黄河流域窟野河入黄水沙锐减成因分析

刘晓燕，李皓冰，李晓宇，高云飞

（1.黄河水利委员会，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.黄河水文水资源研究院，河南 郑州 450002；4.黄河上中游管理局，陕西 西安 710021）

气候和土地利用/土地覆盖变化（LUCC）及其水文响应是近年国际前沿研究课题［1-2］，近年黄河出现的水沙锐减现象使LUCC 成为黄河研究的热点［3］。随着化石能源大量开发，采矿对水循环的影响越来越受到关注［4-5］。对于兼有LUCC 和大规模采煤的黄土高原窟野河流域，其近年水文情势变化显然更为复杂。

窟野河是黄河中游河口镇-龙门区间的一条多沙支流。1950—1979年，其入黄断面温家川水文站实测径流量为7.49 亿m3/a、输沙量1.29 亿t/a。1980年以来，窟野河入黄水沙量明显减少（图1），其中1999年以来急剧减少，较1979年以前分别减少67%和96%，是黄土高原近年水沙衰减剧烈的支流之一。

图1 窟野河流域实测水沙量和原煤产量变化

窟野河沙量减少现象早已引起关注。张胜利等［6］认为，采煤所致的弃土弃渣增加了入黄沙量。冯国安等［7］认为，弃渣会增加河床淤积，但对入黄沙量影响不大，1980年代来沙减少的主要原因是降雨，该结论与冉大川等［8］相似。近期研究则认为，水土保持和采煤都是窟野河减沙的重要因素［9］。

2004年以后，窟野河径流锐减成为关注热点。现有研究认为，1990年代以后人类活动是径流减少的主要原因［10-12］，采煤是径流锐减、基流减少的主要因素［13-16］；蒋晓辉认为1997—2006年采煤年均减水2.9 亿m3［17］，Guo 认为1999—2010年采煤年均减水2.58 亿m3/a［18］。不过，尽管窟野河流域植被已大幅改善［19］，但以上研究极少关注植被的减水效应。Luan 同时考虑了植被改善和采煤的影响［4］，但该研究将流域内生产生活用水简单归入采煤影响。

采煤大幅减少了窟野河径流几乎是目前的共识，但该结论很难解释图1 的现象：从2000年到2019年，窟野河流域原煤产量增加近12 倍，但2000—2012年入黄水量基本稳定，2012年后大幅增加。本文拟对可能影响窟野河入黄水沙的气候和下垫面因素进行全面梳理和剖析，力图诠释近20 多年入黄水沙锐减的原因。

1 研究区及基础数据

1.1 流域概况 窟野河发源于内蒙古鄂尔多斯市东胜区柴登乡拌树村，向东南流经鄂尔多斯市和陕西榆林市的6 个县（旗，市），在神木市沙峁村汇入黄河，干流全长242 km，流域面积8706 km2，其中温家川水文站控制面积8645 km2。流域有乌兰木伦河和桲牛川两大支流，在店塔交汇后称为窟野河，图2 是窟野河水系分布。

图2 流域水系和地貌概况

流域主要涉及砾质丘陵、沙质丘陵和黄土丘陵等三种地貌类型，见图2。砾质丘陵主要分布在乌兰木伦河和桲牛川的上游地区，地表多见细小砂砾石和栗钙土；盖沙丘陵主要分布在流域中部，风积沙厚度0 ～20 m、局部60 m；上中游地区沟谷面积不大，有砒砂岩出露。黄土丘陵主要分布窟野河下游，河谷多有基岩出露。

流域多年平均降雨量391 mm，蒸发量900 ～1200 mm，干旱指数2.5 ～5。受风积沙、砂砾碎屑和砒砂岩影响，窟野河悬移质粒径较粗：据1956—1989年实测数据，粒径≥0.05 mm 和0.1 mm 的悬移质沙量比例分别为49.3%和31.3%，而邻近的孤山川只有36%和14.7%、无定河34.7%和8.4%。

窟野河流域是著名的能源流域，神东煤田几乎覆盖了上中游全部范围。1996年，我国第一座现代化煤矿“大柳塔煤矿”建成，拉开了神东煤田大开发的幕布，图1 是流域逐年原煤产量，图3 是现状煤矿分布。

图3 现状煤矿分布及林草有效覆盖率

1.2 下垫面数据 利用分辨率为30 m 的遥感影像，通过土地利用分析，提取了林草地面积及其植被盖度，计算了流域各地的林草有效覆盖率（Ve，%），计算方法见文献［21］，结果见表1。流域虽有大中型淤地坝699 座、小型坝875 座，但迄今仅形成坝地32 km2，梯田也很少、目前仅约50 km2，故将其等量计入林草有效覆盖率。

表1 不同时期流域下垫面信息

利用分辨率为8 km 的遥感影像，获取了1981—2016年植被归一化指数（NDVI）。然后，利用分辨率250 m 遥感影像的2000—2020年数据，将数据系列延长，形成1981—2020年长系列植被盖度数据，用于定性判断植被盖度变化过程。

收集了陕北淤地坝普查、鄂尔多斯淤地坝详查、淤地坝安全大检查和全国水利普查的数据，截止时间分别为1989年、2008年、2011年和2016年，可基本掌握流域内淤地坝和水库的位置、建成时间、控制面积和淤积量等信息。统计表明，窟野河现有两座中型水库和11 座小型水库；淤地坝1574座，总控制面积1798 km2；若剔除已淤满的淤地坝，1980年和2016年淤地坝有效控制面积占流域面积的比例分别为8.2%和18.5%。基于以上信息，可得到坝库在不同时期的年均拦沙量，见表1。

采集了各县历年地表水和地下水供水量、跨流域调水量和各行业用水量等，测算了蓄水工程的水面蒸发，推算出1956年以来流域逐年耗水量，见表1。该流域均为丘陵地貌，耗用地下水相当于消耗地表水。

从各县市“国民经济和社会发展统计公报”和煤炭管理部门，获取了1978—2019年各县历年原煤产量。参考各大型煤矿的地理位置，可推算出流域的逐年原煤产量，结果见图1 和表1。

1.3 降雨和水沙数据 从《中华人民共和国水文年鉴》和国家气象中心共享网站，采集了1956—2019年流域47 个雨量站和5 个水文站的实测降雨和水沙数据。

为科学描述对产流产沙更敏感的雨量及其雨强，统计了各雨量站日降雨大于25 mm 和50 mm 的降水总量，分别用P25和P50表示，计算得到流域的面平均雨量。

采用“径流系数Wi”作为分析径流变化的重要指标，它是某一时段的径流深与降雨量之比。

借鉴“径流系数”的内涵和计算方法，引入“产沙指数（Si）”的概念，它是指流域易侵蚀区内单位降雨在单位面积上的产沙量［15］，其中降雨指标采用对流域产沙更敏感的P25，即：

2 降雨及下垫面减水减沙量识别

分析窟野河流域历年降雨变化可见（图4）：1957年以来，其降雨呈现丰-枯-丰的周期变化；1980—2011年，流域的有效降雨量和雨强明显偏低，显然是水沙偏少的原因；但2012—2019年的P25、P50、雨强分别比多年均值偏丰47.5%、60.5%、32%，定性判断应为增水增沙因素。

图4 1957—2020年降雨和植被变化

采用双累积曲线［22］，识别的窟野河第一个水沙突变年为1979年［12-18］。分析图1 和图4 可见，窟野河流域1996年进入煤炭大开采时期、2012年以来原煤产量增加缓慢；1981年以来，流域林草植被不断改善，2012年后达更高台阶；2012年以后，入黄径流大幅增加。鉴于此，划分了1950—1979年、1980—1996年、1997—2011年和2012—2019年等4 个时段，并将1979年以前作为窟野河流域的“天然时期”。

采用“水文法”［23］，将1980年以来不同时期的降雨量-径流量（输沙量）关系与1979年以前进行对比，可计算出1980年以来不同时期降雨和下垫面变化对流域水沙的影响量。选用了6 ～8 种不同的降雨指标组合，分别构建水文模型，取各模型减水减沙量的均值作为计算结果，结果见图5。1979年以前坝库拦沙241 万t/a（表1），而建模采用的是“输沙量”，故图5 中1980年以来的坝库减沙量实为“坝库拦沙增量”。

分析图5，并对照表1 可见：（1）1980—2011年，降雨一直是窟野河水沙偏少的重要因素，其中1997—2011年降雨因素的减水和减沙贡献率分别为25.3%和51.2%；但是，由于雨量和雨强均偏大，2012年以来降雨实为增水增沙因素。1997年以来，下垫面的减水减沙作用大幅上升。

（2）淤地坝和水库拦沙一直是下垫面减沙的重要因素，但其占下垫面减沙量的贡献率逐渐降低。2012年以来，虽坝库拦沙340 万t/a（同期窟野河入黄沙量117 万t/a），但其减沙量占比已不足1.2%。

（3）流域内生产生活用水增加，是近20 多年入黄径流减少的重要因素。1997—2011年和2012—2019年，由此引起的减水量占下垫面总减水量的19.6%和24%。

（4）扣除坝库拦沙和生产生活耗水的影响后，其他下垫面因素在三个时期的减沙量分别为1011万t/a、4552 万t/a、14 431 万t/a，减水量分别为3031 万m3/a、28 187 万m3/a、44 551 万m3/a。

鉴于现状梯田和坝地面积极小、蓄水工程蒸发已计入生产生活耗水，故而推断，导致流域近20多年水沙减少的“其他因素”应是植被改善和采煤。

3 植被变化对水沙的影响

针对黄土高原不同类型区，刘晓燕等［21，24］研究了大时空尺度上植被变化与河川径流或流域产沙的响应关系。利用其所得到的Ve～Wi（Si）关系（式（2）—式（3）），针对窟野河流域的气候、土壤和地形条件，对公式的参数进行了修正（表2，括弧内数字为中低雨强时的取值）。利用式（1）—式（3），针对下垫面变化相对较小的1980—1999年，计算了该时期降雨和下垫面条件下的理论产水产沙量，将其与同期实际产水产沙量对比可见（表3），计算值与实际值相差不大，说明方法基本可靠。

表2 不同区域的参数取值

表3 计算方法验证

采用以上方法，计算了1997年以来相应时期降雨条件下的理论产水产沙量，结果见表4。因缺乏1979年以前的植被覆盖信息，利用1956—1979年降雨-产水（沙）模型，推算了“天然植被”情况下的产水产沙量。表中的“现状植被”分别指1997—2011年和2012—2019年的林草植被覆盖状况，“其他因素”与图5 的口径一致，即包括植被、采煤、河道采砂等因素。

表4 不同时期林草植被的实际减水减沙量

（1）随着植被改善，其减水减沙作用逐渐增大。不过，表中结果是相应时期实际降雨条件下的减水减沙量，并非多年平均降雨情况下的植被减水减沙量。统一采用1956—2019年降雨条件，计算了不同时期下垫面的产水能力，结果表明（图6），与1979年以前相比，1997—2011年和2012—2019年植被状况下的流域产水能力分别降低了37.1%和58.1%，其中新庙以上减幅59%。

图6 窟野河流域径流、植被和原煤产量变化

新庙以上径流减幅与其紧邻的尔架麻小流域实测结果基本一致。尔架麻小流域是皇甫川的二级流域，紧邻桲牛川（图2），面积47.2 km2，流域内无任何人类活动，1978年、2012年和2019年，其林草有效覆盖率分别为16.2%、41.1%和50.7%，即与桲牛川相似。据沙圪堵水文站1960—1989年实测数据，该小流域天然时期径流系数为0.153。2012—2017年，尔架麻实测径流系数0.06，较天然时期减少61%。

植被主要通过增大降雨截留和增加土壤入渗而实现减水。理论上［24］，气候越干旱，植被改善导致的径流减少越多。窟野河流域大多位于干旱区、干旱指数为2.5 ～3.5，故植被改善的减水作用更大。

（2）1997—2011年和2012—2019年，植被减沙量分别为3313 万t/a 和13 014 万t/a，分别占同期下垫面总减沙量的66.7%和89.1%。扣除植被减沙量后，采煤和河道采砂等“其他因素”减沙量分别为1239 万t/a 和1417 万t/a，即两时期变化不大。

植被主要通过削减洪水、降低含沙量和增大坡面糙率而实现减沙。分析植被变化与流域产沙的响应关系表明［21］，在林草有效覆盖率15% ～50%范围内，产沙指数随植被改善而快速降低，覆盖率大于50%后产沙指数逐渐趋稳。而由表1 可见，1978年以来，窟野河流域林草有效覆盖率由15.9%增至55.7%，故而入黄沙量急剧减少。

（3）1997—2011年，河川径流发生了重大变化：扣除植被减水量后，采煤等其它因素减水量为11 800 万m3/a，显然不能用计算误差解释。2012—2019年，新情况再次出现：减水量由前期的“11 800 万m3/a”变为“-10 970 万m3/a”，即入黄水量反而增加。

经过20 多年修复，2016年以来，窟野河流域植被盖度已基本稳定（图6），4—9月降雨量与植被盖度的关系也由2015年以前的“显著相关”变为“无关”（图7），结合黄土高原半干旱区植被修复规律［25］，认为目前该流域的植被盖度已经达到相应自然条件的峰值。由此推断，2016年以来，窟野河流域植被的减水减沙能力已达峰值。由图7可见，1999年以前，降雨与植被盖度的关系也很小，原因在于该时段降雨对植被的促使作用被人类破坏抵消了。

图7 窟野河流域降雨对植被盖度的影响

4 采煤对入黄水沙的影响

1997年以来，窟野河入黄径流呈现“先减后增”态势，生产生活及植被耗水等仍不足以解释其异变原因；此外，流域还存在约1100 万t/a 的不平衡沙量。因此，本节重点分析煤炭开采的影响。

4.1 矿区概况及采煤方式 窟野河流域煤矿主要分布在中游地区（图3），其含煤地层均属侏罗纪中统延安组，一般有4 ～6 个可采煤层。目前，最上部的1 号煤层已基本采完，正在开采2 号、3 号和5号煤层。主采煤层倾角一般为1o～3o，厚度2 ～10 m，埋深50 ～350 m，煤层标高950 ～1150 m，见图8。

图8 窟野河河床高程与煤层赋存高程对比

2000年以后，综合机械化采煤方式被广泛应用，该方式采掘效率高、回采率高，但形成的采空区也更大。采煤后，紧邻煤层的上覆岩层将被完全破坏、落入采空区，故被称为冒落带。冒落带上覆的岩层虽不会完全破坏，但也将裂隙密布，故称为裂隙带。冒落带和裂隙带都具有很强的导水能力，故常被合称为“导水裂隙带”（图9），其高度主要取决于采动煤层的厚度、上覆岩层的岩性和开采方式，窟野河流域的导水裂隙带高度一般达采动煤层厚度的26 ～28 倍［26-27］。此外，采煤还会使导水裂隙带上方的地层发生弯曲沉陷，从而在井田地表产生裂缝。

图9 采煤后地壳变形示意图

4.2 采煤对入黄水量的影响机制 显而易见，由于地表沉陷和裂缝不可避免，无论导水裂隙带是否导通第四纪含水层下伏的第一个隔水层，采煤都会使采动区的地表径流下渗、潜水水位下降，从而导致采区内河流干涸、井水位下降［26-28］。但是，从矿井水的来源和去向看，采煤对窟野河“入黄水量”的影响更为复杂：

（1）矿井水来源。由图8 可见，如果煤层埋藏较深、导水裂隙带不能导通第四纪含水层下伏的隔水层，则矿井水主要来自煤层和导水裂隙带波及地层的地下水；否则，采动区内的地表水和浅层地下水也将成为矿井水的组成部分。由于煤层海拔远高于窟野河入黄断面河床的海拔高程，故矿井（坑）水本来就是入黄径流的组成部分。

（2）矿井水去向。矿井水必会被井下的水仓收集，之后泵送至地表，处理后回用于井下喷洒、井下黄泥灌浆、选煤生产和地面生活，多余水或直接排入河道、或送其它企业使用。原则上，被利用的矿井水将计入当地的“地下水供水量”台账。用于井下喷洒和黄泥灌浆的矿井水，一部分析出被再次泵出、重复使用；另一部分被封存在采空区，之后沿煤层底板及其下伏岩层裂隙缓慢流向下游、最终溢出进入低海拔的河道，汇流历时取决于岩层渗透系数。对比已采动煤层高程与窟野河河床高程可见（图8），至少王道恒塔以下河道都可能成为矿井水回归的注入点；受煤层倾角限制，部分矿井水甚至会汇入外流域。

由此可见，由于入黄断面的河床海拔远低于煤层海拔、且煤层倾角很小，故采煤对窟野河入黄水量的影响主要反映在汇流路径改变、汇流过程延长、径流过程坦化，最终减少的径流量主要是地面生产生活耗水——该用水一般被纳入水管部门的用水统计。据统计，该流域井下采煤水耗一般在0.07 ～0.09 m3/t，按2012—2019年原煤产量估计，其井下采煤耗水量为2900 ～4000 万m3/a。

由于汇流路径改变、汇流距离增加，采煤对入黄径流的负面影响主要发生在采煤初期。在正常生产期，虽负面影响一直伴随着采煤活动而存在，但滞留井下的矿井水会慢慢向低处渗流、最终回归河道。在过去20 多年，流域内几十座大型煤矿陆续投产、直至2012年才趋稳定，故采煤对径流的正负影响一直共存，早期负面影响大于正面影响、近期反之。该推论得到实测数据的验证：在经历了1997—2011年的减流期后，加之降雨增加，2012年以来窟野河径流量和基流均明显反弹，甚至在降雨严重偏枯的2014年和2015年径流量也居高不下（图1）；2012年以后，越向流域下游，径流系数反弹越高（图10）。

图10 窟野河各河段径流系数变化

基于2012—2019年植被状况和降雨条件，前文推算的窟野河径流偏多10 970 万m3/a。该偏多量由三部分组成：一是同期天然径流量还原计算时多计入的采煤耗水量2900 ～4000 万m3/a；二是前期形成的煤矿采空区的矿井水回归量，估计少于2900 ～4000 万m3/a；三是矿井水升井后利用不尽的入河排放量。

不过，在煤矿数量逐年增加、原煤产量急剧上升的1997—2011年，采煤对入黄水量的影响主要表现为减少。基于当时的植被状况，流域天然径流量应约37 723 万m3/a，但实际入黄水量偏少11 800万m3/a。该时段窟野河原煤产量1.16 亿t/a，即采煤影响接近“吨煤吨水”的水平，其中早期影响量更大。

2012年以后，窟野河基流明显增多（图6），径流系数也逐渐增大（图9）；温家川站实测数据表明，2011年以后，未再出现断流现象。由此判断，采煤对窟野河入黄径流的影响拐点大体出现在2012年。

4.3 对入黄沙量的影响 早期研究者认为，由于采煤弃渣的25% ～30%会进入河道，故采煤将增加入黄沙量［1］。不过，近十多年，随着水保、环保管控愈加严格，入河弃渣量越来越少。

理论上，采煤形成的沉陷区会成为水沙汇聚地，故而减少入河沙量。不过，采煤并非全井田同时掘进，而是分盘区接序开采。窟野河煤矿集中在5742 km2的中游地区，2018年时的沉陷区面积约400 km2、分散在41 座井工矿，沉陷高度只有2 ～3 m，定性判断对产汇沙影响很小。事实上，近20年多来，无论是转龙湾以上的城市禁采区、神木以下的无煤区，还是煤矿众多的中游地区，实测沙量均减少95%以上。由此可见，在现状生产方式下，采煤对窟野河入黄沙量的直接影响非常有限。

不过，由于采煤引起的河川径流均化、洪水减少，必将促使粗泥沙在河道内的淤积，进而成为河道采砂业的资源。由第3 节分析可见，近20 多年来，由此引起的河道滞沙量约1330 万t/a。因窟野河流域的煤炭储量仍可开采50年以上，故河道滞沙现象未来将长期存在。

5 结论

（1）20 世纪50年代以来，窟野河流域降雨经历了丰-枯-丰的周期变化，其中1997—2011年，流域降雨量和雨强明显偏枯，对流域水沙减少的贡献分别为25.3%和51.2%。2012年以来，雨量和雨强均明显偏大，故降雨实为增水增沙因素。

（2）淤地坝和水库拦沙一直是下垫面减沙的重要因素，但其占下垫面减沙量的贡献率逐渐降低，2012年以来甚至不足1.2%。

（3）生产生活用水增加是窟野河径流减少的重要因素。1997—2011年和2012—2019年，由此引起的减水量占下垫面总减水量的19.6%、24%；若扣除井下采煤用水的回归水量，2012年以来的占比约19%。

（4）窟野河流域林草梯田有效覆盖率已由1978年前后的15.9%提高到目前的55.7%，引起流域产流产沙能力降低。1997—2011年和2012—2019年，植被改善的减沙贡献分别占下垫面总减沙量的66.7%和89.1%；同期，流域产水能力分别降低37.1%、58.1%。

（5）大规模采煤使流域水循环路径变化、汇流时间延长、洪水过程坦化，影响窟野河入黄水量。扣除煤矿正常的生产生活用水后，1997—2011年采煤使入黄水量减少1.18 亿m3/a。2012年后，因矿井水缓慢溢出，反使入黄的年径流量增加。

采煤对沙量的影响主要表现为洪水坦化使河道淤积，2000年以来由此引起的淤积量约1330 万t/a。

（6）如果流域植被不发生明显退化，预计2016年以来的窟野河水沙情势未来将持续相当长时间，入黄水量2 ～3 亿m3/a、洪水大幅坦化；流域产沙量不超过900 万t/a。

与前人研究相比，本研究对可能影响窟野河入黄水沙因素进行了更全面的梳理、关注了矿井水的来源及其循环路径。但准确地阐明采煤对流域产汇流的影响机制和程度，仍需开展更细致的水文地质勘查。