江河治理與水沙關系——黃河流域產流產沙模擬與水沙變化

中國科學院院士、清華大學教授 王光謙

江河治理與水沙條件有很大的關系。從科學層面上，要把水沙變化之后機理上的物理過程搞清楚，看河床是怎樣變化的，再來分析江河治理有什么新的要求。這里介紹一下黃河流域產流產沙模擬與水沙變化研究。

黃河上游黃土高原水土流失比較嚴重，下游是游蕩性河道。20世紀70年代開始，就存在一個規律，黃河下游的泥沙淤積主要是土泥沙，它和下游建立了一個關系，表明在45萬km2的黃土高原區，應該集中治理的是10萬km2一個區域。在整個多沙粗沙區，降雨之后產流產沙是怎樣的？

應先建立一個流域水沙模型。這是一件比較困難的事。首先，流域泥沙過程非常復雜，大概有4個過程：坡面的產流產沙過程，溝坡的重力侵蝕坍塌過程，溝道的高含沙水流沖刷過程，河道的水沙輸移過程。建立這個模型我們花了10年時間，現在對黃河來說是可以用的。

不僅是在坡面上建立4種模型，還要集成在一個數字流域模型。黃河數字流域模型可以進行水沙計算。把各個坡面、各個溝道的水沙過程粗略算下來，最后可以把水沙條件計算處理，通過三門峽和小浪底的演化可以算到河口沖刷。這樣就可以計算水沙變化和河道演變的關系，分析河道演變與江河治理的關系。具體思路是通過這個模型研究降雨對產流產沙的影響。黃河的水沙變化，先是徑流量的變化，不同的階段徑流量是變化的，輸沙量和含沙量也有變化。

在對黃河流域進行的分析中分成為7個區，這7個區降水量的變化是逐漸增加的，但力度沒有太大的變化。從徑流量的變化上看，水沙的變化在減少，以1958年為分界點。輸沙量隨徑流量的變化趨勢以減少的趨勢為主。2000年也出現了一個變化，雖然降水量變化不大，但是徑流量有比較大的變化，輸沙量的變化更大，含沙量的變化不是很大。

黃河洪水在內蒙古河段可以看到，年最大日徑流量顯著減少，不同級別的洪水場次和流量持續天數顯著減少。水沙變化對洪峰變量和河道演變有比較大的影響。

從黃河河床演變看，20世紀80年代中后期起黃河平灘流量減少了很多，徑流量在減少，2000年以后粗沙量更多。

為什么在氣候條件變化不顯著、植被很少得到改善的條件下，徑流和泥沙能發生顯著和劇烈的變化？人類活動是怎樣影響的？

以中游黃甫川流域為例，有兩個變點：一是1984年家庭聯產承包責任制的推行使農業生產活動得到加強，二是1998年實施的退耕還林和水土保持生態建設使淤地壩建設多了起來。通過遙感數據分析得到一個粗略的結果是，從原狀態的1984年以前到第三個時期也就是最近10年，徑流減少的原因大體分為：淤地壩占40%，降水減少占20%左右，其他植被、土地利用變化占40%。

對泥沙的影響是什么呢？一是上中游來水來沙減少了。1984—1997年大沙年消失了，大雨年消失了，中沙年減少了，大的徑流過程沒有了，但含沙量沒有減少。二是下游河段受上中游來水來沙減少以及干流水庫影響，主槽萎縮。下游河道的變化主要是：平均流量減少了，輸沙量也減少了，最主要的是主槽萎縮了。經過對這些因素的分析可以看出，相比20世紀80年代中期前，是洪水變少了，洪峰變小了；2000年小浪底水庫使用后，下游河道徑流量年內分配坦化了，調水調沙人造洪峰使徑流量控制住了，有了一個正面的影響。