黃河下游水沙變化特點(diǎn)

張旭東 歐祖賢 牛智航

(河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 075000)

黃河是世界上含沙量最大的河流，具有水少沙多、水沙異源的特點(diǎn)[1]。近70年來，受天然條件及人類活動(dòng)的影響，黃河下游來水來沙急劇減少，其年徑流量由1950年的450億m3減少到2016年的137億m3，后者僅為前者的30.63%；年來沙量由1950年的11.04億t減少到2016年的0.13億t，后者僅為前者的1.22%，黃河下游水沙不協(xié)調(diào)導(dǎo)致下游河道淤積萎縮，形成“地上懸河”[2]和“二級懸河”[3]，這與黃河下游水沙變化特點(diǎn)有著密切聯(lián)系。

本文主要分析了黃河年徑流量、年輸沙量、汛期徑流量、汛期輸沙量及水沙關(guān)系的變化。根據(jù)1950—2016年黃河下游沿程各水文站的實(shí)測資料分析，黃河下游河段來水來沙具有如下特點(diǎn)。

1 水沙年際分配不均勻

黃河下游沿程各典型水文站1950—2016年的年徑流量和汛期徑流量的變化過程見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，黃河下游沿程各水文站年徑流量和汛期徑流量均呈現(xiàn)逐年減小的趨勢。以利津站為例，最大年徑流量為1964年的973.1億m3，最小年徑流量為1997年的18.6億m3，前者約為后者的52倍；這種差異在汛期表現(xiàn)的更為明顯，最大汛期徑流量(1964年的601.0億m3)約為最小汛期徑流量(1997年的2.4億m3)的250倍。由此可見，黃河下游河段年際間水量分布極其不均勻[4]，且年際間水量分布不均勻性在汛期更加明顯。

圖1 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站年徑流量變化過程

圖2 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站汛期徑流量變化過程

黃河下游沿程各典型水文站1950—2016年逐年來沙量和汛期來沙量的變化過程見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，黃河下游各水文站年來沙量和汛期來沙量均呈現(xiàn)逐年減小的趨勢。以利津站為例，其年來沙量由1964年的22.800億t減小到1997年的0.160億t，前者約為后者的142倍；汛期來沙量減小更甚，由1958年的19.260億t減小到2001年的0.064億t，前者約為后者300倍。由此可見，黃河下游年際間來沙量極其不均勻，而且汛期甚之。

圖3 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站年來沙量變化過程

圖4 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站汛期來沙量變化過程

2 水沙年內(nèi)分配不均勻

黃河下游各水文站1950—2016年多年月平均徑流量和來沙量的變化情況見圖5和圖6。從圖5和圖6可以看出，黃河下游各水文站徑流量主要集中在汛期7—10月，來沙量更是如此。以利津站為例，年內(nèi)各月以7—10月徑流量最大，全年徑流量的60.1%來自汛期，汛期來沙量約占全年來沙量的84.3%；汛期平均徑流量均在44.47億m3以上，8月徑流量最大，約為52.14億m3，2月徑流量最少，僅為9.00億m3，年內(nèi)月徑流量的最大值約為最小值的5.79倍；8月來沙量最大，為2.24億t，約占全年來沙量(7.09億t)的31.6%，其次分別為7月、9月、10月，2月來沙量最少，僅為0.03億t，多年月均來沙量的最大值約為最小值的76.8倍。由此可見，黃河下游各水文站年內(nèi)水沙量分布不均勻，來沙量在時(shí)間上的不均勻性更勝于徑流量，而且來沙量主要集中在汛期的幾場大洪水中。

圖5 黃河下游各水文站多年月平均徑流量

圖6 黃河下游各水文站多年月平均來沙量

3 不同時(shí)段水沙變化特點(diǎn)

對1950—2016年黃河下游沿程各站實(shí)測水沙資料進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析可知，1973年以前黃河下游各水文站年或汛期徑流量和來沙量均相對較大，1974—1986年有所下降，而1986年以后，受龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合發(fā)揮作用的影響，各水文站徑流量和來沙量均出現(xiàn)明顯的減小，2003年以后，受上游來水來沙條件的改善和小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的影響，相應(yīng)各站的徑流量和來沙量又有所增加。利津水文站各時(shí)段徑流量和來沙量的變化情況見圖7和圖8。

圖7 利津水文站各時(shí)段徑流量變化情況

圖8 利津水文站各時(shí)段來沙量變化過程

由圖7和圖8可知，1950—1959年間，多年平均徑流量和來沙量分別為480.20億m3和13.30億t，其中汛期分別為298.32億m3和11.49億t，分別占全年的62.1%和86.2%；1960—1973年間，多年平均徑流量和多年平均來沙量分別為442.00億m3和11.23億t，均較上一時(shí)期有所減小，相應(yīng)的汛期徑流量和來沙量分別占全年的57.2%和79.8%；1974—1986年間，多年平均徑流量、來沙量分別是327.00億m3、8.18億t，分別較上一時(shí)期減小26.0%和27.1%；1986年龍羊峽、劉家峽兩水庫聯(lián)調(diào)后，1987—2002年利津站年均徑流量和來沙量分別驟減到130.72億m3和3.55億t，分別較上一時(shí)期減小了60.0%和56.6%，該時(shí)期汛期徑流量和來沙量分別占全年的60.6%和87.9%；受天然來水來沙條件有所改善的影響，2003—2016年年均徑流量為178.50億m3，較上一時(shí)期增加了36.5%，而年均來沙量約為1.53億t，較上一時(shí)期減小了56.8%，汛期徑流量和來沙量占比分別為53.3%和71.6%。

黃河下游各典型水文站不同時(shí)段汛期平均來沙系數(shù)變化情況見圖9。由圖9可知，1986年以前，黃河下游各水文站汛期平均來沙系數(shù)變化不大，在0.012～0.017kg·s/m6之間(未計(jì)小浪底站)，平均來沙系數(shù)為0.015kg·s/m6，而1987—2002年汛期平均來沙系數(shù)相對較大，均超過了0.035kg·s/m6，這也進(jìn)一步說明了1986年以前水沙量的減小基本沒有破壞黃河下游原有的水沙搭配關(guān)系，而1986年以后水沙搭配關(guān)系明顯惡化；2003年以后受調(diào)水調(diào)沙的影響，汛期平均來沙系數(shù)在0.007～0.013kg·s/m6之間，平均來沙系數(shù)為0.010kg·s/m6，由此表明，2003年以來的水沙搭配關(guān)系得到了明顯改善。

圖9 黃河下游各典型水文站不同時(shí)段汛期平均來沙系數(shù)變化

4 各級流量輸水輸沙特點(diǎn)

黃河下游利津水文站不同時(shí)期各流量級出現(xiàn)的天數(shù)見圖10。由圖10可以看出，1973年以前，小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了180.0天，約占全年的49.3%，而大于3000m3/s的流量年均出現(xiàn)了44.9天，約占全年的12.3%；1974—1986年間，小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了249.0天，約占全年的68.2%，較上一時(shí)期年均增加了69.0天，而大于3000m3/s的流量年均出現(xiàn)了29.7天，約占全年的8.1%，較上一時(shí)期年均減少了15.2天；1987—2002年小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了320.1天，約占全年的87.7%，較上一時(shí)期增加了71.1天，而大于3000m3/s的流量年均僅出現(xiàn)了2.1天，其中2000—2001年最大流量還不到1000m3/s，該時(shí)期主要是因?yàn)?986年龍羊峽水庫投入運(yùn)行后削減了汛期的洪峰流量，調(diào)整為中小流量下泄，造成顯著減少汛期大流量歷時(shí)、明顯增加小流量歷時(shí)；從2003開始，由于小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的影響和上游來水來沙條件的改善，使2003—2016年間，大于3000m3/s的流量年均出現(xiàn)了6.5天，出現(xiàn)的頻率較上一時(shí)期有所增加，小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了313.5天，較上一時(shí)期略有減少。

圖10 黃河下游利津水文站不同時(shí)期各流量級出現(xiàn)的天數(shù)

通過統(tǒng)計(jì)分析可知，黃河下游各水文站各級流量的輸水輸沙特點(diǎn)基本一致，各站小流量(小于1000m3/s)出現(xiàn)的天數(shù)隨時(shí)段不斷增加，而大流量(大于3000m3/s)出現(xiàn)的天數(shù)不斷減小，到2000—2002年出現(xiàn)最低值，之后受小浪底調(diào)水調(diào)沙的影響有所回升。

黃河下游利津水文站不同時(shí)期各級流量所攜帶的水量占全年的比例見表1。由表1可以看出，1973年以前各級流量下泄水量相對比較均勻；1974—1986年間，大流量下泄水量有所減少，小流量下泄水量有所增加；1987年以后小流量攜帶水量明顯增加，大流量下泄水量明顯減少，中小洪水流量主要集中在1000～4000m3/s。

表1 利津站不同時(shí)期各流量所攜帶的水量占全年的比例 單位：%

黃河下游利津水文站不同時(shí)期各級流量所攜帶的沙量占全年的比例見表2。由表2可以看出，1973年以前，沙量主要集中在1000m3/s以上的流量級內(nèi)，尤其較大流量攜帶的沙量較多；1974—1986年間，小于1000m3/s的流量所攜帶的沙量略有增加，而大于4000m3/s的流量所攜帶的沙量有所減少；1986年以后，小于1000m3/s的流量所攜帶的沙量進(jìn)一步增加，而大于4000m3/s的流量攜帶的沙量明顯減少，尤其是2003年以后，該流量級攜帶的沙量不到1%。由此表明，近年來黃河下游的輸水輸沙主要集中在1000～4000m3/s洪水中。

表2 利津站不同時(shí)期各流量所攜帶的沙量占全年的比例 單位：%

5 河道沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

1950—2016年黃河下游河道沖淤量和花園口汛期來沙系數(shù)的歷年變化過程見圖11。由圖11可見，黃河下游河道沖淤量與花園口汛期來沙系數(shù)存在一定的關(guān)系，當(dāng)花園口汛期來沙系數(shù)在相對高位時(shí)，黃河下游河道會處于淤積狀態(tài)，而花園口汛期來沙系數(shù)在相對低位時(shí)，黃河下游河道會發(fā)生少量淤積甚至沖刷；1986年黃河上游龍羊峽和劉家峽兩水庫開始汛期蓄水調(diào)節(jié)，使黃河下游河道的來水來沙發(fā)生變化，來沙系數(shù)明顯偏大，黃河下游河道發(fā)生嚴(yán)重淤積；2003年以后，經(jīng)過小浪底水沙調(diào)控之后，來水來沙條件得到改善，來沙系數(shù)明顯降低，致使黃河下游河道處于沖刷狀態(tài)。由此表明，不利的水沙條件(來沙系數(shù)的大大增加)必然會加劇黃河下游河道的淤積，是導(dǎo)致黃河下游河道淤積萎縮的主要因素。

圖11 黃河下游河道沖淤量和花園口汛期來沙系數(shù)歷年變化過程

6 結(jié) 語

該研究結(jié)果表明，黃河下游河道的水沙變化決定著下游河道的演變與沖淤的趨勢，因此，根據(jù)黃河下游的水沙變化特點(diǎn)，認(rèn)識黃河下游輸水輸沙變化規(guī)律，為黃河下游泥沙調(diào)控閾值的確定進(jìn)而塑造下游合適的水沙搭配關(guān)系，減緩下游河道淤積，完善治黃方略提供條件。同時(shí)，為達(dá)到下游河道不淤積甚至微沖的目的，根據(jù)黃河下游河道沖淤量隨著花園口汛期來沙系數(shù)的增加而增加的關(guān)系，建議應(yīng)保證花園口站汛期來沙系數(shù)不超過0.01kg·s/m6。