江河治理与水沙关系——黄河流域产流产沙模拟与水沙变化

中国科学院院士、清华大学教授 王光谦

江河治理与水沙条件有很大的关系。从科学层面上，要把水沙变化之后机理上的物理过程搞清楚，看河床是怎样变化的，再来分析江河治理有什么新的要求。这里介绍一下黄河流域产流产沙模拟与水沙变化研究。

黄河上游黄土高原水土流失比较严重，下游是游荡性河道。20世纪70年代开始，就存在一个规律，黄河下游的泥沙淤积主要是土泥沙，它和下游建立了一个关系，表明在45万km2的黄土高原区，应该集中治理的是10万km2一个区域。在整个多沙粗沙区，降雨之后产流产沙是怎样的？

应先建立一个流域水沙模型。这是一件比较困难的事。首先，流域泥沙过程非常复杂，大概有4个过程：坡面的产流产沙过程，沟坡的重力侵蚀坍塌过程，沟道的高含沙水流冲刷过程，河道的水沙输移过程。建立这个模型我们花了10年时间，现在对黄河来说是可以用的。

不仅是在坡面上建立4种模型，还要集成在一个数字流域模型。黄河数字流域模型可以进行水沙计算。把各个坡面、各个沟道的水沙过程粗略算下来，最后可以把水沙条件计算处理，通过三门峡和小浪底的演化可以算到河口冲刷。这样就可以计算水沙变化和河道演变的关系，分析河道演变与江河治理的关系。具体思路是通过这个模型研究降雨对产流产沙的影响。黄河的水沙变化，先是径流量的变化，不同的阶段径流量是变化的，输沙量和含沙量也有变化。

在对黄河流域进行的分析中分成为7个区，这7个区降水量的变化是逐渐增加的，但力度没有太大的变化。从径流量的变化上看，水沙的变化在减少，以1958年为分界点。输沙量随径流量的变化趋势以减少的趋势为主。2000年也出现了一个变化，虽然降水量变化不大，但是径流量有比较大的变化，输沙量的变化更大，含沙量的变化不是很大。

黄河洪水在内蒙古河段可以看到，年最大日径流量显著减少，不同级别的洪水场次和流量持续天数显著减少。水沙变化对洪峰变量和河道演变有比较大的影响。

从黄河河床演变看，20世纪80年代中后期起黄河平滩流量减少了很多，径流量在减少，2000年以后粗沙量更多。

为什么在气候条件变化不显著、植被很少得到改善的条件下，径流和泥沙能发生显著和剧烈的变化？人类活动是怎样影响的？

以中游黄甫川流域为例，有两个变点：一是1984年家庭联产承包责任制的推行使农业生产活动得到加强，二是1998年实施的退耕还林和水土保持生态建设使淤地坝建设多了起来。通过遥感数据分析得到一个粗略的结果是，从原状态的1984年以前到第三个时期也就是最近10年，径流减少的原因大体分为：淤地坝占40%，降水减少占20%左右，其他植被、土地利用变化占40%。

对泥沙的影响是什么呢？一是上中游来水来沙减少了。1984—1997年大沙年消失了，大雨年消失了，中沙年减少了，大的径流过程没有了，但含沙量没有减少。二是下游河段受上中游来水来沙减少以及干流水库影响，主槽萎缩。下游河道的变化主要是：平均流量减少了，输沙量也减少了，最主要的是主槽萎缩了。经过对这些因素的分析可以看出，相比20世纪80年代中期前，是洪水变少了，洪峰变小了；2000年小浪底水库使用后，下游河道径流量年内分配坦化了，调水调沙人造洪峰使径流量控制住了，有了一个正面的影响。