黄河重大水利工程设计沙量论证

张 建，万占伟，陈松伟

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南郑州 450003）

2000 年以来黄河实测水沙量显著减少，尤其输沙量减少更为明显，潼关水文站年均输沙量由1919—1969 年的16 亿t 减少至2000—2020 年的2.39 亿t。黄河水沙情势的剧烈变化引起了社会各方关注，并针对近期黄河水沙变化原因和发展趋势开展了大量研究。 姚文艺等［1］认为与1960—1969 年相比，1997—2006 年黄河中游产沙量减少11.80 亿t，降雨因素占50.3%，水利水保措施作用占49.7%，并预测2030 年、2050 年黄河年均来沙量分别为8.61 亿～9.56 亿t 和7.94 亿～8.66 亿t。 刘晓燕［2］提出2007—2014 年黄河流域下垫面因素减沙量为15.6 亿～17.3 亿t，主要产沙区年均雨量和雨强与1956—1975 年相当，预测在2007—2014 年下垫面和1966—2014 年平均降雨量情况下，潼关年均输沙量为5 亿t。 2013—2014 年黄河水利委员会组织开展的“黄河水沙变化研究”［3］提出2000—2012 年黄河总减沙量为13.72 亿t，其中降雨因素约占20%，人类活动因素约占80%，预估在黄河古贤水库投入运用后，未来30 ～50 a 黄河潼关站年均输沙量3 亿～5 亿t，未来50 ～100 a 年均输沙量5 亿～7 亿t。 胡春宏［4］预计未来30 ～50 a，潼关站年均沙量将稳定在3 亿t 左右。 王光谦等［5］认为潼关站输沙量2020 年左右达到最低点，未来10 a、20 a、50 a 年均输沙量分别为2.83 亿、3.13 亿、4.12 亿t。 由于黄河水沙变化复杂，因此学者对黄河未来沙量的变化趋势仍存在不同认识，这成为重大工程开发论证中争论的焦点，给黄河治理开发规划带来了诸多影响。 因此，有必要站在黄河治理开发及重大工程建设的角度，慎重论证水沙变化趋势。

1 黄河近期水沙变化特征

黄河具有水少沙多、水沙异源、水沙关系不协调、水沙年际变化大等特点。 1919—2020 年黄河干流潼关站实测多年平均径流量364.47 亿m3、输沙量11.12亿t，平均含沙量30.5 kg／m3。 20 世纪80 年代以来，受气候变化和人类活动影响，黄河实测水沙发生了变化。

1）实测水沙量明显减少。 潼关站2000—2020 年年均水沙量分别为259.10 亿m3、2.39 亿t，较1919—1959 年分别减少39.2%和85.0%。 河口镇至龙门区间（河龙区间）水沙量减少幅度分别为72.5%、89.2%，主要产沙区用于输沙的水量大幅度减少。

2）干流径流量年内分配发生变化，汛期比例减小。 1967 年以前，干流头道拐、龙门、潼关站汛期来水量的比例分别为62.1%、60.4%、60.4%。 受水库调蓄和工农业用水影响，1987 年以来，头道拐、龙门、潼关站汛期来水量的比例下降为40%左右。

3）汛期有利于输沙的大流量历时和水量减少。潼关站汛期日均流量大于2 000、4 000 m3／s 的平均历时由1968 年以前的年均78、19 d 分别减少到2000 年以来的年均20、1 d，相应水量由年均229.9 亿、81.3 亿m3减少到48.9 亿、5.4 亿m3，水流输沙动力大大减弱。

4）水沙异源及水沙关系不协调的特性未发生变化。 黄河流域地貌类型决定了黄河水沙异源的特性不会发生变化，黄河60%的水量仍来自于河口镇以上、90%的沙量仍来自河口镇至潼关区间。 2000 年以来黄河水沙量均有所减少，但潼关站汛期含沙量仍为20 kg／m3左右，且汛期有利于输沙的大流量历时和水量大幅度减少，水沙关系仍不协调。 在不考虑小浪底水库拦沙的情况下，下游河道仍会呈现淤积状态。

2 近期水沙变化原因

2.1 近期水沙变化主要影响因素

黄河水沙变化不仅与气候降雨因素有关，而且与水利工程、生态建设工程和经济社会发展等人类活动因素有关。 古贤水利枢纽可行性研究［6］采用水文法，利用《黄河流域水文设计成果修订》［7］提出的黄河主要控制站近期下垫面天然径流量，提出2000—2015 年黄河总减沙量12.97 亿t，其中：降雨因素减沙2.58亿t，约占20%；人类活动减沙10.39 亿t，约占80%。

2.2 降雨强度降低、过程均匀化是近期沙量减少的重要原因

分别采用日雨量资料、降水量摘录资料，统计黄河主要产沙区河口镇至龙门区间1954—2015 年不同时段年降水量、7—8 月降水量以及不同强度降水量变化（见表1），可以看出，2000—2015 年河龙区间年均降水量与1954—1969 年相当，但主汛期7—8 月降水量较1954—1969 年减少10.3%，其中雨强大于0.6 mm／min的降水量减少32.2%，减少更加明显。 一方面，黄土高原降雨强度降低不利于坡面产流输沙，从而导致入黄沙量减少；另一方面，降雨强度降低、过程均匀化有利于林草植被生长，进一步减少了土壤侵蚀。

表1 不同时段河龙区间年均降水量统计

2.3 水利水保工程大量建设，显著减少了入黄泥沙

截至2020 年，黄河流域水土保持措施累计面积约24 万km2，建设淤地坝5.9 万余座，其中骨干坝约6 000座。 经分析，水利水保工程年均减少入黄泥沙9.52亿t，其中坡面措施（包括梯田、林地、草地、封禁治理）、淤地坝、水库年均减沙量分别占45.2%、35.0%和19.8%［6］。 高健翎等［8-9］提出，1996—2015 年水土保持工程年均减少入黄泥沙4.35 亿t。 李景宗等［10］认为2000—2012 年潼关以上淤地坝年均拦沙减蚀量为4.50亿t，其中年均拦沙量3.75 亿t，年均减蚀量0.75亿t，对该时段泥沙减少的贡献率为34%。 刘晓燕［2］认为，黄河中游五站（龙门、咸阳、张家山、河津、头，下同）以上地区主要下垫面因素在2007—2014 年的实际减沙量为15.6 亿～17.3 亿t，其中林草梯田等年均减沙12.54 亿～14.11 亿t，水库和淤地坝拦沙以及灌溉引沙实际拦（引）沙3.2 亿t，其中水库年均拦沙量1.81亿t。

另外，黄土高原退耕还林还草、水资源开发利用、流域煤矿开采以及河道采砂等也对入黄泥沙减少起了一定作用［11-14］。

3 未来沙量预测

3.1 水文法预测成果

未来黄河输沙量与主要产沙区产流量密切相关。2000 年以来，黄河输沙量锐减的主要原因是黄土高原主要产沙区降雨强度降低、过程均匀化，以及水利水保工程对下垫面条件的影响，导致黄土高原坡面产流减少。 水流是输送泥沙的动力，坡面侵蚀、重力侵蚀的泥沙只有依靠水流动力才能输送到河道，同时进入河道的水流可诱发重力侵蚀，使水流挟带的沙量得到充分补给，主要产沙区进入河道的水量减少是导致入黄沙量减少的直接因素。 由黄河中游主要产沙区和支流汛期实测径流量与输沙量的关系（见图1 和图2）可以看出，2000 年以来部分年份径流量与输沙量关系发生了一定的变化，相同径流量对应的输沙量略有减少，原因主要是河龙区间降雨强度降低，洪水发生次数及洪量明显减少，相同水量的输沙能力降低。

图1 河龙区间汛期实测径流量与输沙量的关系

图2 北洛河刘家河站汛期实测径流量与输沙量的关系

未来黄河来沙量与主要产沙区的水量密切相关。基于《黄河流域水文设计成果修订》提出的近期下垫面条件下干支流天然径流量系列成果，考虑未来气候降雨周期性变化特征，考虑水库的调节、河道外工农业用水和河道断面生态流量要求，计算干支流控制断面未来径流系列变化过程。 依据近期下垫面代表时段（1980 年以来）实测水沙资料，建立河口镇以上、河龙区间、汾河、渭河、北洛河等区域径流量与输沙量的关系（见表2），采用干支流控制断面未来径流系列，计算得到近期下垫面条件下黄河四站（龙门、华县、河津、头，下同）多年平均输沙量为9.5 亿t。 目前黄河流域水土保持率为66%（水土流失治理达到微度的面积占区域面积的比例），2035 年将达70%，预计2050 年后达到阈值，稳定在73%左右。 按2000 年以来水土保持率的增长率和期间坡面措施年均减沙量，预估未来新增的水土保持工程减沙量年均1.5 亿t 左右，则设计水平年黄河年均来沙量为8 亿t 左右。

表2 主要控制站（区间）径流量与输沙量的关系

3.2 成因分析法预测成果

3.3 未来黄河仍会出现大水大沙年份

水土保持措施标准不高，在降雨强度不大条件下起到较好的减水减沙作用，但遇大暴雨时减水减沙作用将显著降低，甚至出现水毁增沙。 表3 为无定河流域历史上与“20170726”暴雨洪水相似降雨（50 mm 笼罩面积、场次雨量基本相同，降雨中心均位于黄土丘陵沟壑区）的产洪产沙量，由表3 可以看出，虽然不同时期流域水土流失治理程度有一定差别，但是同一来源区的高强度降雨的产洪产沙水平仍基本接近。 由此可以判断，未来只要黄河流域发生类似的大范围、高强度、长历时降雨，黄河仍会出现大水大沙年份。 现状下垫面条件下，若重现1933 年大暴雨，潼关站场次沙量可能达到17 亿t。

表3 无定河流域典型暴雨产洪产沙量统计

3.4 沙量预测成果综合分析

1）已有水沙变化研究预测成果。 现有成果对未来30～50 a 黄河来沙量的预测结果大致在3 亿～10 亿t，沙量预测成果存在一定差异。

2）黄土高原自然侵蚀背景值研究成果。 认识历史上人类活动影响较小时期黄土高原侵蚀产沙量，对预估今后水土保持作用下的黄河来沙量具有重要参考意义。 景可等［15-16］利用黄河下游河道淤积特性、河口地区泥沙沉积比等资料，估算全新世中期（距今3 000～6 000 a）黄土高原自然侵蚀量约为9.75 亿t；李元芳［17］依据史书记载、淤积物特性、14C 测年值等，估算黄河流域年均产沙量6.5 亿t 左右。 吴祥定［18］认为秦至西汉时期（距今2 000 余a）黄土高原自然侵蚀背景值为年均6.5 亿～10.0 亿t。 朱照宇等［19］根据现代河流沉积物的粒度组成、河流输沙量、径流量和年降水量等数据建立了各指标的回归方程，提出在环境稳定时期（距今2 000～4 000 a）自然侵蚀量为8.6 亿～11.1 亿t。 师长兴等［20］基于华北平原93 个钻孔中淤积物数据，结合182 组放射性同位素14C 测年数据，提出距今2 000余a 人类活动影响较小时期黄河上中游年来沙量6.2 亿t。 可见，黄土高原自然侵蚀背景值为6 亿～11 亿t，即历史上人类活动影响较小时期黄河年均来沙量为6 亿～11 亿t。

3）沙量预测的不确定因素。 黄河水沙年际变化大，一般枯水枯沙与丰水丰沙交替出现，丰枯段周期长短不一。 如黄河干流陕县水文站在人类活动影响较小的20 世纪50 年代以前出现了1922—1932 年枯水枯沙时段，年均沙量为11.4 亿t，其中1928 年沙量仅为4.8 亿t，随后1933 年出现特大暴雨洪水，年沙量高达39 亿t。 随着全球气候变暖，极端暴雨出现概率增大，面对高强度大暴雨，林草、梯田等坡面措施的减沙作用会显著降低，并且林草植被一旦破坏，恢复周期内将失去蓄水保土能力。 水库、淤地坝淤满后将失去拦沙作用，淤地坝遭遇超设计标准的暴雨洪水时，还有可能水毁增沙。 三门峡水利枢纽工程就是设计时对水土保持减沙前景估计过于乐观，导致水库运用4 a 之后335 m高程以下库容淤积损失近半，严重威胁关中地区以西安为中心的工农业基地安全，工程被迫改建，对泥沙问题估计不足教训惨痛。

4）设计沙量推荐。 未来沙量是黄河治理与保护的重要基础数据，江河治理规划、重大战略工程建设要着眼于黄河长治久安、永续利用，时间尺度应在百年以上，对未来沙量预测应慎重决策、留有余地。 综合以上分析，依据《工程泥沙设计标准》《水利水电工程水文计算规范》，考虑已有的水沙研究预测成果、黄土高原侵蚀背景值以及黄河沙量变化的周期性和不确定性，从工程设计安全出发，重大治黄战略工程设计黄河四站年均来沙量宜采用8 亿t，以来沙量6 亿t 开展工程建设方案敏感性分析。

4 结论

1）2000 年以来黄河实测水沙量显著减少，但黄河水沙异源、水沙关系不协调的特性未发生改变，且汛期有利于输沙的大流量历时和水量大幅度减少，水流输沙能力减弱，在不考虑小浪底水库拦沙的情况下，下游河道仍呈现淤积状态。

2）气候降雨变化和人类活动是近期水沙变化的主要影响因素。 水利水保工程的大量建设，显著减少了入黄泥沙，而降雨强度降低、过程均匀化也是近期沙量减少的重要原因。

3）保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计，未来沙量是黄河治理与保护的重要基础数据，江河治理规划、重大战略工程建设要着眼于黄河长治久安、永续利用，时间尺度应在百年以上，对未来沙量预测应慎重决策、留有余地。 综合黄河历史沙量演变规律及已有研究成果，考虑黄河沙量变化的周期性和不确定性，从工程设计安全出发，重大治黄战略工程设计黄河四站年均来沙量宜采用8 亿t，以来沙量6 亿t 开展工程建设方案敏感性分析。