黃河下游汛期輸沙效率和排沙比階段性變化及其主控因素分析

王隨繼, 劉 慰, 顏 明, 賀 莉

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學院大學 資源與環境學院, 北京 100049)

黃河是世界上著名的多泥沙河流，黃河下游河道強烈的泥沙淤積是導致黃河下游曾經發生嚴重洪水泥沙災害的重要原因。黃河中上游主支流流經多處大面積的黃土區和風沙區，為黃河下游帶來了大量的泥沙，同時，黃土高原的嚴重水土流失造成了區內居民在農業和環境方面的巨大損失。為了減輕黃土高原的水土流失和黃河下游的河道泥沙淤積，黃河中上游流域大規模的水土保持活動成為優先選擇的面上治理措施。同時，一些基于河道徑流泥沙調控方法等其他工程措施也成為線上治理的潛在措施而在逐步探索之中，比如，為了有效降低黃河下游河道的泥沙淤積而減輕潛在的洪水泥沙災害，錢寧等[1]提出了通過水庫的調水調沙來達到消減黃河下游河道淤積，這一河道治理思想推動了黃河下游河道治理的多元化。此后，有關這方面的一系列研究成果逐漸問世，結合水庫調水調沙的實踐也逐漸展開，尤其是小浪底水庫建成之后實施的清水沖沙的實踐也基本抑制了黃河下游懸河的進一步發展。

近年來，在年際、年代時間尺度上，不同的研究者對于黃河下游河道的沖淤演變進行了多方面的研究[2-6]，也對人類活動的影響進行了必要探討[7-10]，取得了顯著的研究進展。眾所周知，黃河下游河道演變最為劇烈的時段是每年汛期(5—10月)，這是受季風氣候的影響黃河流域降水量主要發生在汛期，而汛期徑流量和輸沙量則決定著黃河下游的年徑流量和年輸沙量，每年汛期洪水的輸沙能力和輸沙效率則決定著黃河下游河道呈現年內凈沖刷還是凈淤積的態勢。因此，黃河下游河道汛期泥沙沖淤的年際和年代際變化必然成為研究者關注的重要研究方面。前人對黃河下游洪水泥沙輸移進行過大量研究[11-13]，并提出了高效輸沙洪峰的概念[14]，并對黃河下游洪水的輸沙效率進行過系統研究[15]。這些以及其他相關的研究工作推動了黃河下游洪水輸沙的研究進展，并為黃河下游河道治理提供了理論指導。

汛期是黃河下游河道沖淤演變最劇烈的時段，而汛期的河道斷面輸沙效率和河段排沙比的大小變化和增減趨勢往往決定著河道的沖淤態勢，因此，揭示黃河下游河道汛期斷面徑流輸沙效率及河道排沙比的變化趨勢及其主要影響因素是黃河下游河道演變研究中的科學問題之一。本文選擇黃河下游沖積河段的兩個控制水文站——入口處的花園口站和出口處的利津站，以這兩個水文站的多年觀測資料為基礎，對黃河下游河道汛期徑流輸沙特征、汛期徑流輸沙效率和汛期河段排沙比的階段性變化特征進行系統研究，期望揭示黃河下游沖積河段汛期徑流輸沙效率及汛期河段排沙比的變化特點及變化趨勢，進而分析其階段性變化的主要影響因素。研究結果可為更加有效地增大黃河下游洪水輸沙能力和提高汛期徑流輸沙效率以減少河道淤積、消除洪水泥沙災害的措施制定提供理論依據。

1 數據和研究方法

1.1 數據來源

黃河下游是指鐵謝至利津河段，而河道變化最劇烈的河段當屬花園口至利津河段，因此，該研究選取黃河下游河道變化最為劇烈河段的入口水文站花園口站(113°39′E，34°55′N)和出口水文站利津站(118°18′E，37°31′N)的實測水文資料來分析其汛期輸沙效率的變化特征，所涉及的數據主要是這兩個水文站自1960年以來各年汛期(5—10月)徑流量和輸沙量資料，原始數據為日均徑流量和日均輸沙量，來源于黃河水利委員會實測數據。上述兩個水文站各年汛期總徑流量和總輸沙量是根據日均數據計算所得。

1.2 研究方法

該研究用到序列分析、雙累積曲線分析和線性回歸分析等研究方法。利用汛期徑流量和汛期輸沙量年變化序列對比方法來分析汛期水沙年際變化特征；利用汛期徑流量和汛期輸沙量雙累積曲線方法來揭示汛期水沙組合體變化過程中可能存在的多重突變年份和多階段性；利用線性回歸分析方法來確定以突變年份分割的各個時期內累積徑流量和累積輸沙量二者間的線性關系，這些關系的斜率具有重要意義，可以據其求取其變化率。

河道斷面水流輸沙效率和河段排沙比等指標可以表征給定河段的沖淤演變特征。河流斷面水流輸沙效率的表示方式有多種，既可以表示為輸送單位泥沙的耗水量(m3/t)，也可以表示為單位水流的輸沙量(t/m3)，前者重點強調輸送單位泥沙所需要的水量，突出水資源因素；后者重點強調單位水量所能輸送的泥沙量，突出泥沙因素，二者都可以從不同側面來揭示河道的沖淤態勢。本文擬揭示黃河下游河道在汛期的沖淤變化態勢，故采用給定河道斷面在汛期的單位水流輸沙量這一概念來計算河道斷面汛期輸沙效率(簡稱汛期輸沙效率)。為消除徑流量和輸沙量彼此間存在的數量級差異，本文采用汛期100 m3水流的輸沙量作為河道斷面汛期徑流的輸沙效率(t/100 m3)，汛期累積徑流量和累積輸沙量間的線性關系式的斜率(t/m3)除以100即是本文所定義的汛期輸沙效率(t/100 m3)。汛期河段排沙比是指給定河段在汛期的輸出沙量與輸入沙量的比值，當該比值小于(大于)1時，表示該河段汛期出現凈淤積(凈沖刷)；當該比值等于1時，表示該河段汛期沖淤平衡。

2 結果與分析

2.1 汛期徑流量和輸沙量年際變化

1960年以來，黃河下游花園口站和利津站的汛期徑流量變化趨勢基本相似(圖1)，其中1960—1965年顯著增大；1965—1972年在波動之中大幅減小；1972—1983年呈現波動性增加變化趨勢；1983—1997年呈現波動性減小直到最低值；此后維持低幅波動且略有增大的變化趨勢。然而，兩個水文站間也存在較大差異之處，在1970年之前，年汛期徑流量在這兩個水文站大致相等，此后各年，隨著黃河下游平原區工農業發展的需要而從黃河引水量明顯增大，使得1970年之后每年汛期利津站的徑流量總是小于花園口的。

圖1 黃河下游花園口和利津水文站汛期徑流量和輸沙量年際變化特征

汛期輸沙量的變化與汛期徑流量的變化明顯不同(圖1)，除了在1960—1965年顯著增大、1965—1977年在大幅波動中總體上呈現高值外，此后在這兩個水文站都基本呈現波動性變小趨勢。花園口和利津水文站的年汛期輸沙量在1964—1968年、1981—1985年大致相等；在1969—1980年、1986—2002年前者大于后者，河道段汛期以泥沙凈淤積為主；而在2003—2015年則是后者大于前者，河道段則以泥沙凈侵蝕為主。

2.2 汛期水沙與全年水沙比值變化

如圖2A所示，1960—2015年汛期徑流量占全年徑流量的比例在花園口和利津水文站的增減趨勢基本相似，且在70%上下波動。1960—1987年，這兩個水文站的該比值基本相等且等幅波動；自1987年以后，這一比值發生分化，總體上表現為花園口站的大于利津站的。另外，這一比值的低值出現在1997—2001年，這主要是小浪底大壩建設末期攔蓄大量汛期徑流從而引起黃河下游汛期徑流量相對減小的緣故。

1960—2015年，這兩個水文站汛期輸沙量占全年輸沙量的百分比(圖2B)除個別年份外都在90%上下波動，而且，這一比值在利津站比在花園口站略高。與徑流量占比變化一樣，汛期輸沙量占比的主要低值區也出現在1997—2001年，這同樣是小浪底大壩建設末期攔蓄大量汛期泥沙的緣故。此外，2014—2015年花園口站汛期輸沙量占比明顯減小，這是經過十多年人為控制的清水沖沙后花園口所在河段的河床上可以沖洗懸浮的細泥沙相對減小的緣故。顯然，黃河下游河流輸沙基本發生在汛期，汛期的輸沙量大小及其變化趨勢基本決定著全年的輸沙量大小及其變化趨勢。

2.3 汛期徑流量和輸沙量關系

根據1960—2015年黃河下游花園口和利津站年際汛期徑流量和輸沙量統計結果(圖3)可見二者基本遵循線性關系，其中花園口站二者的相關性較差，決定系數僅為0.387，而利津站的相對較好，決定系數達到0.709。顯然，由于花園口水文站比利津水文站更接近其上游的大型水庫，汛期水庫防洪庫容調整及運行方式變化等管理措施使得花園口站水沙關系較差，而利津站距離這些水庫較遠，沿程的沖淤調整使得人為影響的水沙關系沿程逐漸趨向于天然河道動力的需求，從而使得二者在利津站呈現較高的相關性。

圖2 黃河下游花園口和利津水文站汛期徑流量和輸沙量分別占全年徑流量和輸沙量的百分比

圖3 1960-2015年黃河下游花園口和利津水文站汛期徑流量和輸沙量關系

由前述可見，黃河下游汛期徑流量和輸沙量關系在上下河段存在著不協調特征，為了闡明黃河下游汛期水沙過程及其潛在的變化特征，需要利用更加有效的方法去揭示。下面，將利用累積距平和雙累積曲線分析方法對其變化特征進行進一步的分析。

2.4 汛期輸沙效率的階段性變化

2.4.1 汛期水沙關系突變年份及階段劃分 累積距平分析方法可以發現某類數據序列的距平值累積變化過程中的主要突變點[16-19]，但是，對于密切關聯的兩類數據序列的突變分析上則難以應用，這時，采用雙累積曲線分析方法則更加簡明方便。黃河下游汛期徑流量和輸沙量的突變分析采用雙累積曲線方法。

花園口和利津水文站1960—2015年年汛期徑流量和輸沙量雙累積曲線如圖4所示，其汛期徑流量和輸沙量綜合體的階段性變化明顯，都清晰呈現1965年、1981年、1987年、1999年4個同步突變年份，以這些年份為時間序列的分界可以劃分出5個不同的變化階段(表1)，而不同階段中累積徑流量和累積輸沙量間存在極好的線性關系，其決定系數都大于0.95。

圖4 1960-2015年黃河下游花園口和利津站汛期徑流量和輸沙量雙累積曲線及其不同時期的線性擬合關系

2.4.2 汛期徑流輸沙效率的階段性變化 圖4中每個線性關系式中因變量的系數也即其擬合直線的斜率，其單位為t/m3，意指汛期斷面單位水流的輸沙效率，該值乘以100就可轉換得到汛期徑流的輸沙效率(t/100 m3)。提取這兩個水文站被突變點分割的不同時期的擬合關系的斜率值并轉換為汛期徑流的輸沙效率，進而分別計算這兩個水文站汛期徑流輸沙效率的基變率[某一時期汛期輸沙效率占基準期(1960—1965年)輸沙效率的百分比]和遞變率(某一時期汛期輸沙效率占前一時期輸沙效率的百分比)(表1)。

表1 黃河下游花園口和利津水文站汛期徑流輸沙效率及其變化率

將1960—1965年作為基準期，那么相對于基準期，花園口和利津站汛期徑流平均輸沙效率(給定時期的多年平均值)在1966—1981年、1982—1987年、1988—1999年都有不同程度的增加，其基變率分別為164.7%，35.3%，152.3%和68.3%，20.8%，65.4%；而在2000—2015年則顯著變小，其基變率分別為-70.6%，-58.3%。

上述4個時期汛期徑流平均輸沙效率的遞變率在花園口站分別為164.7%，-48.9%，87.0%，-88.4%，在利津站分別為68.3%，-28.2%，36.9%，-74.8%。顯然，汛期徑流平均輸沙效率在這兩個水文站的變化趨勢相同，但花園口站的汛期平均輸沙效率的變化率(增減)都明顯大于利津站的。

2.4.3 汛期河段排沙比的階段性變化 洪水的排沙比可以用某次洪水中輸送到某一河段出口斷面的泥沙量與進入該河段入口斷面的泥沙量的比率來表示[15]，那么汛期排沙比可以表達為某一河段整個汛期出口斷面的輸出沙量與入口斷面的輸入沙量的比值。當某一河段沒有匯流和分流時，汛期河段排沙比可以反映某河段汛期泥沙凈沖淤態勢，當汛期排沙比等于1表明該河段泥沙沖淤平衡、大于1表明發生了凈沖刷、而小于1表明發生了凈沉積。黃河下游花園口—利津河段某年的汛期排沙比可以表達為當年汛期利津站總輸沙量與花園口總輸沙量的比值。

1960年以來黃河下游花園口—利津河段汛期排沙比的年際變化如圖5所示，其中在1965—1980年、1986—2002年汛期排沙比小于1，表明該河段在上述兩個時期的汛期總體上處于凈沉積狀態；在其他時期，尤其是2003年以來汛期排沙比明顯大于1，表明這些時期該河道段汛期處于凈沖刷狀態。

根據花園口和利津站汛期徑流泥沙雙累積曲線所呈現的5個不同的變化時期，花園口和利津站在這5個時期中的年均汛期輸沙量差別明顯，故而引起區間排沙比發生了明顯的階段性變化(圖5)，花園口—利津河段汛期年均排沙比在這些階段分別為1.34，0.78，1.01，0.62，1.48(表2)，具有沖淤交替變化特征，其中區間凈沉積發生在1966—1981年、1988—1999年這兩個時期，1982—1987年則處于準沖淤平衡狀態，其他兩個時期則表現為凈沖刷。正是由于該河段在上述5個時期發生明顯的沖淤交替，其排沙比的基變率在介于-41.8%～64.2%，而遞變率則更大，介于-41.8%～138.7%(表2)。

3 討 論

影響徑流量變化的自然因素主要是氣候變化，降水量和蒸散量變化是導致流域徑流量變化的氣候因子，隨著徑流量發生變化其輸沙量也會發生相應的調整。近幾十年來，人類活動對干旱、半干旱地區的流域徑流量變化的影響逐漸加劇且往往成為主導因素[17-19]。下面，將從氣候變化和人類活動兩個方面來討論它們對黃河下游輸沙效率階段性變化的影響程度。

3.1 氣候變化的影響

根據黃河流域數百個氣象站1950年以來的實測資料的統計分析結果表明，黃河流域蒸散量變化對流域內徑流量變化的貢獻率僅占4%左右[17]，顯然，蒸散量對于黃河流域徑流量及輸沙量變化的影響可以忽略不計，因此，蒸散量對于黃河下游輸沙效率階段性變化的影響也可忽略。

黃河流域百年尺度下氣候的波動性變化導致降水量的變化主要是年際間的波動，而趨勢性變化不明顯。已有的研究結果表明，黃河源區和下游區年降水量無明顯的長期變化趨勢，中游在1988—2007年降水量平均值較多年平均值約下降10%，而黃河的徑流量主要來源于蘭州以上，表明降水量對黃河流域年徑流量變化的影響不是主要控制因素[20]；黃河流域年降水量變化率具有明顯的空間差異性，總體表現為上游地區為正、中游為負的特點[21]，這種不同地區降水量正負變化對流域徑流量變化可以起到部分相互抵消的作用，可認為黃河流域的降水量變化對其下游年徑流量變化的影響有限。還有研究結果表明，1950年以來，黃河流域徑流量變化受到降水量和蒸散量變化的綜合影響約占8%，而人類活動的影響高達92%左右[17]，這也說明氣候因素對黃河流域徑流量變化影響甚微，而人類活動是黃河流域徑流量變化的主控因素。

圖5 黃河下游花園口-利津河段汛期排沙比年際和階段性變化

表2 黃河下游花園口-利津河段汛期排沙比及其變化率

對于黃河下游汛期徑流量變化來說，年際波動的汛期降水量對它會有一定的影響，但是對徑流量時間尺度達年代際的階段性變化來說，其影響同樣有限。常軍等[22]認為黃河流域夏季平均降水量為261.4 mm，在20世紀70年代偏多，90年代以來偏少；秋季平均降水量為116 mm，在20世紀60年代顯著偏多，90年代偏少，自21世紀00年代有增加趨勢。因夏秋季基本是汛期，故黃河流域汛期降水量在20世紀60年代和70年代偏多而90年代偏小，對比黃河下游徑流量年際變化(圖1)可以發現，除了90年代降水量偏小與黃河下游徑流量變小大致一致外，其他時期則并不相符。顯然，黃河流域汛期降水量對其下游汛期徑流量雖然有一定影響，但其影響程度仍然很小。汛期徑流的輸沙能力與徑流量大小密切相關，黃河下游無論是上段的花園口站還是下段的利津站，汛期徑流量與輸沙量都具有明顯的正相關關系(圖3)，因此，由黃河流域汛期降水量變化對其下游汛期徑流量變化影響有限可以推知，汛期黃河流域降水量變化對其下游汛期輸沙量變化的影響同樣有限。

從上述討論可知，氣候因素對黃河下游汛期徑流輸沙效率和排沙比的階段性變化的影響有限，因而，人類活動才是其主控因素。

3.2 人類活動的影響分析

3.2.1 水保措施的影響分析 黃河流域自20世紀70年代以來實施的水保措施對于防治流域內水土流失卓有成效。這些水保措施主要有坡地地區的梯田建設和造林種草，溝道地區的淤地壩建設，以及2000年以來有效實施的坡地退耕還林措施，這些水保措施對攔水減沙影響有一定的差別。大規模的梯田建設有效減少了其分布區域的產流產沙能力，從而降低了該區域的輸水輸沙量，這會有效減少黃河下游的來水來沙量；造林種草以及退耕還林都是以增加坡面植被的方法增大了土壤水分的入滲能力、減小了地表匯流能力，相應地減少了坡面產輸沙能力，同樣也會減少黃河下游的來水來沙量；溝道淤地壩工程則是對徑流及其攜帶的泥沙進行直接攔截作用，當非暴雨發生時段淤地壩上游區域的來水量往往不足以充滿淤地壩，這時淤地壩攔截了全部的水沙，導致輸沙量同比例減小，而當暴雨發生時，淤地壩以上區域的來水量往往會超過淤地壩庫容，則有相對較多的泥沙沉積在淤地壩中，這導致流出淤地壩的徑流量相對輸沙量較多一些，無論如何，淤地壩的攔水攔沙作用也會明顯引起其下游水沙量減少，眾多淤地壩的綜合攔水攔沙作用也會明顯減少黃河下游的來水來沙量。上述各類水保措施所覆蓋的區域基本上都是逐漸增加的，因此，其減水減沙量也有增強的趨勢。因此，總體上來說，各種水土保持措施是引起黃河下游徑流量和輸沙量顯著減小(圖1)的主要原因，它們對流域內徑流量和輸沙量的減少基本上具有同比例特性，因而不會明顯引起黃河下游輸沙效率及排沙比的階段性變化。但是，唯一例外的是，在20世紀90年代黃河中上游地區的淤地壩由于管理不善而出現了部分毀損現象，淤地壩的毀損會導致其攔截水沙量減少，而更為關鍵的是部分淤地壩內早年攔截的泥沙會在淤地壩毀損中被洪水侵蝕而向下游輸送，這是黃河下游1987—1999年花園口和利津站輸沙效率都較前一時段(1981—1987年)顯著增大的主要原因。相應地，這些增加的泥沙由于在中下游河道缺乏有效的大壩攔沙庫容(三門峽水庫泥沙沖淤平衡無攔沙功能，小浪底水庫尚未建成運行)而直接輸送到黃河下游，其中相當一部分泥沙沉積在下游河段，使得1987—1999年黃河下游的排沙比相對于前一時段明顯變小。

此外，黃河中上游流域水土保持工作的持續推進對于汛期小浪底入庫水沙有著一定的影響，但由于庫區泥沙的自然淤積和汛期出庫水沙的部分人為控制，使得汛期下游河道輸水輸沙和水沙關系也必然受到人類活動的強烈影響，造成2000—2015年黃河下游斷面徑流輸沙效率很低而河段排沙比很高的新現象。顯然，隨著人類活動尤其是大型水庫的相繼建成對水沙的攔蓄及調節，極大程度上改變了黃河下游汛期原有的水沙運行規律，造成斷面徑流輸沙效率和河段排沙比的階段性變化。

3.2.2 水庫建設及其運行的影響分析 黃河下游汛期輸沙效率和排沙比的階段性變化基本與黃河主河道上幾個大型水庫的建成時間節點相吻合，1960年建成的三門峽水庫在初期蓄水攔沙、在1962—1973年滯洪排沙[7]，使得1960—1965年黃河下游來沙量小于來水量，從而形成該時期河道斷面輸沙效率很低、下游河段排沙比很高的特征，使得黃河下游河道普遍發生沖刷。因為三門峽水庫泥沙嚴重淤積致使庫區及庫上平原區河道發生嚴重泥沙災害，為了減小泥沙災害，在1964年改造三門峽大壩、1969年開挖8個導流底孔以利于泄流排沙、1973年起的蓄清排渾[7]，加之1968年建成的劉家峽水庫，這兩個水庫運行的綜合調節引起黃河下游花園口、利津站汛期的水沙關系進入新的變化階段(1966—1981年)，這時的花園口來沙量多，黃河下游沙量過載，雖然河道斷面輸沙效率高，但是河段排沙比較低，使得河段發生淤積。

1986年建成的龍羊峽水庫，在汛期攔蓄洪水以減少黃河中下游的徑流量，從而實現有效防洪的目的，加上三門峽水庫在1990年又打開4個底孔排沙，使得汛期黃河下游水沙關系進入斷面輸沙效率高而河段排沙比很低的另一變化階段(1988—1999年)。1997年實現截流、2001年竣工的小浪底水庫，控制了92.3%的黃河流域面積、約90%的徑流量和近100%的來沙量[10,23]，汛期攔蓄洪水以及沖沙運行使得黃河下游水沙關系又有新的變化，從此，黃河中上游流域的來水來沙都經由小浪底水庫的攔截和調節，黃河下游汛期輸沙量和輸沙效率則嚴重依賴于該水庫的運行方式。小浪底水庫在2002—2016年進行了19次調水調沙，使黃河下游主河道全線平均刷深1.85 m，平灘流量從1 800 m3/s增至4 310 m3/s[10,23]，改變了水庫運行之前黃河下游河道淤積萎縮的嚴峻態勢。

4 結 論

(1) 黃河下游汛期徑流量和輸沙量在1960—2000年大幅降低，這主要是黃河流域各類水土保持措施的實施以及水庫建設導致的；而在2000年之后汛期流量略有增多并呈低幅波動，而輸沙量達到歷史低值，小浪底水庫建成及人為控制的運行方式是其主要影響因素。

(2) 自1960年以來黃河下游汛期斷面徑流輸沙效率明顯存在著高低交替變化的5個不同階段：1960—1965年、1966—1981年、1982—1987年、1988—1999年、2000—2015年，其時花園口和利津斷面的平均徑流輸沙效率分別為2.1，4.3，2.6，4.1，0.8 t/100 m3。

(3) 黃河下游花園口至利津河段在上述時段的汛期排沙比分別為1.34，0.78，1.01，0.62，1.48，也呈現出明顯的沖淤交替階段性變化特征。

(4) 黃河下游汛期徑流輸沙效率及河段排沙比的階段性變化受氣候變化的影響較小，而人類活動則是其主要影響因素，尤其受到不同時期大型水庫建成及其運行方式所控制。此外，1988—1999年黃河下游汛期輸沙效率的增大和排沙比的變小受到黃河中上游淤地壩自然毀損的顯著影響。相對來說，逐漸擴大的流域水土保持措施實施面積對流域的產水產沙量減少明顯，但對于黃河下游輸沙效率和排沙比的階段性變化影響不明顯。