黄河流域水沙搭配关系变化态势及成因分析

陈康1，陈吟1，王延贵2

(1.中国水利水电科学研究院，北京　100038；2.国际泥沙研究培训中心，北京　100044)

【摘　要】　随着黄河流域人类活动频繁和气候变化，流域水沙关系发生了重大变化。为了了解黄河水沙搭配关系的变化态势，本文利用Mann-Kendall检验法，就黄河干流水文站1950—2015年来沙系数变化特征进行研究，指出黄河干流除唐乃亥站和利津站外，其他水文站来沙系数均有不同程度减小趋势，相应的水沙搭配关系有所改善；结合黄河干流水沙搭配关系的变化态势，分析了黄河气候降水变化、水土保持、水库调水拦沙和引水引沙等因素对黄河水沙搭配关系变化的影响。

【关键词】　黄河流域；来沙系数；水沙搭配关系；影响因素

基金项目：国家自然科学基金项目(51679259)。

作者简介：陈康(1991—　)，男，硕士，主要从事水力学及河流动力学研究。

E-mail:ChenKangcp3@163.com

1　引言

黄河流域具有水少沙多的突出特点，同时，随着近几十年修建大量水库，实施水土保持工程、引水引沙工程等，加之自然气候条件变化的影响，使得黄河河道水沙关系产生重大变化。对此，诸多学者利用不同方法从不同角度对黄河流域水沙关系进行了研究，张晓华等[1]指出20世纪90年代以来黄河上游沙漠宽谷河段的水沙关系稍有变化，变化幅度较小；许炯心[2]指出1997年后黄河中游多沙粗沙区水沙关系发生了根本性变化；冯普林、胡春宏等[3,4]对黄河下游河道水沙关系的变化开展了相应研究；赵玉等[5]利用径流量和输沙量资料对黄河干流水沙关系变化进行了研究。但是这些研究缺乏对黄河水沙搭配关系变化成因的研究。本文则根据《中国河流泥沙公报》最新资料[6]，通过引入来沙系数，并采用Mann-Kendall检验法，对黄河干流主要水文站1950—2015年的水沙搭配关系变化及主要影响因素开展研究。

2　研究范围、方法与参数

2.1　研究范围

黄河分为上游河段、中游河段和下游河段。黄河上游河段是指内蒙古托克托县河口镇以上的河段，主要水文站有唐乃亥、兰州和头道拐三站；黄河中游河段是指河口镇至河南郑州桃花峪间的河段，横穿黄土高原，主要水文站有龙门站和潼关站；黄河下游河段是指桃花峪至入海口的河段，主要水文站有花园口、高村、艾山和利津四站。

2.2　研究方法

Mann-Kendall统计检验法通过计算河道水沙系列的标准化变量U[8]，与某一置信水平(0.05和0.002)下的临界变量对比。当│U│≤1.96时，水文量没有明显变化；│U│≥3.01时，水文量显著变化；3.01>│U│>1.96时，水文量发生变化趋势。

2.3　相关参数

来沙系数定义为江河含沙量与流量的比值，即

(1)

式中：ξ为来沙系数，(kg·s)/m6；S为含沙量，kg/m3；Q为流量，m3/s。

来沙系数主要反映河道的来沙输沙强度和水沙搭配关系[9]，河道来沙系数越大，河道水沙搭配关系越不协调，河道输沙强度越大；河道来沙系数越小，河道水沙搭配关系同样也越不协调，河道输沙强度越小。

3　黄河水沙搭配关系变化及趋势分析

通过分析黄河干流水文站来沙系数的变化，可以了解黄河的水沙搭配关系。表1为黄河干流主要水文控制站各年代来沙系数和变化趋势，图1为黄河干流主要水文站来沙系数年际变化过程线，图2为黄河干流主要水文站来沙系数沿程变化。从表1、图1和图2可以看出以下几点：

(1)上游三站(唐乃亥、兰州、头道拐)来沙系数多年均值较小，分别为0.00089(kg·s)/m6、0.00203(kg·s)/m6和0.00607(kg·s)/m6，对应的U值分别为0.587、-5.108、-5.208，表明唐乃亥站来沙系数没有明显的变化趋势，基本都在多年均值附近波动，水沙搭配关系变化不大；兰州站和头道拐站来沙系数均显著减小，分别从20世纪50年代的0.00424(kg·s)/m6和0.00785(kg·s)/m6持续减至20世纪80年代的0.00130(kg·s)/m6和0.00495(kg·s)/m6，在20世纪90年代略有上升后，又分别持续减至2010年后的0.00047(kg·s)/m6和0.00403(kg·s)/m6，水沙搭配关系均发生了显著变化。

(2)中游两站(龙门、潼关)来沙系数的变化规律基本一致，多年平均值分别为0.03055(kg·s)/m6和0.02730(kg·s)/m6，对应的U值分别为-3.614和-2.236，表明龙门站来沙系数显著减小，潼关站来沙系数具有减小趋势，两站来沙系数均在20世纪70年代前变化较为平缓，20世纪80年代分别锐减至0.02316(kg·s)/m6和0.01975(kg·s)/m6，20世纪90年代分别急增至0.04166(kg·s)/m6和0.04303(kg·s)/m6，2000年后又持续减小，2010年后分别仅为0.00624(kg·s)/m6和0.00677(kg·s)/m6，两站水沙搭配关系皆发生了一定的变化，呈改善趋势。

(3)下游四站(花园口、高村、艾山、利津)来沙系数多年平均值分别为0.01904(kg·s)/m6、0.020029(kg·s)/m6、0.02315(kg·s)/m6和0.03229(kg·s)/m6，对应的U值分别为-3.24、-2.56、-1.30和0.22，表明至今花园口站来沙系数显著减小，高村站来沙系数具有减小趋势，艾山站和利津站来沙系数没有明显变化趋势，四站来沙系数虽然变化趋势差别较大，但过程较为相似，受上中游水沙条件以及三门峡水库运行的影响均在20世纪80年代前呈现“减—增—减”的波动态势。由于1990年后下游大量引水，来沙系数分别陡增到0.03486(kg·s)/m6、0.03478(kg·s)/m6、0.04591(kg·s)/m6和0.07775(kg·s)/m6，1999年小浪底水库建成，拦截了大量泥沙，而径流量变化不大，因而2000年以后来沙系数回落，2010年后分别仅为0.00273(kg·s)/m6、0.00471(kg·s)/m6、0.00632(kg·s)/m6和0.00875(kg·s)/m6，四站水沙搭配关系发生了不同程度的变化，近期有所改善。

(4)就整个黄河干流而言，黄河上游各站的来沙系数沿程增加，至中游龙门站和潼关站达到最大值，经过河道淤积和三门峡水库、小浪底水库的拦沙，从潼关至花园口站逐渐减小，下游河道由于引水灌溉和水库下游河道冲刷恢复的影响，各站来沙系数又呈现沿程增加的现象，至利津达最大值。

4　黄河水沙搭配关系变异的影响因素

黄河水沙搭配关系变化的主要影响因素包括气候降水变化、水土保持、水库调水拦沙和引水引沙等。

4.1　气候降水变化

气候变化引起降水量变化，直接导致径流量发生变化，从而影响输沙量的变化趋势，最终导致流域水沙搭配关系发生变化。花园口以上流域面积占整个黄河流域面积的97%，因此，用花园口断面降水量代表整个流域的降水量具有一定的可靠性[10]。利用文献[9]统计的黄河流域花园口以上地区历年降水量资料，点绘花园口站来沙系数与年降水量四个时段(1950—1968年、1969—1985年、1986—1996年和1997—2004年)的关系，见图3。从图中可以看出：花园口站来沙系数随着年降水量的增加而减小，表明降水量的变化将会改变河道的输沙能力和水沙搭配关系。

4.2　水土保持

黄河中游水土流失严重，20世纪60年代末开始，在黄土高原地区展开大规模的水土保持措施，主要包括植树、种草、淤地坝等，对流域保水滞沙与河道水沙量减少产生重要影响。据有关文献分析[11]，水土保持对流域河道水沙影响是比较复杂的，为了反映水土保持对河道水沙搭配关系的影响，选用河道来沙系数与流域水保实有面积的关系进行分析，搜集了黄河中游无定河、北洛河和渭河等重要支流的水保实有面积，水保实有面积比例是指流域水土保持实有面积与流域面积的比值。图4点绘了这三条支流来沙系数与水保实有面积比例的关系，从图中可以看出：对于无定河、北洛河和渭河流域，随着流域水保实有面积比例的增加，河道输沙量和含沙量减少，导致河道来沙系数减小；但当流域水保面积比例增加到一定程度，如渭河和北洛河水保面积比例约为0.05，无定河约为0.17，河道输沙量难于继续减少，而流域保水效果显现或者流域用水量增加，河道流量减小，使得来沙系数增大。

4.3　水库调水拦沙

流域干支流上建设的水库大坝工程，调节了水沙过程，拦蓄了部分径流和泥沙，减少了进入下游的输沙量，改变了下游河道原有的水沙搭配关系。图5为黄河干流典型水文站来沙系数与其上游累积库容过程线。从图中可以看出：头道拐站上游分别于1961年3月、1961年5月、1967年、1968年、1986年、1997年修建了盐锅峡、三盛公、青铜峡、刘家峡、龙羊峡、李家峡等大型水库。相应的，头道拐站来沙系数过程线显示，在1961年、1968年和1997年后均有明显的下降过程。上游水库蓄水运用后调水调沙作用在洪水期不但调节了水量也拦截了大量泥沙，使下游含沙量明显降低，造成河床冲刷、来沙系数减小，使得河道水沙关系变异。黄河中游分别于1960年、1977年、1998年、1999年修建了的大型水库有三门峡水库、天桥水利枢纽、万家寨水库和小浪底水库。相应的，花园口站来沙系数过程线显示，在1961年、1977年和1997年后均有明显的下降过程，特别是小浪底水库修建后。水库的运用方式对河道水沙关系影响显著，1960年9月三门峡水库正式投入运用以来，先后经历了蓄水拦沙、滞洪排沙及蓄清排浑三种运用方式。在蓄水拦沙期，水库下泄清水，冲刷遍及全下游，使来沙系数明显减小，下游河道水沙搭配关系有所改善；在滞洪排沙期，出库水沙过程发生了明显变化，水库降低水位过程中大量排沙，下游经常出现“大水带小沙，小水带大沙”的不利水沙搭配关系；在蓄清排浑期，根据下游河道输沙特点，水库释放有利于减少下游河道淤积的水沙，来沙系数明显减小，水沙搭配关系显著改善。

4.4　引水引沙

随着社会工农业生产的不断发展，引黄规模逐渐扩大,主要包括农业灌溉、工业用水、生态用水、城乡生活用水等，黄河流域引水量日趋增加[12]，见表2。黄河下游自1950—2005年的55年间(1962—1965年停灌)，引黄水量共计13840亿m3，平均年引黄251.64亿m3，占黄河流域总径流量的45.7%；1950—2005年黄河流域引沙总量为133.1亿t，平均年引沙量为2.42亿t，占黄河潼关站输沙量的比例为24.1%，可以看出引水多，引沙少，造成水沙关系不协调[13]。黄河引水规模随时间逐渐增加，同时，引沙量在1980年之前增加，而1980年之后则逐渐减少，但引沙比例则总体呈增加趋势。无论是引水量，还是引沙量，其占流域水沙量的比例都很高，最高都超过70%，下游河道径流量减少比例明显大于输沙量减少比例，使得来沙系数增大，导致河道水沙搭配关系不协调。

5　结论

(1)黄河干流上游来沙系数沿程增加，至中游达到最大值，从潼关站至花园口站逐渐减小，下游又沿程增加。

(2)上游唐乃亥站水沙关系变化不大，上游兰州站、头道拐站和中游龙门站、潼关站的来沙系数均显著减小，水沙搭配关系发生了显著变化；至今，下游四站来沙系数虽然变化趋势差别很大，但变化过程较一致，花园口站来沙系数显著减小，高村站具有减小趋势，水沙搭配关系发生了显著变化，艾山站和利津站来沙系数虽无明显变化趋势，但水沙搭配关系一直在变化，近期四站水沙搭配关系均有所改善。

(2)黄河水沙搭配关系变化态势的影响因素主要包括气候降水变化、水土保持、水库调水拦沙和引水引沙等。

参考文献：

[1]　张晓华，苏晓慧，郑艳爽，等.黄河上游沙漠宽谷河段近期水沙变化特点及趋势[J].泥沙研究，2013(2):44-51.

[2]　许炯心.黄河中游多沙粗沙区1997—2007年的水沙变化趋势及其成因[J].水土保持学报，2010,24(1):1-7.

[3]　冯普林，梁志勇，黄金池，等.黄河下游河槽形态演变与水沙关系研究[J].泥沙研究，2005(2):66-74.

[4]　胡春宏，陈建国，刘大滨，等.水沙变异条件下黄河下游河道横断面形态特征研究[J].水利学报，2006,37(11):1283-1289.

[5]　赵玉，穆兴民，何毅，等.1950—2011年黄河干流水沙关系变化研究[J].泥沙研究，2014(4):32-38.

[6]　中华人民共和国水利部.中国河流泥沙公报(2000—2015)[M].北京：中国水利水电出版社,2000-2015.

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[8]　王延贵，刘茜，史红玲.江河水沙变化趋势分析方法与比较[J].中国水利水电科学院学报，2014,12(2)：190-195.

[9]　吴保生，申冠卿.来沙系数物理意义的探讨[J].人民黄河,2008,30(4):15-16.

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[11]　汪岗，范昭.黄河水沙变化研究[M].郑州：黄河水利出版社，2002.

[12]　彭俊,陈沈良.近60年黄河水沙变化过程及其对三角洲的影响[J].地理学报,2009,64(11):1353-1362.

[13]　赵文林.黄河泥沙[M].郑州：黄河水利出版社，1996.

Analysis of Trends and Reasons of Variations in Water-sediment Relationship of the Huanghe River Basin

CHEN Kang1,WANG Yangui2,CHEN Yin1

[1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing　100038;2.International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation(IRTCES),Beijing　100044]

Abstract:With the frequent human activities and climate change in the Huanghe River basin,the relationship between water and sediment in the river basin has undergone significant changes.In order to understand the changing trend of the relationship between water and sediment in the Huanghe River,Mann-Kendall test was used to study the variation characteristics of the incoming sediment coefficient in the Huanghe River hydrological stations from 1950 to 2015.The results indicate that the incoming sedimentation coefficient of most mainstream hydrological stations is decreasing in different degrees,except Tangnaihai station and Lijin station,and the corresponding water and sediment collocation relation is improved.Combined with the changing trend of the relationship between water and sediment,this paper analysed the impact of precipitation changes,soil and water conservation,silt trapping by reservoirs,and water and sediment diversion on the variations in runoff and sediment of the Huanghe River.

Key words:Huanghe River Basin;Incoming Sediment Coefficient;Relationship Between Runoff and Sediment;Influence Factors