黃河中游區(qū)間入黃水沙量的貢獻(xiàn)率變化分析

陳界仁，任 磊，任莎莎

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

黃河是我國(guó)輸沙量最大的河流，具有沙多水少，水沙異源特點(diǎn)，黃河中游河口鎮(zhèn)至潼關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)河潼區(qū)間)是黃河中游泥沙尤其是多沙粗沙的最主要來(lái)源區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河口鎮(zhèn)至龍門(mén)區(qū)間占三門(mén)峽水庫(kù)以上進(jìn)入黃河泥沙的90%以上，水量主要來(lái)自于上游，頭道拐水量占潼關(guān)站的65%左右[1]。歐陽(yáng)潮波等[2]采用多年滑動(dòng)平均、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)等方法對(duì)黃河中游河龍區(qū)間1950-2012年的水沙變化特點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)河龍區(qū)間水沙年際變化整體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)并且受到降雨因素和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響；劉都喜等[3]對(duì)黃河中游干流及2個(gè)支流的水沙特性進(jìn)行分析；武榮等[4]對(duì)河口鎮(zhèn)-龍門(mén)區(qū)間的9條支流及龍門(mén)站1975-2005年間水沙變化特征進(jìn)行分析，得出了水利水保措施是水沙減少的主要原因。受自然因素及人類(lèi)活動(dòng)影響，黃河中游區(qū)間進(jìn)入黃河的水沙量發(fā)生了減少的變化，但中游各區(qū)域進(jìn)入黃河水沙量的貢獻(xiàn)率變化不同，對(duì)此研究成果不多。鑒于黃河中游區(qū)間缺乏長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料，依據(jù)黃河干流基本站資料得到區(qū)間的水沙量，將黃河中游分為3個(gè)區(qū)域(頭道拐-吳堡、吳堡-龍門(mén)、龍門(mén)-潼關(guān))，分析各區(qū)進(jìn)入黃河水沙量并對(duì)黃河水沙貢獻(xiàn)率變化特性進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域概況

黃河中游是指從內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)至潼關(guān)(河潼)區(qū)間流域(圖1)，地理位置位于北緯32～40°和東經(jīng)104～113°之間，區(qū)間干流長(zhǎng)約849 km，集水面積約為31 萬(wàn)km2，占黃河流域面積的38%[5]。區(qū)間的入黃水量約為32%，入黃沙量約占黃河干流輸沙量的90%，為黃河泥沙及粗砂的最主要來(lái)源區(qū)。區(qū)間流域面積大于1 000 km2以上支流達(dá)到25條，將黃河中游分為3個(gè)區(qū)域即頭道拐-吳堡(上部)區(qū)域面積為65 616 km2,該區(qū)域大的支流有15條左右，主要有窟野河、皇甫川、偏關(guān)河、禿尾河等；吳堡-龍門(mén)(中部)區(qū)域面積為64 038 km2，該區(qū)大的支流有9條，如無(wú)定河、延河、清澗河、三川河等；龍門(mén)-潼關(guān)(下部)區(qū)域面積為184 614 km2，主要支流有4條，主要有汾河、北洛河、涇河、渭河等。

圖1 研究區(qū)地理位置與水系圖Fig.1 Geographical location and water system of the study area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

選取黃河干流頭道拐、吳堡、龍門(mén)、潼關(guān)水文站1958-2016年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水沙資料。由于黃河中游區(qū)間支流較多，大部分缺乏長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水沙資料，因此，依據(jù)干流基本站資料，用干流站之間的水沙量差值計(jì)算得到3個(gè)區(qū)域的年徑流量和年輸沙量，用頭道拐站及3個(gè)區(qū)域的水沙量與潼關(guān)站的水沙量比值反映黃河上游及中游3個(gè)區(qū)域入黃水沙量的貢獻(xiàn)率，分析入黃水沙量貢獻(xiàn)率的變化。干流站的年徑流量和輸沙量來(lái)自黃河水文年鑒和《黃河水資源公報(bào)》及《黃河泥沙公報(bào)》。水沙變化趨勢(shì)分析采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[6]和線性回歸方法。

3 結(jié)果分析

3.1 水沙量的變化分析

黃河中游區(qū)間3個(gè)區(qū)域的1958-2016年徑流量及年輸沙量變化見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，黃河中游三個(gè)區(qū)域的年徑流量總體呈下降變化，龍門(mén)-潼關(guān)區(qū)間的徑流量除1995-2002年間較小外，其他年份均遠(yuǎn)大于上、中部。1958-2016年3個(gè)區(qū)的年輸沙量總體呈減小變化，2000年后各區(qū)域的年輸沙量均較小，最大為3.0 億t；頭道拐-吳堡區(qū)間1967年出現(xiàn)了最大的年輸沙量為15.3 億t。統(tǒng)計(jì)分析黃河中游區(qū)間3個(gè)區(qū)域的1958-2016年、1958-2000年及2001-2016年三個(gè)時(shí)段的多年平均徑流量和輸沙量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 區(qū)間徑流與輸沙量歷年變化Fig.2 Variation of runoff and sediment transport over the years

區(qū)間頭道拐頭道拐-吳堡吳堡-龍門(mén)龍門(mén)-潼關(guān)河-潼區(qū)間潼關(guān)時(shí)段多年平均徑流量/億m3206.522.321.769.8113.7320.21958-2016年222.626.225.678.2130.0352.61958-2000年163.011.811.147.370.2233.22001-2016年多年平均輸沙量/億t0.932.642.362.947.948.871958-2016年1.113.552.953.6510.1511.291958-2000年0.420.220.761.032.02.432001-2016年

從表1可見(jiàn)：從多年平均徑流量分析，頭道拐站、上部、中部、下部區(qū)域、河潼區(qū)間的2001-2016年均值與1958-2000年均值比值分別為73.2%、45%、43.3%、60.5%、54%；從多年平均輸沙量分析：頭道拐站、上部、中部、下部區(qū)域、河潼區(qū)間的2001-2016年均值與1958-2000年均值比值分別為38.0%、6.2%、25.7%、28.1%、21.5%；2000年后中游的上部區(qū)域沙量減幅最大，中下部區(qū)域減幅接近。從1958-2016年資料分析，上、中、下部區(qū)域的多年平均輸沙強(qiáng)度分別為4 069、3 670、1 582 t/km2，上部區(qū)域的輸沙模數(shù)最大，下部區(qū)域最小。黃河中游區(qū)間水沙量的時(shí)序變化M-K秩值分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各區(qū)域水沙秩值變化趨勢(shì)Tab.2 Variation trend of Rank Value for water and sediment in each area

分析結(jié)果表明：1958-2000年，各區(qū)域年徑流量和年輸沙量的秩相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，表明各區(qū)間的年徑流量和年輸沙量均為減小趨勢(shì)，除龍門(mén)-潼關(guān)年輸沙量的檢驗(yàn)值為-1.26外，其余各區(qū)間檢驗(yàn)值的絕對(duì)值均大于2.32，通過(guò)了信度為99%顯著性檢驗(yàn)，為異常顯著減??；2000-2016年間，3個(gè)區(qū)域的年徑流量的檢驗(yàn)值有正有負(fù)，秩小于1，說(shuō)明各區(qū)的年徑流量呈不顯著的上升和下降趨勢(shì)；各區(qū)間年輸沙量的M-K秩值均為負(fù)值，表明各區(qū)的年輸沙量顯著減小趨勢(shì)，與同時(shí)期年徑流量的變化趨勢(shì)不同。長(zhǎng)系列1958-2016年的水沙秩系數(shù)均為負(fù)值，小于-2.32，為異常顯著減小變化。

3.2 入黃水沙量的貢獻(xiàn)率變化分析

圖3是頭道拐、中游各區(qū)域入黃水沙量貢獻(xiàn)率的歷年變化圖，由圖3可見(jiàn)，頭道拐站入黃水量貢獻(xiàn)率總體呈增加的變化趨勢(shì)，年均增加率為0.235，對(duì)應(yīng)的河潼區(qū)間入黃水量貢獻(xiàn)率呈減小的變化趨勢(shì)，年均減小率為0.235。中游區(qū)間的三個(gè)區(qū)域的水量貢獻(xiàn)率呈減小變化，區(qū)域上、中、下部的年均減小率分別為0.078、0.052、0.105。2005年前，頭道拐站的入黃沙量貢獻(xiàn)率無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，變幅相對(duì)較小，2005年后，沙量貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為明顯的增大變化，2014年達(dá)到57.9%的最大值。對(duì)應(yīng)的河-潼區(qū)間，2005年后沙量貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為明顯的減小變化，2014年達(dá)到42.1%的最低點(diǎn)。中游區(qū)間各區(qū)域的沙量貢獻(xiàn)率變化比較復(fù)雜，無(wú)明顯的增加或減小變化趨勢(shì)。其中頭道拐-吳堡區(qū)間2000年前相對(duì)平穩(wěn)，2000年后明顯減?。粎潜?龍門(mén)區(qū)間2000年前相對(duì)平穩(wěn)，2000年后總體為增大變化，變幅較大；龍門(mén)-潼關(guān)區(qū)間1983年之前相對(duì)穩(wěn)定，1983年后，變幅加大，總體為增加變化。

圖3 頭道拐及黃河中游各區(qū)域入黃水沙貢獻(xiàn)率歷年變化Fig.3 Variation of water and sediment contribution rate in Toudaoguai and each area of middle reaches of Yellow River over the years

頭道拐站及區(qū)間入黃水沙貢獻(xiàn)率變化統(tǒng)計(jì)特性結(jié)果見(jiàn)表3和圖4。從表3和圖4可見(jiàn)，2000年后，頭道拐的水量貢獻(xiàn)率增加了為6.8%，3個(gè)區(qū)域的水量貢獻(xiàn)率分別減小了2.4%、2.5%、1.9%，河潼區(qū)間的水量貢獻(xiàn)率減小了6.8%。上游對(duì)黃河水量貢獻(xiàn)率增加，中游區(qū)間的貢獻(xiàn)率減小了。2000年后，頭道拐沙量貢獻(xiàn)率增加了7.4%，上部區(qū)域的沙量貢獻(xiàn)率減小了22.5%、中、下部區(qū)域的沙量貢獻(xiàn)率分別增加了5.1%、10%，河潼區(qū)間沙量貢獻(xiàn)率減小了7.4%。中游區(qū)間水量的貢獻(xiàn)率減小由三個(gè)區(qū)域共同作用，中游區(qū)間沙量貢獻(xiàn)率減小是由區(qū)域上部的沙量減小引起的。

表3 黃河中游區(qū)間入黃水沙量的貢獻(xiàn)率分析Tab.3 The water and sediment contribution rate of each area in middle reaches of the Yellow River

圖4 各區(qū)域入黃水沙量的貢獻(xiàn)率變化Fig.4 Variation of water and sediment contribution rate of each area

3.3 區(qū)間輸沙量與徑流量的關(guān)系分析

圖5為河-潼區(qū)間1958-2016年輸沙特性曲線。從圖5中可以看出，年輸沙量隨徑流量的增加呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系式為：

y=0.483 8 e0.020 8 x

(1)

式中：x為年流量，億m3；y為年均輸沙量，億t，相關(guān)性程度較高(R2=0.824)。從數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚集情況分析，在過(guò)去的59年內(nèi)，約有2/3的點(diǎn)集中在年徑流量≤120 億m3、年輸沙量≤9 億t的區(qū)域內(nèi)，且該區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)相對(duì)冪函數(shù)方程的相關(guān)性較高，較集中地分布在曲線兩側(cè)。而區(qū)域外分布的點(diǎn)較少且較分散，與曲線的相關(guān)程度相對(duì)較低，即小徑流量下徑流量與輸沙量之間表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖5 河潼區(qū)間的輸沙量與徑流量關(guān)系Fig.5 Relationship between sediment transport and runoff of He-Tong region

4 結(jié)論與討論

依據(jù)黃河干流水文站的水沙資料得到區(qū)間的水沙量，將中游區(qū)間分為3個(gè)區(qū)，對(duì)3個(gè)區(qū)域的入黃水沙量貢獻(xiàn)率變化及影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

頭道拐站、黃河中游區(qū)間的水沙量均為減小變化。2000年后水沙量的減幅更大，2001-2016年的水量均值為1958-2000年均值的43.3%～73.2%，沙量均值為6.2%～38.0%。2000年后中游的上部區(qū)域沙量減幅最大，中下部增幅接近。

2000年后，頭道拐水量貢獻(xiàn)率增加了6.8%，河潼區(qū)間水量貢獻(xiàn)率減小了6.8%，上、中、下區(qū)域水量貢獻(xiàn)率分別減小了2.4%、2.5%、1.9%。頭道拐沙量貢獻(xiàn)率增大了7.4%，河潼區(qū)間貢獻(xiàn)率減小了7.4%，其中上部區(qū)域貢獻(xiàn)率減小了22.5%，中、下部區(qū)域貢獻(xiàn)率分別增加了5.1%、10%。區(qū)間水量貢獻(xiàn)率的減小由3個(gè)區(qū)域共同影響，區(qū)間沙量貢獻(xiàn)率的減小是由區(qū)域上部減小引起的。

2000年后中游區(qū)間徑流量與輸沙量均減小，與相關(guān)性結(jié)果一致。從3個(gè)區(qū)域水沙貢獻(xiàn)率關(guān)系分析，3個(gè)區(qū)域的水量貢獻(xiàn)率減小，沙量貢獻(xiàn)率也應(yīng)減小，但是只有頭道拐-吳堡沙量貢獻(xiàn)率減小，其他2個(gè)區(qū)域的沙量貢獻(xiàn)率增大了。影響區(qū)間水沙量變化的主要影響因素為降水及人類(lèi)活動(dòng)如水土保持等，2000年后，區(qū)域上部的沙量貢獻(xiàn)率減小值遠(yuǎn)大于水量貢獻(xiàn)率減小值，說(shuō)明水土保持措施對(duì)沙量貢獻(xiàn)率減小的影響更大；中下部區(qū)域的水量貢獻(xiàn)率減小，沙量貢獻(xiàn)率卻增大，表明這2個(gè)區(qū)域的沙量減少?gòu)?qiáng)度小于水量減小幅度，可能與區(qū)域的水土保持措施類(lèi)型有一定關(guān)系。

黃河中游的水沙變化是非常復(fù)雜的，依據(jù)黃河干流水文站的資料對(duì)區(qū)間水沙入黃貢獻(xiàn)率變化特性進(jìn)行了初步研究，區(qū)間水沙還受到用水、淤地壩等影響，自然條件下的水沙量存在復(fù)雜的還原計(jì)算。另外可開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)段黃河中游 流域的水沙模型研究，深入分析其中游區(qū)間水沙變化過(guò)程及水沙貢獻(xiàn)率變化。