1950—2014年黃河流域輸沙量變化特征及下游河道沖淤響應(yīng)

彭 俊，凌 敏，俞珊妮，趙宇杰，高 靜

河流地貌形成的主要地表過(guò)程就是泥沙侵蝕、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程，在此過(guò)程中塑造出各種沉積體系，如寬廣的泛濫平原和河口三角洲。然而，泥沙沉降會(huì)造成河道輸沙功能減弱，水庫(kù)庫(kù)容量減少和湖泊調(diào)水能力喪失，使河流體系發(fā)生改變，特別是河口沉積體系。河口作為海陸之間的連接通道，是陸源物質(zhì)向海洋輸送的主要窗口，河流輸送入海泥沙中含有各種對(duì)河口及海洋生態(tài)系統(tǒng)有用的元素，如N、P、K、Fe和有機(jī)碳等[1-2]。而且，河流入海泥沙是地球系統(tǒng)中泥沙循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是河口區(qū)泥沙輸移、河口地貌塑造以及岸灘演變的主要影響因子。Milliman等[3]估算全球入海泥沙年通量達(dá)到200億噸，對(duì)河流入海泥沙過(guò)程的研究以及氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域輸沙量的影響也受到越來(lái)越多的關(guān)注[4-7]。人類(lèi)活動(dòng)的日益增強(qiáng)(如水庫(kù)或大壩建設(shè)、流域引水引沙、土地改造以及造林和毀林)已極大的改變了全球河流系統(tǒng)，全球很多河流入海沙量都呈顯著的減少趨勢(shì)，如美國(guó)科羅拉多河和密西西比河[8]，西班牙Ebro河[9]以及中國(guó)長(zhǎng)江[10]和黃河[11]。

目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江[12]，黃河[13]，珠江[14]，淮河[15]和金沙江[16]等河流的水沙變化已進(jìn)行過(guò)研究。黃河作為中國(guó)第二大河流，在過(guò)去幾千年的年均輸沙量達(dá)到10.8 億噸[17]，而根據(jù)錢(qián)寧等[18]研究，1919—1960年年均輸沙量高達(dá)16億噸，其中年均入海輸沙量為12億噸，這個(gè)量是估算的世界河流入海泥沙通量的6%[3]。但是，1950—2014年黃河年均徑流量?jī)H有302億m3，大致相當(dāng)于長(zhǎng)江的3.38%，而年均輸沙量卻是長(zhǎng)江的1.87倍。由于黃河獨(dú)特的水沙特征，了解其水沙變化將有助于提高對(duì)河道演變、河口生態(tài)學(xué)和三角洲演變以及河流管理的認(rèn)識(shí)。

1950年以來(lái)，由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，黃河流域輸沙量開(kāi)始逐漸減少，至2000—2014年年均入海沙量?jī)H為1.33億噸，相當(dāng)于全新世中期的水平[19-21]。黃河入海沙量的大量減少以及河流營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和總?cè)芙夤腆w量的減少[22]，對(duì)鄰近河口的沿海區(qū)和渤海有著極為深遠(yuǎn)的物理、生態(tài)和地質(zhì)地貌影響，渤海沿岸的生態(tài)系統(tǒng)已遭受重大的改變[23-24]。因此，本文基于1950—2014年黃河流域頭道拐、花園口和利津三個(gè)水文站的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，分析流域徑流量和輸沙量的變化過(guò)程，定量估算氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域輸沙量的影響程度，探討下游河道的沖淤變化過(guò)程及其與進(jìn)入下游的水沙條件之間的關(guān)系。

1 流域概況

黃河發(fā)源于青藏高原，向東流經(jīng)黃土高原和華北平原，在山東省墾利縣注入渤海。干流全長(zhǎng)為5464 km，流域面積約751869km2(未包括內(nèi)流區(qū))，具有不同地貌和氣候特征(圖1)。上游從源頭至頭道拐站，長(zhǎng)度為3471km，面積約367898km2，主要為青藏高原地區(qū)，海拔高度從約4480m下降到約1000m，氣候?yàn)楦珊禋夂?，年均降雨量?95mm。中游從頭道拐站至花園口站，長(zhǎng)度為1206km，面積約362138km2，為黃土高原地區(qū)，海拔高度從約1000m下降到95m，有相當(dāng)多的支流匯入，氣候?yàn)楦珊怠敫珊禋夂?，年降雨量?16mm。下游從花園口站至利津站，長(zhǎng)度為786km，面積約21833km2，為強(qiáng)烈堆積的沖積性平原區(qū)，兩岸修建了長(zhǎng)約1371km的大堤以束縛水流。河床灘面一般高出堤防背河地面3m～7m，個(gè)別河段達(dá)到10m以上，氣候?yàn)闈駶?rùn)氣候，年均降雨量為648mm。利津站為河流入海水沙控制站。

圖1 黃河流域示意圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的黃河干流主要水文站(頭道拐站、花園口站和利津站)的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，時(shí)間序列為1950—2014年，數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)及其發(fā)布的《黃河泥沙公報(bào)》。工農(nóng)業(yè)引沙量、水庫(kù)(三門(mén)峽、小浪底水)沖淤量以及下游河道沖淤量數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)及其發(fā)布的《黃河泥沙公報(bào)》，流域降水量數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)及其發(fā)布的《水資源公報(bào)》，時(shí)間序列為1950—2014年。

3 流域水沙的變化特征

1950—2014年黃河流域頭道拐、花園口和利津水文站的年徑流量和年輸沙量都呈減少的變化趨勢(shì)(圖2)，且輸沙量的減少趨勢(shì)更為顯著。根據(jù)流域上各水文事件發(fā)生時(shí)間及水沙變化特征，將流域水沙變化過(guò)程劃分為4個(gè)階段，即1950—1968年為第1階段，1969—1985年為第2階段，1986—1999年為第3階段和2000—2014年為第4階段(圖2和表1)。

圖2 黃河流域水沙的變化過(guò)程

1950—1968年頭道拐站多年平均輸沙量為1.73億噸，1968年劉家峽水庫(kù)建成后蓄水?dāng)r沙，1969—1985年多年平均輸沙量減少到1.11億噸，占第1階段的65%；1985年龍羊峽水庫(kù)建成后，1986—1999年多年平均輸沙量減少到0.47億噸，占第1階段的27%；2000—2014年多年平均輸沙量與1986—1999年相當(dāng)，為0.45億噸，占第1階段的26%。中游地區(qū)是流域產(chǎn)沙區(qū)，90%的泥沙產(chǎn)自于此，在人類(lèi)活動(dòng)影響下花園口站和利津站輸沙量變化比頭道拐站的更為明顯。1950—1968年花園口站多年平均輸沙量高達(dá)15.55億噸，利津站的為12.36億噸。1969—1985年花園口站多年平均輸沙量減少到10.83億噸，利津站的減少到8.40億噸，分別占第1階段的70%和68%，此階段輸沙量的減少主要是1960年三門(mén)峽水庫(kù)建成后蓄水?dāng)r沙。1986—1999年花園口站和利津站多年平均輸沙量分別減少到6.85億噸和3.98億噸，占各自第1階段的44% 和33%，此階段輸沙量的減少主要原因是：(1)1985年龍羊峽水庫(kù)下閘蓄水和劉家峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，使中下游徑流量減少，徑流的搬運(yùn)能力減弱；(2)中游地區(qū)水土保持措施在1970s后期開(kāi)始生效，多年平均入黃泥沙減少量約3億噸[26]，起到顯著的減沙作用。1999年小浪底水庫(kù)開(kāi)始蓄水，2000—2007年花園口站和利津站多年平均輸沙量分別減少到僅有1.00億噸和1.33億噸，占各自第1階段的6%和11%，此階段利津站多年平均輸沙量和含沙量均比花園口站的要高(表1)，這得益于從2002年開(kāi)始黃河水利委員會(huì)開(kāi)始實(shí)施小浪底調(diào)水調(diào)沙計(jì)劃，下游河道發(fā)生沖刷，利津站輸沙量開(kāi)始增加(圖2c)。

表1 流域各水文站水文要素的多年均值

4 流域輸沙量變化的影響因素

4.1 降水量變化的影響

1950—2014年花園口站以上流域多年平均降水量為455mm。除了1960—1964年三門(mén)峽水庫(kù)采取“蓄水?dāng)r沙”的運(yùn)行方式外，1978年之前花園口站以上流域降水量的變化趨勢(shì)與輸沙量的具有較好的一致性(圖3a)，而且累積降水量和累積輸沙量之間的關(guān)系曲線(xiàn)擬合的也很好(圖3b)。1978年以后，由于水土保持措施開(kāi)始起到有效的減沙作用，如1973年花園口以上流域降雨量為498mm，花園口站輸沙量為15.80億噸，而1984年降雨量為500mm，輸沙量為8.73億噸，在差不多的降水條件下，輸沙量減少了7.07億噸。1999年小浪底水庫(kù)下閘蓄水后，花園口站以上流域降水量呈增加趨勢(shì)，而花園口站輸沙量卻進(jìn)一步減少，這反映出小浪底水庫(kù)建設(shè)對(duì)輸沙量的影響。

圖3 (a)花園口站以上流域降水量和輸沙量的變化；(b)花園口站以上流域降水量和輸沙量的雙累積曲線(xiàn)

基于以上分析，根據(jù)1950—1978年花園口站以上流域降水量年際變化(△P)與花園口站輸沙量年際變化(△Qs)之間的關(guān)系，估算各個(gè)階段流域降水量變化對(duì)輸沙量的影響。圖4表明兩者之間呈顯著的線(xiàn)性關(guān)系，方程式為：

圖4 1950—1978年花園口站以上流域△P與△Qs之間的關(guān)系

△Qs= 0.0809△P-0.3537(N=23;R2=0.6862)

(1)

數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布主要集中在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)(圖4)。Ⅰ區(qū)的數(shù)據(jù)表明隨著降水量的增加輸沙量增加，Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)表明隨著降水量的減少輸沙量減少。Ⅳ區(qū)有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為異常點(diǎn)，表明隨著降水量的增加而輸沙量減少。這種情況發(fā)生的可能原因是，黃河流域產(chǎn)沙區(qū)主要在中游，當(dāng)降水量集中在上游地區(qū)，中游地區(qū)降水量較少時(shí)，就有可能產(chǎn)生這種降水量增加而輸沙量減少的情況。

4.2 人類(lèi)活動(dòng)的影響

4.2.1 水土保持措施

黃河中游地區(qū)水土保持與流域治理始于上世紀(jì)50年代，在上世紀(jì)70年代后期對(duì)中游地區(qū)產(chǎn)沙的抑制作用開(kāi)始顯著生效[26]。流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙是流域降水和下墊面結(jié)合的產(chǎn)物，降水變化會(huì)導(dǎo)致流域下墊面改變，從而引起徑流量的變化。而徑流是泥沙輸運(yùn)的載體，徑流量的變化會(huì)引起輸沙量的變化，兩者具有一定的函數(shù)關(guān)系。水土保持措施通過(guò)改變流域下墊面，提高地表覆蓋條件，從而影響流域的產(chǎn)流與侵蝕過(guò)程。因此，建立流域水沙之間的函數(shù)關(guān)系，可以估算因降水量變化和水土保持措施而引起的輸沙量變化。

花園口站累積徑流量和累積輸沙量之間的關(guān)系曲線(xiàn)擬合如圖5a所示，1999年出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。因此，根據(jù)1950—1999年花園口站徑流量年際變化(△Q)與輸沙量年際變化(△Qs)之間的關(guān)系，估算各個(gè)階段水土保持措施對(duì)輸沙量的影響(公式2-公式1)。圖5b表明兩者之間呈顯著的線(xiàn)性關(guān)系，方程式為：

圖5 (a)花園口站徑流量和輸沙量的雙累積曲線(xiàn);(b)花園口站△Q與△Qs之間的關(guān)系

△Qs= 0.033△Q+0.0331(N=44;R2=0.5187)

(2)

4.2.2 工農(nóng)業(yè)引沙量

隨著沿黃生產(chǎn)水平的提高和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)引水量急劇上升，在引水的同時(shí)勢(shì)必會(huì)引走泥沙。1950—1959年黃河流域年均引沙量為2.13億t，1969—1985年為3.03億t，2000—2014年為3.64億t(表2)。

表2 工農(nóng)業(yè)引沙量

4.2.3 水庫(kù)建設(shè)

龍羊峽水庫(kù)建成后和劉家峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，汛期攔蓄洪水，非汛期泄水，改變了水量年內(nèi)分配，同時(shí)攔蓄了蘭州站以上部分泥沙。1968—1997年劉家峽水庫(kù)淤積15.47億m3，年均淤積0.53億m3；1986—1997年龍羊峽水庫(kù)淤積1.796億m3，年均淤積0.16億m3。

三門(mén)峽水庫(kù)在運(yùn)行方式上經(jīng)歷了1960—1964的“蓄水?dāng)r沙”，1964—1973的“滯洪排沙”和1973年以來(lái)的“蓄清排渾”三個(gè)階段。三門(mén)峽水庫(kù)沖淤量如表3所示，1960—2014年共淤積85.67億t，年均淤積1.56億t，其中1960—1964年淤積59.96億t，占總淤積量的70%；2000—2014年沖刷8.56億t，年均沖刷0.57億t。

1999年小浪底水庫(kù)建成后庫(kù)內(nèi)的淤積量如表3所示。水庫(kù)建設(shè)是為了減緩下游河道淤積，但開(kāi)始效果并不明顯，甚至出現(xiàn)下游河道上段(花園口—高村)沖刷，下段淤積的局面。2002年黃河水利委員會(huì)開(kāi)始實(shí)施調(diào)水調(diào)沙計(jì)劃，下游河道才實(shí)現(xiàn)全面沖刷。

表3 三門(mén)峽水庫(kù)沖淤量

4.3 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)

將1950—1959年作為基準(zhǔn)期，估算氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的影響程度(表4)。

表4 各種影響因素的減沙貢獻(xiàn)估算(相對(duì)于基準(zhǔn)期)

1968—1985年花園口以上流域年均降水量為451mm，比基準(zhǔn)期減少18mm，根據(jù)公式(1)估算年均減沙量約1.10億t，占花園口站總減沙量的23%。此階段水土保持措施減沙量約1.51億t，占花園口站總減沙量的31%；工農(nóng)業(yè)引沙量年均增加0.90億t，占花園口站總減沙量的19%；三門(mén)峽水庫(kù)年均攔沙量0.62億t，占花園口站總減沙量的13%；上游來(lái)沙量年均減少0.41億t，占花園口站總減沙量的8%。各種因素年均減沙總量為4.54億t，占花園口站實(shí)測(cè)年均減沙量4.79億t的95%。

1986—1999年花園口以上流域年均降水量為420mm，比基準(zhǔn)期減少49mm，根據(jù)公式(1)估算年均減沙量約3.61億t，占花園口站總減沙量的41%。此階段水土保持措施減沙量約3.32億t，占花園口站總減沙量的38%；工農(nóng)業(yè)引沙量年均增加0.31億t，占花園口站總減沙量的4%；三門(mén)峽水庫(kù)年均攔沙量1.18億t，占花園口站總減沙量的13%；上游來(lái)沙量年均減少1.05億t，占花園口站總減沙量的12%。各種因素年均減沙總量為9.47億t，占花園口站實(shí)測(cè)年均減沙量8.77億t的108%。

2000—2014年花園口以上流域年均降水量為451mm，比基準(zhǔn)期減少18mm，根據(jù)公式(1)估算年均減沙量約1.10億t，占花園口站總減沙量的8%。此階段水土保持措施減沙量約7.51億t，占花園口站總減沙量的51%；工農(nóng)業(yè)引沙量年均增加1.51億t，占花園口站總減沙量的10%；水庫(kù)年均攔沙量2.41億t，占花園口站總減沙量的17%，其中三門(mén)峽水庫(kù)-0.57億t，小浪底水庫(kù)2.98億t；上游來(lái)沙量年均減少1.07億t，占花園口站總減沙量的7%。各種因素年均減沙總量為13.60億t，占花園口站實(shí)測(cè)年均減沙量14.62億t的93%。

綜合以上分析，三個(gè)時(shí)期降水量的平均減沙量約占25%，人類(lèi)活動(dòng)的平均減沙量約占75%。人類(lèi)活動(dòng)影響因素中最主要的是水土保持措施(減沙量占40%)，不僅減少了流域產(chǎn)沙量，而且減少了進(jìn)入下游河道的粗顆粒泥沙(D50>0.05mm)；其次是水庫(kù)攔沙，減沙量占15%。因此，有理由認(rèn)為，隨著中游地區(qū)水土保持措施的進(jìn)行，未來(lái)黃河流域輸沙量會(huì)進(jìn)一步減少，這對(duì)河口三角洲的發(fā)育極為不利。

5 下游河道對(duì)輸沙量變化的響應(yīng)

1960年以前，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域水沙的影響較小，進(jìn)入下游的水沙主要取決于氣候因素；1960年以后，流域干流上水庫(kù)建設(shè)以及中游地區(qū)水土保持措施的實(shí)施，在很大程度上改變了進(jìn)入下游的水沙條件(以花園口站含沙量表征)，下游河道的沖淤狀況也隨之而變。1950—2014年下游河道共淤積泥沙39.1億m3，年均淤積0.602億m3。根據(jù)三門(mén)峽水庫(kù)建成時(shí)間及其不同的運(yùn)行方式以及龍羊峽和小浪底水庫(kù)建成時(shí)間，將下游河道的沖淤變化過(guò)程劃分為6個(gè)階段(圖6a)。

圖6 (a)下游河道沖淤變化過(guò)程；(b)花園口站含沙量與下游河道沖淤量之間的關(guān)系

1950—1960年流域水沙分布基本處于自然狀態(tài)，花園口站含沙量為31.71kg/m3。下游河道年均淤積量2.227億m3，以汛期淤積為主。

1960年三門(mén)峽水庫(kù)建成后并采用“蓄水?dāng)r沙”的運(yùn)行方式，1961—1964年大部分泥沙淤積在庫(kù)內(nèi)(表3)，花園口站含沙量為13.03kg/m3。下游河道經(jīng)歷沖刷，年均沖刷5.095億m3，沖刷主要集中在孫口以上河段。

1964年三門(mén)峽水庫(kù)改為“滯洪排沙”的運(yùn)用方式，1968年劉家峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水，1965—1973年下游汛期來(lái)水量減少，花園口站含沙量上升到33.07kg/m3。汛期徑流量減少的局面不利于下游河道輸沙，使淤積增加(年均淤積3.186億m3)。而且主槽淤積嚴(yán)重，“二級(jí)懸河”開(kāi)始發(fā)育。

1973年以后三門(mén)峽水庫(kù)改為“蓄清排渾”的運(yùn)行方式，1974—1985年花園口站含沙量為24.01kg/m3。此階段下游河道先淤后沖，1974—1980年以淤積為主，淤積主要在夾河灘—孫口河段，由于灘槽泥沙交換受到限制，造成“二級(jí)懸河”加劇。1981—1985年上游來(lái)水偏多(圖2a)，而多沙粗沙區(qū)的頭道拐—龍門(mén)區(qū)間暴雨強(qiáng)度又較弱，年均來(lái)沙量?jī)H為多年均值的39%[35]，這種水沙條件對(duì)下游河道十分有利，下游河道連續(xù)5年發(fā)生沖刷。

1985年龍羊峽水庫(kù)下閘蓄水并和劉家峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，以及中游地區(qū)水土保持措施的顯著生效，使得黃河下游汛期流量顯著減小，非汛期流量增加，洪水發(fā)生頻率和洪峰流量降低，擾動(dòng)強(qiáng)度下降，灘槽之間泥沙交換減弱，淤積主要在主槽。1986-1999年花園口站含沙量為24.76kg/m3，下游河道年均淤積1.651億m3。

1999年小浪底水庫(kù)下閘蓄水，但由于下游河道的輸沙功能減弱，2000—2001年小浪底水庫(kù)對(duì)下游河道的調(diào)節(jié)作用并不明顯。2002年黃河水利委員會(huì)開(kāi)始實(shí)施小浪底調(diào)水調(diào)沙計(jì)劃，下游河道的行洪能力增強(qiáng)，全河段才實(shí)現(xiàn)侵蝕。2000—2014年花園口站含沙量?jī)H為3.99kg/m3，下游河道年均沖刷1.293億m3。

從以上分析可知，1950年以來(lái)由于水沙條件的改變，下游河道經(jīng)歷了淤積—沖刷的交替調(diào)整。在僅考慮進(jìn)入下游河道水沙條件下，構(gòu)建了下游河道沖淤量(S下)與花園口站含沙量(C花)之間的函數(shù)關(guān)系(圖7)，該關(guān)系式可表示為：

S下= 0.1411 C花-2.4228(N=65; R2=0.5188)

(3)

隨著花園口站含沙量降低，下游河道由淤積轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷。令S下=0，根據(jù)公式(3)計(jì)算得到C花=17.17 kg/m3。當(dāng)C花<17.17kg/m3時(shí)，下游河道主要表現(xiàn)為沖刷；當(dāng)C花>17.17kg/m3時(shí)，下游河道主要表現(xiàn)為淤積。因此，降低花園口站含沙量對(duì)下游河道十分有利。

6 結(jié)論

1950年以來(lái)黃河流域輸沙量呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)。根據(jù)流域上各水文事件發(fā)生時(shí)間及水沙變化特征，將輸沙量變化過(guò)程劃分為1950—1968年、1969—1985年、1986—1999年和2000—2014年4個(gè)階段，其中頭道拐站輸沙量在后三個(gè)階段分別以36%、37%和1%遞減，花園口站輸沙量在后三個(gè)階段分別以30%、26%和38%遞減，利津站輸沙量在后三個(gè)階段分別為32%、36%和21%遞減。氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是流域輸沙量減少的主要影響因素。1950—2014年下游河道經(jīng)歷了淤積—沖刷的交替變化過(guò)程，這與進(jìn)入下游河道的水沙條件發(fā)生變化有關(guān)。下游河道不沖不淤狀態(tài)下的花園口站臨界含沙量為17.17kg/m3，即當(dāng)含沙量小于17.17kg/m3時(shí)，下游河道主要表現(xiàn)為沖刷；當(dāng)含沙量大于17.17kg/m3時(shí)，下游河道主要表現(xiàn)為淤積。2002年小浪底水庫(kù)開(kāi)始實(shí)施調(diào)水調(diào)沙后，下游河道實(shí)現(xiàn)全面沖刷，入海沙量有所增加，但仍處于較低量，相當(dāng)于全新世中期水平，黃河三角洲已經(jīng)發(fā)生侵蝕。