韓沙沙,談廣鳴,趙連軍,傅旭東,王靜雯
(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州450003;2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084;3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430072)
近年來,尤其是進(jìn)入人類世(Anthropocene)以后,由于氣候變化和人類活動(dòng)的增強(qiáng)等,全球大型河流水沙條件發(fā)生顯著變化[1-6],也因此引發(fā)了一系列新的問題[7]。例如,在水沙銳減的背景下,世界上85%的河口三角洲正面臨著沖蝕后退的嚴(yán)峻威脅[1],其中黃河三角洲蝕退已逐漸成為威脅河口地區(qū)穩(wěn)定安全的主要問題之一[8,9]。
作為弱潮陸相河口,黃河入海水沙條件是影響其演變的決定性因素之一[10,11]。針對黃河口來水來沙條件,以往學(xué)者開展了大量研究,研究發(fā)現(xiàn),由于氣候變化和人類活動(dòng)的加劇等,近60 多年來黃河口水沙條件發(fā)生了顯著變化[9,12-15]。例如,張治昊和胡春宏[12]指出黃河口水沙過程以1986年為界,呈現(xiàn)出年際水沙量大幅減少,水沙搭配變差,洪峰流量劇烈減小,年內(nèi)水沙分配變異等特征。Ji 等[13]通過Mann-Kendall 趨勢分析,發(fā)現(xiàn)1985年前后,黃河入海水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化,且2002年調(diào)水調(diào)沙后,水沙過程逐漸由自然模式轉(zhuǎn)換為人為調(diào)控模式??偟膩碚f,黃河口入海水沙的顯著減小趨勢已經(jīng)得到普遍認(rèn)可,但以往研究中對水沙變異具體時(shí)段劃分不盡相同,這可能與不同研究中采用的水沙序列不同或變異點(diǎn)分析方法不同有關(guān)。因此,針對水沙變異的研究還需進(jìn)一步深入。
明確近期多變的氣候環(huán)境中、高強(qiáng)度的人類活動(dòng)影響下,黃河口入海水沙情勢變化,系統(tǒng)深入研究水沙變化新特征,對黃河口綜合治理規(guī)劃、防洪減災(zāi)及水庫聯(lián)合調(diào)度具有重要意義。因此,在前人研究的基礎(chǔ)上,本文基于1950-2018年利津站實(shí)測水沙資料,擬從趨勢性、變異性、年內(nèi)分布和水沙搭配四個(gè)方面系統(tǒng)分析黃河口水沙變化規(guī)律,以明確黃河口近年來的水沙情勢變化。
利津站為河口段唯一的水文控制站,故用該站水沙實(shí)測數(shù)據(jù)分析黃河口來水來沙變化。利津站年均徑流量及輸沙量變化如圖1所示,由圖1可知1950-2018年間黃河口年際來水來沙差異顯著。為科學(xué)檢驗(yàn)黃河入海水沙的趨勢性及變異性,采用了謝平等[16]提出的水文變異診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)采用多種水文序列檢驗(yàn)方法,有效避免了單一方法檢驗(yàn)不合理、多種方法檢驗(yàn)結(jié)果不一致的問題。
圖1 利津站水沙變化Fig.1 Variations in water and sediment regime at Lijin station
系統(tǒng)中采用的水文檢驗(yàn)方法及其檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。雖然2002年以后調(diào)水調(diào)沙使利津站年均徑流量與輸沙量稍有回升(圖1),但3 種趨勢檢驗(yàn)方法均表明黃河入海水沙總體均呈顯著減少趨勢。另外,對利津站年均徑流量及輸沙量采用12種變異點(diǎn)檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)后可知,年均徑流量在1985年前后發(fā)生較大變異,二次檢驗(yàn)變異點(diǎn)為1968年;年均輸沙量同樣于1985年發(fā)生較大變異,1996年為第二變異點(diǎn)。對照黃河各水庫的修建時(shí)間可知,黃河入海水沙的變異時(shí)間點(diǎn)與水庫的修建和運(yùn)營密切相關(guān)。
表1 水文變異診斷系統(tǒng)[16]檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Diagnosis results of the hydrological alteration diagnosis system
1950-1959年黃河流域處于開發(fā)初期,人類活動(dòng)影響較小,可認(rèn)為是自然階段。另外,以水沙變異的1985年及龍羊峽水庫開始蓄水的1986年、小浪底水庫開始蓄水的1999年為界,將水沙序列分為4個(gè)不同階段,如圖2所示。1950-1959年間入海水沙主要受自然地理?xiàng)l件影響,階段內(nèi)黃河流域的平均降水量為485.9 mm,水沙偏豐,利津站平均年徑流量480.5 億m3,平均年輸沙量13.19 億t;1960-1985年中國處于計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期,黃河流域逐漸被開發(fā),耕地面積擴(kuò)大,沿黃引水增加[14],階段內(nèi)黃河流域平均降水量較上一階段稍有減少(3.8%)至467.3 mm,利津站水沙相應(yīng)下降,且減小幅度較降水量大,年均徑流量較上一階段減小17.7%至395.4 億m3,年均輸沙量較上一階段減小28.4%至9.45 億t;1986-1999年中國處于計(jì)劃經(jīng)濟(jì)向社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)過渡時(shí)期,黃河流域開發(fā)力度增強(qiáng),工礦振興,該階段降水量較上一階段進(jìn)一步減少約7.2%,利津水沙量銳減,較上一階段水量減小了61.9%,沙量減少了57.8%;2000-2018年,黃河流域暴雨等極端天氣增多,流域降水量較1986-1999年增加了6.4%,但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口增加,水電開發(fā)增強(qiáng),用水激增,利津站水沙仍延續(xù)了枯水枯沙的特征。該階段利津水量較上一階段增加7.2%,沙量較上一階段減少69.1%,這主要是因?yàn)?000-2018年社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)逐漸成熟,黃河流域大開發(fā)逐漸向黃河流域生態(tài)保護(hù)轉(zhuǎn)變,如為保證黃河下游不斷流不淤高,2002年以后通過水庫群的聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行了調(diào)水調(diào)沙。水沙調(diào)控一般在前汛期進(jìn)行,在調(diào)節(jié)洪水流量過程、保證下游防洪安全的基礎(chǔ)上,減少庫區(qū)與下游河道淤積,自1999年小浪底投入運(yùn)用以來至2018年汛后,下游河道累計(jì)沖刷達(dá)21.676 億m3??偟膩碚f,四階段人類活動(dòng)逐階段增強(qiáng),受自然條件及人類活動(dòng)的影響,黃河入海水沙呈逐階段減小趨勢,減小速率約為徑流量-120.2 億m3/a,輸沙量-4.13 億t/a[圖2(b)]。
圖2 各階段變化趨勢Fig.2 Variations in each period
為分析黃河入海水沙的年內(nèi)分布,統(tǒng)計(jì)計(jì)算了1950-2018年逐日流量及逐日含沙量的月均值,并按照上述的4 個(gè)時(shí)間段進(jìn)行平均,如圖3所示。另外,采用變差系數(shù)計(jì)算分析利津水沙年內(nèi)分布的不均勻度,計(jì)算公式如下:
式中:xi為月均流量(含沙量);為年內(nèi)月均流量(含沙量);N為月數(shù);Cv越大表明水沙年內(nèi)分布越不均勻,波動(dòng)幅度越大,越不利于水沙的合理利用。
由圖3(a)及階段內(nèi)流量Cv平均值[圖3(c)]計(jì)算可知,月均流量年內(nèi)分布呈現(xiàn)出特點(diǎn):①各月月均流量呈逐階段減小的一般趨勢,如1-3月,8-9月;②洪峰出現(xiàn)時(shí)間有所改變,月均流量年內(nèi)呈負(fù)偏態(tài)分布,1950-1959年及1986-1999年大流量過程集中在8-9月,1960-1985年大流量過程延后至9-10月出現(xiàn)(紅色虛線所示),而2000-2018年大流量過程集中在調(diào)水調(diào)沙的6-7月(藍(lán)色虛線所示)。③年內(nèi)分布不均勻度呈逐階段增加趨勢,但2000年以后,受人類強(qiáng)活動(dòng)影響,流量不均勻度有所下降。
由圖3(b)及階段內(nèi)含沙量Cv平均值[圖3(c)]計(jì)算可知,月均含沙量年內(nèi)分布呈現(xiàn)出特點(diǎn):①大流量帶大含沙量,各階段一般均為大含沙量過程隨大流量過程出現(xiàn),1986-1999年7-8月含沙量相對于前兩個(gè)階段增大,可能與20世紀(jì)90世紀(jì)黃河頻繁斷流有關(guān),而2000-2018年月均含沙量較前三階段顯著減小,這主要與人類強(qiáng)活動(dòng)的影響有關(guān);②月均含沙量呈逐階段減小的趨勢,如1-6月,9-12月;③年內(nèi)分布不均勻度呈逐階段增加趨勢,2000-2018年不均勻度有所下降。
圖3 利津站水沙年內(nèi)分布Fig.3 Annual distribution of water and sediment regime at Lijin Station
綜上所述,受不同程度的人類活動(dòng)影響,流量及含沙量的年內(nèi)分布呈現(xiàn)出不同的特征??傮w來看1950-1999年水沙年內(nèi)分布不均勻度呈增大趨勢,2000-2018年月均流量及含沙量的變化與前三階段的變化趨勢不完全一致,這說明利津站的流量及含沙量過程由自然模式向人工調(diào)控模式轉(zhuǎn)變。
單位流量的含沙量大?。⊿/Q),(來沙系數(shù)ξ)是一個(gè)被廣泛用于黃河泥沙研究中表示水沙搭配的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。其他條件相同的情況下,流量越大河流的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)能越大,輸送泥沙的能力也越強(qiáng)。來沙系數(shù)ξ越大則說明相同輸沙能力對應(yīng)的沙量越大,即河流可能處于超飽和狀態(tài)而發(fā)生淤積,反之則說明河流可能處于次飽和狀態(tài)而發(fā)生沖刷[17]。如以往黃河下游河道研究認(rèn)為ξ>0.015 河道淤積,0.01≤ξ≤0.015 河道沖淤基本平衡,ξ<0.01河道發(fā)生沖刷[18]。
利津站1950-2018年來沙系數(shù)變化如圖4所示,由圖可知1950-1959年自然階段平均來沙系數(shù)較小為0.019 4,相比該階段,1960-1985年平均來沙系數(shù)增加29.9%,1986-1999年增大2.4 倍至0.066 1,而2000-2018年大幅減小至0.017 7,較自然階段減小了8.8%。前三階段的來沙系數(shù)逐漸增大,即水沙搭配逐漸惡劣,而小浪底投入使用以后,尤其是2002年水庫聯(lián)合調(diào)度調(diào)水調(diào)沙以來,水沙搭配大幅優(yōu)化,為沖刷下游河道提供了有利條件。另外,來沙系數(shù)在水庫的建設(shè)及運(yùn)營時(shí)期會(huì)異常增大,如1960年三門峽水庫、1986年龍羊峽水庫及1999年小浪底水庫蓄水前后,這說明水庫的建設(shè)和運(yùn)用對水沙搭配影響較大,也進(jìn)一步說明強(qiáng)人類活動(dòng)逐漸成為影響水沙過程的主要因素,黃河口入海水沙過程逐漸由自然模式向人工調(diào)控模式轉(zhuǎn)變。
圖4 利津站1950-2018年來沙系數(shù)變化Fig.4 Changes of the incoming sediment coefficient at Lijin Station
為進(jìn)一步明確各階段黃河口水沙搭配特性,以500 m3/s 為增量將利津站逐日流量劃分為21 個(gè)等級,如表2所示。統(tǒng)計(jì)4個(gè)階段不同流量等級下的含沙量大小如圖5所示。由圖可知1950-1959年的自然階段洪峰流量可達(dá)等級21,之后的3 個(gè)階段,洪峰流量逐階段減小,且1986-1999年及2000-2018年兩個(gè)階段洪峰流量顯著減小,而4 個(gè)階段的最大含沙量相當(dāng)。年均流量Qy自然階段為1 523 m3/s,之后的3 個(gè)階段分別為1 253、477、511 m3/s,呈逐階段減小的趨勢,較自然階段分別減小17.7%、68.7%、66.4%。年均含沙量Sy也逐階段減小,較自然階段的15.06 kg/m3,之后3 個(gè)階段分別減小12.8%、15.5%、73.9%至13.13、11.09、2.90 kg/m3。
表2 利津站逐日流量等級劃分 m3/s1Tab.2 Grade division of the daily water discharge at Lijin Station
由圖5進(jìn)一步分析可知黃河入海水沙搭配特性:1950-1959年含沙量隨流量等級的增大而增大,符合大水帶大沙的一般規(guī)律,流量為7 000 m3/s 左右時(shí)水流挾沙能力最大。1960-1985年年均含沙量及流量較上一階段均有所減小,減小幅度相當(dāng),但該階段內(nèi)含沙量隨流量等級的增大先增大后減小,流量為3 000 m3/s 時(shí)水流的挾沙能力最強(qiáng)。1986-1999年年均含沙量及流量較自然階段均減小,且減小幅度年均流量是年均含沙量的4.4 倍,該階段基本滿足大水帶大沙的一般規(guī)律,但在流量為3 500 m3/s 時(shí),含沙量有所減小。2000-2018年年均含沙量及流量較自然階段顯著減小,且減沙幅度稍大于減水幅度,該階段含沙量隨流量等級的增加先增大后減小,流量為2 500 m3/s 時(shí),水流挾沙能力最強(qiáng)。綜上所述,黃河入海水沙搭配特性的變化一方面與氣候變化導(dǎo)致的水沙通量減少有關(guān),另一方面人類活動(dòng)對其影響正在逐步增強(qiáng)。2000年以后流量2 500 m3/s 時(shí),水流挾沙力最強(qiáng),即為人工調(diào)水調(diào)沙的直接結(jié)果。
圖5 利津站不同階段水沙搭配變化Fig.5 Changes of water-sediment collocation at different periods in Lijin Station
(1)黃河入海水、沙量總體均呈顯著減少趨勢。
(2)年均徑流量及輸沙量在1985年前后發(fā)生較大變異,二次檢驗(yàn)變異點(diǎn)分別為1968年、1996年,基本與黃河各水庫的修建時(shí)間相對應(yīng),表明水沙變異時(shí)間與水庫的修建和運(yùn)行密切相關(guān)。
(3)月均流量及含沙量呈逐階段減小的一般趨勢,其年內(nèi)分布不均勻度呈逐階段增加趨勢,但2000年以后兩者的不均勻系數(shù)有所下降,這主要是與人類活動(dòng)有關(guān)??傮w來看,利津站流量及含沙量過程由自然模式逐漸向人工調(diào)控模式轉(zhuǎn)變。
(4)水沙搭配特性改變,最大水流挾沙力對應(yīng)流量逐階段減小,1950-1959年、1960-1985年、1986-1999年及2000-2018年最大水流挾沙力對應(yīng)流量分別為7 000、3 000、3 500 與2 500 m3/s。總的來說,黃河入海水沙搭配特性的變化一方面與因氣候變化導(dǎo)致的水沙通量減少有關(guān),另一方面人類活動(dòng)的影響正在逐步增強(qiáng),如2000年以后流量2 500 m3/s 時(shí)水流挾沙力最強(qiáng)即為調(diào)水調(diào)沙的直接結(jié)果。□