黄河流域水沙变化机理与趋势预测

胡春宏

（中国水利水电科学研究院，北京 100048）

黄河是中华民族的母亲河，其以水少沙多，含沙量高而著称。自20世纪80年代中期以来，受水利水保工程等人类活动和气候暖干化等气候因素影响，黄河流域水沙情势发生巨大变化，潼关站年输沙量由1919—1959年16亿t减少至2010年以来1亿t左右，减少约94%。黄河水沙情势剧变，已严重影响黄河规划与治理的科学参照依据，直接影响黄河水沙调控体系布局、南水北调西线规划、下游宽滩区治理方向等未来治黄方略的制定。“黄河宁、天下平”，从古至今，黄河治理都是治国安邦的大事。近年来，黄河水沙变化如此之大、如此之快，演变机理是什么，未来趋势如何，黄河治理开发战略规划决策是否随之重大调整，成为了新时期黄河治理亟需回答的重大科技问题。

1 项目重大意义

黄河作为世界第五大长河，我国第二大河，自西向东流经9省区，以占全国2%的河川径流量，承担全国15%的耕地面积和12%的人口供水重任，为国家的经济建设、粮食安全、能源安全、生态改善等做出了突出的贡献，肩负着实现中国梦的黄河担当。目前，由于黄河水沙量明显减少，水沙关系发生重大变化，黄河下游河槽严重萎缩、河道排洪输沙能力降低等新问题十分突出，严重威胁流域防洪安全，极大限制了区域经济社会的可持续发展。

（1）开展黄河流域水沙变化机理与趋势预测研究是科学治黄的前提与基础，研究成果对新时期治黄策略制定具有重大理论指导意义。科学认知水沙变化机理并预测未来水沙变化趋势成为新时期国家提升治黄水平与科学制定治黄策略的重大技术需求。面对国家需求，项目将紧密围绕“黄河水沙未来如何变化以及如何治理”的关键核心问题开展联合攻关，以产汇流机制变化、水沙非线性关系、水沙—地貌—生态多过程耦合效应等关键机理问题为突破口，探讨黄河水沙变化原因、预测未来常态水沙情势，提出黄河水沙变化调控阈值与应对策略。相关研究成果将为黄河规划与治理实践提供重要依据，对未来人民治黄实践，推动母亲河健康可持续发展具有重大理论指导意义。

（2）黄河流域水沙变化机理与趋势预测研究以提升治黄科技水平为目标，旨在推动治黄多学科交叉融合发展。项目将系统揭示黄河水沙演变规律及特征，辨析气候变化与人类活动对水沙锐减影响机制，突破主控因子个体效应与群体效应关系的认识瓶颈，实现模型方法的原理统一与升级换代。创新性提出流域水沙趋势集合评估技术，为准确预测黄河未来水沙情势提供技术保障。相关研究成果的提出，将进一步巩固我国泥沙科学水平的世界领先地位，同时，力争使我国在流域水沙动力学模拟与预测、流域水沙调控理论与应用领域取得国际领跑地位，实现河流动力学与水土保持学等多学科的交叉融合研究，推动治黄学科建设新发展。

2 项目总体目标

气候变化和强人类活动影响下的江河水沙变化，是全球泥沙研究的前沿和难点。当前，国外流域水文过程研究重水轻沙，国内侵蚀研究坡面多沟道少；而流域水沙研究小尺度多，中大尺度流域少，且缺乏多尺度联合研究。黄河水沙作为一个动态变化系统，不同研究方法下各因素对黄河水沙变化影响程度以及对水沙变化趋势预测研究结果的置信度等尚缺乏科学可行的评估方法，使得黄河水沙变化成因尚未达成共识，黄河水沙变化认知及未来预测成为世界难题，诸多科学问题亟待进一步研究解决。

围绕以上问题，本项目以科技助力黄河健康可持续发展为总目标，基于黄河流域气象—水文泥沙—下垫面—社会经济等基础数据库与共享平台构建，结合野外定点观测及室内控制模拟实验等多种方法手段，揭示黄河流域重点水土流失区多时空尺度的产汇流和产输沙机制，量化不同区域水沙变化主要影响因素的贡献率，预测未来30～50年水沙变化趋势，建立黄河流域水沙调控的阈值体系，提出黄河未来治理策略，为国家新时期治黄策略制定提供助力并不断推进治黄事业新发展。

3 主要研究内容

黄河流域水沙变化机理与趋势预测项目研究团队由中国水利水电科学研究院、清华大学等来自水利部、教育部、中国科学院、中国气象局等所属18家单位的138名科研人员组成。研究团队学科交叉、优势互补，在流域侵蚀产沙、水沙输移演变、水沙预测模型研发以及河道治理等方面积累了丰富经验。

项目将围绕黄河水沙情势剧变成因与黄河治理中的重大科学技术问题，基于黄河水沙基础数据仓库及共享平台构建，按照“过程与机理—模型与预测—评价与对策”的总体技术思路，开展以下五方面研究：①分析黄河流域水沙多时空演变及分异特征，揭示多因素变化下流域水沙产输变化规律，明确风沙入黄、支流淤积和河道采砂对黄河泥沙的影响。②辨析植被、梯田、坝库工程对流域径流和产沙的耦合效应，确定降雨、坡面与沟道等措施对入黄水沙的贡献率。③识别降雨和下垫面等多因子对径流过程的影响机制，研发多因子耦合驱动的流域水循环分布式模型；构建流域泥沙动力学过程模型；预测黄河流域未来30～50年降雨、径流和泥沙过程。④分析黄河与其它河流水沙变化特征及演变机制异同性，对比黄河水沙变化不同分析方法及其结果，研发预测结果的集合评估技术，评估未来30～50年黄河水沙变化趋势，确定其置信度。⑤研究维持黄河流域健康的水沙调控阈值，提出黄土高原生态治理策略与黄河防洪减淤和水沙调控策略，提出黄河下游宽河段治理方向。

4 项目预期效益

黄河流域水沙变化机理与趋势预测研究着力从多尺度流域泥沙动力学过程模拟、多因子耦合驱动的流域水循环分布式模拟、黄河水沙变化研究成果置信度集合评估以及维持黄河流域健康的水沙调控阈值判定等方面取得创新性成果，相关研究成果一方面可有力推动治黄多学科融合发展、不断提升治黄科技水平，相关技术方法可以在其他流域推广应用；另一方面，通过提高黄河水沙综合管理的水平，为黄河下游河床稳定和堤防建设，黄河下游人民群众的生命财产安全和供水安全，以及黄河流域生态文明建设、一带一路战略实施、国家扶贫攻坚战等国家重大战略实施提供有力的技术支撑，在促进区域地方社会经济发展、保障水沙资源合理配置，改善生态环境等方面效益巨大。

图1 项目技术路线图