黃河中游區間入黃水沙量的貢獻率變化分析

陳界仁，任 磊，任莎莎

(河海大學水利水電學院，南京 210098)

黃河是我國輸沙量最大的河流，具有沙多水少，水沙異源特點，黃河中游河口鎮至潼關(簡稱河潼區間)是黃河中游泥沙尤其是多沙粗沙的最主要來源區。據統計，河口鎮至龍門區間占三門峽水庫以上進入黃河泥沙的90%以上，水量主要來自于上游，頭道拐水量占潼關站的65%左右[1]。歐陽潮波等[2]采用多年滑動平均、Mann-Kendall趨勢檢驗等方法對黃河中游河龍區間1950-2012年的水沙變化特點和趨勢進行了分析，發現河龍區間水沙年際變化整體呈現遞減趨勢并且受到降雨因素和人類活動的雙重影響；劉都喜等[3]對黃河中游干流及2個支流的水沙特性進行分析；武榮等[4]對河口鎮-龍門區間的9條支流及龍門站1975-2005年間水沙變化特征進行分析，得出了水利水保措施是水沙減少的主要原因。受自然因素及人類活動影響，黃河中游區間進入黃河的水沙量發生了減少的變化，但中游各區域進入黃河水沙量的貢獻率變化不同，對此研究成果不多。鑒于黃河中游區間缺乏長系列實測資料，依據黃河干流基本站資料得到區間的水沙量，將黃河中游分為3個區域(頭道拐-吳堡、吳堡-龍門、龍門-潼關)，分析各區進入黃河水沙量并對黃河水沙貢獻率變化特性進行分析。

1 研究區域概況

黃河中游是指從內蒙古托克托縣河口鎮至潼關(河潼)區間流域(圖1)，地理位置位于北緯32～40°和東經104～113°之間，區間干流長約849 km，集水面積約為31 萬km2，占黃河流域面積的38%[5]。區間的入黃水量約為32%，入黃沙量約占黃河干流輸沙量的90%，為黃河泥沙及粗砂的最主要來源區。區間流域面積大于1 000 km2以上支流達到25條，將黃河中游分為3個區域即頭道拐-吳堡(上部)區域面積為65 616 km2,該區域大的支流有15條左右，主要有窟野河、皇甫川、偏關河、禿尾河等；吳堡-龍門(中部)區域面積為64 038 km2，該區大的支流有9條，如無定河、延河、清澗河、三川河等；龍門-潼關(下部)區域面積為184 614 km2，主要支流有4條，主要有汾河、北洛河、涇河、渭河等。

圖1 研究區地理位置與水系圖Fig.1 Geographical location and water system of the study area

2 數據來源與方法

選取黃河干流頭道拐、吳堡、龍門、潼關水文站1958-2016年長系列實測水沙資料。由于黃河中游區間支流較多，大部分缺乏長系列實測水沙資料，因此，依據干流基本站資料，用干流站之間的水沙量差值計算得到3個區域的年徑流量和年輸沙量，用頭道拐站及3個區域的水沙量與潼關站的水沙量比值反映黃河上游及中游3個區域入黃水沙量的貢獻率，分析入黃水沙量貢獻率的變化。干流站的年徑流量和輸沙量來自黃河水文年鑒和《黃河水資源公報》及《黃河泥沙公報》。水沙變化趨勢分析采用Mann-Kendall檢驗法[6]和線性回歸方法。

3 結果分析

3.1 水沙量的變化分析

黃河中游區間3個區域的1958-2016年徑流量及年輸沙量變化見圖2。由圖2可見，黃河中游三個區域的年徑流量總體呈下降變化，龍門-潼關區間的徑流量除1995-2002年間較小外，其他年份均遠大于上、中部。1958-2016年3個區的年輸沙量總體呈減小變化，2000年后各區域的年輸沙量均較小，最大為3.0 億t；頭道拐-吳堡區間1967年出現了最大的年輸沙量為15.3 億t。統計分析黃河中游區間3個區域的1958-2016年、1958-2000年及2001-2016年三個時段的多年平均徑流量和輸沙量結果見表1。

圖2 區間徑流與輸沙量歷年變化Fig.2 Variation of runoff and sediment transport over the years

區間頭道拐頭道拐-吳堡吳堡-龍門龍門-潼關河-潼區間潼關時段多年平均徑流量/億m3206.522.321.769.8113.7320.21958-2016年222.626.225.678.2130.0352.61958-2000年163.011.811.147.370.2233.22001-2016年多年平均輸沙量/億t0.932.642.362.947.948.871958-2016年1.113.552.953.6510.1511.291958-2000年0.420.220.761.032.02.432001-2016年

從表1可見：從多年平均徑流量分析，頭道拐站、上部、中部、下部區域、河潼區間的2001-2016年均值與1958-2000年均值比值分別為73.2%、45%、43.3%、60.5%、54%；從多年平均輸沙量分析：頭道拐站、上部、中部、下部區域、河潼區間的2001-2016年均值與1958-2000年均值比值分別為38.0%、6.2%、25.7%、28.1%、21.5%；2000年后中游的上部區域沙量減幅最大，中下部區域減幅接近。從1958-2016年資料分析，上、中、下部區域的多年平均輸沙強度分別為4 069、3 670、1 582 t/km2，上部區域的輸沙模數最大，下部區域最小。黃河中游區間水沙量的時序變化M-K秩值分析結果見表2。

表2 各區域水沙秩值變化趨勢Tab.2 Variation trend of Rank Value for water and sediment in each area

分析結果表明：1958-2000年，各區域年徑流量和年輸沙量的秩相關系數均為負值，表明各區間的年徑流量和年輸沙量均為減小趨勢，除龍門-潼關年輸沙量的檢驗值為-1.26外，其余各區間檢驗值的絕對值均大于2.32，通過了信度為99%顯著性檢驗，為異常顯著減小；2000-2016年間，3個區域的年徑流量的檢驗值有正有負，秩小于1，說明各區的年徑流量呈不顯著的上升和下降趨勢；各區間年輸沙量的M-K秩值均為負值，表明各區的年輸沙量顯著減小趨勢，與同時期年徑流量的變化趨勢不同。長系列1958-2016年的水沙秩系數均為負值，小于-2.32，為異常顯著減小變化。

3.2 入黃水沙量的貢獻率變化分析

圖3是頭道拐、中游各區域入黃水沙量貢獻率的歷年變化圖，由圖3可見，頭道拐站入黃水量貢獻率總體呈增加的變化趨勢，年均增加率為0.235，對應的河潼區間入黃水量貢獻率呈減小的變化趨勢，年均減小率為0.235。中游區間的三個區域的水量貢獻率呈減小變化，區域上、中、下部的年均減小率分別為0.078、0.052、0.105。2005年前，頭道拐站的入黃沙量貢獻率無明顯的變化趨勢，變幅相對較小，2005年后，沙量貢獻率表現為明顯的增大變化，2014年達到57.9%的最大值。對應的河-潼區間，2005年后沙量貢獻率表現為明顯的減小變化，2014年達到42.1%的最低點。中游區間各區域的沙量貢獻率變化比較復雜，無明顯的增加或減小變化趨勢。其中頭道拐-吳堡區間2000年前相對平穩，2000年后明顯減小；吳堡-龍門區間2000年前相對平穩，2000年后總體為增大變化，變幅較大；龍門-潼關區間1983年之前相對穩定，1983年后，變幅加大，總體為增加變化。

圖3 頭道拐及黃河中游各區域入黃水沙貢獻率歷年變化Fig.3 Variation of water and sediment contribution rate in Toudaoguai and each area of middle reaches of Yellow River over the years

頭道拐站及區間入黃水沙貢獻率變化統計特性結果見表3和圖4。從表3和圖4可見，2000年后，頭道拐的水量貢獻率增加了為6.8%，3個區域的水量貢獻率分別減小了2.4%、2.5%、1.9%，河潼區間的水量貢獻率減小了6.8%。上游對黃河水量貢獻率增加，中游區間的貢獻率減小了。2000年后，頭道拐沙量貢獻率增加了7.4%，上部區域的沙量貢獻率減小了22.5%、中、下部區域的沙量貢獻率分別增加了5.1%、10%，河潼區間沙量貢獻率減小了7.4%。中游區間水量的貢獻率減小由三個區域共同作用，中游區間沙量貢獻率減小是由區域上部的沙量減小引起的。

表3 黃河中游區間入黃水沙量的貢獻率分析Tab.3 The water and sediment contribution rate of each area in middle reaches of the Yellow River

圖4 各區域入黃水沙量的貢獻率變化Fig.4 Variation of water and sediment contribution rate of each area

3.3 區間輸沙量與徑流量的關系分析

圖5為河-潼區間1958-2016年輸沙特性曲線。從圖5中可以看出，年輸沙量隨徑流量的增加呈指數函數關系式為：

y=0.483 8 e0.020 8 x

(1)

式中：x為年流量，億m3；y為年均輸沙量，億t，相關性程度較高(R2=0.824)。從數據點的聚集情況分析，在過去的59年內，約有2/3的點集中在年徑流量≤120 億m3、年輸沙量≤9 億t的區域內，且該區域內的點相對冪函數方程的相關性較高，較集中地分布在曲線兩側。而區域外分布的點較少且較分散，與曲線的相關程度相對較低，即小徑流量下徑流量與輸沙量之間表現出較強的相關性。

圖5 河潼區間的輸沙量與徑流量關系Fig.5 Relationship between sediment transport and runoff of He-Tong region

4 結論與討論

依據黃河干流水文站的水沙資料得到區間的水沙量，將中游區間分為3個區，對3個區域的入黃水沙量貢獻率變化及影響因素進行分析，結果表明：

頭道拐站、黃河中游區間的水沙量均為減小變化。2000年后水沙量的減幅更大，2001-2016年的水量均值為1958-2000年均值的43.3%～73.2%，沙量均值為6.2%～38.0%。2000年后中游的上部區域沙量減幅最大，中下部增幅接近。

2000年后，頭道拐水量貢獻率增加了6.8%，河潼區間水量貢獻率減小了6.8%，上、中、下區域水量貢獻率分別減小了2.4%、2.5%、1.9%。頭道拐沙量貢獻率增大了7.4%，河潼區間貢獻率減小了7.4%，其中上部區域貢獻率減小了22.5%，中、下部區域貢獻率分別增加了5.1%、10%。區間水量貢獻率的減小由3個區域共同影響，區間沙量貢獻率的減小是由區域上部減小引起的。

2000年后中游區間徑流量與輸沙量均減小，與相關性結果一致。從3個區域水沙貢獻率關系分析，3個區域的水量貢獻率減小，沙量貢獻率也應減小，但是只有頭道拐-吳堡沙量貢獻率減小，其他2個區域的沙量貢獻率增大了。影響區間水沙量變化的主要影響因素為降水及人類活動如水土保持等，2000年后，區域上部的沙量貢獻率減小值遠大于水量貢獻率減小值，說明水土保持措施對沙量貢獻率減小的影響更大；中下部區域的水量貢獻率減小，沙量貢獻率卻增大，表明這2個區域的沙量減少強度小于水量減小幅度，可能與區域的水土保持措施類型有一定關系。

黃河中游的水沙變化是非常復雜的，依據黃河干流水文站的資料對區間水沙入黃貢獻率變化特性進行了初步研究，區間水沙還受到用水、淤地壩等影響，自然條件下的水沙量存在復雜的還原計算。另外可開展長時段黃河中游 流域的水沙模型研究，深入分析其中游區間水沙變化過程及水沙貢獻率變化。