江河治理與水沙關(guān)系——黃河流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬與水沙變化

中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授 王光謙

江河治理與水沙條件有很大的關(guān)系。從科學(xué)層面上，要把水沙變化之后機(jī)理上的物理過(guò)程搞清楚，看河床是怎樣變化的，再來(lái)分析江河治理有什么新的要求。這里介紹一下黃河流域產(chǎn)流產(chǎn)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(yán)重，下游是游蕩性河道。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，就存在一個(gè)規(guī)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(gè)關(guān)系，表明在45萬(wàn)km2的黃土高原區(qū)，應(yīng)該集中治理的是10萬(wàn)km2一個(gè)區(qū)域。在整個(gè)多沙粗沙區(qū)，降雨之后產(chǎn)流產(chǎn)沙是怎樣的？

應(yīng)先建立一個(gè)流域水沙模型。這是一件比較困難的事。首先，流域泥沙過(guò)程非常復(fù)雜，大概有4個(gè)過(guò)程：坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，溝坡的重力侵蝕坍塌過(guò)程，溝道的高含沙水流沖刷過(guò)程，河道的水沙輸移過(guò)程。建立這個(gè)模型我們花了10年時(shí)間，現(xiàn)在對(duì)黃河來(lái)說(shuō)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(gè)數(shù)字流域模型。黃河數(shù)字流域模型可以進(jìn)行水沙計(jì)算。把各個(gè)坡面、各個(gè)溝道的水沙過(guò)程粗略算下來(lái)，最后可以把水沙條件計(jì)算處理，通過(guò)三門(mén)峽和小浪底的演化可以算到河口沖刷。這樣就可以計(jì)算水沙變化和河道演變的關(guān)系，分析河道演變與江河治理的關(guān)系。具體思路是通過(guò)這個(gè)模型研究降雨對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)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(duì)黃河流域進(jìn)行的分析中分成為7個(gè)區(qū)，這7個(gè)區(qū)降水量的變化是逐漸增加的，但力度沒(méi)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(diǎn)。輸沙量隨徑流量的變化趨勢(shì)以減少的趨勢(shì)為主。2000年也出現(xiàn)了一個(gè)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(nèi)蒙古河段可以看到，年最大日徑流量顯著減少，不同級(jí)別的洪水場(chǎng)次和流量持續(xù)天數(shù)顯著減少。水沙變化對(duì)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(jì)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(fā)生顯著和劇烈的變化？人類活動(dòng)是怎樣影響的？

以中游黃甫川流域?yàn)槔?，有兩個(gè)變點(diǎn)：一是1984年家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的推行使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)得到加強(qiáng)，二是1998年實(shí)施的退耕還林和水土保持生態(tài)建設(shè)使淤地壩建設(shè)多了起來(lái)。通過(guò)遙感數(shù)據(jù)分析得到一個(gè)粗略的結(jié)果是，從原狀態(tài)的1984年以前到第三個(gè)時(shí)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(duì)泥沙的影響是什么呢？一是上中游來(lái)水來(lái)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(guò)程沒(méi)有了，但含沙量沒(méi)有減少。二是下游河段受上中游來(lái)水來(lái)沙減少以及干流水庫(kù)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(jīng)過(guò)對(duì)這些因素的分析可以看出，相比20世紀(jì)80年代中期前，是洪水變少了，洪峰變小了；2000年小浪底水庫(kù)使用后，下游河道徑流量年內(nèi)分配坦化了，調(diào)水調(diào)沙人造洪峰使徑流量控制住了，有了一個(gè)正面的影響。