基于不協(xié)調(diào)度的黃河下游水沙變化分析

時芳欣 郜國明 王遠見

摘 要：為全面了解黃河水沙關(guān)系變化情況并為水沙調(diào)控提供參考，引入由來沙系數(shù)計算的水沙不協(xié)調(diào)度概念，把三門峽站作為進入黃河下游水沙資料的控制站，根據(jù)其1963—2017年實測流量與含沙量資料，分析了黃河水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)狀況及變化情況。結(jié)果表明：近年來黃河的流量和含沙量呈顯著下降趨勢，遲滯7 a和14 a的含沙量與流量有較強的相關(guān)性，多年平均年內(nèi)流量變化相對于含沙量變化存在一個月的遲滯;黃河水沙不協(xié)調(diào)在2005年以前以水少沙多為主，其中20世紀80年代中期不協(xié)調(diào)度較低，但仍呈現(xiàn)出顯著的水少沙多狀態(tài);2005年以后水沙不協(xié)調(diào)表現(xiàn)為水多沙少;汛期水沙不協(xié)調(diào)是影響全年水沙不協(xié)調(diào)的主要原因，7月是年內(nèi)水沙最不協(xié)調(diào)的月份。

關(guān)鍵詞：不協(xié)調(diào)度;水沙關(guān)系;流量;含沙量;黃河下游

中圖分類號：TV62;TV882.1 文獻標志碼：A

Abstract： This research proposed a concept of the degree of incoordination between water and sediment for sandy rivers and a method to measure it. The research used the long time series data of water and sediment （1963 to 2017） of the Sanmenxia Hydrological Station to represent the typical inflow of runoff and sediment into the lower reaches of the Yellow River to analyze the incoordination between water and sediment. The results indicate that the runoff and sediment have a significant decrease. An obvious correlation has been found between the runoff and sediment with a 7-year or 14-year delay. One month delay has been found between the monthly runoff and sediment. Before 2005， there is more sediment in water， while there is more water than sediment after 2005. The degree of incoordination has a lower value with less water and more sediment in 1980s. Volumes of the runoff and sediment during the flood season determine the incoordination between water and sediment in the lower reaches of the Yellow River. The degree of incoordination between water and sediment is peak in July.

Key words： degree of incoordination; relationship; runoff; sediment; Lower Yellow River

1 引 言

人類活動的增加以及自然因素的改變，造成流域水資源、流域地貌及其生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化，河流水沙急劇減少[1]。而下游河道演變情況及河勢是否穩(wěn)定均與水沙變化情況密不可分。“維護黃河健康生命，促進流域人水和諧”這一新時期治黃思路的提出，體現(xiàn)了以黃河為代表的多沙河流的人水關(guān)系正在經(jīng)歷著重大的變化，而水沙關(guān)系則是影響水庫調(diào)度及流域生態(tài)平衡的重要因素，全面了解河流水沙關(guān)系的變化過程，是河流綜合治理和水沙調(diào)控體系建設(shè)的基礎(chǔ)[2-3]。由于目前許多研究主要從徑流或者含沙量的角度進行單獨考慮，缺乏對水沙整體變化的考慮，因此筆者從水沙不協(xié)調(diào)度的角度，對黃河下游的水沙序列變化進行識別分析，為下一步水沙研究提供新的研究方向和思路。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)情況

三門峽站位于三門峽水庫的下游、小浪底水庫的上游，是非常重要的一個水文站點。它既是黃河中游的出口站，又是進入黃河下游的把口站，直接觀測和控制著三門峽水庫出庫流量和含沙量以及小浪底水庫入庫流量和含沙量變化情況，測站位置如圖1所示。筆者采用黃河三門峽站1963—2017年（缺1998年和1999年）實測資料（出庫流量及出庫含沙量），對近幾十年來黃河下游水沙不協(xié)調(diào)度的變化進行分析。

3 研究方法

本研究主要是采用不協(xié)調(diào)度對黃河下游水沙不協(xié)調(diào)狀態(tài)進行分析。李國英[4]認為，可根據(jù)來沙系數(shù)S/Q將水沙狀態(tài)分為水多沙少（S/Q<0.009）、水沙協(xié)調(diào)（0.009≤S/Q<0.011）和水少沙多（S/Q≥0.011）3種狀態(tài)（其中：S為含沙量，kg/m3;Q為流量，m3/s）。

來沙系數(shù)在0.009～0.011之間代表黃河水沙協(xié)調(diào)，當來沙系數(shù)不在這個范圍內(nèi)時則認為是水沙不協(xié)調(diào)狀態(tài)，為了衡量這種不協(xié)調(diào)狀態(tài)，采用下式計算水沙不協(xié)調(diào)度：

4 結(jié)果分析

4.1 黃河下游水沙不協(xié)調(diào)狀態(tài)變化

4.1.1 出庫流量和含沙量變化分析

對近幾十年來黃河下游流量和含沙量的變化進行分析（1998年和1999年缺測），如圖2所示，可以看出，三門峽站1963—2017年出庫含沙量和出庫流量在近幾十年間都呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，但是流量的下降趨勢遠小于含沙量的下降趨勢，尤其是進入21世紀以后，黃河下游流量呈現(xiàn)出了微弱的上升趨勢，而含沙量卻顯著下降。出庫流量與出庫含沙量相比，雖然都是顯著下降狀態(tài)，然而在同一時期的變化趨勢卻呈現(xiàn)出相反狀態(tài)，即當流量呈現(xiàn)出明顯上升趨勢時，含沙量則處于明顯下降狀態(tài)，反之亦然。含沙量和流量之間的相關(guān)系數(shù)為0.38，通過95%顯著性檢驗，可以認為出庫流量的變化和含沙量的變化是顯著相關(guān)的。

對圖2分析后發(fā)現(xiàn)，出庫流量和出庫含沙量同時也呈現(xiàn)出相似但是遲滯的一個變化狀態(tài)，比如出庫流量的移動平均曲線在過去的53 a中呈現(xiàn)出下降—上升—下降—上升的趨勢，而出庫含沙量則為上升—下降—上升—下降的趨勢。在此基礎(chǔ)上對出庫流量和出庫含沙量進行水沙遲滯響應(yīng)的相關(guān)分析。

4.1.2 水沙遲滯響應(yīng)分析

相比較同時段的出庫流量和含沙量的相關(guān)性分析結(jié)果（0.38），1963年以后的出庫流量與1970年以后的出庫含沙量呈現(xiàn)出更為明顯的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.69。本節(jié)對出庫流量和含沙量分別進行相對遲滯分析計算，見表1。

遲滯t年的含沙量遲滯—流量相關(guān)系數(shù)：在現(xiàn)有n年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，含沙量有t年的遲滯，相關(guān)性計算數(shù)據(jù)用的是從第t到n年的數(shù)據(jù)與流量從第1年到第n-t+1年的數(shù)據(jù);遲滯t年的流量遲滯—含沙量相關(guān)系數(shù)：在現(xiàn)有n年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，流量從第t到n年的數(shù)據(jù)與含沙量從第1年到第n-t+1年的數(shù)據(jù)相關(guān)性計算結(jié)果。從表1可以看出，含沙量在遲滯7、10、12、13、14 a時與流量的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)均大于0.6，而流量在遲滯13、14、15、16 a的情況下與含沙量的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)均大于0.6。其中，含沙量遲滯—流量相關(guān)系數(shù)值明顯大于流量遲滯—含沙量的相關(guān)系數(shù)。黃河下游的年際水沙變化存在著7 a以及14 a左右的遲滯響應(yīng)，圖3為遲滯7 a的含沙量與出庫流量的時間變化序列，可以看出遲滯7 a的含沙量與流量變化波動較為一致，波動變化的同步性明顯高于圖2中含沙量與流量波動變化的同步性。

對三門峽站1963—2017年多年平均的年內(nèi)水沙變化狀況進行分析，如圖4所示，可以看到流量和含沙量的年內(nèi)分布均為偏右正態(tài)分布，但是變化的時間步幅卻并不一致，含沙量在8月份達到峰值而流量卻在9月份達到峰值，即多年平均流量和含沙量在年內(nèi)的變化存在1個月的遲滯期。

黃河下游流量和含沙量存在著7 a和14 a左右的遲滯響應(yīng)，這可能是黃河源區(qū)主要產(chǎn)流區(qū)和黃河中游主要產(chǎn)沙區(qū)的降水時空不匹配造成的。當降水區(qū)域主要集中在黃河源區(qū)時，反映在黃河下游就是水多沙少的狀態(tài);當降水區(qū)域主要集中在黃河中游黃土高原地區(qū)時，徑流中攜帶大量泥沙隨河道洪水遷移，此時三門峽水庫的出庫含沙量就會明顯增加。

黃河流域的降水主要集中在9月份[5]，由于黃河流域徑流主要受到降水因素的影響，因此三門峽水庫的出庫流量峰值也出現(xiàn)在9月，但是三門峽水庫的年內(nèi)出庫沙量主要集中在7、8月份，此時黃河流域剛進入汛期，由于非汛期的低流量造成了河道內(nèi)大量泥沙的淤積，因此在流量較大的7、8月份，雖然此時并非流量最大的月份，但是水流中挾帶的泥沙量是很大的。而在9月份流量達到最大值時，由于前兩個月的河道沖刷，此時河道內(nèi)的泥沙大大減少，徑流中挾帶的泥沙大大下降，因此出現(xiàn)了徑流峰值出現(xiàn)在9月份而含沙量峰值出現(xiàn)在8月份的情況。

4.2 黃河下游不同時間尺度下的水沙不協(xié)調(diào)度研究

基于年平均尺度對三門峽站水沙不協(xié)調(diào)度進行分析，如圖5所示，可以看出，黃河在過去的50多a間，達到水沙協(xié)調(diào)的年份僅有5 a（1963年、1975年、1981年、1985年和1989年）。采用pettitt檢驗方法進行雙邊檢驗，發(fā)現(xiàn)水沙不協(xié)調(diào)度的突變點在2005年。2005年以前水沙不協(xié)調(diào)度以正值為主，水沙不協(xié)調(diào)主要是沙多水少引起的，而2005年以后的水沙不協(xié)調(diào)主要是水多沙少造成的。繪制水沙不協(xié)調(diào)度的5年滑動平均線，可以看到在2005年以前也并不都是沙多水少的狀態(tài)，雖然20世紀60年代末70年代初水沙不協(xié)調(diào)度為近幾十年間的最大，然而80年代水沙比例曾一度達到了水沙協(xié)調(diào)的狀態(tài)，到了90年代，又恢復(fù)了沙多水少的狀態(tài)，這種水沙狀態(tài)一直持續(xù)到了2005年。

對年內(nèi)月平均不協(xié)調(diào)度進行計算，如圖6所示，三門峽站在1963—2017年期間多年平均的年內(nèi)沙量主要集中在6—9月，這4個月內(nèi)水少沙多，7月份的水沙不協(xié)調(diào)度最高，這意味著7月份隨著流量的增大，徑流沖刷造成含沙量非常高。1—5月和10-12月的水沙不協(xié)調(diào)度為負值，主要以水多沙少狀態(tài)為主。

對三門峽站汛期（6—10月）和非汛期（11—5月）的水沙變化不協(xié)調(diào)度進行分析，分別如圖7和圖8所示，可以看出汛期的水沙不協(xié)調(diào)度也呈現(xiàn)出上升—下降—上升—下降趨勢;非汛期從20世紀70年代開始呈現(xiàn)出徑流含沙量基本為0的情況，造成這種現(xiàn)象的主要原因是三門峽水庫在20世紀70年代以前并沒有完全投入使用，1973年以后水庫才開始蓄水，對黃河下游的流量和含沙量進行調(diào)節(jié)。圖6 三門峽站多年平均年內(nèi)水沙不協(xié)調(diào)度

對汛期的水沙不協(xié)調(diào)度和年水沙不協(xié)調(diào)度進行比較分析，如圖9和圖10所示，可以看出兩者的變化趨勢非常相似，相關(guān)性系數(shù)R超過了0.9。對于黃河下游來說，汛期來水占全年徑流量的將近60%，汛期徑流輸沙量占全年徑流輸沙量的86%，汛期的來水來沙對黃河下游的防洪安全有著巨大的影響。非汛期的水沙變化對黃河下游的水沙不協(xié)調(diào)度影響極小，而決定黃河下游水沙不協(xié)調(diào)度變化的主要原因則是汛期黃河下游的流量和含沙量變化。

5 結(jié) 論

（1）近年來黃河下游的流量和含沙量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，遲滯7 a和14 a左右的含沙量與流量有較強的相關(guān)性，多年平均的年內(nèi)流量相對于含沙量存在1個月的遲滯響應(yīng)。

（2）水沙不協(xié)調(diào)在2005年以前以水少沙多狀態(tài)為主，不協(xié)調(diào)度在20世紀80年代中期較低，但是隨后仍呈現(xiàn)出顯著的水少沙多狀態(tài);2005年以后不協(xié)調(diào)度主要為負值，呈現(xiàn)出水多沙少的狀態(tài)。年內(nèi)沙量主要集中在6—9月，呈現(xiàn)出水少沙多狀態(tài)，7月份的水沙不協(xié)調(diào)度最高，1—5月和10—12月的水沙不協(xié)調(diào)度為負值，以水多沙少狀態(tài)為主。汛期的水沙不協(xié)調(diào)是影響全年水沙不協(xié)調(diào)的主要原因。

參考文獻：

[1] 柴元方，李義天，李思璇，等.2000年以來黃河流域干支流水沙變化趨勢及其成因分析[J].水電能源科學(xué)，2017，35（4）：106-110.

[2] WU B S， WANG G Q， XIA J Q， et al. Response of Bankfull Discharge to Discharge and Sediment Load in the Lower Yellow River[J].Geomorphology，2008，100（3-4）：366-376.

[3] 胡春宏，陳建國，郭慶超，等.論維持黃河健康生命的關(guān)鍵技術(shù)與調(diào)控措施[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005，3（1）：3-7.

[4] 李國英.黃河中下游水沙的時空調(diào)度理論與實踐[J].水利學(xué)報，2004，35（8）：1-7.

[5] SHI F X， HAO Z C， SHAO Q X. The Analysis of Water Vapor Budget and Its Future Change in the Yellow-Huai-Hai Region of China[J].Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2014， 119（18）：10702-10719.

【責任編輯 張 帥】