黃河中游水沙變化特征分析

張 麗，達朝媛

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州450045)

黃河是我國泥沙量最大的河流，也是世界上罕見的多沙河流，其全長約5 464 km，流域面積約79.5 萬km2.其中，從內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)至河南桃花峪間為黃河中游，河段全長約1 206 km，流域面積約34.4 萬km2，占全流域面積的45.7%;河段內(nèi)匯入的較大支流大概有30 條，徑流量占全河的42.5%，來沙量占全河來沙量的90%以上，為黃河泥沙的主要來源地［3］.

黃河水沙是一個動態(tài)的變化系統(tǒng)，隨著水庫的修建、水土保持措施的實施以及黃土高原生態(tài)恢復(fù)的大規(guī)模建設(shè)，為黃河水沙變化增加了眾多不確定因素.因此，治黃的重點和難點在于如何處理泥沙問題［1］.目前來看，泥沙問題已是擺在人們面前急需解決的重大難題，揭示水沙關(guān)系的機理是黃河水沙研究的首要內(nèi)容. 在此，筆者基于1950—2010年黃河中游主要水文站的水沙數(shù)據(jù)，并參考一些學(xué)者的研究成果:高航等［2］所做的黃河上、中游近期水沙變化的分析;高鵬等［3］開展的黃河中游河龍區(qū)間的干流水沙變化及其驅(qū)動力方面的研究;趙廣舉等［4］對黃河中游近60年來的水沙變化趨勢及其影響因素進行的深入分析等，主要分析黃河中游幾個典型水文站的水沙變化趨勢，并進一步分析自然因素和人類活動對黃河水沙的影響程度.

在此，主要以黃河中游龍門、花園口、華縣、白家川這4 個典型水文站為研究對象，著重分析它們的水沙變化趨勢及其影響因素.

1 水沙關(guān)系分析

1.1 水沙分布特點

以頭道拐(黃河上游)、龍門、華縣、花園口、白家川這5 個水文站的多年平均徑流量和輸沙量為研究對象來分析各站點在1950—2010年的水沙分布特點.文中所采用的各站點的水沙數(shù)據(jù)取自于《中國水資源公報》和《中國河流泥沙公報》. 各站點水沙情況詳見表1.

由表1可知，黃河上游(以頭道拐站為代表)多年平均徑流量占徑流總量的25.20%，而多年平均輸沙量僅占輸沙總量的5.44%，含沙量占含沙總量的3.60%;黃河中游(以龍門、華縣和花園口3 站之和為代表)多年平均徑流量占徑流總量的74.80%，而多年平均輸沙量占輸沙總量的比例卻高達94.56%，含沙量占含沙總量的比例高達96.4%.由此可知，黃河中游地區(qū)主要以泥沙為主.

表1 各站點水沙情況

1.2 水沙變化趨勢分析

一般，人們所研究的變量都是離散觀測得到的隨機序列［5］.隨時間變化，黃河徑流、泥沙數(shù)據(jù)分別構(gòu)成了水、沙時間序列，水沙序列特征值隨時間呈一定的變化趨勢.

依據(jù)1950—2010年黃河中游4 個主要水文站的年徑流量和年輸沙量，采用滑動平均法、非參數(shù)Mann-Kendall 趨勢檢驗和突變檢驗法，揭示黃河中游歷年水沙變化趨勢和突變年份.

1.2.1 滑動平均法

滑動平均法［6］是一種簡單的平滑分析、預(yù)測法，其基本思想是對序列數(shù)據(jù)進行逐項推移，依次計算某一項數(shù)的均值，然后利用均值曲線來預(yù)測時間序列的變化趨勢.假設(shè)樣本量m 的序列為x，其滑動平均序列可表示為

其中n 為滑動長度.作為一種規(guī)則，n 最好取奇數(shù).

對各典型水文站年徑流量和年輸沙量進行滑動平均，其結(jié)果如圖1—4 所示.

由圖1—4 可知，各水文站水沙變化過程線和滑動平均趨勢線基本對應(yīng)，反映出上升—下降—上升—下降的趨勢，整體上滑動平均趨勢線呈顯著下降趨勢，年徑流量和年輸沙量均明顯減少.對于各水文站年徑流量來說，前期稍微震蕩，在20世紀(jì)70年代以后年徑流量急劇下降，目前來說年徑流量相對較小.各站年輸沙量相比年徑流量波動較小，在20世紀(jì)60年代以后明顯下降.

圖1 龍門站年徑流量和年輸沙量滑動平均圖

圖2 花園口站年徑流量和年輸沙量滑動平均圖

圖3 華縣站年徑流量和年輸沙量滑動平均圖

圖4 白家川站年徑流量和年輸沙量滑動平均圖

1.2.2 Mann-Kendall 趨勢檢驗和突變檢驗

Mann-Kendall 趨勢檢驗和突變檢驗是世界氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗法［7－8］.

為研究各水文站水沙隨時間序列的變化趨勢，采用M-K 趨勢檢驗法. M-K 趨勢檢驗中，M-K 檢驗值U 為標(biāo)準(zhǔn)分布，當(dāng)時，拒絕原假設(shè)，即在置信水平上，時間序列存在著明顯的變化趨勢.若U ＞0，則時間序列呈上升趨勢;若U ＜0，則時間序列呈下降趨勢. 當(dāng)，1.64，2.32 時，表示分別通過置信度為90%，95%，99%的顯著性檢驗.各典型水文站年徑流量和年輸沙量的M-K 檢驗值見表2.

表2 各典型水文站水沙變化趨勢表

由表2可知，各典型水文站年徑流量M-K 檢驗值為－ 7. 08 ～－ 3. 28，年輸沙量M-K 檢驗值為－5.37 ～－3.70，各站年徑流量和年輸沙量趨勢檢驗值均為負(fù)值，呈下降趨勢，不僅通過95%顯著性檢驗，而且其趨勢檢驗值的絕對值均大于2.32，即通過置信度為99%的顯著性檢驗. 可知，從年際變化來看，各站年徑流量和年輸沙量呈顯著下降趨勢，且除白家川站外各站年輸沙量M-K 檢驗值的絕對值比年徑流量M-K 檢驗值的絕對值稍大，說明年輸沙量的減少更為劇烈和顯著.通過比較各站M-K 檢驗值可以看出，白家川站的年徑流量M-K 檢驗值的絕對值最大，說明其變化最為明顯，而花園口站次之;龍門、花園口站年輸沙量變化相對較大.

為了具體研究各水文站的水沙變化特征，除了采用M-K 趨勢檢驗法對各水文站水沙的變化趨勢進行分析外，還需要通過M-K 突變檢驗法對各水文站水沙可能發(fā)生的開始突變年份進行預(yù)測. M-K 突變檢驗中，UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布且UF1= 0. 當(dāng)，表示序列有一個明顯的增長或減少趨勢，取α =0.05，將此方法應(yīng)用到反序列中，重復(fù)上述計算過程，使計算值乘以－1，得到UBk.若UFk或UBk大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0 表明呈下降趨勢;當(dāng)它們超過信度線時，表示存在明顯的變化趨勢;若它們的交點位于信度線之間，則該點可能就是突變點的開始.通過MATLAB 編程計算，其結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖5 各水文站年徑流量M-K 統(tǒng)計值變化圖

圖6 各水文站年輸沙量M-K 突變檢驗變化圖

由圖5可知，龍門站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1964年，1964年后UF 或UB 統(tǒng)計值小于0，表明在此之后年徑流量呈下降趨勢，1995年后UF統(tǒng)計值小于－1.96，表明存在明顯的下降趨勢;花園口站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1969年，1970年后年徑流量呈下降趨勢，1992年后明顯下降;華縣站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1958年，1970年后年徑流量呈下降趨勢，1994年后明顯下降;白家川站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1961年，1960年后年徑流量呈下降趨勢，1970年后顯著下降.

由圖6可知，龍門站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為2008年，1972年后呈下降趨勢，1984年后明顯下降;花園口站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為1953年，1970 后呈下降趨勢，1985年后明顯下降;華縣站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為1953年，1980年后呈下降趨勢，2000年后明顯下降;白家川站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為1985年，1958—1964年存在明顯上升趨勢，1980年后呈下降趨勢.

由此可見，20世紀(jì)70年代以后各水文站水沙開始呈下降趨勢，近60年內(nèi)2000—2010年間各站年徑流量和年輸沙量最小.

2 水沙變化原因分析

近年來，關(guān)于黃河水沙變化的驅(qū)動因素，國內(nèi)外學(xué)者基本達成一致意見，即黃河水沙變化過程是一個受眾多因素影響的綜合過程，其形成和演化過程主要是由自然因素和人類活動綜合作用的結(jié)果［9－10］，而且人類活動是最根本因素.

2.1 氣候變化

氣候是一個復(fù)雜的隨機系統(tǒng)，主要包括降雨、氣溫、濕度、日照等因素.研究發(fā)現(xiàn)，黃河中游河龍區(qū)間徑流量對降水變化的響應(yīng)比對氣溫變化的響應(yīng)更為明顯和劇烈，由氣候變化引起區(qū)間年徑流量減少71.56 億m3，影響幅度為21%［11－12］，可以說降雨的變化影響著河川徑流的變化. 黃河中游河龍區(qū)間年降雨量的減少使得20世紀(jì)70，80，90年代徑流量分別減少5.38，9.52，13.92 億m3，輸沙量分別減少2.03，3.55，2.71 億t［13－14］. 可見，降雨直接影響著徑流量和輸沙量的變化.

2.2 水利工程

截至2009年，黃河流域共修建大中型水庫184 座，其中25 座大型水庫，年末蓄水量約為348.18 億m3［4］.

三門峽水庫是一座以防洪為主，發(fā)電、灌溉、防凌等綜合作用的大型水利工程，控制流域面積達68.84 萬km2.研究發(fā)現(xiàn)［4］，1961年三門峽水庫投入運用后，花園口站水沙急劇減少;自1986年建成的龍羊峽水庫與劉家峽水電站聯(lián)合調(diào)度后，頭道拐站水沙明顯變化;1999年小浪底水庫開始蓄水后，花園口站輸沙量也明顯下降.可見，水庫不僅對河流的徑流量分配產(chǎn)生很大變化，而且能減弱河流的輸沙能力.

2.3 水土保持措施

除了水利工程的影響外，水土保持措施也是引起河流水沙變化的一個重要驅(qū)動因素. 近60年來，在生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益的共同作用下，黃土高原的水土保持取得了顯著成效［15］.河龍區(qū)間采用的水土保持措施主要有梯田、林草、淤地壩等，并且這些措施能夠起到減沙作用，再加上水庫多具有攔減粗泥沙和排放細(xì)泥沙的作用，在水土保持措施和水利措施的協(xié)調(diào)作用下進入河流的泥沙有所減少和變細(xì)［16］.根據(jù)有關(guān)研究，1960—1984年間平均每年攔蓄泥沙約5 億t，其中水庫攔沙約2.2 億t、灌溉引沙約0. 6 億t、淤地壩攔沙約2. 0 億t、梯田攔沙約0.3 億t;截至2010年，水利和水土保持措施減沙3.5 ～4.5 億t［17］. 可見，水土保持措施對水沙變化的影響也不容忽略.

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、我國人口數(shù)量的不斷增加以及城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，工農(nóng)業(yè)用水、生活用水的比例也急增，除了水利工程和水土保持措施外的其他人類活動也對河流徑流量產(chǎn)生影響.

3 結(jié) 語

1)黃河中游4 個主要水文站的水沙變化過程均呈下降趨勢，而且輸沙量比徑流量下降更為劇烈和顯著.龍門站年徑流量的突變年份可能為1964年，年輸沙量的突變年份可能為2008年;花園口站年徑流量的突變年份可能為1969年，年輸沙量的可能突變年份為1953年;華縣站年徑流量的突變年份可能為1958年，年輸沙量的突變年份可能為1953年;白家川站年徑流量的突變年份可能為1961年，年輸沙量的突變年份可能為1985年.

2)水沙變化主要是自然因素和人類活動共同作用的結(jié)果.

3)文中沒有對沙的影響因素做詳細(xì)分析，也未對水利工程、降雨、土地利用以及用水等影響因子的貢獻率進行分解，今后需對此進一步探討.

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