第1章绪论
近年来随着人类活动日益加剧和全球气候变化，全球主要江河入海沙量减少已成趋势性，多沙河流水沙调控面临来水来沙边界条件改变、流域环境改变等诸多不确定性因素影响，多沙河流治理思路与方略有待适应性调整。黄河作为世界典型多沙河流，面临水沙趋势锐减、梯级水库开发、黄土高原多措施综合治理等新情况，高强度人类活动、不确定性的气候变化以及相互间复杂耦合作用，让黄河水沙变化认知及未来预测成为世界难题。黄河水沙变化情势研究是实施黄河流域生态保护和高质量发展战略的基础条件，是黄河重大水沙调控工程布局及运用方式、河道工程布置、流域内水资源配置和跨流域调水工程决策等的基础。鉴于黄河水沙变化情势研究的重要性，2016年，国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项适时启动“黄河流域水沙变化机理与趋势预测”项目，旨在以产汇流机制变化、水沙非线性关系、水沙-地貌-生态多过程耦合效应等关键机理问题为突破口，探讨黄河水沙变化原因、预测未来常态水沙情势，提出黄河水沙变化调控阈值与应对策略，为国家和相关部门决策提供科技支撑。
1.1黄河流域水沙变化研究现状与问题
变化环境下流域水沙过程与趋势预测研究是国际地球系统科学研究的前沿和热点。为系统梳理已有相关学术研究进展，了解和掌握研究存在的问题，以下将从变化环境下的流域水沙演变规律、流域水沙变化归因分析、流域水土流失过程与水沙效应、流域水沙变化趋势预测、流域水沙调控理论与技术等方面对国内外研究现状及发展动态进行深入分析和总结述评。
1.1.1变化环境下水沙演变规律
变化环境下的流域水沙演变规律是水文学、水力学及河流动力学研究的核心科学问题（张建云和王国庆，2007；Georgescu and Lobell，2010）。尤其是近年来，受气候变化与人类活动的影响，世界上许多河流径流与输沙量发生了显著变化（Berendse et al.，2015；Brevik et al.，2015；Buendia et al.，2016），引起了国内外学者与政府部门的高度关注（Burt et al.，2016; Chen et al.，2017）。Walling和Fang（2003）分析了全球除非洲和南美洲以外的142条主要河流，发现其中49%的河流输沙量呈正常波动，仅3%的河流输沙量增加，其余48%的河流输沙量显著减少；Borrelli等（2015）统计发现，全球主要江河20世纪90年代以来入海沙量减少了30%，其中47%的河流输沙量减少、22%的河流径流量减少、19%的河流两者都减少。黄河2000～2018年平均径流量和输沙量较1919～1959年分别减少约45%和85%，水沙量的大幅锐减，使水沙关系发生重大变化，直接导致黄河河槽萎缩、河道排洪输沙能力降低等一系列新问题产生。
图1-1为基于1981～2017年水沙变化领域研究论文的年度变化趋势，由图可见，国际水沙变化研究自2007年以来为快速发展阶段，其中中国在水沙变化领域研究论文数量位居发文量首位，如图1-2所示，反映了中国在水沙变化领域研究较为活跃，并具有较强的研究实力。通过对1980年以来每个阶段水沙变化领域研究论文主题词进行统计发现，流域水沙变化模拟预测研究一直是科学界的热点（Capra et al.，2015；Burt et al.，2016），2001年以后，水沙变化影响因素分析与驱动机理成为另一研究热点，如表1-1所示。
我国关于黄河水沙变化的研究与世界潮流一致，水沙变化趋势研究也一直是热点问题（刘昌明和张学成，2004；胡春宏等，2010；赵广举等，2012；姚文艺等，2013）。在过去的50年中，黄河流域的实测径流量和输沙量均有显著的减少趋势（Liu et al.，2008；Yang et al.，2013；Wang et al.，2015）。黄河中游在20世纪的年均输沙量峰值为16亿t，而2001～2009年的年均输沙量只有3.6亿t（三门峡站）（赵广举等，2012）；此外，在21世纪以来的10年里，黄河入海的径流量和泥沙量只有20世纪50年代的30%和10%（Yu et al.，2013）。对于径流变化的研究表明，黄土高原年均径流量以0.9mm/a的速率显著降低（Feng et al.，2016）。针对近期黄河水沙变化，许炯心（2010）对黄河多沙粗沙区的水沙变化成因进行了分析，认为1997～2007年多沙粗沙区产沙量变化与降水量变化的关系不大，水利水保等人类活动已经完全改变了产沙量与降水量的关系，成为支配产沙过程的主导因素。
近年来，尽管国内外学者围绕变化环境下流域水沙要素演变规律开展了大量工作，然而仍面临以下四个方面的挑战：①目前研究主要假定下垫面条件不变，或作为水沙模型输入因子考虑，未能将社会经济变化、自然环境变化、人类活动影响耦合构建广义水沙模型，阻碍了水沙模型作为基础模型研究变化环境下水沙过程的进步（王浩等，2015）。②水沙要素变化检测大多依赖空间有限的实测站点数据，对空间尺度上的演变特征考虑较少，使检测结果往往局限于点的时间序列分析或侧重于面的空间分布描述。③由于土壤湿度和实际蒸散发缺乏观测数据，加之其他众多“混淆因子”的影响，径流变化检测归因分析比其他要素要困难，其中一些多因素影响机理及相互作用问题仍不清楚（Dey and Mishra，2017）。④我国以降水为主要补给的大江大河，受东亚季风年际年代际变化、大规模水资源开发利用等人类活动引起的环境变化及气候变暖等多驱动因子影响。既要弄清是否自然变异导致，也要了解观测到的变化是否已受到温度升高影响，还要区分人类活动影响和环境变化等众多“混淆因子”影响以及相应的影响程度（宋晓猛等，2013）。因此，急需深入开展变化环境下的流域水沙演变规律分析。
1.1.2水沙变化归因分析
黄河流域显著的特点之一是水少沙多，实测资料表明，黄河的多年平均输沙量为16亿t（陕县站，1919～1960年），为全世界江河的输沙量之*（赵广举等，2012），是中国第一大河流长江的3倍多；多年平均径流量为559亿m3（花园口站，1919～1975年），只有长江的约1/17（刘晓燕等，2016a）。第二大特点是水沙异源，流域内约有62%的径流量来自上游（李二辉，2016a），而超过90%的输沙量来自中游的黄土高原（Wang et al.，2017）。其中，中游河口镇—龙门区间（简称河龙区间）也称为多沙粗沙区，地表组成物主要为沙黄土或砒砂岩，抗蚀性很弱，是主要的产沙区，该地区的粗泥沙来量占全河道粗泥沙来量的73%（叶清超，1994）。多沙粗沙区的年降水量为350～450mm，降水多为侵蚀性较强的暴雨形式（许炯心，2010）。黄河流域形成这种特点的主要原因是上游的流域面积大，占全流域面积的53.8%，径流能够得到的支流补给量较大；而中游经过土壤侵蚀率较高的黄土高原，容易得到充足的泥沙补给量。
黄河水沙变化成因及影响因素非常复杂，不同时期的主导因子是不同的（Liu et al.，2011；Cevasco et al.，2014； Zhao et al.，2017）。近2300年以来，黄河年均入海泥沙量是黄土高原大规模农业开展前的全新世早期和中期的10倍左右，这似乎表明了人类活动对黄河泥沙的巨大影响（Milliman et al.，1987）。而实际上，有人类活动以来，黄河流域水沙系列的丰枯变化是气候等自然因素和人类活动因素共同作用的结果，不过每一时期的主导因子是不同的（姚文艺等，2015）。20世纪50～60年代是降水丰沛期，1933～1959年成为近百年以来的黄河丰水期。自60年代黄河上游刘家峡、龙羊峡等大型水库先后建成运用和多项水利水保措施实施，加之70年代黄河流域又进入显著干旱期，这一时期水沙变化受到人类活动和降水减少的双重作用。2000年以来，尽管黄河流域降水量较前期明显偏丰，但由于退耕还林还草等封禁治理成效显现，径流泥沙较前一时段仍进一步减少，人类活动对减沙起主导作用。
在人类活动方面，黄河流域内的人口数量由1953年的4180万人增长到2000年的1.1亿人（Kong et al.，2016），人口的增长意味着对水资源的需求增加。人类活动对黄河流域的影响主要体现在：过去的50年中，干流上修建了十几座大坝，灌溉面积也由1949年前的0.8万km2增长到1997年的7.51万km2（Fu et al.，2004），水利工程措施导致的引水减沙量明显增加（胡春宏等，2008a）。许炯心（2010）统计了1997～2005年全流域的梯田、造林、种草和自然封禁面积，合计为10.83万km2，占全流域水土流失面积（43.4万km2）的24.95%。大规模实施的水土保持措施强烈地影响流域的水文循环和侵蚀产沙过程（Mu et al.，2007）。Wang 等（2015）用驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）框架将黄河流域的水土保持措施分为三个阶段，并进行了更为精细的比较研究。
在气候变化方面，气候变化对径流的影响主要体现在对降水量和蒸散发的影响（王随继等，2012），温度的变化则会引起蒸散发的变化。Yang等（2004）的研究表明，黄河流域降水量的减少速率约为45.3mm/50a，气温的升高速率约为1.28℃/50a。张建云等（2009）分析认为，气温每升高1℃，中游干流的年径流量将会减少3.7%～6.6%；降水量增加10%，年径流量将会增加17%～22%。穆兴民等（2007）研究认为，近60年来黄土高原地表环境发生了显著变化，植被覆盖度与坝库数量显著增加，导致黄河水沙急剧锐减。Wang等（2015）发现黄土高原植被恢复、梯田与坝库工程对输沙量减少所占比例约为65%，剩余的35%归结为其他因素。姚文艺等（2011）发现与1969年以前相比，1997～2006年黄河河龙区间年均减沙量7.77亿t，其中水利水保措施减沙量占总减沙量的45%，降水减少减沙量占55%。由此可见，对气候变化与各项人类活动对水沙变化的影响评估存在较大差异。关于水库对河流水沙的影响多采用实际调查测量或模型模拟的方法（Yang and Lu，2014）。相比水库而言，淤地坝由于数量多、分布广，大部分研究常通过典型区调查并外推至较大区域估算。高云飞等（2014）采用典型流域推算法，发现潼关以上黄土高原地区2007～2013年淤地坝年均拦沙1.228亿t，较20世纪70～90年代明显下降。然而，典型流域外推需要保证淤地坝蓄水拦沙指标的科学性，明确其数量、质量及分布，在实际应用中难以有效检验。综上所述，目前对黄河流域水沙变化成因仍缺乏系统评估，学者们对影响因素的贡献率开展了大量研究，但对不同时期水沙变化影响因素的贡献率评估结果有所区别，黄河水沙作为一个动态变化系统，大规模生态环境建设为黄河水沙变化增加了不确定性，使得诸多科学问题亟待进一步研究解决。
1.1.3水土流失过程与水沙效应
（1）下垫面变化对产汇流和产输沙的影响机制
国际上，美国农业部（United States Department of Agriculture）、瑞典于默奥大学（Ume University）、英国水文与生态研究中心（UK Centre for Ecology and Hydrology）、英国兰卡斯特大学（Lancaster University）、巴西戈亚斯联邦大学（Universidade Federal de Goiás）等多个科研院所在美洲、北欧等地区开展了大规模生态工程研究，发现流域及区域尺度的生态工程通过改变当地植被结构特征、土地利用方式、景观分配格局、河流恢复措施等方式影响下垫面结构和组成，进而影响该区域产汇流模式、土壤流失量、区域水循环模式（Chandler et al.，2018；Christer et al.，2018；Williams and King，2020）。
我国对流域产流理论也进行了大量探索，得出湿润地区以蓄满产流为主而干旱地区则以超渗产流为主的重要论点。20世纪6
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