黃河流域水沙變化機理與趨勢預測

胡春宏

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

黃河是中華民族的母親河，其以水少沙多，含沙量高而著稱。自20世紀80年代中期以來，受水利水保工程等人類活動和氣候暖干化等氣候因素影響，黃河流域水沙情勢發(fā)生巨大變化，潼關站年輸沙量由1919—1959年16億t減少至2010年以來1億t左右，減少約94%。黃河水沙情勢劇變，已嚴重影響黃河規(guī)劃與治理的科學參照依據(jù)，直接影響黃河水沙調控體系布局、南水北調西線規(guī)劃、下游寬灘區(qū)治理方向等未來治黃方略的制定。“黃河寧、天下平”，從古至今，黃河治理都是治國安邦的大事。近年來，黃河水沙變化如此之大、如此之快，演變機理是什么，未來趨勢如何，黃河治理開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃決策是否隨之重大調整，成為了新時期黃河治理亟需回答的重大科技問題。

1 項目重大意義

黃河作為世界第五大長河，我國第二大河，自西向東流經9省區(qū)，以占全國2%的河川徑流量，承擔全國15%的耕地面積和12%的人口供水重任，為國家的經濟建設、糧食安全、能源安全、生態(tài)改善等做出了突出的貢獻，肩負著實現(xiàn)中國夢的黃河擔當。目前，由于黃河水沙量明顯減少，水沙關系發(fā)生重大變化，黃河下游河槽嚴重萎縮、河道排洪輸沙能力降低等新問題十分突出，嚴重威脅流域防洪安全，極大限制了區(qū)域經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

（1）開展黃河流域水沙變化機理與趨勢預測研究是科學治黃的前提與基礎，研究成果對新時期治黃策略制定具有重大理論指導意義。科學認知水沙變化機理并預測未來水沙變化趨勢成為新時期國家提升治黃水平與科學制定治黃策略的重大技術需求。面對國家需求，項目將緊密圍繞“黃河水沙未來如何變化以及如何治理”的關鍵核心問題開展聯(lián)合攻關，以產匯流機制變化、水沙非線性關系、水沙—地貌—生態(tài)多過程耦合效應等關鍵機理問題為突破口，探討黃河水沙變化原因、預測未來常態(tài)水沙情勢，提出黃河水沙變化調控閾值與應對策略。相關研究成果將為黃河規(guī)劃與治理實踐提供重要依據(jù)，對未來人民治黃實踐，推動母親河健康可持續(xù)發(fā)展具有重大理論指導意義。

（2）黃河流域水沙變化機理與趨勢預測研究以提升治黃科技水平為目標，旨在推動治黃多學科交叉融合發(fā)展。項目將系統(tǒng)揭示黃河水沙演變規(guī)律及特征，辨析氣候變化與人類活動對水沙銳減影響機制，突破主控因子個體效應與群體效應關系的認識瓶頸，實現(xiàn)模型方法的原理統(tǒng)一與升級換代。創(chuàng)新性提出流域水沙趨勢集合評估技術，為準確預測黃河未來水沙情勢提供技術保障。相關研究成果的提出，將進一步鞏固我國泥沙科學水平的世界領先地位，同時，力爭使我國在流域水沙動力學模擬與預測、流域水沙調控理論與應用領域取得國際領跑地位，實現(xiàn)河流動力學與水土保持學等多學科的交叉融合研究，推動治黃學科建設新發(fā)展。

2 項目總體目標

氣候變化和強人類活動影響下的江河水沙變化，是全球泥沙研究的前沿和難點。當前，國外流域水文過程研究重水輕沙，國內侵蝕研究坡面多溝道少；而流域水沙研究小尺度多，中大尺度流域少，且缺乏多尺度聯(lián)合研究。黃河水沙作為一個動態(tài)變化系統(tǒng)，不同研究方法下各因素對黃河水沙變化影響程度以及對水沙變化趨勢預測研究結果的置信度等尚缺乏科學可行的評估方法，使得黃河水沙變化成因尚未達成共識，黃河水沙變化認知及未來預測成為世界難題，諸多科學問題亟待進一步研究解決。

圍繞以上問題，本項目以科技助力黃河健康可持續(xù)發(fā)展為總目標，基于黃河流域氣象—水文泥沙—下墊面—社會經濟等基礎數(shù)據(jù)庫與共享平臺構建，結合野外定點觀測及室內控制模擬實驗等多種方法手段，揭示黃河流域重點水土流失區(qū)多時空尺度的產匯流和產輸沙機制，量化不同區(qū)域水沙變化主要影響因素的貢獻率，預測未來30～50年水沙變化趨勢，建立黃河流域水沙調控的閾值體系，提出黃河未來治理策略，為國家新時期治黃策略制定提供助力并不斷推進治黃事業(yè)新發(fā)展。

3 主要研究內容

黃河流域水沙變化機理與趨勢預測項目研究團隊由中國水利水電科學研究院、清華大學等來自水利部、教育部、中國科學院、中國氣象局等所屬18家單位的138名科研人員組成。研究團隊學科交叉、優(yōu)勢互補，在流域侵蝕產沙、水沙輸移演變、水沙預測模型研發(fā)以及河道治理等方面積累了豐富經驗。

項目將圍繞黃河水沙情勢劇變成因與黃河治理中的重大科學技術問題，基于黃河水沙基礎數(shù)據(jù)倉庫及共享平臺構建，按照“過程與機理—模型與預測—評價與對策”的總體技術思路，開展以下五方面研究：①分析黃河流域水沙多時空演變及分異特征，揭示多因素變化下流域水沙產輸變化規(guī)律，明確風沙入黃、支流淤積和河道采砂對黃河泥沙的影響。②辨析植被、梯田、壩庫工程對流域徑流和產沙的耦合效應，確定降雨、坡面與溝道等措施對入黃水沙的貢獻率。③識別降雨和下墊面等多因子對徑流過程的影響機制，研發(fā)多因子耦合驅動的流域水循環(huán)分布式模型；構建流域泥沙動力學過程模型；預測黃河流域未來30～50年降雨、徑流和泥沙過程。④分析黃河與其它河流水沙變化特征及演變機制異同性，對比黃河水沙變化不同分析方法及其結果，研發(fā)預測結果的集合評估技術，評估未來30～50年黃河水沙變化趨勢，確定其置信度。⑤研究維持黃河流域健康的水沙調控閾值，提出黃土高原生態(tài)治理策略與黃河防洪減淤和水沙調控策略，提出黃河下游寬河段治理方向。

4 項目預期效益

黃河流域水沙變化機理與趨勢預測研究著力從多尺度流域泥沙動力學過程模擬、多因子耦合驅動的流域水循環(huán)分布式模擬、黃河水沙變化研究成果置信度集合評估以及維持黃河流域健康的水沙調控閾值判定等方面取得創(chuàng)新性成果，相關研究成果一方面可有力推動治黃多學科融合發(fā)展、不斷提升治黃科技水平，相關技術方法可以在其他流域推廣應用；另一方面，通過提高黃河水沙綜合管理的水平，為黃河下游河床穩(wěn)定和堤防建設，黃河下游人民群眾的生命財產安全和供水安全，以及黃河流域生態(tài)文明建設、一帶一路戰(zhàn)略實施、國家扶貧攻堅戰(zhàn)等國家重大戰(zhàn)略實施提供有力的技術支撐，在促進區(qū)域地方社會經濟發(fā)展、保障水沙資源合理配置，改善生態(tài)環(huán)境等方面效益巨大。

圖1 項目技術路線圖