黃河河南段水沙變化規(guī)律與影響機制研究

摘要：黃河河南段為典型游蕩型河段，其水沙變化劇烈、主槽擺動頻繁、河床變形嚴重，對河道生境產(chǎn)生了嚴重影響。以1960—2019年小浪底、花園口、高村水文站水沙數(shù)據(jù)為研究對象，結(jié)合Mann-Kendall檢驗、滑動T檢驗、小波分析等統(tǒng)計方法探究了黃河河南段水沙變異周期特征，并應(yīng)用雙累積曲線法定量評估了降雨和人類活動對河南段徑流量和輸沙量減少的貢獻率。結(jié)果表明：河南段年輸沙減少趨勢大于年徑流減少趨勢，小浪底到花園口間基本沖淤平衡，花園口到高村間以淤積為主，河南段汛期以泥沙淤積為主、非汛期沖刷；小浪底站輸沙量在1997年發(fā)生突變，而花園口、高村站徑流量和輸沙量均在1985年發(fā)生突變；調(diào)水調(diào)沙對于徑流量增加效果要大于輸沙量增加，人類活動對河南段徑流輸沙減少起主導(dǎo)作用，對河南段徑流量平均貢獻率為80.94％，對輸沙量平均貢獻率為94.95％。

關(guān)鍵詞：徑流量；輸沙量；變異；貢獻程度；黃河河南段

中圖分類號：TV147⁺.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）04-0062-09

Study on Variation Law and Influencing Mechanism of Water and Sediment in Henan Reaches of the Yellow River

XUAN Xiaobo¹，DOU Ming²，LIU Bojun¹

（1.Yellow River Survey，Planning，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China;

2.Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract： The Henan reaches of the Yellow River is a typical wandering reach，which has a severe impact on the river habitat due to the severe variation of water and sediment，frequent swing of the main channel，and serious deformation of the riverbed.Based on the water and sediment data of Xiaolangdi，Huayuankou，and Gaocun hydrological stations from 1960 to 2019，this paper explores the variation cycle characteristics of water and sediment in the Henan reaches of the Yellow River by using statistical methods such as Mann-Kendall test，sliding T test，and wavelet analysis.The contribution rate of rainfall and human activities to the decrease in runoff and sediment transport in the Henan reaches of the Yellow River is quantitatively evaluated by the double mass curve method.The results show that the decreasing trend of annual sediment transport is greater than that of annual runoff in the Henan reaches.From Xiaolangdi to Huayuankou，erosion and deposition are basically balanced，and from Huayuankou to Gaocun，deposition is dominant.The flood season in the Henan reaches is dominated by sediment deposition，and the non-flood season is dominated by scour.The sediment transport in Xiaolangdi station changed greatly in 1997，while the runoff and sediment transport in Huayuankou and Gaocun stations changed significantly in 1985.The water and sediment regulation greatly increases runoff instead of sediment transport.Human activities play a leading role in the decrease in runoff and sediment transport in the Henan reaches of the Yellow River，with an average contribution rate of 80.94% to runoff and 94.95% to sediment transport in the Henan reaches of the Yellow River.

Keywords：runoff;sediment transport;variation;contribution rate;the Henan reaches of the Yellow River

水少沙多、水沙異源、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河的顯著特征。中游是黃河的主要產(chǎn)沙區(qū)，水土流失嚴重，導(dǎo)致下游河道嚴重淤積，是黃河下游水患災(zāi)害的直接成因。尤其是河南段，以游蕩型河段為主，沖刷淤積力度大，主槽擺動頻繁，“二級懸河”發(fā)育顯著。20世紀50年代以來，黃土高原地區(qū)開展了大量的水土保持工作，有效減少了入河泥沙量，使得黃河下游水沙狀況發(fā)生了顯著的變化^［1-2］，如花園口水文站年均徑流量由20世紀70年代的449.81億m³，減少至21世紀的267.55億m³，減少幅度達到40.6%，而同期年均輸沙量由11.95億t減少至0.98億t，減幅高達91.2%。水沙變化對河道沖淤、河床變形等產(chǎn)生的影響較大，許多學(xué)者對黃河中下游水沙通量改變開展了大量深入的研究，其中，具有代表性的研究為：姚文藝等^［3］利用非線性回歸法從水沙變化特性方面分析了黃河潼關(guān)以上河段水沙系列變化，與1956—1990年相比，徑流泥沙發(fā)生同步減少，但黃河中游水沙變化的機制視不同流域不同，在有大暴雨發(fā)生時，仍有可能產(chǎn)生高含沙水流；史紅玲等^［4］利用M-K秩相關(guān)檢驗法從成因分析角度研究了黃河主要水文站來水量和來沙量的變化趨勢，與1950—2000年相比，干流各水文站徑流量的減小比例沿程增大，支流水沙的減幅均大于干流；劉曉燕等^［5］利用黃河潼關(guān)以上主要產(chǎn)沙區(qū)604個雨量站的逐年逐日降水分析降水量對于產(chǎn)沙量的影響程度，在潼關(guān)來沙較天然時期減少約88％的2005—2014年，河龍間大部、涇河上中游和汾河上游等日降水大于10、25、50 mm的年降水總量總體偏豐。研究期內(nèi)黃河下游各站年徑流量和年輸沙量均存在3個不同時間尺度的波動周期，且總體均呈現(xiàn)減少趨勢。隨著波動周期的增加，年徑流量和年輸沙量變化出現(xiàn)豐、枯不同步的可能性逐漸增大，且越靠近下游，出現(xiàn)豐、枯不同步的可能性越小。在黃河下游水沙豐枯長期演變過程中，出現(xiàn)水平沙平狀態(tài)的概率最大^［6］。目前，在黃河徑流輸沙長時間序列的趨勢性和突變性方面的研究較多，但對于徑流輸沙存在的多時間尺度周期性變化以及導(dǎo)致趨勢、突變、周期性的成因深入研究較少。采用長序列徑流及輸沙資料對下游河南段水沙時空演變規(guī)律進行研究分析，探究水沙時空變異成因及降雨和人類活動對河南段徑流量和輸沙量變化的影響程度，以期為黃河中下游地區(qū)水沙調(diào)控提供支撐。

1 研究區(qū)概況

黃河河南段位于黃河中下游交接地帶，處于半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有南北過渡特點，地勢自西向東，海拔逐漸降低，分為山地、丘陵、平原等三大類型。黃河自潼關(guān)進入河南境內(nèi)，流經(jīng)三門峽、洛陽、濟源、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、開封、濮陽等8個地市，境內(nèi)河道總長約711 km，流域面積3.62×10⁴ km²，占全省總面積21.7%^［7］，研究區(qū)內(nèi)建有小浪底、花園口、高村3個水文站（圖1）。潼關(guān)至小浪底河段，河長約240 km，是黃河干流的最后一段峽谷，分別建有三門峽、小浪底2座大型水庫，分別于1960年9月、1999年10月蓄水運用；小浪底以下河谷逐漸展寬，自孟津以下河道出峽谷，孟津—高村以上平原河段長299 km，河道寬淺，水流散亂，主流擺動頻繁，為游蕩性河段，河道高懸于地面之上，為舉世聞名的地上“懸河”，歷史上洪水災(zāi)害非常嚴重，是黃河下游防洪的重要河段，其中小浪底至花園口區(qū)間面積35 881 km²，有伊洛河與沁河兩大支流匯入。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究方法

水文序列的確定性成分包括周期、趨勢、跳躍而變異診斷的目的就是要推斷序列中的各種確定性成分?；诖耍敬窝芯?，選取小浪底、花園口、高村3個代表站，首先對其徑流量/輸沙量序列進行線性趨勢分析其整體變化趨勢，判斷減少趨勢；其次，檢驗各站點水沙變異跳躍時間節(jié)點，探析水沙突變因素，由于Mann-Kendall檢驗對均值或含有均值變異的序列識別能力不高，因此加入滑動T檢驗進行補充檢驗水沙跳躍突變；第三，采用小波分析探析各站點長系列周期性變化的異同；最后，通過雙累積曲線法定量評估氣候和人類活動對水沙變化的貢獻。

2.1.1 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗常用來分析降水、徑流和氣溫等要素時間序列的趨勢或跳躍變化^［8］。定義統(tǒng)計變量UF_k為式（1）：

通過分析統(tǒng)計序列UF_k和UB_k可以進一步分析序列x_t的趨勢變化。當(dāng)2條曲線超過臨界直線時，表明下降或上升趨勢顯著；如果出現(xiàn)交叉點，且在臨界直線之間，那么其對應(yīng)的時刻就是突變開始的時間節(jié)點。當(dāng)Z值為正時，表示時間序列中有增加的趨勢，當(dāng)Z值為負值時，表示時間序列中有減少的趨勢且絕對值越大代表增加或減少的趨勢愈加顯著。

2.1.2 滑動T檢驗

設(shè)變異點τ前后，兩序列總體的分布函數(shù)分別為F₁（x）和F₂（x），今從總體F₁（x）和F₂（x）中分別抽取容量為n₁和n₂的2個樣本^［9］，構(gòu)造T統(tǒng)計量，見式（4）：

式中，_i、S_i分別為樣本均值和方差。則T服從t（n₁+n₂－2），本文依舊采用在顯著性水平α的情況下，當(dāng)|T|gt;t_α/2時，即說明其存在顯著性差異；當(dāng)|T|lt;t_α/2時，則接受原假設(shè)。對于所有可能滿足|T|gt;t_α/2的點τ，選擇使T值達最大的那一點，作為所求的最可能變τ₀異點。

2.1.3 小波分析

小波分析是一種常見的周期性分析方法，夠在多個時間尺度上尋找序列的周期特性^［10］。連續(xù)小波變換（CWT）被定義為實信號x（t）乘以小波函數(shù)的縮放（拉伸或壓縮）。小波方差圖可用來確定主周期，能夠直接表示水沙序列的周期尺度的大小。

2.1.4 雙累積曲線法

雙累積曲線法是檢驗2個參數(shù)間一致性及變化的一種常用方法^［11］。徑流量或輸沙量與降雨量的雙累積曲線可衡量人類活動對徑流量或輸沙量影響的趨勢性變化。

2.2 所用數(shù)據(jù)

本文分析數(shù)據(jù)主要有：1960—2019年小浪底、花園口、高村3個水文站日徑流量和輸沙量的長系列數(shù)據(jù)，1960—2019年大峪、店留、濟源、吉利、祥云鎮(zhèn)、趙堡、大封、原武、大賓、黃陵、下欒、王辛莊、徐鎮(zhèn)、濮城站降雨量長系列數(shù)據(jù)，選取的雨量站位于緊鄰河道范圍，數(shù)據(jù)一致性、代表性、可靠性較強。

3 結(jié)果與討論

3.1 水沙時空變化規(guī)律

3.1.1 趨勢性分析

對黃河河南段小浪底、花園口、高村3個水文站1960—2019年年水沙及汛期非汛期水沙進行線性趨勢分析（圖2），得到近60 a黃河河南段年徑流輸沙及汛期水沙均呈現(xiàn)較大的震蕩態(tài)勢，但總體均呈現(xiàn)下降趨勢，非汛期水沙震蕩態(tài)勢明顯弱于年水沙及汛期水沙。

從水沙變化特征（表1）可以看出，各個時間段小浪底、花園口、高村站三站之間多年平均徑流量以及汛期非汛期徑流量，均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，原因是小浪底到花園口之間有黃河支流伊洛河、沁河匯入導(dǎo)致其徑流量增加，2條支流年均徑流量分別為22.67×10⁸、6.43×10⁸ m³，徑流量減少是由于花園口站、高村站之間取耗水導(dǎo)致其徑流量減少。在輸沙量變化方面，2條支流年均輸沙量分別為0.06×10⁸、0.03×10⁸ t，對于輸沙量影響可忽略不計，而3個站點年輸沙量先增大后減少，汛期輸沙量遠大于非汛期，同時汛期輸沙量在逐漸減少，非汛期輸沙在逐漸增大，說明60 a來小浪底到花園口間基本沖淤平衡，其中汛期淤積，非汛期沖刷；花園口到高村間以淤積為主，其中汛期淤積，非汛期略有沖刷；總的來看，河南段汛期以泥沙淤積為主、非汛期沖刷，整體表現(xiàn)為淤積。

3.1.2 突變分析

利用M-K檢驗法采用p=0.05的顯著性水平對小浪底、花園口、高村年徑流輸沙序列進行突變檢驗（圖3），年徑流的突變檢驗中小浪底、花園口、高村均在置信區(qū)間內(nèi)發(fā)生了突變，且突變年份均為1985年，而在輸沙量的檢驗中只有小浪底在置信區(qū)間內(nèi)發(fā)生了突變，突變年份為1997年，花園口、高村突變點不在置信區(qū)間內(nèi)，因此加入滑動T檢驗進行補充檢驗徑流輸沙序列^［11］。

通過滑動T檢驗采用p=0.05的顯著性水平對河南段水文站徑流輸沙進行檢驗（圖4），小浪底、花園口、高村徑流量突變年份為1985年，小浪底輸沙量突變年份在1997年，花園口、高村突變年份在1985年，綜合考慮M-K檢驗法和滑動T檢驗，得到小浪底站徑流量在1985年發(fā)生突變，輸沙量在1997年發(fā)生突變，花園口站、高村站徑流量輸沙量均在1985年發(fā)生突變。

3.1.3 周期分析

采用Morlet小波分析法繪制河南段3個水文站年徑流量和年輸沙量的小波系數(shù)實部等值線（圖5），反映出時間序列中周期性波動的大小。結(jié)果表明，近60 a來，河南段水沙變化具有多時間尺度特性，且徑流周期比輸沙周期更加顯著。其中小浪底徑流量主要存在準3～6、準10～25 a年際尺度的周期變化，其中10～25 a主周期的變化最顯著；花園口徑流量主要存在準3～6、準13～29 a年際尺度的周期變化，其中13～29 a主周期的變化最顯著；高村徑流量主要存在準3～6、準12～29 a年際尺度的周期變化，其中12～29 a主周期的變化最顯著。在3個站點主周期時間尺度上，年徑流量經(jīng)歷枯、豐多次循環(huán)交替，且該尺度的周期變化相較于其他周期時段表現(xiàn)得較為穩(wěn)定，但仍在2000年，徑流周期遭到很大程度上的破壞。

小浪底輸沙量存在準3～6、準12～25、準26～32 a年際尺度的周期變化，其中10～26 a主周期的變化最顯著；花園口輸沙量存在準3～6、準11～25、準28～32 a年際尺度的周期變化，其中11～25 a主周期的變化最顯著；高村輸沙量存在準3～6、準11～25 a年際尺度的周期變化，其中11～25 a主周期的變化最顯著。在3個站點主周期時間尺度上，輸沙量經(jīng)歷枯、豐多次循環(huán)交替，但從1990年以后3個站點周期變化都遭到了嚴重的破壞，使其周期變化以及枯、豐交替程度不明顯，其中小浪底的輸沙量遭受破壞最顯著。

從圖6中徑流的小波方差圖得到，3個站點曲線上均有2個較大的極值點，分別在5、20 a處對應(yīng)著主要周期，其中20 a尺度的小波方差極值點最大，表明在20 a尺度上的周期震蕩最劇烈，周期變化最明顯，是徑流序列的首要主周期，5 a為次要主周期；從輸沙序列的小波方差圖得到，小浪底有3個較大的極值點，分別在4、11、20 a處對應(yīng)著主要周期，其中11 a尺度處小波方差極值點最大。花園口和高村曲線上均有3個較大的極值點，分別在5 、15、20 a處對應(yīng)著主要周期，其中15 a尺度處小波方差極值點最大。

3.2 水沙變化影響機制

氣候變化與人類活動共同作用引起水沙變化^［12］。氣候與人類活動引起徑流輸沙變化及突變的原因中氣候變化主要包括降雨和氣溫變化，人類活動包括水土保持、水利工程建設(shè)、調(diào)水調(diào)沙、流域取用水等。其中氣候因素中降雨對徑流量產(chǎn)生直接影響，氣溫變化間接影響徑流量，由于河南段氣溫長期處于較為穩(wěn)定狀態(tài)^［13］，氣溫引起的蒸發(fā)量變化不大忽略不計，為量化河南段水沙急劇減少成因，探析水沙變化影響機制，氣候變化采用降雨量變化進行量化，結(jié)合各站點年徑流及年輸沙突變點，其中小浪底輸沙量突變年份與其他站點時間不一致單獨計算。采用年降雨-年徑流和年降雨-年輸沙雙累積曲線法（圖7）分析氣候和人類活動對河南段水沙變化的影響，3個站點累積徑流量與累積輸沙量相比，2000年以后累積徑流量曲線并不趨于平緩，說明人類活動對徑流量和輸沙量的影響。

黃河河南段水沙劇烈變化，不同尺度下的徑流輸沙均呈現(xiàn)減少的趨勢，且輸沙減少趨勢大于徑流的減少趨勢。通過表2、3可見，人類活動對河南段徑流輸沙減少起主導(dǎo)作用，而降雨變化引起徑流輸沙減少起次要作用，其中人類活動對河南段徑流量平均貢獻率為80.74％，對輸沙量平均貢獻率為94.95％，人類活動對輸沙量的影響程度大于對徑流的影響程度。人類活動中實施水土保持措施、流域取用水等是持續(xù)實施，而水利工程建設(shè)與調(diào)水調(diào)沙則使徑流輸沙突然產(chǎn)生改變，因此1986年龍羊峽水庫運用與劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度是使小浪底徑流1985年發(fā)生突變，花園口、高村流量輸沙在1985年發(fā)生突變的決定因素。小浪底輸沙在1997年發(fā)生突變原因是小浪底水利樞紐施工截留與1996年12月李家峽水庫下閘蓄水的共同作用下，由于小浪底站距離小浪底水庫距離較近，使得在輸沙影響層面上，小浪底水庫興建對小浪底站輸沙量產(chǎn)生影響程度最大，對花園口、高村站徑流輸沙量的影響程度弱于龍羊峽水庫運用與劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度。

4 結(jié)語

本文通過對1960—2019年黃河河南段小浪底、花園口、高村站水沙數(shù)據(jù)序列進行分析，探究了黃河河南段各時間尺度水沙趨勢變化，探討了3個站點水沙突變的時間節(jié)點以及變化周期性，探析了氣候變化和人類活動對河南段水沙減少的貢獻程度，分析了引起水沙變化及突變的原因，得到如下結(jié)論。

a）近60 a，黃河河南段年徑流輸沙及汛期水沙均呈現(xiàn)較大的震蕩態(tài)勢，非汛期水沙震蕩態(tài)勢明顯弱于年水沙及汛期水沙，總體均呈現(xiàn)下降趨勢，且輸沙減少趨勢大于徑流的減少趨勢；河南段汛期以泥沙淤積為主，非汛期沖刷，總體表現(xiàn)為淤積。

b）氣候變化與人類活動共同作用引起水沙變化，人類活動對河南段徑流輸沙減少起主導(dǎo)作用，而降雨變化引起徑流輸沙減少起次要作用，其中人類活動對河南段徑流量平均貢獻率為80.74％，對輸沙量平均貢獻率為94.95％，人類活動對輸沙量的影響程度大于對徑流的影響程度，主要包括水土保持、水利工程建設(shè)、調(diào)水調(diào)沙、流域取用水等，實施水土保持、流域取用水等是持續(xù)性措施，而水利工程建設(shè)與調(diào)水調(diào)沙則是引起徑流輸沙突變的原因。

由于影響河南段水沙變化的因素非常復(fù)雜，降雨、水土流失治理、水庫調(diào)蓄下泄等多種因素相互影響，因此，未來還需要進一步研究水沙影響機制，深化對河南段水沙變化規(guī)律的認識。

參考文獻：

［1］水利部黃河水利委員會．黃河調(diào)水調(diào)沙理論與實踐［M］．鄭州：黃河水利出版社，2013．

［2］穆興民，王萬忠，高鵬，等.黃河泥沙變化研究現(xiàn)狀與問題［J］.人民黃河，2014，36（12）：1-7.

［3］姚文藝，高亞軍，安催花 ，等.百年尺度黃河上中游水沙變化趨勢分析［J］.水利水電科技進展，2015，35（5）：112-120.

［4］史紅玲，胡春宏，王延貴，等.黃河流域水沙變化趨勢分析及原因探討［J］.人民黃河，2014，36（4）：1-5.

［5］劉曉燕，李曉宇，黨素珍.黃河主要產(chǎn)沙區(qū)近年降水變化的空間格局［J］.水利學(xué)報，2016，47（4）：463-472.

［6］陳仕豪.變化環(huán)境下黃河下游水沙演變分析及預(yù)測［D］.北京：華北電力大學(xué)，2022

［7］崔凱凱，劉德林，李翔海.黃河河南段流域洪災(zāi)的社會脆弱性評價［J］.水土保持通報，2021，41（5）：304-310.

［8］劉柏君，夏軍，黃生志，等.岱海湖水位對氣候要素與土地利用的響應(yīng)［J］.水資源保護，2022，38（6）：64-70.

［9］劉昌明，魏豪杉，張永強，等.黃河干流徑流變化歸因分析與有關(guān)問題商榷［J］.人民黃河，2021，43（10）：1-6，16.

［10］毛文靜，姜田亮，粟曉玲.黃河流域河流生態(tài)干旱指數(shù)構(gòu)建及生態(tài)干旱演變規(guī)律［J］.人民黃河，2022，44（10）：71-77.

［11］張廷奎，李軍華，張向萍，等.沁河徑流量變化特征及其影響因素分析［J］.人民黃河，2023，45（11）：49-54.

［12］雷紅富，謝平，陳廣才，等.水文序列變異點檢驗方法的性能比較分析［J］.水電能源科學(xué)，2007（4）：36-40.

［13］劉鋒，陳沈良，彭俊，等.近60年黃河入海水沙多尺度變化及其對河口的影響［J］.地理學(xué)報，2011，66（3）：313-323.

（責(zé)任編輯：程 茜）