姚文藝，焦　鵬

(黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003)

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黃河水沙變化及研究展望

姚文藝，焦鵬

(黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003)

研究進展；減水減沙效益；水沙變化；黃河

黃河水沙變化是事關(guān)黃河治理開發(fā)與管理的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略性問題，水沙變化研究也是我國水科學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問題。從黃河水沙變化研究的熱點出發(fā)，總結(jié)了幾十年來黃河水沙變化研究的主要成果，包括黃河水沙變化主要特征、水沙變化主要評估方法及原理、水沙變化成因及其影響因素貢獻率，以及黃河未來水沙變化趨勢預(yù)測等，分析了黃河水沙變化研究中存在的不足，在此基礎(chǔ)上，考慮黃河流域復(fù)雜的水沙環(huán)境及水沙變化新情況，提出了利用復(fù)雜性科學(xué)的理論和方法開展黃河水沙變化研究的思路，以及需要進一步研究的主要問題。

黃河是世界上水流含沙量最高的河流，其水沙變化所產(chǎn)生的影響是事關(guān)黃河治理開發(fā)與管理的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略性問題，開展黃河水沙變化研究是我國水科學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問題之一。研究黃河水沙變化、把握黃河水沙變化規(guī)律，對于進一步完善治黃方略、構(gòu)建流域水沙調(diào)控體系、實施流域水資源配置與管理及重大水利工程布局，意義重大，影響深遠。自20世紀80年代以來，我國通過多類相關(guān)科技計劃對黃河水沙變化特性、成因、規(guī)律及發(fā)展趨勢開展了系統(tǒng)的大量研究工作，取得了多項成果和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為不同時期的黃河治理開發(fā)實踐提供了重要的科學(xué)依據(jù)。本文從黃河水沙變化特征、水沙變化分析方法及原理、水沙變化成因及發(fā)展趨勢預(yù)測等幾個方面，總結(jié)了幾十年來有關(guān)黃河水沙變化研究的主要成果，在此基礎(chǔ)上結(jié)合黃河水沙變化新情況，提出黃河水沙變化研究需要進一步探討的問題。

1　黃河水沙變化研究的主要科技計劃

20世紀70年代黃河水沙發(fā)生了明顯變化，引起了多方關(guān)注[1]。1986年6月黃河水利委員會(以下簡稱“黃委”)和中國水利學(xué)會泥沙專業(yè)委員會組織專家在鄭州對20世紀70年代以后黃河水沙變化情況進行了討論。1988年水利部設(shè)立了黃河水沙變化研究基金，先后于1988、1995年開展了兩期研究項目[2-3]，第一期重點分析了黃河上中游主要支流泥沙來源、水沙變化特點及其發(fā)生原因和發(fā)展趨勢；第二期重點分析了1970—1996年黃河上中游水土保持措施減水減沙作用。20世紀80年代黃委設(shè)立了黃河流域水土保持科研基金第一期、第二期和第三期課題[4-8]，定量評價了多沙粗沙區(qū)不同區(qū)域粗泥沙產(chǎn)沙量及多因素對泥沙輸移比的作用、水土保持措施的減水減沙作用與變化趨勢。1998年國家自然科學(xué)基金重大項目“黃河流域環(huán)境演變與水沙運行規(guī)律研究”[9-11]，分析了黃河中游主要支流歷史時期環(huán)境變遷與水沙變化事實，評價了水土保持減水減沙效益及煤礦開發(fā)等大型人類活動對水沙變化的影響，預(yù)測了黃河流域環(huán)境演變及水沙變化趨勢。

“八五”國家重點科技攻關(guān)計劃項目“黃河治理與水資源開發(fā)利用”重點分析了20世紀80年代水沙變化成因，預(yù)測了相應(yīng)的水沙變化趨勢[12-13]?！熬盼濉眹铱萍脊リP(guān)計劃項目“黃河中下游水資源開發(fā)利用及河道減淤清淤關(guān)鍵技術(shù)研究”在分析20世紀90年代黃河水沙變化特點的基礎(chǔ)上，研究了黃河水沙變化趨勢，預(yù)測了小浪底水庫運用初期15年可能出現(xiàn)的水沙條件。“十一五”國家科技支撐計劃重點課題“黃河流域水沙變化情勢評價研究”，研究了黃河流域1997—2006年的水沙變化成因[14-15]，預(yù)測了未來30～50年的水沙變化趨勢?！笆濉眹铱萍贾斡媱濏椖俊包S河水沙調(diào)控技術(shù)研究及應(yīng)用”研究了黃河中游河川徑流泥沙減少的驅(qū)動機制，系統(tǒng)評價了梯田、林草措施等的減沙作用及其對水沙變化的貢獻率[16-17]。近年開展的國家“973”課題“沙漠寬谷河道水沙關(guān)系變化及驅(qū)動機理”重點對黃河頭道拐以上尤其是寧蒙河段的水沙關(guān)系變化成因進行了分析，揭示了水沙變化的動力機制[18]。近期由黃委與中國水利水電科學(xué)研究院聯(lián)合開展的“黃河水沙變化研究”對2000—2012年的水沙變化成因及趨勢進行了系統(tǒng)分析評價，綜合分析了氣候、水利工程、生態(tài)建設(shè)工程和經(jīng)濟社會發(fā)展等驅(qū)動因子對2000—2012年水沙變化的貢獻率，預(yù)測了未來30～50年黃河來水來沙量。還有，近期國家重點研發(fā)計劃啟動了“黃河流域水沙變化及趨勢預(yù)測”項目，研究不同區(qū)域水沙變化主要影響因素和階段特征，定量預(yù)測黃河流域未來30～50年水沙量，確定不同影響因素對水沙量減少的貢獻率。

此外，黃委還通過其他專項開展了黃河水沙變化問題研究，如治黃專項“黃河水沙變化及趨勢分析”“黃河水沙變化及其對河道沖淤、洪水演進的影響”“八十年代黃河水沙特性與河道沖淤演變”，黃河上中游管理局“八五”重點課題“黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持措施減洪減沙效益研究”，黃河防汛科技計劃項目“人類活動和氣候變化對黃河中游水資源的影響”，黃河流域第二次水資源規(guī)劃工作中水資源評價部分等。這些項目雖然主要是針對流域某一區(qū)域和水沙條件中的某些問題，但研究較為深入。幾十年來，黃河水沙變化研究取得的大量成果為不同時期治黃實踐和管理決策提供了重要的基礎(chǔ)支撐。

可以說，自1988年水利部設(shè)立黃河水沙變化研究基金以來，已通過各類科技計劃對黃河水沙變化開展了持續(xù)不斷的大量研究工作，由此足見黃河水沙變化研究在黃河治理開發(fā)重大實踐中的重要地位。

2　黃河水沙變化評估方法

2.1黃河水沙變化評估指標體系

黃河水沙變化是一種具有時間、狀態(tài)、過程特征的水文現(xiàn)象。水沙變化內(nèi)涵包括兩方面，一是水沙量變化，二是水沙關(guān)系變化，相應(yīng)的評價指標包括年徑流量、汛期徑流量、年輸沙量、汛期輸沙量、水沙關(guān)系、水流含沙量和來沙系數(shù)等(表1)。

表1　水沙變化表征指標體系

2.2水沙序列變化趨勢評價及躍變點確定方法

評價黃河水沙序列變化趨勢大多采用雙累計曲線法[19]、Mann-Kendall法[20-22]、水沙動態(tài)圖法(如歷時曲線法、不均勻參數(shù)統(tǒng)計等)[22-23]、滑動平均法和Spearman秩相關(guān)分析法[23-24]等。近期，姚文藝等[25]提出了判斷長尺度多周期水沙序列變化趨勢的趨勢度檢驗方法，該方法抗噪性能強，對序列分布無要求，可實現(xiàn)序列趨勢顯著性判斷。水沙變化躍變時間點的確定通常采用雙累計曲線法[23，26-28]、Pettitt檢驗法[21,23]和Mann-Kendall法[29-30]等。然而，這些研究方法都有一定的局限性和不確定性，確定的躍變時間點并不完全相同，有的是20世紀70年代末，有的則為20世紀80年代[21-22,31]，見表2。躍變點之前的時段一般作為天然期，是分析水沙變化成因的基準期，基準期對分析結(jié)果影響很大。

2.3黃河水沙變化成因評估方法

目前，不同研究者在評估黃河水沙變化的成因時，提出或應(yīng)用了不少具有特色的方法，不過綜合來看，不外乎由黃河水沙變化基金項目提出的“水文分析法”和“水土保持分析法”(下文簡稱“水文法”和“水保法”)。這兩種方法提出后，又陸續(xù)不斷地進行了改進和完善[37-38]。

(1)“水文法”。“水文法”就是利用治理前(通常稱為基準期)實測的水文泥沙資料，建立降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型，將治理后的降雨因子代入所建模型，計算出相當于治理前的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，與基準期的相比，即可評估出降雨變化引起的水沙變化量，再與治理后的實測水沙量比較，其差值即為水土流失綜合治理等人類活動減少的水量和沙量。利用“水文法”可以區(qū)分降雨變化和水土流失綜合治理對流域水沙變化及減水減沙的影響程度。在利用“水文法”評估時，不同研究者所建立的產(chǎn)流產(chǎn)沙模型往往不同，但其原理是相同的。

表2　水沙序列躍變點劃分部分成果統(tǒng)計

(2)“水保法”又稱“成因分析法”?！八７ā笔峭ㄟ^對不同地區(qū)徑流試驗小區(qū)觀測的水土保持措施減水減沙資料進行統(tǒng)計，確定單項措施在單位面積上的減水減沙量(減水減沙指標)，按一定方法進行尺度轉(zhuǎn)換后推廣到流域面上，再根據(jù)各單項水土保持措施減水減沙指標和單項措施面積，二者相乘即得到分項水土保持措施減水減沙量，逐項相加，并考慮流域產(chǎn)沙在河道運行中的沖淤變化和人類活動新增水土流失等因素，即可得到流域面上水利水土保持綜合治理的減水減沙量，進而分析各項措施對水沙變化的貢獻率。

在此基礎(chǔ)上，有人進一步提出了“以洪算沙法”“降雨附加損失系數(shù)法”等[3]。值得說明的是，“水文法”的精度主要取決于兩方面，一是所選基準期的資料系列是否可以反映天然情況下的水文規(guī)律，即代表性問題[39]，二是降雨等資料的觀測精度，如果基準期資料系列代表性不強、雨量站稀少，就會影響到評估結(jié)果的精度；“水保法”的估算精度主要取決于水土保持措施的減水減沙或減蝕指標和水土保持措施面積及質(zhì)量的確定。

3　黃河水沙變化特征

(1)20世紀60年代以來黃河實測徑流泥沙量呈持續(xù)減少趨勢，且具有明顯的階段性特征。20世紀60年代以前，黃河水沙情勢主要受自然因素影響，如1919—1959年潼關(guān)水文站實測年均徑流量426.1億m3、輸沙量15.92億t。20世紀60年代以后，人類活動逐步加強，在自然和人為因素雙重作用下，黃河水沙量呈減少態(tài)勢，尤以80年代中期之后減少最為顯著，如1980—2014年、2000—2014年和2007—2014年潼關(guān)年均來沙量分別為5.65億、2.71億和1.88億t。同時，支流水沙變化也具有明顯的階段性[24,32]，如劉曉燕等人研究得出，2000年以來黃河水沙發(fā)生劇變，即使是減幅最小的涇河流域，近十幾年來沙量也減少了63%～72%。

徑流量、輸沙量減少的程度和突變的年份并不完全相同，而是具有空間、時間上的不一致性。根據(jù)水沙變化趨勢度分析[25]，近百年內(nèi)輸沙量減少的趨勢度明顯大于徑流量減少的趨勢度，中游的徑流量、輸沙量減少的趨勢度明顯大于上游的。近30年是黃河水沙系列百年尺度中最枯的時段，其變化的突出特點表現(xiàn)為來水來沙量不斷顯著減少。比如，根據(jù)龍門水文站實測資料，自1957年以來龍門徑流量呈逐年減少趨勢，而輸沙量在20世紀70、80年代才出現(xiàn)減少，到90年代又出現(xiàn)反彈；徑流量序列在1986年發(fā)生突變，而輸沙量序列在1970年后就發(fā)生突變，且之后又發(fā)生了第二次突變[26]。再以頭道拐斷面為例，其年徑流量序列突變于1986年，而輸沙量突變于1982年；水沙關(guān)系變化于1968年后，且在1986年發(fā)生第二次突變，至2000年頭道拐及其以上河段的水沙關(guān)系進一步發(fā)生明顯變化。對于黃河中游多沙粗沙區(qū)，水沙關(guān)系在1997年以后才發(fā)生根本性變化[32]。另外，各時期黃河水沙變化程度是不一樣的，1979年以后輸沙量減少速率為4.49%，是1951—2010年頭道拐—潼關(guān)輸沙量年均減少速率的近2倍[40]。通過小波分析進一步表明，黃河徑流量變化周期與輸沙量的變化周期雖然具有一定關(guān)系，但是也不完全一致[41-42]。目前的大量分析充分表明，黃河水沙變化是降雨、下墊面和人類活動等諸多因子作用強弱的組合效應(yīng)，不同時段、區(qū)域的變化機制、成因會有不同，因此盡管黃河徑流泥沙具有高度的相關(guān)性，但徑流泥沙序列的突變點不具有唯一性和一致性。

(2)水沙變化程度在空間上分布不均且徑流泥沙減幅不具同步性。例如，與1919—1960年相比，1987—2012年徑流量自上而下沿程減幅遞增，蘭州、頭道拐、龍門、潼關(guān)實測年均徑流量分別減少11.4%、34.6%、40.2%和42.3%；而輸沙量沿程減少幅度卻相差不大，與徑流量相應(yīng)斷面的實測年均輸沙量分別減少67.7%、68.5%、67.5%和66.0%；含沙量沿程減少幅度逐漸減小，蘭州、頭道拐、龍門、潼關(guān)實測年均含沙量分別減少了63.5%、51.9%、45.8%和41.0%[43]。泥沙減少主要集中在頭道拐至龍門區(qū)間，在1987—2012年潼關(guān)輸沙量年均減少的10.50億t中，頭道拐至龍門區(qū)間占58.9%；徑流減少主要集中在頭道拐以上區(qū)域，在1987年以來潼關(guān)減少的180.2億m3水量中，頭道拐以上區(qū)域占48.1%。其他一些包括長江流域在內(nèi)的水沙變化研究成果也表明，水沙變化的空間不均勻性甚至在很小的空間尺度都可能是非常明顯的[44-47]。

(3)水沙量年內(nèi)分配比例發(fā)生顯著變化。黃河徑流量年內(nèi)分配比例變化主要表現(xiàn)在兩方面，一是有利于輸沙的大流量持續(xù)時間及相應(yīng)水量減少，二是汛期徑流量占全年徑流量的比例減少，年內(nèi)各月徑流量分配趨于均勻。1919—1959年、1960—1986年潼關(guān)汛期水量占全年水量的比例分別為60.8%、57.2%，1987—1999年、2000—2012年下降到46.0%以下，特別是蘭州、頭道拐和龍門三站2000—2012年汛期水量所占比例更低，只有40%左右。

(4)多數(shù)支流降雨天然徑流關(guān)系發(fā)生變化而實測徑流泥沙關(guān)系變化不明顯[43]。根據(jù)潼關(guān)以上主要支流的降雨-徑流-泥沙關(guān)系分析，多數(shù)支流的降水量-天然徑流量關(guān)系發(fā)生明顯變化，但是諸如湟水、北洛河、渭河北道/張家山以下等支流的降水量-天然徑流量關(guān)系則沒有明顯變化，就是說黃河流域降水量-天然徑流量關(guān)系的變化也不具有同步性。與20世紀70年代以前相比，黃河各主要產(chǎn)沙區(qū)的降雨產(chǎn)沙關(guān)系都發(fā)生了很大變化，相同降雨量下的實測輸沙量減少，甚至兩者已沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。但是，不少支流的汛期實測徑流泥沙相關(guān)關(guān)系沒有明顯變化，只是2000年以來的徑流量與輸沙量均處于一個相對較低的水平上。這表明在遇較大流量洪水時仍會出現(xiàn)較大輸沙量的可能性。

(5)暴雨產(chǎn)洪能力有所降低。將降雨量與降雨強度平方之積定義為降雨侵蝕能力，分析其與暴雨次洪量、次洪沙量的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，與20世紀70年代以前相比，近年來相同降雨侵蝕能力條件下的產(chǎn)流能力、產(chǎn)沙能力均有所降低[14]。Wang等[41]根據(jù)1951—2010年實測資料進一步統(tǒng)計表明，在過去的60年里，黃土高原地區(qū)的輸沙量每年減小的相對速率為2.38%，而其中的58%都是由暴雨產(chǎn)流能力降低引起的。當然，在某些降雨條件下仍會有大流量高含沙洪水產(chǎn)生，這是應(yīng)當引起注意的[14]。

4　黃河水沙變化成因及影響因素貢獻率

黃河水沙變化成因非常復(fù)雜，不同時期的主導(dǎo)因子是不同的。近2 300年以來，黃河年均入海泥沙量是黃土高原大規(guī)模農(nóng)業(yè)開展前的全新世早期和中期的10倍左右，這似乎表明了人類活動對黃河泥沙的巨大影響[48]。然而，洪業(yè)湯等[49-50]認為黃河攜帶大量泥沙是一種自然環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，與太陽黑子活動周期密切相關(guān)，各種人類活動都未從根本上改變侵蝕產(chǎn)沙受太陽活動制約的規(guī)律。實際上，有人類活動以來，黃河流域水沙系列的豐枯變化是氣候等自然因素和人類活動因素共同作用的結(jié)果[25]。在20世紀60年代以前，人類活動較弱，水沙系列豐枯主要受制于氣候因素，以降雨為主導(dǎo)因子，而之后則受人類活動、氣候因素的共同影響，不過每一時段的主導(dǎo)因子是不同的。最近370年黃河流域存在7個干旱期，其中之一就是20世紀10年代后期至30年代初期，1922—1932年屬于異常干旱期，是黃河時段最長、最枯的枯水段之一[51-54]。20世紀30—40年代黃河流域進入濕潤期，降雨量豐沛，1933年陜縣水文站出現(xiàn)特大水沙年，最大洪峰流量22 000 m3/s，實測年輸沙量39.1億t。20世紀50—60年代也是降水豐沛期，1933—1959年成為近百年以來的黃河豐水期。自20世紀60年代黃河上游劉家峽、龍羊峽等大型水庫先后建成運用和多項水利水保措施實施，加之70年代黃河流域又進入了顯著干旱期，這一時期水沙變化受到人類活動和降雨減少的雙重作用。2000年以來，盡管黃河流域降雨量較前期明顯偏豐，但由于退耕還林還草等封禁治理成效顯現(xiàn)，因此徑流泥沙較前一時段仍進一步減少，人類活動對減沙起到主導(dǎo)作用。近期的分析表明，1960—1970年、1970—1980年、1980—1990年影響黃河徑流量減少的主要原因有所不同，1960—1990年梯田和淤地壩等人工治理措施及年降雨量變化是徑流減少的主導(dǎo)因素，1990—2000年植被恢復(fù)對徑流減少起到更為重要的作用[41]。

在成因分析中，學(xué)者們對影響因素的貢獻率開展了大量研究。綜合來看，雖然對不同時期水沙變化影響因素的貢獻率評估結(jié)果有別，但有三點認識是基本一致的(表3)：一是即使在同一時期，黃河上游、中游水沙變化的主導(dǎo)因素也是有差別的。例如，根據(jù)劉昌明等[57]分析，2000年以前的50年間，黃河上游徑流量減少的主要影響因素是氣候變化，其貢獻率占75%，人類活動占25%，黃河中游氣候因素的貢獻率為43%、人類活動的貢獻率占到57%，人類活動作用明顯大于氣候因素。二是在2000年以前降雨等自然因素對水沙變化的貢獻率大于人類活動的貢獻率[2-3]，2000年以后則相反[14]。尤其是近年來，降雨對黃河中游水沙變化的作用明顯降低，而人類活動作用增強。三是在同一時期，一般來說降雨對徑流量的影響作用比對輸沙量的大，人類活動尤其是水土保持措施對輸沙量的作用比對徑流量的大[3-4,14]。大部分研究表明，近期黃河水沙變化的主要驅(qū)動力是人類活動，尤其是水庫的修建[18,23,58-61]。但氣候變化(主要是降雨)仍然起著重要作用。就氣候變化對流域產(chǎn)沙的影響而言，雨強可能比降雨總量更為重要[62]。

表3　人類活動與降雨因素對水沙變化貢獻率部分分析成果

注：＊研究區(qū)域為龍門、北洛河氵狀 頭、汾河河津、渭河咸陽、涇河張家山以上流域。

人類活動、降雨等自然因素對水沙變化的影響機理是不同的。有人認為，人類活動對水沙變化的影響主要體現(xiàn)在較短的時間尺度上，而氣候變化作用則主要體現(xiàn)在較長的時間尺度上[63]。但實際上，諸如水土保持措施尤其是生態(tài)修復(fù)等對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響可能是長期的，不過當遇高強度、長歷時暴雨時其作用也會降低[17，64]。

氣候、植被對水沙變化的影響具有互饋機制。氣候影響流域水沙過程的機制可分為直接和間接兩種，直接影響機制包括降雨變化對產(chǎn)流產(chǎn)沙的激發(fā)作用，間接影響機制包括對植被生物量的影響[65]及通過對風(fēng)化過程[66]和凍融過程的影響使土壤可蝕性變化[67]。間接影響機制的作用使得氣候變化對侵蝕產(chǎn)沙過程影響復(fù)雜化，如：降雨增多導(dǎo)致侵蝕加劇，河流泥沙相應(yīng)增多，但隨著降雨增加植被覆蓋也會增加，侵蝕產(chǎn)沙又會變?。唤涤隃p小盡管會導(dǎo)致侵蝕減弱，但由于植被保護作用下降，土壤可蝕性反而增加，使得流域侵蝕產(chǎn)沙對氣候變化的響應(yīng)表現(xiàn)出隨時間尺度變化而變化的特點[68-69]。從空間尺度講，降雨量的變化決定了流域侵蝕產(chǎn)沙的地帶性[69]，相應(yīng)地，流域產(chǎn)沙對土地利用和植被變化的響應(yīng)在干旱區(qū)、半干旱區(qū)、濕潤區(qū)也有所不同[71]。影響黃河水沙變化的因素是很復(fù)雜的。根據(jù)水沙變化評估理論與方法的發(fā)展現(xiàn)狀，要精確評估各項自然因素、人類活動因素的貢獻率是很困難的，不同研究者即使分析的是相同的時段、相同的區(qū)域，所得到的結(jié)果仍很可能不一致。此外，許多研究者定量評估人類活動和降雨對水沙變化的貢獻率時，以“水文法”為主[59-60,72]，所建立的降雨產(chǎn)沙關(guān)系通常都伴有一定程度的離散，這必然影響計算精度。

5　黃河水沙變化趨勢預(yù)測

全球氣候變化背景下的降水波動、極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)、經(jīng)濟社會快速發(fā)展，以及干支流壩庫修建等人類活動加劇，都會對黃河水沙變化產(chǎn)生深刻影響。因此，預(yù)測未來水沙變化情勢對治黃方略制定就顯得尤為重要。為此，不少研究人員都試圖對未來黃河水沙變化趨勢做出定量預(yù)測，但其結(jié)果卻差異較大。

張勝利等[12]在“八五”期間預(yù)測了2000—2020年黃河流域在豐水、平水、枯水水平年條件下的天然徑流量、泥沙量，其中到2020年3個水平年的輸沙量分別為20.52億、10.31億、5.44億t；唐克麗等[10]在20世紀90年代初預(yù)測，到2000年每年減少入黃泥沙4億t是有把握的，到2030年每年減少5億t左右的可能性是存在的；葉青超等[11]按照在黃河全流域出現(xiàn)歷史上最大可能降水量、最小可能降水量，河口鎮(zhèn)—龍門出現(xiàn)歷史上最大可能降水量、最小可能降水量，全流域均為多年平均降水量等5個降雨水平，預(yù)測了未來黃河水沙量；第一期黃河水沙變化研究基金項目采用1976—1985年系列，灌溉引水和水庫蓄水攔沙情況與20世紀80年代的相同，預(yù)測到2000年河口鎮(zhèn)平均來水量232.07億m3，來沙量0.87億～0.92億t[2]；“九五”期間常炳炎等人根據(jù)隨機模型預(yù)測2011—2020年花園口平均天然徑流量為541億+62億m3；姚文藝等在“十一五”期間采用水文-水土保持-徑流序列重建多方法集成，基于未來氣候SRES情景，預(yù)測2030和2050年的年來水量、年輸沙量可能分別為236億～244億m3、8.61億～9.56億t和234億～241億m3、7.94億～8.66億t[73]；張勝利等[56]預(yù)測，如果黃土高原淤地壩、林草等水土保持措施規(guī)劃指標得以全部實現(xiàn)，那么到2040年淤地壩、林草植被最大減水量為38.9億m3，再加上其他水土保持措施用水，合計水土保持措施最大減水量為40億～45億m3。劉曉燕等在“十二五”期間預(yù)測，在黃河古賢水庫和涇河?xùn)|莊水庫攔沙期結(jié)束的2060年以后，潼關(guān)年均來沙量將恢復(fù)并維持在4.5億～5億t、年最大來沙量11億～14億t；近來也有評估預(yù)測，未來30～50年潼關(guān)年均徑流量210億～220億m3，年均輸沙量3億～5億t。由于黃河流域產(chǎn)水產(chǎn)沙環(huán)境極為復(fù)雜，水沙變化未來趨勢預(yù)測存在很多不確定性，如降水等氣候變化的不確定性、未來水土保持等治理工程規(guī)劃實施的不確定性，等等，因此對預(yù)測結(jié)果的合理性必須進行綜合分析判斷。

6　展　望

6.1研究中的主要問題

自20世紀80年代以來對黃河流域水沙變化進行了大量研究，總體來說：基本搞清了20世紀50年代以后黃河水沙變化的歷史過程；分析了干流、區(qū)間和各主要支流水沙變化特點及其成因，特別是對1950—2012年不同時段的黃河水沙變化原因有了基本的認識和判斷；宏觀預(yù)測了未來黃河水沙變化趨勢。在定性上存在共識、在定量上存在差異是黃河水沙變化研究的現(xiàn)狀。一些研究成果之間的數(shù)據(jù)差異比較大，即使對同一區(qū)域，不同研究項目利用同樣方法計算同一時段的減沙量也可能相差2.2～4.2倍[14]。在產(chǎn)匯流產(chǎn)輸沙機制研究方面，以往成果大多分析的是平均降雨特征條件下的水沙產(chǎn)輸關(guān)系，而缺少對水沙產(chǎn)輸與場次暴雨尤其是大暴雨-下墊面耦合作用的內(nèi)在關(guān)系的研究，不能全面回答大水大沙年、枯水枯沙年等典型水沙事件的成因，難以深刻揭示水沙變化機制；在水沙變化成因分析方面，目前多采用多項因素作用效應(yīng)線性疊加的評估方法，而缺乏對水沙變化動力機制、林草植被對產(chǎn)流產(chǎn)沙的調(diào)控機制及其最大作用效應(yīng)的降雨臨界等開展深入研究，所建立的多因素貢獻率評估方法、模型往往不能反映林草、淤地壩、梯田等措施與降雨相耦合的作用機制，致使評估精度低且差異大；對未來水沙變化趨勢的預(yù)測方面，目前大多采用各類規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用基于線性疊加原理的“水土保持評估方法”或產(chǎn)流產(chǎn)沙模型推算未來的水沙量，而缺乏反映降雨-下墊面-人類活動耦合作用的具有物理機制的集成預(yù)測方法與模型，尤其是對大、中流域尺度上的未來降雨變化的預(yù)測沒有突破性進展，同時還缺少對不確定性的合理定量評估，難以科學(xué)判斷未來黃河水沙演化的趨勢性走向。總之，黃河水沙變化情勢的許多內(nèi)在規(guī)律還未被揭示，呈現(xiàn)的許多新問題還有待進一步破解，迫切需要在機制、方法與模擬方面進一步研究，準確把握水沙情勢變化對治黃戰(zhàn)略提出的新課題，為科學(xué)制定治黃重大技術(shù)措施和管理對策等提供基礎(chǔ)支撐。

6.2需要進一步研究的問題

從水文學(xué)意義上說，氣候-降水-下墊面-蒸散發(fā)-產(chǎn)流產(chǎn)沙構(gòu)成了流域的水文系統(tǒng)。降水是氣候的復(fù)雜響應(yīng)函數(shù)，氣候的小幅波動可引起降水的顯著變化，而作為降水的承受體，流域下墊面又是由地質(zhì)地貌、被覆、人類構(gòu)建物等多因素形成的水文邊界復(fù)雜系統(tǒng)，因此流域產(chǎn)水產(chǎn)沙具有非線性、不確定性的特征，是一個具有關(guān)系、狀態(tài)、特性的能量轉(zhuǎn)化過程和物質(zhì)輸移過程。因而，需要應(yīng)用復(fù)雜性科學(xué)的理論和方法，確定黃河流域水文系統(tǒng)各要素之間相互作用和影響的定性定量關(guān)系，認識黃河水沙變化內(nèi)在規(guī)律，建立預(yù)測新方法，準確判斷水沙變化趨勢。

黃河水沙變化問題復(fù)雜，對其規(guī)律的把握和發(fā)展趨勢預(yù)測絕不會一蹴而就，而是一項需要長期研究的重大課題，建議今后對以下問題開展深入研究：

(1)水土保持措施減蝕動力機理及其臨界效應(yīng)。辨識林草植被對坡面產(chǎn)匯流過程調(diào)控及對降雨侵蝕能力消解的作用機理；揭示暴雨植被耦合減蝕作用臨界、淤地壩攔沙能力時效臨界，以及淤地壩對洪水過程的調(diào)控效應(yīng)與機制；定量分析淤地壩攔沙作用與減少溝道侵蝕、坡面侵蝕作用的關(guān)系，為準確評估林草植被和淤地壩等措施對水沙量減少的貢獻率提供理論基礎(chǔ)。

(2)產(chǎn)流機制對植被作用的響應(yīng)關(guān)系。黃土高原大部分區(qū)域為干旱半干旱氣候，產(chǎn)流過程多遵循超滲產(chǎn)流機制，但隨著植被覆蓋度不斷提高，產(chǎn)流機制是否會發(fā)生脅變，這已成為評價產(chǎn)流變化的基礎(chǔ)問題之一。為此需要重點揭示植被作用下的水文響應(yīng)過程，包括地表地下產(chǎn)流過程變化規(guī)律，植被對地表地下產(chǎn)流過程的調(diào)控作用及再分配機理，產(chǎn)流機制脅變的植被臨界及其模型模擬技術(shù)等。

(3)暴雨洪水變化規(guī)律。黃河徑流泥沙多因暴雨洪水而產(chǎn)生，因此分析暴雨洪水變化規(guī)律對于認識水沙變化成因是非常重要的。需要通過產(chǎn)匯流機制、降雨徑流關(guān)系、次洪水泥沙關(guān)系及水循環(huán)過程分析等，揭示黃河流域暴雨洪水時空變化特征、變化原因，以及暴雨洪水關(guān)系變化機制等。

(4)人類活動對流域水文系統(tǒng)干擾作用的評價方法。利用科學(xué)方法，基于系統(tǒng)觀點和調(diào)控理論，從流域復(fù)雜非線性水文過程角度出發(fā)，根據(jù)氣候-降水-下墊面-蒸散發(fā)-產(chǎn)流產(chǎn)沙等復(fù)雜的多層次多系統(tǒng)響應(yīng)關(guān)系，以認識黃河流域水沙變化情勢為出發(fā)點，研究人類活動強烈干擾下復(fù)雜流域系統(tǒng)水沙情勢預(yù)測理論與方法，對現(xiàn)有的“水文法”“水保法”等進行完善、改進，在預(yù)測方法的理論、關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

(5)支流產(chǎn)輸沙與干流水沙變化及河道演變的響應(yīng)關(guān)系。研究下墊面變化對產(chǎn)輸沙特性影響，辨識流域系統(tǒng)侵蝕、沉積特性變化規(guī)律及其地貌環(huán)境對水沙變化的作用，分析大規(guī)模人類活動對支流河道徑流輸沙特性的影響，揭示流域產(chǎn)輸沙-河道水沙變化-河道演變的耦合作用及響應(yīng)關(guān)系，認識河道水沙變化的作用效應(yīng)。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)09-0055-09

姚文藝(1957—)，男，河南周口市人，教授級高級工程師，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持、河流泥沙方面的研究。

2016-08-08