黃河入海水沙情勢變化分析

韓沙沙，談廣鳴，趙連軍，傅旭東，王靜雯

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，鄭州450003；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072）

0 引言

近年來，尤其是進入人類世（Anthropocene）以后，由于氣候變化和人類活動的增強等，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。總的來說，黃河口入海水沙的顯著減小趨勢已經(jīng)得到普遍認可，但以往研究中對水沙變異具體時段劃分不盡相同，這可能與不同研究中采用的水沙序列不同或變異點分析方法不同有關。因此，針對水沙變異的研究還需進一步深入。

明確近期多變的氣候環(huán)境中、高強度的人類活動影響下，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，在前人研究的基礎上，本文基于1950-2018年利津站實測水沙資料，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。

1 水沙趨勢性與變異性

利津站為河口段唯一的水文控制站，故用該站水沙實測數(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。為科學檢驗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方法，有效避免了單一方法檢驗不合理、多種方法檢驗結(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)中采用的水文檢驗方法及其檢驗結(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種變異點檢驗方法檢驗后可知，年均徑流量在1985年前后發(fā)生較大變異，二次檢驗變異點為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。對照黃河各水庫的修建時間可知，黃河入海水沙的變異時間點與水庫的修建和運營密切相關。

表1 水文變異診斷系統(tǒng)［16］檢驗結(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，人類活動影響較小，可認為是自然階段。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個不同階段，如圖2所示。1950-1959年間入海水沙主要受自然地理條件影響，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年中國處于計劃經(jīng)濟時期，黃河流域逐漸被開發(fā)，耕地面積擴大，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年中國處于計劃經(jīng)濟向社會主義市場經(jīng)濟過渡時期，黃河流域開發(fā)力度增強，工礦振興，該階段降水量較上一階段進一步減少約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%，但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人口增加，水電開發(fā)增強，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%，這主要是因為2000-2018年社會主義市場經(jīng)濟逐漸成熟，黃河流域大開發(fā)逐漸向黃河流域生態(tài)保護轉(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)度進行了調(diào)水調(diào)沙。水沙調(diào)控一般在前汛期進行，在調(diào)節(jié)洪水流量過程、保證下游防洪安全的基礎上，減少庫區(qū)與下游河道淤積，自1999年小浪底投入運用以來至2018年汛后，下游河道累計沖刷達21.676 億m3?？偟膩碚f，四階段人類活動逐階段增強，受自然條件及人類活動的影響，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

2 水沙年內(nèi)分布

為分析黃河入海水沙的年內(nèi)分布，統(tǒng)計計算了1950-2018年逐日流量及逐日含沙量的月均值，并按照上述的4 個時間段進行平均，如圖3所示。另外，采用變差系數(shù)計算分析利津水沙年內(nèi)分布的不均勻度，計算公式如下：

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）］計算可知，月均流量年內(nèi)分布呈現(xiàn)出特點：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)時間有所改變，月均流量年內(nèi)呈負偏態(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，受人類強活動影響，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）］計算可知，月均含沙量年內(nèi)分布呈現(xiàn)出特點：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階段增大，可能與20世紀90世紀黃河頻繁斷流有關，而2000-2018年月均含沙量較前三階段顯著減小，這主要與人類強活動的影響有關；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影響，流量及含沙量的年內(nèi)分布呈現(xiàn)出不同的特征。總體來看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。

3 水沙搭配

單位流量的含沙量大?。⊿/Q），（來沙系數(shù)ξ）是一個被廣泛用于黃河泥沙研究中表示水沙搭配的經(jīng)驗參數(shù)。其他條件相同的情況下，流量越大河流的運動強度和動能越大，輸送泥沙的能力也越強。來沙系數(shù)ξ越大則說明相同輸沙能力對應的沙量越大，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)在水庫的建設及運營時期會異常增大，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，這說明水庫的建設和運用對水沙搭配影響較大，也進一步說明強人類活動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 個等級，如表2所示。統(tǒng)計4個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等級21，之后的3 個階段，洪峰流量逐階段減小，且1986-1999年及2000-2018年兩個階段洪峰流量顯著減小，而4 個階段的最大含沙量相當。年均流量Qy自然階段為1 523 m3/s，之后的3 個階段分別為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，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 時水流的挾沙能力最強。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，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，水流挾沙能力最強。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致的水沙通量減少有關，另一方面人類活動對其影響正在逐步增強。2000年以后流量2 500 m3/s 時，水流挾沙力最強，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

4 結(jié)論

（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，二次檢驗變異點分別為1968年、1996年，基本與黃河各水庫的修建時間相對應，表明水沙變異時間與水庫的修建和運行密切相關。

（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有關。總體來看，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致的水沙通量減少有關，另一方面人類活動的影響正在逐步增強，如2000年以后流量2 500 m3/s 時水流挾沙力最強即為調(diào)水調(diào)沙的直接結(jié)果。□