青海湖流域河流泥沙變化及影響分析

何灼倫

摘?要：河流泥沙是反映流域生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，是河流自身演變及氣候、流域下墊面、水土流失、人類活動(dòng)的綜合產(chǎn)物。選取青海湖流域主要河流水文站觀測(cè)資料，采用特征值統(tǒng)計(jì)法、時(shí)間序列趨勢(shì)法、累積距平分析法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)河流泥沙影響因素進(jìn)行分析。分析得出：青海湖主要河流水沙關(guān)系密切，泥沙在時(shí)間、空間、沿程上均有明顯的變化規(guī)律，主要集中在洪水期;泥沙總量在空間分布上總體與徑流變化一致，由西向東遞減，北部大于南部;泥沙強(qiáng)度與徑流變化恰恰相反;河流輸沙量沿程變化明顯;泥沙與河勢(shì)變化、徑流等關(guān)系密切，不同河道河勢(shì)變化對(duì)河流泥沙變化影響較大，河流輸沙總量隨徑流量增大而增加;河流泥沙與流域下墊面情況有明顯的變化規(guī)律，不同區(qū)域在不同時(shí)期的泥沙來源與組成也不盡相同。

關(guān)鍵詞：青海湖流域;河流;泥沙變化;影響因素

中圖分類號(hào)：TV213.4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.005

Analysis of River Sediment Variation and Its Impact in Qinghai Lake River Basin

HE Zhuolun

（Qinghai Hydrological and Water Resources Prediction Center， Xining 810000， China）

Abstract：Sediment is an important index to reflect the state of regional ecological environment， which is the comprehensive product of river evolution， regional climate， underlying surface， soil and water loss and human activities. In this paper， data from hydrological monitoring stations of major rivers in the Qinghai Lake Basin were selected for analysis. The method of EIGENVALUE statistics， time series trend， cumulative anomaly analysis， Mann-kendall non-parametric test and so on were used for the analysis and the main factors affecting the river sediment were analyzed. The analysis concludes that the major rivers in Qinghai Lake are closely related to water and sediment. The sediment has obvious changing law in time， space and along the way and mainly is concentrated in flood period. The total sediment amount is consistent with the change of runoff in spatial distribution， decreasing from west to east and larger in the north than in the south. The change of sediment intensity is opposite to that of runoff. The annual sediment discharge varies obviously along the river. The sediment is closely related to the change of river regime and runoff. The change of river regime in different areas has greater influence to the sediment. The sediment source and composition of different regions in different periods are different from each other.

Key words： Qinghai Lake Basin; river; sediment change; influence factor

河流泥沙主要來源于流域地表侵蝕和上游河槽沖刷，與流域內(nèi)的氣候、土壤、植被、地形、地貌、人類活動(dòng)、河道水流挾沙能力等因素有關(guān)。影響河流泥沙的因素較多，而且比較復(fù)雜，一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，這些影響因素在李晶瑩等[1]、戴仕寶等[2]、姚章民[3]、孫永壽等[4]的研究成果中均有論述。

青海湖是我國(guó)最大的內(nèi)陸咸水湖，是青藏高原的重要組成部分，因其獨(dú)特的地理位置和脆弱的生態(tài)體系得到了世人關(guān)注。青海湖流域泥沙監(jiān)測(cè)和研究工作始于20世紀(jì)50年代初期，在主要河流上設(shè)水文站進(jìn)行水位、流量、泥沙、降水等要素監(jiān)測(cè)，積累了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

綜合青海省各主要河流泥沙監(jiān)測(cè)情況[5]，青海湖流域?yàn)榍嗪Ｊ〉牡彤a(chǎn)沙區(qū)。青海湖為封閉的內(nèi)陸湖，雖然各主要河流每年匯入青海湖的泥沙總量不大，但河流泥沙長(zhǎng)期只進(jìn)不出沉淀于湖區(qū)，其總量也不可忽視，并造成湖泊水位抬升。因此摸清青海湖流域主要河流的泥沙變化情況十分必要。

1?流域概況

青海湖流域地處青藏高原東北部，位于北緯36°15′—38°20′、東經(jīng)97°50′—101°20′之間，流域面積29 661 km2。青海湖位于流域的東南部，東西長(zhǎng)約106 km，南北寬約63 km，周長(zhǎng)約360 km。流域地勢(shì)西北高東南低，為封閉式的山間內(nèi)陸盆地。流域內(nèi)河流較多，呈明顯不對(duì)稱分布，湖西北部河網(wǎng)發(fā)育，徑流量大;湖東南部河網(wǎng)稀疏，多為間歇性河流，徑流量較小。主要河流有布哈河、泉吉河、依克烏蘭河、哈爾蓋河等（見圖1），其中布哈河為流域內(nèi)最大河流，多年平均徑流量為7.85億m3。湖泊來水量主要由湖面降水、地表水入湖、地下水補(bǔ)給3部分組成，耗水量主要是湖面蒸發(fā)損失。多年入湖水量總體小于水面蒸發(fā)損失，1959—2004年湖水位呈下降趨勢(shì)，2005—2019年湖水位總體呈上升趨勢(shì)，其間個(gè)別年份湖泊水位有所波動(dòng)。

2?資料來源及分析方法

2.1?資料來源

資料來源于布哈河口水文站、剛察水文站、上喚倉(cāng)水文站以及青海省水保部門和氣象局的監(jiān)測(cè)資料。其中：布哈河口水文站控制集水面積為14 337 km2，選取1965—2019年的實(shí)測(cè)水量、泥沙、降水資料;剛察水文站控制集水面積為1 442 km2，選取1968—2019年的實(shí)測(cè)水量、泥沙、降水資料;上喚倉(cāng)水文站控制集水面積為8 013 km2，選取1968—1991年的實(shí)測(cè)水量、泥沙、降水資料。所有資料均符合相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求，滿足本次研究精度需求。

2.2?研究方法

（1）特征值統(tǒng)計(jì)法。分析計(jì)算多年平均含沙量、輸沙量以及多年平均汛期總量和最大月份量占全年總量的比例，評(píng)價(jià)河流泥沙量年內(nèi)變化情況。

（2）時(shí)間序列趨勢(shì)法。采用線性傾向估計(jì)建立過程趨勢(shì)線和一元線性回歸方程，利用回歸系數(shù)反映泥沙要素的趨勢(shì)傾向性，判斷泥沙要素隨時(shí)間呈上升或下降趨勢(shì)，以及年際間的波動(dòng)變化趨勢(shì)。

（3）累積距平分析法。累積距平分析法是常用的氣象水文分析方法，能直觀判斷變化趨勢(shì)。累積距平曲線呈上升或下降趨勢(shì)，表示距平值增加或減少，從曲線起伏度判斷其長(zhǎng)期顯著的變化趨勢(shì)及其持續(xù)性變化，診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間。

（4）Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法。用于檢測(cè)序列的變化趨勢(shì)，屬無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算方法簡(jiǎn)便。文中通過計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，判斷序列的趨勢(shì)變化，并利用UF和UB曲線相交情況判斷突變開始時(shí)間。

3?結(jié)果與分析

3.1?河流泥沙在時(shí)間上的變化分析

3.1.1?斷面平均含沙量變化情況

布哈河口站多年平均含沙量為0.407 kg/m3，剛察站多年平均含沙量為0.306 kg/m3，沙量主要集中在汛期（5—9月），分別占全年沙量的95.2%、94.9%，其他月份較小，甚至為零。從圖2可知，布哈河口站與剛察站的泥沙年內(nèi)分配基本一致，呈單峰型，1—4月和10—12月為泥沙低值區(qū)，5月和9月為泥沙過渡期，6—8月為泥沙高峰期，7月泥沙最多。從圖3可知，各站年平均含沙量年際變化總體趨于平穩(wěn)，年際間波動(dòng)明顯，呈現(xiàn)出增加與減少交替出現(xiàn)的特點(diǎn)，各年代平均值趨于多年平均值;布哈河口站1965—1989年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1989—2004年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，2004—2018年又呈緩慢回升趨勢(shì)，年際間最大最小年平均含沙量變幅為0.714 kg/m3，突然增大的年份有6 a，其中出現(xiàn)在21世紀(jì)之前的有5 a、21世紀(jì)的有1 a;剛察站在21世紀(jì)前年際變化呈上升趨勢(shì)，波動(dòng)幅度較大，進(jìn)入21世紀(jì)后波動(dòng)幅度相對(duì)較小且有下降趨勢(shì)，最大最小年平均含沙量變幅為0.831 kg/m3，突然增大的年份有4 a，最大值、次大值分別出現(xiàn)在1974年、1980年。從圖4可知，布哈河口站含沙量在1989年前后呈緩慢減小-急劇減小趨勢(shì)，明顯突變發(fā)生在1966年、1989年、2017年;剛察站含沙量明顯突變發(fā)生在1968年，2010年后又頻繁出現(xiàn)了4次突變現(xiàn)象，1997年前后呈顯著增大-減小趨勢(shì)。

3.1.2?年輸沙量變化情況

布哈河口站多年平均輸沙量為39.6萬t，剛察站多年平均輸沙量為8.60萬t。從圖5可知，多年平均輸沙率年內(nèi)變化與多年平均含沙量變化基本一致。從圖6可知，各站年輸沙量呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，布哈河口站的波動(dòng)幅度小于剛察站的，除個(gè)別年份出現(xiàn)突然增大或減小外，總體上波動(dòng)幅度較小，另外突變年份輸沙量的突然增大或突然減小會(huì)對(duì)累積距平線走勢(shì)有一定影響;布哈河口站1966—2004年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，2004—2018年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，最大最小年輸沙量變幅為160萬t，出現(xiàn)了1次突然增大（1989年）;剛察站年際變化急劇，最大最小年輸沙量變幅為30.5萬t，累計(jì)出現(xiàn)了5次突然增大的現(xiàn)象，分別出現(xiàn)在1974年、1983年、1989年、1996年和2016年。從圖7可知，布哈河口站年輸沙量明顯突變發(fā)生在2016年;剛察站年輸沙量明顯突變發(fā)生在1982年，1982年后總體呈增大趨勢(shì)。

3.1.3?斷面含沙量與斷面輸沙量的關(guān)系分析

河流輸沙量大小主要取決于水量的豐枯和含沙量大小，含沙量大的河流其輸沙量不一定大，含沙量小的河流其輸沙量也不一定小。大多數(shù)河流沙峰與洪峰出現(xiàn)時(shí)間是一致的，但在長(zhǎng)期水文監(jiān)測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)沙峰與洪峰有錯(cuò)峰現(xiàn)象，沙峰與洪峰同時(shí)出現(xiàn)的概率較小，這與降水區(qū)域、降水強(qiáng)度和流域調(diào)節(jié)作用下的產(chǎn)匯流有關(guān)。從圖8可知，布哈河口站、剛察站歷年最大含沙量與年最大日輸沙量點(diǎn)據(jù)散亂，決定系數(shù)R2分別為0.395 9、0.543 2，說明相關(guān)性不顯著，含沙量對(duì)輸沙量大小貢獻(xiàn)率有限;剛察站的擬合度優(yōu)于布哈河口站，說明剛察站含沙量對(duì)輸沙量大小貢獻(xiàn)率大于布哈河。對(duì)布哈河口站和剛察站歷年最大含沙量與年最大日輸沙量出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，布哈河錯(cuò)峰率在40%以上，依克烏蘭河錯(cuò)峰率在10%以上，說明布哈河的錯(cuò)峰情況較依克烏蘭河嚴(yán)重。綜上認(rèn)為，布哈河調(diào)節(jié)能力大于依克烏蘭河，大流域河流泥沙量不易受局部因素的影響，小流域易受降水、土壤侵蝕等局部因素的影響。

3.2?不同河流泥沙的差異

從圖9可知，布哈河口站、剛察站歷年最大含沙量總體為下降趨勢(shì)，剛察站的波動(dòng)幅度和量級(jí)均大于布哈河口站，布哈河口站僅在小沙時(shí)有個(gè)別年份的大于剛察站;布哈河口站年最大含沙量的多年平均值為4.09 kg/m3，最大年的最大含沙量為11.00 kg/m3，最小年的最大含沙量為1.86 kg/m3，變幅為9.14 kg/m3;剛察站年最大含沙量的多年平均值為7.32 kg/m3，最大年的最大含沙量為24.20 kg/m3，最小年的最大含沙量為0.58 kg/m3，變幅為23.62 kg/m3;兩站相比，剛察站最大與最小變幅是布哈河口站的2.6倍，說明依克烏蘭河產(chǎn)沙能力遠(yuǎn)強(qiáng)于布哈河。

從圖10可知，布哈河口站、剛察站輸沙模數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，剛察站的波動(dòng)幅度和量級(jí)均大于布哈河口站的，布哈河口站僅在小沙時(shí)有個(gè)別年份的輸沙模數(shù)大于剛察站;布哈河口站多年平均輸沙模數(shù)為28.8 t/（km2·a），最大年輸沙模數(shù)為113.0 t/（km2·a），最小年輸沙模數(shù)為1.9 t/（km2·a），變幅為111.1 t/（km2·a）;剛察站多年平均輸沙模數(shù)為59.8 t/（km2·a），最大年輸沙模數(shù)為215.0 t/（km2·a），最小年輸沙模數(shù)為3.5 t/（km2·a），變幅為211.5 t/（km2·a）;兩站相比，剛察站最大最小年變幅是布哈河口站的1.9倍，說明依克烏蘭河流域土壤侵蝕模數(shù)大于布哈河流域。據(jù)該地區(qū)面上的土壤侵蝕情況[6]，布哈河、依克烏蘭河、哈爾蓋河流域2000—2018年土壤侵蝕量呈下降趨勢(shì)，青海南山流域、東北產(chǎn)流區(qū)域及倒淌河流域土壤侵蝕量呈增加趨勢(shì)，整個(gè)青海湖流域土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)主要集中在湖東部（沙島）。鑒于輸沙量與土壤侵蝕和河流水量關(guān)系密切，依此類推，得出青海湖泥沙強(qiáng)度變化與徑流變化規(guī)律剛好相反，泥沙總量從湖西北部大流域河流向東南部小流域河流遞減;從泥沙強(qiáng)度變化看，東南部小流域河流大于湖西北部大流域河流;從泥沙變化頻繁程度看，流域越小泥沙強(qiáng)度變化越劇烈。

3.3?河流泥沙沿程變化

青海湖流域的河流泥沙沿程變化資料有限，僅布哈河有沿程同步觀測(cè)泥沙資料。上喚倉(cāng)站位于布哈河出山口，其以上河段為山區(qū)河流，控制面積占全流域的56%，其以下河段是平原河流。從圖11可知，上喚倉(cāng)站與布哈河口站年平均含沙量關(guān)系點(diǎn)據(jù)散亂，決定系數(shù)R2為0.299 5，說明上下游兩站年平均含沙量相關(guān)性不顯著。從圖12可知，上喚倉(cāng)站與布哈河口站年輸沙量關(guān)系點(diǎn)據(jù)相對(duì)集中，決定系數(shù)R2為0.857 5，說明點(diǎn)據(jù)擬合度較好，上下游兩站的年輸沙量有明顯關(guān)系。

3.4?泥沙變化影響因子分析

3.4.1?降水徑流對(duì)河流泥沙的影響

河流泥沙是流域內(nèi)氣候、植被、地形地貌、土壤等因素的綜合產(chǎn)物，其中降水起主導(dǎo)作用，決定著產(chǎn)流和河流泥沙量的大小。青藏高原地區(qū)小尺度氣候嚴(yán)重，不同地區(qū)的氣候差異性較大。從圖13可知，兩水文站的年降水量與年輸沙量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集程度相比，剛察站好于布哈河口站;布哈河口站年降水量與輸沙量關(guān)系呈斜線，剛察站年降水量與輸沙量關(guān)系趨于水平直線，說明布哈河口站降水量與輸沙量關(guān)系較剛察站明顯。

從圖14可知，布哈河口站年徑流量與年輸沙量之間的決定系數(shù)R2為0.520 0，剛察站年徑流量與年輸沙量之間的決定關(guān)系為0.293 5，布哈河口站相關(guān)性好于剛察站，綜上認(rèn)為，布哈河年輸沙量與水文站年徑流量、年降水量有明顯關(guān)系;依克烏蘭河年輸沙量與水文站年降水量關(guān)系不密切，與年徑流量關(guān)系密切。

3.4.2?河勢(shì)變化對(duì)河流泥沙的影響

河道是河流泥沙下泄的唯一通道，河勢(shì)的變化影響著河流泥沙的產(chǎn)生和移動(dòng)。根據(jù)河流不同河段特征，山丘區(qū)河流河道比降較大、水流速度快，而平原區(qū)河道相對(duì)較寬且彎道較多，水流相對(duì)平緩，從河流挾沙能力來看山丘區(qū)遠(yuǎn)大于平原區(qū)，從泥沙向下游輸移方式的變化頻繁程度來看，山丘區(qū)遠(yuǎn)小于平原區(qū)。青海湖流域大多數(shù)河流為砂礫石組成的河床，完全符合這一變化規(guī)律。此次以布哈河2017年大洪水為例，利用洪水期航拍資料分析，山丘區(qū)河段河床在橫向上幾乎沒有變化;出山口以下平原區(qū)河段河床橫向變化明顯，多數(shù)河寬由原來的100 m增加至200 m，增寬近100 m。此處暫不考慮上游挾沙量損失和床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，就沙石顆粒而言，粗的一部分顆粒沉積在河床形成床沙，較細(xì)的一部分顆粒最終成為懸移質(zhì)泥沙隨水流不斷向下游移動(dòng)。由此可見，河道河床組成和河勢(shì)的穩(wěn)定性對(duì)河勢(shì)變化影響較大，從而影響河流泥沙量變化。

3.4.3?流域下墊面對(duì)河流泥沙的影響

根據(jù)已有研究成果[5-6]，基于DEM數(shù)據(jù)和ETM+遙感影像數(shù)據(jù)，以及不同時(shí)期影像資料，結(jié)合河流實(shí)地水沙情況，綜合分析得出：山區(qū)河流下切較深，兩岸溝壑眾多、比降大、植被較差、土壤裸露程度高，在長(zhǎng)期的風(fēng)蝕、水蝕、自重脫落、沖刷作用下地表土質(zhì)變得疏松，容易形成河流泥沙，由于產(chǎn)流挾沙能力強(qiáng)，因此此時(shí)泥沙粒徑相對(duì)較大;平原區(qū)河流兩岸多為平緩區(qū)，植被較好，降水形成的徑流為坡面流，此時(shí)比降和流速較溝壑段相對(duì)較小，徑流挾沙能力有限，形成的泥沙粒徑相對(duì)較小;冰雪線以上區(qū)域土壤幾乎全部裸露，以及土壤侵蝕、風(fēng)沙區(qū)，均是易產(chǎn)沙區(qū)。另外，青海湖環(huán)湖地區(qū)為人類活動(dòng)集中區(qū)，對(duì)河流泥沙有一定影響，但隨著生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目的開展，土壤侵蝕得到了有效遏制。

4?結(jié)?語

（1）青海湖流域河流年輸沙量年內(nèi)分配主要集中在汛期5—9月，占全年的90%以上;輸沙量年際呈波動(dòng)性變化，總體趨于上升或下降。

（2）不同河流輸沙量差異明顯，河流斷面最大含沙量呈減小趨勢(shì)，年輸沙模數(shù)呈增大趨勢(shì)，說明青海湖流域水土流失依然嚴(yán)重;河流泥沙量的大小與流域面積、土壤侵蝕有密切關(guān)系，大河流泥沙強(qiáng)度小于小河流，泥沙強(qiáng)度表現(xiàn)為西部向東部遞增，輸沙總量大小分布規(guī)律與河川徑流量分布規(guī)律一致，由西部向東部遞減。

（3）主要河流輸沙量沿程有明顯的變化，上下游年平均含沙量沒有明顯關(guān)系，而上下游年輸沙量關(guān)系較好。

（4）降水、徑流對(duì)河流輸沙量的影響各不相同，流域大的河流輸沙量與徑流量、降水量關(guān)系密切，流域小的河流輸沙量與涇流量關(guān)系密切。

（5）通過河勢(shì)變化對(duì)河流泥沙的影響分析，不同的河道河床組成和河勢(shì)的穩(wěn)定性對(duì)河流輸沙量變化影響較大，影響程度平原區(qū)大于山丘區(qū)。

（6）流域下墊面情況決定了河流泥沙的來源與組成，不同地區(qū)有明顯的變化特征，兩岸裸露程度高值區(qū)和土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)、風(fēng)沙區(qū)為泥沙高產(chǎn)區(qū);中部植被較好，形成泥沙相對(duì)較少。

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