黃河重大水利工程設(shè)計(jì)沙量論證

張 建，萬占偉，陳松偉

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），河南鄭州 450003）

2000 年以來黃河實(shí)測水沙量顯著減少，尤其輸沙量減少更為明顯，潼關(guān)水文站年均輸沙量由1919—1969 年的16 億t 減少至2000—2020 年的2.39 億t。黃河水沙情勢的劇烈變化引起了社會(huì)各方關(guān)注，并針對(duì)近期黃河水沙變化原因和發(fā)展趨勢開展了大量研究。 姚文藝等［1］認(rèn)為與1960—1969 年相比，1997—2006 年黃河中游產(chǎn)沙量減少11.80 億t，降雨因素占50.3%，水利水保措施作用占49.7%，并預(yù)測2030 年、2050 年黃河年均來沙量分別為8.61 億～9.56 億t 和7.94 億～8.66 億t。 劉曉燕［2］提出2007—2014 年黃河流域下墊面因素減沙量為15.6 億～17.3 億t，主要產(chǎn)沙區(qū)年均雨量和雨強(qiáng)與1956—1975 年相當(dāng)，預(yù)測在2007—2014 年下墊面和1966—2014 年平均降雨量情況下，潼關(guān)年均輸沙量為5 億t。 2013—2014 年黃河水利委員會(huì)組織開展的“黃河水沙變化研究”［3］提出2000—2012 年黃河總減沙量為13.72 億t，其中降雨因素約占20%，人類活動(dòng)因素約占80%，預(yù)估在黃河古賢水庫投入運(yùn)用后，未來30 ～50 a 黃河潼關(guān)站年均輸沙量3 億～5 億t，未來50 ～100 a 年均輸沙量5 億～7 億t。 胡春宏［4］預(yù)計(jì)未來30 ～50 a，潼關(guān)站年均沙量將穩(wěn)定在3 億t 左右。 王光謙等［5］認(rèn)為潼關(guān)站輸沙量2020 年左右達(dá)到最低點(diǎn)，未來10 a、20 a、50 a 年均輸沙量分別為2.83 億、3.13 億、4.12 億t。 由于黃河水沙變化復(fù)雜，因此學(xué)者對(duì)黃河未來沙量的變化趨勢仍存在不同認(rèn)識(shí)，這成為重大工程開發(fā)論證中爭論的焦點(diǎn)，給黃河治理開發(fā)規(guī)劃帶來了諸多影響。 因此，有必要站在黃河治理開發(fā)及重大工程建設(shè)的角度，慎重論證水沙變化趨勢。

1 黃河近期水沙變化特征

黃河具有水少沙多、水沙異源、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)、水沙年際變化大等特點(diǎn)。 1919—2020 年黃河干流潼關(guān)站實(shí)測多年平均徑流量364.47 億m3、輸沙量11.12億t，平均含沙量30.5 kg／m3。 20 世紀(jì)80 年代以來，受氣候變化和人類活動(dòng)影響，黃河實(shí)測水沙發(fā)生了變化。

1）實(shí)測水沙量明顯減少。 潼關(guān)站2000—2020 年年均水沙量分別為259.10 億m3、2.39 億t，較1919—1959 年分別減少39.2%和85.0%。 河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間（河龍區(qū)間）水沙量減少幅度分別為72.5%、89.2%，主要產(chǎn)沙區(qū)用于輸沙的水量大幅度減少。

2）干流徑流量年內(nèi)分配發(fā)生變化，汛期比例減小。 1967 年以前，干流頭道拐、龍門、潼關(guān)站汛期來水量的比例分別為62.1%、60.4%、60.4%。 受水庫調(diào)蓄和工農(nóng)業(yè)用水影響，1987 年以來，頭道拐、龍門、潼關(guān)站汛期來水量的比例下降為40%左右。

3）汛期有利于輸沙的大流量歷時(shí)和水量減少。潼關(guān)站汛期日均流量大于2 000、4 000 m3／s 的平均歷時(shí)由1968 年以前的年均78、19 d 分別減少到2000 年以來的年均20、1 d，相應(yīng)水量由年均229.9 億、81.3 億m3減少到48.9 億、5.4 億m3，水流輸沙動(dòng)力大大減弱。

4）水沙異源及水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)的特性未發(fā)生變化。 黃河流域地貌類型決定了黃河水沙異源的特性不會(huì)發(fā)生變化，黃河60%的水量仍來自于河口鎮(zhèn)以上、90%的沙量仍來自河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間。 2000 年以來黃河水沙量均有所減少，但潼關(guān)站汛期含沙量仍為20 kg／m3左右，且汛期有利于輸沙的大流量歷時(shí)和水量大幅度減少，水沙關(guān)系仍不協(xié)調(diào)。 在不考慮小浪底水庫攔沙的情況下，下游河道仍會(huì)呈現(xiàn)淤積狀態(tài)。

2 近期水沙變化原因

2.1 近期水沙變化主要影響因素

黃河水沙變化不僅與氣候降雨因素有關(guān)，而且與水利工程、生態(tài)建設(shè)工程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等人類活動(dòng)因素有關(guān)。 古賢水利樞紐可行性研究［6］采用水文法，利用《黃河流域水文設(shè)計(jì)成果修訂》［7］提出的黃河主要控制站近期下墊面天然徑流量，提出2000—2015 年黃河總減沙量12.97 億t，其中：降雨因素減沙2.58億t，約占20%；人類活動(dòng)減沙10.39 億t，約占80%。

2.2 降雨強(qiáng)度降低、過程均勻化是近期沙量減少的重要原因

分別采用日雨量資料、降水量摘錄資料，統(tǒng)計(jì)黃河主要產(chǎn)沙區(qū)河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間1954—2015 年不同時(shí)段年降水量、7—8 月降水量以及不同強(qiáng)度降水量變化（見表1），可以看出，2000—2015 年河龍區(qū)間年均降水量與1954—1969 年相當(dāng)，但主汛期7—8 月降水量較1954—1969 年減少10.3%，其中雨強(qiáng)大于0.6 mm／min的降水量減少32.2%，減少更加明顯。 一方面，黃土高原降雨強(qiáng)度降低不利于坡面產(chǎn)流輸沙，從而導(dǎo)致入黃沙量減少；另一方面，降雨強(qiáng)度降低、過程均勻化有利于林草植被生長，進(jìn)一步減少了土壤侵蝕。

表1 不同時(shí)段河龍區(qū)間年均降水量統(tǒng)計(jì)

2.3 水利水保工程大量建設(shè)，顯著減少了入黃泥沙

截至2020 年，黃河流域水土保持措施累計(jì)面積約24 萬km2，建設(shè)淤地壩5.9 萬余座，其中骨干壩約6 000座。 經(jīng)分析，水利水保工程年均減少入黃泥沙9.52億t，其中坡面措施（包括梯田、林地、草地、封禁治理）、淤地壩、水庫年均減沙量分別占45.2%、35.0%和19.8%［6］。 高健翎等［8-9］提出，1996—2015 年水土保持工程年均減少入黃泥沙4.35 億t。 李景宗等［10］認(rèn)為2000—2012 年潼關(guān)以上淤地壩年均攔沙減蝕量為4.50億t，其中年均攔沙量3.75 億t，年均減蝕量0.75億t，對(duì)該時(shí)段泥沙減少的貢獻(xiàn)率為34%。 劉曉燕［2］認(rèn)為，黃河中游五站（龍門、咸陽、張家山、河津、頭，下同）以上地區(qū)主要下墊面因素在2007—2014 年的實(shí)際減沙量為15.6 億～17.3 億t，其中林草梯田等年均減沙12.54 億～14.11 億t，水庫和淤地壩攔沙以及灌溉引沙實(shí)際攔（引）沙3.2 億t，其中水庫年均攔沙量1.81億t。

另外，黃土高原退耕還林還草、水資源開發(fā)利用、流域煤礦開采以及河道采砂等也對(duì)入黃泥沙減少起了一定作用［11-14］。

3 未來沙量預(yù)測

3.1 水文法預(yù)測成果

未來黃河輸沙量與主要產(chǎn)沙區(qū)產(chǎn)流量密切相關(guān)。2000 年以來，黃河輸沙量銳減的主要原因是黃土高原主要產(chǎn)沙區(qū)降雨強(qiáng)度降低、過程均勻化，以及水利水保工程對(duì)下墊面條件的影響，導(dǎo)致黃土高原坡面產(chǎn)流減少。 水流是輸送泥沙的動(dòng)力，坡面侵蝕、重力侵蝕的泥沙只有依靠水流動(dòng)力才能輸送到河道，同時(shí)進(jìn)入河道的水流可誘發(fā)重力侵蝕，使水流挾帶的沙量得到充分補(bǔ)給，主要產(chǎn)沙區(qū)進(jìn)入河道的水量減少是導(dǎo)致入黃沙量減少的直接因素。 由黃河中游主要產(chǎn)沙區(qū)和支流汛期實(shí)測徑流量與輸沙量的關(guān)系（見圖1 和圖2）可以看出，2000 年以來部分年份徑流量與輸沙量關(guān)系發(fā)生了一定的變化，相同徑流量對(duì)應(yīng)的輸沙量略有減少，原因主要是河龍區(qū)間降雨強(qiáng)度降低，洪水發(fā)生次數(shù)及洪量明顯減少，相同水量的輸沙能力降低。

圖1 河龍區(qū)間汛期實(shí)測徑流量與輸沙量的關(guān)系

圖2 北洛河劉家河站汛期實(shí)測徑流量與輸沙量的關(guān)系

未來黃河來沙量與主要產(chǎn)沙區(qū)的水量密切相關(guān)?；凇饵S河流域水文設(shè)計(jì)成果修訂》提出的近期下墊面條件下干支流天然徑流量系列成果，考慮未來氣候降雨周期性變化特征，考慮水庫的調(diào)節(jié)、河道外工農(nóng)業(yè)用水和河道斷面生態(tài)流量要求，計(jì)算干支流控制斷面未來徑流系列變化過程。 依據(jù)近期下墊面代表時(shí)段（1980 年以來）實(shí)測水沙資料，建立河口鎮(zhèn)以上、河龍區(qū)間、汾河、渭河、北洛河等區(qū)域徑流量與輸沙量的關(guān)系（見表2），采用干支流控制斷面未來徑流系列，計(jì)算得到近期下墊面條件下黃河四站（龍門、華縣、河津、頭，下同）多年平均輸沙量為9.5 億t。 目前黃河流域水土保持率為66%（水土流失治理達(dá)到微度的面積占區(qū)域面積的比例），2035 年將達(dá)70%，預(yù)計(jì)2050 年后達(dá)到閾值，穩(wěn)定在73%左右。 按2000 年以來水土保持率的增長率和期間坡面措施年均減沙量，預(yù)估未來新增的水土保持工程減沙量年均1.5 億t 左右，則設(shè)計(jì)水平年黃河年均來沙量為8 億t 左右。

表2 主要控制站（區(qū)間）徑流量與輸沙量的關(guān)系

3.2 成因分析法預(yù)測成果

3.3 未來黃河仍會(huì)出現(xiàn)大水大沙年份

水土保持措施標(biāo)準(zhǔn)不高，在降雨強(qiáng)度不大條件下起到較好的減水減沙作用，但遇大暴雨時(shí)減水減沙作用將顯著降低，甚至出現(xiàn)水毀增沙。 表3 為無定河流域歷史上與“20170726”暴雨洪水相似降雨（50 mm 籠罩面積、場次雨量基本相同，降雨中心均位于黃土丘陵溝壑區(qū)）的產(chǎn)洪產(chǎn)沙量，由表3 可以看出，雖然不同時(shí)期流域水土流失治理程度有一定差別，但是同一來源區(qū)的高強(qiáng)度降雨的產(chǎn)洪產(chǎn)沙水平仍基本接近。 由此可以判斷，未來只要黃河流域發(fā)生類似的大范圍、高強(qiáng)度、長歷時(shí)降雨，黃河仍會(huì)出現(xiàn)大水大沙年份。 現(xiàn)狀下墊面條件下，若重現(xiàn)1933 年大暴雨，潼關(guān)站場次沙量可能達(dá)到17 億t。

表3 無定河流域典型暴雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量統(tǒng)計(jì)

3.4 沙量預(yù)測成果綜合分析

1）已有水沙變化研究預(yù)測成果。 現(xiàn)有成果對(duì)未來30～50 a 黃河來沙量的預(yù)測結(jié)果大致在3 億～10 億t，沙量預(yù)測成果存在一定差異。

2）黃土高原自然侵蝕背景值研究成果。 認(rèn)識(shí)歷史上人類活動(dòng)影響較小時(shí)期黃土高原侵蝕產(chǎn)沙量，對(duì)預(yù)估今后水土保持作用下的黃河來沙量具有重要參考意義。 景可等［15-16］利用黃河下游河道淤積特性、河口地區(qū)泥沙沉積比等資料，估算全新世中期（距今3 000～6 000 a）黃土高原自然侵蝕量約為9.75 億t；李元芳［17］依據(jù)史書記載、淤積物特性、14C 測年值等，估算黃河流域年均產(chǎn)沙量6.5 億t 左右。 吳祥定［18］認(rèn)為秦至西漢時(shí)期（距今2 000 余a）黃土高原自然侵蝕背景值為年均6.5 億～10.0 億t。 朱照宇等［19］根據(jù)現(xiàn)代河流沉積物的粒度組成、河流輸沙量、徑流量和年降水量等數(shù)據(jù)建立了各指標(biāo)的回歸方程，提出在環(huán)境穩(wěn)定時(shí)期（距今2 000～4 000 a）自然侵蝕量為8.6 億～11.1 億t。 師長興等［20］基于華北平原93 個(gè)鉆孔中淤積物數(shù)據(jù)，結(jié)合182 組放射性同位素14C 測年數(shù)據(jù)，提出距今2 000余a 人類活動(dòng)影響較小時(shí)期黃河上中游年來沙量6.2 億t。 可見，黃土高原自然侵蝕背景值為6 億～11 億t，即歷史上人類活動(dòng)影響較小時(shí)期黃河年均來沙量為6 億～11 億t。

3）沙量預(yù)測的不確定因素。 黃河水沙年際變化大，一般枯水枯沙與豐水豐沙交替出現(xiàn)，豐枯段周期長短不一。 如黃河干流陜縣水文站在人類活動(dòng)影響較小的20 世紀(jì)50 年代以前出現(xiàn)了1922—1932 年枯水枯沙時(shí)段，年均沙量為11.4 億t，其中1928 年沙量僅為4.8 億t，隨后1933 年出現(xiàn)特大暴雨洪水，年沙量高達(dá)39 億t。 隨著全球氣候變暖，極端暴雨出現(xiàn)概率增大，面對(duì)高強(qiáng)度大暴雨，林草、梯田等坡面措施的減沙作用會(huì)顯著降低，并且林草植被一旦破壞，恢復(fù)周期內(nèi)將失去蓄水保土能力。 水庫、淤地壩淤滿后將失去攔沙作用，淤地壩遭遇超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的暴雨洪水時(shí)，還有可能水毀增沙。 三門峽水利樞紐工程就是設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水土保持減沙前景估計(jì)過于樂觀，導(dǎo)致水庫運(yùn)用4 a 之后335 m高程以下庫容淤積損失近半，嚴(yán)重威脅關(guān)中地區(qū)以西安為中心的工農(nóng)業(yè)基地安全，工程被迫改建，對(duì)泥沙問題估計(jì)不足教訓(xùn)慘痛。

4）設(shè)計(jì)沙量推薦。 未來沙量是黃河治理與保護(hù)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，江河治理規(guī)劃、重大戰(zhàn)略工程建設(shè)要著眼于黃河長治久安、永續(xù)利用，時(shí)間尺度應(yīng)在百年以上，對(duì)未來沙量預(yù)測應(yīng)慎重決策、留有余地。 綜合以上分析，依據(jù)《工程泥沙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》，考慮已有的水沙研究預(yù)測成果、黃土高原侵蝕背景值以及黃河沙量變化的周期性和不確定性，從工程設(shè)計(jì)安全出發(fā)，重大治黃戰(zhàn)略工程設(shè)計(jì)黃河四站年均來沙量宜采用8 億t，以來沙量6 億t 開展工程建設(shè)方案敏感性分析。

4 結(jié)論

1）2000 年以來黃河實(shí)測水沙量顯著減少，但黃河水沙異源、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)的特性未發(fā)生改變，且汛期有利于輸沙的大流量歷時(shí)和水量大幅度減少，水流輸沙能力減弱，在不考慮小浪底水庫攔沙的情況下，下游河道仍呈現(xiàn)淤積狀態(tài)。

2）氣候降雨變化和人類活動(dòng)是近期水沙變化的主要影響因素。 水利水保工程的大量建設(shè)，顯著減少了入黃泥沙，而降雨強(qiáng)度降低、過程均勻化也是近期沙量減少的重要原因。

3）保護(hù)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興和永續(xù)發(fā)展的千秋大計(jì)，未來沙量是黃河治理與保護(hù)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，江河治理規(guī)劃、重大戰(zhàn)略工程建設(shè)要著眼于黃河長治久安、永續(xù)利用，時(shí)間尺度應(yīng)在百年以上，對(duì)未來沙量預(yù)測應(yīng)慎重決策、留有余地。 綜合黃河歷史沙量演變規(guī)律及已有研究成果，考慮黃河沙量變化的周期性和不確定性，從工程設(shè)計(jì)安全出發(fā)，重大治黃戰(zhàn)略工程設(shè)計(jì)黃河四站年均來沙量宜采用8 億t，以來沙量6 億t 開展工程建設(shè)方案敏感性分析。