黄河中游多沙粗沙区水土保持减沙的近期趋势及其成因
来源： 水土保持生态环境建设网 上传日期:2018-07-23 打印本文章 【字体】 大 中 小许炯心
（中国科学院地理科学与资源研究所）
摘要
本文以1950—1997年的长系列水文资料和面雨量资料，分析了黄河中游河口镇至龙门区间年输沙量和年雨量的时间变化趋势，发现在1970年以来多沙粗沙区入黄泥沙量减少的总体背景之上，出现了1986—1997年间入黄泥沙量增加的近期趋势。这一增加趋势，与20世纪80年代以后淤地坝修建量大为减少，70年代修建的筑地坝与拦沙库已大部失效有密切关系。此外，90年代人为增沙量大幅度增加，已占水土保持减沙量的22%左右，部分抵消了水土保持措施的减沙效益，这也是90年代入黄泥沙增加的重要原因。文中并提出了若干对策建议。
关键词：水土保持水沙变化 黄河中游
黄河中游多沙粗沙是黄河流域的主要产沙区。如以河口镇至龙门区间（以下简称河龙区间）代表这一地区，则其面积仅占全流域的14.8%，1950—1989年间的实测年沙量为9.08亿t/a，占全河的55.7%。就对于黄河下游河道淤积影响最大的粗颗粒泥沙即大于0.05mm的泥沙而言，来自该区的粗泥沙占全河粗泥沙来量的73%[1]。因此，自从20世纪50年代末以来，国家一直将这一地区作为黄河流域水土流失的重点治理区，40余年来取得了十分显著的成效，来自多沙粗沙区的入黄泥沙量大幅度减少。但是，我们在充分认识黄河中游多沙粗沙区水土保持减沙的成绩及其对这一地区农业生产、生态环境建设乃至整个国民经济的战略性作用的同时，也要充分认识水土保持的长期性，艰巨性和复杂性，因为这一地区位于由干旱向半干旱—半湿润气候的过渡区，生态环境十分脆弱，人类活动对环境的压力很大且日益增加。为此，我们应该深入分析这一地区水土保持减沙的现状和趋势，发现深层次的问题，为进一步提高黄土高原水土保持减沙的有效性和可持续性，提供决策依据。
1． 河中游河口镇至龙门区间水土保持减沙趋势
1．1 降水量和入黄泥沙量的时间变化分析
为了揭示河龙区间入黄泥沙量的变化趋势，我们在图1中点绘了河龙区间入黄泥沙量（以龙门站年沙量与河口镇站年沙量之差代表）的历年变化。为了便于比较，图中也点绘了河龙区间面平均雨量的历年变化。可以看到，从1950年至1997年，河龙区间的入黄沙量呈明显的减少趋势，但具体而言，可以用3条直线来拟合。1970年以前，点子上下波动很大，但总体上并无明显的单向变化趋势。1970年至1986年，拟合直线的斜率很大，入黄泥沙量迅速减少，且年际间的波动幅度也减小。然而，值得注意的是，从1986年以来，拟合直线呈明显的上升趋势，说明入黄泥沙量有所增加。这一现象是值得人们充分注意的。
图1 河龙区间入黄泥沙量（以龙门站年沙量与河镇站年沙量之差代表）与面雨量的历年变化 a. 实际值 b.标准化后
Fig.1 Temporal variation in the sediment produced from and the areal-averaged precipitation over the Hekouzhen-Longmen area of the middle Yellow River, based on actual (a) and standarderized (b) values
图1中叠加的年降水量变化曲线表明，1950—1997年间河龙区间的年降水量呈减少的趋势，说明降水特别是汛期降水的减少，是河龙区间入黄泥沙量减少的原因之一。值得注意的是，如果将降水曲线与沙量曲线比较，则可以发现，从1970年以来，降水在总体上是减少的，看不出从1970年至1986年减少而从1986年至1997年增加的趋势。如果按年代计算沙量和降水量，则可以指出，20世纪80年代的平均沙量为3.72亿t/a，90年代（1990—1997）增加为5.08亿t/a，而80年代的年降水量平均为412.1mm，90年代为411.2mm，基本上持平。90年代以来多沙粗沙区入黄泥沙量明显增加是值得人们充分注意的。
由于图1中降水量和入黄沙量的单位不一样，不能对于二者的变化斜率进行直接的比较。为此，我们对于数据进行了标准化，换算为0至1之间，将其历年变化点绘在图1b中，
可以分别用下列直线来拟合：
P = -0.0031T + 6.6579
Qs = -0.0034T + 6.8997
式中P为年降水，Qs为沙量，T为年份。可以看到，总体上降水曲线的斜率为-0.0031，沙量曲线的斜率为-0.0034，后者大于前者。如果分段考虑，则1970—1986年间，沙量曲线的斜率远大于降水曲线，说明水土保持措施是使入黄泥沙减少的重要因素。然而，1986年以后，入黄泥沙曲线的斜率变为正值，而降水曲线的斜率仍为负值。还可以看出，进行数据标准化以后，1986—1997年间入黄泥沙量的增加更为触目。
1．2 年沙量与年雨量关系分析
为了进一步对于80年代和90年代进行比较，我们在图2中点绘了河龙区间的入黄泥沙量与年降水量的关系，并以不同的符号区分不同时段的数据。图中还给出了不同时期的拟合直线，并且计算出了回归方程式。可以看到，代表大规模水土保持开展以前的基准期的1950—1969年间的回归线位置最高。1970—1979年间的回归线有所下降，但年沙量与年降水量之间的相关系数较低，说明二者的关系正在进行剧烈的调整。80年代的拟合直线向下方大幅度移动，说明在相同降雨条件下，入黄泥沙大幅度减少，水土保持已显著生效。80年代回归线延长后与基准期回归线有一交点，与之对应的年降水量为580mm左右，超过此点后，80年代回归点即高于基准线，说明雨量很大时（通常是特大暴雨发生年份），减沙效益仍然十分有限。
值得注意的是，1990—1997年间的回归直线与基准期1950—1969年间的直线几乎重合（图2b），说明这一阶段中同雨量条件下的入黄泥沙量也基本相同，意味着水土保持的减沙效益明显衰减。
图2c中对于1980年—1989年和1990—1997年间的入黄泥沙量一年雨量关系进行了比较。可以看到，90年代的回归直线位于80年代直线的上方，说明在相同的降雨条件下，入黄泥沙明显增大。进一步分析还表明，80年代的点子与90年代的点子可以用一条直线分开，90年代的点子除1990年外，均位于该直线以上，而80年代的点子除1989年外，均位于该直线以下。
图2河龙区间的入黄泥沙量与年降水量的关系
a. 1950-1997
b. 1950-1969, 1990-1997
c. 1980-1989,1990-1997
Fig.2 Relationships between the sediment supplied to the Yellow River and annual precipitation
a.1950-1997
b.1950-1969, 1990-1997
c.1980-1989,1990-1997
在本文以下各节中，我们将对河龙区间20世纪90年代减沙效益衰减的原因进行分析，并提出对策建议。
2． 河口镇至龙门区间90年代泥沙增多的原因分析
2． 1地坝减沙作用衰减
黄河流域的水土保持措施包括梯田、造林、种草和淤地坝等数种，减沙效益取决于这些措施的综合作用，而减沙效益的持久程度则取决于各项措施的可持续性。
图3a中依据第二期黄河水沙变化研究基金成果点绘了各年代以来各项水土保持措施的保存面积随年代的变化[2]。可以看到，从70年代以来，造林、梯田的面积增加十分迅速，淤地坝形成的坝地面积的增加速率却十分缓慢，增幅呈递减趋势。从1969年至1979年，坝地增加量为2.4万hm2/a；从1979年至1989年，增量为1.7万hm2/a；从1989年至1996年，增量仅为1.2万hm2/a。图3b中以第二期黄河水沙变化研究基金的研究成果中提供的数据[2]，点绘了各年代淤地坝减沙量的变化。可以看到，70年代中游地坝减沙达到高峰，此后则不断衰减，成为制约多沙粗沙区水土保持减沙效益持续发挥的重要因素。
图3 河龙区间各年代以来各项水土保持措施的保存面积随年代的变化（a）和淤地坝减沙量的变化(b)
Fig.3 The decade variations in the areas of erosion control measures (a) and in the sediment trapped by the checkdams (b)
以往各家的研究成果都表明，在各项水土保持措施中，对减少入黄泥沙的贡献率最大的是淤地坝拦沙。依据黄河水利科学研究院1999年6月关于黄河中游水土保持减水减沙作用分析的成果[3]，我们在图4中点绘了不同措施的减沙量和对水土保持减沙量的贡献率（以各措施减沙量占4项水土保持措施减沙量之总和的百分比来表示），并且在80年代和90年代之间进行了比较。可以看出，淤地坝对于入黄泥沙减少的贡献率远远高于其他措施，80年代高达90.7%，90年代有所下降，但仍占70.8%，造林的贡献率居第二位，梯田的贡献率居第三位，种草的贡献率最小。就各措施的减沙量而言，从80年代到90年代有所变化，淤地坝拦沙量由0.97亿t/a下降为0.695亿t/a；造林减少量由70年代的0.046亿t/a，增加为0.171亿t/a，增加的百分比很大，但绝对数量仍较小。因此，淤地坝拦沙的减少不足以为其他措施减沙量的增加所抵消，与80年代相比，90年代的水土保持措施合计减沙量由1.07亿t/a减少为0.981亿t/a。
图4 河龙区间不同措施的减沙量(a)和对水土保持减沙量的贡献率(b)
Fig.4 Sediment reduction by different erosion control measures (a) and their contributions to sediment reduction (b) of the Yellow River
陕西省水土保持局1993年曾对陕北淤地坝的数量和质量进行过系统的调查研究。依据所获数据，我们将陕北淤地坝数量的变化点绘在图5a中。可以看到，从50年代至70年代，陕北大、中小型淤地坝数量都迅速增多，70年代达到最高峰。从70年代到80年代，除兴修了93座骨干坝以外，新修淤地坝数量锐减。淤地坝的拦沙效益是随时间而衰减的，其拦沙寿命仅为10年左右。70年代大量修建的淤地坝，70年代和80年代发挥了巨大效益。然而，由于80年代中修建的淤地坝甚少，70年代所建的淤地坝，到90年代初库容淤损率达77%，大部分已被淤满或成为病险坝，其拦沙有效性已大部分消失，无法再发挥拦沙效益，故90年代淤地坝拦沙量大幅度减少。从图5b中可以看出，除了大型骨干坝质量完好以外，其余坝型的质量状况是十分令人担忧的。病坝、险坝和病险坝的总数达到75.8%，完好坝不足四分之一。修建淤地坝较多的子洲县，1977年前建有淤地坝2007座，到1993年仅存968座；1994年8月的暴雨又破坏了其中的821座，使全县可以发挥良好拦沙效益的淤地坝所剩无几[3]。在这场暴雨中，无定河流域发生了3次洪水，冲毁淤地坝3432座，水库8座，共产沙1.47亿t，较80年代白家川水文站汛期平均沙量增加1亿t以上，使该年白家川站汛期沙量高达2.034亿t。在特大暴雨中淤地坝大量被洪水冲毁，还会使前期拦蓄的泥沙中，有一部分被“释放”，使产沙量大幅度增加，1994年无定河洪水即是一例。
图5陕北淤地坝数量的变化(a)和质量状况（b）
Fig.5 Temporal variation in the numbers of all types of checkdams (a) and their quality at present (b)
2． 2 人为增沙
人为增沙量是指人类活动所引起的土壤和地表物质流失量，如陡坡开荒、毁林开荒、开矿、修路、建房等等。人为增沙量在50年代至70年代，主要表现为毁林开荒；80年代至90年代，则主要表现为开矿、修路等大规模基本建设。据调查[2]，由于开发煤田，晋陕晋接壤区弃土弃渣6300万m3，开发初期10年，来自该区的入黄泥沙以每年31%的速度递增。晋陕蒙接壤区因开矿直接破坏植被482.3km2，弃土弃渣3774.4万m3。
黄河水沙变化基金第二期研究中，曾对人为增沙量进行了估算[7]，依据所获成果，我们在图7 中点绘了人为增沙量及人为增沙量与水土保持减沙量之比（以百分比计）的时间变化。可以看到，从70年代以来，人为增沙量和和人为增沙与水土保持减沙之比值均呈增加趋势。在90年代中，人类增沙已相当于水土保持减沙量的22%，即将近22%的水土保持减沙效益已被人为增沙所抵消。这不能不引起人们的高度重视。
图5 人为增沙量及人为增沙量与水土保持减沙量之比（以百分比计）的时间变化（人为增沙量数据据文献[7]，水土保持减沙量数据据文献[8]
Fig.5 The sediment yield increased by human activities such as road construction, coal mining, house building (a) and its ratio to the sediment reduction by erosion control measures (b)
3． 结论与对策建议
本文以1950—1997年的长系列水文资料和面雨量资料，分析了黄河中游河口镇至龙门区间年输沙量和年雨量的时间变化趋势，发现在1970年以来多沙粗沙区入黄泥沙量减少的总体背景之上，还叠加着1986—1997年间入黄泥沙量增加的近期趋势；与此同时，降水量并未增加。80年代和90年代（1990—1997年），河龙区间年降水量分别为412.1mm和411.2mm，基本上持平，而入黄泥沙量却分别为3.722亿t/a和5.081亿t/a，90年代入黄泥沙具有明显的增加趋势。这一增加趋势，与80年代以后淤地坝修建量大为减少，70年代修建的淤地坝与拦沙库已大部失效有密切关系。由于淤地坝拦沙对于入黄泥沙减少的贡献率高达70—90%，目前其他措施的贡献率较小，故淤地坝、拦沙库减沙作用的衰减，是90年代入黄泥沙量增加的主要因素。此外，90年代人为增沙量大幅度增加，已占水土保持减沙量的22%左右，部分抵消了水土保持措施的减沙效益，也是90年代入黄泥沙增加的重要原因。
基于本文的研究成果，我们提出如下对策建议：
3．1 重视淤地坝的后续建设，实现其拦沙作用的可持续性
淤地坝的减沙效益是依赖于时间，随时间而衰减的，故就单个淤地坝而言，其拦沙效益是不可持续的。针对这一特点，应该不断进行后续淤地坝的建设，以空间上的可持续性来弥补单个淤地坝时间上的不可持续性。应该进行完善的规划，以骨干坝为重点，大、中、小配套，形成完整的体系；一次规划，分期实施，在前一期淤地坝最佳拦沙期尚未过去时，即着手下一期淤地坝的施工，以实现“接力式”的、可持续的拦沙效益。要高度重视淤地坝的施工质量与后期保护，延长其使用寿命。目前陕北一些地方所实行的淤地坝使用权拍卖的做法，对于实现淤地坝的有效管护，起到了良好作用，应予以推广。
3．2 造林种草不能代替淤地坝拦沙
黄土高原水土流失治理是一项长期、艰巨的任务，有赖于各项措施的综合配套。从80年代到90年代，造林面积增加很快，造林的减沙效益迅速增加。随着西部大开发的实施，在黄土高原生态环境建设中退耕还林还草已大规模开展，林草的措施受到前所未有的重视。与此同时，淤地坝的建设却受到不同程度的忽视。由于黄土高原自然地理条件和土壤侵蚀过程的特殊性，林草措施不能代替淤地坝的拦沙作用。因为在这一地区，以重力侵蚀为主导的沟谷侵蚀所产生的泥沙量占总量的53.6%—93.2%，而坡面侵蚀仅占总侵蚀量的6.8%—46.4%，即以沟谷侵蚀为主[4]。目前，尚无经济可行的直接措施去控制沟谷重力侵蚀的发生，在很大程度上只能以淤地坝拦截沟谷侵蚀产生的泥沙。
很显然，如果只强调坡面林草、梯田措施，最多只能控制入黄泥沙量的一半，这是远远不够的，故在当前的西部大开发中退耕还林还草的同时，必须高度重视淤地坝的建设[5]，在经费投入上予以保证，使之产生可持续的拦沙效益。沟道工程措施与坡面植物措施的有机结合与合理配套，是黄土高原水土保持的必由之路。
3．3 新增水土流失不容忽视
20世纪80年代到90年代，人为新增水土流失呈急剧增大态势。随着西部大开发的实施，基本建设的规模增大，势必加剧人为水土流失。为此，必须严格执行水土保持法，强化监督预防，尽量减少和避免西部大开发基建工程的人为水土流失，使经济建设与生态环境协调发展。因为西部大开发的主要目标之一，正是搞好西部的生态环境建设，而生态环境建设的中心环节则是搞好水土保持。
参考文献
[1] 叶青超（主编）. 黄河流域环境演变与水沙运行规律[M]. 济南：山东科技出版社，1994年.
[2] 冉大川等. 黄河中游河口镇至龙门区间水土保持与水沙变化[M]. 郑州：黄河水利出版社，2000年.
[3] 张胜利等. 黄河中游水土保持减水减沙作用分析[R].黄河水利科学研究院研究报告（ZX-9908-18）,1999年.
[4] 张胜利等. 黄河中游多沙粗沙区1994年暴雨后水利水土保持工程作用和问题的调查报告[R]. 黄河水利委员会中游调查组，1994.
[5] 唐克丽（主编）. 黄土高原地区土壤侵蚀区域特征及其防治途径[M]. 北京：中国科学技术出版社，1990.
[6] 许炯心. 黄土高原生态环境建设的若干问题与研究需求，水土保持研究[J]，2000，7( 2): 10-13.
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[8] 冉大川, 柳林旺, 赵力仪, 等. 河龙区间水土保持措施减水减沙作用分析[A]. 见：汪岗, 范昭（主编），黄河水沙变化研究[C]，第二卷，黄河水利出版社，2002，198-260.
RECENT TENDENCY OF SEDIMENT REDUCTION IN THE MIDDLE YELLOW RIVER AND SOME COUNTERMEASURES
Xu Jiongxin
(Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract
Based on the hydrometric and rainfall data in the period 1950-1997, this study deals with the temporal variation in sediment yield and precipitation in the drainage area fbetween Hekouzhen and Longmen, the coarse sediment producing area in the middle Yellow River. An increase in sediment yield in recent years from 1986 to 1997 has been found which is superposed on the long-term tendency since the 1970s. This can be related to the fact that most of the chekdams built in the 1970s and 1980s have been filled up and are no longer effective for sediment trapping. After 1980, few new checkdams have been built, and thus the sediment supplied to the Yellow River increases. Another cause for the recent increase in sediment yield is that the enhanced human activities such as road construction, coal mining, house building has increased erosion significantly. The increase of sediment thereby amounts to 22% of the sediment reduction by erosion control measures, partly offsetting the benefit induced by the latter. Some counter measures are suggested for sustainable sediment reduction in the Yellow River basin.
Keywords: Soil and Water conservation, Water and sediment change, The middle Yellow River
本工作为国家自然科学基金与黄河水利委员会联合资助的重点项目（50239080）和国家重点基础研究发展规划项目（编号：G1999043604）项目成果。
作者简介：许炯心（1948-），男，研究员，博士生导师。从事河流地貌研究工作。共发表论文140余篇，出版专著4部（含合著）。
E-mail：xujx@igsnrr.ac.cn
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