黃河下游近期來水來沙年內(nèi)年際波動特征研究

關(guān)鍵詞：水沙條件；趨勢性；水沙搭配；游蕩段；黃河下游

0引言

21世紀(jì)以來，受黃河水沙變化與小浪底水庫調(diào)節(jié)的影響，進(jìn)入黃河下游的水沙特征發(fā)生了新的變化，由此引發(fā)了下游河道尤其是游蕩河段治理的新問題，例如：局部河段河勢大幅度調(diào)整、多河段出現(xiàn)畸形河勢等，成了黃河下游防洪安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。在深入推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，氣候變化與人類活動影響雙重作用下黃河下游游蕩段水沙變化新情勢亟待明晰。

按照不同的河床演變特點(diǎn)，黃河下游通?？煞譃橛问帯⑦^渡和彎曲3個(gè)河段，其中游蕩段有花園口、夾河灘與高村3個(gè)水文站。黃河下游來水來沙量不僅受自然條件影響，而且受人類活動的影響也越發(fā)強(qiáng)烈。截至2004年，黃河流域共有超過3380個(gè)水庫建成運(yùn)營，其中小浪底水庫1999年下閘蓄水后，2002年開始實(shí)施水庫群聯(lián)合調(diào)度，這在很大程度上改變了進(jìn)入黃河下游的水沙條件。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者基于不同水文站實(shí)測水沙數(shù)據(jù)，對進(jìn)入黃河下游的水沙過程開展了大量研究。例如：王鴻翔等利用Mann-Kendal檢驗(yàn)法和小波分析法對花園口站1960-2016年徑流量和輸沙量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水、沙量總體都呈下降趨勢，其突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在1985年和1998年；申紅彬等基于黃河下游花園口、高村、艾山、利津4個(gè)水文站建立下游水沙關(guān)系模型，采用理論分析法、線性回歸法得出符合實(shí)際的河道沿程水沙搭配參數(shù)調(diào)整方程，揭示了水沙關(guān)系由不平衡向平衡的過渡過程：韓沙沙等基于1950-2018年利津站實(shí)測水沙資料，分析了利津站水沙變化特征，認(rèn)為黃河口來水來沙過程逐漸由自然模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿藶檎{(diào)控模式。

為進(jìn)一步探究近期黃河下游游蕩段來水來沙年內(nèi)年際波動特征，重點(diǎn)關(guān)注1997年小浪底壩址大河截流后強(qiáng)人類活動影響階段，本文基于花園口水文站1997-2020年實(shí)測水沙數(shù)據(jù)，并對比同時(shí)段潼關(guān)站水沙數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法、滑動t檢驗(yàn)法和小波分析法分析兩站水沙序列的趨勢性、變異性、周期性、年內(nèi)分布及水沙搭配特點(diǎn)，以期為黃河下游河道演變等相關(guān)科學(xué)研究提供支撐，也為未來水沙調(diào)控等工程實(shí)踐提供決策參考。

1趨勢性與變異性

本文以花園口水文站實(shí)測水沙數(shù)據(jù)代表黃河下游水沙條件，其水沙過程直接受小浪底水庫運(yùn)用的影響。相對而言，潼關(guān)水文站雖然也受黃河上中游水庫及水保工程等影響，但其水沙過程更能反映黃河天然水沙變化特別是泥沙的變化，因此本文選用潼關(guān)站水沙數(shù)據(jù)代表黃河天然水沙過程，對比花園口水沙過程，分析人工調(diào)控作用下進(jìn)入黃河下游的水沙特征。

潼關(guān)、花園口站1997-2020年年來水量、來沙量變化如圖1所示。由圖1（a）可知，兩站來水量稍有差異，但其整體變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)階段性增減交替的過程，這是因?yàn)樾±说姿畮鞛槟暾{(diào)節(jié)水庫，年內(nèi)水量基本平衡，所以黃河下游來水量年際變化與天然來水量過程基本一致。

潼關(guān)、花園口站來沙量變化差異明顯。由圖1（b）可知，潼關(guān)站來沙量除2000-2001年較小外，1997-2009年總體波動下降，2009-2013年呈波動上升趨勢，2013-2015年呈下降趨勢，隨后除2018年來沙量較大外，2015-2020年總體呈上升趨勢。花園口站來沙量1997-1999年較大，平均為4.09億t，但仍較潼關(guān)站來沙量偏少28%：1999年小浪底水庫投入運(yùn)用后，進(jìn)入下游的沙量銳減，潼花（潼關(guān)一花園口）間的來沙量差距加大：2002年調(diào)水調(diào)沙開始實(shí)施后至2009年，花園口站來沙量不斷減少，這一方面是因?yàn)辄S河天然來沙量呈下降趨勢，另一方面也得益于小浪底水庫的攔沙作用，但兩站來沙量差距逐漸減小；2009-2013年受天然來沙量增加趨勢的影響，雖然有小浪底水庫的攔截，但是花園口來沙量仍呈小幅度增加趨勢：2014-2017年雖然天然來沙量呈增加趨勢，但是來沙量相對較少，在小浪底水庫攔沙作用下，花園口來沙量仍呈下降趨勢：2018-2020年花園口站年均來沙量較大，為1.49t，占潼關(guān)站來沙量的57%。

總體來看，近20a來黃河下游水沙通量變化顯著，人工調(diào)控作用下的黃河下游來水量與天然來水量變化過程基本一致，而來沙量則受天然來沙與小浪底水庫運(yùn)用的共同影響。

為進(jìn)一步科學(xué)描述黃河下游水沙變化規(guī)律，采用M-K檢驗(yàn)法與滑動t檢驗(yàn)法檢驗(yàn)潼關(guān)、花園口站年均水、沙量的趨勢性與突變點(diǎn)。M-K檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，對所有的分布均適用，部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失也不會影響結(jié)果，常用于對降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等要素時(shí)間序列變化趨勢和突變點(diǎn)分析：滑動t檢驗(yàn)法則是通過兩組樣本平均值差異是否顯著來檢驗(yàn)突變，要求變量連續(xù)且有一定的正態(tài)性。檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩站在1997-2020年來水量呈顯著增加趨勢、來沙量呈顯著減少趨勢。潼關(guān)站水量在2018年附近發(fā)生突變，花園口站水量在2017年發(fā)生顯著突變，兩站突變年份相近；潼關(guān)站沙量在2004年附近發(fā)生突變，花園口站沙量在2001-2002年附近發(fā)生顯著突變。這說明小浪底水庫的運(yùn)用方式對黃河下游來水量變化過程影響不大，但直接影響來沙量的變化過程。

2周期性

河流徑流與輸沙是一類受不同因素影響、十分復(fù)雜的多時(shí)間尺度變化過程，小波分析法常被用于識別此類時(shí)間序列中的多種變化周期，例如河川徑流、地震波、暴雨、洪水等。本文采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換的小波分析法識別1997-2020年黃河下游來水來沙量的周期性變化特征。

結(jié)合Matlab、Suffer等軟件計(jì)算并繪制潼關(guān)、花園口站來水量、來沙量時(shí)間序列的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖、小波方差圖及主周期變化趨勢圖。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可反映序列在不同時(shí)間尺度的周期變化與在時(shí)間域中的分布，小波方差圖可反映序列波動能量隨時(shí)間尺度的變化，主周期變化趨勢圖可反映序列在不同時(shí)間尺度存在的平均周期。

小波系數(shù)實(shí)部等值線如圖2所示。小波系數(shù)實(shí)部為正代表水量或沙量充沛，圖中以實(shí)線、紅底表示，“H”為正值中心：小波系數(shù)實(shí)部為負(fù)則代表水量或沙量處于枯期，以虛線、藍(lán)底表示，“L”為負(fù)值中心。由圖2可識別出潼關(guān)、花園口站來水量在演變過程中不同時(shí)間尺度的變化周期，潼關(guān)站為3～7、7～11、12～16a，花園口站為3～8、9～16a，相對于潼關(guān)站，花園口站來水量兩個(gè)時(shí)間尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段更為穩(wěn)定，具有全域性；就來沙量而言，潼關(guān)站來沙量在4～9、10～16a兩個(gè)時(shí)間尺度的周期變化較為穩(wěn)定，具有全域性，而花園口站來沙量識別出的3～8、9～16a兩個(gè)時(shí)間尺度的周期變化在2002年調(diào)水調(diào)沙實(shí)施前相對穩(wěn)定。

計(jì)算潼關(guān)、花園口站水、沙量小波方差，如圖3所示。由圖3可知，潼關(guān)、花園口站來水量最大峰值即第一主周期分別為14、13a，來沙量第一主周期分別為13、12a。根據(jù)潼關(guān)、花園口站水、沙量小波方差最大峰值可繪制主周期變化趨勢圖，如圖4所示。潼關(guān)站水、沙量變化平均周期為9.5a，研究時(shí)段內(nèi)經(jīng)歷了2.5個(gè)周期的豐一枯變化，花園口站水、沙量變化平均周期為8a，經(jīng)歷了約3個(gè)周期的豐一枯變化。

總體來說，相對于潼關(guān)站水沙過程，花園口站來水量周期性變化在整個(gè)分析時(shí)段較為穩(wěn)定，具有全域性，來沙量在2002年調(diào)水調(diào)沙后在小時(shí)間尺度的周期性變化相對不穩(wěn)定，但兩站水沙的主周期變化趨勢仍較為一致。這說明人工調(diào)控作用下的水沙過程仍能反映天然水沙的周期性變化，但小時(shí)間尺度來沙過程受水庫運(yùn)用方式影響較大。

3年內(nèi)分布

基于潼關(guān)、花園口站年均水沙變化過程，結(jié)合趨勢性、變異性及周期性分析，將研究時(shí)段劃分為1997-1999年、2000-2001年、2002-2012年、2013-2017年、2018-2020年共5個(gè)階段。為量化黃河下游水沙年內(nèi)分布特征，用變差系數(shù)CV表示兩站水沙年內(nèi)分布不均勻度，CV越大表明水沙年內(nèi)分布越不0MEP1NNkeBHfG4JuFXo0hw==均勻，波動幅度越大。

潼關(guān)、花園口站月均流量、含沙量年內(nèi)分布變差系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知兩站流量變差系數(shù)CV相近，5個(gè)階段均經(jīng)歷了減小一增大的交替過程。兩站含沙量變差系數(shù)有所差別，潼關(guān)站5個(gè)階段的含沙量變差系數(shù)均較為接近，花園口站各階段含沙量則直接受小浪底水庫運(yùn)用方式的影響，其年內(nèi)分布不均勻度變化較大。此外，兩站含沙量變差系數(shù)大于流量變差系數(shù)，含沙量年內(nèi)分布的不均勻性更為明顯。

4水沙搭配

采用來沙系數(shù)t與水沙系數(shù)K兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)表示水沙搭配狀況。來沙系數(shù)t是指單位流量的含沙量大小，一般用于描述河道輸沙能力與水沙關(guān)系的變化：水沙系數(shù)K是一種時(shí)段水沙搭配判定指標(biāo)，可定性判斷研究年份的水沙條件相對于多年平均水沙條件的優(yōu)劣。

潼關(guān)、花園口站來沙系數(shù)t、水沙系數(shù)K變化如圖5所示，各水沙參數(shù)階段性變化見表2。由圖5和表2可知，潼關(guān)站來沙系數(shù)t第1階段減小，第Ⅱ階段增大，均在0.02以上，水沙系數(shù)K較小，前兩階段水少沙多，水沙搭配惡劣；第Ⅲ階段t穩(wěn)步減小，較上一階段顯著減小約53%，K不斷增大，且階段后期增大速度較快，階段平均值為1.48，該階段來沙量大幅減少，來水量增加，水沙搭配不斷優(yōu)化；第Ⅳ階段t呈增大趨勢，K呈減小趨勢，但該階段水沙搭配仍持續(xù)優(yōu)化，減小至0.0055，K增大至2.21;第V階段t繼續(xù)減小，K快速增大，該階段來沙量與上一階段持平，來水量大幅增加，水沙搭配顯著優(yōu)化。

相對于黃河天然水沙過程，黃河下游的水沙搭配較潼關(guān)站稍有差異?；▓@口站第1階段來沙系數(shù)t最大，為0.0220，水沙系數(shù)K較小，為0.12，該階段黃河下游水沙條件與潼關(guān)站相似，水少沙多，水沙搭配惡劣；第Ⅱ階段t顯著減小約62%，K仍較小，為0.09，該階段小浪底水庫開始運(yùn)用，進(jìn)入黃河下游的沙量顯著減少，水量雖仍與潼關(guān)站持平，但由于汛期水庫蓄水，最大流量被削峰，因此雖然水沙搭配優(yōu)化，但水沙系數(shù)仍維持在較小值；隨后的第Ⅲ、Ⅳ階段，t繼續(xù)減小，K快速增大，調(diào)水調(diào)沙成效顯著，使黃河下游的水沙搭配得到了明顯改善；第V階段t明顯回升，K有所減小，該階段水沙搭配仍較優(yōu)。

對比分析花園口站與潼關(guān)站兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的變化過程可知，相對于潼關(guān)站天然水沙過程來沙系數(shù)t逐階段減小、水沙系數(shù)K逐階段增大的變化特征，花園口站來沙系數(shù)t前4個(gè)階段逐漸減小，第V階段有所回升，水沙系數(shù)K前2個(gè)階段維持在較小值，Ⅲ一Ⅳ階段逐漸增大，第V階段有所減小。這說明，花園口水沙搭配變化一方面直接受小浪底水庫運(yùn)用方式的影響，另一方面又反映了天然來水來沙過程?？傮w來看，在天然水沙條件變化與人工水沙調(diào)控綜合作用下，近20a來黃河下游水沙條件整體相對較優(yōu)。

5結(jié)論

以同時(shí)段潼關(guān)站水沙過程代表黃河天然來水來沙條件，對比分析1997-2020年黃河下游花園口站水沙年際年內(nèi)變化特征可知：

1）兩站來水來沙量變化的趨勢性基本一致，來水量均呈顯著增加趨勢、來沙量均呈顯著減少趨勢，但變異性稍有差別，潼關(guān)站來水量在2018年附近發(fā)生突變，來沙量在2004年附近發(fā)生突變，花園口站水、沙量發(fā)生顯著突變的時(shí)間分別為2017年、2001-2002年。

2）兩站水、沙量存在不同時(shí)間尺度的周期變化，但其水沙的主周期變化較為一致，潼關(guān)站水、沙量第一主周期分別為14、13a，平均周期為9.5a，花園口站水、沙量第一主周期分別為13、12a，平均周期為8a。

3）基于兩站來水來沙量變化過程，結(jié)合趨勢性、變異性及周期性分析，可將研究時(shí)段劃分為5個(gè)階段。5個(gè)階段兩站流量變差系數(shù)CV相近，均經(jīng)歷了減小一增大的交替過程，含沙量變差系數(shù)則有所差別，潼關(guān)站5個(gè)階段的含沙量變差系數(shù)均較為接近，花園口站各階段含沙量則直接受小浪底水庫運(yùn)用方式的影響，其年內(nèi)分布不均勻度變化較大。

4）相對于潼關(guān)站天然水沙過程來沙系數(shù)t逐階段減小、水沙系數(shù)K逐階段增大的變化特征，花園口站來沙系數(shù)t前4個(gè)階段段漸減小，第V階段有所回升，水沙系數(shù)K前2個(gè)階段維持在較小值，Ⅲ一Ⅳ階段逐漸增大，第V階段有所減小。

5）小浪底水庫的運(yùn)用方式對黃河下游來水過程影響不大，但直接影響來沙過程。在天然水沙條件變化與人工水沙調(diào)控綜合作用下，近20a來黃河下游水沙過程呈明顯的階段性變化特征，水沙搭配總體相對較優(yōu)。