近十年我国江河水沙变化、水沙调控与泥沙资源化利用研究

胡春宏,张晓明

受全球气候变化、人类活动及区域自然禀赋条件等影响，近几十年来我国江河治理与保护遇到诸多问题与挑战，如江河水沙关系变化、水库淤积、坝下游河道冲刷、江河关系变化、河道萎缩与断流、河口侵蚀与海水入侵等，直接影响江河水安全与水生态保护、江河流域保护与治理方略制定、水沙调控重大工程布局等。党的十八大以来，习近平总书记多次赴长江、黄河考察，狠抓江河保护与高质量发展、生态文明建设，统筹确立了“江河战略”，我国江河治理取得历史性成就。水利部党组围绕全面提升国家水安全保障能力的总体目标和山水林田湖草沙系统治理总思路，提出了水利科技强国战略路径，全面推进河湖生态环境复苏，推动水利高质量发展。

水沙情势是流域生态保护和高质量发展最基础的边界条件，江河水沙格局的变化直接影响流域水土流失治理工程布局、水沙调控体系建设、调水工程、河道保护与治理等的方向和策略制定。科学认知江河水沙情势变化特征与发展趋势，针对性提出新水沙过程下河道与流域面上水沙调控临界阈值与治理度，对于科学制定未来江河保护与治理策略具有重要意义。通过近十年科技创新与江河保护治理实践，我国江河流域水沙问题的科学研究与系统调控都得到长足发展。

1.我国江河水沙情势总体变化

江河水沙情势变化是全球共同关注的问题。据分析，近几十年来，全球河流径流总量约4万km3/a，总体上没有明显的变化趋势；
约50%的河流输沙量发生了显著变化，河流入海沙量约126亿t/a。由于人类对流域的干扰，特别是大坝建设，使河流入海输沙量减少了约2/3。

我国12条主要河流代表性水文站多年平均总径流量为14035亿m3，年总径流量的M-K统计变量基本在-1.96～1.96波动，2020年M-K统计变量为-0.43，表明年总径流量随时间没有明显的变化趋势。我国主要河流代表水文站多年平均总输沙量为14.03亿t/a，2020年的M-K统计变量为-8.25，其绝对值远大于3.01，表明年总输沙量呈明显的持续减小态势。实测资料显示，20世纪50年代我国12条主要河流平均总输沙量为26.52亿t/a，70年代减至19.41亿t/a，90年代减至13.04亿t/a，2001—2010年减少为5.88亿t/a，2011—2020年仅为3.81亿t/a。

2.黄河流域水沙变化与趋势

（1）百年尺度黄河流域水沙变化

黄河是世界上输沙量最大的河流，其输沙量约占我国江河的60%。从百年尺度看，1919—2020年黄河干流实测径流量和输沙量呈显著减少趋势。1919—1959年黄河潼关站实测年平均径流量和输沙量分别为426亿m3和16亿t，该时期水利工程和水土保持措施影响小，常作为人类活动影响较小的基准期。2010—2020年潼关站实测年平均径流量和输沙量分别较基准期减少30%和89%（见图1）。

黄河上游头道拐站径流量和输沙量分别占黄河中下游的62%和10%。实测资料分析表明，1919—1986年头道拐站年平均径流量和输沙量变化不大，2000—2020年年平均径流量较基准期减少25%，1987—2020年年平均输沙量较基准期减少65%。黄河中游段头道拐、龙门、潼关各水文站泥沙沿程减少幅度不断增大。头道拐至潼关区间主要支流皇甫川、窟野河、无定河、延河、汾河、北洛河和渭河等为中游主要产沙区，2010年以来各支流输沙量较1956—1986年减少88%～99%。黄河下游花园口站水沙变化趋势与潼关站一致，2010—2020年年平均径流量和输沙量较1950—1986年分别减少30%和90%。1999年小浪底水利枢纽蓄水运用以来，下游河道由累积性淤积转为累积性冲刷。河口利津站2010—2020年年平均径流量和输沙量较1952—1986年分别减少48%和86%。黄河流域总体呈现山变绿了，沙变少了，水变清了。

>图1 黄河上中下游主要水文站1919（1950）-2020年水沙变化过程

（2）黄河水沙变化原因与影响因素贡献率

分析表明，百年尺度黄河流域年降雨量、汛期雨量呈非显著性变化，但2010年以来主要产沙区日降雨量大于25mm和50mm的年降水总量相比1966—2020年分别偏大25%和42%。在此期间，黄土高原的侵蚀模数相比1980年减幅超过65%。径流量和输沙量大幅减少，说明降水不是引起黄河天然径流减少的主要原因，来沙锐减与降水关系不密切。流域下垫面的不可逆变化是主要原因，流域林草有效覆盖率大于60%时可实现产沙模数小于1000 t/（km2·a），头道拐至潼关区间流域上游林草覆盖率大幅增加使产沙能力降低约80%。梯田可截留自身产流产沙与上方来水来沙，并通过消减径流下沟减少沟蚀，流域梯田比大于40%时可稳定减沙约90%，黄土高原中部“坡改梯”后土壤侵蚀模数平均减少约40%。沟道淤地坝系通过径流调控，流域洪峰流量可减小65%，洪水总量减少60%，输沙量减少84%以上；
淤地坝淤满后其侵蚀阻控机制由阻水拦沙变为滞洪落沙，仍可拦截24%的泥沙量；
淤地坝溃损后，淤积泥沙遵循“淤积一大片、冲刷一条线”规律，根据对无定河、西柳沟等流域极端暴雨近百座溃损坝洪水调查，泥沙出库比小于20%，不会出现“零存整取”。基于构建的水沙变化驱动因素贡献率解耦技术，定量辨识了影响黄河水沙变化的因素贡献率：较基准期，2000—2009年黄河潼关以上区域降雨、林草、梯田、淤地坝、水库和灌溉的减沙贡献分别为9%、35%、27%、19%、9%和1%，2010—2018年则分别为-6%、46%、37%、14%、8%和1%。

（3）黄河水沙变化趋势预测与集合评估

黄河流域呈现生态-地貌-水沙多过程耦合，以水沙动力学原理刻画多过程的耦联作用并准确预测水沙输移过程与结果，是水沙科学一直试图破解的难题。2000年以前黄河水沙变化趋势预测多采用水文法和水保法，受下垫面剧烈变化和水保措施数据输入差异等影响，各方对入黄沙量预测成果差异很大，介于5亿～21亿t/a。2000年以来，黄河流域生态建设与水土保持稳步推进，水沙变化机理认识不断深入，预测成果间的差异逐步缩小，入黄沙量预测成果介于3亿～8亿t/a。“十三五”期间，胡春宏团队构建了多因子驱动的黄河流域分布式水循环模型和流域水沙动力学模型，结合HydroTrend模型、SWAT改进模型、机器学习模型、人工智能模型等9种方法，采用统一的边界输入条件分别预测了未来30～50年水沙变化趋势。研发了多模型集合评估技术，对上述9种方法预测结果进行集合评估，得到未来50年黄河潼关站年平均径流量和输沙量分别为240亿m3和2.45亿t。考虑黄河流域未来极端暴雨下洪沙输移特征和可能沙量，经还原计算分析，在2007—2016年下垫面情景下发生1933年黄河中游极端暴雨事件黄河潼关站可能沙量约5亿t。2020年王光谦、2021年张红武等也得到基本一致的研究结果。

3.长江三峡入库水沙预测

近几十年来长江输沙量也呈现大幅度减少的趋势。分析表明，三峡入库水量变化不大，呈略微减少趋势，而入库沙量大幅减少。基于Logistics方程重构非均匀卵石推移质颗粒输移随机过程预测方法，三峡入库卵石推移质来量（简称卵推量）预测表明，朱沱站卵推量约为3万～5万t/a；
寸滩站卵推量约为2万～3万t/a。采用梯级水库群拦沙效果评估模型对单一水库拦沙率、梯级水库群拦沙率、分组拦沙率综合分析，在新的水沙情势及上游梯级水库拦沙作用下，三峡入库沙量减幅明显，不考虑未控区间时未来30～50年三峡入库年均沙量为0.85亿t/a，考虑未控区间时三峡入库年均输沙量为1.0亿t/a。

1.江河流域水沙调控理论与阈值体系

习近平总书记指出，要保障黄河长久安澜，必须紧紧抓住水沙关系调节这个“牛鼻子”。江河水沙调控要统筹考虑流域自然生态各要素以及山上山下、地上地下、上下游系统控制。水沙系统调控的抓手是全流域综合调控“临界控制论”，即复杂系统运行过程中存在着制约系统整体行为的临界阈值。这些临界阈值形成了一个控制流域系统运行的指标体系，根据指标之间复杂响应与临界阈值调控，调节流域生态环境支持能力与社会发展需求间的平衡。

江河流域水沙调控理论包括原理、模型、指标、阈值和技术等。针对黄河复杂的水沙关系，构建了黄河水沙调控指标体系（见图2），确定了水沙调控关键阈值。采取分层次的方法建立了水沙调控指标体系，分为三级指标：一级指标为入黄水沙量/过程；
二级指标为次降雨量、林草有效覆盖率、梯田比、沟道控制率、宁蒙河段平滩流量、潼关高程、下游河道平滩流量、河口稳定输沙量；
三级指标为降雨强度、降雨侵蚀力、适宜林草恢复率、稳定林草结构、田面标准、田埂结构、坝地面积比、坝库淤积比、来沙系数、河道宽深比、河道排沙比、三门峡水库运用水位、入海水量、河口面积淤蚀比。其中包括流域面4个水沙调控指标阈值、河道上中下游及河口4个水沙调控阈值。从全流域视角构建了维持水沙协调关系的流域-河道-河口协同调控阈值体系。研究表明，上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右，可塑造与维持平滩流量约2000m3/s左右的输水输沙通道，实现河道冲淤平衡；
中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右，潼关高程可实现升降平衡，稳定在328m左右，下游河道可维持平滩流量4000m3/s左右，实现河道冲淤平衡；
河口输沙量控制在3亿t/a左右，实现海岸淤蚀平衡，保持流路相对稳定。

2.流域水沙平衡与治理度

黄河干流河道平衡输沙量阈值的实现与黄土高原水土流失治理与生态建设密切相关，应统筹考虑黄土高原水土流失治理减沙的可能性、入黄泥沙的过程和数量及黄河干流河道的需求。研究结果表明，黄土高原水土流失治理与生态建设中，林草植被、梯田及淤地坝等措施的减沙作用都具有临界效应；
对于坡面尺度，林草植被覆盖率在50%～60%以下时，林草植被覆盖率增加，其减沙作用显著，大于这一临界后则覆盖率再增加，其增加减沙效果大幅降低；
当梯田比大于35%～40%后，其减沙作用基本稳定在90%左右。这个临界效应说明：一方面黄土高原水土流失治理不可能将泥沙减到零或较低的数值，另一方面林草植被、梯田及淤地坝等措施也有一个治理度，超过了这个度，投入很大，增效甚微。从干流河道需求的角度出发，如果中游水保措施将入黄泥沙减至很少甚至接近于清水状态，可以预见的是，黄河中下游河道将面临剧烈冲刷，产生畸形河湾发育等诸多威胁防洪安全的问题，沿河取水工程将面临取不到水，黄河河口将面临海水入侵和海岸蚀退等诸多威胁河口生态环境与稳定的问题，因此，入黄泥沙量也不是减到越少越好，要统筹考虑河道安全健康的需求。

综合上述分析认为，通过黄土高原水土流失治理，入黄泥沙量究竟控制到多少合理，既要考虑可能，也要考虑需求，黄河干流河道平衡输沙量阈值的研究给出了需求；
黄土高原水土流失治理各种措施的临界阈值给出了可能，建议未来通过科学调整黄土高原治理格局，将年入黄沙量控制在3亿t/a左右，达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流输沙的平衡，这也是未来黄土高原水土流失治理努力的目标。

>图2 维持黄河健康的水沙调控指标体系

3.水库淤积控制与优化调度技术

调节水库运用方式是控制水库淤积的主要对策。三门峡水库运行实践经验表明，多沙河流水库在运用方式上不仅要调水，而且还要调沙，通过选择正确的水库运用方式，可实现尽可能减少水库淤积，保持水库长期有效库容，并减轻下游河道的淤积。

从多沙河流水库运行方式的发展看，三门峡水库运行初期采取“蓄水拦沙”运行方式，泥沙处理思路局限于“拦”；
1973年以后，三门峡水库调整为“蓄清排浑” 运用方式，采用“拦、排”结合的泥沙处理思路；
小浪底水库采用“调水调沙”运行方式，将减少水库淤积和下游河道减淤有机结合，通过人造洪峰加强了“调”的作用，是对“蓄清排浑”运用方式的进一步发展。近年来，又进一步发展了“蓄清调浑”运行方式，统筹调节泥沙对水库淤积形态和有效库容影响，以尽可能提高下游河道水沙关系协调度为核心，通过“拦、调、排”全方位协同调控，实现有效库容长期保持和部分拦沙库容的再生利用、拦沙库容与调水调沙库容一体化使用。

三峡水库在揭示三峡入库水沙变化和场次洪水泥沙输移规律，研发长江上游泥沙实时预报技术，建立长江上游梯级水库泥沙联合调度机制，构建“实时监测-泥沙预报-动态调度”平台，实现水库泥沙实时调度的基础上，提出了“调沙提效”的泥沙动态调控模式，对“蓄清排浑”运行方式进一步优化。以提升水库综合效益为核心，通过沙峰调度、库尾减淤调度和梯级水库泥沙联合调度技术，控制水库淤积量及库区淤积形态，进行中小洪水调度、汛期运行水位上浮、汛末提前蓄水等优化调度，达到防洪、发电、航运、生态、补水、减淤协同的最优效益。

4.当前水沙条件下黄河流域水沙调控对策与技术措施

当前水沙条件下黄河流域治理的总体思路是紧密围绕水沙变化的趋势、减少的程度、稳定的范围，以及由此带来的一系列新问题开展研究，制定相适应的治理方略。提出当前水沙条件下黄河治理的方略：调控水沙关系，改造下游河道。为实现上述黄河治理方略，应采取的具体治理措施包括：一是调整黄土高原水土流失治理格局，在科学识别不同侵蚀类型区水土保持率及水土流失治理程度标准基础上，精准布局水土保持措施规模。二是建设完善的黄河水沙调控体系，尽快开工建设古贤水库，解决中下游河道水沙调控水动力不足问题。三是塑造与维持黄河基本输水输沙通道，配合下游河道整治工程和主河槽疏浚工程等，长期维持与稳定黄河上中下游基本的平滩流量规模。四是中游降低潼关高程，在古贤水库和东庄水库运用后，通过中游拦减泥沙和协调水沙过程，实现潼关高程冲刷降低，维持合理的侵蚀基准面。五是下游改造河道，在现状黄河治理工作的基础上，基于对未来水沙变化趋势的认识，黄河下游河道改造的策略是缩窄河道、解放滩区。即在保障黄河下游河道防洪安全的前提下，利用现有的生产堤和河道整治工程形成新的黄河下游防洪堤，缩窄河道，使下游大部分滩区成为永久安全区，从根本上解决滩区发展与治河的矛盾。六是黄河口相对稳定流路，统筹水沙调控体系、综合治理河口整治工程及河口多条流路的组合等，保障黄河口流路长期相对稳定。

1.流域泥沙资源化及其途径

以自然资源的概念和属性为基础，通过对流域泥沙的离散性、吸附性、可搬运性等属性，以及水沙不可分性、水沙不协调性、水沙时空分布不均匀性、水沙产生异源等特征的研究，认为流域泥沙具有自然资源的有效性、可控性和稀缺性等属性，在满足技术和社会等一定条件下，是可以资源化的。通过对流域泥沙资源化可行性的分析，提出流域泥沙资源化的目标和途径，包括填海造陆、改良土壤、修复生态、塑造湿地、加固大堤、建筑材料等。据“十三五”研究成果，水库按淤损率0.45%计，全国水库年均淤积量在10亿m3以上。据统计，1950年以来，长江上游水库累计淤积泥沙约100亿t；
黄河三门峡、小浪底水库累计淤积泥沙约100亿t；
黄河下游河道累计淤积约100亿t，黄河入海泥沙约460亿t，可见泥沙资源化利用潜力巨大。

2.黄河泥沙空间优化配置研究

流域水沙资源优化配置涉及复杂的技术系统，主要包括水力配置技术、机械配置措施、工程配置技术及生物配置技术等。黄河治理诸多问题的症结在于泥沙，如何将泥沙作为一种资源与水资源一起优化配置和综合利用，给泥沙以出路是解决黄河泥沙问题的基本思路。从全流域视角，围绕黄河泥沙优化配置的理论与模型、潜力与能力、技术与模式、方案与评价等进行了系统的研究，构建了泥沙空间优化配置的总体框架，提出了泥沙优化配置的理论方法，确定了泥沙配置的1个总目标、2个子目标、6个评价指标、8种配置方式和10个配置单元，8种配置方式分别为流域保水滞沙、水库拦沙、引水引沙、滩区放淤、挖沙固堤、河槽冲淤、洪水淤滩、输水输沙等；
研发了黄河泥沙空间优化配置数学模型，系统地研究了黄河干流泥沙空间优化配置的潜力与能力及经济投入指标，为黄河干流泥沙空间优化配置提供可定量的约束条件和控制指标；
建立了黄河泥沙配置的评价指标体系与综合评价方法，确定了各评价指标的计算方法和评价标准；
提出了黄河干流泥沙优化配置的方案和措施。

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