周期,中长周期一般表现为l1年和22年左右的周期。