黃河潼關水文站年輸沙量變化與水土保持影響研究

中圖分類號：S157 文獻標識碼：A DOI：10. 3969/j. issn. 1000-0941. 2025. 08. 009引用格式：.黃河潼關水文站年輸沙量變化與水土保持影響研究[J].中國水土保持，2025（8）：38-42.

黃河潼關水文站（以下簡稱“潼關站”）位于陜西省渭南市潼關縣秦東鎮。天然條件下潼關站多年平均輸沙量為16億t。20世紀80年代以來，潼關站實測年輸沙量持續減少，引起了各方關注。對于減少的原因，公認有兩大影響因子，一是降雨，二是水土保持。然而，這兩個因子對年輸沙量減少的影響孰大孰小，減沙數量如何，眾說紛紜。筆者曾采用統計學方法，綜合降雨和水土保持因子，研究了黃河中游黃土高原地區、黃河河龍（河口鎮—龍門）區間和無定河流域的減沙機理。基于上述研究成果，本研究選擇黃河潼關站以上區域作為研究區，對1955—2023年潼關站年輸沙量的變化進行探討，以期為黃河流域生態保護和高質量發展提供參考。

1 研究資料

1. 1 研究區概況

黃河潼關站控制面積68.22萬 km² ，占黃河流域總面積（79.47萬 km² ）的 85.84% 。以黃河潼關站以上區域為研究區，區域內包括了黃河16億t泥沙的全部來源區。黃河潼關站位置見圖1。

1.2 黃河中游水土保持工作

長期以來，國家高度重視黃河流域黃土高原地區的水土保持工作。早在1955年7月召開的第一屆全國人民代表大會第二次會議上，時任中華人民共和國國務院副總理鄧子恢代表國務院向大會作了《關于根治黃河水害和開發黃河水利的綜合規劃的報告》，提出在甘肅、陜西、山西三省和其他黃土區域開展大規模的水土保持工作，治理水土流失，減少黃河泥沙，實現\"遠山高山森林山，近山低山花果山；平川修成米糧川，干溝打壩聚湫灘;坡洼地里種牧草，山腰緩坡修梯田”的愿景。之后，作為國家發展戰略的重要組成，黃河流域黃土高原地區水土保持工作得到了有力實施。根據黃河水利委員會黃河上中游管理局（以下簡稱“上中游局”）公布的數據，改革開放40多a來，黃河流域黃土高原地區年度水土流失治理面積整體呈增長趨勢，平均每年開展治理面積約1萬 km² ，據上中游局核實，平均每年實際保存面積 6000km² 左右（見表1）。截至2023年，黃河潼關站以上區域水土保持措施保存面積超過30 萬 km² 。

圖1潼關站位置示意

表1不同時期公布的水土保持措施保存面積

注：2005年數據包括潼關到河南花園口區間和山東省黃河流域治理面積約1萬 km² 。

1.3黃河潼關站年輸沙量

黃河潼關站自1919 年建站觀測至今已有 105a 。1919—2023年黃河潼關站年輸沙量見圖2。

圖2 1919—2023年黃河潼關站年輸沙量

黃河流域黃土高原地區是黃河泥沙的主要來源區[1-2]。隨著黃河流域黃土高原地區水土保持措施的持續增加，黃河泥沙持續波動減少。20世紀80年代以來，黃河流域生態環境持續向好，年輸沙量作為生態環境變化的重要指標，持續波動下降。進入21世紀，黃河潼關站年輸沙量均小于10億t，據水利部黃河水利委員會官網發布的《黃河泥沙公報（2023）》，2023年黃河潼關站年輸沙量僅0.953億t，1952—2020 年多年平均值不到10億t（9.21億t），遠低于歷史上的16億t[1-5]

1.4河龍區間年降雨量變化

降雨是產生水土流失的原動力。天然狀態下，河流泥沙量與降雨量密切相關。分析1954—2023年河龍區間年降雨量（見圖3）可知，其總體上呈現年際間波動、長期平穩的狀態

2 研究方法

2.1 計算原理

2.1. 1 水土保持減沙原理

水土保持改善生態環境、減少河流泥沙的基本原理是通過有意識地改變環境因子，減少外力破壞，提高降雨的入滲和攔蓄，增強土體抵抗力，從而控制水土流失，保護和合理利用水土資源。具體來說，水土保持工作主要是通過坡改梯、建設淤地壩、整地造林、撫育幼林、發展經濟林，以及監測生產建設項目的生產建設活動等，來糾正人為活動影響下水土保持狀態的偏差和紊亂。

黃河流域黃土高原地區的水土保持措施主要包括造林、種草、修地、打壩，以及建設谷坊、澇池等。各項措施均具有保持水土的功效，且通過具體的試驗觀測可以獲得其保持水土的效果。但是無論小流域或者大流域，各項水土保持措施的數量和組合都錯綜復雜，其保持水土、減少河流泥沙的效果不是各單項治理措施保持水土效果的簡單疊加，而是需要根據收集的多年治理措施數據與河流泥沙等進行統計分析，才能得出整個流域內水土保持綜合治理措施的減沙效果[6]

2.1.2 分析計算方法

河流年輸沙量主要受降雨和下墊面變化的影響。在各種已知和未知因素的作用下，年輸沙量的變化具有明顯的必然性和偶然性，遵循統計學規律。因此，需要采用符合客觀規律的計算方法來分析變化原因、模擬變化過程、認識變化規律、預測變化趨勢，進而評價水土保持技術措施的宏觀減沙效益。

將黃河潼關站年輸沙量的產生與變化過程視為一個灰箱或者黑箱，采用逐步回歸分析方法，篩選具有物理成因概念的解釋因子（自變量），進行計算處理，獲得符合水文學和水土保持學基本原理、仿真模擬效果好的“數字孿生”計算結果，研究水土保持技術措施影響黃河年輸沙量變化的數量和機理。

研究表明，輸沙量與降雨量之間、輸沙量與水土保持措施面積之間均表現為非線性相關關系。受各種因素的影響，在宏觀層面，這種非線性關系可能十分復雜，為了符合降雨產沙和水土保持措施減沙的基本原理，主要以非線性回歸計算結果進行分析討論[7-8] 。

2.2 研究時段

由于黃河流域系統地設站觀測河流泥沙和降雨狀況開始于1955年前后，同期各項水土保持技術措施也投入實施，因此本研究設計的研究時段為1955—2023年共 69a 。研究時段包括了1970年以前的多沙時段和20世紀80年代以后的泥沙銳減時段。

3 結果與分析

3.1 1955—1970年年輸沙量變化

一般認為在20世紀70年代以前，黃河輸沙量處于天然階段，在該時段（1955—1970年），黃河中游水土保持措施零散、低質，且面積僅2萬 km² 左右，不足當時該區域水土流失面積（43萬 km² ）的 5%^[9] 。該時段，黃河潼關站多年平均輸沙量為16億t，因此劃分出此時段，作為天然狀態黃河潼關站年輸沙量的代表。

在該時段，雖然開展了水土流失治理，但是由于總體規模小且分散，水土保持的生態效益，包括減少黃河泥沙的作用，被“湮沒”在劇烈的水土流失中，沒有體現出來，因此該時段的黃河潼關站年輸沙量模型僅用“河龍區間7—8月降雨量”1個因子就可以精細“表達”（見圖4），模型的相關系數為0.8872（顯著性水平 α=0.001 ），調整后的決定系數為0.7719，表明計算結果\"解釋”了超過 77% 的年輸沙量變化。年均輸沙量計算值為16.0232億t，實測值為16.0231億t。此結果與筆者在《20世紀中期以來不同時段黃河年輸沙量對水土保持的響應》中1954—1966年黃河年輸沙量的分析結果基本相同。

3.2 1971—1987年年輸沙量變化分析

1971—1987年研究區水土保持措施面積有所增加，水土保持減沙效果得以體現。該時段前10a的年均輸沙量超過11億t，其中有兩個年份年輸沙量超過16億t，之后的1980一1987年，年均輸沙量降至7億 t[10-11]O

經計算，該時段年輸沙量回歸模型由“河龍區間

6—9月降雨量”和“水土保持措施面積”兩個自變量組成。該回歸模型的相關系數為0.9127（顯著性水平 α=0.001 ），調整后的決定系數為0.8092，表明該回歸模型“解釋”了該時段約 81% 的年輸沙量變化（見圖5）。其中，1977年輸沙量計算值與實測值相差近9億t，分析其原因，主要是1977年發生的兩場暴雨損毀了數萬座淤地壩，致使多年攔淤的泥沙沖入黃河[]而這部分非降雨直接產生的偶發泥沙不能被回歸模型\"解釋”。

該時段，“河龍區間6—9月降雨量”因子在逐步回歸計算中第一個進入回歸模型，且該因子的標準化回歸系數為0.6785，略大于“水土保持措施面積”因子（絕對值為0.5422）。這一結果表明，該時段降雨因子仍主導著黃河潼關站年輸沙量的變化。

圖41955—1970年黃河潼關站年輸沙量實測值與計算值比較

圖51971—1987年黃河潼關站年輸沙量實測值與計算值比較

3.3 1988—2023年年輸沙量變化分析

20世紀80年代以后，黃河流域黃土高原地區水土流失治理進入規模化的持續發展階段，治理措施面積大幅增加，各項治理措施質量顯著提高，黃河潼關站年輸沙量呈現持續波動遞減趨勢，在1988—2023年的36a中，僅有3個年份的年輸沙量超過10億t，進入21世紀后年均輸沙量僅2.34億t，近10a（2014—2023年）年均輸沙量更是減少到1.61億 t ，僅為天然狀態下黃河（潼關站）年輸沙量的約 10% 。

該時段，年輸沙量統計模型由“河龍區間年降雨量”和“水土保持措施面積”兩個自變量組成。該回歸模型的相關系數為0.8456（顯著性水平 α=0.001 ），調整后的決定系數為0.6977，表明該回歸模型“解釋”了該時段近 70% 的年輸沙量變化（見圖6）。

經過進一步的計算分析，“水土保持措施面積”標準化回歸系數的絕對值為0.9175，“河龍區間年降雨量\"標準化回歸系數為0.2064，二者相差較大，說明該時段“水土保持措施面積”因子對潼關站年輸沙量的影響明顯大于“河龍區間年降雨量”因子，“水土保持措施面積”是潼關站年輸沙量減少的主導因子。

（a）計算值與實測值逐年比較

圖61988—2023年黃河潼關站年輸沙量實測值與計算值比較

3.4水土保持減沙量分析

以天然狀態下年輸沙量16億t為參照，對1971—2023年回歸模型進行分析，計算該時段歷年水土保持減沙量，結果見圖7。從圖7可知，該時段水土保持年減沙量持續增加，1973年為-2.64億t，2014年以來一直在14億t以上，2019年以來更是超過14.5億t，2014—2023年年均減沙量為14.64億t。

圖71971—2023年回歸模型計算的水土保持措施年減沙量（以16億t為基準）

觀察圖7可知，2006年以來水土保持年減沙量持續增加，年際間波動趨緩，說明年減沙量的穩定性有所提高。對該現象做進一步的統計分析，將1971—2023年分成6個時段（1971—1979年、1980—1988年、1989—1997年、1998—2006年、2007—2015年、2016—2023年），分別計算各時段年均減沙量的變異系數，結果見圖8。從圖8可知，6個時段年均減沙量的變異系數持續減小，減沙量趨于穩定。

圖81971—2023年6個時段年均減沙量變異系數

3.5水土保持減沙趨勢分析

“減沙”作為水土保持措施“投入”的“產出”，在年減沙量不斷增加的同時，年減沙量增量逐漸平穩，呈現“報酬遞減”趨勢。從投入產出模型和水土保持減沙實踐可以看出，水土保持效果和減沙效益隨水土保持措施面積增加呈S形變化趨勢。AI計算結果顯示，1971—2023年這53a的年減沙量變化趨勢可以用Logistics回歸模型很好地擬合（見圖9），決定系數為0.9032，說明模型解釋了 90.32% 的數據變異

圖91971—2023年年減沙量AI擬合結果

分析Logistics回歸模型擬合結果，其增長速率參數為0.1490，說明增長速率適中；曲線呈現典型的S形增長特征，符合Logistics增長規律;曲線的拐點出現在1984年，反映了水土保持年減沙量早期（1971—1980年）增長較慢，中期（1980—1990 年）快速增長，后期（1990年后）增速放緩。

4結論

1）統計分析結果表明，用1955—1970年、1971—1987年、1987—2023年3個時段的回歸模型對黃河潼關站年輸沙量進行“素描”，經檢驗，相關系數的顯著性達到了 α=0.001 水平，說明回歸模型具有較高的仿真度，實測值與計算值之間具有“數字孿生”的“模樣”。

2）水土保持措施的實施大幅度減少了黃河潼關站年輸沙量。計算結果顯示，在20世紀70年代以前，水土保持措施面積小、質量低，其減沙效果被“湮沒”在劇烈波動的年輸沙量變化中，沒有進入回歸模型；20世紀70年代以后，水土保持措施面積持續增加，水土保持因子進入回歸模型，但其對黃河年輸沙量的影響略小于降雨因子；1988年以后，水土保持措施逐漸形成規模，攔蓄泥沙能力顯著提高，水土保持因子成為黃河年輸沙量減少的主要因子

3）水土保持“鈍化”了降雨產沙能力。分析結果表明，在降雨量數值和年際變化不顯著的條件下，水土保持年減沙量的波動幅度存在減小的趨勢，說明水土保持“鈍化”了降雨產沙的特性，水土保持措施面積增加和質量提高穩定了黃河年輸沙量，減小了輸沙量的年際變化。

4）綜上所述，黃河流域各項水土保持措施的實施顯著減少了黃河泥沙，且效果趨于穩定。但由于水土保持植物、工程措施都具有一定的有效年限（植物有生長壽命，工程會老化破損），因此今后在開展新的治理項目時，必須對現存的各項措施進行鞏固提高、提質增效，才能更好地鞏固水土保持減沙效果，實現黃河流域生態保護和高質量發展的目標。

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（責任編輯 李楊楊）