黃河下游水沙變化特點

張旭東 歐祖賢 牛智航

(河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 075000)

黃河是世界上含沙量最大的河流，具有水少沙多、水沙異源的特點[1]。近70年來，受天然條件及人類活動的影響，黃河下游來水來沙急劇減少，其年徑流量由1950年的450億m3減少到2016年的137億m3，后者僅為前者的30.63%；年來沙量由1950年的11.04億t減少到2016年的0.13億t，后者僅為前者的1.22%，黃河下游水沙不協(xié)調(diào)導(dǎo)致下游河道淤積萎縮，形成“地上懸河”[2]和“二級懸河”[3]，這與黃河下游水沙變化特點有著密切聯(lián)系。

本文主要分析了黃河年徑流量、年輸沙量、汛期徑流量、汛期輸沙量及水沙關(guān)系的變化。根據(jù)1950—2016年黃河下游沿程各水文站的實測資料分析，黃河下游河段來水來沙具有如下特點。

1 水沙年際分配不均勻

黃河下游沿程各典型水文站1950—2016年的年徑流量和汛期徑流量的變化過程見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，黃河下游沿程各水文站年徑流量和汛期徑流量均呈現(xiàn)逐年減小的趨勢。以利津站為例，最大年徑流量為1964年的973.1億m3，最小年徑流量為1997年的18.6億m3，前者約為后者的52倍；這種差異在汛期表現(xiàn)的更為明顯，最大汛期徑流量(1964年的601.0億m3)約為最小汛期徑流量(1997年的2.4億m3)的250倍。由此可見，黃河下游河段年際間水量分布極其不均勻[4]，且年際間水量分布不均勻性在汛期更加明顯。

圖1 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站年徑流量變化過程

圖2 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站汛期徑流量變化過程

黃河下游沿程各典型水文站1950—2016年逐年來沙量和汛期來沙量的變化過程見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，黃河下游各水文站年來沙量和汛期來沙量均呈現(xiàn)逐年減小的趨勢。以利津站為例，其年來沙量由1964年的22.800億t減小到1997年的0.160億t，前者約為后者的142倍；汛期來沙量減小更甚，由1958年的19.260億t減小到2001年的0.064億t，前者約為后者300倍。由此可見，黃河下游年際間來沙量極其不均勻，而且汛期甚之。

圖3 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站年來沙量變化過程

圖4 1950—2016年黃河下游沿程各典型水文站汛期來沙量變化過程

2 水沙年內(nèi)分配不均勻

黃河下游各水文站1950—2016年多年月平均徑流量和來沙量的變化情況見圖5和圖6。從圖5和圖6可以看出，黃河下游各水文站徑流量主要集中在汛期7—10月，來沙量更是如此。以利津站為例，年內(nèi)各月以7—10月徑流量最大，全年徑流量的60.1%來自汛期，汛期來沙量約占全年來沙量的84.3%；汛期平均徑流量均在44.47億m3以上，8月徑流量最大，約為52.14億m3，2月徑流量最少，僅為9.00億m3，年內(nèi)月徑流量的最大值約為最小值的5.79倍；8月來沙量最大，為2.24億t，約占全年來沙量(7.09億t)的31.6%，其次分別為7月、9月、10月，2月來沙量最少，僅為0.03億t，多年月均來沙量的最大值約為最小值的76.8倍。由此可見，黃河下游各水文站年內(nèi)水沙量分布不均勻，來沙量在時間上的不均勻性更勝于徑流量，而且來沙量主要集中在汛期的幾場大洪水中。

圖5 黃河下游各水文站多年月平均徑流量

圖6 黃河下游各水文站多年月平均來沙量

3 不同時段水沙變化特點

對1950—2016年黃河下游沿程各站實測水沙資料進行進一步統(tǒng)計分析可知，1973年以前黃河下游各水文站年或汛期徑流量和來沙量均相對較大，1974—1986年有所下降，而1986年以后，受龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合發(fā)揮作用的影響，各水文站徑流量和來沙量均出現(xiàn)明顯的減小，2003年以后，受上游來水來沙條件的改善和小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的影響，相應(yīng)各站的徑流量和來沙量又有所增加。利津水文站各時段徑流量和來沙量的變化情況見圖7和圖8。

圖7 利津水文站各時段徑流量變化情況

圖8 利津水文站各時段來沙量變化過程

由圖7和圖8可知，1950—1959年間，多年平均徑流量和來沙量分別為480.20億m3和13.30億t，其中汛期分別為298.32億m3和11.49億t，分別占全年的62.1%和86.2%；1960—1973年間，多年平均徑流量和多年平均來沙量分別為442.00億m3和11.23億t，均較上一時期有所減小，相應(yīng)的汛期徑流量和來沙量分別占全年的57.2%和79.8%；1974—1986年間，多年平均徑流量、來沙量分別是327.00億m3、8.18億t，分別較上一時期減小26.0%和27.1%；1986年龍羊峽、劉家峽兩水庫聯(lián)調(diào)后，1987—2002年利津站年均徑流量和來沙量分別驟減到130.72億m3和3.55億t，分別較上一時期減小了60.0%和56.6%，該時期汛期徑流量和來沙量分別占全年的60.6%和87.9%；受天然來水來沙條件有所改善的影響，2003—2016年年均徑流量為178.50億m3，較上一時期增加了36.5%，而年均來沙量約為1.53億t，較上一時期減小了56.8%，汛期徑流量和來沙量占比分別為53.3%和71.6%。

黃河下游各典型水文站不同時段汛期平均來沙系數(shù)變化情況見圖9。由圖9可知，1986年以前，黃河下游各水文站汛期平均來沙系數(shù)變化不大，在0.012～0.017kg·s/m6之間(未計小浪底站)，平均來沙系數(shù)為0.015kg·s/m6，而1987—2002年汛期平均來沙系數(shù)相對較大，均超過了0.035kg·s/m6，這也進一步說明了1986年以前水沙量的減小基本沒有破壞黃河下游原有的水沙搭配關(guān)系，而1986年以后水沙搭配關(guān)系明顯惡化；2003年以后受調(diào)水調(diào)沙的影響，汛期平均來沙系數(shù)在0.007～0.013kg·s/m6之間，平均來沙系數(shù)為0.010kg·s/m6，由此表明，2003年以來的水沙搭配關(guān)系得到了明顯改善。

圖9 黃河下游各典型水文站不同時段汛期平均來沙系數(shù)變化

4 各級流量輸水輸沙特點

黃河下游利津水文站不同時期各流量級出現(xiàn)的天數(shù)見圖10。由圖10可以看出，1973年以前，小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了180.0天，約占全年的49.3%，而大于3000m3/s的流量年均出現(xiàn)了44.9天，約占全年的12.3%；1974—1986年間，小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了249.0天，約占全年的68.2%，較上一時期年均增加了69.0天，而大于3000m3/s的流量年均出現(xiàn)了29.7天，約占全年的8.1%，較上一時期年均減少了15.2天；1987—2002年小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了320.1天，約占全年的87.7%，較上一時期增加了71.1天，而大于3000m3/s的流量年均僅出現(xiàn)了2.1天，其中2000—2001年最大流量還不到1000m3/s，該時期主要是因為1986年龍羊峽水庫投入運行后削減了汛期的洪峰流量，調(diào)整為中小流量下泄，造成顯著減少汛期大流量歷時、明顯增加小流量歷時；從2003開始，由于小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的影響和上游來水來沙條件的改善，使2003—2016年間，大于3000m3/s的流量年均出現(xiàn)了6.5天，出現(xiàn)的頻率較上一時期有所增加，小于1000m3/s的流量年均出現(xiàn)了313.5天，較上一時期略有減少。

圖10 黃河下游利津水文站不同時期各流量級出現(xiàn)的天數(shù)

通過統(tǒng)計分析可知，黃河下游各水文站各級流量的輸水輸沙特點基本一致，各站小流量(小于1000m3/s)出現(xiàn)的天數(shù)隨時段不斷增加，而大流量(大于3000m3/s)出現(xiàn)的天數(shù)不斷減小，到2000—2002年出現(xiàn)最低值，之后受小浪底調(diào)水調(diào)沙的影響有所回升。

黃河下游利津水文站不同時期各級流量所攜帶的水量占全年的比例見表1。由表1可以看出，1973年以前各級流量下泄水量相對比較均勻；1974—1986年間，大流量下泄水量有所減少，小流量下泄水量有所增加；1987年以后小流量攜帶水量明顯增加，大流量下泄水量明顯減少，中小洪水流量主要集中在1000～4000m3/s。

表1 利津站不同時期各流量所攜帶的水量占全年的比例 單位：%

黃河下游利津水文站不同時期各級流量所攜帶的沙量占全年的比例見表2。由表2可以看出，1973年以前，沙量主要集中在1000m3/s以上的流量級內(nèi)，尤其較大流量攜帶的沙量較多；1974—1986年間，小于1000m3/s的流量所攜帶的沙量略有增加，而大于4000m3/s的流量所攜帶的沙量有所減少；1986年以后，小于1000m3/s的流量所攜帶的沙量進一步增加，而大于4000m3/s的流量攜帶的沙量明顯減少，尤其是2003年以后，該流量級攜帶的沙量不到1%。由此表明，近年來黃河下游的輸水輸沙主要集中在1000～4000m3/s洪水中。

表2 利津站不同時期各流量所攜帶的沙量占全年的比例 單位：%

5 河道沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

1950—2016年黃河下游河道沖淤量和花園口汛期來沙系數(shù)的歷年變化過程見圖11。由圖11可見，黃河下游河道沖淤量與花園口汛期來沙系數(shù)存在一定的關(guān)系，當花園口汛期來沙系數(shù)在相對高位時，黃河下游河道會處于淤積狀態(tài)，而花園口汛期來沙系數(shù)在相對低位時，黃河下游河道會發(fā)生少量淤積甚至沖刷；1986年黃河上游龍羊峽和劉家峽兩水庫開始汛期蓄水調(diào)節(jié)，使黃河下游河道的來水來沙發(fā)生變化，來沙系數(shù)明顯偏大，黃河下游河道發(fā)生嚴重淤積；2003年以后，經(jīng)過小浪底水沙調(diào)控之后，來水來沙條件得到改善，來沙系數(shù)明顯降低，致使黃河下游河道處于沖刷狀態(tài)。由此表明，不利的水沙條件(來沙系數(shù)的大大增加)必然會加劇黃河下游河道的淤積，是導(dǎo)致黃河下游河道淤積萎縮的主要因素。

圖11 黃河下游河道沖淤量和花園口汛期來沙系數(shù)歷年變化過程

6 結(jié) 語

該研究結(jié)果表明，黃河下游河道的水沙變化決定著下游河道的演變與沖淤的趨勢，因此，根據(jù)黃河下游的水沙變化特點，認識黃河下游輸水輸沙變化規(guī)律，為黃河下游泥沙調(diào)控閾值的確定進而塑造下游合適的水沙搭配關(guān)系，減緩下游河道淤積，完善治黃方略提供條件。同時，為達到下游河道不淤積甚至微沖的目的，根據(jù)黃河下游河道沖淤量隨著花園口汛期來沙系數(shù)的增加而增加的關(guān)系，建議應(yīng)保證花園口站汛期來沙系數(shù)不超過0.01kg·s/m6。