黃河下游水沙變化與歸因分析

王鴻翔 劉靜航 趙穎異 郭文獻

摘 要：以黃河下游為研究區(qū)，采用Mann-Kendall檢驗法、均值差異t法、小波分析法、雙累積曲線分析法、累積量斜率變化率法對黃河下游近60 a來實測徑流泥沙序列進行變化規(guī)律系統(tǒng)分析，定量評價氣候變化和人類活動對黃河下游水沙變化的貢獻率，以期揭示黃河下游水沙量變化規(guī)律及其引起水沙時空演變的影響因素。結果顯示：黃河下游水沙量均出現(xiàn)明顯下降趨勢，且年輸沙量比年徑流量減少明顯;花園口、高村、艾山3個水文站的年徑流量均于1985年發(fā)生突變，利津水文站年徑流量于1979年發(fā)生突變，高村、艾山2個水文站的年輸沙量均于1997年發(fā)生突變，花園口、利津水文站年輸沙量分別于1999年、1994年發(fā)生突變;各水文站水沙序列存在多時間尺度的周期變化，但變化尺度有所區(qū)別;4個水文站的水沙量雙累積曲線均發(fā)生兩次偏轉，輸沙量平均每年分別減少3.81億、2.69億、2.24億、0.67億t，減沙量沿程下降;水沙量減少的主導因素是人類活動。

關鍵詞：徑流量;輸沙量;人類活動;黃河下游

中圖分類號：P333;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.005

引用格式：王鴻翔，劉靜航，趙穎異，等.黃河下游水沙變化與歸因分析[J].人民黃河，2021，43（4）：24-29，71.

Abstract： Taking the lower Yellow River basin as the research area， the Mann-Kendall test method， average difference t methods，wavelet analysis， double cumulative curve method and cumulative slope rate change rate method were used to systematically analyze the spatial and temporal variation rules of the measured runoff and sediment sequence data of the lower Yellow River in the past 60 years， with a view to revealing the law of water and sediment changes in the lower reaches of the Yellow River and the influencing factors that cause water and sediment temporal and spatial evolution. The results show that the water and sediment load of the lower Yellow River show a significant downward trend， and the annual sediment yield decreases significantly compared with the annual runoff. The annual runoff of Huayuankou， Gaocun and Aishan stations has an abrupt change in 1985， while that of Lijin station occurs in 1979. The annual sediment load of Gaocun and Aishan has an abrupt change in 1997， while that of Huayuankou and Lijin changes in 1999 and 1994 respectively. The water and sediment sequences of hydrological stations have periodic variations on multiple time scales， but the variation scales are different. The double accumulation curves of the water and sediment volume of hydrological station are deflated twice， and the sediment load volume is decreased by about 381 million t， 269 million t， 224 million t and 67 million t each year， respectively. Moreover， the sediment reduction volume is decreased along the way. Human activities are the dominant factors in the reduction of runoff and sediment load.

Key words： runoff; sediment load; human activities; lower reaches of the Yellow River

黃河是中國第二大河，水少沙多、水沙關系不協(xié)調的自然屬性是黃河復雜難治的癥結所在[1]。黃河流經(jīng)黃土高原致使河流挾帶大量泥沙淤積下游河床形成“地上懸河”，給下游帶來巨大的防洪安全隱患。受自然因素與人類活動的疊加影響，流域水沙量呈現(xiàn)明顯波動趨勢。新時期黃河水沙關系已經(jīng)發(fā)生變化，黃河下游來水來沙急劇減少[2]。目前，水沙情勢演變特征定量歸因仍是水文學的重要理論問題[3]，許多研究者就水沙量變化規(guī)律及其影響因素展開了廣泛研究論證，認為黃河流域中上游水沙量變化由降雨、支流來水來沙、水庫運用等因素導致[4-6]。對黃河水沙變化成因進行量化研究不僅有助于加深對黃河水沙關系的認識，而且有利于黃河水沙調控機制的發(fā)展與完善。面向新時期黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展目標，提高水沙調控能力、促進流域水沙關系協(xié)調仍然是治黃的主要思路[7]。筆者在對黃河近60 a的實測徑流泥沙序列進行變化規(guī)律系統(tǒng)分析的基礎上，定量計算氣候變化和人類活動對黃河下游水沙量變化的貢獻率，以期揭示黃河下游水沙量變化規(guī)律及其引起水沙時空演變的影響因素。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

黃河干流全長5 464 km，水面落差4 480 m，流域總面積79.5萬 km2。流域面積大于1 000 km2的一級支流共76條，其中流域面積大于1萬km2或年均入黃泥沙量大于0.5億t的一級支流有13條。黃河下游主要有花園口水文站、高村水文站、艾山水文站和利津水文站。花園口水文站上距黃河源頭約4 700 km，集水面積占黃河流域總面積的97%，花園口是黃河成為地上懸河的起點;高村水文站控制河段屬黃河下游，該站是全國大江大河重要報汛站，也是黃河流入山東的重要控制站;艾山水文站是監(jiān)測與預報下游洪水的水文站;利津水文站作為黃河最下游一個水文站，提供黃河下游河段重要水文資料[8]。本文中1960—2016年實測徑流泥沙序列數(shù)據(jù)來源于花園口水文站、高村水文站、艾山水文站和利津水文站及《中國河流泥沙通報》;1960—2016年降水量序列數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.2 研究方法

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法[9-10]統(tǒng)計檢驗水文要素長期變化趨勢，并定量判別水文時間序列可能存在的突變點，同時采用均值差異t法[11]對可能存在的突變點進行檢驗。利用小波分析法[12]揭示水沙時間序列在不同時間尺度下的多種變化周期。結合雙累積曲線法[13-15]分析水沙序列的階段變化特征，并利用累積量斜率變化率法[16-17]量化分析自然因素與人類活動對水沙量演變的影響。

2 水沙變異特征分析

2.1 徑流泥沙變化趨勢

如圖1所示，各水文站年徑流量、年輸沙量多年變化總體呈下降趨勢，同時各水文站年際變化波動基本保持一致，水沙在各時間段的變化趨勢基本保持一致。

借助Mann-Kendall趨勢檢驗法定量評估黃河下游年徑流量和年輸沙量變化趨勢，統(tǒng)計量Zc值見表1。各站年徑流量和年輸沙量的Mann-Kendall統(tǒng)計量Zc值均小于0，表明各站年徑流量及年輸沙量均呈下降趨勢。顯然|Zc|大于顯著性水平α=0.01對應的臨界值2.58，通過99%顯著性檢驗，說明年徑流量和年輸沙量均明顯減少。因此，從年際變化上看，各站年徑流量和年輸沙量隨時間呈明顯下降趨勢，且年輸沙量比年徑流量減少明顯。

2.2 突變規(guī)律

采用Mann-Kendall檢驗法對黃河下游4個水文站的年徑流量和年輸沙量進行突變檢驗分析，Mann-Kendall統(tǒng)計值如圖2和圖3所示。近60 a來，4個水文站多年徑流量和多年輸沙量變化分為兩個階段，呈先增加后減少趨勢。4個水文站年徑流量、年輸沙量均發(fā)生明顯突變，但突變時間有所差異。各站點年徑流量序列在20世紀80年代初期及中期發(fā)生突變，年輸沙量序列在20世紀90年代中后期發(fā)生突變，突變年份見表2。4個水文站年徑流量序列突變點均通過0.05置信水平檢驗，花園口、艾山、利津水文站年輸沙量序列突變點均通過0.01置信水平檢驗。高村站年輸沙量序列檢測曲線交點在0.01置信水平的臨界線之外，表明高村站年輸沙量序列在1997年發(fā)生突變的可信度不高。

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法在檢驗過程中可能出現(xiàn)多個或突變可信度不高的突變點，采用均值差異t檢驗對其進行突變結果驗證。本文選取顯著水平α=0.01，臨界值tα=2.704，檢驗結果見表3。由表3可看出，4個水文站年徑流量和年輸沙量對應的統(tǒng)計量均通過0.01置信水平檢驗，表明年徑流量和年輸沙量在對應時間發(fā)生突變。由于艾山站的年徑流量突變點為1980年、1982年、1985年，1980年和1982年的波動范圍比較小而且1980年至1985年的時間序列短暫，因此把艾山站年徑流量的突變點都歸結到1985年。

2.3 周期性變化

采用黃河下游4個水文站年徑流量和年輸沙量的Morlet小波分析法繪制小波系數(shù)實部等值線圖（見圖4和圖5）和方差圖（見圖6和圖7），它們反映了時間序列中周期性波動的大小。

結果顯示，近60 a來，黃河下游水沙變化具有多時間尺度特性。年徑流量主要存在準3～6 a、準8～17 a、準19～30 a年際尺度的周期變化，其中8～17 a主周期的變化最為顯著，在該時間尺度上，年徑流量經(jīng)歷枯、豐多次循環(huán)交替，且該尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)得較為穩(wěn)定，具有全域性;年輸沙量存在準3～7 a、準11～16 a、準17～28 a年際尺度的周期變化，其中11～16 a主周期的變化最為顯著，尺度周期變化具有全域性。徑流量的周期特征較輸沙量明顯，水沙之間既有一定聯(lián)系也存在一定的差異。

2.4 雙累積曲線分析

雙累積曲線斜率偏向累積徑流量軸或累積輸沙量軸時，分別表示徑流量增大或輸沙量增大。花園口、高村、艾山、利津的年徑流量與年輸沙量雙累積曲線如圖8所示。4個水文站的雙累積曲線斜率均向累積徑流量偏折，表明累積輸沙量發(fā)生了趨勢性減少。徑流量與輸沙量雙累積曲線上均出現(xiàn)兩個轉折點，于是將累積曲線劃分為3個階段，建立3個時段的輸沙量與徑流量累積直線擬合方程。階段減沙量與年均減沙量見表4。

綜上所述，自黃河下游各水文站年徑流量發(fā)生突變以后，4個水文站輸沙量都明顯減少且減沙量沿程下降，各水文站每年分別減少大約為3.81億、2.69億、2.24億、0.67億t，這與區(qū)間內(nèi)20世紀70年代末開始實施的大規(guī)模水利水保工程措施以及20世紀90年代末開始推行的退耕還林還草工程密切相關。曲線上兩個轉折點發(fā)生的時間與前文分析的水沙突變時間基本吻合。

3 水沙變化影響因素分析

水沙關系變化受自然災害、下墊面條件、氣候變化、人類活動等諸多因素影響[18]，專家學者普遍認為氣候變化、人類活動是導致黃河水沙變化的主要驅動因素[1，19-22]。本文重點考慮降水條件變化和人類活動干擾對黃河下游水沙量的影響。

3.1 自然因素

運用M-K突變檢驗法對黃河下游4個水文站的水沙量進行突變性分析，運用均值差異對突變點進行驗證，對時間序列進行階段性劃分，結果見表5。

按照水文突變特征并分別繪制4個水文站突變前后時段的降水量與徑流量、輸沙量累積變化關系曲線，如圖9和圖10所示。各個階段的擬合關系式的決定系數(shù)R2均在0.96以上，擬合程度良好。

通過累積量斜率變化率法定量計算降水和人類活動對4個水文站的水沙量變化貢獻率，結果見表6、表7。降水量對水沙量的影響主要在于地區(qū)降水量的多少，當水量過多時會導致標準較低的水利水保工程遭受破壞，促使水沙量變化。近幾年暴雨及大暴雨量級減小、頻次減少，據(jù)統(tǒng)計，20世紀80年代以后，黃河中上游年均大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)均減少，大暴雨、特大暴雨日數(shù)減少更多，暴雨量的減少直接影響泥沙入黃量[23-24]。黃河下游降水量對4個水文站水沙量減少貢獻不同，Tb與Ta時期相比，降水量對4個水文站徑流量減少貢獻率分別為5.05%、7.43%、-11.07%、18.93%，對輸沙量減少貢獻率分別為-2.85%、-6.83%、-7.54%、-0.24%。由此可得，水沙量變化主要取決于人類活動的影響。

3.2 人類活動因素

黃河下游水沙量變化與人類活動緊密聯(lián)系，隨著時間推移，人類活動不斷增強，其對黃河下游水沙量減少的貢獻占據(jù)主導地位。Td與Tc時期相比，人類活動對4個水文站徑流量減少貢獻率分別為94.95%、92.57%、111.07%、81.07%，對輸沙量減少貢獻率分別為102.85%、106.83%、107.54%、100.24%，其中艾山站水沙量變化受人類活動影響程度最大，利津站受影響程度最小。水土保持措施、水利工程建設、引黃灌溉面積不斷擴大等是影響黃河下游水沙變化的主要人為因素，這些人為因素不僅改變了水文循環(huán)過程和時空分布規(guī)律，同時對黃河徑流產(chǎn)沙條件產(chǎn)生了重大影響。

水土保持活動是主要影響因素之一。黃土高原在20世紀50年代開始水土流失治理，科研人員進行了水墜法、定向爆破等各種快速筑壩技術探索。1957年利用水力充填筑壩技術，在很大程度上促進了淤地壩建設，加快了小流域綜合治理進度。自1960年以來，黃土高原水土保持開始向綜合治理和全面規(guī)劃轉變，不再是以往的無序治理狀態(tài)。20世紀70年代末，明確了減少進入黃河泥沙的關鍵方法為加強黃河中上游蓄水攔沙的壩庫工程建設。以上都為水土保持措施實施的初期，并不能起到很大效果。20世紀80年代，淤地壩成為黃河中游小流域綜合治理模式和水土流失治理的關鍵措施中的“骨干工程”[25]。1980—1985年是水土保持措施發(fā)揮重要作用的時期，是以小流域為單元的綜合治理階段，因此黃河下游年徑流量發(fā)生突變。

水利工程的建設是水沙變化的又一重要原因[26]。1960年以來，黃河上游干流先后修建了一系列水利樞紐，如青銅峽、劉家峽、龍羊峽水利樞紐。自1986年以來，龍羊峽與劉家峽水庫聯(lián)合作用，阻攔了蘭州站以上大部分泥沙，黃河上游河段汛期水量較劉家峽水庫運用前減少了54%，因此這也是導致黃河下游年徑流量發(fā)生突變的原因。小浪底水利樞紐建成后進一步加強了對下游水沙的調控，1996年12月李家峽水庫下閘蓄水，兩者共同作用下，黃河下游輸沙量發(fā)生了水文變異。

黃河干流引水灌溉工程是引起水沙變化的另一重要原因。黃河干流引水灌溉工程大部分為提水灌溉，主要位于黃河下游河段和寧蒙河段，其中寧蒙河段占灌溉總面積的44.5%，黃河下游河段占灌溉總面積的52.4%。黃河下游引黃灌區(qū)較多，有萬畝（15畝為1 hm2）以上引黃灌區(qū)98處，其中11處為百萬畝以上特大型灌區(qū)。灌溉面積較大，引黃灌區(qū)規(guī)劃總土地面積64 076 km2，耕地面積38 906.7 km2，總設計灌溉面積35 793 km2。20世紀90年代以后，黃河取水仍以農(nóng)業(yè)利用為主，黃河下游農(nóng)業(yè)用水占下游引黃總供水量的90%[26]。

4 結 論

通過對黃河下游4個水文站近60 a實測徑流泥沙序列進行統(tǒng)計，分析了水沙量時空變化規(guī)律，對水沙變化驅動因素進行量化分析，得到以下結論。

（1）對4個水文站多年實測水沙量數(shù)據(jù)進行分析，近60 a來黃河下游水沙量多年變化總體隨時間呈明顯下降趨勢，且年輸沙量比年徑流量減少明顯。

（2）通過Mann-Kendall法分析，均值差異t法檢驗4個水文站水沙量突變特征，表明黃河下游花園口、高村、艾山3個水文站的年徑流量均于1985年發(fā)生突變，利津水文站于1979年發(fā)生突變;高村、艾山2個水文站的年輸沙量均于1997年發(fā)生突變，花園口、利津水文站年輸沙量分別于1999年、1994年發(fā)生突變。

（3）小波分析表明，黃河下游河段年徑流量變化存在準3～6 a、準8～17 a、準19～30 a年際尺度的周期變化，其中8～17 a主周期的變化最為顯著;年輸沙量存在準3～7 a、準11～16 a、準17～28 a年際尺度的周期變化，其中11～16 a主周期的變化最為顯著。

（4）黃河下游花園口、高村、艾山、利津4個水文站的年徑流量和年輸沙量雙累積曲線基本均發(fā)生兩次偏轉。4個水文站輸沙量平均每年分別減少3.81億、2.69億、2.24億、0.67億t，減沙量沿程下降。

（5）降水、人類活動等因素導致黃河下游水沙量呈減少趨勢，其中人類活動是黃河下游水沙量減少的主要影響因素。其中，流域水土保持活動、水利工程建設、黃河引水灌溉等對黃河下游水沙量減少具有重要影響。

參考文獻：

[1] 王樂平.基于小波變換的黃河下游水沙變化特征及其成因分析[D].太原：太原理工大學，2015：1.

[2] 胡春宏，張曉明.論黃河水沙變化趨勢預測研究的若干問題[J].水利學報，2018，49（9）：1028-1039.