黃河上游蘭州水文站2004—2018年水沙特性分析

馬 雁，賈生海，張彥洪

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黃河作為西北地區(qū)重要的淡水資源，在地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要的角色。黃河泥沙問題由來已久，相關(guān)學(xué)者為此做了大量調(diào)查研究，其中趙陽等研究了黃河流域近70年水沙現(xiàn)狀及成因分析[1]，姚文藝等通過黃河上游進(jìn)出水庫的水沙資料分析了水庫運(yùn)行對徑流泥沙的調(diào)節(jié)及影響[2]，彭少明等利用IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)指標(biāo)體系分析了梯級水庫群不同運(yùn)行方式對黃河上游水文變化和對河流生態(tài)的影響[3- 4]，同時人類活動和氣候變化在一定程度上影響著流域水沙運(yùn)移規(guī)律[5- 7]。

黃河上游通常是指內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)以上河段，全長3472km，占總長的63.5%，流域面積約為38.6萬km2，占全河總流域面積的51.3%左右。黃河上游天然徑流量的99%來自蘭州以上地區(qū)，泥沙主要來源區(qū)間位于蘭州至青銅峽地段[8]。黃河上游水體泥沙含量小，水能資源蘊(yùn)藏量大，沿途建造的水利樞紐工程大大推動了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)和地方水利電力行業(yè)的發(fā)展。但因黃河含沙量大，人類活動及水利工程的修建，改變了河道的水沙沖淤平衡，河岸面積縮減、部分寬谷河道主河槽淤積嚴(yán)重，河道健康和生態(tài)功能進(jìn)一步減退，調(diào)控洪水的能力減弱，可能導(dǎo)致洪水淹沒及人民財產(chǎn)的損失[9- 11]。因此，研究黃河上游水沙特性變化規(guī)律，對水資源合理配置、維持地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，保障人民財產(chǎn)安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 黃河上游泥沙來源分析

黃河主要支流有湟水、白河、黑河、洮河、大夏河、大黑河、祖厲河、清水河等，多年平均天然徑流量達(dá)330億m3，占黃河天然徑流總量的57.2%。黃河中的泥沙主要來源于支流泥沙的匯入，上游典型支流為洮河，控制水文站為紅旗站[12]。黃河上游部分河段經(jīng)過黃土高原地區(qū)，該地區(qū)汛期降雨集中、降水強(qiáng)度大，而植被稀疏矮小，結(jié)構(gòu)疏松的表土在雨水的強(qiáng)力沖刷下，極易引發(fā)水土流失；內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)以上黃河段流經(jīng)騰格里沙漠和毛烏素沙漠，地表沙土在水流侵蝕及風(fēng)蝕等條件下每年將有大量的泥沙進(jìn)入黃河。因此，降雨侵蝕和水土流失是黃河上游泥沙的主要來源，這一觀點(diǎn)同時也被相關(guān)學(xué)者證實(shí)[13]。近年來，土地利用類型及城市化等人類活動在一定程度上改變了黃河上游流域下墊面狀況，使流域水循環(huán)過程發(fā)生改變，對流域泥沙的產(chǎn)生也有較大影響[14]。

2 蘭州水文站不同年份水沙特征分析

蘭州水文控制站位于黃河干流之上，其控制流域面積達(dá)22.26萬km2。該站2004—2018年年徑流量、年輸沙量及年平均含沙量來源于水利部《中國河流泥沙公報》發(fā)布數(shù)據(jù)。

2.1 蘭州水文站不同年份年徑流量變化特征

2004—2018年蘭州水文控制站15年間年徑流量變化特征如圖1所示。由圖1可知，2004—2018年，年徑流量在235.6億～441.8億m3之間變化，平均徑流量為302.8億m3，年徑流量呈先增大后減小再增大的變化趨勢。2012年是15年來第一個年徑流量達(dá)到高峰的年份，為380.4億m3，而第二次年徑流量高峰出現(xiàn)在2018年，達(dá)到441.8億m3，為2004年來的最大徑流量，較其他年份平均流量增加50.85%。經(jīng)統(tǒng)計2012年該水文站所在流域降雨、徑流和2018年黃河流域洪水等資料發(fā)現(xiàn)[15—17]，2012年黃河上游產(chǎn)生了一次較大規(guī)模的洪水過程，7月30日10:18洪峰流量達(dá)到3860m3/s，是1986年以來的最大洪峰流量；這次洪水過程中日均流量大于2500m3/s的天數(shù)為29d，日均流量超過3000m3/s的天數(shù)為9d，因此導(dǎo)致2012年年徑流量高于除2018年的其他年份。2018年汛期黃河流域暴雨過程頻繁，共出現(xiàn)3次編號洪水，中雨以上降水過程共21次，其中在第2號洪水過程中，蘭州水文控制站7月23日8:18洪峰流量達(dá)3610m3/s，此次洪水量達(dá)到3.05億m3；在第3號洪水過程中，9月26日23:00洪峰流量達(dá)3590m3/s，總水量為191億m3，洪水歷時87d，本次日均流量大于3000m3/s的天數(shù)達(dá)30d，3次洪水過程導(dǎo)致2018年年徑流量明顯大于其他年份。

2.2 蘭州水文站不同年份年輸沙量變化特征

2004—2018年蘭州水文控制站15年間年輸沙量的變化特征如圖2所示。由圖2可知，2004—2018年，年輸沙量在0.079～0.960億t之間變化，其中2004—2007年年輸沙量平均值為0.257億t，呈逐年遞增趨勢；2008—2011年年輸沙量平均值為0.109億t，處于較低水平，2004—2007年年輸沙量是2008—2011年年輸沙量的2.45倍；2012年由于黃河上游一次較大的洪水過程，輸沙量迅速增大到0.372億t；2013—2017年年輸沙量平均值為0.118億t，與2008—2011年均值接近；2018年輸沙量達(dá)到最大值0.960億t，是其他年份平均輸沙量的5.54倍。通過查閱和分析水文站相關(guān)資料可知[18]，2018年年徑流量較其他年份偏大，為441.8億m3，同時2018年汛期受降雨影響，黃河上游洪水多、水量大、降雨持續(xù)時間長，伴隨洪水過程，受湟水、大通河等支流的影響，黃河上游來水含沙量增大，輸沙量明顯增多。

圖2 2004—2018年年輸沙量變化特征

2.3 蘭州水文站不同年份年平均含沙量變化特征

2004—2018年年平均含沙量的變化特征如圖3所示。由圖3可知，年平均含沙量最小值為0.260kg/m3，最大值為2.170kg/m3，對應(yīng)的年份分別為2009、2018年。2004—2007年年平均含沙量逐年遞增，平均值為0.898kg/m3，與2012年0.978kg/m3平均含沙量接近；2018年平均含沙量為2.170kg/m3，是2004—2007年平均值的2.42倍；其余年份平均值為0.403kg/m3，是2018年的18.57%，2004—2007年平均值的44.88%。總體來看，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中除2018年外，其他年份年平均含沙量均值為0.585kg/m3，變化幅度較小，2018年較其他年份平均增加了270.67%，這種趨勢與該年度徑流量和輸沙量較其他年份大相一致。同時，由于2018年汛期暴雨洪水增多且歷時長，促使其平均含沙量較其他年份明顯偏多。

圖3 2004—2018年年平均含沙量變化特征

2.4 蘭州水文站不同年份年徑流量與年平均含沙量關(guān)系

河道中年徑流量大小與降水量及支流來水等因素有關(guān)。2004—2018年以來年徑流量與年平均含沙量之間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可以得出，在不同年份隨徑流量的增加，年平均含沙量呈逐漸增大的趨勢，可用線性函數(shù)表示。

f(x)=-1.2091+0.0063x

(1)

式中，f(x)—平均含沙量，kg/m3；x—年徑流量，億m3；R—相關(guān)系數(shù)，這里取R=0.6831。由此可見，在平均含沙量變化不大的情況下，年徑流量越大，年平均含沙量也就越大。

圖4 2004—2018年年徑流量與年平均含沙量變化關(guān)系

2.5 蘭州水文站不同年份年輸沙量與年平均含沙量關(guān)系

2004—2018年以來年輸沙量與年平均含沙量之間的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可以得出，年輸沙量與年平均含沙量之間呈線性關(guān)系，可用線性函數(shù)表示。

f(x)=0.2078+2.1409x

(2)

式中，f(x)—平均含沙量，kg/m3；x—年輸沙量，億t，R—相關(guān)系數(shù)，這里取R=0.9770。由此可見，年輸沙量與年平均含沙量二者相關(guān)性強(qiáng)，隨著年輸沙量的增大，年平均含沙量也隨之增大。

圖5 2004—2018年年輸沙量與年平均含沙量變化關(guān)系

2.6 蘭州水文站不同年份年徑流量與年輸沙量關(guān)系

黃河上游水沙異源，不同時期水沙變化主導(dǎo)因子不同，20世紀(jì)60年代以前以降雨為主導(dǎo)因子，之后隨著上游大型水庫的修建及水保措施的實(shí)施，水沙變化受自然因素和人類活動共同影響[17]。2004—2018年年徑流量與年輸沙量變化關(guān)系如圖6所示，由圖6可以得出，在不同年份隨徑流量的增加，年輸沙量呈逐漸增大的趨勢，可用線性函數(shù)表示。

f(x)=-0.7849+0.0033x

(3)

式中，f(x)—年輸沙量，億t；x—年徑流量，億m3；R—相關(guān)系數(shù)，這里取R=0.7962。

由相關(guān)系數(shù)可知年徑流量與年輸沙量相關(guān)性較差，說明水沙變化受自然因素和人類活動的共同影響較大，同時水沙變化并不完全遵循同步規(guī)律，存在時間上的差異性。

圖6 2004—2018年水沙變化關(guān)系

3 結(jié)語

降雨和洪水對黃河上游徑流量影響較大，同時支流洪水不僅導(dǎo)致洪峰的出現(xiàn)，還攜帶大量泥沙。通過分析黃河上游蘭州水文控制站水沙來源及徑流、泥沙特征，研究認(rèn)為2004—2018年，年徑流量呈先增大后減小再增大的趨勢，輸沙量和平均含沙量隨年份變化不明顯，2018年受暴雨洪水影響，三項(xiàng)指標(biāo)均高于其他年份；在不同年份隨徑流量和輸沙量的增加，年平均含沙量均呈線性增長的趨勢，水沙變化并不完全遵循同步規(guī)律，存在時間上的差異性。因此，加強(qiáng)洪水預(yù)報，減少支流泥沙來源，降低洪水過程中攜帶的泥沙量，有助于減少黃河上游泥沙含量，減少下游泥沙淤積量。