黃土高原現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)評(píng)價(jià)

劉曉燕

(黃河水利委員會(huì)，河南 鄭州 450003)

2000—2021年，黃河潼關(guān)水文站年均輸沙量2.41億t/a、汛期6—9月含沙量18.3 kg/m3，分別較1919—1959年降低85%、67%。在此背景下，黃河水沙變化成為近年廣受關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-4]?？紤]到水庫(kù)和淤地壩攔沙是導(dǎo)致近20多年黃河沙量減少的重要原因[5-7]，而壩庫(kù)攔沙量一般被視為“非可持續(xù)減沙量”[6]，因此本文重點(diǎn)關(guān)注黃河流域潼關(guān)以上黃土高原地區(qū)的現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)范圍本文研究范圍包括黃河循化-青銅峽區(qū)間的黃土丘陵溝壑區(qū)(簡(jiǎn)稱黃丘區(qū))、內(nèi)蒙古十大孔兌、黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間(簡(jiǎn)稱河龍間)、汾河流域、渭河咸陽以上、涇河張家山以上和北洛河狀頭以上地區(qū)(圖1)，總面積約39萬km2。為論述方便，以下將其簡(jiǎn)稱為“黃土高原”。不過，考慮到該區(qū)有大片水土流失輕微的土石山區(qū)、平原、風(fēng)沙區(qū)和次生林區(qū)，故本文重點(diǎn)關(guān)注圖1中的黃色區(qū)域，面積21.5萬km2，稱其為“黃河主要產(chǎn)沙區(qū)”。據(jù)1950—1969年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算，黃河主要產(chǎn)沙區(qū)的產(chǎn)沙量占黃土高原總產(chǎn)沙量的94%。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理為真實(shí)反映林草植被和梯田狀況，利用分辨率為30 m的遙感影像，配合大量野外樣方核對(duì)，解譯了1998年前后、2010年、2013年、2016年和2018年的土地利用和植被蓋度；利用分辨率為2.1 m的遙感影像，提取了2012年和2017年梯田面積；利用分辨率為250 m的遙感影像，提取了2000—2021年植被蓋度。

為科學(xué)描述植被梯田對(duì)流域水土流失的影響，本文采用劉曉燕等創(chuàng)建的易侵蝕區(qū)、林草有效覆蓋率和林草梯田有效覆蓋率等概念[8]。其中“易侵蝕區(qū)”是指流域剔除平原、城鎮(zhèn)、河川地和石山區(qū)等輕微產(chǎn)沙區(qū)的其它區(qū)域，其面積用Ae表示；“林草有效覆蓋率”指林草葉莖正投影面積占易侵蝕區(qū)的比例，計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[8]。將林草有效覆蓋率Ve與“梯田面積占易侵蝕區(qū)面積的比例”之和稱為林草梯田有效覆蓋率，以綜合反映林草植被和梯田對(duì)流域易侵蝕區(qū)的保護(hù)程度，記為Vet。

淤地壩攔沙所形成的壩地，也是影響流域產(chǎn)沙的關(guān)鍵因素。不過，至2019年，黃土高原壩地面積僅1016 km2、其中的60%集中在陜北，故未將其作為獨(dú)立因素，而是計(jì)入梯田。

采用的降雨和水沙數(shù)據(jù)來自《中華人民共和國(guó)水文年鑒》和國(guó)家氣象中心共享網(wǎng)站，包括研究區(qū)145個(gè)水文站設(shè)站至今的逐月水沙數(shù)據(jù)，黃河主要產(chǎn)沙區(qū)763個(gè)雨量站設(shè)站至今的逐日降雨數(shù)據(jù)；提取了日降雨大于25 mm的年降雨總量，簡(jiǎn)稱有效降雨，用P25表示。

流域產(chǎn)沙量Ws是流域把口斷面實(shí)測(cè)輸沙量、流域內(nèi)淤地壩和水庫(kù)的攔沙量、灌溉引沙量和河道淤積量之和，計(jì)算公式為：

Ws=Sdischange+Ws-reservoir+Ws-warpingdam+Ws-irrigation+Wdeposit

(1)

式中：Sdischange為流域把口斷面的實(shí)測(cè)輸沙量；Ws-reservoir、Ws-warpingdam分別為流域把口斷面以上區(qū)域水庫(kù)和淤地壩的攔沙量；Ws-irrigation為流域把口斷面以上區(qū)域自河道或水庫(kù)取水的灌溉工程引沙量；Wdeposit為河道淤積量。

為定量比較不同流域在相同降雨情況下的產(chǎn)沙能力，引入產(chǎn)沙指數(shù)Si(t/(mm·km2))，它是指流域易侵蝕區(qū)內(nèi)單位有效降雨在單位面積上的產(chǎn)沙量Ws，即：

(2)

1.3 產(chǎn)沙情勢(shì)內(nèi)涵及評(píng)價(jià)方法眾所周知，通常所說的黃河天然時(shí)期沙量16億t/a，是黃河陜縣水文站1919—1959年實(shí)測(cè)輸沙量的平均值。分析表明，1919—1959年黃土高原汛期降雨量平均為327 mm，與1919—2020年均值“329 mm”接近，即能大體反映長(zhǎng)系列降雨情況。因此，黃河沙量“16億t/a”一直是官方公布的天然時(shí)期黃河沙量特征值，相應(yīng)時(shí)期的黃土高原年均產(chǎn)沙量(16.5億t/a)反映了天然時(shí)期的產(chǎn)沙情勢(shì)。

黃土高原現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)是指在不考慮壩庫(kù)攔沙情況下，現(xiàn)狀下墊面在長(zhǎng)系列降雨情況下的多年平均產(chǎn)沙量。本文采用兩種途徑認(rèn)識(shí)黃土高原的現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)，一是利用實(shí)際產(chǎn)沙量推算，二是理論推算。

途徑1：基于現(xiàn)狀年實(shí)際產(chǎn)沙量，推算黃土高原在長(zhǎng)系列降雨情景下的年均產(chǎn)沙量。黃土高原2000年以來或2010年以來的年均產(chǎn)沙量，是認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)的重要途徑，但存在明顯弊端：一是該時(shí)段的降雨條件不僅與1919—1959年不同，也與人們預(yù)測(cè)的未來降雨條件不同；二是黃土高原各地的豐枯程度相差很大。為規(guī)避以上問題，采用以下評(píng)價(jià)方法：首先，獲取各支流現(xiàn)狀年的實(shí)測(cè)輸沙量、水庫(kù)和淤地壩攔沙量、灌溉工程引沙量，采用式(1)計(jì)算其年均產(chǎn)沙量Ws；第二，利用現(xiàn)狀年實(shí)測(cè)降雨量和年均產(chǎn)沙量，采用式(2)計(jì)算各支流的現(xiàn)狀產(chǎn)沙指數(shù)；第三，基于對(duì)黃土高原降雨變化趨勢(shì)的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)多種情景的長(zhǎng)系列降雨；最后，基于現(xiàn)狀產(chǎn)沙指數(shù)和設(shè)計(jì)降雨系列的有效降雨P(guān)25，利用式(2)計(jì)算相應(yīng)降雨情景的年均產(chǎn)沙量，即Ws=Si×P25×Ae。

該方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是，獲取的壩庫(kù)工程攔沙量、灌溉引沙量和河道沖淤量是否符合實(shí)際。

途徑2：利用遙感水文統(tǒng)計(jì)模型，推算黃土高原在長(zhǎng)系列降雨情景下的年均產(chǎn)沙量。研究發(fā)現(xiàn)[8]，在流域尺度上，林草有效覆蓋率與產(chǎn)沙指數(shù)之間呈現(xiàn)明顯的指數(shù)關(guān)系。進(jìn)一步考慮不同規(guī)模梯田加入的影響，劉曉燕等創(chuàng)建了遙感水文統(tǒng)計(jì)模型[9]，用于評(píng)價(jià)流域在一定植被、地形和土壤條件下的產(chǎn)沙能力，基本公式如下：

Si=a×e-b×Vet

(3)

式中a和b是與雨強(qiáng)、地形和土壤有關(guān)的參數(shù)。為克服雨型和降雨落區(qū)(涉及地形和土壤的差異)的影響，構(gòu)建該模型采用的數(shù)據(jù)多為2～3個(gè)雨強(qiáng)相似年份的均值，因此采用式(3)計(jì)算得到的產(chǎn)沙量單位應(yīng)為t/a。此外，模型構(gòu)建時(shí)采用的林草有效覆蓋率，是基于分辨率為30～56 m遙感影像提取的信息，故應(yīng)用該模型時(shí)，提取信息的遙感影像分辨率也應(yīng)與之一致，以盡可能減少因分辨率不同而帶來的植被信息差異。

采用該模型，首先將遙感影像提取的流域現(xiàn)狀林草梯田有效覆蓋率代入式(3)，計(jì)算相應(yīng)的產(chǎn)沙指數(shù)Si；然后，將降雨量P25和流域的易侵蝕區(qū)面積Ae帶入式(2)，即可得到流域的年均產(chǎn)沙量。

2 現(xiàn)狀年界定及下墊面特征值

從認(rèn)識(shí)黃河水沙變化角度，過去哪個(gè)時(shí)段的下墊面可以作為現(xiàn)狀下墊面？這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題，但由于研究者掌握的數(shù)據(jù)資源、研究項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)間、成果服務(wù)對(duì)象等有所差異，因此，目前被稱為現(xiàn)狀下墊面的時(shí)段差異很大，包括2000—2012年、2007—2014年和2000—2016年等。

分析黃土高原各支流汛期含沙量和汛期徑流系數(shù)變化過程可見(圖2和圖3)，2008年以來，絕大多數(shù)支流汛期含沙量和汛期徑流系數(shù)逐漸趨穩(wěn)。洪水含沙量和洪量是流域產(chǎn)沙量的函數(shù)，汛期含沙量和汛期徑流系數(shù)趨于穩(wěn)定，意味著流域產(chǎn)沙能力趨于穩(wěn)定。鑒于此，并考慮時(shí)間系列的長(zhǎng)度，本文將黃土高原2010年以來的下墊面稱為現(xiàn)狀下墊面。

圖2 汛期含沙量變化

圖3 汛期徑流系數(shù)變化

分析圖4可見，2012年以來黃土高原林草植被蓋度的增幅明顯變緩，2018年以來植被蓋度沒有增加。因此，采用分辨率為30 m的遙感影像，提取了2010年和2016年的林草地面積和易侵蝕區(qū)面積，取其平均值作為2010—2019年的代表值；取2010年、2013年、2016年和2018年4個(gè)典型年林草地植被蓋度(遙感分辨率30 m)的平均值，作為2010—2019年林草植被蓋度。將2018年的林草有效覆蓋率，作為現(xiàn)狀年林草有效覆蓋率的最大值。進(jìn)而計(jì)算了現(xiàn)狀年不同時(shí)段的林草梯田有效覆蓋率Vet，結(jié)果見表1。

圖4 林草植被蓋度變化(遙感影像分辨率250 m)

表1 現(xiàn)狀年黃土高原林草梯田有效覆蓋率(Vet)

3 降雨條件設(shè)計(jì)

為深入認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)，針對(duì)黃河主要產(chǎn)沙區(qū)，設(shè)計(jì)了4種降雨情景：

(1)情景A。分析表明，與1956—2019年平均值比較，2010—2019年黃河主要產(chǎn)沙區(qū)汛期降雨偏豐10.5%，有效降雨P(guān)25偏豐24.0%；有效降雨偏豐主要表現(xiàn)在中東部的河龍間和涇河流域，而六盤山以西大部分地區(qū)明顯偏枯，見圖5。情景A為2010—2019年實(shí)際降雨的放大情景，放大原則是：凡其有效降雨P(guān)25達(dá)到1966—2019年平均值的1.2倍者，采用2010—2019年實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)；凡不足1.2倍者，采用1966—2019年實(shí)測(cè)降雨量的1.2倍。該情景6—9月降雨量總體偏豐15.7%，其中有效降雨P(guān)25偏豐29%。

圖5 2010—2019年有效降雨P(guān)25豐枯狀況

(2)情景B。情景A雖消除了圖5的降雨偏枯區(qū)域，但各地的豐枯程度不均，其中河龍間和涇河降雨更偏豐。為更合理地比較各支流的現(xiàn)狀產(chǎn)沙能力，將1966—2019年實(shí)測(cè)降雨量P25直接放大1.28倍，作為情景B。情景B的汛期降雨偏豐12.5%，其中有效降雨P(guān)25偏豐23%。

(3)情景C。該情景是1956—2019年實(shí)測(cè)降雨系列，其平均降雨量與1919—2019年百年均值相近。

(4)情景D。該情景年均降雨量與1956—1967年相當(dāng)，其汛期降雨偏豐17.3%，P25偏豐32%。

表2是各支流在設(shè)計(jì)降雨情景的有效降雨量(P25)，圖6詮釋了4種設(shè)計(jì)降雨情景的有效降雨(P25)豐枯程度，圖中1919—1955年數(shù)據(jù)是利用李慶祥等構(gòu)建的我國(guó)各地區(qū)1910—2009年汛期降雨網(wǎng)格化數(shù)據(jù)[10]、1956—2009年實(shí)測(cè)汛期降雨量和黃河陜縣站1919—1955年實(shí)測(cè)輸沙量等信息推算而成。不過，因1930年以前黃土高原只有太原、三門峽和平遙等3個(gè)雨量站，故其降雨數(shù)據(jù)可能與實(shí)際相差較大，僅供參考；1936年以后，數(shù)據(jù)的代表性逐漸提高。對(duì)比可見：

表2 各情景的有效降雨(P25)設(shè)計(jì)結(jié)果

圖6 1919—2020年黃河主要產(chǎn)沙區(qū)有效降雨變化

(1)2010—2019年降雨量大體介于情景A和情景B之間，但前者在六盤山以西地區(qū)降雨偏枯，尤其是有利于產(chǎn)沙的暴雨偏少，見圖5。值得注意的是，六盤山以西的祖厲河、清水河和馬蓮河上游，不僅是地形特殊、容易產(chǎn)沙的黃土丘陵區(qū)第5副區(qū)[9]，而且是目前林草梯田有效覆蓋率最低的區(qū)域，見圖7。

圖7 2018年林草梯田有效覆蓋率

(2)與1919—2019年百年均值相比，A、B、D三種情景的有效降雨分別偏豐29%、23%、32%，6—9月降雨偏豐15.7%、12.5%、17.3%。

4 結(jié)果分析

4.1 實(shí)際產(chǎn)沙情勢(shì)通過對(duì)黃土高原所有水庫(kù)和淤地壩地理位置、建成時(shí)間、控制面積、總庫(kù)容和已淤積庫(kù)容的深入調(diào)查和辨識(shí)，劉曉燕等計(jì)算了1950年代以來不同時(shí)期的壩庫(kù)攔沙量和灌溉引沙量[7]。

河道沖淤和采砂也是影響流域產(chǎn)沙還原的重要因素[11]。調(diào)查表明，研究區(qū)采砂主要表現(xiàn)在河龍間和十大孔兌，其中河龍間黃河干流采砂主要集中在府谷至龍門區(qū)間，近20年平均約4000萬t/a(粒徑0.15～5 mm)；支流采砂主要在窟野河、皇甫川和十大孔兌等粗沙區(qū)河流。對(duì)比府谷至龍門區(qū)間“支流入黃沙量”與“干流上下斷面的輸沙量之差”發(fā)現(xiàn)(圖8)：1996年以前，黃河干流該河段以“淤積為主”，但現(xiàn)在以“沖刷為主”，尤其是大量粗泥沙匯入的府谷至吳堡區(qū)間。1956—1996年，府谷-吳堡區(qū)間支流入黃沙量的15.4%(0.46億t/a)會(huì)沉積在干流；2000—2020年，該區(qū)支流入黃沙量0.26億t/a、黃河府谷以上流域來沙0.30億t/a，而吳堡斷面輸沙量達(dá)0.94億t/a，說明干流河道總體沖刷。故而推斷，2000年以來，黃河干流采砂主要為前期淤積的特粗泥沙，對(duì)支流入黃泥沙向龍門以下輸出影響極小。

圖8 1956—2020年黃河府谷-龍門區(qū)間干流沖淤變化(正值表示淤積)

采砂對(duì)黃河減沙量的影響，極可能主要發(fā)生在窟野河、皇甫川和十大孔兌等粗泥沙區(qū)支流。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，這些粗沙支流入黃斷面懸移質(zhì)粒徑大于0.1 mm的粗泥沙比例，已由1980年代以前的20～40%降為5%左右，說明大量粗泥沙未輸移至黃河干流。調(diào)研表明，近20年該區(qū)采砂量約2100萬t/a。

基于以上分析，采用式(1)，還原得到黃土高原在不同時(shí)期的產(chǎn)沙量，見表3。由表3可見，潼關(guān)以上黃土高原2010—2019年實(shí)際產(chǎn)沙量為4.43億t/a。

表3 2010—2019年黃土高原產(chǎn)沙量還原結(jié)果 單位：萬t/a

基于表3的結(jié)果，利用同期實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，可計(jì)算出2010—2019年各支流的產(chǎn)沙指數(shù)。進(jìn)而，計(jì)算出該時(shí)期下墊面在不同設(shè)計(jì)降雨情景下黃土高原的可能產(chǎn)沙量，結(jié)果見表4。對(duì)應(yīng)降雨情景A和降雨情景B，計(jì)算的黃土高原年均產(chǎn)沙量分別為4.60億t/a和4.40億t/a。

表4 2010—2019年下墊面在不同降雨情景下的產(chǎn)沙量計(jì)算結(jié)果 單位：萬t/a

4.2 理論推算的產(chǎn)沙情勢(shì)采用遙感水文統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算了2010—2019年下墊面在設(shè)計(jì)降雨情景的產(chǎn)沙量，結(jié)果見表4，表中蘭州至青銅峽未控區(qū)間、苦水河、北洛河劉家河-狀頭區(qū)間、涇河景村-張家山區(qū)間、渭河拓石-咸陽區(qū)間和汾河蘭村-河津區(qū)間，采用2010—2019年實(shí)際產(chǎn)沙量，合計(jì)0.43億t。由表4可見，現(xiàn)狀下墊面在四種設(shè)計(jì)降雨條件下的產(chǎn)沙量分別為4.77億t/a、4.59億t/a、3.90億t/a、4.98億t/a。

對(duì)比可見，基于2010—2019年下墊面背景，在情景A和情景B等兩種降雨情況下，利用實(shí)際產(chǎn)沙量推算的黃土高原產(chǎn)沙量分別為4.60億t/a、4.40億t/a，而用遙感水文統(tǒng)計(jì)模型推算的理論產(chǎn)沙量分別為4.77億t/a、4.59億t/a，二者相差約4%，說明理論方法基本可靠。

4.3 現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)綜合分析綜上，黃土高原2010—2019年下墊面在不同降雨情景下的多年平均產(chǎn)沙量為3.9億t/a～5.0億t/a。毋庸置疑，“現(xiàn)狀下墊面產(chǎn)沙量3.9億t/a～5.0億t/a”并不意味著極端暴雨年份沒有大沙。1933年，黃河實(shí)測(cè)沙量39.1億t，是過去百年的實(shí)測(cè)最大值、1919—1959年均值的2.44倍；1933年8月的特大暴雨落區(qū)有5個(gè)，其中3個(gè)位于涇河上中游和清水河部分地區(qū)，最大暴雨中心位于涇河西北部馬蓮河上游[12]。已有研究認(rèn)為[12]，基于2010—2019年各支流的降雨量-輸沙量關(guān)系，如果重現(xiàn)1933年汛期的全部降雨，并假定壩庫(kù)不攔沙、不水毀，入黃沙量可能達(dá)到17億t左右。利用遙感水文統(tǒng)計(jì)模型和1933年降雨數(shù)據(jù)，本文也粗略測(cè)算了1933年降雨重現(xiàn)在現(xiàn)狀下墊面的可能產(chǎn)沙量，約12億t～13億t(不考慮1933年之前連續(xù)11年枯水期的重力侵蝕累積影響)。推算沙量如此之大的原因有三方面：一是該年的最大暴雨中心恰為極易產(chǎn)沙的黃土丘陵溝壑區(qū)第5副區(qū)，故1933年涇河張家山站輸沙量高達(dá)11.7億t、黃河上游青銅峽站達(dá)4億t；二是最大暴雨落區(qū)目前幾乎是研究區(qū)植被梯田覆蓋最差的區(qū)域(圖7)，2018年該區(qū)林草梯田有效覆蓋率僅36%、相應(yīng)產(chǎn)沙指數(shù)約49t/(mm·km2)；三是有效降雨大，黃河主要產(chǎn)沙區(qū)面平均有效降雨量P25約280 mm，達(dá)多年均值的2.2倍(其中涇河2.6倍)。

2010年以來，雖然其它省區(qū)的梯田增量很小，但甘肅省在黃土高原持續(xù)實(shí)施了大規(guī)模梯田建設(shè)。因此，2010—2019年的黃土高原產(chǎn)沙環(huán)境仍處于改善過程中，即該時(shí)期的下墊面一致性仍存在缺陷。為使研究更貼近當(dāng)前產(chǎn)沙情勢(shì)、并提高成果對(duì)認(rèn)識(shí)未來產(chǎn)沙情勢(shì)的參考價(jià)值，以下擬識(shí)別出下墊面一致性更強(qiáng)的“現(xiàn)狀時(shí)段”，進(jìn)一步詮釋黃土高原的現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)。

文獻(xiàn)[13]指出，由于水資源條件限制，黃土高原植被狀況已趨穩(wěn)定；基于云霧山自然保護(hù)區(qū)30多年的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，程積民認(rèn)為[14]，封禁15～20年，植被的生物量及蓋度即達(dá)峰值。對(duì)比圖4可見，以上結(jié)論與我們遙感跟蹤監(jiān)測(cè)的結(jié)果完全一致。未來，雖然林草植被的類型仍將繼續(xù)演替，但受當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥罈l件制約，可體現(xiàn)生物量的植被蓋度很難繼續(xù)增加。遙感調(diào)查表明，與1978年前后相比，黃河主要產(chǎn)沙區(qū)的2018年林草地面積僅增加3211 km2，其中，河龍間、北洛河上游和十大孔兌增加10 501 km2，其他區(qū)減少7290 km2，加之農(nóng)村留守人口數(shù)量已穩(wěn)定數(shù)年，因此未來退耕的潛力很小。由此可見，由于林草植被蓋度和林草地面積的增加潛力極小，故林草有效覆蓋率繼續(xù)增長(zhǎng)的潛力非常有限。

實(shí)地調(diào)查走訪了解到，近十多年，雖然甘肅每年統(tǒng)計(jì)的梯田建設(shè)面積一直在增長(zhǎng)，但在2018年以來的新增梯田面積中，大多為老舊梯田改造升級(jí)，這與前階段情況差別很大。至“十四五”末，預(yù)計(jì)黃土高原研究區(qū)將新建梯田面積370萬畝，由此可使黃河主要產(chǎn)沙區(qū)的林草梯田有效覆蓋率增加0.8個(gè)百分點(diǎn)。之后，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力減少，對(duì)梯田的需求也會(huì)大幅降低。

由此可見，只要黃土高原氣候不發(fā)生大波動(dòng)，2018年以來的植被狀況和梯田保有面積不僅最具一致性，而且基本反映其未來情景。因此，基于2018年林草梯田有效覆蓋率(表2)，采用遙感水文統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算了4種設(shè)計(jì)降雨情景下的黃土高原產(chǎn)沙量，結(jié)果分別為4.31億t/a、4.17億t/a、3.55億t/a、4.48億t/a，其中最枯年份為1.6億t、最豐年份為7.4億t，該結(jié)果可基本反映黃土高原當(dāng)前下墊面在長(zhǎng)系列降雨情況下的產(chǎn)沙情勢(shì)。

與天然時(shí)期黃土高原年均產(chǎn)沙量“16.5億t/a”相比，黃土高原2010—2019年下墊面和2018年下墊面產(chǎn)沙能力分別降低約72%、75%，該減幅與采用不同技術(shù)路線得到的土壤侵蝕調(diào)查結(jié)論基本一致，見表5。

表5 歷次土壤侵蝕遙感調(diào)查結(jié)果(本文界定的潼關(guān)以上黃土高原范圍)

值得注意的是：(1)黃土高原產(chǎn)沙能力進(jìn)一步降低的潛力很小。一方面，如前文所述，未來植被進(jìn)一步改善和梯田大量增加的空間十分有限。另一方面，基于流域產(chǎn)沙與植被梯田覆蓋狀況的響應(yīng)規(guī)律[8]，林草梯田有效覆蓋率大于60%后流域產(chǎn)沙指數(shù)趨于穩(wěn)定(圖9)，而黃河主要產(chǎn)沙區(qū)的2018年林草梯田有效覆蓋率已達(dá)60.3%。因此，“十四五”以后，若無遏制流域產(chǎn)沙的創(chuàng)新措施，該區(qū)產(chǎn)沙指數(shù)很難繼續(xù)降低。

圖9 流域尺度上植被梯田覆蓋狀況與產(chǎn)沙指數(shù)的關(guān)系

(2)黃土高原產(chǎn)沙量存在明顯的反彈風(fēng)險(xiǎn)。如果扣除栽種在梯條田上的喬灌植物(產(chǎn)沙計(jì)算時(shí)，已將此類地塊計(jì)入梯田)，目前大部分地區(qū)仍以草本植物為主、間有小灌木，抵御干旱和人畜干擾的能力較弱，尤其是降雨量300～450 mm的主要產(chǎn)沙區(qū)，經(jīng)歷了2021年春夏大旱后植被蓋度明顯下降，見圖10。在現(xiàn)狀人類活動(dòng)強(qiáng)度下，研究區(qū)植被蓋度主要取決于前期降雨條件，見圖11。若經(jīng)歷1991～2002年連續(xù)干旱年，植被蓋度可能會(huì)下降17%、退至2010年，隨后黃土高原產(chǎn)沙量為5.5億t/a～6.5億t/a(梯田采用2021年數(shù)據(jù))、至潼關(guān)5億t/a～6億t/a；若自然修復(fù)形成的草灌植被全部“犧牲”，黃土高原產(chǎn)沙量存在反彈至8億t/a左右的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 2000—2021年黃土高原不同氣候帶林草植被蓋度變化

圖11 現(xiàn)狀人類活動(dòng)強(qiáng)度下植被蓋度與降雨量的關(guān)系

(3)潼關(guān)以上流域產(chǎn)沙量并不等于潼關(guān)斷面輸沙量。因水庫(kù)和淤地壩等溝道工程攔截、灌溉引沙和河道沖淤調(diào)整等，能夠入黃或輸移至潼關(guān)斷面的沙量，必然小于流域產(chǎn)沙量。正是由于一半左右的泥沙被層層攔截，2000年以來潼關(guān)年均輸沙量只有2.41億t/a。分析認(rèn)為[7]，現(xiàn)狀壩庫(kù)仍具有一定的攔沙能力，“十四五”期間還將有4000余座淤地壩和涇河?xùn)|莊水庫(kù)等即將建成投運(yùn)，故未來30年內(nèi)潼關(guān)以上地區(qū)壩庫(kù)攔沙作用仍可維持在1.6億t/a～2.0億t/a。由此可見，未來30年內(nèi)，盡管黃土高原產(chǎn)沙量達(dá)3.6億t/a～4.5億t/a(若不補(bǔ)建新攔沙壩，假定植被維持2018年水平)，但潼關(guān)輸沙量仍可能只有2億t/a～3億t/a。之后，隨著東莊等現(xiàn)狀壩庫(kù)淤滿，潼關(guān)沙量將逐漸反彈：考慮青藏高原產(chǎn)沙、灌溉引沙和河道沖淤，潼關(guān)輸沙量最終可能與黃土高原的產(chǎn)沙量相當(dāng)。

(4)未來潼關(guān)輸沙量基本取決于黃土高原入黃沙量。青藏高原多年平均產(chǎn)沙量0.3億t/a，天然時(shí)期也是潼關(guān)輸沙量的組成部分，但因龍羊峽、李家峽、九甸峽和納子峽等一系列大中型水庫(kù)攔截，預(yù)計(jì)未來200年內(nèi)很難有泥沙下泄。黃河青銅峽至三湖河口區(qū)間存在灌溉引沙和風(fēng)沙入黃問題，但2010年以來的灌溉引沙量?jī)H0.12億t/a；而風(fēng)沙粒徑太粗，很難輸移至潼關(guān)斷面。

5 結(jié)論

(1)綜合考慮影響流域產(chǎn)沙的植被和梯田因素變化、各支流實(shí)測(cè)洪水及其含沙量變化，認(rèn)為黃土高原2010年以來的下墊面，可作為現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)評(píng)價(jià)的代表下墊面。尤其是2018年以來的黃土高原下墊面，其產(chǎn)沙環(huán)境更具一致性。

(2)利用1956—2019年實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了四種汛期降雨情景。通過實(shí)際產(chǎn)沙和理論產(chǎn)沙分析認(rèn)為，如果汛期降雨較1956—2019年均值偏豐0～17.3%，黃土高原2010—2019年下墊面的多年平均產(chǎn)沙量為3.9億t/a～5億t/a?；?018年以來下墊面水平的多年平均產(chǎn)沙量為3.6億t/a～4.5億t/a。

(3)綜合分析未來植被梯田發(fā)展趨勢(shì)、流域產(chǎn)沙與植被梯田覆蓋程度的響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為黃土高原產(chǎn)沙能力進(jìn)一步降低的潛力很??；而且，在降雨量450 mm以下的黃土高原，由于新生草被脆弱，未來存在產(chǎn)沙量反彈至5億t/a～8億t/a的風(fēng)險(xiǎn)。因此，服務(wù)于治黃重大工程布局的沙量設(shè)計(jì)必須有底線思維。

(4)由于已建和在建壩庫(kù)攔截和灌溉引沙等因素影響，未來30年內(nèi)，可輸移至黃河潼關(guān)斷面的沙量仍將遠(yuǎn)小于黃土高原產(chǎn)沙量。之后，隨著已建和在建壩庫(kù)淤滿，若不補(bǔ)建新攔沙壩，潼關(guān)沙量將逐漸反彈。

由于未來潼關(guān)輸沙量基本取決于黃土高原入黃沙量，故本文對(duì)黃土高原現(xiàn)狀產(chǎn)沙情勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)認(rèn)識(shí)黃河來沙形勢(shì)具有重要意義。