关于黄河水沙形势及对策的思考

摘 要：水少沙多是黃河的突出特点。进入21世纪，黄河天然径流量减少了20%，取用水量却不断增加。近10 a黄河头道拐至花园口河段和全河的地表水资源利用率已分别达60%和80%，水少问题更加突出，缺水已经成为黄河流域面临的最大问题;节水潜力是有限的，将黄河下游分水指标过多调整给上中游又将导致不健康河段更长，因此建议尽快开工建设南水北调西线工程，并兴建多年调节水库，提高黄河蓄丰补枯的能力。2000—2019年，潼关年均输沙量仅2.45亿t/a，“沙多”压力有所缓解，但还原坝库拦沙量后的流域产沙量为5.64亿t/a，仍然远高于黄河下游的承受能力。未来，如果能将林草梯田覆盖程度提高至理想情景，流域产沙量可降低至4亿～5亿t/a;但是，黄土高原植被极易受人畜破坏而退化，若退化至2010年水平，“龙华河”四站沙量将反弹至6.7亿～7.1亿t/a。因此，黄河水沙调控工程和防洪工程的规划设计必须为未来沙量反弹留足空间。为控制入黄沙量在低位水平、支撑黄河长治久安，黄土高原应优先重视现状林草植被的维护，并改进黄土丘陵沟壑区第五副区产沙的控制措施。

关键词：黄河;水情;沙情;对策;建议

中图分类号：TV121;TV141+.3;TV882.1 文献标志码：A

Abstract：The outstanding features of the Yellow River are less water and more sediment. From 2000 till now， the natural runoff of the Yellow River has decreased by 20% but the water withdrawal has been increasing. In recent 10 years， the surface water utilization rate of the middle reaches from Toudaoguai to Huayuankou of the whole river has reached to 60% and 80% respectively， thus water shortage has become the biggest problem of the Yellow River Basin. Since the water-saving potential is limited， and it would make longer unhealthy reaches if we transfer part of the water rights from the people around the lower reaches to the people around upper and middle reaches， this paper suggested to build the West Route Project of the South-to-North Water Transfer as soon as possible and build carry-over storage reservoirs to improve the runoff supplying ability during dry years. From 2000 to 2019， the sediment load of the Yellow River was only 0.245 billion t， the sediment pressure had been eased. But if we restore the sediment intercepted by dams， we would find that the actual produced sediment of the Loess Plateau should be 0.564 billion t， which is far beyond the riverbeds bearing capacity of the lower Yellow River. In the future， the sediment production load would be decreased to 0.4-0.5 billion t if the vegetation and terrace grow to its ideal coverage. But the vegetation of the Loess Plateau is easy to deteriorate when disturbed by human and livestock. The sediment load of the Yellow River would rebound to 0.67-0.71 billion t even if the vegetation has merely deteriorate to the level of the year 2010. Therefore， this paper agreed to plan and design the key water and sediment regulation projects according to the present low sediment level temporarily， but we must reserve enough room for rebuilding to meet the future challenge of sediment rebounding. In order to control the sediment load at the low level and to maintain the Yellow River safety， preserving the current vegetation should be the first countermeasure taken in Loess Plateau and the measures of controlling gully-bank and riverside-bank erosion should be improved in the No. 5 sub-region of gullied rolling loess area.

Key words： Yellow River; water; sediment; situation; countermeasure

黄河水沙情势是实施黄河流域生态保护和高质量发展战略的基础条件，是黄河重大水沙调控工程布局及运用方式、河道工程布置、流域内水资源配置和跨流域调水工程决策等的基础。因此，笔者拟重点讨论黄河面临的水沙形势与挑战，旨在为宏观决策提供参考。

1 流域概况及数据来源

黄河流域地跨青藏高原、黄土高原和黄淮海平原三个台阶。兰州以上地区多属青藏高原、局部属黄土高原，年均降水量490 mm，是黄河径流的主要来源区，年均贡献约57%的径流量、但取用水量仅占全河的7%。流域中部是群山、平原和沙漠环绕的黄土高原，年均降水量440 mm，是黄河泥沙和污染物的主要来源地。黄河下游是地上悬河，汇入水沙和废污水很少，为黄淮海平原地区人民的生产生活用水提供了便利。

黄河最突出的特点是水少沙多、水沙异源。在人类活动相对较少的时期，黄河陕县站实测输沙量高达16亿t/a（1919—1959年）、是长江年输沙量的4倍，但全河天然徑流量仅为580亿m3/a（1919—1975年）、只有长江天然径流量的1/17。黄土高原年均产沙量占黄河流域产沙总量的97%，但其对黄河径流量的贡献仅约15%，流域中部的径流实际主要来自黄土高原周边的土石山区和风沙区。

笔者采用的实测水量和输沙量数据均来自《中华人民共和国水文年鉴》（黄河流域卷）。供水量、用水量和天然径流量数据均来自1998—2018年的《黄河水资源公报》。

采用的黄土高原入黄沙量，是黄河循化至青铜峡区间、河口镇至龙门区间、汾河河津、北洛河头、泾河张家山和渭河咸阳站的输沙量之和，其中1933—2019年采用实测输沙量数据，1919—1932年采用黄河水利委员会水文局插补延长的沙量数据。基于实测输沙量，还原坝库拦沙量和引水引沙量，可得到流域产沙量，其中坝库拦沙量为调查分析成果、引水引沙量为实测数据。

采用的1956—2019降水数据主要来自水文年鉴、部分来自国家气象中心共享网站，进而提取并计算了黄河主要产沙区日降雨量大于25 mm的年降雨总量，称为有效雨量。1919—1955年，因雨量站稀少，利用全国1990—2009年网格化气候数据集[1]提供的黄土高原汛期降雨量和1956—2009年实测的有效降雨数据，推算了黄河主要产沙区的有效雨量，故可靠度略低。

采用的“林草地面积”是流域易侵蚀区内林地和草地面积的总和，系利用遥感影像（分辨率30 m）、依据《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2007）提取得到，与水土保持部门的统计口径不同。其中，流域的“易侵蚀区面积”是剔除建设用地、石质山区、平缓的河川地和平原后的流域面积，是流域泥沙的主要产地。

采用“NDVI”和“林草植被盖度”表征林草地的植被覆盖程度，其中NDVI是利用遥感影像提取的可反映植被生长状况的指数;利用遥感影像获取的NDVI值，可计算出林草植被盖度[2]。

2 水 情

2.1 近年来水形势

水少是黄河的自然特点。1919—1975年，还原人类用水和水库蓄变量后，黄河天然径流量花园口站为559亿m3/a、利津站为580亿m3/a。2016年，黄河流域人均水资源量为408 m3，只有全国平均水平的1/5，若扣除向其他流域的供水量，则黄河流域实际的人均水资源量仅332 m3。

由于水少，旱灾一直是黄河流域人们生产生活面临的主要灾害。据《黄河流域水旱灾害》[3]，黄土高原平均每10、5、2、1.25 a，就有53%、49%、36%、22%的面积发生重度旱灾;北宋以前，山西、河南两省平均每百年发生严重干旱次数分别为6.2次和3.2次，但13—19世纪分别增加到49次和17次。1972—1999年，黄河下游有22 a发生断流，其中1997年利津断面全年有226 d断流、甚至发展到距入海口704 km的开封。

更为严峻的是，随着流域地下水开采、坝库蒸发、梯田建设和林草植被的改善等，黄河的河川径流量仍在减少。2000—2018年，在流域降水量略偏丰情况下（偏丰1.6%），花园口断面天然径流量只有463亿m3/a。从流域主要来水区降水与径流的关系变化看（见图1，图中“基准年”的时段选择考虑了下垫面变化特点），流域产流能力的降低，主要发生在以黄土高原为主体的流域中部地区;在以青藏高原为主体的兰州以上地区，其降水—径流关系变化不大。

展望未来，虽然地下水开采量可能会略有下降，但是林草梯田覆盖率仍将略有提高、坝库水面蒸发量也将有所增加，因此黄河河川径流量有进一步减少的可能性。

2.2 供用水量变化

在黄河河川径流量减少20%的形势下，流域供水量持续增加。1950年前后，黄河流域内外取用水量不足100亿m3/a（耗水量约65亿m3/a），主要在花园口以上地区。2007—2018年，流域内外总取用黄河水量517亿m3/a，其中农业取用水345.6亿m3/a、占总量的66.9%。宁蒙灌区和下游引黄灌区是主要的农业用水户，分别占全河灌溉用水量的39.5%和28.0%。

黄河流域供水水源以地表水为主，目前占76%。1998—2002年，流域上中游地区地表水取水量为260亿m3/a、耗水量为182亿m3/a。2010—2018年，取水量和耗水量分别为277亿m3/a和207亿m3/a，耗水量约为1950年前后的3倍。

基于用水类别口径一致的2003—2018年《黄河水资源公报》，用水增加最多的是包括城镇公共用水、居民生活用水和生态环境用水在内的“大生活”用水，由2003年的45.5亿m3增加到2018年的89.2亿m3，即15 a增加约1倍。工业用水自1998年后快速增加，至2011—2012年达到峰值（约78亿m3/a），之后因老旧企业被淘汰或节水改造、新企业全面采用空气冷却和干排灰渣等节水技术，至2018年逐渐回落到2003年前后的量级（约65亿m3/a）。

目前，限于黄河分水指标和取水工程条件的约束，黄河上中游有大批工农业项目因缺水而难以上马，更有大量生活在干旱区的贫困农牧民等待异地安置。有关研究表明[4-5]，至2050水平年，黄河上中游地区工业和生活的刚性缺水为64亿～84亿m3。严重缺水，已经成为制约黄河上中游地区生态保护、脱贫攻坚和高质量发展的瓶颈。

3 沙 情

20世纪80年代以来，黄河来沙量逐渐减少，其中2000—2019年为2.45亿t/a。在此背景下，“黄河变清”成为当下热议，更有呼吁按“来沙2亿～3亿t/a”修改黄河重大工程的布局、规模及运行方式。不过，基于过去10 a的研究，笔者认为该想法可能过于乐观。

3.1 黄土高原产沙变化

黄土高原的土壤要变成黄河“泥沙”，需要经历侵蚀、产沙和输沙这三个环节，淤地坝、水库和引水引沙主要在“输沙”环节起作用，土壤、地形、植被是影响侵蚀产沙的关键下垫面因素。由于坝库拦截和引水引沙等，黄土高原各支流实测输沙量往往小于流域产沙量。

1919—2019年黄土高原入黄沙量、产沙量和产沙指数变化见图2，其中：产沙量是输沙量、坝库拦沙量和引水引沙量的总和;产沙指数是指流域易侵蚀区内单位有效降雨在单位面积上的产沙量[2]，可代表下垫面的产沙能力。调查分析表明，1960年以来黄土高原坝库（不含干流水库）

拦沙量为1.85亿～3.25亿t/a，其中：20世纪70年代为3.25亿t/a（淤地坝拦沙2.15亿t/a），2000—2019年拦沙2.36亿t/a（淤地坝拦沙1.48亿t/a）。

产沙量和产沙指数变化情况

分析图2可知：

（1）20世纪80年代以来，黄土高原的入黄沙量、实际产沙量和相同降水情况下的产沙能力均表现为下降趋势，2000年以来降幅更大。

（2）2000—2019年，黄土高原入黄沙量和产沙量分别为3.15亿t/a和5.64亿t/a，即44%的产沙被“截留”在当地。

（3）考虑降雨因素，20世纪70年代产沙指数最高（即当时林草梯田覆盖程度最低），20世纪90年代的产沙指数与20世纪20年代相当。

（4）与1919—1959年均值相比，2000—2009年和2010—2019年的下垫面产沙能力分别下降了57%和80%。

由此可见，黄土高原下垫面产沙能力的明显降低，主要发生在近20 a。

3.2 未来沙情预测

2000年以来，由于44%的泥沙被坝库等截留在当地，因此黄土高原入黄沙量只有3.15亿t/a。然而，坝库的拦沙作用是不可持续的，将随拦沙库容淤满而结束。据调查[6-7]，目前约46%的大中型坝和95%的小型坝已经失去拦沙能力，仍可发挥拦沙作用的大中型坝仅约7 600座，至2050年可能只剩2 500座、相应的拦沙能力仅约3 300万t/a。水库情况与之相似，而且近30 a新建水库极少[8]，故未来拦沙作用更小。

通过淤地坝拦沙而形成的坝地具有持续减沙的能力，但目前的坝地面积仅900 km2，故减沙作用有限，为0.20亿～0.22亿t/a。

梯田是近30 a黄土高原产沙量减少的重要因素。截至2017年，潼关以上黄土高原地区共建成梯田3.6万km2，其中90%以上分布在嚴重水土流失区。考虑在流域尺度上梯田的“本地”和“异地”减沙作用[9]，现状梯田可减沙约5亿t/a（与陕县“16亿t/a”口径一致，下同）。按照近村近路、确有需求的原则，有关单位测算了黄土高原地区的梯田建设潜力[10]，约为10 812 km2，其中黄河主要产沙区为5 500 km2。不过，由于很多梯田潜力区的现状林草梯田覆盖率已达60%以上，因此测算的减沙潜力只有0.3亿～0.5亿t/a。实际上，新增梯田的效益更多体现在农民增收。

林草植被改善是近年最受关注的减沙因素。由于扩耕和人畜破坏，林草植被在20世纪70年代达到谷底[11]，20世纪80年代以后逐渐恢复，2000年以来恢复更快。基于笔者对植被变化对流域产沙影响规律的认识[2]，推算2016—2019年林草植被可减沙7亿t/a。遥感监测结果表明，1978—2018年，只有河龙区间和北洛河上游的林草地面积增加了10 410 km2，十大孔兑地区略有增加，其他地区反而因扩耕等减少了7 451 km2，因此，现状林草减沙量的90%以上得益于植被盖度提高。不过，植被盖度继续提高的潜力有限：图3是1981年开始封禁的固原云雾山、1998年开始封禁的安塞和神木自然修复样地的跟踪监测结果，由图可见，在无人畜干扰情况下，植被封育17～19 a即可达盖度峰值[12];遥感调查也表明，2016—2019年，绝大部分地区的植被盖度增幅已不足3%。也就是说，经过20 a左右的修复，2018年前后的林草植被盖度已基本达到现状自然和社会环境下的潜力值，目前，仅清水河上中游、泾河流域西北部和无定河上游仍有少量潜力。

值得注意的是，植被盖度也是最易退化的因子。理论上植被盖度应随降水丰枯而增减，但分析植被生长期降水与NDVI的关系（见图4）发现，在20世纪八九十年代，

植被盖度几乎与同期降水无关，说明降水对植被的促生作用基本上被人类过度放牧和砍伐等破坏活动抵消;20世纪90年代中期以来，降水作用逐渐显现，其中2006年以来NDVI与同期降水之间呈显著正相关，说明该时期人类对植被的破坏活动大幅减少，气候条件成为影响植被覆盖状况的关键因素。由此推测，若人畜干扰很少，则未来林草植被盖度和结构将取决于当地的气候和土壤条件;一旦社会环境朝着20世纪逆向发展、人畜重返黄土梁峁，植被盖度极易降低。

多数专家认为，黄土高原未来汛期降水将略偏丰[13-14]。从过去百年黄土高原有效降雨量变化看（见图5），确实存在“枯—丰—平—枯—平—丰”周期变化特点;2012年以来，该区降水似乎处于第二个丰水期。如果未来20～30 a重现1933—1967年的降水情景，一方面会增强黄土高原的产沙动力，同时也有利于现状林草植被的维持和改善。

同时，增强黄河自身的蓄丰补枯能力，也是解决缺水问题的重要选项。在现状水沙调控工程体系中，只有龙羊峡、小浪底和刘家峡等水库具有较大的调蓄能力，远不能满足丰水年调蓄的需要。例如，在降雨丰沛的2018年和2019年，干流水库全部蓄满后，分别有331亿m3和304亿m3径流入海，远超当年下游4.3亿t和5.3亿t来沙所需要的生态环境水量。因此，在泥沙压力明显缓解、水资源短缺已成为黄河最大问题的背景下，建议把“径流调蓄”作为古贤和黑山峡等待建大型水库的首要功能，并适当提高大型水库的汛限水位，不仅为调蓄黄河丰水年径流提供必要的工具，并为南水北调西线工程所调水量提供储存空间，也是应对连续干旱年的重要措施。

4.2 关于长治久安

要保障黄河下游长治久安和提升滩区防洪标准，关键在于能不能把进入下游的沙量长期控制在2亿～3亿t/a范围内。基于目前对社会环境变化趋势的认识，并考虑小浪底水库仍有近43亿m3的拦沙库容，预计未来20～30 a或许可以控制进入下游沙量在2亿～3亿t/a。但是，对于更远的未来，确实存在很多不确定因素。针对该风险，提出三点建议：

（1）重大工程规划设计应为远期的泥沙反弹留出“回旋”余地。习近平总书记指出[19]，黄河的治理与保护“是事关中华民族伟大复兴的千秋大计”，“保障黄河长治久安”是黄河流域生态保护和高质量发展的主要目标任务之一，这意味着黄河堤防和水沙调控工程的布局和运用至少应在百年尺度上进行规划和设计，仅考虑20～30 a的水沙情景显然是不妥当的。综合考虑黄河沙情的现实和未来风险，古贤水利枢纽现阶段可以暂按“提高丰水年径流存储能力”和“为小浪底调水调沙提供后续动力”的要求设计水库的库容和结构，但必须为沙量反弹充分留出加高和改建的条件，而且可能面临未来“二次移民”的困难;在规划滩区防洪工程布置时，应为今后沙量反弹预留沉沙空间和通道。

（2）应高度重视黄土高原现状植被的维护。淤地坝在近20 a的拦沙量只有1.48亿t/a且目前大多已失去拦沙能力[7]，即使在产沙最剧烈、有效淤地坝最多的20世纪70年代拦沙量也只有2.15亿t/a。梯田是遏制产沙的好措施，但可增建梯田地区的减沙潜力不大。现状植被的减沙贡献接近下垫面总减沙量的50%，但植被极易被人畜破坏，因此控制现状林草植被不退化甚或有所改善，是维持入黄沙量在低位水平的关键，应成为未来水土流失管控的首要任务。然而，笔者近年实地调研看到，随着植被大幅改善，一些地方对牲畜的管控有所松懈，甚至在4—5月就看到许多羊群游弋在梁峁，这对生态环境脆弱的黄土高原决非福音。建议：①制定面向每个农户的林草植被盖度考核目标，并借助遥感手段组织实施，促使农牧民主动放弃4—8月的放牧行为。8月下旬以后，应允许放牧，以提高农民收入、缓解冬春防火压力。②结合乡村振兴和生态保护，或实施生态移民，或在村旁建设可以蓄水的淤地坝，并种植可兼顾经济发展和环境优美的牧草或乔灌林，为维护现有林草植被创造条件。

（3）重视特殊地区沟壑产沙控制措施的创新。分析图6可知，清水河上中游、马莲河上游、无定河和北洛河的源头区、祖厉河中下游等地区，是目前产沙模数较高的地区，以马莲河洪德以上地区为例，在没有发生大暴雨的2010—2019年，其实际产沙模数仍达到4 800 t/（km2·a）。以上区域有两个共同特点：①均属于以沟壑产沙为主的黄土丘陵沟壑区第五副区，此类地区大部分泥沙产自中部盆地的河（沟）岸崩塌或滑坡[20]，是黄土高原沟壑产沙最剧烈的地方，入沟径流是产沙动力;从支毛沟到干沟和河道，随着汇入水量的增加，产沙强度逐级增大。②大部分地区的人口密度不大，如甘肃省环县的现状人口密度仅34人/km2。显然，靠坝库拦沙是暂时的，当地对梯田的需求也很有限，因此建议通过工程措施阻止径流下沟，并鼓励径流就地利用;对川掌地周边的黄土丘陵，应通过封禁促使“荒草”生长，以减少产流。

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【责任编辑 赵宏伟】