胡春宏，張曉明

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

黃河自西向東流經(jīng)九省區(qū)，以占全國2%的河川徑流量，承擔(dān)了全國15%的耕地面積和12%的人口供水重任，為國家的經(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)。黃土高原位于黃河中游，是我國最嚴(yán)重的水土流失與生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。新中國成立以來，經(jīng)過60多年的治理，黃土高原主色調(diào)已改變，黃河水沙情勢發(fā)生巨大變化，據(jù)實(shí)測資料，潼關(guān)水文站年輸沙量由1919—1959年的16億t減少至2010年以來的1.5億t，減少約90.6%。黃河水沙情勢劇變，已影響黃土高原乃至黃河流域現(xiàn)有規(guī)劃與治理參照依據(jù)的科學(xué)性和適宜性，直接關(guān)系到黃河水沙調(diào)控體系布局和下游寬灘區(qū)治理方向等未來治黃方略的制定［1］。

黃河屬于多泥沙河流，具有顯著的地域特征。在國際上，涉及黃河流域水沙演變機(jī)理的研究較少，其它典型河流水沙變化研究主要集中在洪沙產(chǎn)輸機(jī)制［2］、環(huán)境要素變化對河流輸沙量影響［3-4］以及流域水循環(huán)演變規(guī)律與歸因分析［5-6］，并基于機(jī)理研究開發(fā)了不同時(shí)空尺度流域水文模型，探討不同情景下流域徑流未來變化趨勢［7-8］。未來氣候情景下的徑流泥沙預(yù)測，多采用全球氣候模式情景預(yù)測結(jié)果與水文模型耦合研究方法［9］。Walling和Fang分析了全球（除非洲和南美洲以外）的145條主要河流泥沙量變化情況，認(rèn)為壩庫工程、水土保持措施等是河流泥沙減少的主要影響因素［10］。自1980年代以來，國內(nèi)先后設(shè)立各類科技計(jì)劃圍繞黃河水沙變化特性、成因、規(guī)律及發(fā)展趨勢開展相關(guān)研究工作。如1988和1995年水利部設(shè)立兩期黃河水沙變化研究基金和黃委設(shè)立三期黃河流域水土保持科研基金，以及國家“八五”“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目的相關(guān)課題等?！笆晃濉眹铱萍贾斡?jì)劃課題“黃河流域水沙變化情勢評價(jià)研究”，分析了黃河流域1997—2006年的水沙變化成因，預(yù)測了2020年和未來30～50年的水沙變化趨勢［11］?！笆濉眹铱萍贾斡?jì)劃課題“黃河中游來沙銳減主要驅(qū)動力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”系統(tǒng)評價(jià)了梯田、林草措施等的減沙作用及其對水沙變化的貢獻(xiàn)率［12-13］。2013—2014年，黃河水利委員會與中國水利水電科學(xué)研究院聯(lián)合開展了“黃河水沙變化研究”，對2000—2012年黃河水沙變化成因、趨勢、驅(qū)動因子貢獻(xiàn)率進(jìn)行了系統(tǒng)分析評價(jià)，并預(yù)測了未來30 ～ 50年黃河來水來沙量［14］。

綜上所述，江河水沙變化問題一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)［15］，特別是黃河水沙變化研究，是當(dāng)前黃河治理的焦點(diǎn)和難點(diǎn)問題，也取得了一系列成果，包括黃河水沙變化特性［16］、成因［17］、規(guī)律［18］、不同措施減蝕效應(yīng)及對水沙變化貢獻(xiàn)率［19］等，并采用水保法、水文法等開展未來水沙變化趨勢預(yù)測［20］，為不同時(shí)期的黃河治理開發(fā)實(shí)踐提供了重要的科學(xué)依據(jù)。鑒于黃土高原侵蝕產(chǎn)沙問題的復(fù)雜性，在產(chǎn)匯流機(jī)制變化、水沙非線性關(guān)系、水沙-地貌-生態(tài)多過程耦合效應(yīng)等關(guān)鍵機(jī)理方面認(rèn)識仍有待深入，流域水沙動力學(xué)過程模擬技術(shù)仍有待突破，水沙變化趨勢預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)性仍有待提高。為此，本文在黃河水沙變化過程及其特征分析基礎(chǔ)上，辨析水沙變化趨勢預(yù)測結(jié)果的差異性，并圍繞黃河水沙變化趨勢預(yù)測結(jié)果可信度的若干關(guān)鍵問題展開討論。

2 黃河水沙變化過程及其特征

黃河干流全長5464 km，流域面積79.5萬km2。根據(jù)地理分布，自上而下分為三部分：內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)以上為上游，河口鎮(zhèn)至河南孟津?yàn)橹杏?，孟津以下為下游，其中干流頭道拐站、潼關(guān)站和花園口站分別為黃河上、中、下游分界點(diǎn)的代表性控制站。黃河流域地理位置及干流主要水文站分布如圖1所示。

圖1 黃河流域地理位置及干流主要水文站分布

圖2 黃河干流水量和沙量的空間分布

2.1 水沙異源與地區(qū)分布極不均 黃河干流主要水文站1950—2016年（唐乃亥站的數(shù)據(jù)起于1956年）平均徑流量和輸沙量對比情況如圖2所示，花園口站過水量最高，為368.32億m3，而潼關(guān)站的泥沙輸移量最高，為9.61億t。黃河流域來水來沙量在空間上呈現(xiàn)出不均勻性，其中水量主要來自蘭州以上冰川和降雪融水，唐乃亥站與蘭州站來水量分別占全河天然徑流量約37.0%和59.4%，而來沙量僅占全河沙量（潼關(guān)站沙量）的1.1%和6.4%。蘭州站至頭道拐站區(qū)域間，年降水量少，對徑流補(bǔ)充有限，頭道拐站過水量較蘭州站降低30.2%，輸沙量頭道拐站卻比蘭州站增加60.9%。頭道拐至龍門區(qū)間，是黃河多沙粗沙主要來源區(qū)，該區(qū)入黃泥沙占潼關(guān)以上總輸沙量的70.0%以上。由此可見，黃河來水來沙異源，地區(qū)分布不均，黃河來水量主要來自蘭州以上區(qū)域，占全河的62.0%，來沙量僅占全河的7.5%；黃河泥沙主要來自頭道拐至潼關(guān)區(qū)間，來沙量占全河的91.0%，來水量僅占全河的28.5%。

圖3 1919—2016年黃河潼關(guān)水文站水沙量變化過程

表1 黃河干流主要水文站1950—2016年徑流輸沙年際變化趨勢

2.2 水沙銳減與時(shí)空減幅不同步 黃河水沙主要來自于上中游地區(qū)，潼關(guān)站控制黃河流域面積91%、徑流量90%、泥沙近100%。通過對潼關(guān)站1919—2016年水沙過程實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)分析，黃河徑流量和沙量分別從1919—1959年的426.4億m3和16.0億t減少到2000—2010年的215.1億m3和3.0億t，分別減少50.4%和81.3%，特別2011年以來，潼關(guān)站沙量已銳減到1.5億t左右，如圖3所示。蘭州、頭道拐和潼關(guān)站1950—2016年徑流量和輸沙量年際變化M-K趨勢性分析如表1所示，由表可見，近70年來黃河干流年徑流量呈顯著性減少趨勢（p＜0.5），但上中游減少趨勢差異較大，潼關(guān)站年徑流減少趨勢最為顯著（p＜0.001），年均減少量達(dá)4.12億m3。黃河干流年輸沙量各站均呈現(xiàn)顯著性減少趨勢（p＜0.001），潼關(guān)站年輸沙量減少尤為顯著，蘭州站最少。對各站徑流輸沙數(shù)據(jù)序列進(jìn)行Pettitt突變檢驗(yàn)可知，三站年徑流突變年份較為一致，即1985/1986年；而年輸沙量突變年份各站差異較大，潼關(guān)站年輸沙量減少突變年份為1981年和1999年，蘭州和頭道拐站則分別為1999年和1985年。根據(jù)流域下墊面變化特征與水沙變化的突變年份，可分5個(gè)時(shí)段來分析三站水量和沙量特征值變化，如圖4所示。從徑流量來看，蘭州站自2000年以后有明顯增加，而潼關(guān)站自2010年以后才呈現(xiàn)增加趨勢，頭道拐站在區(qū)域上介于兩站之間，因此，變化呈現(xiàn)出過渡性變化特征。從輸沙量來看，相應(yīng)箱線圖中中值、75%分位值、25%分位值、最大值和最小值均顯示了各站各階段呈逐步遞減趨勢；頭道拐站自1980年代后期至今泥沙量基本保持不變，而潼關(guān)站一直呈現(xiàn)穩(wěn)步減少趨勢。另外，黃河水量減少主要集中在頭道拐以上，尤其在1980年代后期徑流量顯著減少，此后基本維持在166.61億m3左右。黃河泥沙減少主要集中在頭道拐至潼關(guān)區(qū)間，2011年以來潼關(guān)站輸沙量減少的14.18億t中，頭道拐以上占7.4%，頭道拐至潼關(guān)區(qū)間占92.6%。顯然，黃河來水來沙量在1980年代后期較以前顯著減少，水沙變化趨勢在年際及空間分布上均不同步，但黃河水沙異源的空間分布格局仍然持續(xù)。

2.3 汛期利于輸沙的流量持續(xù)時(shí)間和相應(yīng)水量大幅減少 黃土高原土壤抗蝕力弱，大部分流域年產(chǎn)沙量主要是由汛期幾場短歷時(shí)、高強(qiáng)度的暴雨造成，因此，黃河來沙量對區(qū)域降雨非常敏感。由實(shí)測資料表明，黃河徑流量的年內(nèi)分配表現(xiàn)為：汛期徑流量占年徑流量的比例減少，年內(nèi)徑流量月分配趨于均勻，如圖5所示，潼關(guān)站1950—1969年汛期水量占全年水量的比例分別從59.1%下降到2010—2016年的46.0%。在黃河水沙量變化的同時(shí)，黃河水沙過程也發(fā)生了很大變化，汛期平枯水流量歷時(shí)增加，有利于輸沙的大流量歷時(shí)和相應(yīng)水量明顯減少，如圖6所示，2000—2012年潼關(guān)站日均流量大于2000 m3/s出現(xiàn)天數(shù)占汛期天數(shù)的比例由過去的62.2%減少為8.8%，大于2000 m3/s水量占汛期水量的比例由過去的75.8%減少為24.6%，大于2000 m3/s沙量占汛期沙量的比例由過去的87.2%減少為31.2%。蘭州與頭道拐站也具有相似的變化特性。

圖4 黃河蘭州、頭道拐和潼關(guān)水文站1950—2016年水沙變化過程

圖5 黃河潼關(guān)和頭道拐站不同時(shí)期汛期水量占全年水量比例變化

圖6 黃河干流主要水文站2000m3/s以上流量級出現(xiàn)天數(shù)、水量、沙量占汛期比例變化過程

2.4 含沙量的階段變化隨水利水保工程建設(shè)協(xié)同響應(yīng) 黃河單位徑流輸沙能力強(qiáng)，受干流三門峽（1960年）、劉家峽（1968年）、龍羊峽（1985年）和小浪底（1999年）等水庫蓄水淤沙影響，各站年均含沙量發(fā)生階段性變化，如圖7所示。唐乃亥站泥沙來源較少且上游無水庫運(yùn)行，其含沙量維持在0.5 kg/m3的較低水平。蘭州站受上游劉家峽水庫運(yùn)行影響，1968年前后含沙量從3.45 kg/m3降低到1.48 kg/m3。頭道拐站則從1968年以前的6.36 kg/m3降到劉家峽建成運(yùn)行后的4.42 kg/m3，1985年龍羊峽建成并聯(lián)合運(yùn)行后含沙量又降至2.71 kg/m3，比1968年以前降低約57.4%。潼關(guān)站距離上游的劉家峽和龍羊峽水庫較遠(yuǎn)，且沙量主要來自頭潼區(qū)間，因此，水庫汛期蓄水對潼關(guān)站含沙量影響并不顯著，龍羊峽水庫運(yùn)行期間（1988—1999年）的含沙量比水庫建設(shè)以前僅降低9.9%。而1981—1987年和2000年后兩段的含沙量顯著降低，均為區(qū)間水土保持效益發(fā)揮所致［10，21］?；▓@口站在1981—1987年期間同潼關(guān)站一樣，含沙量急速降低至15.76 kg/m3，而后在1987年后又恢復(fù)到26.98 kg/m3；1999年小浪底水庫建成運(yùn)行后，含沙量再次急速降低至4.17 kg/m3，此時(shí)的含沙量相當(dāng)于1950—1980年間含沙量的8.4%。潼關(guān)站和花園口站在2000年后的含沙量變化趨勢因主要驅(qū)動力不同而表現(xiàn)不同，前者在于水土保持效應(yīng)的滯后性，使含沙量逐步減少，而后者在于小浪底水庫淤沙的及時(shí)性，含沙量表現(xiàn)為急劇降低且穩(wěn)定保持。

圖7 黃河干流主要水文站年均懸移質(zhì)含沙量變化過程

3 黃河水沙變化趨勢預(yù)測

全球氣候變化背景下的降水波動、極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)，干支流壩庫修建等人類活動加劇，以及資源開發(fā)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，對黃河水沙變化產(chǎn)生了深刻影響。因此，預(yù)測水沙變化情勢對治黃方略制定就顯得尤為重要，也一直是黃河水沙研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

3.1 國家科技計(jì)劃項(xiàng)目水沙變化趨勢預(yù)測 1980年代后期至1990年代末，水利部和黃河水利委員會通過兩期黃河水沙研究基金和三期水土保持科研基金，基于“水保法”與“水文法”定量評價(jià)了水土保持措施的減水減沙作用與變化趨勢。研究結(jié)果顯示：1970—1979年、1980—1989年、1990—1996年間，黃河中游水保、水利措施總減沙量分別是4.89億t、6.17億t、6.13億t［20，22］?！鞍宋濉逼陂g，國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“黃河治理與水資源開發(fā)利用”預(yù)測認(rèn)為2020年黃河流域多沙粗沙區(qū)在豐、平、枯三個(gè)水平年下的輸沙量分別為20.52億t、10.31億t、5.44億t［23］?！笆晃濉逼陂g，姚文藝等［24］通過水文-水保-徑流序列重建多方法集成，預(yù)測2030和2050年花園口水文站年來水量、年輸沙量分別為236億～244億m3、8.61億～9.56億t和234億～241億m3、7.94億～8.66億t?！笆濉逼陂g，劉曉燕等［25］采用遙感水文模型預(yù)測：在黃河古賢和涇河?xùn)|莊水庫攔沙期結(jié)束前，黃河中游潼關(guān)站來沙量在2030—2050年為0.7億～1.0億t，古賢和東莊水庫攔沙期結(jié)束的2060年以后，潼關(guān)年均來沙量將恢復(fù)并維持在4.5億～5億t；如果黃河主要產(chǎn)沙區(qū)普降高強(qiáng)度暴雨，且該降雨情景發(fā)生在“涇河流域連續(xù)干旱11年”之后，潼關(guān)來沙量甚至可達(dá)到16億t。胡春宏［1］采用實(shí)測資料與理論分析認(rèn)為：隨著國家“退耕還林”等政策的持續(xù)實(shí)施，水土保持工作的持續(xù)開展，今后黃土高原下墊面將繼續(xù)向好的方向發(fā)展，入黃水量和沙量仍將繼續(xù)減少，但減少的幅度將降低，并逐步趨于穩(wěn)定，預(yù)計(jì)未來50～100年，潼關(guān)水文站年平均水量將逐步穩(wěn)定在210億m3/a左右，年平均輸沙量將逐步穩(wěn)定在3億t/a左右。

3.2 黃河流域綜合規(guī)劃與專項(xiàng)研究水沙變化趨勢預(yù)測 2013年國務(wù)院批準(zhǔn)的《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》報(bào)告指出：相對于黃河16億t泥沙和426億m3水量，現(xiàn)狀入黃泥沙年平均減少量為4億t/a，年平均減水量為10億m3；2020年和2030年入黃泥沙年平均減少量分別為5億～5.5億t/a和6億～6.5億t/a，年平均減水量分別為15億m3/a和20億m3/a；即使經(jīng)過長時(shí)期治理，2050年前后入黃泥沙年平均減少量為8億t/a左右［26］。

2014年，“黃河水沙變化研究”在已有研究成果基礎(chǔ)上，通過調(diào)查研究、實(shí)地考察和綜合分析認(rèn)為：未來水沙變化仍以人類活動影響為主，綜合考慮黃河水沙問題的復(fù)雜性、未來主要因素對黃河水沙變化影響的發(fā)展趨勢以及一些不確定性因素，預(yù)估在黃河古賢水庫投入運(yùn)用后，未來30～50年黃河潼關(guān)水文站年均徑流量為210億～220億m3，年均輸沙量為3億～5億t；考慮到規(guī)劃的淤地壩實(shí)施進(jìn)度有可能滯后于預(yù)期，淤地壩在未來50～60年仍可能會發(fā)揮少部分?jǐn)r沙作用，預(yù)估未來50～100年潼關(guān)水文站年均徑流量為200億～210億m3，年均輸沙量為5億～7億t［14］。

3.3 黃河水沙變化趨勢預(yù)測結(jié)果差異辨析 黃河水沙變化預(yù)測成果直接關(guān)系到黃河治理開發(fā)方略制定，因此，各時(shí)段均有國家計(jì)劃課題資助開展相關(guān)研究，并取得了相應(yīng)條件下的預(yù)測結(jié)果，如表2所示。由表可見，2020年前后及未來50年各時(shí)段的泥沙預(yù)測值差異都很顯著。根據(jù)水文站實(shí)測數(shù)據(jù)可明晰2020年左右的預(yù)測值在1億t左右更貼近實(shí)際，而未來50年的三類預(yù)測結(jié)果：8億t/a、5億t/a和3億t/a，則仍需科學(xué)評估以確定最可能接近實(shí)際的值。表2中各時(shí)段的預(yù)測方法與預(yù)測基準(zhǔn)期基本一致，那么預(yù)測結(jié)果差異為何如此之大。

首先，各階段對流域生態(tài)-地貌-水文耦合系統(tǒng)的過程、機(jī)理及互饋機(jī)制等認(rèn)知不一，且目前仍有許多僅局限于定性認(rèn)識而難于定量表述，表現(xiàn)為越早期的預(yù)測越偏離實(shí)際。例如，隨著流域下墊面覆被的變化，坡面微地形與土壤結(jié)構(gòu)隨之變化，坡面的產(chǎn)匯流和流域的水沙關(guān)系也可能發(fā)生變化，那么傳統(tǒng)的水文法預(yù)測水沙變化趨勢必然出現(xiàn)偏差。

其次，影響流域水沙變化的各措施在較為寬泛的時(shí)空尺度上協(xié)同演化與協(xié)同驅(qū)動，其群體效應(yīng)難于定量表達(dá)與計(jì)算，而水保法中各措施的減蝕作用只是在小區(qū)單項(xiàng)措施監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，直接上推至流域尺度并通過分類計(jì)算后的線性疊加來測算各措施的減水減沙效應(yīng)，無法對措施的耦合作用進(jìn)行非線性計(jì)算，忽略了各措施間的群體效應(yīng)。

另外，評價(jià)方法、技術(shù)本身存在天然缺陷，使水沙變化趨勢預(yù)測失去可信的理論基礎(chǔ)。以水文法為例，徑流受降水和人類活動影響，其函數(shù)關(guān)系如下：

表2 不同時(shí)期黃河沙量預(yù)測結(jié)果對比

式中：Q為徑流；P為降雨；H為人類活動。

對式（1）作泰勒展開得到下式：

忽略式（2）中二階及以上偏導(dǎo)項(xiàng)和混合偏導(dǎo)項(xiàng)后的評價(jià)措施效應(yīng)的水文法表達(dá)式為：

顯然，所有水文法均為失去非線性項(xiàng)的近似計(jì)算，其剔除了非線性與措施耦合作用的影響。而水保法更是單因素線性函數(shù)在結(jié)果上的統(tǒng)計(jì)，其不確定性和誤差來源更為寬廣。特別是，水文法和水保法都無法統(tǒng)籌考慮所有影響因素，且減水減沙指標(biāo)的選擇及其指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)來源和統(tǒng)計(jì)方法等存在差別，所以計(jì)算結(jié)果的差異就不可避免。水文過程模型雖較為細(xì)致刻畫了生態(tài)水文過程，但同樣因參數(shù)的概化表達(dá)、參數(shù)的尺度變異、參數(shù)統(tǒng)計(jì)來源等等，導(dǎo)致模擬結(jié)果存在不確定性。

同時(shí)，影響因素在不同尺度的驅(qū)動作用存在變異性，黃土高原治理格局的調(diào)整與治黃策略的變化均影響預(yù)測條件，此時(shí)的驅(qū)動機(jī)制數(shù)學(xué)表達(dá)正確，而彼時(shí)因自然條件的改變而出現(xiàn)偏差；且氣候和社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化及水利水保工程的規(guī)劃實(shí)施存在不確定性，直接影響預(yù)測時(shí)設(shè)定的情景條件是否合理，這些都對結(jié)果產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。科學(xué)、合理的趨勢預(yù)測，需在社會、經(jīng)濟(jì)、氣候變化、宏觀政策等綜合分析基礎(chǔ)上，借助于新的理論與方法進(jìn)行科學(xué)評估。

4 新情勢下黃河水沙變化研究若干問題

黃河水沙作為一個(gè)動態(tài)變化系統(tǒng)，受自然過程與人工措施疊加影響，加之氣候、下墊面、政策等影響因子的變化存在不確定性，使黃河水沙變化機(jī)理和機(jī)制等許多關(guān)鍵問題仍未厘清，導(dǎo)致各階段的水沙變化趨勢預(yù)測成果差異顯著，影響未來黃河治理方略的制定，為了準(zhǔn)確預(yù)測黃河水沙變化趨勢，今后研究中需聚焦突破以下關(guān)鍵問題。

4.1 流域水文系統(tǒng)產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙機(jī)制變化 氣候-降水-下墊面-蒸散發(fā)-產(chǎn)流產(chǎn)沙-水沙輸移構(gòu)成了流域的水文系統(tǒng)。認(rèn)識黃河水沙變化的內(nèi)在規(guī)律，即需辨識區(qū)域水文系統(tǒng)內(nèi)水文氣象規(guī)律、流域侵蝕沉積規(guī)律與河道水沙輸移規(guī)律等變化，確定各要素之間相互作用和影響的定性定量關(guān)系。近年來黃河重點(diǎn)水土流失區(qū)的產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙特征出現(xiàn)了趨勢性變化，突出表現(xiàn)為近期年降雨量沒有明顯改變而徑流、泥沙顯著減少，如圖8所示。其中原因則是降雨特征、降雨-徑流關(guān)系或者水沙產(chǎn)輸模式發(fā)生改變。流域年內(nèi)降雨量分配和降雨強(qiáng)度會隨著氣候波動而變化，因此，區(qū)域水文氣象規(guī)律變化研究，需在氣候模式變化分析基礎(chǔ)上開展降雨-暴雨空間分異規(guī)律與不確定性研究。流域徑流的銳減，或者是因降雨-徑流關(guān)系變化進(jìn)而降雨量相近卻地表產(chǎn)流量銳減的水文模式/機(jī)制轉(zhuǎn)變，或者是因人類活動加劇進(jìn)而地表產(chǎn)流量相近卻流域徑流量銳減的水動力模式/機(jī)制轉(zhuǎn)變，均須圍繞降雨-產(chǎn)流機(jī)制的轉(zhuǎn)化條件及其閾值進(jìn)行剖析。徑流侵蝕產(chǎn)沙與水沙輸移具有強(qiáng)烈的非線性水動力學(xué)關(guān)系，不僅受制于流域水文-水動力模式/機(jī)制轉(zhuǎn)變影響，且水利水保措施及其空間分布與時(shí)間演化的非均質(zhì)性等在不同程度改變水沙產(chǎn)輸?shù)倪吔鐥l件，揭示其內(nèi)在的互饋機(jī)制，將是一個(gè)艱巨的科學(xué)挑戰(zhàn)。

4.2 流域水沙變化驅(qū)動因子的群體效應(yīng) 流域是生態(tài)-地貌-水文耦合系統(tǒng)，流域水沙量變化與流域內(nèi)氣候氣象、植被生態(tài)、坡面-溝道微地貌等條件變化密切相關(guān)，呈現(xiàn)出群體性、時(shí)滯性、非線性、甚至極值關(guān)系。既有研究在一定程度上揭示了氣候變化（蒸散發(fā)潛力）、降水變化、下墊面條件改變對黃河流域徑流變化的貢獻(xiàn)機(jī)制，但遠(yuǎn)未厘清泥沙變化與其影響因素變化的復(fù)雜非線性關(guān)系。流域水沙輸移的坡面-溝坡-溝道多過程層遞耦合機(jī)制和林草植被、梯田、淤地壩等多措施耦合效應(yīng)，在較為寬泛的時(shí)空尺度上協(xié)同演化，令措施的單因子相關(guān)分析法失去可信的理論基礎(chǔ)。因此，氣候、植被、坡面水保工程、溝道水利工程等各主導(dǎo)因素的單獨(dú)貢獻(xiàn)與群體貢獻(xiàn)的理論關(guān)系是什么。因素獨(dú)立假設(shè)下的貢獻(xiàn)率線性疊加在什么尺度下近似成立。能否尋找到某種有效的影響因素剝離方法，讓單措施的效果評估簡單易行。這些相互關(guān)聯(lián)的問題，無論是基礎(chǔ)認(rèn)知層面還是實(shí)踐應(yīng)用層面，都依賴于對多因子耦合驅(qū)動機(jī)理的深入認(rèn)識。

4.3 林草植被減蝕的臨界效應(yīng)與淤地壩減蝕的時(shí)效性 通過植被覆蓋率與侵蝕產(chǎn)沙相關(guān)關(guān)系表明（如圖9所示），黃土高原不同地貌類型區(qū)遏制侵蝕產(chǎn)沙的林草植被覆蓋率存在閾值，在礫質(zhì)丘陵區(qū)和蓋沙區(qū)約為35%～40%，蓋沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)約為60%～70%，當(dāng)小于閾值時(shí)植被改善對減沙作用顯著，當(dāng)大于閾值則趨于穩(wěn)定［27-28］。那么，臨界效應(yīng)是否存在約束條件，影響臨界值變化的區(qū)域特征指標(biāo)是什么，同一類型區(qū)臨界值在坡面-流域-景觀尺度是否具有同一性，辨析這些基本科學(xué)問題在于對林草植被覆蓋減蝕的動力機(jī)制進(jìn)行辨識，包括植被對降雨侵蝕能力的消解作用機(jī)理、對坡面產(chǎn)匯流過程調(diào)控機(jī)理及對地表地下產(chǎn)流的再分配機(jī)理等。確定產(chǎn)流機(jī)制脅變的植被覆蓋臨界，是黃土高原植被建設(shè)格局制定的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

圖8 黃河中游水利水保措施對輸沙量變化過程的影響

圖9 黃土高原不同類型區(qū)林草植被覆蓋率閾值[28]

圖10 黃土高原裴家茆與韭園溝淤地壩分布及“7·26”特大暴雨關(guān)帝溝壩體潰損后淤積泥沙輸移變化

流域淤地壩系工程作為溝道中控制泥沙下泄最直接、最有效措施，其淤滿前的直接與間接減蝕效應(yīng)已有共識。但鑒于壩系工程定位監(jiān)測資料少，單壩建設(shè)規(guī)模與布局多樣、蓄排過程動態(tài)變化，使淤地壩減蝕機(jī)制難于模擬，壩系攔沙成效難以定量刻畫。同時(shí)，溝道淤地后侵蝕基準(zhǔn)面抬高，對壩控溝坡的穩(wěn)定及對暴雨高含沙水流侵蝕能量消減等機(jī)理研究存在不足。特別是近年，局部區(qū)域的特大暴雨導(dǎo)致部分淤地壩壩體出現(xiàn)損毀，引發(fā)了大暴雨事件是否會造成淤積耕地大面積損壞和垮塌而出現(xiàn)“零存整取”現(xiàn)象的爭論。通過2017年“7·26”特大暴雨韭園溝（次降雨量156 mm）流域關(guān)地溝1—4號壩連續(xù)潰損后出庫的淤積泥沙量調(diào)查，其僅占淤積量的4%～12%，壩地沖刷僅是一條洪水流路的細(xì)溝，如圖10所示。那么野外調(diào)查呈現(xiàn)出的淤地壩“淤積一大片、沖刷一條線”如何基于水動力過程去解譯。為此，迫切需要開展極端暴雨下淤地壩潰損成因與潰損后壩地淤積泥沙輸移形式、特征及其機(jī)制研究，并基于水沙動力學(xué)過程模擬與分析，辨識淤地壩工程“原地”、“異地”水沙效應(yīng)，消除存在的誤區(qū)，明晰淤地壩防洪減蝕的長效機(jī)制。

4.4 流域水沙變化的動力學(xué)過程與模擬趨勢預(yù)測成果的可信度評估 黃河流域水沙變化歸因分析與趨勢預(yù)測多是借助于“水文法”與“水保法”［29］。2000年后，LISEM、WEPP和SWAT等國際模型［25，30］和數(shù)字流域模型［31］等國內(nèi)開發(fā)的分布式模型逐步開始應(yīng)用于黃土高原流域侵蝕產(chǎn)沙模擬和預(yù)測。但由于黃河流域是水沙-地貌-生態(tài)多過程耦合的動態(tài)系統(tǒng)，已有的模型在實(shí)際應(yīng)用上受到很大限制。因此，構(gòu)建適用性強(qiáng)的流域分布式模型需以水沙動力學(xué)過程為基礎(chǔ)，建立基于地貌單元-河網(wǎng)水系（溝系）構(gòu)建的空間離散結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的物理過程，實(shí)現(xiàn)坡面植被生長模型、坡面水動力學(xué)模型、河道水動力學(xué)模型的分布式耦合。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需重點(diǎn)解決模擬技術(shù)中監(jiān)測數(shù)據(jù)-基礎(chǔ)過程-模型分辨率的尺度協(xié)調(diào)、模型單元的本構(gòu)模型與模型參數(shù)的過程協(xié)調(diào)、措施耦合作用數(shù)學(xué)表達(dá)等關(guān)鍵技術(shù)，并優(yōu)化計(jì)算效率，提升模型實(shí)用性。

此外，由于各類模型可能存在某種假定、某些算法的近視或某些參數(shù)的概化表達(dá)，而模型的輸入、參數(shù)和結(jié)構(gòu)等又會引發(fā)輸出結(jié)果的不確定，且各類模型由于結(jié)構(gòu)的差異會導(dǎo)致輸入數(shù)據(jù)的分辨率和結(jié)構(gòu)參數(shù)等標(biāo)準(zhǔn)不一，使流域水沙變化模擬結(jié)果千差萬別，甚至相互矛盾。為保證流域水沙變化模擬、預(yù)測結(jié)果的科學(xué)性和實(shí)用性，迫切需開展不同預(yù)測方法的集合評估，即構(gòu)建基于各類方法輸入、參數(shù)、結(jié)構(gòu)和輸出等綜合評價(jià)的集合評估技術(shù)，科學(xué)確定輸出值及其置信區(qū)間。集合評估不同于集合預(yù)報(bào)，前者是在對各類預(yù)測結(jié)果綜合評價(jià)基礎(chǔ)上提出最靠近真值的值，后者是對同一系統(tǒng)分段模擬來集合輸出一個(gè)結(jié)果，后者是前者的對象。水沙變化不同模擬和預(yù)測方法的集合評估，有助于突破黃河水沙趨勢預(yù)測難于形成一致共識的桎梏，為科學(xué)預(yù)測未來常態(tài)水沙情勢提供重要依據(jù)。

4.5 黃土高原水土保持治理格局調(diào)整 新中國成立以來，黃土高原先后實(shí)施了坡面治理、小流域綜合治理以及退耕還林草工程等，生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理工作取得顯著成效。但同時(shí)，面對流域減水減沙現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整與區(qū)域氣象-水文系統(tǒng)自我協(xié)調(diào)約束等，特別是退耕還林工程的持續(xù)實(shí)施，黃土高原生態(tài)保護(hù)與治理格局面臨新的調(diào)整需求。如局部區(qū)域植被演替已到高級階段或者植被覆蓋度已到上限，有的地質(zhì)單元因退耕還林出現(xiàn)耕地面積不足等，那么這些區(qū)域的林草植被改善是否還持續(xù)開展。又如，因農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)致使部分區(qū)域優(yōu)質(zhì)梯田被大量棄耕，而部分區(qū)域坡陡溝深、地形破碎使坡地梯田化潛力不足，坡梯政策面臨著如何分區(qū)域推進(jìn)等問題。淤地壩工程實(shí)現(xiàn)了溝道侵蝕阻控與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)統(tǒng)一，但由于設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)陳舊及下墊面變化，新建壩系很難短時(shí)期淤滿，給汛期防洪帶來巨大壓力，導(dǎo)致目前淤地壩建設(shè)出現(xiàn)了停滯。根據(jù)2017年無定河流域“7·26”特大暴雨水土保持綜合考察結(jié)果顯示，韭園溝217座淤地壩中骨干壩27座（主溝道分布9座）、中型壩40座，雖次暴雨流域侵蝕模數(shù)達(dá)12 959 t/km2，但流域泥沙輸移比僅為0.15；而裴家峁63座淤地壩中骨干壩0座、中型壩15座，其中14座中、小型淤地壩可攔沙，但僅攔沙6.9萬t，輸沙模數(shù)約是韭園溝的4倍，如圖10和表3所示?？梢婋m然流域下墊面治理措施變化整體向好，但大暴雨事件下淤地壩仍是泥沙的重要匯集地，尤其骨干壩對徑流與洪峰削的減作用顯著（韭園溝建有骨干壩），溝道攔沙與水肥耦合的高產(chǎn)壩地仍有廣闊的實(shí)際需求。因此，在黃河水沙新常態(tài)背景下，無論從黃土高原未來治理措施類型與布局，還是措施實(shí)施方式與進(jìn)度安排，均應(yīng)在以上問題剖析基礎(chǔ)上科學(xué)籌劃、因地制宜、精準(zhǔn)實(shí)施，適時(shí)調(diào)整黃土高原治理格局與治理模式。

表3 2017年無定河流域“7·26”特大暴雨典型壩系流域水沙輸移特征

4.6 維持黃河流域健康的水沙調(diào)控閾值體系與治理方略 流域水沙運(yùn)動的通量大小、滯留時(shí)間、空間分布，不僅影響著干流河道的水沙輸移和沖淤演變、進(jìn)而影響著干流的生境、生態(tài)和防洪等條件，也影響著流域面上的生態(tài)功能以及社會經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能。在水沙變化的情勢下，入黃水沙總量和時(shí)空分布特性，關(guān)系到黃河重點(diǎn)水土流失區(qū)治理、水資源利用及水沙調(diào)控體系運(yùn)用的大方向，是面向黃河治理實(shí)踐所提出的重大需求。具體說黃河干流河道防洪減淤、黃河下游寬河治理，從行洪輸沙、河道沖淤、水庫調(diào)度、河流生態(tài)等不同角度，提出了中下游控制節(jié)點(diǎn)的河床高程、平灘流量、河道沖淤量和生態(tài)流量等閾值需求。另一方面，黃河流域水沙產(chǎn)輸過程是氣象水文、地貌、生態(tài)等自然過程和人類活動影響的綜合結(jié)果，存在多尺度的水沙產(chǎn)輸模式以及模式轉(zhuǎn)變的氣候與下墊面環(huán)境條件閾值體系。維持黃河流域健康的水沙閾值，是流域水沙產(chǎn)輸過程與干流河道演變過程協(xié)調(diào)優(yōu)化的結(jié)果，也是未來流域-河道系統(tǒng)處于近似常態(tài)平衡的指標(biāo)體現(xiàn)。

顯然，黃河水沙調(diào)控閾值具有豐富的內(nèi)涵，今后相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)緊密圍繞水沙變化的趨勢、減少的程度、穩(wěn)定的范圍以及由此帶來的一系列新問題開展研究，確定現(xiàn)狀向未來新常態(tài)演化的水沙調(diào)控閾值體系，并在此基礎(chǔ)上制定相適應(yīng)的水沙關(guān)系調(diào)控和下游河道改造等治黃方略。具體治理措施包括［1］：加快建設(shè)完善黃河水沙調(diào)控體系，塑造與維持黃河基本的輸水輸沙通道，中游降低潼關(guān)高程，下游改造河道，黃河口相對穩(wěn)定流路。其中對應(yīng)的每項(xiàng)具體措施，仍需開展深入持續(xù)的研究工作，明確措施調(diào)控的閾值與實(shí)現(xiàn)方法。

5 結(jié)語

本文在對1950—2016年黃河水沙變化過程分析的基礎(chǔ)上，梳理了不同階段各家水沙變化趨勢預(yù)測成果，辨析了預(yù)測結(jié)果差異顯著的原因，并提出了實(shí)現(xiàn)水沙變化趨勢準(zhǔn)確預(yù)測需加強(qiáng)研究的若干關(guān)鍵問題，得到如下認(rèn)識：（1）1980年代中期以來，黃河水沙情勢發(fā)生巨變，黃河水沙銳減，時(shí)空減幅不同步，年內(nèi)利于輸沙的流量持續(xù)時(shí)間和水量、沙量都大幅減少，含沙量則與水利水保工程建設(shè)呈現(xiàn)協(xié)同的階段變化，黃河水沙異源的空間分布格局仍然沒變。（2）黃河水沙變化趨勢預(yù)測多借助于“水保法”、“水文法”和“物理過程模型法”等方法開展研究，但黃河流域是水沙-地貌-生態(tài)多過程耦合、自然過程與人工措施效應(yīng)疊加、產(chǎn)匯流產(chǎn)輸沙的水動力驅(qū)動等復(fù)雜交互影響的系統(tǒng)，由于對相關(guān)機(jī)理認(rèn)識有待深化，不同措施耦合效應(yīng)的評價(jià)與預(yù)測結(jié)果可信度評估技術(shù)有待突破，影響預(yù)測的參照條件存在不確定性，導(dǎo)致了不同時(shí)期的預(yù)測成果差異顯著。（3）為準(zhǔn)確預(yù)測新情勢下黃河水沙變化趨勢，需圍繞流域產(chǎn)匯流機(jī)制變化辨析、水沙變化的驅(qū)動因子群體效應(yīng)、措施水沙效應(yīng)的極限值與時(shí)效性、水沙變化趨勢預(yù)測結(jié)果的可信度評估、黃土高原水土保持治理格局調(diào)整和黃河水沙調(diào)控閾值體系及其治理方略等關(guān)鍵問題開展深入研究。