黄河水沙变化及研究展望

姚文艺，焦　鹏

(黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003)



黄河水沙变化及研究展望

姚文艺，焦鹏

(黄河水利科学研究院 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003)

研究进展；减水减沙效益；水沙变化；黄河

黄河水沙变化是事关黄河治理开发与管理的基础性战略性问题，水沙变化研究也是我国水科学领域的重大科学问题。从黄河水沙变化研究的热点出发，总结了几十年来黄河水沙变化研究的主要成果，包括黄河水沙变化主要特征、水沙变化主要评估方法及原理、水沙变化成因及其影响因素贡献率，以及黄河未来水沙变化趋势预测等，分析了黄河水沙变化研究中存在的不足，在此基础上，考虑黄河流域复杂的水沙环境及水沙变化新情况，提出了利用复杂性科学的理论和方法开展黄河水沙变化研究的思路，以及需要进一步研究的主要问题。

黄河是世界上水流含沙量最高的河流，其水沙变化所产生的影响是事关黄河治理开发与管理的基础性战略性问题，开展黄河水沙变化研究是我国水科学领域的重大科学问题之一。研究黄河水沙变化、把握黄河水沙变化规律，对于进一步完善治黄方略、构建流域水沙调控体系、实施流域水资源配置与管理及重大水利工程布局，意义重大，影响深远。自20世纪80年代以来，我国通过多类相关科技计划对黄河水沙变化特性、成因、规律及发展趋势开展了系统的大量研究工作，取得了多项成果和基础数据，为不同时期的黄河治理开发实践提供了重要的科学依据。本文从黄河水沙变化特征、水沙变化分析方法及原理、水沙变化成因及发展趋势预测等几个方面，总结了几十年来有关黄河水沙变化研究的主要成果，在此基础上结合黄河水沙变化新情况，提出黄河水沙变化研究需要进一步探讨的问题。

1　黄河水沙变化研究的主要科技计划

20世纪70年代黄河水沙发生了明显变化，引起了多方关注[1]。1986年6月黄河水利委员会(以下简称“黄委”)和中国水利学会泥沙专业委员会组织专家在郑州对20世纪70年代以后黄河水沙变化情况进行了讨论。1988年水利部设立了黄河水沙变化研究基金，先后于1988、1995年开展了两期研究项目[2-3]，第一期重点分析了黄河上中游主要支流泥沙来源、水沙变化特点及其发生原因和发展趋势；第二期重点分析了1970—1996年黄河上中游水土保持措施减水减沙作用。20世纪80年代黄委设立了黄河流域水土保持科研基金第一期、第二期和第三期课题[4-8]，定量评价了多沙粗沙区不同区域粗泥沙产沙量及多因素对泥沙输移比的作用、水土保持措施的减水减沙作用与变化趋势。1998年国家自然科学基金重大项目“黄河流域环境演变与水沙运行规律研究”[9-11]，分析了黄河中游主要支流历史时期环境变迁与水沙变化事实，评价了水土保持减水减沙效益及煤矿开发等大型人类活动对水沙变化的影响，预测了黄河流域环境演变及水沙变化趋势。

“八五”国家重点科技攻关计划项目“黄河治理与水资源开发利用”重点分析了20世纪80年代水沙变化成因，预测了相应的水沙变化趋势[12-13]。“九五”国家科技攻关计划项目“黄河中下游水资源开发利用及河道减淤清淤关键技术研究”在分析20世纪90年代黄河水沙变化特点的基础上，研究了黄河水沙变化趋势，预测了小浪底水库运用初期15年可能出现的水沙条件。“十一五”国家科技支撑计划重点课题“黄河流域水沙变化情势评价研究”，研究了黄河流域1997—2006年的水沙变化成因[14-15]，预测了未来30～50年的水沙变化趋势。“十二五”国家科技支撑计划项目“黄河水沙调控技术研究及应用”研究了黄河中游河川径流泥沙减少的驱动机制，系统评价了梯田、林草措施等的减沙作用及其对水沙变化的贡献率[16-17]。近年开展的国家“973”课题“沙漠宽谷河道水沙关系变化及驱动机理”重点对黄河头道拐以上尤其是宁蒙河段的水沙关系变化成因进行了分析，揭示了水沙变化的动力机制[18]。近期由黄委与中国水利水电科学研究院联合开展的“黄河水沙变化研究”对2000—2012年的水沙变化成因及趋势进行了系统分析评价，综合分析了气候、水利工程、生态建设工程和经济社会发展等驱动因子对2000—2012年水沙变化的贡献率，预测了未来30～50年黄河来水来沙量。还有，近期国家重点研发计划启动了“黄河流域水沙变化及趋势预测”项目，研究不同区域水沙变化主要影响因素和阶段特征，定量预测黄河流域未来30～50年水沙量，确定不同影响因素对水沙量减少的贡献率。

此外，黄委还通过其他专项开展了黄河水沙变化问题研究，如治黄专项“黄河水沙变化及趋势分析”“黄河水沙变化及其对河道冲淤、洪水演进的影响”“八十年代黄河水沙特性与河道冲淤演变”，黄河上中游管理局“八五”重点课题“黄河中游河口镇至龙门区间水土保持措施减洪减沙效益研究”，黄河防汛科技计划项目“人类活动和气候变化对黄河中游水资源的影响”，黄河流域第二次水资源规划工作中水资源评价部分等。这些项目虽然主要是针对流域某一区域和水沙条件中的某些问题，但研究较为深入。几十年来，黄河水沙变化研究取得的大量成果为不同时期治黄实践和管理决策提供了重要的基础支撑。

可以说，自1988年水利部设立黄河水沙变化研究基金以来，已通过各类科技计划对黄河水沙变化开展了持续不断的大量研究工作，由此足见黄河水沙变化研究在黄河治理开发重大实践中的重要地位。

2　黄河水沙变化评估方法

2.1黄河水沙变化评估指标体系

黄河水沙变化是一种具有时间、状态、过程特征的水文现象。水沙变化内涵包括两方面，一是水沙量变化，二是水沙关系变化，相应的评价指标包括年径流量、汛期径流量、年输沙量、汛期输沙量、水沙关系、水流含沙量和来沙系数等(表1)。

表1　水沙变化表征指标体系

2.2水沙序列变化趋势评价及跃变点确定方法

评价黄河水沙序列变化趋势大多采用双累计曲线法[19]、Mann-Kendall法[20-22]、水沙动态图法(如历时曲线法、不均匀参数统计等)[22-23]、滑动平均法和Spearman秩相关分析法[23-24]等。近期，姚文艺等[25]提出了判断长尺度多周期水沙序列变化趋势的趋势度检验方法，该方法抗噪性能强，对序列分布无要求，可实现序列趋势显著性判断。水沙变化跃变时间点的确定通常采用双累计曲线法[23，26-28]、Pettitt检验法[21,23]和Mann-Kendall法[29-30]等。然而，这些研究方法都有一定的局限性和不确定性，确定的跃变时间点并不完全相同，有的是20世纪70年代末，有的则为20世纪80年代[21-22,31]，见表2。跃变点之前的时段一般作为天然期，是分析水沙变化成因的基准期，基准期对分析结果影响很大。

2.3黄河水沙变化成因评估方法

目前，不同研究者在评估黄河水沙变化的成因时，提出或应用了不少具有特色的方法，不过综合来看，不外乎由黄河水沙变化基金项目提出的“水文分析法”和“水土保持分析法”(下文简称“水文法”和“水保法”)。这两种方法提出后，又陆续不断地进行了改进和完善[37-38]。

(1)“水文法”。“水文法”就是利用治理前(通常称为基准期)实测的水文泥沙资料，建立降雨产流产沙数学模型，将治理后的降雨因子代入所建模型，计算出相当于治理前的产流产沙量，与基准期的相比，即可评估出降雨变化引起的水沙变化量，再与治理后的实测水沙量比较，其差值即为水土流失综合治理等人类活动减少的水量和沙量。利用“水文法”可以区分降雨变化和水土流失综合治理对流域水沙变化及减水减沙的影响程度。在利用“水文法”评估时，不同研究者所建立的产流产沙模型往往不同，但其原理是相同的。

表2　水沙序列跃变点划分部分成果统计

(2)“水保法”又称“成因分析法”。“水保法”是通过对不同地区径流试验小区观测的水土保持措施减水减沙资料进行统计，确定单项措施在单位面积上的减水减沙量(减水减沙指标)，按一定方法进行尺度转换后推广到流域面上，再根据各单项水土保持措施减水减沙指标和单项措施面积，二者相乘即得到分项水土保持措施减水减沙量，逐项相加，并考虑流域产沙在河道运行中的冲淤变化和人类活动新增水土流失等因素，即可得到流域面上水利水土保持综合治理的减水减沙量，进而分析各项措施对水沙变化的贡献率。

在此基础上，有人进一步提出了“以洪算沙法”“降雨附加损失系数法”等[3]。值得说明的是，“水文法”的精度主要取决于两方面，一是所选基准期的资料系列是否可以反映天然情况下的水文规律，即代表性问题[39]，二是降雨等资料的观测精度，如果基准期资料系列代表性不强、雨量站稀少，就会影响到评估结果的精度；“水保法”的估算精度主要取决于水土保持措施的减水减沙或减蚀指标和水土保持措施面积及质量的确定。

3　黄河水沙变化特征

(1)20世纪60年代以来黄河实测径流泥沙量呈持续减少趋势，且具有明显的阶段性特征。20世纪60年代以前，黄河水沙情势主要受自然因素影响，如1919—1959年潼关水文站实测年均径流量426.1亿m3、输沙量15.92亿t。20世纪60年代以后，人类活动逐步加强，在自然和人为因素双重作用下，黄河水沙量呈减少态势，尤以80年代中期之后减少最为显著，如1980—2014年、2000—2014年和2007—2014年潼关年均来沙量分别为5.65亿、2.71亿和1.88亿t。同时，支流水沙变化也具有明显的阶段性[24,32]，如刘晓燕等人研究得出，2000年以来黄河水沙发生剧变，即使是减幅最小的泾河流域，近十几年来沙量也减少了63%～72%。

径流量、输沙量减少的程度和突变的年份并不完全相同，而是具有空间、时间上的不一致性。根据水沙变化趋势度分析[25]，近百年内输沙量减少的趋势度明显大于径流量减少的趋势度，中游的径流量、输沙量减少的趋势度明显大于上游的。近30年是黄河水沙系列百年尺度中最枯的时段，其变化的突出特点表现为来水来沙量不断显著减少。比如，根据龙门水文站实测资料，自1957年以来龙门径流量呈逐年减少趋势，而输沙量在20世纪70、80年代才出现减少，到90年代又出现反弹；径流量序列在1986年发生突变，而输沙量序列在1970年后就发生突变，且之后又发生了第二次突变[26]。再以头道拐断面为例，其年径流量序列突变于1986年，而输沙量突变于1982年；水沙关系变化于1968年后，且在1986年发生第二次突变，至2000年头道拐及其以上河段的水沙关系进一步发生明显变化。对于黄河中游多沙粗沙区，水沙关系在1997年以后才发生根本性变化[32]。另外，各时期黄河水沙变化程度是不一样的，1979年以后输沙量减少速率为4.49%，是1951—2010年头道拐—潼关输沙量年均减少速率的近2倍[40]。通过小波分析进一步表明，黄河径流量变化周期与输沙量的变化周期虽然具有一定关系，但是也不完全一致[41-42]。目前的大量分析充分表明，黄河水沙变化是降雨、下垫面和人类活动等诸多因子作用强弱的组合效应，不同时段、区域的变化机制、成因会有不同，因此尽管黄河径流泥沙具有高度的相关性，但径流泥沙序列的突变点不具有唯一性和一致性。

(2)水沙变化程度在空间上分布不均且径流泥沙减幅不具同步性。例如，与1919—1960年相比，1987—2012年径流量自上而下沿程减幅递增，兰州、头道拐、龙门、潼关实测年均径流量分别减少11.4%、34.6%、40.2%和42.3%；而输沙量沿程减少幅度却相差不大，与径流量相应断面的实测年均输沙量分别减少67.7%、68.5%、67.5%和66.0%；含沙量沿程减少幅度逐渐减小，兰州、头道拐、龙门、潼关实测年均含沙量分别减少了63.5%、51.9%、45.8%和41.0%[43]。泥沙减少主要集中在头道拐至龙门区间，在1987—2012年潼关输沙量年均减少的10.50亿t中，头道拐至龙门区间占58.9%；径流减少主要集中在头道拐以上区域，在1987年以来潼关减少的180.2亿m3水量中，头道拐以上区域占48.1%。其他一些包括长江流域在内的水沙变化研究成果也表明，水沙变化的空间不均匀性甚至在很小的空间尺度都可能是非常明显的[44-47]。

(3)水沙量年内分配比例发生显著变化。黄河径流量年内分配比例变化主要表现在两方面，一是有利于输沙的大流量持续时间及相应水量减少，二是汛期径流量占全年径流量的比例减少，年内各月径流量分配趋于均匀。1919—1959年、1960—1986年潼关汛期水量占全年水量的比例分别为60.8%、57.2%，1987—1999年、2000—2012年下降到46.0%以下，特别是兰州、头道拐和龙门三站2000—2012年汛期水量所占比例更低，只有40%左右。

(4)多数支流降雨天然径流关系发生变化而实测径流泥沙关系变化不明显[43]。根据潼关以上主要支流的降雨-径流-泥沙关系分析，多数支流的降水量-天然径流量关系发生明显变化，但是诸如湟水、北洛河、渭河北道/张家山以下等支流的降水量-天然径流量关系则没有明显变化，就是说黄河流域降水量-天然径流量关系的变化也不具有同步性。与20世纪70年代以前相比，黄河各主要产沙区的降雨产沙关系都发生了很大变化，相同降雨量下的实测输沙量减少，甚至两者已没有明显的相关关系。但是，不少支流的汛期实测径流泥沙相关关系没有明显变化，只是2000年以来的径流量与输沙量均处于一个相对较低的水平上。这表明在遇较大流量洪水时仍会出现较大输沙量的可能性。

(5)暴雨产洪能力有所降低。将降雨量与降雨强度平方之积定义为降雨侵蚀能力，分析其与暴雨次洪量、次洪沙量的关系可以发现，与20世纪70年代以前相比，近年来相同降雨侵蚀能力条件下的产流能力、产沙能力均有所降低[14]。Wang等[41]根据1951—2010年实测资料进一步统计表明，在过去的60年里，黄土高原地区的输沙量每年减小的相对速率为2.38%，而其中的58%都是由暴雨产流能力降低引起的。当然，在某些降雨条件下仍会有大流量高含沙洪水产生，这是应当引起注意的[14]。

4　黄河水沙变化成因及影响因素贡献率

黄河水沙变化成因非常复杂，不同时期的主导因子是不同的。近2 300年以来，黄河年均入海泥沙量是黄土高原大规模农业开展前的全新世早期和中期的10倍左右，这似乎表明了人类活动对黄河泥沙的巨大影响[48]。然而，洪业汤等[49-50]认为黄河携带大量泥沙是一种自然环境地质现象，与太阳黑子活动周期密切相关，各种人类活动都未从根本上改变侵蚀产沙受太阳活动制约的规律。实际上，有人类活动以来，黄河流域水沙系列的丰枯变化是气候等自然因素和人类活动因素共同作用的结果[25]。在20世纪60年代以前，人类活动较弱，水沙系列丰枯主要受制于气候因素，以降雨为主导因子，而之后则受人类活动、气候因素的共同影响，不过每一时段的主导因子是不同的。最近370年黄河流域存在7个干旱期，其中之一就是20世纪10年代后期至30年代初期，1922—1932年属于异常干旱期，是黄河时段最长、最枯的枯水段之一[51-54]。20世纪30—40年代黄河流域进入湿润期，降雨量丰沛，1933年陕县水文站出现特大水沙年，最大洪峰流量22 000 m3/s，实测年输沙量39.1亿t。20世纪50—60年代也是降水丰沛期，1933—1959年成为近百年以来的黄河丰水期。自20世纪60年代黄河上游刘家峡、龙羊峡等大型水库先后建成运用和多项水利水保措施实施，加之70年代黄河流域又进入了显著干旱期，这一时期水沙变化受到人类活动和降雨减少的双重作用。2000年以来，尽管黄河流域降雨量较前期明显偏丰，但由于退耕还林还草等封禁治理成效显现，因此径流泥沙较前一时段仍进一步减少，人类活动对减沙起到主导作用。近期的分析表明，1960—1970年、1970—1980年、1980—1990年影响黄河径流量减少的主要原因有所不同，1960—1990年梯田和淤地坝等人工治理措施及年降雨量变化是径流减少的主导因素，1990—2000年植被恢复对径流减少起到更为重要的作用[41]。

在成因分析中，学者们对影响因素的贡献率开展了大量研究。综合来看，虽然对不同时期水沙变化影响因素的贡献率评估结果有别，但有三点认识是基本一致的(表3)：一是即使在同一时期，黄河上游、中游水沙变化的主导因素也是有差别的。例如，根据刘昌明等[57]分析，2000年以前的50年间，黄河上游径流量减少的主要影响因素是气候变化，其贡献率占75%，人类活动占25%，黄河中游气候因素的贡献率为43%、人类活动的贡献率占到57%，人类活动作用明显大于气候因素。二是在2000年以前降雨等自然因素对水沙变化的贡献率大于人类活动的贡献率[2-3]，2000年以后则相反[14]。尤其是近年来，降雨对黄河中游水沙变化的作用明显降低，而人类活动作用增强。三是在同一时期，一般来说降雨对径流量的影响作用比对输沙量的大，人类活动尤其是水土保持措施对输沙量的作用比对径流量的大[3-4,14]。大部分研究表明，近期黄河水沙变化的主要驱动力是人类活动，尤其是水库的修建[18,23,58-61]。但气候变化(主要是降雨)仍然起着重要作用。就气候变化对流域产沙的影响而言，雨强可能比降雨总量更为重要[62]。

表3　人类活动与降雨因素对水沙变化贡献率部分分析成果

注：＊研究区域为龙门、北洛河氵状 头、汾河河津、渭河咸阳、泾河张家山以上流域。

人类活动、降雨等自然因素对水沙变化的影响机理是不同的。有人认为，人类活动对水沙变化的影响主要体现在较短的时间尺度上，而气候变化作用则主要体现在较长的时间尺度上[63]。但实际上，诸如水土保持措施尤其是生态修复等对产流产沙的影响可能是长期的，不过当遇高强度、长历时暴雨时其作用也会降低[17，64]。

气候、植被对水沙变化的影响具有互馈机制。气候影响流域水沙过程的机制可分为直接和间接两种，直接影响机制包括降雨变化对产流产沙的激发作用，间接影响机制包括对植被生物量的影响[65]及通过对风化过程[66]和冻融过程的影响使土壤可蚀性变化[67]。间接影响机制的作用使得气候变化对侵蚀产沙过程影响复杂化，如：降雨增多导致侵蚀加剧，河流泥沙相应增多，但随着降雨增加植被覆盖也会增加，侵蚀产沙又会变小；降雨减小尽管会导致侵蚀减弱，但由于植被保护作用下降，土壤可蚀性反而增加，使得流域侵蚀产沙对气候变化的响应表现出随时间尺度变化而变化的特点[68-69]。从空间尺度讲，降雨量的变化决定了流域侵蚀产沙的地带性[69]，相应地，流域产沙对土地利用和植被变化的响应在干旱区、半干旱区、湿润区也有所不同[71]。影响黄河水沙变化的因素是很复杂的。根据水沙变化评估理论与方法的发展现状，要精确评估各项自然因素、人类活动因素的贡献率是很困难的，不同研究者即使分析的是相同的时段、相同的区域，所得到的结果仍很可能不一致。此外，许多研究者定量评估人类活动和降雨对水沙变化的贡献率时，以“水文法”为主[59-60,72]，所建立的降雨产沙关系通常都伴有一定程度的离散，这必然影响计算精度。

5　黄河水沙变化趋势预测

全球气候变化背景下的降水波动、极端气候现象频发、经济社会快速发展，以及干支流坝库修建等人类活动加剧，都会对黄河水沙变化产生深刻影响。因此，预测未来水沙变化情势对治黄方略制定就显得尤为重要。为此，不少研究人员都试图对未来黄河水沙变化趋势做出定量预测，但其结果却差异较大。

张胜利等[12]在“八五”期间预测了2000—2020年黄河流域在丰水、平水、枯水水平年条件下的天然径流量、泥沙量，其中到2020年3个水平年的输沙量分别为20.52亿、10.31亿、5.44亿t；唐克丽等[10]在20世纪90年代初预测，到2000年每年减少入黄泥沙4亿t是有把握的，到2030年每年减少5亿t左右的可能性是存在的；叶青超等[11]按照在黄河全流域出现历史上最大可能降水量、最小可能降水量，河口镇—龙门出现历史上最大可能降水量、最小可能降水量，全流域均为多年平均降水量等5个降雨水平，预测了未来黄河水沙量；第一期黄河水沙变化研究基金项目采用1976—1985年系列，灌溉引水和水库蓄水拦沙情况与20世纪80年代的相同，预测到2000年河口镇平均来水量232.07亿m3，来沙量0.87亿～0.92亿t[2]；“九五”期间常炳炎等人根据随机模型预测2011—2020年花园口平均天然径流量为541亿+62亿m3；姚文艺等在“十一五”期间采用水文-水土保持-径流序列重建多方法集成，基于未来气候SRES情景，预测2030和2050年的年来水量、年输沙量可能分别为236亿～244亿m3、8.61亿～9.56亿t和234亿～241亿m3、7.94亿～8.66亿t[73]；张胜利等[56]预测，如果黄土高原淤地坝、林草等水土保持措施规划指标得以全部实现，那么到2040年淤地坝、林草植被最大减水量为38.9亿m3，再加上其他水土保持措施用水，合计水土保持措施最大减水量为40亿～45亿m3。刘晓燕等在“十二五”期间预测，在黄河古贤水库和泾河东庄水库拦沙期结束的2060年以后，潼关年均来沙量将恢复并维持在4.5亿～5亿t、年最大来沙量11亿～14亿t；近来也有评估预测，未来30～50年潼关年均径流量210亿～220亿m3，年均输沙量3亿～5亿t。由于黄河流域产水产沙环境极为复杂，水沙变化未来趋势预测存在很多不确定性，如降水等气候变化的不确定性、未来水土保持等治理工程规划实施的不确定性，等等，因此对预测结果的合理性必须进行综合分析判断。

6　展　望

6.1研究中的主要问题

自20世纪80年代以来对黄河流域水沙变化进行了大量研究，总体来说：基本搞清了20世纪50年代以后黄河水沙变化的历史过程；分析了干流、区间和各主要支流水沙变化特点及其成因，特别是对1950—2012年不同时段的黄河水沙变化原因有了基本的认识和判断；宏观预测了未来黄河水沙变化趋势。在定性上存在共识、在定量上存在差异是黄河水沙变化研究的现状。一些研究成果之间的数据差异比较大，即使对同一区域，不同研究项目利用同样方法计算同一时段的减沙量也可能相差2.2～4.2倍[14]。在产汇流产输沙机制研究方面，以往成果大多分析的是平均降雨特征条件下的水沙产输关系，而缺少对水沙产输与场次暴雨尤其是大暴雨-下垫面耦合作用的内在关系的研究，不能全面回答大水大沙年、枯水枯沙年等典型水沙事件的成因，难以深刻揭示水沙变化机制；在水沙变化成因分析方面，目前多采用多项因素作用效应线性叠加的评估方法，而缺乏对水沙变化动力机制、林草植被对产流产沙的调控机制及其最大作用效应的降雨临界等开展深入研究，所建立的多因素贡献率评估方法、模型往往不能反映林草、淤地坝、梯田等措施与降雨相耦合的作用机制，致使评估精度低且差异大；对未来水沙变化趋势的预测方面，目前大多采用各类规划基础数据，利用基于线性叠加原理的“水土保持评估方法”或产流产沙模型推算未来的水沙量，而缺乏反映降雨-下垫面-人类活动耦合作用的具有物理机制的集成预测方法与模型，尤其是对大、中流域尺度上的未来降雨变化的预测没有突破性进展，同时还缺少对不确定性的合理定量评估，难以科学判断未来黄河水沙演化的趋势性走向。总之，黄河水沙变化情势的许多内在规律还未被揭示，呈现的许多新问题还有待进一步破解，迫切需要在机制、方法与模拟方面进一步研究，准确把握水沙情势变化对治黄战略提出的新课题，为科学制定治黄重大技术措施和管理对策等提供基础支撑。

6.2需要进一步研究的问题

从水文学意义上说，气候-降水-下垫面-蒸散发-产流产沙构成了流域的水文系统。降水是气候的复杂响应函数，气候的小幅波动可引起降水的显著变化，而作为降水的承受体，流域下垫面又是由地质地貌、被覆、人类构建物等多因素形成的水文边界复杂系统，因此流域产水产沙具有非线性、不确定性的特征，是一个具有关系、状态、特性的能量转化过程和物质输移过程。因而，需要应用复杂性科学的理论和方法，确定黄河流域水文系统各要素之间相互作用和影响的定性定量关系，认识黄河水沙变化内在规律，建立预测新方法，准确判断水沙变化趋势。

黄河水沙变化问题复杂，对其规律的把握和发展趋势预测绝不会一蹴而就，而是一项需要长期研究的重大课题，建议今后对以下问题开展深入研究：

(1)水土保持措施减蚀动力机理及其临界效应。辨识林草植被对坡面产汇流过程调控及对降雨侵蚀能力消解的作用机理；揭示暴雨植被耦合减蚀作用临界、淤地坝拦沙能力时效临界，以及淤地坝对洪水过程的调控效应与机制；定量分析淤地坝拦沙作用与减少沟道侵蚀、坡面侵蚀作用的关系，为准确评估林草植被和淤地坝等措施对水沙量减少的贡献率提供理论基础。

(2)产流机制对植被作用的响应关系。黄土高原大部分区域为干旱半干旱气候，产流过程多遵循超渗产流机制，但随着植被覆盖度不断提高，产流机制是否会发生胁变，这已成为评价产流变化的基础问题之一。为此需要重点揭示植被作用下的水文响应过程，包括地表地下产流过程变化规律，植被对地表地下产流过程的调控作用及再分配机理，产流机制胁变的植被临界及其模型模拟技术等。

(3)暴雨洪水变化规律。黄河径流泥沙多因暴雨洪水而产生，因此分析暴雨洪水变化规律对于认识水沙变化成因是非常重要的。需要通过产汇流机制、降雨径流关系、次洪水泥沙关系及水循环过程分析等，揭示黄河流域暴雨洪水时空变化特征、变化原因，以及暴雨洪水关系变化机制等。

(4)人类活动对流域水文系统干扰作用的评价方法。利用科学方法，基于系统观点和调控理论，从流域复杂非线性水文过程角度出发，根据气候-降水-下垫面-蒸散发-产流产沙等复杂的多层次多系统响应关系，以认识黄河流域水沙变化情势为出发点，研究人类活动强烈干扰下复杂流域系统水沙情势预测理论与方法，对现有的“水文法”“水保法”等进行完善、改进，在预测方法的理论、关键技术上取得突破。

(5)支流产输沙与干流水沙变化及河道演变的响应关系。研究下垫面变化对产输沙特性影响，辨识流域系统侵蚀、沉积特性变化规律及其地貌环境对水沙变化的作用，分析大规模人类活动对支流河道径流输沙特性的影响，揭示流域产输沙-河道水沙变化-河道演变的耦合作用及响应关系，认识河道水沙变化的作用效应。

[1] 顾文书.关于进一步开展黄河中游近期水沙变化研究工作的建议[J].中国水土保持,1986 (11):9-10.

[2] 汪岗,范昭.黄河水沙变化研究：第一卷[M].郑州:黄河水利出版社,2002:1-73.

[3] 汪岗,范昭.黄河水沙变化研究：第二卷[M].郑州:黄河水利出版社,2002:1-106.

[4] 秦鸿儒,赵富德.黄河流域水土保持科研基金第一期项目的主要成果与管理经验[J].中国水土保持,1995(2):45-48.

[5] 黄河水利委员会.黄河流域水土保持研究[M].郑州:黄河水利出版社,1997:136-197.

[6] 赵富德,马瑞峰.“八五”期间黄河流域水土保持科技工作进展与问题[J].中国水土保持,1997(5):1-4.

[7] 徐建华,吕光圻,张胜利,等.黄河中游多沙粗沙区区域界定及产沙输沙规律研究[M].郑州:黄河水利出版社,2000:86-121.

[8] 陈江南,王云璋,徐建华,等.黄土高原水土保持对水资源和泥沙影响评价方法研究[M].郑州:黄河水利出版社,2004:14-210.

[9] 左大康.黄河流域环境演变与水沙运行规律研究文集：第一集[M].北京:地质出版社,1991:83-95.

[10] 唐克丽,熊贵枢,梁季阳,等.黄河流域的侵蚀与径流泥沙变化[M].北京:中国科学技术出版社,1993:220-231.

[11] 叶青超,吴祥定,杨勤业,等.黄河流域环境演变与水沙运行规律研究[M].济南:山东科学技术出版社,1994:30-57，78-115.

[12] 张胜利,李倬,赵文林,等.黄河中游多沙粗沙区水沙变化成因及发展趋势[M].郑州:黄河水利出版社,1998:142-191.

[13] 齐璞,刘月兰,李世滢,等.黄河水沙变化与下游河道减淤措施[M].郑州:黄河水利出版社,1997:20-26.

[14] 姚文艺,徐建华,冉大川,等.黄河流域水沙变化情势分析与评价[M].郑州:黄河水利出版社,2011:80-138，219-268.

[15] 姚文艺,冉大川,陈江南.黄河流域近期水沙变化及其趋势预测[J].水科学进展,2013,24(5)：607-616.

[16] 刘晓燕,杨胜天,金双彦,等.黄土丘陵沟壑区大空间尺度林草植被减沙计算方法研究[J].水利学报,2014,45(2):135-141.

[17] 刘晓燕,杨胜天,王富贵,等.黄土高原现状梯田和林草植被的减沙作用分析[J].水利学报,2014,45(11):1293-1300.

[18] Yao W Y,Xu J X.Impact of human activity and climate change on suspended sediment load: the upper Yellow River, China[J].Environmental Earth Sciences,2013,70(3):1389-1403.

[19] 冉大川,刘斌,付良勇,等.双累计曲线计算水土保持减水减沙效益方法探讨[J].人民黄河,1996,28(6):24-25.

[20] 赵溦,王向东,张晓明,等.窟野河流域水沙演变的尺度效应驱动因素研究[J].水文,2016,36(2):56-61.

[21] Zhang X,Zhang L,Zhao J,et al.Responses of streamflow to changes in climate and land use/cover in the Loess Plateau, China[J].Water Resource Research,2008,44(7):W00A07.

[22] 汪丽娜,王勇,高鹏,等.黄土高原粗泥沙集中来源区水沙变化特征及趋势性分析[J].水土保持通报,2008,28(2):11-16.

[23] 穆兴民,巴桑赤烈,Zhang Lu,等.黄河河口镇至龙门区间来水来沙变化及其对水利水保措施的响应[J].泥沙研究,2007(2):35-40.

[24] 莫莉，穆兴民，王勇，等.近50年来北洛河水沙变化特性及成因分析[J].泥沙研究，2009(6):30-36.

[25] 姚文艺,高亚军,安催花,等.百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析[J].水利水电科技进展,2015,35(5):112-120.

[26] 申红彬,吴保生,郑珊,等.黄河上游兰州至头道拐河段流量频率变化分析[J].水力发电学报,2014,33(1):7-14.

[27] 张世杰,焦菊英,李林育,等.黄河河龙区间河流泥沙对相关重大事件与政策的响应[J].地理科学,2009,29(6):905-910.

[28] 慕星,张晓明.皇甫川流域水沙变化及驱动因素分析[J].干旱区研究,2013,30(5):933-939.

[29] 王金花,康玲玲,赵广福.基于Mann-Kendall法的水沙系列突变点研究[J].人民黄河,2010,32(1):43-45.

[30] Li L J,Zhang L,Wang H,et al.Assessing the impact of climate variability and human activities on streamflow from the Wuding River basin in China[J].Hydrological Processes,2007,21(25):3485-3491.

[31] Rustomji P,Zhang X P,Hairsine P B,et al.River sediment load and concentration responses to changes in hydrology and catchment management in the Loess Plateau region of China[J].Water Resources Research,2008,44(7):W00A04.

[32] 许炯心.黄河中游多沙粗沙区1997—2007年的水沙变化趋势及其成因[J].水土保持学报,2010,24(1):1-7.

[33] 胡春宏，王延贵，张燕菁，等.中国江河水沙变化趋势与主要影响因素[J].水科学进展，2010，21(4):524-532.

[34] 张晓萍,张橹,王勇,等.黄河中游地区年径流对土地利用变化时空响应分析[J].中国水土保持科学,2009,7(1):19-26.

[35] 刘晓燕.黄河近年水沙锐减原因及趋势研究[R].郑州：黄河水利委员会，2015:1-75.

[36] 武荣,陈高峰,张建兴.黄河中游河口镇—龙门区间水沙变化特征分析[J].中国沙漠,2010,30(1):210-216.

[37] 张胜利,于一鸣,姚文艺.水土保持减水减沙效益计算方法[M].北京:中国环境科学出版社,1994:49-145.

[38] 于一鸣.黄河流域水土保持减沙计算方法存在问题及改进途径探讨[J].人民黄河，1996,28(1):26-30.

[39] 姚文艺,张遂业.对水沙变化分析中代表系列选择问题的探讨[J].人民黄河,1995,27(3):25-28.

[40] 王秀杰,杨敏,崔海军.黄河潼关汛期水沙变化周期及其趋势分析[J].自然资源学报,2009,24(2):312-317.

[41] Wang S,Fu B J,Piao S,et al.Reduced sediment transport in the Yellow River due to anthropogenic changes[J].Nature Geoscience,2013,9(1):38-41.

[42] 赵广举，穆兴民,田鹏,等.近60年黄河中游水沙变化趋势及其影响因素分析[J].资源科学,2012,34(6):1070-1078.

[43] 姚文艺,安催花,徐建华.黄河水沙变化及其科学问题[C]//浙江省水利河口研究院,浙江省海洋规划设计研究院.第九届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集.北京:中国水利水电出版社,2014:3-10.

[44] Lu X X,Higgitt D L,Recent Changes of Sediment Yield in the Upper Yangtze,China[J]. Environmental Management,1998,22(5): 697-709.

[45] Minella J P G,Walling D E,Merten G H.Combining sediment source tracing techniques with traditional monitoring to assess the impact of improved land management on catchment sediment yields[J].Journal of Hydrology,2008,348:546-563.

[46] 郑明国,蔡强国,陈浩.黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响[J].生态学报,2007,27(9):3572-3581.

[47] 郑明国,蔡强国,王彩峰,等.黄土丘陵沟壑区坡面水保措施及植被对流域尺度水沙关系的影响[J].水利学报,2007,38(1):47-53.

[48] Milliman J D,Qin Y S,Ren M E,et al.Man’s influence on the erosion and transport of sediment by Asian rivers:the Yellow River(Huanghe) Example[J].Journal of Geology,1987，95(6):751-762.

[49] 洪业汤,朴河春,姜洪波.黄河泥沙的环境地质特征[J].中国科学：B辑,1990(11):1175-1184．

[50] 洪业汤,朴河春,姜洪波.黄河沙量记录与黄土高原侵蚀[J].第四纪研究,1990(1):11-20.

[51] 董安祥,柳媛普,李晓萍,等.黄河流域1922—1932年特大旱灾的特点及其影响[J].干旱气象,2010,28(3):270-278.

[52] 刘建成.研究发现黄河4次大决口和气候变化有关[N].黄河报,2014-10-30(3).

[53] 张行勇.揭示黄土高原降雨准50年周期[N].中国科学报,2014-10-09(4).

[54] 史辅成.对近期黄河水沙变化的认识[N].黄河报,2012-06-21(3).

[55] 冉大川,柳林旺,赵力仪,等.黄河中游河口镇至龙门区间水土保持与水沙变化[M].郑州:黄河水利出版社,2000:193-195.

[56] 张胜利,康玲玲,魏义长.黄河中游人类活动对径流泥沙影响研究[M].郑州:黄河水利出版社，2010:138-203.

[57] 刘昌明,张学成.黄河干流实际来水量不断减少的成因分析[J].地理学报,2004,59(3):323-330.

[58] 彭俊，陈沈良.近60年黄河水沙变化过程及其对三角洲的影响[J].地理学报，2009,64(11)：1353-1362.

[59]马丽梅,王万忠,焦菊英,等.黄河中游输沙与减沙的时空分异特征[J].水土保持研究,2010,17(4):64-73.

[60] 信忠保,许炯心,余新晓.近50年黄土高原水土流失的时空变化[J].生态学报,2009,29(3):1129-1139.

[61] 侯素珍,侯珂,王平,等.刘家峡水库对水沙变异影响分析[J].水利水电技术,2015,46(10):31-42.

[62] 张胜利.略论黄河中游水沙变化及水土保持减沙效益[J].水土保持通报,1994,14(3):8-12.

[63] Richards K.Drainage basin structure,sediment delivery and the response to environmental change[C]//Jones S J,Frostick L E.Sediment Flux to Basins: Causes, Controls and Consequences. Geological Society(Special Publications),2001：149-160.

[64] 姚文艺,李占斌,康玲玲.黄土高原土壤侵蚀治理的生态环境效应[M].北京:科学出版社,2005:129-162.

[65] Nearing M A,Jetten V,Baffaut C,et al.Modeling response of soil erosion and runoff to changes in precipitation and cover[J].Catena,2005,61(2-3):131-154.

[66] Horowitz A J.A quarter century of declining suspended sediment fluxes in the Mississippi River and the effect of the 1993 flood[J].Hydrological Processes,2010,24(1):13-34.

[67] Thodsen H,Hasholt B,Kjrsgaard J H.The influence of climate change on suspended sediment transport in Danish rivers[J].Hydrological Processes,2008,22(6):764-774.

[68] Nearing N A,Pruski F F,O’Neal M R.Expected climate change impacts on soil erosion rates: A review[J].Journal of Soil and Water Conservation,2004,59(1):43-50.

[69] Goudie A S.Global warming and fluvial geomorphology[J].Geomorphology,2006,79(3):384-394.

[70] Lawler D M,McGregor G R,Phillips I D.Influence of atmospheric circulation changes and regional climate variability on river flow and suspended sediment fluxes in southern Iceland[J].Hydrological Processes,2003,17(16):3195-3223.

[71] Collins D B G,Bras R L.Climatic control of sediment yield in dry lands following climate and land cover change[J].Water Resources Research,2008,44(10):W10405.

[72] 许炯心.黄河中游多沙粗沙区1997—2007 年的水沙变化趋势及其成因[J].水土保持学报,2010,24(1):1-7.

[73] IPCC.Climate Change 2007:The Physical Science Basis[C]//Solomon S，Qin D，Manning M，et al. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge and New York:Cambridge University Press,2007:117-118.

(责任编辑李杨杨)

S157

A

1000-0941(2016)09-0055-09

姚文艺(1957—)，男，河南周口市人，教授级高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持、河流泥沙方面的研究。

2016-08-08