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%。     

关于黄河水沙形势及对策的思考

水少沙多是黄河的突出特点。进入21世纪,黄河天然径流量减少了20%,取用水量却不断增加。近10 a黄河头道拐至花园口河段和全河的地表水资源利用率已分别达60%和80%,水少问题更加突出,缺水已经成为黄河流域面临的最大问题;节水潜力是有限的,将黄河下游分水指标过多调整给上中游又将导致不健康河段更长,因此建议尽快开工建设南水北调西线工程,并兴建多年调节水库,提高黄河蓄丰补枯的能力。2000—2019年,潼关年均输沙量仅2.45亿t/a,"沙多"压力有所缓解,但还原坝库拦沙量后的流域产沙量为5.64亿t/a,仍然远高于黄河下游的承受能力。未来,如果能将林草梯田覆盖程度提高至理想情景,流域产沙量可降低至4亿～5亿t/a;但是,黄土高原植被极易受人畜破坏而退化,若退化至2010年水平,"龙华河■"四站沙量将反弹至6.7亿～7.1亿t/a。因此,黄河水沙调控工程和防洪工程的规划设计必须为未来沙量反弹留足空间。为控制入黄沙量在低位水平、支撑黄河长治久安,黄土高原应优先重视现状林草植被的维护,并改进黄土丘陵沟壑区第五副区产沙的控制措施。     

黄河主要产沙区近年降雨及下垫面变化对入黄沙量的影响

近几年,黄河来沙量锐减原因成为人们普遍关注的热点问题。本文以天然产沙量约占流域入黄沙量90%的黄河潼关以上主要产沙区为研究范围,优选了降雨因子和模型的函数型式,改进或构建了各支流在天然时期的降雨~产沙相关模型,进而分析了该区近35年不同时段的降雨和下垫面因素的减沙作用。研究表明,若以各支流1956—1975年前后的降雨-产沙响应关系为基准,1980年以来下垫面减沙作用越来越大,近十多年最为突出。近10年研究区降雨总体偏丰、其中近5年明显偏丰,因此降雨变化不是黄河该时段来沙锐减的原因;2005—2014年和2010—2014年,下垫面因素的实际总减沙量分别为13.87~15.45亿t/a和15.70~18.70亿t/a。     

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。     

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。     

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。     

黄土高原水土流失治理与黄河水沙变化

"黄河流域治理,重在保护,要在治理"。明晰黄土高原生态治理成效及其影响下的黄河水沙关系变化,有助于为黄河水沙关系协调提供科技支撑。通过梳理黄土高原水土流失治理历程及措施变化,辨析了治理措施的减沙效应。研究表明:(1)黄土高原历经五个典型治理阶段,主色调由黄变绿,下垫面发生不可逆的变化;(2)2000年以来,主要产沙区汛期雨量偏丰且极端降雨增加,而黄河沙量相对1919—1959年锐减了85%,中游中常洪水发生频次降低,下游河道由淤积转为冲刷;(3)林草、梯田和淤地坝减沙成效显著,溃损淤地坝淤积泥沙出库比15%,难以发生"零存整取"现象;(4)与历史极端降雨事件相比,2000年后相似降雨条件下,典型流域次洪水量和沙量分别减少30%～78%、53%～88%,水土保持成效显著;(5)新水沙情势下应适时调整黄土高原水土流失治理格局,并完善水沙调控体系,改造下游河道,解放滩区。     

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.     

黄河水沙变化及设计水沙条件

利用黄河干支流主要控制站实测水沙资料,分析了黄河水沙的基本特性和近期黄河水沙变化的主要表现,结合已有规划研究成果,预估了不同水平年黄河的来水来沙量,提出了应用于流域综合规划和专项研究的设计水沙条件和水沙代表系列。结果表明:水少、沙多、水沙关系不协调是黄河水沙的基本特征;1986年以来,黄河中下游水沙量大幅减小,汛期径流比重减少,有利于输沙的大流量历时和水量大幅减少;预计到2020年、2030年,黄河多年平均天然径流量分别为519.8亿、514.8亿m3,年均沙量分别为10.5亿¹1.0亿t、9.5亿11.0亿t、9.5亿¹0.0亿t;根据2020水平年1956—2000年系列水沙条件,选取1968—1979年+1987—1996年作为水沙代表系列,该系列龙门、华县、河津、氵状头4站年均水量为278.03亿m3、沙量为10.77亿t,其中前12 a年均水量为290.17亿m3、沙量为11.48亿t,后10 a年均水量为263.47亿m3、沙量为9.93亿t。     

论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度

本文采用实测资料分析与理论分析相结合的方法,系统研究了黄河干流河道平衡输沙量临界阈值及其与黄土高原水土流失治理程度的关系,结果表明,黄河河道冲淤平衡输沙量临界阈值是随着不同时段来水来沙条件的变化而变化的。今后一个时期内,黄河上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右;黄河中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右。通过水沙调控和河道整治等综合措施,未来将黄河上游宁蒙河段年输沙量控制在0.4亿t/a左右,可塑造与维持平滩流量约2000 m~3/s左右的输水输沙通道,宁蒙河段基本实现河道冲淤平衡;将黄河中下游河道及河口年输沙量控制在3亿t/a左右,则潼关高程可基本实现升降平衡,稳定在328 m左右,下游河道可塑造与维持平滩流量4000 m~3/s左右的中水河槽,基本实现河道冲淤平衡;河口基本实现海岸淤蚀平衡,保持流路相对稳定。黄土高原水土流失治理也存在达到一定程度后治理效果不显著的临界状态,表明黄土高原水土流失治理存在治理度,针对黄土高原水土流失治理各种措施减沙的临界阈值,本文提出未来通过科学调整黄土高原水土流失治理格局,将入黄年沙量控制在3亿t/a左右,达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流河道输沙的平衡,为未来黄土高原水土流失确定了治理目标。     

黄土丘陵沟壑区第五副区产沙机制初步分析

黄土丘陵沟壑区第五副区主要分布在黄土高原西北部,是黄河流域的主要产沙区之一。通过实地调查,结合下垫面、降雨和水文实测数据,本文分析了该区泥沙来源、产沙特点及其影响因素,揭示了该区的产沙机制。实地调查表明,黄土丘陵沟壑区第五副区大体是黄土丘陵和黄土台塬的结合产物,地表光滑的黄土丘陵群包围着一片黄土盆地或阶地是其地形特点,土壤疏松、植被稀疏是其地貌特点,雨量和雨强小、蒸发强是其气候特点。该区泥沙不仅产自周边丘陵,且相当部分来自中部盆地的河(沟)岸崩塌或滑坡,是黄土高原河沟侵蚀最剧烈的地方,有些河流的河沟产沙占比甚至高达2/3;从支毛沟,到干沟和河道,随着汇入水量的增加,产沙强度逐级增大。周边丘陵所产洪水是河(沟)岸崩塌或滑坡的主要动力,其植被覆盖或梯田规模是影响产洪的关键因素。该区产洪能力偏低,但洪水的含沙量高、且很难显著降低。     

黄土高原沟道坝系模型设计方法

在回顾前人研究成果及分析土壤侵蚀模型试验特点的基础上，提出了黄土高原小流域沟道坝系模型设计的方法。认为在水力侵蚀最活跃的黄土高原地区，降雨强度是影响产流产沙的关键因子，从而需要抓住降雨与侵蚀产沙这对主要矛盾，根据降雨侵蚀空间或时问的集积效果来实现模型流域与原型流域产沙特征的相似。为保证沟道坝系地貌演变相似，除降雨历时遵循重力相似条件外，模型降雨产沙关系还应通过借助天然资料率定产沙量比尺的途径与原型相对应。     

80年代黄河中游降雨特点及其对入黄沙量的影响

80年代黄河中游平均年降水量为464mm,是近40年来降水量最少的10年,尤以7～8月降水量减少最多。受夏季风和地形差异的影响,主要少雨区在北中部的河龙区间。正是由于主要产沙区特别是河龙区间大、暴雨的显著减少,导致该区间入黄沙量锐减。     

气候变化情景下黄河天然径流预测研究

1961—2000年黄河天然径流量呈减小趋势,且径流变化与降水量变化过程基本一致。选用IPCC提出的A2、B2两种温室气体排放方案,并采用北京大学在黄河流域未来气候情景研究中的降尺度成果,以黄河流域未来气候情景模式和预测成果为基础,建立黄河水量平衡模型,预测黄河主要断面的未来天然径流量并分析其时空变化。结果表明:黄河径流量2050年将减少29.3亿～61.1亿m3,2100年将减少42.2亿～71.2亿m3;从空间分布来看,上游兰州以上主要产水区的降水量、径流量有较大幅度减小,其他区域产流量有所增加;从径流年内分配来看,冬季、春季略有增加或基本不变,夏季、秋季减少明显。