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黄河输沙量研究的几个关键问题与思考

穆兴民
责任编辑:范江涛 来源:

  黄土高原的独特性质决定了黄河泥沙研究是一个永恒的课题。进入21世纪以来,黄河输沙量突兀性减少,输沙量和含沙量之低是社会各界普遍未曾预料到的,黄河泥沙减少这一重大问题再一次摆在科技工作者面前。黄河泥沙变化原因及未来状态关系到黄河及黄土高原的治理对策和决策,受到广大科技工作者和管理部门的高度关注。目前,有关科研单位正在组织各方力量开展深入研究,笔者认为,当务之急是从宏观方面研究和解决如下几个关键问题。

黄河输沙量变化的阶段性与基准期确定问题

  黄河输沙量的年际变化过程具有显著的阶段性特征,其阶段可以用累计距平法、双累积曲线法、有序聚类方法等清晰辨识。不同阶段的输沙量均值、变差系数等存在显著差异。就黄河中游吴堡、龙门以及潼关水文站而言,输沙量突变点均发生在1979年;中游各支流水文站年输沙量发生突变的年份虽有所差异,但主要集中在20世纪70年代中后期。不同学者采用不同方法辨识黄河干流或支流输沙量发生突变的更精确年份,结果往往大同小异。

  目前,在水土保持措施等各种人类活动对产沙影响研究的定量评估中,参考期(基准期)及变化期各时段具体年份的划分“五花八门”。通过绘制面平均降雨量与输沙量的双累积曲线,分析发现黄河河口镇至潼关区间(简称河潼区间)输沙量存在3个显著的阶段,即20世纪70年代之前、80~90年代以及21世纪以来3个时段。

  根据我国使用年代的习惯,特别是在各种研究和政府文件中广泛使用年代的习惯,以及水土保持学科本身并非能达到很高精度,更出于便于比较同类研究成果,因此笔者建议:采用年代制,把基准期(参照期)临界年份确定为1979年,重点研究1979年之前、1980~1999年以及2000年以来3个阶段黄河及其支流输沙量变化情况。对个别支流,2000年(临界年份)输沙量突变并不显著,可以采用两段制进行分析。

黄河流域降雨及人类活动对输沙量影响作用辨识问题

  河流输沙量受气候、地质地貌和人类活动等因素影响。对于黄河流域或其他区域,在不足百年时间尺度的条件下,流域的土壤及地质地貌条件可认为相对不变,即河流输沙量变化主要取决于气候和人类活动两大因素。黄土高原土壤侵蚀以水蚀为主,气候因素常用降雨特征来表征,如降雨量、降雨日数以及降雨强度等。

  在坡面土壤侵蚀研究中,有学者根据径流小区等小尺度上的试验结果,提出了小尺度侵蚀性雨量标准和雨强标准,其中土壤侵蚀雨量标准大致为1小时雨量10~13毫米、6小时雨量25~39毫米、24小时雨量50~60毫米。

  对于大中尺度流域的河流输沙问题,基于小尺度的降雨指标进行研究显然不妥。另外,基于小尺度的试验结果,在中大尺度开展研究时,其资料的获取非常困难,流域尺度上的各站点降雨指标整合更是一个难以实现的问题。之前有关研究者提出用年降雨量、汛期降雨量或月降雨量作为降雨指标,但对降雨特征信息的表征都不够全面和准确。根据气象资料共平台,日降雨资料可以直接获得。基于此,提出“流域侵蚀产沙性降雨”概念及流域侵蚀产沙雨量标准。基于流域日降雨量,根据参考期的面平均日降雨量—输沙量累积百分关系曲线,按照流域侵蚀产沙性降雨所引起的输沙量占总输沙量的90%,确定流域侵蚀产沙性降雨的日雨量阈值。以皇甫川流域研究为例,考虑到资料的易获得性和降雨侵蚀力计算需要,确定日降雨12毫米为流域侵蚀产沙性降雨标准。以1979年以前为参照期,对年径流量和输沙量与降雨指标的分析表明用大于等于12毫米的日降雨量可以较好地表征降雨对侵蚀产沙的作用。

  降雨径流是黄土高原土壤侵蚀的核心驱动因素,河流输沙量与流域降雨量关系密切,采用双累积曲线法可以解析降雨和人类活动(下垫面变化)对输沙量变化的作用程度,因此建议采用双累积曲线法区分降雨和人类活动的作用,尽管各种人类活动的作用是一笔复合在一起的“混账”。根据黄河中游不同时段降雨及人类活动对输沙量减少的作用分析可知,20世纪80~90年代人类活动对黄河输沙量减少的贡献率接近80%,进入21世纪后人类活动的作用已超过90%。20世纪80~90年代输沙量的减少与黄土高原梯田、淤地坝的规模化建设相对应,而进入21世纪以来黄河输沙量的减少则主要与退耕还林(草)植被恢复过程相对应。

坡沟系统土壤侵蚀与坝库拦蓄作用辨识问题

  人类活动对流域侵蚀产沙量的影响非常复杂,既有减少土壤侵蚀量的作用,也有增加土壤侵蚀量的作用。就黄河输沙量减少的原因,如果能够明确是坡面土壤侵蚀量减少还是河道坝库拦蓄,那么就能明确黄土高原水土保持的基本方向。理论上,就水土保持措施而言,相同数量某项措施因其空间配置不同、水文连通性也不同,故其减沙贡献度会产生显著差异。如淤地坝会因其在沟道上下游位置的不同而产生差异,但这种差异目前仍然难以测度和验证。因此,鉴于目前水土保持措施等人为活动的作用机制尚不十分清楚以及受学科发展水平的限制,人类活动对土壤侵蚀产沙作用的贡献率的研究“宜粗不宜细”,不必纠缠于各项措施作用的贡献率的“精确”辨识。如果能够明确人类活动的作用在减少坡沟系统(即沟沿线以上的坡面及沟沿线以下的沟坡)土壤侵蚀和河道坝库淤积的程度,那么就可明确黄土高原水土流失治理的方向或对象。

  一般来说,流域土壤侵蚀产沙量等于水文站测定输沙量、坝库拦蓄量、河道冲淤变化量以及灌溉等引沙量之和。流域土壤侵蚀产沙量实际上也是不可测度的,传统的径流小区所测定的侵蚀产沙量并不能代表一个流域或区域的土壤侵蚀产沙量。如果说可以测度的话,那么就可以在支毛小沟上设置卡口站进行测定,若干个支毛小沟测定的均值可以代表一个区域或流域的土壤侵蚀产沙水平。

  对于黄土高原中小流域,水文站测定输沙量可采用实测值,河道冲淤变化量对多数流域可忽略不计,灌溉等引沙量可以相对准确测算,因此估算人类活动的作用就可以简化为测定河道坝库(其上游无坝库影响)的拦蓄量。

  通过淤地坝(坝地)的泥沙淤积信息研究小流域土壤侵蚀产沙,是目前研究流域或区域土壤侵蚀的重要方法。通过对淤地坝沉积旋回的研究,结合库容曲线获取淤地坝内泥沙淤积量,反演控制区内的土壤侵蚀产沙强度,进而利用泥沙理化性质识别其主要来源。通过空间上若干个淤地坝淤积过程的研究并结合淤地坝建设情况,进而推算流域或区域的坝库拦蓄泥沙量。

  如果可以调查和统计淤地坝及水库泥沙淤积数量,进一步明确黄河泥沙减少的原因主要是坡沟系统土壤侵蚀产沙量减少还是河道坝库工程的拦蓄,那么就可以明确治理黄河泥沙的重点是加强坡沟系统的水土流失治理还是沟道(河道)坝库工程建设。

黄河适宜输沙量及未来输沙状态问题

  解决泥沙问题是黄河治理的关键,而黄河适宜输沙量及未来输沙状态是黄河治理开发规划的重要基础。黄河年输沙量从1919~1959年的年均16亿吨减少至近年来最小不足1亿吨,这种现象或事实已经颠覆了人们对黄河泥沙现象的传统认识。在黄河输沙量减少原因分析的基础上,有关学者关注并预测了维持黄河健康的输沙量、未来黄河输沙的状况,但所得结果迥异。有的学者认为未来黄河的年输沙量可能在6亿吨左右,也有学者认为在8亿吨左右(修建三门峡水库时,预估全面实施水土保持后黄河输沙量减少一半),还有学者认为黄河的年输沙量未来将稳定在3亿吨左右。现实情况是,在降雨量没有显著减少的情况下,2000~2015年黄河潼关水文站年输沙量平均为2.56亿吨,其中最大值出现在2003年(6.08亿吨),其余各年均不超过5亿吨,而最小仅为0.55亿吨(2015年)。

  30年前,几乎没有人预测到黄河输沙量会降低到目前的状态。黄河输沙量变化已经打破人们的传统思维,受气候、政策及下垫面条件变化不确定性的影响,黄河未来输沙量变化存在更大的不确定性,应该加强对未来治理和开发规划下、不同降雨频率下黄河输沙量状态的研究。

黄河及黄土高原的治理及资源利用策略调整问题

  系统分析黄河输沙量变化原因可知,人类活动是黄河输沙量减少的主要原因,政策是降低土壤侵蚀、减少入黄泥沙的根本驱动力,各项水土保持措施是表现形式。在气候变化与人类活动共同作用下,近百年来黄河水沙呈现出了前所未有的剧烈变化。进入21世纪以来,黄河输沙量呈现出新的状态。黄河输沙量的大幅减少是黄河中游黄土高原各项水利水土保持措施综合作用的结果。针对生态环境脆弱的黄土高原地区,考虑到人类活动与自然和谐的特殊性,必须长期坚持保育水土,维系其生态和谐,才能维持该地区的自然生态环境稳定。实践经验证明,尊重科学、尊重自然、科学认识自然规律,是人类改造自然过程中必须遵循的真理。在黄土高原生态环境建设与黄河治理中,必须在科学研究的基础上做好相关的调研、规划,进行科技创新与制度创新,慎重对待入黄泥沙锐减引起的一系列新问题,保障区域水资源安全、防止洪涝灾害,确保为国家和区域社会经济发展与粮食安全提供支撑。

  针对目前黄河输沙量大幅减少的现状,黄土高原治理措施格局应进行相应调整。在新的水沙条件下,黄土高原生态环境建设与黄河治理应注重以下两点:首先,黄河水沙异源、水少沙多、水沙关系不协调的问题仍未解决。在考虑黄河不同区间影响水沙关键要素的基础上,合理配置调控措施,有效控制水土流失,在尽可能减少入黄泥沙的同时较小影响径流量,缓解黄河干支流水资源短缺问题。其次,黄河流域是我国人口集中、经济社会快速发展的重要区域。在新的水沙条件下,要在继续大力开展流域水土保持和生态建设的基础上,提高自然资源利用率,建立区域经济可持续发展新模式,促进区域生态功能与社会经济协调可持续发展。

  (作者简介:穆兴民,博士生导师,长期从事水土保持、生态水文研究工作。)


发布时间:2017年09月12日
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