胡春宏　張治昊　張曉明

摘要：推進(jìn)黃河流域系統(tǒng)治理與黃河水沙協(xié)同調(diào)控是確保黃河長(zhǎng)久安瀾的關(guān)鍵。因受氣候、生態(tài)、地形地貌和強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)等多系統(tǒng)耦合影響，約束黃河水沙整體行為的分系統(tǒng)協(xié)調(diào)以及各單系統(tǒng)水沙關(guān)系協(xié)調(diào)的表征指標(biāo)篩選及其閾值確定，一直是治黃實(shí)踐的難題。基于維持黃河全流域水沙平衡，構(gòu)建了黃土高原-干流河道-河口水沙協(xié)同調(diào)控三級(jí)指標(biāo)閾值體系，包括1個(gè)一級(jí)指標(biāo)、8個(gè)二級(jí)指標(biāo)和20個(gè)三級(jí)指標(biāo)。結(jié)果表明：① 流域侵蝕防控指標(biāo)閾值體系中，60%的林草梯田覆蓋率下可致產(chǎn)沙的次降水量閾值為57 mm;可基本遏制流域產(chǎn)沙的林草有效覆蓋率和梯田比閾值分別為60%和40%;淤地壩攔沙減蝕閾值為三級(jí)溝道控制率40%～50%。② 河道水沙調(diào)控指標(biāo)閾值體系中，近期寧蒙河段平灘流量閾值約為2 000 m³/s，遠(yuǎn)期黑山峽水庫(kù)建成后寧蒙河段平灘流量閾值約為2 500 m³/s;近期潼關(guān)高程調(diào)控閾值約為328 m，遠(yuǎn)期古賢水庫(kù)建成后潼關(guān)高程可沖刷下降至326 m左右;下游河道平灘流量閾值約為4 000 m³/s。③ 考慮黃河三角洲淤蝕動(dòng)態(tài)平衡，河口穩(wěn)定沙量閾值約為2.6億t/a。

關(guān)鍵詞：水沙關(guān)系;流域水沙平衡;水沙調(diào)控;閾值體系;黃河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：TV143；P333.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）05-0647-13

黃河水少沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，是黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)所在。黃河水沙調(diào)控是水沙關(guān)系調(diào)節(jié)的重要手段。人民治黃以來(lái)，黃河治理工作逐步由下游防洪走向全河治理，形成了“上攔下排，兩岸分滯”控制洪水，“攔、排、放、調(diào)、挖”處理和利用泥沙的治理思想［1］，干支流建成了以龍羊峽、劉家峽、萬(wàn)家寨、小浪底、陸渾、故縣等水庫(kù)為重點(diǎn)的水沙調(diào)控工程。同時(shí)，黃土高原實(shí)施了大規(guī)模的水土流失治理，植被覆蓋率由1949年約20%提高至當(dāng)前約65%，入黃泥沙由1919—1959年的年均16億t減少到2010—2020年的年均1.83億t。小浪底水庫(kù)持續(xù)20 a的調(diào)水調(diào)沙，使得黃河下游河道主槽不斷淤積萎縮的狀態(tài)得到初步遏制，主河槽最小過(guò)流能力從2002年汛前的1 800 m³/s恢復(fù)到2020年汛后的4 500 m³/s;黃河下游河道累計(jì)沖刷泥沙約29.8億t，下游河道主河槽平均降低了2.6 m［2］。黃土高原水土流失綜合治理與干支流河道水沙調(diào)控，造就了黃河歲歲安瀾的歷史奇跡。

黃河水沙調(diào)控在取得顯著成效的同時(shí)，黃河治理也涌現(xiàn)出了諸多亟待解決的新問(wèn)題。如黃河上游龍羊峽和劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控，致豐枯輸沙流量比例發(fā)生逆轉(zhuǎn)，河道淤積萎縮，寧蒙河段出現(xiàn)新“懸河”;黃土高原水土流失治理不均衡，且水土保持措施調(diào)水減沙存在邊界效應(yīng)，“過(guò)度”治理既不可能將泥沙減到零或較低的數(shù)值，且會(huì)導(dǎo)致治理的過(guò)度投入而增效甚微;黃河中游入黃泥沙銳減，若徑流接近于清水狀態(tài)，則中下游河道將面臨沖刷加劇、畸形河灣發(fā)育等威脅防洪安全的問(wèn)題，黃河河口也將面臨海岸蝕退、海水入侵等威脅河口生態(tài)環(huán)境與穩(wěn)定等問(wèn)題。黃河水沙過(guò)程如何調(diào)控？調(diào)控手段與程度如何確定？水沙關(guān)系協(xié)調(diào)如何界定？這些問(wèn)題一直困擾黃河治理實(shí)踐。劉曉燕等［3］曾提出了黃河健康的內(nèi)涵，確定了相應(yīng)的健康指標(biāo)量值，涉及水沙過(guò)程調(diào)控的因子有如低限流量、河道最大排洪能力與主槽過(guò)流能力等僅涉及下游河道輸水輸沙能力的因子，未曾給出相關(guān)調(diào)控指標(biāo)的目標(biāo)值。圍繞黃河干流河道沖淤平衡的研究，張曉華等［4］分析了寧蒙河段達(dá)到?jīng)_淤平衡時(shí)的來(lái)沙系數(shù)；劉繼祥等［5］分析了下游河道基本可維持沖淤平衡的三黑小流量與含沙量；胡春宏等［6］根據(jù)設(shè)計(jì)的5大系列共35組小浪底水庫(kù)出庫(kù)水沙組合計(jì)算得到下游河道沖淤平衡臨界含沙量閾值和5種臨界水沙組合；安催花等［7］提出在小浪底水庫(kù)等現(xiàn)有工程聯(lián)合調(diào)控下下游河道平衡輸沙的臨界閾值為2.5億t。對(duì)于黃河河口，胡春宏等［8］提出當(dāng)來(lái)沙量為3億t左右時(shí)黃河河口處于相對(duì)平衡狀態(tài)；李希寧等［9］認(rèn)為黃河三角洲整體趨于沖淤平衡的年來(lái)沙量臨界值為2.45億t?？v觀以往的研究成果，眾多學(xué)者針對(duì)同一河段沖淤平衡分析得到的水沙臨界閾值差異較大，究其原因在于河床存在自動(dòng)調(diào)整機(jī)制，不同時(shí)段黃河水沙過(guò)程及邊界條件存在不同動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，受黃河水沙變化新的穩(wěn)態(tài)影響，達(dá)到新的沖淤平衡需確定新的水沙閾值。另外，以往研究均以黃河某個(gè)局部地理單元為對(duì)象，缺乏將黃土高原、上中下游、河口作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

為此，從流域、河道和河口復(fù)雜系統(tǒng)的水沙平衡角度看，黃河水沙調(diào)控需統(tǒng)籌流域自然生態(tài)各要素以及山上山下、地上地下、上下游系統(tǒng)控制，基于全流域綜合調(diào)控的“臨界控制論”［10］，確定流域-河道-河口系統(tǒng)調(diào)控指標(biāo)體系及其閾值。本文基于黃河水沙變化新的趨勢(shì)，構(gòu)建維持黃河全流域水沙平衡調(diào)控指標(biāo)體系，確定指標(biāo)臨界調(diào)控閾值，以科學(xué)指導(dǎo)黃河水沙過(guò)程系統(tǒng)調(diào)控，確保黃河長(zhǎng)久安瀾，推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。

1 維持黃河流域水沙平衡的調(diào)控指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)黃河流域地形地貌特征，上中游流域?yàn)橹饕a(chǎn)沙區(qū)（黃土高原產(chǎn)沙量約占入黃泥沙量的97%），是黃河流域產(chǎn)水、產(chǎn)沙系統(tǒng)；干流河道為水沙輸移、沉積系統(tǒng)；入海三角洲為泥沙淤蝕系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互依存、互相作用，水沙過(guò)程是聯(lián)系各子系統(tǒng)的紐帶，共同驅(qū)動(dòng)黃河流域地貌系統(tǒng)發(fā)育發(fā)展。黃土高原流域生態(tài)工程建設(shè)規(guī)模與布局受限于區(qū)域資源環(huán)境的自然稟賦，同時(shí)水土流失治理宜因地制宜、因害設(shè)防，為此流域治理存在適宜規(guī)模與合理布局;生態(tài)工程的水土保持效能又存在邊界效應(yīng)，其調(diào)水減沙作用不隨工程規(guī)模的擴(kuò)展而無(wú)限放大;流域產(chǎn)沙區(qū)的治理影響入黃水沙量，并作用于河道水沙輸移過(guò)程。就黃河而言，維持河流健康與安瀾，河道需具有足夠的水流動(dòng)力條件以實(shí)現(xiàn)入黃泥沙順利輸移且水沙關(guān)系協(xié)調(diào)并達(dá)到河道平衡輸沙［11］。因此，流域水土保持需維系適宜治理度，以?xún)?yōu)化調(diào)控入黃水沙量及水動(dòng)力過(guò)程，維持干流河道沖淤平衡和中水河槽規(guī)模，保障河口生態(tài)環(huán)境健康、流路穩(wěn)定及淤蝕平衡，實(shí)現(xiàn)黃土高原流域、干流河道與黃河口各自系統(tǒng)及黃河全流域水沙動(dòng)態(tài)平衡。

黃土高原流域治理既要考慮各措施的調(diào)水減沙效能，又要統(tǒng)籌區(qū)域水資源承載力下適宜的措施布局，特別是流域下墊面變化對(duì)侵蝕性降雨閾值影響顯著，因此，流域?qū)用娴乃帘３执胧﹥?yōu)化調(diào)控是實(shí)現(xiàn)全域水沙平衡的基礎(chǔ)。河道形態(tài)影響水流結(jié)構(gòu)，水流又反過(guò)來(lái)影響河道形態(tài)演化，兩者相互影響的紐帶是泥沙運(yùn)動(dòng)，因此，河道形態(tài)、水流和泥沙是水沙關(guān)系調(diào)節(jié)的主體對(duì)象。考慮到篩選的水沙平衡調(diào)控指標(biāo)不僅需真實(shí)、獨(dú)立、客觀地描述并解釋調(diào)節(jié)對(duì)象，且具備定量性與易獲取性，為此，構(gòu)建了如圖1所示的維持黃河流域水沙平衡的調(diào)控指標(biāo)體系。一級(jí)指標(biāo)為入黃水沙量/過(guò)程，是流域與河道2個(gè)系統(tǒng)連接的紐帶，既是產(chǎn)沙區(qū)水土流失治理效果的出口，也是影響黃河中下游河道演變過(guò)程的入口，是黃河流域水沙系統(tǒng)調(diào)控最重要的指標(biāo)。二級(jí)指標(biāo)降雨侵蝕力、林草有效覆蓋率、梯田比和溝道控制率綜合反映了產(chǎn)沙區(qū)水土保持措施的水沙調(diào)控效應(yīng)［12-14］。上游寧蒙河段平灘流量是表征河段排洪輸沙能力的指標(biāo)，對(duì)保障寧蒙河段排洪輸沙功能和凌汛安全至關(guān)重要;中游潼關(guān)高程不僅是渭河下游河道的局部侵蝕基準(zhǔn)面，也是小北干流的局部侵蝕基準(zhǔn)面，是表征潼關(guān)河段河床變化的重要指標(biāo);下游河道平灘流量事關(guān)黃河下游防洪安全大局；河口穩(wěn)定輸沙量是與河口海洋動(dòng)力輸往外海的沙量基本相當(dāng)?shù)娜牒Ｄ嗌沉浚玛P(guān)河口穩(wěn)定與生態(tài)安全。三級(jí)指標(biāo)中，來(lái)沙系數(shù)、河道寬深比、河道排沙比均是表征河道排洪輸沙功能，如來(lái)沙系數(shù)表征了河道水沙搭配關(guān)系，河道寬深比表征了河道斷面形態(tài)，河道排沙比表征了河道輸沙能力。三門(mén)峽水庫(kù)運(yùn)行水位作為中游河道的下邊界條件，影響著中游河道的沖淤及潼關(guān)高程的升降。

綜上分析，通過(guò)黃土高原水土流失治理，入黃沙量究竟控制到多少合理，既要考慮可能，也要考慮需求，黃河干流河道平衡輸沙相關(guān)指標(biāo)閾值給出了需求，黃土高原水土流失治理各種措施的臨界調(diào)控閾值體系給出了可能。根據(jù)新水沙條件下維持全流域水沙平衡的客觀需求，入黃沙量控制在3億t/a左右，將達(dá)到黃土高原水土流失治理與干流輸沙的平衡［15］。

2 流域調(diào)水減沙關(guān)鍵指標(biāo)閾值確定

2.1 流域侵蝕性降雨閾值

降雨屬自然過(guò)程，不受人類(lèi)活動(dòng)影響與驅(qū)動(dòng)，但人類(lèi)可通過(guò)調(diào)整土地利用方式與結(jié)構(gòu)，影響侵蝕性降雨閾值的變化。源于“十三五”重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)“黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)”項(xiàng)目數(shù)據(jù)收集，選取黃土丘陵溝壑區(qū)30條無(wú)沖積性河道且壩庫(kù)極少或壩庫(kù)攔沙量可知的典型流域開(kāi)展侵蝕性降雨閾值解析，如圖2所示。基于流域內(nèi)次降雨、林草植被、2012年和2017年梯田等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和產(chǎn)沙數(shù)據(jù)等，綜合分析可致流域侵蝕產(chǎn)沙的降雨閾值變化［16］。如圖3所示，侵蝕性降雨閾值與流域林草梯田覆蓋率之間呈指數(shù)關(guān)系［17］，林草植被覆蓋程度越高，可導(dǎo)致流域明顯產(chǎn)沙（以流域產(chǎn)沙強(qiáng)度500 t/km²為標(biāo)準(zhǔn)）的降雨閾值越大。黃土丘陵溝壑區(qū)不同下墊面下可致流域產(chǎn)沙的降雨閾值如表1所示，60%的林草梯田覆蓋率下可致產(chǎn)沙的次雨量閾值為57 mm、次雨強(qiáng)閾值為32 mm/h、次降雨侵蝕力（PI60）閾值為1 265 mm²/h。

2.2 流域林草有效覆蓋率閾值

仍然選取圖2所示樣本流域，構(gòu)建了多尺度不同時(shí)期下墊面條件下易侵蝕區(qū)林草有效覆蓋率與流域產(chǎn)沙指數(shù)響應(yīng)關(guān)系［17］。如圖4所示，黃土高原不同侵蝕類(lèi)型區(qū)遏制產(chǎn)沙（即流域產(chǎn)沙模數(shù)≤1 000 t/（km²·a））的林草有效覆蓋率閾值為：蓋沙區(qū)和礫質(zhì)丘陵區(qū)約45%，黃土丘陵區(qū)約55%，砒砂巖區(qū)約75%（該區(qū)域難于實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)）。結(jié)果表明：若按產(chǎn)沙模數(shù)≤2 500 t/（km²·a）標(biāo)準(zhǔn)，丘陵區(qū)第1—4副區(qū)的林草有效覆蓋率閾值約為46%～52%;而丘陵區(qū)第5副區(qū)和高塬區(qū)林草有效覆蓋率閾值大于50%，流域產(chǎn)沙量也漸趨穩(wěn)定，但因產(chǎn)沙機(jī)制特殊，即使林草梯田的有效覆蓋率達(dá)到70%，也難使產(chǎn)沙模數(shù)降低至2 000 t/（km²·a）以下。

2.3 流域梯田比閾值

為客觀分析梯田變化對(duì)流域產(chǎn)沙影響，篩選了如圖2所示主要產(chǎn)沙區(qū)內(nèi)19個(gè)梯田布局較多的樣本流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用不同時(shí)期82對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別點(diǎn)繪了渭河上游、祖厲河上游和洮河下游等3個(gè)樣本流域的梯田覆蓋率與流域減沙幅度關(guān)系曲線(xiàn)，構(gòu)建了丘3區(qū)和丘5區(qū)的流域梯田比與流域減沙幅度的關(guān)系［9］。如圖5所示，流域梯田比在5%～30%范圍內(nèi)時(shí)，梯田比與減沙幅度成正比，當(dāng)梯田比大于35%～40%后，其減沙作用基本穩(wěn)定在90%左右，即黃土丘陵區(qū)流域梯田調(diào)水減沙的作用閾值為流域梯田比達(dá)40%左右。據(jù)2017年無(wú)定河流域“7·26”特大暴雨水土保持綜合考察結(jié)果顯示，相對(duì)于坡耕地，農(nóng)地修梯田減洪71%，反坡梯田的油松側(cè)柏混交和反坡梯田的油松林減少地表徑流84%以上、減沙達(dá)90%以上［18］。

2.4 流域溝道控制率閾值

淤地壩是黃土高原溝道土壤侵蝕阻控的關(guān)鍵措施之一。一方面，淤地壩直接攔截溝道侵蝕泥沙，但隨淤積泥沙增加，攔沙能力逐漸降低;另一方面，淤地壩具有長(zhǎng)效的減蝕作用，通過(guò)將侵蝕溝道變?yōu)閴蔚?，分散消減徑流侵蝕動(dòng)力，減少溝道侵蝕輸沙［19］。那么，相對(duì)一個(gè)流域，溝道攔沙減蝕作用是否也存在臨界效應(yīng)，即流域內(nèi)淤地壩建設(shè)布局規(guī)模是否存在閾值？根據(jù)“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“黃河流域水沙變化機(jī)理與趨勢(shì)預(yù)測(cè)”開(kāi)展的典型流域淤地壩淤積調(diào)查，采用庫(kù)容曲線(xiàn)法、分布式水文模型模擬以及野外調(diào)查等方法，對(duì)壩系和流域尺度開(kāi)展淤地壩減沙閾值研究［20］。將不同淤積厚度下壩地面積之和與壩系控制流域面積的比值作為壩系相對(duì)穩(wěn)定系數(shù)，如圖6所示，當(dāng)淤地壩系相對(duì)穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到0.05～0.06后，壩系基本達(dá)到穩(wěn)定。結(jié)合流域溝網(wǎng)計(jì)算淤地壩控制溝道級(jí)別數(shù)，如圖7所示，通過(guò)多個(gè)典型壩控流域水沙突變與溝道控制率關(guān)系分析可知，當(dāng)三級(jí)溝道控制率達(dá)到40%～50%時(shí)，水沙變化趨勢(shì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即將三級(jí)溝道控制率40%～50%作為流域淤地壩系建設(shè)閾值。

3 黃河上中游河道水沙調(diào)控關(guān)鍵指標(biāo)閾值確定

3.1 寧蒙河段平灘流量閾值

（1） 與防洪相適應(yīng)的平灘流量。黃河上游干流下河沿站歷年最大日均洪峰流量變化過(guò)程如圖8所示，1986—2017年，下河沿站最大日均洪峰流量大于1 300 m³/s、小于2 000 m³/s的年數(shù)共22 a，占總年數(shù)的比例為69%?？紤]規(guī)劃中的黑山峽水庫(kù)建成時(shí)限尚不確定，上游水土保持對(duì)洪水影響不會(huì)有大的變化，未來(lái)洪水基本維持1986年后的形勢(shì)，最大日均洪峰流量為1 300～2 000 m³/s的洪水將成為寧蒙河段洪水的主體，與之相適應(yīng)的寧蒙河段平灘流量應(yīng)大于2 000 m³/s。

（2） 與防凌相適應(yīng)的平灘流量。黃河上游干流三湖河口站歷年平灘流量與凌汛高水位天數(shù)變化過(guò)程如圖9所示，1998年前三湖河口站平灘流量大于2 000 m³/s，歷年凌汛水位大于1 020 m的天數(shù)少，凌汛水位低且穩(wěn)定;1998年后三湖河口站平灘流量降至2 000 m³/s以下，相應(yīng)年份的凌汛水位增高明顯，且持續(xù)時(shí)間迅速增長(zhǎng)。因此，與未來(lái)寧蒙河段凌汛水位相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于2 000 m³/s。

（3） 與輸沙塑槽相適應(yīng)的平灘流量。如圖10所示，三湖河口流速和含沙量均隨流量的增大而增大，但趨勢(shì)線(xiàn)呈非線(xiàn)性變化，存在明顯拐點(diǎn)。當(dāng)三湖河口流量達(dá)到2 000 m³/s以上時(shí)，流速和含沙量基本達(dá)到最大，河道處于輸沙最優(yōu)狀態(tài)。因此，與寧蒙河段高效輸沙相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于2 000 m³/s。1981年洪水期三湖河口站平灘面積與流量的關(guān)系如圖11所示，洪水沖刷初期，主槽的沖刷效率較低，塑槽作用不明顯，當(dāng)洪水流量達(dá)到2 000 m³/s以上時(shí)，平灘面積隨洪水流量的增速明顯加快，表明洪水流量大于2 000 m³/s時(shí)，主槽的沖刷效率開(kāi)始增大，塑槽作用明顯。因此，與寧蒙河段高效塑槽相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于2 000 m³/s。

（4） 與減輕支流淤堵相適應(yīng)的平灘流量。寧蒙河段十大孔兌為季節(jié)性河流，暴雨期易形成高含沙洪水，大量泥沙向黃河傾泄，在干流形成沙壩堵塞黃河。1966年洪水期，干流流量大于2 000 m³/s，由支流洪水入?yún)R淤堵形成的沙壩，在較短的時(shí)間就被洪水沖開(kāi);1989年洪水期，干流流量小于2 000 m³/s，由支流洪水入?yún)R淤堵形成的沙壩，在較長(zhǎng)的時(shí)間才被洪水沖開(kāi)。因此，與減輕支流淤堵相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于2 000 m³/s。

（5） 與未來(lái)不同水沙過(guò)程相適應(yīng)的平灘流量

通過(guò)龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控，當(dāng)寧蒙河段水沙過(guò)程出現(xiàn)與2000—2017年相近的未來(lái)枯水過(guò)程，由式（2）估算寧蒙河段三湖河口斷面平灘流量為2 000 m³/s左右;未來(lái)通過(guò)龍羊峽、劉家峽以及黑山峽等水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控，寧蒙河段水沙過(guò)程出現(xiàn)與1986—1999年相近的未來(lái)中水過(guò)程，由式（1）估算寧蒙河段三湖河口斷面平灘流量為2 500 m³/s左右。

綜合以上分析，近期寧蒙河段平灘流量閾值約為2 000 m³/s，遠(yuǎn)期黑山峽水庫(kù)建成后寧蒙河段平灘流量閾值約為2 500 m³/s。

3.2 黃河中游潼關(guān)高程閾值

渭河下游華縣站不同時(shí)期洪峰水位—流量關(guān)系如圖12所示。1960—2017年，潼關(guān)高程抬升造成了渭河下游河道洪水水位相應(yīng)抬升，尤其在1995—2002年期間，潼關(guān)高程抬升至328 m以上，造成渭河下游河道洪水災(zāi)害處于最嚴(yán)重時(shí)段，河道防洪安全受到了極大威脅。小北干流年均沖淤量與相應(yīng)時(shí)段潼關(guān)高程升降變化過(guò)程如圖13所示。潼關(guān)高程的升降與小北干流沖淤具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，潼關(guān)高程持續(xù)抬升造成小北干流淤積趨于嚴(yán)重，潼關(guān)高程持續(xù)下降造成小北干流淤積減緩甚至轉(zhuǎn)而沖刷。三門(mén)峽水庫(kù)蓄清排渾運(yùn)用后，小北干流淤積最嚴(yán)重的時(shí)期是20世紀(jì)90年代末期，此時(shí)潼關(guān)高程升高至328 m以上。

4 黃河下游河道及河口水沙調(diào)控關(guān)鍵指標(biāo)閾值確定

4.1 黃河下游河道平灘流量閾值

（1） 與防洪相適應(yīng)的平灘流量。黃河干流花園口站不同平灘流量下設(shè)防洪水（22 000 m³/s）水位變化過(guò)程如圖14所示。隨花園口站平灘流量增加，設(shè)防洪水水位降低的趨勢(shì)線(xiàn)呈非線(xiàn)性變化，并存在明顯拐點(diǎn)（4 000 m³/s左右），即當(dāng)花園口站平灘流量小于4 000 m³/s時(shí)，隨平灘流量增加，設(shè)防洪水水位降低的速率較快;當(dāng)花園口站平灘流量大于4 000 m³/s時(shí)，隨平灘流量增加，設(shè)防洪水水位降低的速率有所變緩。因此，與黃河下游河道設(shè)防洪水水位相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于4 000 m3/s。黃河下游高村站灘地分流情況與平灘流量的關(guān)系如圖15所示。當(dāng)黃河下游河道平灘流量大于4 000 m³/s時(shí)，灘地分流量明顯減小，灘槽分流比在15%～20%左右，洪水對(duì)灘區(qū)防洪的威脅大大降低。因此，與黃河下游灘區(qū)防洪安全相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于4 000 m³/s。

（2） 與高效輸沙塑槽相適應(yīng)的平灘流量。黃河下游洪水期河道排沙比與流量的關(guān)系如圖16所示。當(dāng)花園口洪水平均流量小于4 000 m³/s時(shí)，隨洪水流量增加，河道排沙比從約10%～20%迅速增加至80%～90%;花園口洪水平均流量大于4 000 m³/s以后，隨洪水流量增加，河道排沙比為90%～130%，隨流量增加的速率大幅度減緩。因此，與黃河下游洪水期河道高效輸沙相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于4 000 m³/s。黃河下游清水下泄期河道沖刷效率與流量的關(guān)系如圖17所示。當(dāng)花園口流量小于4 000 m³/s時(shí)，下游河道沖刷效率隨流量的增大而迅速降低;當(dāng)花園口流量大于4 000 m³/s時(shí)，下游河道沖刷效率值為15～20 kg/m³，隨流量的增大變化不大，表明當(dāng)花園口流量大于4 000 m³/s后，黃河下游河道沖刷效率已接近最大值。因此，與黃河下游河道高效塑槽相適應(yīng)的平灘流量應(yīng)大于4 000 m³/s。

（3） 與未來(lái)不同水沙過(guò)程適應(yīng)的平灘流量?；诙嘣貧w，分別建立1965—1999年和2000—2017年2個(gè)時(shí)段黃河下游孫口平灘流量與花園口汛期水沙過(guò)程的綜合關(guān)系式，見(jiàn)式（6）—式（7）。

參照黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)公司提出的未來(lái)不同水沙情景方案［21］，運(yùn)用式（6）和式（7）進(jìn)行估算，未來(lái)不同水沙情景下（來(lái)沙1億、3億和6億t/a）黃河下游河道最小平灘流量能達(dá)到4 000 m³/s左右。

4.2 黃河河口穩(wěn)定輸沙量閾值

當(dāng)黃河入海泥沙量等于河口穩(wěn)定輸沙量時(shí)，黃河入海泥沙基本被河口海洋動(dòng)力輸往外海，河口將處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。1976年河口清水溝流路行河以來(lái)近代黃河三角洲范圍海岸年造陸面積與利津站年輸沙量的關(guān)系如圖18所示。采用回歸分析分別建立1976—1985年和1986—2018年河口海岸年造陸面積與利津站年輸沙量的關(guān)系式，見(jiàn)式（8）—式（9）。

5 結(jié)論與展望

本研究基于分系統(tǒng)閾值溯源，從全流域視角開(kāi)展了流域-河道-河口多系統(tǒng)水沙調(diào)控指標(biāo)識(shí)別和閾值推究，主要結(jié)論如下：

（1） 維持黃河流域水沙平衡的調(diào)控指標(biāo)閾值體系分為三級(jí)，包括1個(gè)一級(jí)指標(biāo)、8個(gè)二級(jí)指標(biāo)、20個(gè)三級(jí)指標(biāo)。一級(jí)指標(biāo)為入黃水沙量/過(guò)程;二級(jí)指標(biāo)為降雨侵蝕力、林草有效覆蓋率、梯田比、溝道控制率、寧蒙河段平灘流量、潼關(guān)高程、下游河道平灘流量、河口穩(wěn)定輸沙量。三級(jí)指標(biāo)是對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)一步約束與主要功能的深入表征，具備定量性與易獲取性。

（2） 流域?qū)用嬲{(diào)水減沙指標(biāo)閾值方面：60%的林草梯田覆蓋率下可致產(chǎn)沙的次降水量閾值為57 mm;可基本遏制流域產(chǎn)沙的林草有效覆蓋率和梯田比閾值分別為60%和40%;淤地壩攔沙減蝕閾值為三級(jí)溝道控制率40%～50%。河道水沙調(diào)控指標(biāo)閾值方面：未來(lái)寧蒙河段平灘流量、潼關(guān)高程和下游河道平灘流量的閾值分別為2 500 m³/s、326 m和4 000 m³/s。河口淤蝕平衡水沙調(diào)控指標(biāo)閾值即河口穩(wěn)定沙量為2.6億t左右。因此，建議未來(lái)通過(guò)科學(xué)調(diào)整黃土高原治理格局，將年入黃沙量控制在3億t/a左右，達(dá)到黃土高原水土流失治理程度與黃河干流輸沙的平衡;中下游河道及河口平衡輸沙量控制在3億t/a，實(shí)現(xiàn)河道沖淤平衡和河口海岸淤蝕平衡。

（3） 制約黃河流域水沙協(xié)調(diào)的因素及因素間互饋關(guān)系較為復(fù)雜，涉及眾多研究領(lǐng)域，且黃河流域水沙平衡仍有諸多理解、詮釋與指標(biāo)約束。目前，初步完成了維持黃河流域水沙平衡的關(guān)鍵調(diào)控指標(biāo)篩選以及一、二級(jí)和部分三級(jí)調(diào)控指標(biāo)閾值的確定，未來(lái)仍需系統(tǒng)開(kāi)展流域-河道-河口以及氣象-生態(tài)-地形地貌-強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)等各子系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)間作用指標(biāo)、邊界效應(yīng)與互饋機(jī)制的研究，以不斷擴(kuò)展、細(xì)化和準(zhǔn)確界定未來(lái)黃河高質(zhì)量發(fā)展需求下黃河全流域水沙協(xié)調(diào)的調(diào)控指標(biāo)及其閾值。

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Threshold system of regulation indicators for maintaining the runoff and

sediment balance of the Yellow River basin

The study is financially supported by the National Key R&D Program of China （No.2016YFC0402408） and the Major Science and Technology Projects of the Ministry of Water Resources，China（No.SKS-2022086）.

HU Chunhong，ZHANG Zhihao，ZHANG Xiaoming

（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，State Key Laboratory of Simulation and Regulation of

Water Cycle in River Basin，Beijing 100048，China）

Abstract：The long-term stability of the Yellow River basin depends on its systematic governance and the coordinated regulation of runoff and sediment.Factors maintaining the balance of runoff and sediment in the Yellow River include climate，ecology，topography，and significant human activities.Clarifying the boundaries of the subsystems that regulate the overall behavior of runoff and sediment，studying regulation indicators，and maintaining runoff balance are crucial for understanding the function of the river system.This study constructed a basin-channel-estuary coordinated regulation indicator threshold system to maintain the runoff and sediment balance of the Yellow River from a basin-wide perspective.The results showed a three-level threshold system for runoff and sediment regulation based on maintaining the balance throughout the basin.This system includes one primary indicator，eight secondary indicators，and twenty tertiary indicators.In the erosion prevention and control indicator threshold system at the basin level，the threshold value of secondary rainfall that can cause sediment production under 60% coverage of forest，grass，and terrace is 57 mm.The effective coverage rate of forest and grass，along with the threshold value of the terrace ratio that can control sediment production，is 60% and 40%，respectively.The sediment interception and erosion reduction threshold value for check dams is 40% to 50% of the third-level channel control rate.In the runoff and sediment regulation indicator threshold system at the channel level，the recent threshold value of bankfull discharge in the Ningxia-Inner Mongolia reach of Yellow River is about 2 000 m3/s，and the long-term threshold value after the completion of the Heishanxia Reservoir is approximately 2 500 m3/s.The recent elevation control threshold of Tongguan is around 328 m and may decrease to approximately 326 m due to erosion after the completion of the Guxian Reservoir.The threshold value of bankfull discharge in the lower reaches of the river channel is about 4 000 m3/s.Considering the dynamic balance of siltation and erosion in the Yellow River Delta，the threshold value of stable sediment discharge in the estuary is around 260 million t/a.

Key words：runoff and sediment relationship;runoff and sediment balance in the basin;runoff and sediment regulation;threshold system;Yellow River basin