黃河干流近70年來水沙關(guān)系變化

謝發(fā)兵， 趙廣舉， 穆興民， 高 鵬， 孫文義

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)

河流系統(tǒng)是水文水資源中重要組成部分，而水沙關(guān)系則是河流系統(tǒng)對(duì)氣候變化以及人類活動(dòng)的直接響應(yīng)。河流的水沙關(guān)系可以反映徑流量和輸沙量的匹配關(guān)系。研究河流水沙關(guān)系，可以進(jìn)一步揭示河流的泥沙來源和時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)分析河流泥沙沉積特征與河道整治措施及水文資源配置有重要作用[1-2]。

黃河是世界上含沙量最大的河流，由于水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)直接影響沿岸的水資源開發(fā)利用。黃河中游流經(jīng)黃土高原，由于其獨(dú)特的氣候和地理環(huán)境特征，區(qū)域水土流失嚴(yán)重，是黃河的主要泥沙來源。大量入黃泥沙在下游不斷淤積，形成地上“懸河”，給下游平原區(qū)造成極大危害[3]。目前，已有大量研究分析了黃河干支流水沙多時(shí)空演變特征，如許文龍等[4]研究了近60年黃河上游水沙關(guān)系及其變化，并指出大部分水文站存在水沙顯著減少的趨勢(shì)，大型水利工程及大量水土保持措施布設(shè)是造成這一現(xiàn)象的主要原因。胡春宏等[5]研究了不同時(shí)期黃河水沙空間分布及其變化過程，并指出自然條件變化和人類活動(dòng)是黃河下游水沙量減少的主要原因。趙廣舉等[6]研究發(fā)現(xiàn)自1950s以來黃河中游徑流和泥沙急劇減少，以水土保持措施為主的人類活動(dòng)是水沙銳減的主要因素。姚文藝等[7]運(yùn)用多種方法對(duì)黃河流域1997—2006年水沙變化情勢(shì)進(jìn)行評(píng)估并分析了水沙變化機(jī)制。這些研究闡明了黃河水沙變化時(shí)空特征，揭示了主要驅(qū)動(dòng)因素，但對(duì)水沙關(guān)系的研究仍有所不足。筆者利用黃河干流主要水文站1950—2017年實(shí)測(cè)水沙資料序列，通過線性回歸、Mann-Kendall(以下簡(jiǎn)稱M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)法、累積距平法、水沙關(guān)系曲線和小波變換等方法探究水沙關(guān)系的時(shí)空變化，旨為黃河流域水資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河是世界上著名的多沙河流，其發(fā)源于青海省巴彥喀拉山，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西等9個(gè)省(自治區(qū))，最終匯入渤海，整個(gè)干流總長(zhǎng)5 464 km，總面積為75.26萬km2(圖1)。黃河流域大部分地區(qū)受溫帶大陸性氣候影響，在上游和下游部分地區(qū)分別受西南印度季風(fēng)和東南亞夏季風(fēng)的影響，導(dǎo)致降水的時(shí)空差異性。降水作為黃河徑流量補(bǔ)給的重要來源之一，對(duì)沿途區(qū)域水沙關(guān)系及其變化起著重要的影響。依據(jù)地理位置分布，黃河干流自上而下分為3部分，內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)以上為上游，河口鎮(zhèn)至河南鄭州市的桃花峪為中游，桃花峪至入海口為下游。筆者選取唐乃亥至高村區(qū)間作為研究區(qū)域。

圖1 研究區(qū)地理位置及水文站點(diǎn)分布Fig.1 Location of the study area and hydrological stations

2 數(shù)據(jù)與方法

根據(jù)黃河干流水文站點(diǎn)的分布，兼顧研究區(qū)域內(nèi)分布省份和流域景觀的差異，并考慮資料準(zhǔn)確性、完整性和連續(xù)性，筆者選擇黃河干流的唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門、花園口和高村6個(gè)水文站點(diǎn)的月徑流量和月輸沙量數(shù)據(jù)，研究黃河干流1950—2017年水沙關(guān)系變化特征。水文數(shù)據(jù)來源于黃河水文年鑒和《黃河泥沙公報(bào)》。表1為水文站的地理位置、年均徑流、輸沙量及研究時(shí)段等基本信息。

表1 黃河流域水文站點(diǎn)的基本信息Tab.1 General information of hydrological stations in the Yellow River basin

采用線性回歸和M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法[8-9]分析黃河干流各站點(diǎn)徑流和輸沙趨勢(shì)特征，采用累積距平法來判別水文序列的突變特征，采用冪函數(shù)來評(píng)估徑流-輸沙關(guān)系變化[10]，函數(shù)關(guān)系式為

Qs=aQb。

(1)

兩邊經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系

lnQs=lna+blnQ。

(2)

式中:Qs為輸沙率，kg/s；Q為流量，m3/s；a和b都為擬合系數(shù)。a越大意味著易受徑流侵蝕和搬運(yùn)的風(fēng)化沉積物來源越充足，b越大表示徑流的挾沙能力和侵蝕能力越強(qiáng)[11]。

采用小波變換[12-13]分析黃河干流中下游近70年的水文周期特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流、泥沙變化特征

3.1.1 徑流、泥沙線性變化趨勢(shì) 圖2為黃河干流6個(gè)水文站點(diǎn)年徑流線性變化趨勢(shì)，除唐乃亥站外，其他站點(diǎn)的年徑流量均呈顯著減少趨勢(shì)；其中，高村站徑流量下降幅度最大(P<0.05)，年均減少5.12億m3，而唐乃亥站徑流量下降幅度并不顯著，年均減少0.21億m3。由于人為干擾程度低，多數(shù)水文站的徑流量在1950—1969年相對(duì)穩(wěn)定，而在1969年之后減少尤為顯著，特別是近20年(2000—2017年)，龍門、花園口和高村站徑流量分別減少至20世紀(jì)50—60年代年平均流量的55%、44%和51%。一方面，黃河干流沿途農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、居民生活用水均來自于黃河，從而使得黃河干流徑流量銳減；另一方面，大型水利工程的建設(shè)和水土保持措施的實(shí)施，有效的攔蓄徑流，導(dǎo)致進(jìn)入黃河干流徑流量減少[6,14-15]。

圖2 黃河干流年徑流量線性趨勢(shì)Fig.2 Linear trends of annual runoffs in the mainstream of the Yellow River

圖3為黃河干流6個(gè)水文站點(diǎn)年輸沙量的變化趨勢(shì)，各站點(diǎn)的輸沙量變化趨勢(shì)與徑流量趨勢(shì)基本一致。除唐乃亥水文站外蘭州、頭道拐、龍門、花園口等5個(gè)水文站輸沙量整體呈顯著減少趨勢(shì)(P<0.05)。由于唐乃亥站上游受人為影響程度低，輸沙量變化幅度不大，蘭州、頭道拐、龍門站輸沙量在1969年前后發(fā)生顯著突變，其原因是劉家峽水庫于1968年底開始運(yùn)行，而花園口站、高村站輸沙量在1960年及1969年減少劇烈，主要是由于三門峽(1960年)和劉家峽(1968年)水庫建設(shè)運(yùn)行的影響。上游段頭道拐站的減少幅度相對(duì)較小，由1950—1959年的1.53億t，減少至2000—2017年的0.40億t；中下游段的龍門站、花園口站和高村站輸沙量變化相對(duì)劇烈，分別由1950—1959年的11.89億t、15.53億t和14.93億t減少至1.43億t、1.04億t和1.21億t，相當(dāng)于各站1950—1959年平均輸沙量的12.0%、6.7%和8.1%。

圖3 黃河干流年輸沙量線性變化趨勢(shì)Fig.3 Linear trends of annual sediment loads in the mainstream of the Yellow River

3.1.2 徑流、泥沙年際間變化趨勢(shì) 采用非參數(shù)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)判斷黃河干流沿程6個(gè)水文站時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性，其檢驗(yàn)結(jié)果見表2，唐乃亥站徑流量和輸沙量無長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，但略有下降。由于黃河源區(qū)至唐乃亥段受人為影響較小，因此年際間變化相對(duì)穩(wěn)定，除唐乃亥站外大多數(shù)水文站徑流量和輸沙量均呈極顯著減少趨勢(shì)(P<0.01)。其中，徑流量減少幅度最為顯著的是花園口站(Z值為-6.01)，頭道拐、龍門、花園口站減少幅度較為明顯(P<0.01)；輸沙量減少趨勢(shì)最為顯著的是高村站(Z值為-7.81)，蘭州、頭道拐、龍門、花園口站輸沙量減少幅度亦非常顯著(Z值均<-6)。

表2 黃河干流6個(gè)水文站徑流量和輸沙量M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

3.1.3 徑流輸沙年際間突變特征 采用累積距平法對(duì)黃河干流各站點(diǎn)水文序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，并繪制徑流量和輸沙量累積距平曲線。由圖4可知，徑流量和輸沙量分別在1969、1985和1989年發(fā)生突變。其中，唐乃亥站徑流量和輸沙量于1989年發(fā)生突變；頭道拐、花園口、高村站徑流量和輸沙量均于1985年發(fā)生突變；蘭州徑流量和輸沙量突變年份分別為1985年和1969年；龍門站徑流量和輸沙量突變年份分別為1985年和1979年。

圖4 黃河干流水文站點(diǎn)年徑流量和輸沙量變化的突變特征Fig.4 Abrupt changes of annual runoff and annual sediment load at hydrological stations in the main stream of the Yellow River

由于劉家峽水庫1968年開始蓄水，龍羊峽水庫1985年開始蓄水，1986年龍劉水庫聯(lián)合調(diào)蓄上游水沙，1989年11月后龍羊峽水庫開始正常運(yùn)行，導(dǎo)致徑流和輸沙在上述幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生突變，表明了龍羊峽、劉家峽水庫對(duì)黃河干流上下游徑流和泥沙的調(diào)控作用[16]；而對(duì)于龍門站輸沙量在1979年發(fā)生突變可能是氣候變化和中游地區(qū)水土保持措施攔蓄徑流共同作用的結(jié)果。

3.2 水沙關(guān)系分析

為分析黃河干流水沙關(guān)系變化，筆者選取具有代表性的頭道拐和花園口2個(gè)站點(diǎn)。根據(jù)上文中確定的突變點(diǎn)將序列分為3個(gè)時(shí)段，采用水沙關(guān)系曲線分析不同時(shí)段的水沙關(guān)系變化(圖5)。

圖5 黃河干流2個(gè)代表性水文站水流流量與輸沙率的水沙關(guān)系曲線Fig.5 Flow-sediment curves of water discharge and sediment transport rate at 2 representative stations in the mainstream of the Yellow River

由圖5和表3可知，黃河頭道拐和花園口水文站的水沙關(guān)系均發(fā)生了明顯變化。根據(jù)頭道拐站3個(gè)時(shí)段的水沙關(guān)系曲線可知，由1969—1985年至1986—2017年，其lna值由-2.97變化為-2.43，增加18.2%；b值由2.16變化為1.98，減少8.3%，這表明自1986年后泥沙供給進(jìn)一步增加，而水流挾沙能力持續(xù)下降，很大一部分原因是上游地區(qū)泥沙不斷淤積，增加了河道可輸送的沙量，而受河床淤積影響，河流輸沙能力降低。

表3 黃河干流2個(gè)代表性水文站水沙關(guān)系系數(shù)

花園口站在1969—1999年至2000—2017年變化更為顯著，泥沙供給量急劇增加，水流挾沙能力大大減弱。1969—1999年變化顯著的原因是三門峽水庫的攔蓄，而1999年小浪底水庫建成以及2002年開始的調(diào)水調(diào)沙顯著影響了下游的水沙關(guān)系，因此導(dǎo)致水沙關(guān)系曲線在2000—2017年無明顯的冪函數(shù)關(guān)系。整體來看，黃河干流水沙關(guān)系在不同時(shí)期存在明顯的變化，頭道拐站受寧蒙河段淤積影響，可輸送沙量在不同時(shí)期呈增加趨勢(shì)，而花園口站則在1999年前后驟變。在過去近70年里，上游段lna值遠(yuǎn)小于下游段，很大一部分原因是中游大量泥沙的匯入；而上游段b值大于下游段，主要是由上下游河道形態(tài)差異引起的。

3.3 黃河干流水沙周期變化

筆者對(duì)黃河干流頭道拐站和花園口站的月徑流量和月輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換分析(圖6和圖7)。在1950—1968年和1974—1986年期間，2站徑流和輸沙均具有顯著的0.5～1年振蕩周期，且達(dá)到95%的置信水平。徑流和輸沙的0.5～1年周期變化主要是降水的季節(jié)和年際變化的結(jié)果，因?yàn)榻邓鳛閺搅髁恐饕难a(bǔ)給和來源，對(duì)徑流具有顯著影響，而輸沙與徑流變化關(guān)系密切。與此同時(shí)，2站水沙的小波功率譜圖顯示3～5年和7～9年的變化周期，這與副高脊線位置的準(zhǔn)3年周期、地極移動(dòng)振幅變化的7年左右的周期及ENSO的周期特征一致[17]，而副熱帶高壓和ENSO對(duì)我國(guó)西北地區(qū)降水系統(tǒng)具有重要影響。將2站徑流和輸沙小波變換結(jié)果進(jìn)行比較，可以明顯看出，頭道拐站在20世紀(jì)60年代末期至70年代初期水沙顯著周期出現(xiàn)間歇性變化，徑流量的周期特征在90年代逐漸消失，而輸沙量的周期特征在80年代中后期基本消失；花園口站徑流的周期特征在70年代出現(xiàn)間歇性變化，在1990年后基本消失，而輸沙量的周期特征在60、80和90年代出現(xiàn)間歇性變化并逐漸減弱，在90年代中后期基本消失。產(chǎn)生周期間歇性變化甚至消失的結(jié)果主要是水庫的運(yùn)行以及大規(guī)模水土保持措施的實(shí)施，而后期由于大型水利工程及水土保持措施等的綜合調(diào)控，干流水沙的年內(nèi)季節(jié)性變化特征也逐漸消失。

圖6 黃河干流頭道拐站徑流量與輸沙量小波變換Fig.6 Wavelet transform of runoff and sediment load at Toudaoguai station in the mainstream of the Yellow River

圖7 黃河干流花園口站徑流量與輸沙量小波變換Fig.7 Wavelet transform of runoff and sediment load at Huayuankou station in the mainstream of the Yellow River

4 討論

已有研究表明，氣候的變化和劇烈的人類活動(dòng)是引起黃河徑流量和輸沙量銳減的主要原因[4,7]，而黃河干流水沙關(guān)系變化主要受水利工程和水土保持措施等的調(diào)控。

近70年來，黃河干流的徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢(shì)，不同站點(diǎn)水沙變化的振蕩周期強(qiáng)度及分布狀況相似度較高。黃河干流徑流和輸沙量大多數(shù)在1969年和1985年發(fā)生突變，主要是龍羊峽和劉家峽水庫的建設(shè)運(yùn)行，以及龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)蓄水沙的結(jié)果。對(duì)比而言，中游的部分站點(diǎn)突變年份為1979年，這與20世紀(jì)70年代中游地區(qū)大量實(shí)施的水土保持措施相關(guān)。

大型水庫的運(yùn)行可以對(duì)年內(nèi)徑流量重新分配，能夠有效削減洪峰流量，延滯洪水下泄，攔蓄入庫泥沙的同時(shí)也能夠降低出庫水流的挾沙能力[18]。有研究表明：在1986年龍羊峽水庫運(yùn)用前后，唐乃亥和貴德水文站的水沙過程同步性大大減弱，出入庫的徑流量差額變幅增大為50億～100億m3，但出庫輸沙量?jī)H為入庫輸沙量的11%左右；龍羊峽、劉家峽兩庫聯(lián)合運(yùn)用期間，出庫沙量減少48.6%[19]。三門峽水庫在1960—2000年淤積泥沙68.17億m3，而在2001年后處于沖刷狀態(tài)[20]。小浪底庫區(qū)在1999—2006年總共淤積泥沙21.58億m3，其中干流淤積18.31億m3，支流淤積3.27億m3[21]。大量泥沙淤積，對(duì)庫區(qū)下游河道的水流挾沙能力有所減弱的同時(shí)使水沙大幅度減少。

黃河上游部分流域和黃河中游地區(qū)水沙銳減及水沙關(guān)系發(fā)生變化與大量水土保持措施實(shí)施密切相關(guān)。自20世紀(jì)70年代以來，黃河中游地區(qū)大規(guī)模水土保持措施實(shí)施，如退耕還林、草，淤地壩等很大程度上改變了地表匯水輸沙過程[22-23]。而黃河下游的水沙關(guān)系變化不僅與中游匯入的水沙銳減有關(guān)，還與自2002年開始小浪底等水庫進(jìn)行的調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)有關(guān)，該試驗(yàn)通過利用上中游的來水對(duì)下游河道進(jìn)行沖刷，提升下游河道的行洪能力，使下游“二級(jí)懸河”得以緩解的同時(shí)，對(duì)下游水沙關(guān)系具有重要調(diào)控作用。

5 結(jié)論

1)黃河干流唐乃亥站徑流量和輸沙量呈非顯著減少趨勢(shì)；蘭州以下的5個(gè)干流站點(diǎn)年徑流和輸沙量均呈顯著減少趨勢(shì)，高村站徑流量下降幅度尤為顯著，年均減少5.12億m3。其各站的徑流量和輸沙量大多在1985年發(fā)生突變，這與龍羊峽、劉家峽水庫運(yùn)行密切相關(guān)。

2)黃河干流站水沙關(guān)系在2000年前具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，在不同時(shí)期受河段沖淤及水利工程調(diào)控發(fā)生顯著變化。由于寧蒙河段不斷淤積，頭道拐站自1986年后可輸送沙量增加18.2%，但水流挾沙力下降8.3%；而花園口站水沙關(guān)系在1999年發(fā)生明顯變化，后期受調(diào)水調(diào)沙影響，徑流輸沙的冪函數(shù)關(guān)系消失。

3)黃河干流各站徑流量和輸沙量受降水季節(jié)變化呈現(xiàn)出1年內(nèi)的的顯著振蕩周期，在20世紀(jì)90年代后期開始，年周期逐漸消失。干流大型水利工程、工農(nóng)業(yè)取水用水影響，黃土高原大規(guī)模的水土保持措施，如退耕還林草、淤地壩及梯田建設(shè)是導(dǎo)致黃河干流水沙情勢(shì)發(fā)生變化的主要原因。