黄河重大水利工程设计沙量论证.pdf

收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；中国保护黄河基金会资助项目（，）作者简介：张建（），男，陕西泾阳人，正高级工程师，主要从事工程泥沙和水利规划工作：【水文泥沙】黄河重大水利工程设计沙量论证张 建，万占伟，陈松伟，（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州；水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州）摘 要：为科学预判黄河未来来沙量，支撑黄河治理开发与重大工程建设论证，在分析近期水沙变化特征和水沙变化原因的基础上，采用水文法、成因分析法对黄河未来沙量进行预估，认为黄河近期实测沙量明显减少，同时有利于输沙的大流量历时和水量大幅度减少，水流输沙动力大大减弱，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。分析认为近期沙量减少的主要影响因素是水利水保工程大量建设和降雨强度降低，二者的作用分别占 和。从黄河治理开发与重大战略工程建设角度，综合考虑已有研究成果及预测的不确定性，提出黄河重大水利工程论证应采用未来年均入黄沙量为 亿 左右。关键词：水沙变化；气候降雨；人类活动；水土保持；影响因素；黄河流域中图分类号：；文献标志码：引用格式：张建，万占伟，陈松伟黄河重大水利工程设计沙量论证人民黄河，（）：，（，；，（），）：，：；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 年的 亿 减少至 年的 亿。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。姚文艺等认为与 年相比，年黄河中游产沙量减少 亿，降雨因素占，水利水保措施作用占，并预测 年、年黄河年均来沙量分别为 亿 亿 和 亿 亿。刘晓燕提出 年黄河流域下垫面因素减沙量为 亿 亿，主要产沙区年均雨量和雨强与 年相当，预测在 年下垫面和 年平均降雨量情况下，潼关年均输沙量为 亿。年黄河水利委员会组织开展的“黄河水沙变化研究”提出 年黄河总减沙量为 亿，其中降雨因素约占，人类活动因素约占，预估在黄河古贤水库投入运用后，未来 黄河潼关站年均输沙量 亿 亿，未来 年均输沙量 亿 第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，亿。胡春宏预计未来 ，潼关站年均沙量将稳定在 亿 左右。王光谦等认为潼关站输沙量 年左右达到最低点，未来 、年均输沙量分别为 亿、亿、亿。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。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。年黄河干流潼关站实测多年平均径流量 亿、输沙量 亿，平均含沙量 。世纪 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。）实测水沙量明显减少。潼关站 年年均水沙量分别为 亿、亿，较 年分别减少 和。河口镇至龙门区间（河龙区间）水沙量减少幅度分别为、，主要产沙区用于输沙的水量大幅度减少。）干流径流量年内分配发生变化，汛期比例减小。年以前，干流头道拐、龙门、潼关站汛期来水量的比例分别为、。受水库调蓄和工农业用水影响，年以来，头道拐、龙门、潼关站汛期来水量的比例下降为 左右。）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 、的平均历时由 年以前的年均、分别减少到 年以来的年均、，相应水量由年均 亿、亿减少到 亿、亿，水流输沙动力大大减弱。）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 的水量仍来自于河口镇以上、的沙量仍来自河口镇至潼关区间。年以来黄河水沙量均有所减少，但潼关站汛期含沙量仍为 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。近期水沙变化原因 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采用水文法，利用黄河流域水文设计成果修订提出的黄河主要控制站近期下垫面天然径流量，提出 年黄河总减沙量 亿，其中：降雨因素减沙 亿，约占；人类活动减沙 亿，约占。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 年不同时段年降水量、月降水量以及不同强度降水量变化（见表），可以看出，年河龙区间年均降水量与 年相当，但主汛期 月降水量较 年减少，其中雨强大于 的降水量减少，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 不同时段河龙区间年均降水量统计时段不同时段降水量 全年主汛期不同雨强降水量亿 不同时段天然径流量 亿 全年 主汛期 年 年 年 年 年 年 水利水保工程大量建设，显著减少了入黄泥沙截至 年，黄河流域水土保持措施累计面积约 万，建设淤地坝 万余座，其中骨干坝约 座。经分析，水利水保工程年均减少入黄泥沙亿，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、和。高健翎等提出，年水土保持工程年均减少入黄泥沙 亿。李景宗等认为 年潼关以上淤地坝年均拦沙减蚀量为亿，其中年均拦沙量 亿，年均减蚀量 亿，对该时段泥沙减少的贡献率为。刘晓燕认为，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 年的实际减沙量为 亿 亿，其中林草梯田等年均减沙 亿 亿，水库和淤地坝拦沙以及灌溉引沙实际拦（引）沙 亿，其中水库年均拦沙量亿。人 民 黄 河 年第 期另外，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。未来沙量预测 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。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 和图）可以看出，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 河龙区间汛期实测径流量与输沙量的关系图 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（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），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 亿。目前黄河流域水土保持率为（水土流失治理达到微度的面积占区域面积的比例），年将达，预计 年后达到阈值，稳定在 左右。按 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 亿 左右，则设计水平年黄河年均来沙量为 亿 左右。表 主要控制站（区间）径流量与输沙量的关系控制站（区间）关系式决定系数 河口镇以上汛 非河龙区间汛 泾河张家山站 汾河河津站 北洛河刘家河站、头站刘 刘 渭河北道站、咸阳站北 咸 北 注：、分别为汛期 月水量、汛期 月水量和非汛期 月水量，、汛、非分别为年沙量、汛期沙量和非汛期沙量，刘、北、咸分别为北洛河刘家河站、北洛河头站、渭河北道站、渭河咸阳站年沙量。成因分析法预测成果 年现状龙门、河津、头、张家山、咸阳五站实测年均沙量为 亿。考虑未来水库拦沙、河道采砂的不可持续性以及气候降雨因素变化的周期性，将这部分减沙量（采用“古贤水利枢纽可行性研究水沙专题”提出的水库拦沙 亿、淤地坝拦沙亿、降雨减沙 亿）进行还原，预估多年平均降雨情况下现状黄河年均来沙量约为 亿（即使不考虑降雨减沙，现状黄河年均来沙量仍达 亿）。考虑未来水土保持措施新增减沙量 亿，得到未来黄河年均来沙量约为 亿。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 为无定河流域历史上与“”暴雨洪水相似降雨（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 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、高强人 民 黄 河 年第 期度、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 年大暴雨，潼关站场次沙量可能达到 亿。表 无定河流域典型暴雨产洪产沙量统计洪号场次雨量 以上降雨笼罩面积 万洪峰（）洪量亿 沙量亿 沙量预测成果综合分析）已有水沙变化研究预测成果。现有成果对未来 黄河来沙量的预测结果大致在 亿 亿，沙量预测成果存在一定差异。）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 ）黄土高原自然侵蚀量约为 亿；李元芳依据史书记载、淤积物特性、测年值等，估算黄河流域年均产沙量 亿 左右。吴祥定认为秦至西汉时期（距今 余）黄土高原自然侵蚀背景值为年均 亿 亿。朱照宇等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 ）自然侵蚀量为 亿 亿。师长兴等基于华北平原 个钻孔中淤积物数据，结合 组放射性同位素 测年数据，提出距今 余 人类活动影响较小时期黄河上中游年来沙量 亿。可见，黄土高原自然侵蚀背景值为 亿 亿，即历史上人类活动影响较小时期黄河年均来沙量为 亿 亿。）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 世纪 年代以前出现了 年枯水枯沙时段，年均沙量为 亿，其中 年沙量仅为 亿，随后 年出现特大暴雨洪水，年沙量高达 亿。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 之后 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。）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 亿，以来沙量 亿 开展工程建设方案敏感性分析。结论）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。）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。）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 亿，以来沙量 亿 开展工程建设方案敏感性分析。参考文献：姚文艺，徐建华，冉大川，等黄河流域水沙变化情势分析与评价郑州：黄河水利出版社，：刘晓燕黄河近年水沙锐减成因北京：科学出版社，：水利部黄河水利委员会，中国水利水电科学研究院黄河水沙变化研究 郑州：水利部黄河水利委员会，：胡春宏黄河水沙变化与治理方略研究水力发电学报，（）：王光谦，钟德钰，吴保生黄河泥沙未来变化趋势中国水利，（）：，（下转第 页）人 民 黄 河 年第 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人民黄河，（）：，徐建华，高亚军，李晓宇用水泥产量估算黄河上中游河道采砂量人民黄河，（）：，姚文艺，冉大川，陈江南黄河流域近期水沙变化及其趋势预测水科学进展，（）：黄河水利委员会黄河流域综合规划（年）郑州：黄河水利出版社，：景可，陈永宗黄土高原侵蚀环境与侵蚀速率的初步研究地理研究，（）：叶青超黄河流域环境演变与水沙运行规律研究济南：山东科学技术出版社，：李元芳从古黄河三角洲探讨黄土高原自然侵蚀背景值 中国地理学会地貌与第四纪专业委员会地貌环境发展北京：中国环境出版社，：吴祥定历史上黄河中游土壤侵蚀自然背景值的推估人民黄河，（）：，朱照宇，周厚云，谢久兵，等黄土高原全新世以来土壤侵蚀强度的定量分析初探水土保持学报，（）：，师长兴，徐加强，郭立鹏，等近 年来黄河下游沉积量和上中游产沙量变化过程第四纪研究，（）：【责任编辑 张 帅】人 民 黄 河 年第 期