黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)

胡春宏

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

黃河是中華民族的母親河，其以水少沙多，含沙量高而著稱。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，受水利水保工程等人類活動(dòng)和氣候暖干化等氣候因素影響，黃河流域水沙情勢(shì)發(fā)生巨大變化，潼關(guān)站年輸沙量由1919—1959年16億t減少至2010年以來(lái)1億t左右，減少約94%。黃河水沙情勢(shì)劇變，已嚴(yán)重影響黃河規(guī)劃與治理的科學(xué)參照依據(jù)，直接影響黃河水沙調(diào)控體系布局、南水北調(diào)西線規(guī)劃、下游寬灘區(qū)治理方向等未來(lái)治黃方略的制定?！包S河寧、天下平”，從古至今，黃河治理都是治國(guó)安邦的大事。近年來(lái)，黃河水沙變化如此之大、如此之快，演變機(jī)理是什么，未來(lái)趨勢(shì)如何，黃河治理開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃決策是否隨之重大調(diào)整，成為了新時(shí)期黃河治理亟需回答的重大科技問(wèn)題。

1 項(xiàng)目重大意義

黃河作為世界第五大長(zhǎng)河，我國(guó)第二大河，自西向東流經(jīng)9省區(qū)，以占全國(guó)2%的河川徑流量，承擔(dān)全國(guó)15%的耕地面積和12%的人口供水重任，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、糧食安全、能源安全、生態(tài)改善等做出了突出的貢獻(xiàn)，肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)的黃河擔(dān)當(dāng)。目前，由于黃河水沙量明顯減少，水沙關(guān)系發(fā)生重大變化，黃河下游河槽嚴(yán)重萎縮、河道排洪輸沙能力降低等新問(wèn)題十分突出，嚴(yán)重威脅流域防洪安全，極大限制了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

（1）開(kāi)展黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究是科學(xué)治黃的前提與基礎(chǔ)，研究成果對(duì)新時(shí)期治黃策略制定具有重大理論指導(dǎo)意義?？茖W(xué)認(rèn)知水沙變化機(jī)理并預(yù)測(cè)未來(lái)水沙變化趨勢(shì)成為新時(shí)期國(guó)家提升治黃水平與科學(xué)制定治黃策略的重大技術(shù)需求。面對(duì)國(guó)家需求，項(xiàng)目將緊密圍繞“黃河水沙未來(lái)如何變化以及如何治理”的關(guān)鍵核心問(wèn)題開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)，以產(chǎn)匯流機(jī)制變化、水沙非線性關(guān)系、水沙—地貌—生態(tài)多過(guò)程耦合效應(yīng)等關(guān)鍵機(jī)理問(wèn)題為突破口，探討黃河水沙變化原因、預(yù)測(cè)未來(lái)常態(tài)水沙情勢(shì)，提出黃河水沙變化調(diào)控閾值與應(yīng)對(duì)策略。相關(guān)研究成果將為黃河規(guī)劃與治理實(shí)踐提供重要依據(jù)，對(duì)未來(lái)人民治黃實(shí)踐，推動(dòng)母親河健康可持續(xù)發(fā)展具有重大理論指導(dǎo)意義。

（2）黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究以提升治黃科技水平為目標(biāo)，旨在推動(dòng)治黃多學(xué)科交叉融合發(fā)展。項(xiàng)目將系統(tǒng)揭示黃河水沙演變規(guī)律及特征，辨析氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)水沙銳減影響機(jī)制，突破主控因子個(gè)體效應(yīng)與群體效應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)瓶頸，實(shí)現(xiàn)模型方法的原理統(tǒng)一與升級(jí)換代。創(chuàng)新性提出流域水沙趨勢(shì)集合評(píng)估技術(shù)，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)黃河未來(lái)水沙情勢(shì)提供技術(shù)保障。相關(guān)研究成果的提出，將進(jìn)一步鞏固我國(guó)泥沙科學(xué)水平的世界領(lǐng)先地位，同時(shí)，力爭(zhēng)使我國(guó)在流域水沙動(dòng)力學(xué)模擬與預(yù)測(cè)、流域水沙調(diào)控理論與應(yīng)用領(lǐng)域取得國(guó)際領(lǐng)跑地位，實(shí)現(xiàn)河流動(dòng)力學(xué)與水土保持學(xué)等多學(xué)科的交叉融合研究，推動(dòng)治黃學(xué)科建設(shè)新發(fā)展。

2 項(xiàng)目總體目標(biāo)

氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)影響下的江河水沙變化，是全球泥沙研究的前沿和難點(diǎn)。當(dāng)前，國(guó)外流域水文過(guò)程研究重水輕沙，國(guó)內(nèi)侵蝕研究坡面多溝道少；而流域水沙研究小尺度多，中大尺度流域少，且缺乏多尺度聯(lián)合研究。黃河水沙作為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)，不同研究方法下各因素對(duì)黃河水沙變化影響程度以及對(duì)水沙變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究結(jié)果的置信度等尚缺乏科學(xué)可行的評(píng)估方法，使得黃河水沙變化成因尚未達(dá)成共識(shí)，黃河水沙變化認(rèn)知及未來(lái)預(yù)測(cè)成為世界難題，諸多科學(xué)問(wèn)題亟待進(jìn)一步研究解決。

圍繞以上問(wèn)題，本項(xiàng)目以科技助力黃河健康可持續(xù)發(fā)展為總目標(biāo)，基于黃河流域氣象—水文泥沙—下墊面—社會(huì)經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)與共享平臺(tái)構(gòu)建，結(jié)合野外定點(diǎn)觀測(cè)及室內(nèi)控制模擬實(shí)驗(yàn)等多種方法手段，揭示黃河流域重點(diǎn)水土流失區(qū)多時(shí)空尺度的產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙機(jī)制，量化不同區(qū)域水沙變化主要影響因素的貢獻(xiàn)率，預(yù)測(cè)未來(lái)30～50年水沙變化趨勢(shì)，建立黃河流域水沙調(diào)控的閾值體系，提出黃河未來(lái)治理策略，為國(guó)家新時(shí)期治黃策略制定提供助力并不斷推進(jìn)治黃事業(yè)新發(fā)展。

3 主要研究?jī)?nèi)容

黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、清華大學(xué)等來(lái)自水利部、教育部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)氣象局等所屬18家單位的138名科研人員組成。研究團(tuán)隊(duì)學(xué)科交叉、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在流域侵蝕產(chǎn)沙、水沙輸移演變、水沙預(yù)測(cè)模型研發(fā)以及河道治理等方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

項(xiàng)目將圍繞黃河水沙情勢(shì)劇變成因與黃河治理中的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，基于黃河水沙基礎(chǔ)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)及共享平臺(tái)構(gòu)建，按照“過(guò)程與機(jī)理—模型與預(yù)測(cè)—評(píng)價(jià)與對(duì)策”的總體技術(shù)思路，開(kāi)展以下五方面研究：①分析黃河流域水沙多時(shí)空演變及分異特征，揭示多因素變化下流域水沙產(chǎn)輸變化規(guī)律，明確風(fēng)沙入黃、支流淤積和河道采砂對(duì)黃河泥沙的影響。②辨析植被、梯田、壩庫(kù)工程對(duì)流域徑流和產(chǎn)沙的耦合效應(yīng)，確定降雨、坡面與溝道等措施對(duì)入黃水沙的貢獻(xiàn)率。③識(shí)別降雨和下墊面等多因子對(duì)徑流過(guò)程的影響機(jī)制，研發(fā)多因子耦合驅(qū)動(dòng)的流域水循環(huán)分布式模型；構(gòu)建流域泥沙動(dòng)力學(xué)過(guò)程模型；預(yù)測(cè)黃河流域未來(lái)30～50年降雨、徑流和泥沙過(guò)程。④分析黃河與其它河流水沙變化特征及演變機(jī)制異同性，對(duì)比黃河水沙變化不同分析方法及其結(jié)果，研發(fā)預(yù)測(cè)結(jié)果的集合評(píng)估技術(shù)，評(píng)估未來(lái)30～50年黃河水沙變化趨勢(shì)，確定其置信度。⑤研究維持黃河流域健康的水沙調(diào)控閾值，提出黃土高原生態(tài)治理策略與黃河防洪減淤和水沙調(diào)控策略，提出黃河下游寬河段治理方向。

4 項(xiàng)目預(yù)期效益

黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究著力從多尺度流域泥沙動(dòng)力學(xué)過(guò)程模擬、多因子耦合驅(qū)動(dòng)的流域水循環(huán)分布式模擬、黃河水沙變化研究成果置信度集合評(píng)估以及維持黃河流域健康的水沙調(diào)控閾值判定等方面取得創(chuàng)新性成果，相關(guān)研究成果一方面可有力推動(dòng)治黃多學(xué)科融合發(fā)展、不斷提升治黃科技水平，相關(guān)技術(shù)方法可以在其他流域推廣應(yīng)用；另一方面，通過(guò)提高黃河水沙綜合管理的水平，為黃河下游河床穩(wěn)定和堤防建設(shè)，黃河下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和供水安全，以及黃河流域生態(tài)文明建設(shè)、一帶一路戰(zhàn)略實(shí)施、國(guó)家扶貧攻堅(jiān)戰(zhàn)等國(guó)家重大戰(zhàn)略實(shí)施提供有力的技術(shù)支撐，在促進(jìn)區(qū)域地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障水沙資源合理配置，改善生態(tài)環(huán)境等方面效益巨大。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)路線圖