黄河河川径流利用的阈值

刘晓燕，王瑞玲，张原锋，黄锦辉，申冠卿，葛 雷

（1.黄河水利委员会，河南 郑州 450003；2.黄河水资源保护科学研究院，河南 郑州 450003；3.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

1 研究背景

黄河是中国第二大河，全长5464 km，流域面积79.5 万km2（含内流区），流经青、川、甘、宁、蒙、晋、陕、豫和鲁等9 省区，在山东省垦利县注入渤海。黄河最突出的特点是水少沙多：1919—1975年，黄河年均天然径流量580亿m3/a，是长江的1/17；还原坝库的拦沙量后，同期输沙量16.4亿t/a，居世界江河之首。

1950年代以后，流域地表水耗用量不断增加（图1），导致黄河下游1970—1986年中有10 个年份断流。为缓解用水矛盾，1987年国务院颁布了“黄河可供水量分配方案”［1］，该方案以“黄河天然径流量为580 亿m3”为基数，确定可供相关省区耗用的水量为370 亿m3，预留210 亿m3作为输沙用水——以保障黄河下游淤积量不超过4 亿t/a。1999年黄河实施水量统一调度后，为适应河川径流丰枯变化的特点，国务院又于2006年颁布了“黄河水量调度条例”［2］，该条例规定，每年应按“同比例丰增枯减”的原则确定各省（区）的实际分配水量。

2000年以来，黄河来沙量和社会经济形势都发生了重大变化（图1），一方面潼关来沙量只有2.45亿t/a，另一方面全河地表水消耗量持续增加、生态用水需求也越来越高。在此背景下，预留“210亿m3/a输沙水量”的必要性不断受到质疑，要求调整1987年颁布的黄河分水方案、增加省区分水量。由此可见，如何兼顾河流健康和流域高质量发展、科学合理预留入海水量，已成为黄河水资源配置、调度和管理必须解决的重大科技问题。

图1 1919—2018年黄河水沙变化

回顾1987年颁布的分水方案，在预留入海水量时，主要考虑了输沙用水的需求，以控制黄河下游泥沙淤积不超过4 亿t/a。本文认为，在更加重视流域生态保护和高质量发展的新形势下，预留入海水量时不仅要考虑满足河槽健康要求的输沙用水，还要考虑河口水生态系统健康需水、河道内天然湿地生态需水以及人类仍难以调蓄利用的洪水。

2 水生生态需水

水生生态需水是所有河流水资源利用都必须考虑的约束条件，黄河也不例外。从确定人类用水的阈值角度，尤以黄河口三角洲最值得关注。

黄河口三角洲生态系统的空间范围一般指黄河渔洼以下的扇形地区，该区水的来源包括本地降水、黄河水、海水，其中依赖黄河水繁衍生息者主要是近海水生生物、入海流路两侧的淡水湿地和黄河河道内的淡水鱼类，故为黄河生态需水研究的主要服务对象。

2.1 渤海湾鱼虾繁殖对黄河入海水量的要求独特的黄河水沙条件与渤海弱潮特征，形成了黄河入海口独特的生态系统。黄河携带的丰富淡水和营养物质，使黄河口近海水域成为渤海多种鱼、虾、蟹、贝的最重要产卵场、索饵场和育幼场。近海水域水生生物对黄河水的需求主要在繁殖期。在渤海湾水生生物的繁殖期，温度和盐度是影响鱼、虾、蟹、贝产卵和育幼的关键因素，其中盐度取决于该时期的黄河入海流量和水量。不过，有关近海水域对黄河水量的需求问题，迄今研究很少。

赵延茂等［3］调查了在黄河口海域繁殖的39 种鱼类，结果表明，35 种鱼类产卵期在5—8月，其中6月是产卵高峰期。谷源泽等［4］调查了18 种水生生物的繁殖期，结果表明，80%以上的水生生物繁殖期集中在4—7月，尤其是5—6月。利用文献［4］提供的2007—2018年鱼虾繁殖高峰期（5月）观测的鱼卵密度数据，分析其与相应3月、4月、5月份径流量的关系，结果表明，5月份鱼卵密度与本月及上月的径流量均密切相关，但与3月份径流量关系不大，见图2。由此可见，如果5—6月是该区鱼虾产卵的高峰期，则4—6月黄河入海水量应该是影响鱼虾产卵量的关键指标。

进一步分析图2 可见，4—5月入海水量对5月份鱼卵密度的促进作用并非线性关系：当月径流量大于10 ～14 亿m3后，继续增加入海水量，鱼卵密度变化不大。由此推测，在近海现状水质条件下，4 ～6月黄河利津径流量达30 ～42 亿m3，即可基本满足近海鱼虾产卵的要求，该结论与从满足鱼虾繁殖期的水体盐度要求分析得到的认识大体吻合［5］。

国家海洋部门对黄河口生态系统健康评估结果也印证了以上认识［6］。除2016年外，2006年以来黄河4—6月径流量变化在25 ～86 亿m3之间，而同期的近海生态系统健康程度基本稳定在“亚健康”水平（注：与近年长江口和珠江口的近海生态健康等级相同），即径流量大于80 亿m3的3 个年份的近海生态健康水平并未显著提高（图3）。从图3 判断，4—6月径流量37 亿m3/a 左右，即可使近海水域生态健康等级维持在亚健康水平。

图2 鱼卵数量与黄河入海径流量的关系

图3 近海健康等级与4—6月入海水量的关系

连年维持较大入海水量显然将更有利于生境改善，如2018—2019年4—6月入海水量均超过80亿m3、相应地近海鱼卵密度明显增加，但该径流形势为1972年以来罕见（图4）。考虑到黄河流域愈发严峻的水资源短缺矛盾，并结合以上从鱼虾繁殖和近海生态健康需求方面的分析成果，建议现阶段将“利津断面4—6月径流量25 亿m3和40 亿m3”分别作为近海水生生物繁殖期对黄河入海要求的低限水量和适宜水量。由图4 可见，该低限水量“25 亿m3”接近利津断面1973—1991年均值（26 亿m3/a），而该时期全河的社会经济耗水量较目前偏小约13%。考虑到人类用水量已不可能退回1970年代以前的情景，因此“利津4—6月25～40 亿m3”也是比较现实可行的水量标准。

图4 地表水耗水量与4—6月入海水量变化

2.2 黄河口淡水湿地对黄河水量的需求在黄河口三角洲，值得关注的不仅有深受黄河入海水沙影响的近海水域，更有主要依靠黄河洪水漫滩和侧渗补给的陆域淡水湿地。该湿地位于黄河入海流路两侧，是东北亚内陆和环西太平洋鸟类中转、繁殖和越冬的核心栖息生境。为保护河口新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类，1992年中国政府设立了黄河三角洲国家级自然保护区，2013年国际湿地公约组织将黄河三角洲湿地列入国际重要湿地名录。

在黄河三角洲生态系统中，淡水湿地对维持河口生态系统平衡和生物多样性保护至关重要，也是该地区与黄河水力关系最密切的生态单元。淡水湿地的代表植物包括芦苇、荻、香蒲等，代表鸟类包括丹顶鹤、东方白鹳、黑鹳、灰鹤、大天鹅和小天鹅等国家保护动物。每年4—6月，是芦苇等植物发芽的季节，也是大多数鸟类繁殖的季节；11月—翌年3月是鸟类越冬季节。

针对三角洲淡水湿地的生态需水，连煜和崔保山都曾开展过研究，结论相近。连煜等认为［7］，自然保护区需要黄河补水的对象是退化的芦苇沼泽湿地、面积恢复目标为23 600 hm2；基于芦苇、丹顶鹤、东方白鹳和黑嘴鸥等湿地代表物种生境条件的调查，模拟了不同补水量在连续补水5年后的生境和植被类型变化，认为该湿地需要黄河每年在3—10月补水2.8 ～4.2 亿m3。基于鸟类栖息地的用水特点，崔保山等认为［5］，淡水湿地的最小需水量为3.76 亿m3、适宜水量4.88 亿m3，其中4—6月0.63 ～0.77 亿m3。

2008年以来，结合以冲刷河槽为主要目的的调水调沙，黄河水利委员会实施了向三角洲自然保护区淡水湿地补水的行动［8］。2008年和2009年，黄河补水量分别为1350 万m3和1500 万m3，补水时间为6月下旬—7月上旬，补水对象为现行清水沟流路两侧的淡水湿地。2010年以后，同时向现行流路和刁口河故道两片淡水湿地补水，补水时段延伸至5—10月，年补水量一般为3000 ～6000 万m3、最大约1 ～1.4 亿m3。与此同时，自然保护区管理部门也采取了淡水高效利用的措施，以控制淡水湿地面积在黄河枯水年（如2016—2017年）不发生大幅下降。

随着黄河水的连年补给，河口淡水湿地的面积不断恢复，2018年的湿地面积已由补水初期的11 475 ha 恢复至15 173 ha，基本达到了自然保护区设立时的平均水平（图5）。随着湿地面积扩大和生物栖息环境明显改善，自然保护区鸟类已由187 种增至368 种［9］，远超过自然保护区设立时的283 种。

图5 黄河三角洲淡水湿地面积变化

2008年以来的生态补水实践表明，一定历时的漫滩洪水才是河口淡水湿地恢复和维持的关键，该认识显然与前人有较大差别。淡水湿地分布在黄河入海流路两侧的滩地上，黄河的平滩流量越小，湿地补水越方便。由于近十几年黄河河槽冲刷下切、道路和堤防阻隔，在目前的河槽和湿地进水条件下，即使给湿地补水0.6 ～0.7 亿m3，也需要流量大于2800 ～3000 m3/s 的黄河洪水持续12 ～15 d、相应水量为30 ～39 亿m3。这样的洪水过程，不仅可自流补水，还可通过地下水侧渗向淡水湿地补水：观测表明，生态补水后，黄河流路两侧的地下水水位普遍升高1 m 以上［10］。生态补水的实践还说明，从有利于淡水湿地补水角度，一方面河口尾闾段的河槽不宜下切太深、以有利于湿地与黄河的生态联通，同时保护区管理部门也应考虑适当的人工补水措施。

观察表明［7］，在芦苇发芽和鸟类繁殖的4—6月，水深30 cm 左右即可满足要求，水深超过50 cm反而会抑制芦苇生长；而在芦苇生长的7—10月，20 ～80 cm 的水深更为适宜。因此，4—10月都是淡水湿地的适宜补水时间，其中4—6月“净”补水量不宜超过0.6 ～0.7 亿m3，而7—10月的补水量可更大些。如果把湿地恢复目标由现状提高至1986年的水平（166 km2），按一次补水水深50 cm 估算，汛期适宜的补水量为0.83 亿m3，相应的黄河洪水水量约40 ～50 亿m3（按流量≥3500 m3/s 计算）。

2.3 黄河鱼类对径流条件的要求受水沙条件等因素影响，黄河水生生物种类和数量相对贫乏，鱼类种类相对较少，故目前对黄河生态廊道的生态需水研究很少。黄河鲤是黄河生态廊道中的代表性鱼种，因产于黄河而得名，是最著名的黄河土著鱼种。因此，本文重点以黄河鲤为指示性物种，分析其对河口段径流条件的要求。

野外调查表明，河口段黄河鲤的产卵时间为4—6月份，水温是黄河鲤产卵开始或者终结的决定因子，适宜的产卵水温为19-24℃；鲤鱼属分批产卵鱼类，繁殖期一般持续2 个月左右，产黏性卵；鱼卵孵化约需3—7 d，卵化后的幼鱼有顶水逆游的习性。在每年的11月至翌年3月，黄河鲤进入越冬期。

为深入了解黄河鲤在不同生长阶段对水流条件的需求，本文在实验室环境观测了亲鱼和鱼苗对流速的耐受性，其中鱼苗是从黄河河道采集的已孵化7—10 d、体长为1.5 cm 的鱼苗；试验环境为玻璃管道，通过改变管道坡度来调节流速。野外观测和适应性实验表明，黄河鲤在繁殖期的适宜流速为0 ～0.5 m/s、水深50 ～125 cm；小脉冲洪水不是黄河鲤亲鱼产卵的必要条件，但一定的流速刺激可促进产卵。

基于以上观测结果，结合黄河利津段在不同流量下的流速、水深、水面宽、湿周和河床地形等信息，建立了繁殖期适宜栖息地面积与流量的关系（图6），结果表明，利津河段在黄河鲤繁殖期的适宜流量应为250 m3/s。若从满足黄河鲤产卵的低限水深角度，则要求流量大于100 m3/s（图7）。

图6 黄河鲤繁殖期适宜栖息地面积与流量的关系

图7 利津断面流量-流速/水深/水面宽的关系

处于生长期的黄河鲤对生活环境的适应性较强、水面宽≥100 m 即可，常栖息在流速缓慢的松软河底和水草丛生的浅水区。黄河鲤喜在深水区中越冬，水深应≥1.5 ～2 m。基于此，利用黄河利津断面的流量-流速/水深/水面宽的关系（图7），确定7—10月平水期的利津日均流量宜达100～300m3/s，且时常有可淹没嫩滩植被的洪水；冬季日均流量应达50 ～100 m3/s 以上。

除黄河鲤外，在每年的5—6月，河口段还有梭鱼、鲈鱼和银鱼等洄游产卵的海水鱼，它们对水流的要求大致为水深1 ～2 m。由图7 可见，流量100 ～250 m3/s 时，相应水深可达1 ～2 m。也就是说，“流量100 ～250 m3/s”可基本兼顾黄河淡水鱼类和洄游鱼类在繁殖期的要求。

2.4 干流河道内天然湿地生态需水黄河巴彦高勒-头道拐河段、小北干流河段和白鹤-高村河段均为游荡性河段。随着河床冲淤和摆动、水流侧渗和洪水漫滩等，缔造出多处河漫滩湿地，为鸟类和鱼类觅食和产卵提供了良好的栖息条件。

历史上，这些河段总体上处于淤积或冲淤平衡状态，因此河漫滩湿地除了自身降雨外，其淡水补给主要来自洪水漫滩和河道侧渗；对于下游悬河段的河漫滩湿地，补水条件更为优越。1990年代以来，滩地开垦、洪水漫滩几率降低和下游断流等因素，导致湿地萎缩。

根据黄河下游4 处自然保护区在1990年代初的沼泽湿地面积，粗略推算了当时的黄河补给水量，约5 ～10 亿m3/a。未来，根据新时期“提高滩区防洪标准”和“河床不抬高”的目标，黄河下游漫滩洪水几率仍然不会增加、河槽也不会重返其淤积状态，因此以上4 处湿地生态系统的健康恐将主要依赖人工补水，作为提升河流社会功能的生态补偿。

3 黄河下游输沙需水

黄河下游是典型的复式河床，由河槽和滩地组成，其中河槽是洪水宣泄的主要通道。为确保下游防洪安全，经科学比选［11］与广泛讨论，2013年国务院颁布的《黄河流域综合规划》确定［12］，黄河下游河槽过流能力不得低于4000 m3/s。

1987年分水方案预留的210 亿m3并不能保证下游不淤积，而是允许淤积不超过4 亿t/a。1980年代以前的实践证明，即使达这样的淤积水平，下游平滩流量仍能维持在4000 m3/s 以上，原因在于该时期洪水量级大、漫滩洪水多，河床淤积往往表现为滩槽平行抬高。

然而，近30 多年来，由于汛期水量和漫滩洪水大幅减少，导致80% ～90%的淤积物堆积在河槽内。因此，在目前黄河下游平滩流量已全线超过4300 m3/s 的情况下，要保证黄河下游河槽过流能力不低于4000 m3/s，必须基本维持河槽冲淤平衡。也就是说，新形势下黄河下游输沙水量的内涵是“可基本维持下游河槽冲淤平衡的水量”。

关于黄河下游输沙需水，迄今已有大量研究成果，严军分析了输送单位重量泥沙所需要的水量或输送到下游或入海所用清水体积［13］，石伟分析了输沙效率与河道淤积状况综合最优时的输沙水量［14］，申冠卿将一定来沙条件下维持河道淤积在某一水平所需的水量视为输沙水量［15］，吴保生等利用能量耗散理论研究了黄河下游塑造一定主槽所需的塑槽输沙水量［16］，张原锋等提出了黄河下游维持主槽冲淤平衡条件下、不同来沙量相应的输沙需水量［17］。不过，现有研究成果均为黄河下游年平均或汛期平均的输沙需水量，对洪水过程关注较少。

事实上，2000年以来，以及未来相当长时期，黄河下游汛期径流过程将呈两级分化的模式：或为满足经济用水和生态基流的小流量，或为洪水，以实现黄河径流利用效益的最大化。小流量显然对下游输沙或塑槽作用很小，量级洪水及其含沙量才是影响下游河槽冲淤的关键因素。因此，输沙需水研究应更聚焦汛期的洪水，而非整个汛期的径流。

利用1960—1999年黄河下游河床实测冲淤数据，我们分析了黄河下游不同量级洪水的冲淤规律，发现了实现主槽冲淤平衡的水沙条件阈值［15］、可高效输沙的洪水流量及其历时［18-19］以及洪水漫滩程度与河槽冲淤的响应关系［20］。基于此，以维持黄河下游河槽冲淤平衡为前提，并考虑黄河水沙调控的现状能力，提出了下游不同来沙情况下需保障的汛期洪水水量（图8，相应的洪水流量为3500 m3/s）。

图8 维持主槽不萎缩所需的洪水水量

图8 考虑了两种情景：（1）不考虑4—6月生态洪水的冲刷，即仅依靠汛期洪水实现河槽冲淤平衡；（2）考虑4—6月30 亿m3生态水量的冲刷效果。在两种情景下，又进一步考虑了调水调沙的两种技术水平，即“可以精准调控进入下游的洪水流量”和“不仅可以精准调控进入下游的洪水流量，还可以精准调控洪水的含沙量”。通过近20年的调水调沙实践，下游流量调控技术已基本成熟，但对洪水含沙量的调控能力仍显不足。因此，考虑到4—6月30 亿m3生态水的冲刷效果，推荐将“伏秋汛期洪水期间下游河槽允许淤积0.25 亿t”情景下两种调控方式相应的输沙需水量均值，作为未来汛期输沙需要的洪水水量。

在图8 采用的数据系列中，下游来沙少于2 亿t 的情景极少，故曲线未下延。若按图8 曲线下延推算，当下游来沙只有1 亿t/a 左右时，输沙需水量只有14 亿m3，相应的洪水历时不足5 d。但是，要保障下游输沙比不小于90%，场次洪水的历时应不小于7 d［18-19］；而从兼顾河口淡水湿地用水角度，洪水流量不宜小于3000 m3/s。若按洪水流量3500 m3/s、历时7 d，所需要的洪水水量为21.2 亿m3，该水量可视为来沙极少情况下输沙需要的最小洪水水量。

目前，黄河下游河槽的平滩流量已经达到4300 ～7000 m3/s，实现了《黄河流域综合规划》（2013年）确定的标准［12］。而已有研究表明，在现状河床边界条件和花园口径流量220 ～250 亿m3/a 条件下，实现黄河下游河床冲淤平衡的沙量阈值为2 ～3 亿t/a［21］；要实现现状入海流路和三角洲地区的海岸线淤蚀平衡，利津来沙量应分别不小于1.5 ～1.6 亿t 和2 ～2.5 亿t［22-23］；加上引黄引沙和河床冲淤，推算相应的花园口沙量约2 ～3 亿t。考虑该因素，在规划层面上，应将下游年均来沙2 ～3 亿t/a 对应的水量作为低限输沙需水，约40 ～50 亿m3（相应流量约3500 m3/s）。

4 生态与输沙需水耦合分析

以上分别对黄河下游的输沙需水和水生生态需水进行了分析，对比可见：

（1）4—6月份是近海鱼虾产卵的季节，也是淡水湿地芦苇发芽和鸟类繁殖的季节，二者均要求黄河给予淡水补给。不同的是，淡水湿地不仅要求黄河水量达到30 亿m3以上，而且要求流量达漫滩洪水级别，以实现湿地净补水0.6 亿m3以上。

（2）即使按来沙2.5 亿t 的水平，下游也需要配合流量3500 m3/s 以上、洪量40 ～50 亿m3的洪水过程，否则将难以保证河槽冲淤平衡。而按淡水湿地目前的进水条件，这样的洪水过程显然可使湿地自流补水约0.8 亿m3。因此，综合考虑输沙和淡水湿地补水需要，伏秋汛期应保证一次流量3500 m3/s以上、洪量40 ～50 亿m3以上的洪水过程。

7—10月一定量级的洪水对黄河鲤生长也非常重要，它们靠漫滩洪水到食物丰富的嫩滩湿地觅食；同时，湿地依靠漫滩洪水得到充足的水分补充，进而为鱼类提供更加丰富的食物资源。

（3）黄河土著鱼类对径流条件要求不太高，全年流量50 ～300 m3/s 即可基本满足其繁衍生息的基本要求。根据国家对黄河河口生态流量的新要求［24］和《黄河流域综合规划》（2013年），建议把低限生态流量由近20年一直沿用的50 m3/s 提高到75 m3/s。考虑到河口生态系统对黄河的要求主要为大流量洪水，因此，可把黄河土著鱼类所需要的径流条件视为黄河的生态基流。

（4）河漫滩湿地需要黄河补水5 ～10 亿m3，可通过人工补水和大洪水期侧渗漫滩解决。

将黄河下游水生生态需水和输沙需水进行耦合，可得到不同来沙情景下的黄河下游生态和输沙需水量及其过程，见表1（已取整），其中“低限水量”适于黄河流域降雨极枯情景、“低限流量”宜作为水量日常调度的流量控制标准；从水资源规划（分水方案调整）和满足河流健康角度，应重点关注“适宜水量”。

表1 黄河下游水生态和输沙用水推荐结果

2000—2018年，由于小浪底和西霞院等水库拦沙，进入黄河下游的沙量只有0.76 亿t/a，该情况下的生态和输沙需水为135 亿m3，而实际同期入海水量达156 亿m3/a，因此，该时期的黄河下游河槽持续冲刷，河口三角洲生态系统也取得了良好的恢复效果。

水生态和输沙两大需水的服务对象有着本质的区别：（1）输沙需水的主要服务对象仍然是人类社会，但也涉及下游洪泛区的自然生态系统安全。必须留下输沙水，目的在于通过控制河床的淤积抬高，改变下游“一旦决口、水沙俱下”的严峻局面、降低洪灾风险，是无法进一步分解水权的人类公共安全用水。因此，也可把“输沙需水”称之为环境需水或泛生态需水。（2）水生态需水的主要服务对象是野生生物，是维持自然界协调发展的基本需要。考虑到下游决口给洪泛区带来的生态灾难，可将以上两项需水统称为“生态需水”。

基于人类目前的认识水平，确保防洪安全和自然生态系统稳定，都是人类开发利用水资源的底线。因此，表1 所列的年内不同时段黄河流量和水量标准，应该理解为黄河水量调度的控制指标和流域水资源开发利用的阈值。

5 人类未来用水的阈值

5.1 黄河来沙情势预测从表1 可见，在相当程度上，人类未来用水的阈值取决于相应时期的来沙情况。黄河泥沙主要来自潼关以上的黄土高原，其中91%来自图12 所示的主要产沙区。还原坝库拦沙量后，1919—1975年陕县（潼关）“天然输沙量”为16.4 亿t/a。

2000年以来，随着退耕和禁牧政策实施、大规模梯田建成和城镇化进程加快，黄土高原的侵蚀产沙环境发生了巨大变化。至2018年，黄河主要产沙区的林草梯田有效覆盖率已经由1978年前后的17.6%提高到60.5%，见图12。利用Liu 构建的黄土高原林草梯田覆盖率-产沙指数关系［25-26］，测算了2010—2018年下垫面在1966—2018年和1933—1967年系列降雨条件下的黄土高原产沙量，分别约4.5 亿t/a 和5.9 亿t/a；考虑大型水库群控制下的青藏高原来沙（320 ～450 万t/a）、干支流引水引沙（0.28亿t/a）和河床冲淤调整后，若黄土高原坝库不拦沙，潼关年均来沙应约3.6 ～5.4 亿t/a。该认识与近年实测结果基本吻合：2010—2018年，黄土高原入黄沙量2.2 亿t/a；还原支流坝库拦沙和灌溉引沙后，黄土高原的“天然输沙量”为4.9 亿t/a。

图12 黄河主要产沙区林草梯田覆盖率变化

不过，考虑到现状淤地坝仍有一定的拦沙寿命、泾河东庄水库将在2025年前后建成投运，加之青藏高原数座大型水库可使未来300年内的下泄沙量不大于0.15 亿t/a，预计2050年以前潼关输沙量可大体维持在4 亿t/a 以内，之后继续反弹，见图13（未考虑古贤水库）。需要说明的是，图13 是假定未来维持2010—2018年下垫面不变、1919—2018年降雨重现、坝库不出现大量水毁情况下的推算结果，这样的假定显然存在不确定性。

图13 未来不同水平年潼关来沙量预测

小浪底水库的拦沙运用方式也是决定下游输沙需水量的关键因素。小浪底水库设计拦沙库容75亿m3，于1999年汛后投运，2000—2018年实际拦沙1.73 亿t/a。至2019年汛前，小浪底水库拦沙库容仍剩余41 亿m3。由此可见，在2050年以前，通过黄土高原水土保持和流域坝库拦截，将黄河下游沙量控制在2.5 亿t/a 以内是可能的。在此来沙情况下，如果小浪底出库的水沙过程合理，135 亿m3的水量可基本维持下游河槽冲淤平衡和黄河口三角洲生态系统的用水需求。

2050年以后，随着淤地坝及水库的拦沙功能失效，潼关来沙极可能反弹至3.9 ～5.2 亿t/a，届时，维持黄河下游河槽冲淤平衡和河口生态系统健康的需水量为150 ～170 亿m3。

林草植被改善和梯田运用不仅使黄土高原产沙量由16 亿t/a 减少为4.5 ～5.9 亿t/a，也使河川径流减少约45 亿m3。对照图8 可见，这样的减水代价是值得的：若均以“维持下游河槽过流能力≥4000 m3/s”为前提，来沙16 亿t 所需输沙水量比来沙5 亿t 时多160 亿m3。

5.2 黄河径流情势预测决定未来黄河可供水量的另一个关键因素是黄河流域的产水形势。“黄河天然径流量580亿m3/a”是1987年国务院“黄河可供水量分配方案”的基础数据。然而，随着流域下垫面变化，黄河天然径流量不断减少，其中，在降雨偏丰2%的2000—2018年，黄河天然径流量只有468亿m3/a。

现有研究认为［26］，在2010年以来的现状下垫面和1966—2014年降雨情况下，由于林草植被改善和大规模梯田建设（图12），加之地下水开采和坝库运用等原因，花园口断面天然径流量估计只有460亿m3；加上黄河下游多年平均对天然径流量的贡献（6 亿m3），则黄河利津断面的天然径流量约为466亿m3/a——与2000—2018年的实际值相近。考虑到流域地下水开采势头已初步遏制、黄土高原林草植被和梯田规模已渐趋稳定，如果未来降雨与过去百年情景相似，则未来黄河天然径流量估计不会再有大幅度减少，极可能维持在460 ～466 亿m3。

在过去百年中，黄河曾经多次出现降雨连年偏少的现象，其中最典型的是1922—1932年，该时段天然径流量仅约400 亿m3/a。显然，在现状下垫面情况下，若降雨重现1922—1932年的情景，黄河天然径流量极可能不足300 亿m3。

5.3 黄河径流的未来可利用量理论上，通过科学调控，未来2020—2050年，因下游沙量可控制在2.5 亿t/a 以下，故黄河可供水量约330 亿m3/a；2050年以后，随着来沙量反弹，可供水量将逐渐由330 亿m3/a 下降至290 ～310 亿m3/a。

但是，一个不容忽视的现实是，由于黄河流域年际降雨丰枯悬殊，现状水库群并不能实现所有大洪水的资源化。在现状水沙调控工程体系中，只有龙羊峡、小浪底和刘家峡水库具有较大的调蓄能力，远不能满足大洪水调蓄的需要。例如，在降雨丰沛的2018年和2019年，干流水库全部蓄满后，仍分别有331 亿m3和310 亿m3径流入海，该数字远超当年下游4.3 亿t 和5.3 亿t 来沙所需要的生态水量，而超出的水量也是“多年平均天然径流量460 ～466 亿m3”的重要组成部分。实际上，2000年以来，类似情景已多次出现。由此可见，未来水管理部门能够有效调控和配置的径流量远不足460 ～466 亿m3（粗估将减少15～30 亿m3），因此2050年以前的黄河可供水量必少于330 亿m3。

另一方面，目前黄河地表水消耗量已达332 亿m3，较1990年代增加约50 亿m3，且仍呈继续增加的势头。与我国东部沿海地区相比，黄河流域大多处于经济起飞阶段，用水需求十分旺盛。宏观判断，至2050年前后，如果不受分水指标约束，黄河地表水消耗量极可能达到400 亿m3以上。届时，即使下游沙量仍可以控制在2.5 亿t/a，也需要黄河天然径流量达到530 亿m3才能满足人类和生态的共同用水要求。此外，在全面推进水权制度的背景下，黄河水分配至各用户后将很难收回，因此若现在按“来沙2.5 亿t/a”情况下的可供水量调整分水方案，待未来沙量反弹至2.5 ～5 亿t 后，黄河健康必将面临严重威胁，需及早制定应对措施。

现状下垫面的“天然径流量530 亿m3”大约相当于1919—1975年系列的645 亿m3，而1919～1975年达到645 亿m3的年份只占26%。由此可见，在生态环境和径流调控工具的双约束下，在未来大部分年份，黄河水资源已很难支撑流域用水的进一步增长。再遇1922—1932年或1991—2001年那样的连续枯水年，如无外部水源支持，要确保黄河下游不断流，必然十分困难。

6 结论

（1）黄河口三角洲生态需水是人类用水的重要约束因素。分析近十几年生态补水的实践及其效果认为，在鱼虾产卵、芦苇发芽和鸟类繁殖的4—6月份，黄河入海径流量应达30 亿m3左右；伏秋洪水对淡水湿地同样具有重要意义，该洪水可与输沙水共用。黄河鱼类对径流条件要求不高，75 ～100 m3/s 即可满足其繁衍生息的低限要求，可视为黄河的生态基流。（2）输沙用水是黄河径流配置的特殊约束因素。进入新时期，国家对“输沙水”的功能提出了更高要求。基于目前对下游河槽冲淤规律的认识，考虑水库调控水平，以满足河槽冲淤基本平衡为前提，提出了不同来沙情况下需保障的下游洪水水量。在规划层面上，兼顾输沙和河口淡水湿地的补水要求，汛期洪量不宜低于“来沙2.5 亿t/a”相应的输沙需水量（约40～50 亿m3）。在日常调度层面上，即使下游来沙量低至1 亿t，下游汛期也应有一次流量3500 m3/s、历时7 d 以上的洪水，以兼顾塑槽和生态的低限要求。（3）水库群对大洪水的调蓄能力也是黄河径流配置的制约因素。2000年以来的实践证明，黄河干流现状水库群并不能实现对所有大洪水的资源化。（4）基于对未来水沙情势的初步判断，并考虑现状水库群对大洪水的调蓄能力，认为2020—2050年黄河可供水量不足330 亿m3、沙量反弹至2.5 亿t/a 以上后可供水量将越来越少。目前，黄河地表水消耗量已达332 亿m3、且仍将继续增加，在生态环境和径流调控工具的双约束下，预计在未来大部分年份黄河将很难支撑人类用水的进一步增长；遇连续枯水年，确保黄河不断流将十分困难。

需要指出，调整黄河“八七”分水方案，不仅要考虑以上因素，而且要考虑黄河上中游河段的生态需水，以阐明增加上中游配置水量可能导致的生态风险。此外，本文对未来沙量的预测结论仍存在不确定因素，对大洪水调蓄能力和黄河下游来沙小于2 亿t 情景的塑槽输沙需水量研究也比较肤浅。因此，围绕黄河分水方案调整所涉及的科学问题，仍需开展更多研究。