劉曉燕，王瑞玲，張?jiān)h，黃錦輝，申冠卿，葛 雷

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

黃河是中國第二大河，全長5464 km，流域面積79.5 萬km2（含內(nèi)流區(qū)），流經(jīng)青、川、甘、寧、蒙、晉、陜、豫和魯?shù)? 省區(qū)，在山東省墾利縣注入渤海。黃河最突出的特點(diǎn)是水少沙多：1919—1975年，黃河年均天然徑流量580億m3/a，是長江的1/17；還原壩庫的攔沙量后，同期輸沙量16.4億t/a，居世界江河之首。

1950年代以后，流域地表水耗用量不斷增加（圖1），導(dǎo)致黃河下游1970—1986年中有10 個年份斷流。為緩解用水矛盾，1987年國務(wù)院頒布了“黃河可供水量分配方案”［1］，該方案以“黃河天然徑流量為580 億m3”為基數(shù)，確定可供相關(guān)省區(qū)耗用的水量為370 億m3，預(yù)留210 億m3作為輸沙用水——以保障黃河下游淤積量不超過4 億t/a。1999年黃河實(shí)施水量統(tǒng)一調(diào)度后，為適應(yīng)河川徑流豐枯變化的特點(diǎn)，國務(wù)院又于2006年頒布了“黃河水量調(diào)度條例”［2］，該條例規(guī)定，每年應(yīng)按“同比例豐增枯減”的原則確定各?。▍^(qū)）的實(shí)際分配水量。

2000年以來，黃河來沙量和社會經(jīng)濟(jì)形勢都發(fā)生了重大變化（圖1），一方面潼關(guān)來沙量只有2.45億t/a，另一方面全河地表水消耗量持續(xù)增加、生態(tài)用水需求也越來越高。在此背景下，預(yù)留“210億m3/a輸沙水量”的必要性不斷受到質(zhì)疑，要求調(diào)整1987年頒布的黃河分水方案、增加省區(qū)分水量。由此可見，如何兼顧河流健康和流域高質(zhì)量發(fā)展、科學(xué)合理預(yù)留入海水量，已成為黃河水資源配置、調(diào)度和管理必須解決的重大科技問題。

圖1 1919—2018年黃河水沙變化

回顧1987年頒布的分水方案，在預(yù)留入海水量時，主要考慮了輸沙用水的需求，以控制黃河下游泥沙淤積不超過4 億t/a。本文認(rèn)為，在更加重視流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的新形勢下，預(yù)留入海水量時不僅要考慮滿足河槽健康要求的輸沙用水，還要考慮河口水生態(tài)系統(tǒng)健康需水、河道內(nèi)天然濕地生態(tài)需水以及人類仍難以調(diào)蓄利用的洪水。

2 水生生態(tài)需水

水生生態(tài)需水是所有河流水資源利用都必須考慮的約束條件，黃河也不例外。從確定人類用水的閾值角度，尤以黃河口三角洲最值得關(guān)注。

黃河口三角洲生態(tài)系統(tǒng)的空間范圍一般指黃河漁洼以下的扇形地區(qū)，該區(qū)水的來源包括本地降水、黃河水、海水，其中依賴黃河水繁衍生息者主要是近海水生生物、入海流路兩側(cè)的淡水濕地和黃河河道內(nèi)的淡水魚類，故為黃河生態(tài)需水研究的主要服務(wù)對象。

2.1 渤海灣魚蝦繁殖對黃河入海水量的要求獨(dú)特的黃河水沙條件與渤海弱潮特征，形成了黃河入海口獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。黃河攜帶的豐富淡水和營養(yǎng)物質(zhì)，使黃河口近海水域成為渤海多種魚、蝦、蟹、貝的最重要產(chǎn)卵場、索餌場和育幼場。近海水域水生生物對黃河水的需求主要在繁殖期。在渤海灣水生生物的繁殖期，溫度和鹽度是影響魚、蝦、蟹、貝產(chǎn)卵和育幼的關(guān)鍵因素，其中鹽度取決于該時期的黃河入海流量和水量。不過，有關(guān)近海水域?qū)S河水量的需求問題，迄今研究很少。

趙延茂等［3］調(diào)查了在黃河口海域繁殖的39 種魚類，結(jié)果表明，35 種魚類產(chǎn)卵期在5—8月，其中6月是產(chǎn)卵高峰期。谷源澤等［4］調(diào)查了18 種水生生物的繁殖期，結(jié)果表明，80%以上的水生生物繁殖期集中在4—7月，尤其是5—6月。利用文獻(xiàn)［4］提供的2007—2018年魚蝦繁殖高峰期（5月）觀測的魚卵密度數(shù)據(jù)，分析其與相應(yīng)3月、4月、5月份徑流量的關(guān)系，結(jié)果表明，5月份魚卵密度與本月及上月的徑流量均密切相關(guān)，但與3月份徑流量關(guān)系不大，見圖2。由此可見，如果5—6月是該區(qū)魚蝦產(chǎn)卵的高峰期，則4—6月黃河入海水量應(yīng)該是影響魚蝦產(chǎn)卵量的關(guān)鍵指標(biāo)。

進(jìn)一步分析圖2 可見，4—5月入海水量對5月份魚卵密度的促進(jìn)作用并非線性關(guān)系：當(dāng)月徑流量大于10 ～14 億m3后，繼續(xù)增加入海水量，魚卵密度變化不大。由此推測，在近?，F(xiàn)狀水質(zhì)條件下，4 ～6月黃河利津徑流量達(dá)30 ～42 億m3，即可基本滿足近海魚蝦產(chǎn)卵的要求，該結(jié)論與從滿足魚蝦繁殖期的水體鹽度要求分析得到的認(rèn)識大體吻合［5］。

國家海洋部門對黃河口生態(tài)系統(tǒng)健康評估結(jié)果也印證了以上認(rèn)識［6］。除2016年外，2006年以來黃河4—6月徑流量變化在25 ～86 億m3之間，而同期的近海生態(tài)系統(tǒng)健康程度基本穩(wěn)定在“亞健康”水平（注：與近年長江口和珠江口的近海生態(tài)健康等級相同），即徑流量大于80 億m3的3 個年份的近海生態(tài)健康水平并未顯著提高（圖3）。從圖3 判斷，4—6月徑流量37 億m3/a 左右，即可使近海水域生態(tài)健康等級維持在亞健康水平。

圖2 魚卵數(shù)量與黃河入海徑流量的關(guān)系

圖3 近海健康等級與4—6月入海水量的關(guān)系

連年維持較大入海水量顯然將更有利于生境改善，如2018—2019年4—6月入海水量均超過80億m3、相應(yīng)地近海魚卵密度明顯增加，但該徑流形勢為1972年以來罕見（圖4）?？紤]到黃河流域愈發(fā)嚴(yán)峻的水資源短缺矛盾，并結(jié)合以上從魚蝦繁殖和近海生態(tài)健康需求方面的分析成果，建議現(xiàn)階段將“利津斷面4—6月徑流量25 億m3和40 億m3”分別作為近海水生生物繁殖期對黃河入海要求的低限水量和適宜水量。由圖4 可見，該低限水量“25 億m3”接近利津斷面1973—1991年均值（26 億m3/a），而該時期全河的社會經(jīng)濟(jì)耗水量較目前偏小約13%?？紤]到人類用水量已不可能退回1970年代以前的情景，因此“利津4—6月25～40 億m3”也是比較現(xiàn)實(shí)可行的水量標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 地表水耗水量與4—6月入海水量變化

2.2 黃河口淡水濕地對黃河水量的需求在黃河口三角洲，值得關(guān)注的不僅有深受黃河入海水沙影響的近海水域，更有主要依靠黃河洪水漫灘和側(cè)滲補(bǔ)給的陸域淡水濕地。該濕地位于黃河入海流路兩側(cè)，是東北亞內(nèi)陸和環(huán)西太平洋鳥類中轉(zhuǎn)、繁殖和越冬的核心棲息生境。為保護(hù)河口新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥類，1992年中國政府設(shè)立了黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)，2013年國際濕地公約組織將黃河三角洲濕地列入國際重要濕地名錄。

在黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)中，淡水濕地對維持河口生態(tài)系統(tǒng)平衡和生物多樣性保護(hù)至關(guān)重要，也是該地區(qū)與黃河水力關(guān)系最密切的生態(tài)單元。淡水濕地的代表植物包括蘆葦、荻、香蒲等，代表鳥類包括丹頂鶴、東方白鸛、黑鸛、灰鶴、大天鵝和小天鵝等國家保護(hù)動物。每年4—6月，是蘆葦?shù)戎参锇l(fā)芽的季節(jié)，也是大多數(shù)鳥類繁殖的季節(jié)；11月—翌年3月是鳥類越冬季節(jié)。

針對三角洲淡水濕地的生態(tài)需水，連煜和崔保山都曾開展過研究，結(jié)論相近。連煜等認(rèn)為［7］，自然保護(hù)區(qū)需要黃河補(bǔ)水的對象是退化的蘆葦沼澤濕地、面積恢復(fù)目標(biāo)為23 600 hm2；基于蘆葦、丹頂鶴、東方白鸛和黑嘴鷗等濕地代表物種生境條件的調(diào)查，模擬了不同補(bǔ)水量在連續(xù)補(bǔ)水5年后的生境和植被類型變化，認(rèn)為該濕地需要黃河每年在3—10月補(bǔ)水2.8 ～4.2 億m3?；邙B類棲息地的用水特點(diǎn)，崔保山等認(rèn)為［5］，淡水濕地的最小需水量為3.76 億m3、適宜水量4.88 億m3，其中4—6月0.63 ～0.77 億m3。

2008年以來，結(jié)合以沖刷河槽為主要目的的調(diào)水調(diào)沙，黃河水利委員會實(shí)施了向三角洲自然保護(hù)區(qū)淡水濕地補(bǔ)水的行動［8］。2008年和2009年，黃河補(bǔ)水量分別為1350 萬m3和1500 萬m3，補(bǔ)水時間為6月下旬—7月上旬，補(bǔ)水對象為現(xiàn)行清水溝流路兩側(cè)的淡水濕地。2010年以后，同時向現(xiàn)行流路和刁口河故道兩片淡水濕地補(bǔ)水，補(bǔ)水時段延伸至5—10月，年補(bǔ)水量一般為3000 ～6000 萬m3、最大約1 ～1.4 億m3。與此同時，自然保護(hù)區(qū)管理部門也采取了淡水高效利用的措施，以控制淡水濕地面積在黃河枯水年（如2016—2017年）不發(fā)生大幅下降。

隨著黃河水的連年補(bǔ)給，河口淡水濕地的面積不斷恢復(fù)，2018年的濕地面積已由補(bǔ)水初期的11 475 ha 恢復(fù)至15 173 ha，基本達(dá)到了自然保護(hù)區(qū)設(shè)立時的平均水平（圖5）。隨著濕地面積擴(kuò)大和生物棲息環(huán)境明顯改善，自然保護(hù)區(qū)鳥類已由187 種增至368 種［9］，遠(yuǎn)超過自然保護(hù)區(qū)設(shè)立時的283 種。

圖5 黃河三角洲淡水濕地面積變化

2008年以來的生態(tài)補(bǔ)水實(shí)踐表明，一定歷時的漫灘洪水才是河口淡水濕地恢復(fù)和維持的關(guān)鍵，該認(rèn)識顯然與前人有較大差別。淡水濕地分布在黃河入海流路兩側(cè)的灘地上，黃河的平灘流量越小，濕地補(bǔ)水越方便。由于近十幾年黃河河槽沖刷下切、道路和堤防阻隔，在目前的河槽和濕地進(jìn)水條件下，即使給濕地補(bǔ)水0.6 ～0.7 億m3，也需要流量大于2800 ～3000 m3/s 的黃河洪水持續(xù)12 ～15 d、相應(yīng)水量為30 ～39 億m3。這樣的洪水過程，不僅可自流補(bǔ)水，還可通過地下水側(cè)滲向淡水濕地補(bǔ)水：觀測表明，生態(tài)補(bǔ)水后，黃河流路兩側(cè)的地下水水位普遍升高1 m 以上［10］。生態(tài)補(bǔ)水的實(shí)踐還說明，從有利于淡水濕地補(bǔ)水角度，一方面河口尾閭段的河槽不宜下切太深、以有利于濕地與黃河的生態(tài)聯(lián)通，同時保護(hù)區(qū)管理部門也應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)娜斯ぱa(bǔ)水措施。

觀察表明［7］，在蘆葦發(fā)芽和鳥類繁殖的4—6月，水深30 cm 左右即可滿足要求，水深超過50 cm反而會抑制蘆葦生長；而在蘆葦生長的7—10月，20 ～80 cm 的水深更為適宜。因此，4—10月都是淡水濕地的適宜補(bǔ)水時間，其中4—6月“凈”補(bǔ)水量不宜超過0.6 ～0.7 億m3，而7—10月的補(bǔ)水量可更大些。如果把濕地恢復(fù)目標(biāo)由現(xiàn)狀提高至1986年的水平（166 km2），按一次補(bǔ)水水深50 cm 估算，汛期適宜的補(bǔ)水量為0.83 億m3，相應(yīng)的黃河洪水水量約40 ～50 億m3（按流量≥3500 m3/s 計算）。

2.3 黃河魚類對徑流條件的要求受水沙條件等因素影響，黃河水生生物種類和數(shù)量相對貧乏，魚類種類相對較少，故目前對黃河生態(tài)廊道的生態(tài)需水研究很少。黃河鯉是黃河生態(tài)廊道中的代表性魚種，因產(chǎn)于黃河而得名，是最著名的黃河土著魚種。因此，本文重點(diǎn)以黃河鯉為指示性物種，分析其對河口段徑流條件的要求。

野外調(diào)查表明，河口段黃河鯉的產(chǎn)卵時間為4—6月份，水溫是黃河鯉產(chǎn)卵開始或者終結(jié)的決定因子，適宜的產(chǎn)卵水溫為19-24℃；鯉魚屬分批產(chǎn)卵魚類，繁殖期一般持續(xù)2 個月左右，產(chǎn)黏性卵；魚卵孵化約需3—7 d，卵化后的幼魚有頂水逆游的習(xí)性。在每年的11月至翌年3月，黃河鯉進(jìn)入越冬期。

為深入了解黃河鯉在不同生長階段對水流條件的需求，本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境觀測了親魚和魚苗對流速的耐受性，其中魚苗是從黃河河道采集的已孵化7—10 d、體長為1.5 cm 的魚苗；試驗(yàn)環(huán)境為玻璃管道，通過改變管道坡度來調(diào)節(jié)流速。野外觀測和適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)表明，黃河鯉在繁殖期的適宜流速為0 ～0.5 m/s、水深50 ～125 cm；小脈沖洪水不是黃河鯉親魚產(chǎn)卵的必要條件，但一定的流速刺激可促進(jìn)產(chǎn)卵。

基于以上觀測結(jié)果，結(jié)合黃河利津段在不同流量下的流速、水深、水面寬、濕周和河床地形等信息，建立了繁殖期適宜棲息地面積與流量的關(guān)系（圖6），結(jié)果表明，利津河段在黃河鯉繁殖期的適宜流量應(yīng)為250 m3/s。若從滿足黃河鯉產(chǎn)卵的低限水深角度，則要求流量大于100 m3/s（圖7）。

圖6 黃河鯉繁殖期適宜棲息地面積與流量的關(guān)系

圖7 利津斷面流量-流速/水深/水面寬的關(guān)系

處于生長期的黃河鯉對生活環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)、水面寬≥100 m 即可，常棲息在流速緩慢的松軟河底和水草叢生的淺水區(qū)。黃河鯉喜在深水區(qū)中越冬，水深應(yīng)≥1.5 ～2 m?；诖?，利用黃河利津斷面的流量-流速/水深/水面寬的關(guān)系（圖7），確定7—10月平水期的利津日均流量宜達(dá)100～300m3/s，且時常有可淹沒嫩灘植被的洪水；冬季日均流量應(yīng)達(dá)50 ～100 m3/s 以上。

除黃河鯉外，在每年的5—6月，河口段還有梭魚、鱸魚和銀魚等洄游產(chǎn)卵的海水魚，它們對水流的要求大致為水深1 ～2 m。由圖7 可見，流量100 ～250 m3/s 時，相應(yīng)水深可達(dá)1 ～2 m。也就是說，“流量100 ～250 m3/s”可基本兼顧黃河淡水魚類和洄游魚類在繁殖期的要求。

2.4 干流河道內(nèi)天然濕地生態(tài)需水黃河巴彥高勒-頭道拐河段、小北干流河段和白鶴-高村河段均為游蕩性河段。隨著河床沖淤和擺動、水流側(cè)滲和洪水漫灘等，締造出多處河漫灘濕地，為鳥類和魚類覓食和產(chǎn)卵提供了良好的棲息條件。

歷史上，這些河段總體上處于淤積或沖淤平衡狀態(tài)，因此河漫灘濕地除了自身降雨外，其淡水補(bǔ)給主要來自洪水漫灘和河道側(cè)滲；對于下游懸河段的河漫灘濕地，補(bǔ)水條件更為優(yōu)越。1990年代以來，灘地開墾、洪水漫灘幾率降低和下游斷流等因素，導(dǎo)致濕地萎縮。

根據(jù)黃河下游4 處自然保護(hù)區(qū)在1990年代初的沼澤濕地面積，粗略推算了當(dāng)時的黃河補(bǔ)給水量，約5 ～10 億m3/a。未來，根據(jù)新時期“提高灘區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)”和“河床不抬高”的目標(biāo)，黃河下游漫灘洪水幾率仍然不會增加、河槽也不會重返其淤積狀態(tài)，因此以上4 處濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康恐將主要依賴人工補(bǔ)水，作為提升河流社會功能的生態(tài)補(bǔ)償。

3 黃河下游輸沙需水

黃河下游是典型的復(fù)式河床，由河槽和灘地組成，其中河槽是洪水宣泄的主要通道。為確保下游防洪安全，經(jīng)科學(xué)比選［11］與廣泛討論，2013年國務(wù)院頒布的《黃河流域綜合規(guī)劃》確定［12］，黃河下游河槽過流能力不得低于4000 m3/s。

1987年分水方案預(yù)留的210 億m3并不能保證下游不淤積，而是允許淤積不超過4 億t/a。1980年代以前的實(shí)踐證明，即使達(dá)這樣的淤積水平，下游平灘流量仍能維持在4000 m3/s 以上，原因在于該時期洪水量級大、漫灘洪水多，河床淤積往往表現(xiàn)為灘槽平行抬高。

然而，近30 多年來，由于汛期水量和漫灘洪水大幅減少，導(dǎo)致80% ～90%的淤積物堆積在河槽內(nèi)。因此，在目前黃河下游平灘流量已全線超過4300 m3/s 的情況下，要保證黃河下游河槽過流能力不低于4000 m3/s，必須基本維持河槽沖淤平衡。也就是說，新形勢下黃河下游輸沙水量的內(nèi)涵是“可基本維持下游河槽沖淤平衡的水量”。

關(guān)于黃河下游輸沙需水，迄今已有大量研究成果，嚴(yán)軍分析了輸送單位重量泥沙所需要的水量或輸送到下游或入海所用清水體積［13］，石偉分析了輸沙效率與河道淤積狀況綜合最優(yōu)時的輸沙水量［14］，申冠卿將一定來沙條件下維持河道淤積在某一水平所需的水量視為輸沙水量［15］，吳保生等利用能量耗散理論研究了黃河下游塑造一定主槽所需的塑槽輸沙水量［16］，張?jiān)h等提出了黃河下游維持主槽沖淤平衡條件下、不同來沙量相應(yīng)的輸沙需水量［17］。不過，現(xiàn)有研究成果均為黃河下游年平均或汛期平均的輸沙需水量，對洪水過程關(guān)注較少。

事實(shí)上，2000年以來，以及未來相當(dāng)長時期，黃河下游汛期徑流過程將呈兩級分化的模式：或?yàn)闈M足經(jīng)濟(jì)用水和生態(tài)基流的小流量，或?yàn)楹樗詫?shí)現(xiàn)黃河徑流利用效益的最大化。小流量顯然對下游輸沙或塑槽作用很小，量級洪水及其含沙量才是影響下游河槽沖淤的關(guān)鍵因素。因此，輸沙需水研究應(yīng)更聚焦汛期的洪水，而非整個汛期的徑流。

利用1960—1999年黃河下游河床實(shí)測沖淤數(shù)據(jù)，我們分析了黃河下游不同量級洪水的沖淤規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)主槽沖淤平衡的水沙條件閾值［15］、可高效輸沙的洪水流量及其歷時［18-19］以及洪水漫灘程度與河槽沖淤的響應(yīng)關(guān)系［20］?；诖耍跃S持黃河下游河槽沖淤平衡為前提，并考慮黃河水沙調(diào)控的現(xiàn)狀能力，提出了下游不同來沙情況下需保障的汛期洪水水量（圖8，相應(yīng)的洪水流量為3500 m3/s）。

圖8 維持主槽不萎縮所需的洪水水量

圖8 考慮了兩種情景：（1）不考慮4—6月生態(tài)洪水的沖刷，即僅依靠汛期洪水實(shí)現(xiàn)河槽沖淤平衡；（2）考慮4—6月30 億m3生態(tài)水量的沖刷效果。在兩種情景下，又進(jìn)一步考慮了調(diào)水調(diào)沙的兩種技術(shù)水平，即“可以精準(zhǔn)調(diào)控進(jìn)入下游的洪水流量”和“不僅可以精準(zhǔn)調(diào)控進(jìn)入下游的洪水流量，還可以精準(zhǔn)調(diào)控洪水的含沙量”。通過近20年的調(diào)水調(diào)沙實(shí)踐，下游流量調(diào)控技術(shù)已基本成熟，但對洪水含沙量的調(diào)控能力仍顯不足。因此，考慮到4—6月30 億m3生態(tài)水的沖刷效果，推薦將“伏秋汛期洪水期間下游河槽允許淤積0.25 億t”情景下兩種調(diào)控方式相應(yīng)的輸沙需水量均值，作為未來汛期輸沙需要的洪水水量。

在圖8 采用的數(shù)據(jù)系列中，下游來沙少于2 億t 的情景極少，故曲線未下延。若按圖8 曲線下延推算，當(dāng)下游來沙只有1 億t/a 左右時，輸沙需水量只有14 億m3，相應(yīng)的洪水歷時不足5 d。但是，要保障下游輸沙比不小于90%，場次洪水的歷時應(yīng)不小于7 d［18-19］；而從兼顧河口淡水濕地用水角度，洪水流量不宜小于3000 m3/s。若按洪水流量3500 m3/s、歷時7 d，所需要的洪水水量為21.2 億m3，該水量可視為來沙極少情況下輸沙需要的最小洪水水量。

目前，黃河下游河槽的平灘流量已經(jīng)達(dá)到4300 ～7000 m3/s，實(shí)現(xiàn)了《黃河流域綜合規(guī)劃》（2013年）確定的標(biāo)準(zhǔn)［12］。而已有研究表明，在現(xiàn)狀河床邊界條件和花園口徑流量220 ～250 億m3/a 條件下，實(shí)現(xiàn)黃河下游河床沖淤平衡的沙量閾值為2 ～3 億t/a［21］；要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀入海流路和三角洲地區(qū)的海岸線淤蝕平衡，利津來沙量應(yīng)分別不小于1.5 ～1.6 億t 和2 ～2.5 億t［22-23］；加上引黃引沙和河床沖淤，推算相應(yīng)的花園口沙量約2 ～3 億t。考慮該因素，在規(guī)劃層面上，應(yīng)將下游年均來沙2 ～3 億t/a 對應(yīng)的水量作為低限輸沙需水，約40 ～50 億m3（相應(yīng)流量約3500 m3/s）。

4 生態(tài)與輸沙需水耦合分析

以上分別對黃河下游的輸沙需水和水生生態(tài)需水進(jìn)行了分析，對比可見：

（1）4—6月份是近海魚蝦產(chǎn)卵的季節(jié)，也是淡水濕地蘆葦發(fā)芽和鳥類繁殖的季節(jié)，二者均要求黃河給予淡水補(bǔ)給。不同的是，淡水濕地不僅要求黃河水量達(dá)到30 億m3以上，而且要求流量達(dá)漫灘洪水級別，以實(shí)現(xiàn)濕地凈補(bǔ)水0.6 億m3以上。

（2）即使按來沙2.5 億t 的水平，下游也需要配合流量3500 m3/s 以上、洪量40 ～50 億m3的洪水過程，否則將難以保證河槽沖淤平衡。而按淡水濕地目前的進(jìn)水條件，這樣的洪水過程顯然可使?jié)竦刈粤餮a(bǔ)水約0.8 億m3。因此，綜合考慮輸沙和淡水濕地補(bǔ)水需要，伏秋汛期應(yīng)保證一次流量3500 m3/s以上、洪量40 ～50 億m3以上的洪水過程。

7—10月一定量級的洪水對黃河鯉生長也非常重要，它們靠漫灘洪水到食物豐富的嫩灘濕地覓食；同時，濕地依靠漫灘洪水得到充足的水分補(bǔ)充，進(jìn)而為魚類提供更加豐富的食物資源。

（3）黃河土著魚類對徑流條件要求不太高，全年流量50 ～300 m3/s 即可基本滿足其繁衍生息的基本要求。根據(jù)國家對黃河河口生態(tài)流量的新要求［24］和《黃河流域綜合規(guī)劃》（2013年），建議把低限生態(tài)流量由近20年一直沿用的50 m3/s 提高到75 m3/s?？紤]到河口生態(tài)系統(tǒng)對黃河的要求主要為大流量洪水，因此，可把黃河土著魚類所需要的徑流條件視為黃河的生態(tài)基流。

（4）河漫灘濕地需要黃河補(bǔ)水5 ～10 億m3，可通過人工補(bǔ)水和大洪水期側(cè)滲漫灘解決。

將黃河下游水生生態(tài)需水和輸沙需水進(jìn)行耦合，可得到不同來沙情景下的黃河下游生態(tài)和輸沙需水量及其過程，見表1（已取整），其中“低限水量”適于黃河流域降雨極枯情景、“低限流量”宜作為水量日常調(diào)度的流量控制標(biāo)準(zhǔn)；從水資源規(guī)劃（分水方案調(diào)整）和滿足河流健康角度，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注“適宜水量”。

表1 黃河下游水生態(tài)和輸沙用水推薦結(jié)果

2000—2018年，由于小浪底和西霞院等水庫攔沙，進(jìn)入黃河下游的沙量只有0.76 億t/a，該情況下的生態(tài)和輸沙需水為135 億m3，而實(shí)際同期入海水量達(dá)156 億m3/a，因此，該時期的黃河下游河槽持續(xù)沖刷，河口三角洲生態(tài)系統(tǒng)也取得了良好的恢復(fù)效果。

水生態(tài)和輸沙兩大需水的服務(wù)對象有著本質(zhì)的區(qū)別：（1）輸沙需水的主要服務(wù)對象仍然是人類社會，但也涉及下游洪泛區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)安全。必須留下輸沙水，目的在于通過控制河床的淤積抬高，改變下游“一旦決口、水沙俱下”的嚴(yán)峻局面、降低洪災(zāi)風(fēng)險，是無法進(jìn)一步分解水權(quán)的人類公共安全用水。因此，也可把“輸沙需水”稱之為環(huán)境需水或泛生態(tài)需水。（2）水生態(tài)需水的主要服務(wù)對象是野生生物，是維持自然界協(xié)調(diào)發(fā)展的基本需要?？紤]到下游決口給洪泛區(qū)帶來的生態(tài)災(zāi)難，可將以上兩項(xiàng)需水統(tǒng)稱為“生態(tài)需水”。

基于人類目前的認(rèn)識水平，確保防洪安全和自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，都是人類開發(fā)利用水資源的底線。因此，表1 所列的年內(nèi)不同時段黃河流量和水量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該理解為黃河水量調(diào)度的控制指標(biāo)和流域水資源開發(fā)利用的閾值。

5 人類未來用水的閾值

5.1 黃河來沙情勢預(yù)測從表1 可見，在相當(dāng)程度上，人類未來用水的閾值取決于相應(yīng)時期的來沙情況。黃河泥沙主要來自潼關(guān)以上的黃土高原，其中91%來自圖12 所示的主要產(chǎn)沙區(qū)。還原壩庫攔沙量后，1919—1975年陜縣（潼關(guān)）“天然輸沙量”為16.4 億t/a。

2000年以來，隨著退耕和禁牧政策實(shí)施、大規(guī)模梯田建成和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，黃土高原的侵蝕產(chǎn)沙環(huán)境發(fā)生了巨大變化。至2018年，黃河主要產(chǎn)沙區(qū)的林草梯田有效覆蓋率已經(jīng)由1978年前后的17.6%提高到60.5%，見圖12。利用Liu 構(gòu)建的黃土高原林草梯田覆蓋率-產(chǎn)沙指數(shù)關(guān)系［25-26］，測算了2010—2018年下墊面在1966—2018年和1933—1967年系列降雨條件下的黃土高原產(chǎn)沙量，分別約4.5 億t/a 和5.9 億t/a；考慮大型水庫群控制下的青藏高原來沙（320 ～450 萬t/a）、干支流引水引沙（0.28億t/a）和河床沖淤調(diào)整后，若黃土高原壩庫不攔沙，潼關(guān)年均來沙應(yīng)約3.6 ～5.4 億t/a。該認(rèn)識與近年實(shí)測結(jié)果基本吻合：2010—2018年，黃土高原入黃沙量2.2 億t/a；還原支流壩庫攔沙和灌溉引沙后，黃土高原的“天然輸沙量”為4.9 億t/a。

圖12 黃河主要產(chǎn)沙區(qū)林草梯田覆蓋率變化

不過，考慮到現(xiàn)狀淤地壩仍有一定的攔沙壽命、涇河?xùn)|莊水庫將在2025年前后建成投運(yùn)，加之青藏高原數(shù)座大型水庫可使未來300年內(nèi)的下泄沙量不大于0.15 億t/a，預(yù)計2050年以前潼關(guān)輸沙量可大體維持在4 億t/a 以內(nèi)，之后繼續(xù)反彈，見圖13（未考慮古賢水庫）。需要說明的是，圖13 是假定未來維持2010—2018年下墊面不變、1919—2018年降雨重現(xiàn)、壩庫不出現(xiàn)大量水毀情況下的推算結(jié)果，這樣的假定顯然存在不確定性。

圖13 未來不同水平年潼關(guān)來沙量預(yù)測

小浪底水庫的攔沙運(yùn)用方式也是決定下游輸沙需水量的關(guān)鍵因素。小浪底水庫設(shè)計攔沙庫容75億m3，于1999年汛后投運(yùn)，2000—2018年實(shí)際攔沙1.73 億t/a。至2019年汛前，小浪底水庫攔沙庫容仍剩余41 億m3。由此可見，在2050年以前，通過黃土高原水土保持和流域壩庫攔截，將黃河下游沙量控制在2.5 億t/a 以內(nèi)是可能的。在此來沙情況下，如果小浪底出庫的水沙過程合理，135 億m3的水量可基本維持下游河槽沖淤平衡和黃河口三角洲生態(tài)系統(tǒng)的用水需求。

2050年以后，隨著淤地壩及水庫的攔沙功能失效，潼關(guān)來沙極可能反彈至3.9 ～5.2 億t/a，屆時，維持黃河下游河槽沖淤平衡和河口生態(tài)系統(tǒng)健康的需水量為150 ～170 億m3。

林草植被改善和梯田運(yùn)用不僅使黃土高原產(chǎn)沙量由16 億t/a 減少為4.5 ～5.9 億t/a，也使河川徑流減少約45 億m3。對照圖8 可見，這樣的減水代價是值得的：若均以“維持下游河槽過流能力≥4000 m3/s”為前提，來沙16 億t 所需輸沙水量比來沙5 億t 時多160 億m3。

5.2 黃河徑流情勢預(yù)測決定未來黃河可供水量的另一個關(guān)鍵因素是黃河流域的產(chǎn)水形勢?！包S河天然徑流量580億m3/a”是1987年國務(wù)院“黃河可供水量分配方案”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，隨著流域下墊面變化，黃河天然徑流量不斷減少，其中，在降雨偏豐2%的2000—2018年，黃河天然徑流量只有468億m3/a。

現(xiàn)有研究認(rèn)為［26］，在2010年以來的現(xiàn)狀下墊面和1966—2014年降雨情況下，由于林草植被改善和大規(guī)模梯田建設(shè)（圖12），加之地下水開采和壩庫運(yùn)用等原因，花園口斷面天然徑流量估計只有460億m3；加上黃河下游多年平均對天然徑流量的貢獻(xiàn)（6 億m3），則黃河利津斷面的天然徑流量約為466億m3/a——與2000—2018年的實(shí)際值相近?？紤]到流域地下水開采勢頭已初步遏制、黃土高原林草植被和梯田規(guī)模已漸趨穩(wěn)定，如果未來降雨與過去百年情景相似，則未來黃河天然徑流量估計不會再有大幅度減少，極可能維持在460 ～466 億m3。

在過去百年中，黃河曾經(jīng)多次出現(xiàn)降雨連年偏少的現(xiàn)象，其中最典型的是1922—1932年，該時段天然徑流量僅約400 億m3/a。顯然，在現(xiàn)狀下墊面情況下，若降雨重現(xiàn)1922—1932年的情景，黃河天然徑流量極可能不足300 億m3。

5.3 黃河徑流的未來可利用量理論上，通過科學(xué)調(diào)控，未來2020—2050年，因下游沙量可控制在2.5 億t/a 以下，故黃河可供水量約330 億m3/a；2050年以后，隨著來沙量反彈，可供水量將逐漸由330 億m3/a 下降至290 ～310 億m3/a。

但是，一個不容忽視的現(xiàn)實(shí)是，由于黃河流域年際降雨豐枯懸殊，現(xiàn)狀水庫群并不能實(shí)現(xiàn)所有大洪水的資源化。在現(xiàn)狀水沙調(diào)控工程體系中，只有龍羊峽、小浪底和劉家峽水庫具有較大的調(diào)蓄能力，遠(yuǎn)不能滿足大洪水調(diào)蓄的需要。例如，在降雨豐沛的2018年和2019年，干流水庫全部蓄滿后，仍分別有331 億m3和310 億m3徑流入海，該數(shù)字遠(yuǎn)超當(dāng)年下游4.3 億t 和5.3 億t 來沙所需要的生態(tài)水量，而超出的水量也是“多年平均天然徑流量460 ～466 億m3”的重要組成部分。實(shí)際上，2000年以來，類似情景已多次出現(xiàn)。由此可見，未來水管理部門能夠有效調(diào)控和配置的徑流量遠(yuǎn)不足460 ～466 億m3（粗估將減少15～30 億m3），因此2050年以前的黃河可供水量必少于330 億m3。

另一方面，目前黃河地表水消耗量已達(dá)332 億m3，較1990年代增加約50 億m3，且仍呈繼續(xù)增加的勢頭。與我國東部沿海地區(qū)相比，黃河流域大多處于經(jīng)濟(jì)起飛階段，用水需求十分旺盛。宏觀判斷，至2050年前后，如果不受分水指標(biāo)約束，黃河地表水消耗量極可能達(dá)到400 億m3以上。屆時，即使下游沙量仍可以控制在2.5 億t/a，也需要黃河天然徑流量達(dá)到530 億m3才能滿足人類和生態(tài)的共同用水要求。此外，在全面推進(jìn)水權(quán)制度的背景下，黃河水分配至各用戶后將很難收回，因此若現(xiàn)在按“來沙2.5 億t/a”情況下的可供水量調(diào)整分水方案，待未來沙量反彈至2.5 ～5 億t 后，黃河健康必將面臨嚴(yán)重威脅，需及早制定應(yīng)對措施。

現(xiàn)狀下墊面的“天然徑流量530 億m3”大約相當(dāng)于1919—1975年系列的645 億m3，而1919～1975年達(dá)到645 億m3的年份只占26%。由此可見，在生態(tài)環(huán)境和徑流調(diào)控工具的雙約束下，在未來大部分年份，黃河水資源已很難支撐流域用水的進(jìn)一步增長。再遇1922—1932年或1991—2001年那樣的連續(xù)枯水年，如無外部水源支持，要確保黃河下游不斷流，必然十分困難。

6 結(jié)論

（1）黃河口三角洲生態(tài)需水是人類用水的重要約束因素。分析近十幾年生態(tài)補(bǔ)水的實(shí)踐及其效果認(rèn)為，在魚蝦產(chǎn)卵、蘆葦發(fā)芽和鳥類繁殖的4—6月份，黃河入海徑流量應(yīng)達(dá)30 億m3左右；伏秋洪水對淡水濕地同樣具有重要意義，該洪水可與輸沙水共用。黃河魚類對徑流條件要求不高，75 ～100 m3/s 即可滿足其繁衍生息的低限要求，可視為黃河的生態(tài)基流。（2）輸沙用水是黃河徑流配置的特殊約束因素。進(jìn)入新時期，國家對“輸沙水”的功能提出了更高要求?；谀壳皩ο掠魏硬蹧_淤規(guī)律的認(rèn)識，考慮水庫調(diào)控水平，以滿足河槽沖淤基本平衡為前提，提出了不同來沙情況下需保障的下游洪水水量。在規(guī)劃層面上，兼顧輸沙和河口淡水濕地的補(bǔ)水要求，汛期洪量不宜低于“來沙2.5 億t/a”相應(yīng)的輸沙需水量（約40～50 億m3）。在日常調(diào)度層面上，即使下游來沙量低至1 億t，下游汛期也應(yīng)有一次流量3500 m3/s、歷時7 d 以上的洪水，以兼顧塑槽和生態(tài)的低限要求。（3）水庫群對大洪水的調(diào)蓄能力也是黃河徑流配置的制約因素。2000年以來的實(shí)踐證明，黃河干流現(xiàn)狀水庫群并不能實(shí)現(xiàn)對所有大洪水的資源化。（4）基于對未來水沙情勢的初步判斷，并考慮現(xiàn)狀水庫群對大洪水的調(diào)蓄能力，認(rèn)為2020—2050年黃河可供水量不足330 億m3、沙量反彈至2.5 億t/a 以上后可供水量將越來越少。目前，黃河地表水消耗量已達(dá)332 億m3、且仍將繼續(xù)增加，在生態(tài)環(huán)境和徑流調(diào)控工具的雙約束下，預(yù)計在未來大部分年份黃河將很難支撐人類用水的進(jìn)一步增長；遇連續(xù)枯水年，確保黃河不斷流將十分困難。

需要指出，調(diào)整黃河“八七”分水方案，不僅要考慮以上因素，而且要考慮黃河上中游河段的生態(tài)需水，以闡明增加上中游配置水量可能導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險。此外，本文對未來沙量的預(yù)測結(jié)論仍存在不確定因素，對大洪水調(diào)蓄能力和黃河下游來沙小于2 億t 情景的塑槽輸沙需水量研究也比較膚淺。因此，圍繞黃河分水方案調(diào)整所涉及的科學(xué)問題，仍需開展更多研究。