黃河治理巨大的減沙成就與未來輸沙需水量

張紅武，侯 琳，李琳琪

（清華大學(xué)，100084，北京）

黃河流域具有“水沙異源”“水少沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”的特點(diǎn)，流域徑流主要來自內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)以上，超過80%的泥沙主要源于河口鎮(zhèn)以下至陜西潼關(guān)間的多沙區(qū)。 受高強(qiáng)度降雨的動(dòng)力影響，黃河中上游黃土高原土壤侵蝕強(qiáng)烈， 溝壑縱橫，水土嚴(yán)重流失，大量泥沙入黃，導(dǎo)致由暴雨洪水和冰凌洪水造成的水災(zāi)幾乎遍及全河，尤其伴隨洪水而來的大量泥沙成為下游洪水致災(zāi)的主要影響因素， 河道長期淤積形成淮河、海河流域的分水嶺。 下游河道具有“善淤、善決、善徙”特性，突出表現(xiàn)為頻繁的洪水決口、 泛濫和河流改道。從公元前 602 年—1938 年的 2 540 多年中， 下游經(jīng)歷了 26 次改道，5 次大改道遷徙，可謂“三年兩決口百年一改道”。洪流所到之處，房屋被埋、良田沙化、河道淤塞，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。因此，黃河曾被認(rèn)為“水在上游、沙在中游、害在下游”。 水沙條件是黃河規(guī)劃及治理開發(fā)方案的基礎(chǔ)， 因黃河“水在上游”的變化幅度相對(duì)有限，“沙在中游” 的變化就成為影響 “害在下游”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成為關(guān)注熱點(diǎn)。

鑒于黃河中游潼關(guān)站來沙量基本能反映黃土高原的侵蝕量及產(chǎn)沙強(qiáng)度，在梳理70 多年黃河上中游泥沙治理工作基礎(chǔ)上， 利用潼關(guān)站大量實(shí)測資料進(jìn)行分析計(jì)算， 辨析各方泥沙預(yù)測結(jié)果存在較大差異的原因所在，總結(jié)了黃河治理巨大的減沙成就，并進(jìn)一步研究減沙后的輸沙需水量。

一、研究現(xiàn)狀簡述

自20 世紀(jì)80 年代以來，有關(guān)部門先后圍繞黃河流域水沙變化組織研究，取得一系列成果。2004 年后，黃河中游潼關(guān)站年輸沙量已由年均16億t 銳減至不足3 億t（個(gè)別年份大于3 億t，主要由上游水庫排沙所致）。著名水利專家寧遠(yuǎn)當(dāng)年在技術(shù)討論會(huì)上敏銳地推斷， 黃河來沙減少已呈趨勢性變化，并認(rèn)為年均不過3 億～4 億t。當(dāng)時(shí)包括筆者在內(nèi)的絕大部分學(xué)者都不以為然。 但隨著實(shí)測資料的反復(fù)證實(shí)， 跟蹤關(guān)注黃河水沙變化的部分學(xué)者已贊同這一觀點(diǎn)。 不少學(xué)者的預(yù)測值與寧遠(yuǎn)的推斷結(jié)果相近甚至還小。例如，劉曉燕等首次將現(xiàn)狀梯田和林草植被的減沙量確定為10.65 億t；蔡蓉蓉等預(yù)測潼關(guān)站年均徑流量、沙量分別為 249 億 m3、3.1 億 t； 王光謙等預(yù)測潼關(guān)站未來 10 年、20 年、50年平均輸沙量分別為 2.83 億 t、3.13億 t 和 4.12 億 t。

“十三五”期間，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首批設(shè)立“黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢預(yù)測”項(xiàng)目，集中大量人力物力繼續(xù)開展研究，預(yù)測未來25～30 年內(nèi)黃河中游龍門等5 站年均沙量大概率不超過3 億t，2070 年后年均沙量為 4 億 t 左右。 2017 年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”項(xiàng)目組預(yù)測潼關(guān)站未來30年內(nèi)年均沙量為2.2 億 t， 未來 50 年內(nèi)年均沙量低于2.2 億t。這一數(shù)據(jù)與2017—2020 年 4 年實(shí)測值接近，2018年潼關(guān)站沙量3.73 億t 高于預(yù)測值，但若去掉萬家寨等水庫排沙量1.38億t 及河段沖刷量，天然來沙量仍不大。

考慮近年連續(xù)多年都有大于300億m3的水量入海，2020 年竟接近360億m3，遠(yuǎn)大于下游輸沙和河口生態(tài)所需水量，故將預(yù)測的潼關(guān)年均徑流量修正為 300 億~350 億 m3，同 2021 年來水狀況接近。說明根據(jù)實(shí)際變化加以人為修正，可能比完全依靠實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)的結(jié)果更合理。

二、全面治黃以來的減沙量

1.黃河泥沙治理不同階段及其水沙變化

新中國成立以來，我國對(duì)黃土高原開展治理，通過打壩淤地、修建水庫等措施， 中游水土流失量明顯降低。 研究治黃減沙成就，選用潼關(guān)站1919—2020 年共 102 年的水沙資料進(jìn)行研究， 其中 1919—1951 年采用陜縣站實(shí)測資料替代。 對(duì)百余年水沙資料（稱為百年過程） 累積后平均，即得年均徑流量及輸沙量分別為363.7億 m3、11.13 億 t。

百年黃河進(jìn)程中，1960 年是水土保持工作走向高潮的一年。1998 年長江、嫩江特大洪水后，國務(wù)院發(fā)出緊急通知， 要求2000 年前要對(duì)毀林開墾的林地實(shí)現(xiàn)全部還林。 因此以1960年及1999 年為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將百年過程分為三個(gè)階段。

①自然狀態(tài)階段（1919—1960年）。將1919—1960 年共42 年實(shí)測資料作為水保水利作用顯現(xiàn)前的水沙數(shù)據(jù)，年均徑流量及輸沙量分別為423.2 億m3、15.76 億 t； 年均入海約 12 億 t 泥沙， 其中40%左右在河口三角洲沉積，剩余泥沙都堆積在河床上，下游河道成為舉世聞名的“地上懸河”，這相當(dāng)于黃河治理前水沙的自然狀態(tài)。

②退耕還林前階段（1961—1999年）。將 1961—1999 年共 39 年作為水土保持工作掀起高潮且水保水利工程減沙明顯后至退耕還林前階段，可簡稱為退耕還林前。 對(duì)應(yīng)年均徑流量及輸沙量實(shí)測數(shù)據(jù)分別為357.7 億m3、10.81 億 t，與“百年過程”年均值接近，相對(duì)于自然狀態(tài)階段，徑流量及輸沙量分別減少15.5%及31.4%；

③現(xiàn)狀（2000—2020 年）。 將2000—2020 年共21 年作為水保水利工程減沙顯著且實(shí)施退耕還林后階段，可簡稱為現(xiàn)狀。 已建成近6 萬座淤地壩及大量小型保土蓄水工程，黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境總體得到改善，實(shí)測資料顯示，相應(yīng)年均徑流量及輸沙量分別為 256.1 億 m3、2.44 億 t， 相對(duì)于退耕還林前階段，徑流量及輸沙量分別減少28.4%及77.4%， 相對(duì)于自然狀態(tài)階段，徑流量及輸沙量分別減少39.5%及84.5%，說明徑流量持續(xù)減少，輸沙量減少幅度更大，超過張紅武、張俊華、姚文藝1999 年在《泥沙研究》第4期發(fā)表的“黃河治理方略”一文所期望的減沙率80%。

2.各家水沙變化趨勢預(yù)測成果存在差異的原因

選用潼關(guān)站1919—1959 年實(shí)測水沙資料，點(diǎn)繪出徑流量與輸沙量點(diǎn)群關(guān)系見圖1?？捎蓤D表現(xiàn)的“自然狀態(tài)”趨勢回歸出如下關(guān)系式：

將多數(shù)專家預(yù)測的年均徑流量W240 億 m3代入式（1），可得出年均輸沙量Ws 為8.06 億t，同目前黃河相關(guān)工程設(shè)計(jì)依據(jù)的潼關(guān)站年均沙量為8億t 接近。 如果一定程度上考慮黃河治理影響，將240 億m3代入由百年過程實(shí)測資料回歸的Ws=0.0004W1.7，求出年均輸沙量為4.58 億t， 比按自然狀態(tài)關(guān)系式計(jì)算值小很多，且現(xiàn)狀年均輸沙量2.44 億 t 比預(yù)測值也偏小不少，這說明不考慮黃河治理減沙程度的影響，單純采用資料分析手段難以預(yù)測出符合實(shí)際的結(jié)果。

近20 多年的年來沙量相對(duì)于治理前自然狀態(tài)的年均值，已大幅度減小，其中2014—2015 年來沙量僅0.55億~0.69 億 t， 見圖 2。 近年徑流量 W相對(duì)于退耕還林前的年均值357.7 億m3增大不少,對(duì)圖1 中潼關(guān)水文站近25 年徑流量與輸沙量實(shí)測資料進(jìn)行回歸，得：

圖1 黃河潼關(guān)水文站自然狀態(tài)下徑流量與輸沙量點(diǎn)群關(guān)系

圖2 黃河潼關(guān)水文站近21 年徑流量與輸沙量變化

根據(jù)上述不同治理階段產(chǎn)沙量干預(yù)作用差異， 認(rèn)為對(duì)黃河年均沙量的預(yù)測差異較大原因， 主要在于不同學(xué)者求解黃河來沙方程時(shí)， 是否采用對(duì)應(yīng)的定解條件。 每年來水量有的以伏汛為主，有的以秋汛為主，產(chǎn)沙量對(duì)應(yīng)的定解條件本不應(yīng)相同， 其中秋汛徑流量W 跟輸沙量Ws 的相關(guān)性不大。

當(dāng)前，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國家戰(zhàn)略，黃河流域水保、水利工程及退耕還林（草）措施將更加受到重視， 求解來沙方程采取的定解條件應(yīng)充分考慮黃河治理對(duì)產(chǎn)沙量的影響， 才能得出可靠的預(yù)測結(jié)果，即使取現(xiàn)狀也可能偏于保守。預(yù)測更長時(shí)段結(jié)果時(shí)， 如果無視定解條件的明顯差異， 僅考慮實(shí)測資料年數(shù)且依據(jù)以20 世紀(jì)資料為主的水沙系列，就會(huì)得到“所取時(shí)間尺度越大，預(yù)測年均沙量越大”的不合理結(jié)果。

3.泥沙治理成效

將不同的來水量代入式（1）與式（2），可分別求出自然狀態(tài)與現(xiàn)狀的輸沙量， 兩者之差即相對(duì)于自然狀態(tài)的減沙量。 首先以“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究” 項(xiàng)目組預(yù)測值為基礎(chǔ)，潼關(guān)站未來30 年內(nèi)年均沙量為2.2 億t、徑流量 350 億 m3， 進(jìn)行比較研究，由式（1）求出未來 30 年內(nèi)年均徑流量350 億 m3條件下年均沙量達(dá) 12.3 億t，年均減沙 10.1 億 t，30 年減少 303 億t進(jìn)入黃河下游的泥沙量，表明如果沒有治黃努力，下游來沙局面不可想象。

如果采用式（2）預(yù)測未來 30 年內(nèi)年均輸沙量，求出相應(yīng)的年均沙量為2.22 億t， 進(jìn)而計(jì)算的輸沙需水量也基本如此。 從而表明全面治理黃河之后，泥沙量大幅度減少，黃河治理的成就確實(shí)巨大。

三、未來輸沙需水量

在進(jìn)入下游的沙量大幅度減小的客觀條件下，不少人企望將省出的輸沙用水量挪用他處。 筆者1982 年時(shí)根據(jù)1973—1980 年花園口至利津河段資料分析，建立了下游河道沖淤強(qiáng)度ΔgS與花園口站洪峰平均流量QP及平均含沙量 SP的關(guān)系式：ΔgS=當(dāng) ΔgS=0，即為下游沖淤平衡式，等號(hào)兩端乘以Q0.5T（T為歷時(shí)），可變成下游輸沙量計(jì)算式：WS=2 014Q0.5T， 按未來下游洪水流量約 3 000 m3/s、歷時(shí) T 為 14 d，計(jì)算出下游輸沙1.33 億t， 所需洪水水量為36.3 億 m3，與 2017 年大致接近。 如果未來30 年內(nèi)年均沙量為2.4 億t，由上式可求出輸沙歷時(shí)T 為25.2 d，可估算下游年均輸沙用水量為65.3 億m3。

對(duì) 1919—1977 年三門峽、黑石關(guān)、小董實(shí)測資料相加統(tǒng)計(jì)后，可作為減沙前進(jìn)入下游的年均水沙量， 即汛期、非汛期、全年水量分別為280 億m3、188 億 m3、468 億 m3，汛期（7—10 月，共 123 天， 平均流量 QP=2 635 m3/s）、非汛期、 全年沙量分別為13.9 億 t、2.4 億 t、16.3 億 t，汛期、非汛期、全年含沙量分別為 49.6 kg/m3、12.8 kg/m3、34.8 kg/m3。

為運(yùn)用河流動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行更嚴(yán)格的計(jì)算，可引入張紅武水流挾沙力公式，在計(jì)算中考慮含沙量對(duì)卡門常數(shù)、 泥沙沉速及渾水容重的影響。將花園口至夾河灘河段床沙中徑0.08 mm、比降 2×10-4、流速 2.8 m/s、水深 1.25 m、 懸沙中徑 0.02 mm、 沉速0.127 cm/s、 汛期含沙量 49.6 kg/m3等條件代入，計(jì)算的挾沙力為36.9 kg/m3，即是含沙量的3/4。按黃河下游來沙16億 t、輸沙入海 12 億 t 給出。 按主槽寬度755m，求出流量Q 為 2 642.5 m3/s，同減沙之前黃河下游汛期平均流量QP接近。

花園口至夾河灘河段通過幾十年整治，河勢得到有效控制，綜合穩(wěn)定性指標(biāo)Zw 已由20 世紀(jì)的1.7 左右升為3~4，小于臨界值5，仍屬于游蕩型。 因此，本文開展未來30 年內(nèi)河道輸沙輸水計(jì)算，需將河床綜合穩(wěn)定指標(biāo)Zw=4 作為下游游蕩性河床平衡關(guān)系式。 按胡春宏、張紅武分別主持完成的兩個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目預(yù)測結(jié)果， 未來30 年內(nèi)年均沙量為2.2億~2.4 億t，約為年均沙量減小至原沙量的1/7， 汛期平均含沙量49.6 kg/m3也減小至 1/7,即 49.6/7=7.09 kg/m3，比較符合目前實(shí)際（同時(shí)還受年均沙量計(jì)算公式制約）， 取目前主槽寬度600 m、 水深為 1.14 m， 以沖淤平衡為條件，河床常處于沖淤交替狀態(tài)而有所粗化，D50=0.1 mm， 懸移質(zhì)粒徑變粗，沉速0.140 cm/s， 懸沙中徑 0.025 mm，糙率增加，求出流速約1.52 m/s，計(jì)算減沙后流量Q*=971 m3/s，整個(gè)汛期輸沙需水量 W 可得 103 億 m3， 數(shù)值偏大的原因是汛期實(shí)際出現(xiàn)的小流量輸沙效率很低所致。 為此，可將原輸送汛期含沙量所需水量取為200 億m3（相當(dāng)于忽略非汛期輸沙作用），再按W=200Q*/QP的比例關(guān)系計(jì)算，得年均沙量減小7 倍后的W 為73.7 億m3。 按照該方法可進(jìn)一步計(jì)算出不同減沙比例η 下輸沙需水量曲線，表示為：W=200η0.51。假如未來 30 年內(nèi)年均沙量為 3 億 t，η=3/16=0.1875，由該式求出 W 為 85.2 億 m3。 在黃河本身水量已減少約100 億m3條件下，從下游輸沙需水量中很難再將較多水量調(diào)劑出來，外流域調(diào)水依然是必要的。

四、結(jié) 論

水沙多寡是制定治黃方案的基礎(chǔ)。 在“水在上游”變化幅度相對(duì)有限的狀況下，“沙在中游”的變化就自然成為影響“害在下游”的關(guān)鍵，更是學(xué)術(shù)研究的難點(diǎn)。 研究表明：①梳理黃河治理過程， 分辨出1960 年及1999年是影響來沙發(fā)生凸變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，把潼關(guān)站百年資料分成自然狀態(tài)、退耕還林前、現(xiàn)狀三個(gè)階段，認(rèn)為來沙量大幅度減少是黃河治理作用不斷顯現(xiàn)的結(jié)果；②揭示以往預(yù)測結(jié)果不合理的原因，是不同學(xué)者對(duì)復(fù)雜的黃河水沙方程求解時(shí)未采用對(duì)應(yīng)的定解條件；③根據(jù)自然狀態(tài)與現(xiàn)狀兩階段資料回歸的關(guān)系式求值之差，即得現(xiàn)狀年均相對(duì)減沙10.1 億t， 黃河治理的減沙成就是巨大的；④運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)法與河流動(dòng)力學(xué)原理，計(jì)算未來年均沙量預(yù)測值所需輸沙用水量為65.3億～73.7 億 m3。