黃河泥沙人黃的機理及過程探討

張金良

摘要：黃河是世界上輸沙量最大、含沙量最高的河流。近年來，受人類活動和降雨變化的影響，入黃泥沙量減少明顯，潼關水文站實測年輸沙量由1919-1960年的平均15.9億t減少至2000-2015年的平均2.5億t，減幅為84%。入黃泥沙的變化受到各方關注，并開展了大量的研究，然而由于研究采用的資料和方法不同，因此研究成果差別較大，對引起入黃泥沙減少的主要原因及未來變化趨勢尚未形成統一認識。分析了流域主要產沙區的侵蝕產沙主要機理和泥沙入黃過程，提出泥沙入黃是水力侵蝕、重力侵蝕與河道水流輸沙共同作用的結果；針對防治水土流失的“三道防線”，從攔減黃土高原入黃泥沙的整體與部分關系出發，探討了當前各項水保措施的作用，估算出的來沙水平與《黃河流域綜合規劃》（2012-2030年）提出的正常降雨條件下未來水平年的多年平均年輸沙量基本相當。為滿足黃河長治久安的需求，降低工程泥沙設計風險，工程設計來沙量應考慮一定富余度。

關鍵詞：水土保持；下墊面；水力侵蝕；重力侵蝕；侵蝕產沙；輸沙量；黃河

1研究背景

1.1實測水沙變化情況

黃河是舉世聞名的多沙河流，水少沙多、水沙關系不協調是黃河區別于其他江河的基本特征，也是黃河復雜難治的癥結所在。黃河中游的潼關水文站控制了黃河90%的流域面積、90%的徑流量和幾乎全部的泥沙，分析潼關水文站不同時期水沙量變化（見表1）可以看出，20世紀60年代以來，受氣候變化和人類活動的影響，黃河徑流量、輸沙量呈減少趨勢。進入21世紀以來，黃河徑流量、輸沙量減少尤其明顯，潼關水文站（1960年以前用陜縣站數據代替）實測年均徑流量和輸沙量分別由1919-1959年的426.14億m3、15.9億t減少至2000-2015年的230.60億m3、2.5億t，減幅分別為46%、84%。黃河水沙變化尤其是泥沙量的變化引起了國內外有關專家的高度關注。黃河水沙變化不僅影響到黃河沖積性河道的沖淤發展趨勢，而且關系到重大治黃規劃的實施、治黃戰略的確定以及重大水利樞紐工程的布局和建設時機等。

1.2黃河水沙變化研究成果

黃河水沙變化直接關系到治黃戰略布局，影響深遠，相關部門開展了大量研究。第一期、第二期黃河水沙變化基金、國家自然科學基金課題“黃河流域侵蝕產沙規律及水保減沙效益分析”、黃河流域水土保持科研基金課題“黃河中游多沙粗沙區水土保持減水減沙效益及水沙變化趨勢研究”，以及國家“八五”重點科技攻關項目專題“多沙粗沙區水沙變化原因及發展趨勢預測”、黃委黃河上中游管理局“八五”重點課題“黃河中游河口鎮至龍門區問水土保持措施減水減沙效益研究”、“十一五”國家科技支撐計劃項目課題“黃河流域水沙變化情勢評價研究”、“十二五”國家科技支撐計劃項目課題“黃河中游來沙銳減主要驅動力及人為調控效應研究”等，采用不同時期的水文氣象、水利水保等資料，分析了相應時期的黃河水沙變化特征，采用“水文法”和“水保法”等技術手段，結合氣象、遙感、GIS等學科和理論，研究了氣候變化和人類活動等因素對黃河水沙變化的影響程度，分析預測了未來水沙變化趨勢。但是，由于研究采用的資料和方法不同，因此研究成果差別較大，未能形成對入黃泥沙量變化的統一認識。另外，以往對黃河泥沙變化的研究多側重于坡面、溝道侵蝕產沙過程，對產沙入溝或入河后發生的河流輸沙過程考慮較少，導致無法深入區分“產沙”和“輸沙”的概念差異。

2侵蝕產沙的主要機理

侵蝕產沙主要是指地表物質（包括成土母質）在侵蝕營力作用下所發生的分散及相對初始位置的移動。根據侵蝕力的不同，可分為水力侵蝕、風力侵蝕、重力侵蝕和凍融侵蝕4種類型。黃河流域主要產沙區的產沙方式包括風力侵蝕、水力侵蝕和重力侵蝕，其中風力侵蝕產生的入黃泥沙占比較小，成因復雜多樣，一般不作為研究重點。因此，本文主要分析黃河流域主要產沙區的水力侵蝕和重力侵蝕兩種產沙方式。

2.1水力侵蝕

水力侵蝕是指水流在位能差異控制下，以地面的水流為動力沖走土壤產生的侵蝕作用，也稱為水蝕，是全球分布最為廣泛的侵蝕產沙類型。坡面在雨滴擊濺、地表徑流沖刷和下滲水分作用下，土壤、土壤母質及其他地面組成物質被破壞、剝蝕、搬運和沉積，形成土壤侵蝕，且受到地形、植被和土壤表面特征等多種因素的影響。水力侵蝕的物理過程可以解釋為：當雨滴沖擊力超過土壤表面抗沖擊力，或流水產生的剪切力超過土壤抗侵蝕的力時，坡面地表就會產生土壤顆粒分離，分離后的土壤顆粒被雨滴擊濺和地表漫流運移。

水力侵蝕是黃河流域主要產沙區分布最廣泛、最重要的土壤侵蝕方式。除了部分沙丘沙地區和植被茂密的山區外，幾乎在所有降雨及產生地表徑流的地區都可以見到水力侵蝕。即便是在局部干旱區域，夏季暴雨產生的侵蝕也是塑造地面的重要侵蝕方式之一。從成因上看，黃河流域黃土高原地區大部分地面起伏較大，植被覆蓋率較低，組成物質較為松散，暴雨多發，是水力侵蝕廣泛分布的主要原因。水力侵蝕范圍約占黃土高原總面積的74%，而由水力侵蝕產生的輸沙量占黃土高原總輸沙量的60%-80%。依據水力侵蝕的發展過程和特點，可將其分為面狀侵觸、線狀侵蝕（水溝侵蝕）、泥流和潛蝕等。其中：泥流常發生在紅黏土與黃土接觸面上有地下水出露的地帶：潛蝕是黃土和黃土狀土特有的侵蝕方式，是導致溝頭迅速前進、谷坡擴展和梯田地埂被破壞的重要方式。

2.2重力侵蝕

重力侵蝕是指在重力作用下，斜坡陡壁上的不穩定土石巖體分散或整塊向下移動，形成沙量，一般在35°以上的坡面都有可能發生。按其發展過程、侵蝕特點，又可分為滑坡、崩塌、滑塌和瀉溜等侵蝕方式。受特定的自然地理條件和人類活動影響，黃土高原地區地面起伏不平，多溝谷斜坡，黃土等松散物質較多，因此坡面重力侵蝕十分活躍，崩塌、滑塌、滑坡、瀉溜、泥石流等現象處處可見，是流域侵蝕產沙的主要方式之一，見圖1。在重力侵蝕中，滑坡侵蝕較為常見，一些較大的滑坡一次就可以移動土體數萬立方米；瀉溜侵蝕分布也較為廣泛，在30°以上的由松散物質組成的坡面上有可能發生，雖然侵蝕強度不大，但是分布廣泛且幾乎終年不止，因此侵蝕總量不可忽視。

影響黃土高原地區重力侵蝕過程的主要因素為地形、地表物質組成、植被、氣候和人類活動等。其中：①地形對重力侵蝕的最大影響因子為坡度。坡度極大地影響著坡面土體的穩定狀態，控制著重力侵蝕的多種方式：②黃土高原最為重要的地表組成物質是各個時期形成的黃土，黃土分布廣泛（尤以馬蘭黃土分布最廣），厚度大，質地疏松，抗侵蝕能力弱，這是黃土高原土壤侵蝕強烈的內在原因；③植被對重力侵蝕的影響非常顯著，天然植物的根劈作用在植被蓋度小的情況下往往可誘發或加強重力侵蝕，只有在植被覆蓋較好且坡度不大的緩坡上，植被才可有效控制小型重力侵蝕的產生：④氣候對重力侵蝕的主要影響因子為降水，降水徑流對斜坡坡腳的淘蝕引起或加劇重力侵蝕，降水增加斜坡巖土的含水量，降低斜坡穩定程度，往往可直接誘發滑坡和崩塌，降水徑流沖刷坡面、溝床的松散巖土，形成泥流或泥石流，溝谷降水徑流搬走重力侵蝕產生的堆積物，為重力侵蝕繼續發生提供了必要條件：⑤黃土高原地區人類活動對土壤侵蝕過程的影響是巨大的，這種影響分為正面和負面兩方面，對植被的嚴重破壞是人類活動產生的最大負面影響，其他負面作用主要表現為邊坡的不合理開挖、棄土和礦渣的任意堆放、礦山的地下采空、排水措施的不完善等，造成巖土松動，降低巖土強度，破壞坡面的穩定性，導致滑坡、崩塌、滑塌等重力侵蝕過程發生，比較典型的如窟野河流域等。

3泥沙人黃的主要過程

黃河流域主要產沙區實際侵蝕產沙過程是由水力侵蝕和重力侵蝕相互疊加共同作用而成的。水力侵蝕會誘發或者加劇重力侵蝕，重力侵蝕又可為水力侵蝕帶來松散的侵蝕沙源。

由侵蝕產沙的機理分析可見，影響產沙的主要因素包括氣候、地形、地表物質組成、植被和人類活動等，除植被可以通過水保措施進行控制外，其他主要影響因素在歷史長時期內不會發生較大變化，尤其是降雨因素，雖然與人類活動和植被因素存在互饋作用，但其會基本維持自身的周期性或趨勢性等自然變化特征，不會發生較大的氣候背景變化。因此，可以認為黃河流域主要產沙區的產沙能力在歷史長時期內不會發生變化，只要降雨條件滿足侵蝕產沙要求，就會發生侵蝕產沙。當降雨形成的水流條件不足，水流中的泥沙含量超過水流能攜帶的泥沙量時，泥沙顆粒就會停滯于坡面或者溝道，發生局部堆積，等待較大的水流輸移；當降雨形成的水流條件足夠時，產生的泥沙就會隨水流匯入河道，進入泥沙入黃的下一環節，即河道水流輸沙過程。因此，產沙與輸沙概念并不一致，產沙是持續的、相對永久的，而輸沙則需要適當的水流條件。由此也引出了在坡面產輸沙方面對“零存整取”概念的新詮釋，即對于特定的產沙區，存在一定的降雨閾值（一般認為黃河流域主要產沙區該閾值為日降雨量25mm），當降雨量小于該閾值時，侵蝕產生的沙量不斷滯存于坡面或局部溝道內，入黃沙量很小；當降雨量滿足該閾值要求時，產沙可以向輸沙轉化，將長期累積“零存”的沙量大規模地輸送入黃。這與許炯心_6]的研究結論互相印證，其根據研究區域內的資料分析認為：當年降水量小于300 mm時，降雨侵蝕力很小且基本上不隨年降水量的變化而變化；當年降水量超過300 mm時，降雨侵蝕力隨年降水量的增大而迅速增大；當年降水量大于530 mm時，降雨侵蝕力隨年降水量增大而增大的趨勢更加明顯。

汾川河新市河站和禿尾河高家川站歷年實測水沙量變化過程見圖2、圖3。由圖2、圖3可以看出，在實測水沙關系基本不變的情況下，汾川河和禿尾河的實測沙量在經歷一定時期的沙量較小年份后，每隔若干年在降雨量足夠大時便會出現大沙年份（如汾川河1971年、1989年和2013年）。

經過坡面匯流輸沙后，泥沙進入河道，此時泥沙輸移符合河流泥沙動力學理論，由水流挾沙力控制。在一定的水流和泥沙綜合條件下，水流含沙量超過臨界含沙量（即挾沙力）時，水流處于超飽和狀態，河床將發生淤積；當小于臨界含沙量時，水流處于次飽和狀態，水流將向河床尋求補給，帶動河床“零存”淤積的泥沙，河床發生沖刷，在河道內發生“零存整取”。從黃河支流最后一級溝道到黃河一級支流入黃口，可以認為是n級河道的銜接，河道比降從第n級到第1級（黃河一級支流末端）逐漸減小，水流挾沙力逐漸減弱。由于黃土高原巨厚層黃土的存在和支流河道比降依次減小的特性，因此從第n級河道開始，為水流飽和輸沙提供了充足的泥沙來源。從這一特性來講，坡面侵蝕輸向河道（溝道）的泥沙僅占入黃泥沙的一小部分。當從第1級到第n級河道內淤積有較多泥沙或河道（溝道）處于黃土區時，入黃泥沙量與坡面侵蝕量并不會呈緊密相關的關系。

4黃河多年平均來沙水平分析

4.1水保措施的作用分析

4.1.1水保“三道防線”

治黃工作者針對黃河流域主要產沙區的泥沙入黃問題，開展了大量的水土保持治理工作，其中最重要的工作即構建了黃河流域主要產沙區的林草、梯田和淤地壩等水保“三道防線”。據《人民治理黃河70年水土保持效益分析》，截至2015年年底，黃河流域水土保持措施累計保存面積21.84萬km2，其中梯田5.50萬km2、造林10.76萬km2、種草2.14萬km2、封禁3.44萬km2；建設淤地壩5.84萬座，其中骨干壩5 834座。目前的初步治理面積約占水土流失總面積的50%。

4.1.2水保措施的作用分析

入黃泥沙減少主要緣由是水保措施，且水保措施對入黃泥沙的減控作用將會持續下去。實際上，水保“三道防線”在黃河流域水土保持治理中發揮了巨大的作用，但其作用是有限的。

（1）淤地壩。根據《水土保持綜合治理技術規范溝壑治理技術》（GB/T 16453.3-2008），小型淤地壩的單壩集水面積在1 km2以下，中型淤地壩為1～3 km2，大型淤地壩為3～5 km2。按照骨干壩單壩控制面積為4 km2、中小型淤地壩單壩控制面積為1 km2推算，目前淤地壩總控制面積為7，56萬km2，僅占黃河流域水土流失總面積46，5萬km2的16%。實際上，骨干壩的淤積年限一般為10-20 a，中小型淤地壩一般為5～10 a，很多淤地壩建設時間較早，部分攔沙庫容已經淤滿，失去攔沙功能。同時，淤地壩設計防洪標準較低（骨干壩、中型壩、小型壩的設計防洪標準分別為30-50、20-30、20 a一遇暴雨洪水），一旦發生超設計標準的暴雨洪水，就可能導致淤地壩垮塌，發生將攔淤的泥沙再次輸送入河的情況。

（2）梯田。梯田總面積為5.5萬km2，按照其本身面積的1.2倍來計算其控制產沙區的面積，其可發揮攔沙作用的總控制面積僅為6.6萬km2，占流域水土流失總面積的14%。梯田發揮攔沙作用主要依靠梯田的人工田埂對泥沙實現攔截。根據《水土保持綜合治理技術規范坡耕地治理技術》（GB/T 16453.1-2008）的要求，梯田邊應有蓄水田埂，埂高0.3-0.5 m，頂寬0.3-0.5 m。然而，很多梯田首次規范修建時留下的田埂，在經過幾次后續翻地耕種后，已經不復存在，基本失去了泥沙攔截功能（已多次在黃土高原地區考察中得到證實）。

（3）林草。從淤地壩和梯田的控制面積來推算，在假設淤地壩和梯田全部發揮作用且攔沙能力無限的前提下，總控制面積占黃河流域水土流失面積的30%，剩余的水土流失面積需要依靠林草發揮減沙作用。受資料和技術條件等因素限制，無法真正意義上獲得林草的實際減沙作用，但可以通過與1922-1933年的植被定性對比來明確現狀黃土高原地區植被的減沙作用，1922-1933年人類活動對植被破壞較少，植被覆蓋率應好于現狀下墊面，但在1933年高強度降雨條件下，陜縣水文站出現了39.1億t的歷史罕見沙量。再如林草植被較好的汾川河，2012年植被覆蓋率在85%以上，然而當遭遇2013年高強度降雨后，汾川河控制站——新市河水文站實測輸沙量達到1 600萬t，為建站以來的最大值。由此可見，林草植被對于中等強度以下降雨的減沙作用明顯，對大暴雨尤其是對大雨量、高強度暴雨的減沙作用會明顯降低。

4.2來沙水平估算

由上述侵蝕產沙的主要機理以及泥沙入黃的主要過程可以看出，“侵蝕產沙”和“河道輸沙”并不是相同的概念，水力侵蝕或者重力侵蝕產生的沙量在水動力不足的情況下，在坡面、溝道或者河道堆積，當遇水動力條件適合的大水年份則會產生超飽和輸沙，導致出現大輸沙量。收集黃河中游河龍區間（河口鎮-龍門區間）降雨摘錄數據，統計不同時期降雨強度（見表2）可以看出，黃河流域近期降雨條件尤其是降雨強度較小，導致未發生全流域大輸沙量現象。但是，降雨是呈現周期性變化的，未來發生大水大沙年份的可能性在逐漸增大。

在估算黃河來沙水平尤其是在進行工程輸沙量設計時，既要豐平枯兼顧，又要考慮產沙和輸沙不一致出現的大輸沙量風險，亦即在系列中包含大輸沙量的年份。按照《水利工程水利計算規范》（SL104-2015）的規定，設計工程壩（站）址年月（旬日）水位、流量及泥沙資料應不少于30 a系列。鑒于黃河的特殊性和復雜性，可以考慮按照50 a系列長度取值，按其估算的沙量將會更大。為更加貼近現狀來沙水平，在進行黃河來沙水平估算時，仍采用最短30 a的系列資料并考慮加入包含大輸沙量年份的資料，按如下方式進行估算：①1922-1932年天然時期枯水年段+1933年輸沙量（考慮近期水保作用，取85%輸沙量水平）；②從1934年開始按照30 a滑動選取1934-1963年+1933年輸沙量（考慮近期水保作用，取70%輸沙量水平）、1964-1993年+1933年輸沙量（考慮近期水保作用，取85%輸沙量水平）等兩個年段；③選取最近30 a時段1986-2015年+1933年輸沙量+年均采砂量。對于第③種方法，應注意到，由于社會經濟發展需要，黃河主要干支流的采砂活動頻繁且日益增多，對黃河來沙水平的影響已經達到不可忽視的地步，因此在近期系列中應加以考慮。根據徐建華等的估算，黃河上中游潼關以上2000-2012年平均年采砂量為1.13億-1.73億t，其中2012年采砂量為1.93億-2.95億t。綜合考慮種種因素，黃河來沙水平估算結果與《黃河流域綜合規劃》（2012-2030年）提出的“正常降雨條件下現狀、2020年水平四站（龍門、華縣、河津、漱頭）年均輸沙量分別為11.5億～12.5億t、10.5億～11.0億t……正常降雨條件下2030年水平四站多年平均年輸沙量為9.5億-10.0億t”基本相當。

綜合而言，黃河流域水保措施對于低強度降雨可以發揮一定作用，但這種作用是有限的。水保措施只是對產輸沙環節進行控制，其攔減的沙量并不等同于入黃泥沙。另外，受氣候變化影響，極端降雨事件頻發，必將為流域產輸沙提供條件，增大泥沙入黃的風險。

5結語

（1）受氣候變化和人類活動的影響，黃河徑流量和輸沙量均呈減少趨勢。進入21世紀以來，黃河徑流量和輸沙量明顯減少，潼關水文站實測年均徑流量和輸沙量由1919-1959年的426.14億m3、15.9億t減小至2000-2015年的230.60億m3、2.5億t，減幅分別為46%、84%。黃河水沙變化不僅影響到黃河沖積性河道的沖淤發展趨勢，而且關系到重大治黃規劃的實施、治黃戰略的確定以及重大水利樞紐工程的布局和建設時機等。

（2）黃河流域主要產沙區的侵蝕產沙方式包括風力侵蝕、水力侵蝕和重力侵蝕，以水力侵蝕和重力侵蝕為主。水力侵蝕范圍約占黃土高原總面積的74%，由水力侵蝕產生的輸沙量占總輸沙量的60%～80%。實際產沙過程中，重力侵蝕與水力侵蝕相互疊加耦合，為入黃泥沙提供侵蝕沙源。

（3）產沙與輸沙概念并不相同，產沙是持續的、相對永久的，而輸沙則需要適當的水流條件。由此引出了在坡面產輸沙方面對“零存整取”概念的新詮釋。對于特定的產沙區，存在一定的降雨閾值，當降雨量小于該閾值時，侵蝕產生的沙量不斷滯存于坡面或者局部溝道內，入黃沙量很小；當降雨量不小于該閾值時，產沙可以向輸沙轉化，將長期累積“零存”的沙量大規模地輸送入黃。

（4）從淤地壩和梯田的控制面積來推算，它們的總控制面積僅占黃河流域水土流失面積的30%，剩余的水土流失面積需要依靠林草來保護。但是，通過與1922-1933年的植被覆蓋情況進行定性對比，發現植被對泥沙的攔減作用是有限的。

（5）本文的黃河來沙水平估算結果與《黃河流域綜合規劃》（2012-2030年）提出的正常降雨條件下未來水平年的多年平均年輸沙量基本相當。綜合考慮人類對流域下墊面影響的程度及可持續性問題，結合洪水泥沙特性，從水文水沙系列的選取原則出發，為降低工程泥沙設計風險，在用于黃河長治久安的工程建設時，工程設計來沙量應考慮一定富余度。

黃河的治理開發事關國民經濟大局，事關黃淮海平原的長治久安，應充分認識到人類活動對黃河長時期來水來沙影響的復雜性，采取更為審慎客觀的態度開展深入研究，以期為重大治黃工程的實施提供決策支持。