黄河近年水沙锐减成因的主要结论
黄河天然时期实测年均来沙量16亿t（陕县，1919~1959年）、年均天然径流量559亿
立方米（花园口，1919~1975年）。然而，在年均降雨量基本正常的2000~2014年，黄河年均来沙量只有2.7亿t，天然径流量仅456亿立方米，水沙减少程度远超过1919~2000年的任何时期，引起人们高度关注。水沙减少最剧烈的是黄河潼关以上的主要产沙区，该区2007~2014年来沙减少约90%、来水减少约50%，水沙减幅之大前所未有。
刘晓燕等著《黄河近年水沙锐减成因》由科学出版社正式出版，该书采用遥感调查、实地查勘、实测数据分析和数值模拟等多种手段，以1919~1975年作为水沙变化的参照年系列，对20世纪50年代以来的降雨和水沙变化，以及水库、淤地坝、林草植被、梯田、灌溉引水、河道冲淤和煤矿开采等因素进行了全面调查，基本查清了黄河近年水沙锐减的原因和各因素贡献。主要研究结论如下：
（1）实测数据表明，降水不是黄河近年径流减少的原因。
1919~1975年，图1所示的黄河主要产沙区入黄沙量约占全河的90%、天然径流量约109亿立方米。但2007~2015年，该区年径流量减少50%，汛期径流减少55%，是水沙减幅最大的地区。基于GIS，本项目制作了1966~2015年系列的三个有效降水（P10、P25、P50）的空间分布图，并与2007~2015的有效降水进行了比较。结果表明，该区近年有效降水偏枯程度大于5%的面积占比只有16%，偏丰程度大于5%的面积占比达77%（图1）。由此表明，降水不是该区近年水沙大幅偏少的直接影响因素。
图1 黄河主要产沙区2007~2014年各地降水丰枯程度
2007~2015年，黄河主要产水区的降水状况也总体偏丰。其中，兰州以上偏丰3.7%，渭河中下游偏丰3.3%，汾河流域偏丰7%，仅三门峡-花园口区间降水偏枯。
当然，降雨增多和气温升高有利于植被改善，进而会影响入黄水沙。不过，现阶段研究仍不能确定其对植被改善的贡献率。通过优选降雨因子和模型函数形式，改进或构建了各支流在天然时期的降雨-产沙（水）相关模型，分析了该区近35年不同时段的降雨和非降雨因素减水减沙作用，结果表明，若以各支流1956~1975年前后的降雨-产沙响应关系为基准，80年代、90年代、00年代和2010~2014年，非降雨因素减沙量占理论产沙量的比例分别为35%~41%、24%~28%、73%~76%和90%~92%，即距今越近、非降雨因素的减沙作用越大。2007~2014年，潼关以上非降雨因素总减沙量为16.2亿~17.8亿t/a（约占理论产沙量的88%）、减水124亿立方米；降雨总体上表现为增水增沙，局部减水减沙。
（2）淤地坝和水库等河（沟）道工程是黄河近年来沙锐减的重要因素，但非主要因素。
截至2011年年底，潼关以上地区共有骨干坝5470座，其中4397座仍有拦沙能力；中小淤地坝52444座，其中，6371座仍有拦沙能力；小（1）型以上水库853座，总库容已淤损约41%。实测数据表明，2007~2014年，潼关以上地区水库及淤地坝的实际减沙量为3.2亿t/a（含坝地减蚀量0.145亿t/a）。
不过，蓄水工程的新增水面蒸发量不容忽视。采用空间分辨率为30m的卫星遥感影像进行调查和计算表明，与1919~1975年相比，2012水平年花园口以上各类蓄水工程新增水面蒸发损失为16.4亿立方米，其中水库蒸发损失占89.7%（3/4在黄河干流）、人工景观 48 31215 48 15287 0 0 4874 0 0:00:06 0:00:03 0:00:03 48748.6%（主要在平原区）、大型淤地坝占1.7%。
近年灌溉引沙、河床冲淤和河道采砂等因素对潼关来沙影响极小。
（3）黄土高原林草植被改善和大规模梯田运用是近年黄河来沙锐减的主要因素。
图2是主要产沙区70年代后期和2014年的林草梯田覆盖率。研究表明，70年代该区林草梯田覆盖率为20.6%，2014年增加到50.9%；70年代林草梯田覆盖率不足30%的面积占比为81%，2014年减少至3.5%。林草植被大幅改善和大规模梯田建成使黄土高原产汇流环境发生了巨大变化。梯田和林草变化主要发生在1998年以后，尤以2005~2008年以来最为突出。
图2 黄河主要产沙区林草梯田覆盖率变化（上1978年；下2014年）
基于遥感获取的林草和梯田数据，建立了流域林草覆盖率与同期产沙指数的响应关系，提出了梯田减沙计算的流域尺度模型，见图3，解决了大空间尺度上计算林草梯田减水减沙量的难题。利用该响应关系计算表明，在2007~2014年降雨情况下，现状（指2007~2014年平均状况，下同）林草和梯田等坡沟要素合计减沙12.54~14.11亿t/a，其中林草占56.2%、梯田占40.3%、淤地坝削洪减冲和小型水保设施减沙作用占3.5%；在1966~2014年平均降雨条件下，现状林草植被和梯田等坡沟要素的减沙能力为11.53亿t（折算至潼关为10.75亿t）、占潼关以上天然入黄沙量的63.4%
林草植被改善和大规模梯田运用也是近年黄河主要产沙区径流锐减的主要因素。计算表明，现状林草、梯田和淤地坝使黄河径流减少41.9亿立方米（坝地1.38亿立方米），其中2014年林草梯田可使黄河径流减少42.7亿立方米，其中林草16.4亿立方米、梯田26.3亿立方米，所减的主要为洪水。
（4）除下垫面因素外，流域地表水和地下水之间的补给-径流-排泄关系变化，也是近年黄河天然径流量减少的重要原因。
20世纪80年代和90年代是地下水开采利用量持续增加的时期；2000年以来，龙门至花园口区间地下水开采量有所减少，但龙门以上仍保持增长势头。计算了开采地下水对河川径流侧向补给和潜水蒸发的影响，结果表明，与70年代以前相比，90年代末和2007~2015年地下水开采对河川径流的影响增量分别为30亿立方米和34.5亿立方米。
煤矿开采必然在其上方产生一定高度的导水裂隙带、地表会沉陷或开裂，但如果导水裂隙带不能导通地表之下的第一个稳定隔水层（这种情况下的煤层一般埋藏很深），采煤对河川径流影响很小。否则，都会在开采初期和终采初期使河川径流减少；而在其它时段，其影响主要表现为矿井（坑）水被企业生产生活所消耗，以及采空区对河川径流的暂时滞存、削峰补枯和年际径流坦化。初步分析表明，扣除已纳入企业用水统计的矿井（坑）水回用量后，采煤使近10年黄河来水减少约3.5亿立方米。
黄河河口镇至吴堡区间面积为47548平方千米，剔除有水文站控制的较大支流后，其它未控区面积为12800平方千米。1973年以后，未控区实测径流量剧烈减少，其中1/4的年份出现负值，十分异常。通过分析鄂尔多斯盆地的水文地质结构、天桥泉域岩溶水的补给-径流-排泄特点和溢出部位、干流水库蓄水时间和蓄水位变化，结果认为，位于干流上的天桥等三座水库蓄水使黄河水位抬高，导致岩溶水在黄河河底溢出受阻（图4），岩溶水与黄河河段之间的补排关系发生逆转。该发现揭示了河龙间河川径流早在70年代就大幅减少、之后减幅缩小的原因。近10年，该因素的影响量为6~6.5亿立方米。
（5）通过对可能导致水沙变化的因素进行了全面筛查和评价，定量提出了林草、梯田、地下水开采、蓄水工程运用等主要驱动力对黄河近年水沙减少的贡献（图5），揭示了黄河流域现状产流产沙环境在多年平均降雨情况下的水沙情势。
图5 黄河水沙锐减的主要驱动力及其贡献
研究认为，在2007~2014年下垫面和1966~2014年平均降雨情况下，花园口断面天然径流量已降低至460亿立方米左右，兰州316亿立方米；如果黄河李家峡/洮河九甸峡以下没有坝库拦沙且无水毁，潼关来沙量应约5亿t/a。不过，如果降雨偏丰10%、达到20世纪30~60年代的平均水平，潼关来沙量仍可达5.5~6亿t。
不过，产沙环境大幅改善并不意味“不再出现大沙年”。在2014年下垫面情况下，如果再发生1919年以来曾经出现过的极端暴雨事件，在现状水库和淤地坝不拦沙、不水毁情况下，潼关来沙量仍可能达15~16亿t/a。值得注意的是，目前黄土高原88%的中小淤地坝和20%的骨干坝已经淤满，在极端暴雨情况下，淤地坝、低等级道路甚或中小水库等基础设施水毁风险很大，很可能反过来成为增沙因素。
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本文文字摘自刘晓燕等《黄河近年水沙锐减成因》，图来自本书各章节。