黄河泥沙百年演变特征和近期波动变化成因Word文档下载推荐.docx

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大水年是否会导致大沙年发生？

这些问题是当前黄河泥沙变化研究关心的焦点与热点问题。

黄河水沙异源，泥沙基本来自流经黄土高原地区的渭河、北洛河、汾河和头道拐到龙门区间（以下简称河龙区间）的各支流，其中主要产沙区域为河龙区间。

潼关站作为黄河干流主要控制性水文站点，处于黄河干流流经黄土高原的末端，控制了黄河91%的流域面积、90%的径流量和几乎全部泥沙。

为此，本文以潼关水文站历年输沙量为研究对象，以“河龙区间”以及龙门—潼关区间（以下简称龙潼区间）的渭河、北洛河和汾河流域为研究范围边界，剖析潼关站输沙量在百年尺度上的动态变化特征；

并筛选2013、2018年为近期典型“大沙”年份，剖析潼关站泥沙波动主要原因；

以2017年无定河“7.26”特大暴雨事件为背景，选取2017年为典型“极端降雨”年份，系统分析2000年前后黄河中游典型多尺度流域极端降雨下的降雨—输沙关系变化特征以及水土保持措施减沙作用，研究结果旨在为客观评价近期黄河泥沙波动变化原因及科学研判未来泥沙情势提供科技支撑。

1资料与方法

1.1研究区域概况

黄河中游头道拐—潼关区间（以下简称河潼区间）是黄河泥沙主要来源区，为此以头道拐、龙门和潼关三个干流控制性水文站为分界点，将河潼区间进一步划分为河龙区间和龙潼区间（主要涉及渭河、北洛河和汾河3条流域）。

两个区间共选取23条黄河一级支流为研究对象，研究区总面积约29.1万km2。

河潼区间地处中国半干旱半湿润过渡带，土质疏松，地形破碎，沟壑纵横，降雨集中且多以暴雨形式出现，局部地区侵蚀模数高达20000t/（km²

·

a）。

自20世纪70年代以来，国家将该地区作为黄土高原水土流失重点治理区，相继实施了退耕还林还草工程、淤地坝建设工程和坡耕地整治等一系列水土保持生态工程。

截至2015年，研究区水土保持措施总面积约10.79万km2。

研究区范围如图1所示，涉及的主要一级支流概况详见表1。

图1研究区域地理位置

Fig.1Geographicallocationofthestudyarea

表1研究区域支流概况

Table1Overviewoftributariesinthestudyarea

1.2泥沙数据来源

黄河中游头道拐、龙门、潼关3个干流水文站以及皇甫川、窟野河、无定河、延河、北洛河、渭河、汾河等23个一级支流卡口站1919—2017年实测泥沙数据，摘自黄河水利委员会“黄河流域水文泥沙整编资料”以及《黄河泥沙公报》（2006—2017）。

2018年头道拐、龙门、潼关三站及无定河、窟野河、皇甫川、延河、渭河、汾河、北洛河泥沙数据，摘自《黄河泥沙公报》（2018），孤山川等其他16条河龙区间主要支流2018年输沙数据未能收集，故2018年河龙区间流域输沙量采用类比推算法计算。

1.3泥沙收支平衡法

河流泥沙主要来源于流域地表侵蚀输沙和河槽冲刷。

为阐明黄河潼关站泥沙来源，采用泥沙收支平衡法，假设河道除干流外，还包括若干支流。

干流进口控制站全年输沙量记为Si，干流出口控制站全年输沙量记为So，各支流流域汇入的年输沙量为Sx1、Sx2…，其和为ΣSx，按沙量收支平衡原则：

Si+ΣSx=So+Sd 

（1）

式中：

ΣSx为区间流域年输沙量，亿t，其中，2013年河潼区间流域年输沙量根据收集数据统计计算得到，2018年河龙区间流域输沙量采用类比推算法计算得到；

Sd为河段泥沙年沉积量（以正值表示）或年冲刷量（以负值表示）。

进一步地，由式

（1）得到：

So/（Si+ΣSx）=1-Sd/（Si+ΣSx）

（2）

记F=So/（Si+ΣSx），表示河道输沙与进入该河道泥沙总量之比，即河道泥沙输移比。

若F>

1，则河道处于冲刷状态；

F=1则河道处于平衡状态；

F<

1，则河道处于淤积状态。

1.4流域输沙量类比推算法

考虑到2018年黄河泥沙公报仅对河潼区间无定河、窟野河、皇甫川以及延河等7条重要支流进行统计，秃尾河等其他16条一级流域未统计，故河龙区间2018年流域输沙量计算在泥沙收支平衡法基础之上，依据无定河等7条一级支流流域输沙量在2001—2017年该区间流域总输沙量占比，反推2018年河龙区间流域输沙量。

具体如下：

Sw2018=（SWDH,2018+SKYH,2018+SHFC,2018+SYH,2018）/[（SWDH,2001—2017+SKYH,2001—2017+SHFC,2001—2017+SYH,2001—2017）/Sw2001—2017]（3）

Sw2018为河龙区间2018年23条一级流域输沙量，亿t；

SWDH,2018、SKYH,2018、SHFC,2018、SYH,2018分别为无定河、窟野河、皇甫川和延河2018年流域输沙量，亿t，该数据由《黄河泥沙公报》（2018）获取；

SWDH,2001—2017、SKYH,2001—2017、SHFC,2001—2017、SYH,2001—2017分别为无定河、窟野河、皇甫川和延河2001—2017年流域年均输沙量，亿t，数据来源于“黄河流域水文泥沙整编资料”；

Sw2001—2017为河龙区间2001—2017年23条主要一级流域年均输沙量，亿t，相关数据由“黄河流域水文泥沙整编资料”统计得到。

21919—2018年黄河潼关站输沙量变化

对1919—2018年潼关水文站年输沙量年际变化进行趋势分析，如图2所示，潼关站年均输沙量在百年尺度上以0.16亿t/a速率趋势性减少，结合Mann-Kendall趋势检验，Z=-7.48，说明潼关输沙量在近百年尺度上减少趋势达到极显著水平（P<

0.001），且2000年后减少趋势更为明显，其中，2015年降至近百年最低点0.55亿t。

但近10年来，2013和2018年潼关输沙量均达到3亿t以上，其中，2013年为3.05亿t，2018年达3.73亿t，分别较2001—2018年均值增加25%和53%，为近年来的典型“大沙”年份。

采用距平累积分析方法对黄河潼关沙量阶段变化进行分析发现，潼关输沙量年际变化呈“台阶式”下降特征。

其中，1919—1959年黄河流域受人类活动影响较小，水利及水土保持工程措施实施较少，潼关站年均输沙量约为16亿t/a，该时期常作为黄河水沙变化研究的基准期；

1960—1986年间随着青铜峡、刘家峡水库蓄水运用以及水土保持措施相继实施，在气候变化等综合影响下，潼关站输沙量减小至12亿t/a；

1987—2000年在龙羊峡水库蓄水运用以及黄土高原水土流失治理力度大幅增加等多因素耦合影响下，潼关站输沙量进一步减少至7.7亿t/a；

2001—2018年间，水土保持措施水沙调控效益持续发挥，年均输沙量锐减至2.44亿t/a。

从变化周期看，采用小波分析法对黄河潼关站输沙量标准化数据进行周期变化特征分析，如图3和图4所示，潼关站输沙量1919—2018年演变过程中存在着15～25a的主振荡周期；

且潼关站输沙量变化呈现多时间尺度变化特征，尤其在长时间尺度上变化周期更为明显。

据此判断，在50年变化尺度上，2010年以来黄河潼关站输沙量处于向“偏丰期”过渡阶段。

图2黄河潼关站输沙量年际变化过程

Fig.2InterannualvariationofsedimentdischargeatTongguanstationoftheYellowRiver

图3黄河潼关站年输沙量小波系数实部等值线图

Fig.3ContourmapoftherealpartofthewaveletcoefficientoftheannualsedimentdischargeatTongguanstationoftheYellowRiver

图4黄河潼关站年输沙量数据在不同时间尺度频率特征

Fig.4FrequencycharacteristicsofannualsedimentdischargedataondifferenttimescalesatTongguanstationoftheYellowRiver

32013年和2018年“大沙年”潼关沙量来源解析

据实测资料，2013年潼关站输沙量达到3.05亿t，较2001—2018年均值2.44亿t/a增加25%。

图5为基于泥沙收支平衡法计算的不同典型年黄河潼关站泥沙来源解析图，图中给出了头道拐至潼关区间流域输沙、河道冲淤和区间来沙量等，由图5分析可知，2013年黄河上游来沙和河潼区间主要一级支流流域输沙分别较2001—2018年均值增加37%和29%。

其中，河龙区间流域输沙量增加5%，河道冲刷量增加101%；

龙潼区间流域输沙量增加47%，河道泥沙淤积增加108%。

由此初步判断，河龙区间河道泥沙冲刷、龙潼区间流域输沙量增加是2013年潼关站泥沙增加的主因。

进一步地，对龙潼区间主要一级支流2013年流域输沙量分析可知，受2013年7月黄河中游长历时暴雨影响，渭河（华县）2013年输沙量为1.44亿t，较2001—2018年均值增加43%，尤其是其主要支流泾河年输沙量达1.3亿t。

结合刘晓燕近年典型场次大暴雨流域降雨—产沙关系研究结果，2013年7月泾河流域产沙较上世纪70年代减少70%以上，综合黄土高塬地区流域80%以上泥沙来自沟道的已有认识，2013年龙潼区间流域输沙量增加主要是因为渭河下游及泾河河道泥沙冲刷所致，这与李建华和雷文青、刘铁龙等调查结果较为一致。

综合以上研究认为：

2013年黄河潼关站沙量主要源自河龙区间河道泥沙冲刷量以及渭河流域河道淤积泥沙冲刷量。

相似地，对2018年潼关站泥沙来源组成分析可知，潼关站输沙量为3.73亿t，其中，黄河上游区域贡献了0.997亿t，河潼区间流域输沙贡献了1.554亿t，干流河道泥沙冲刷了1.179亿t。

较2001—2018年均值，上游来沙量增加126%，流域输沙量减少25%，而河道泥沙方面河龙区间泥沙冲刷量增加了983%，龙潼区间河道泥沙淤积增加了131%。

进一步根据《黄河泥沙公报（2018）》，2018年8月-9月万家寨和龙口水库汛期排沙量均为运用以来最大。

由此判定，河龙区间万家寨和龙口水利枢纽工程利用干流大流量联合排沙致使库区泥沙大量冲刷下泄是2018年潼关站沙量的主要来源。

2018年黄河中游河道泥沙输移比为1.46，也证明河道总体处于冲刷状态。

进一步对相似来水情景下的“大水”年潼关站泥沙来源对比分析，如表2所示，1981年和2018年上游来水相差仅为0.7%，均达到320亿m3以上，但2018年潼关站沙量大幅减沙68%，其中，流域输沙量锐减82%。

流域输沙量的大幅减少成为黄河潼关站泥沙量大幅减少的主要原因，也说明近年来大规模水土保持生态建设成果在减少入黄泥沙方面发挥了重要作用。

图5不同典型年黄河潼关站泥沙来源解析（单位：

亿t）

Fig.5SpatialdistributionofsedimentsourceareasinthemiddleYellowRiverindifferentyears

注：

河道冲刷以正值表示；

河道淤积以负值表示。

表2相似来水情景下潼关站泥沙来源对比

Table2ComparisonofsedimentsourcesatTongguanstationundersimilarinflowscenarios

42017年极端降雨潼关沙量解析

黄河中游泥沙多因暴雨洪水产生，极端降雨多发使得未来水沙情势存在不确定性。

已有研究表明，黄土高原河流的泥沙通常是由汛期几场短历时高强度暴雨形成的，往往一次洪水输沙量占全年70%～80%，由此可见暴雨等极端气候对黄土高原地区水土流失及入黄泥沙具有重要影响。

大规模水土保持措施实施作为改善区域下垫面侵蚀环境的有效手段，在极端暴雨情景下能发挥多大作用成为科学研判黄河未来输沙情势的重要前提。

2017年7月26日，黄河中游河龙区间最大支流无定河流域发生特大暴雨，面降雨量达63.6mm，100mm以上降雨量覆盖面积6126km2，暴雨中心绥德县暴雨重现期达200年一遇。

暴雨量级大、范围广、强度高导致无定河白家川水文控制站出现建站以来最大洪水，洪峰流量达4480m3/s，次洪沙量0.78亿t，占2017年总输沙量的91%。

图6为1956—2018年无定河输沙量—潼关站输沙量动态响应关系，按照该图推算，2017年潼关沙量约为8.2亿t，而实际仅为1.3亿t，黄河中游极端降雨年并未引发黄河大沙年出现。

进一步以2017年无定河特大暴雨事件为背景，根据黄河潼关站输沙量年际阶段变化特征，选取2000年为临界点，系统统计了无定河、皇甫川、窟野河、湫水河、清涧河、孤山川等典型流域2000年前后暴雨洪水输沙数据，分析了2000年后极端暴雨下流域输沙变化，如图7可见，2000年以后黄河中游极端降雨条件下流域雨沙关系发生明显变化，次洪输沙量平均减少50%～85%。

以无定河流域为例，1977年8月场次降雨量达到62.1mm，降雨量与2017年7月26日特大暴雨相似，但2017年次洪沙量减少53%，流域输沙量大幅减少。

图8为无定河“7·

26”特大暴雨下的水土流失治理流域与非治理流域洪水输沙特征对比图，同样表明，在相似极端降雨条件下，水土流失治理流域较非治理流域洪水模数、输沙模数、最大含沙量平均减少57%、75%和55%，水土保持措施的实施在极端降雨事件中的调水减沙效益不容忽视，在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用。

图6无定河流域输沙量-潼关站沙量相关关系

Fig.6CorrelationbetweensedimentdischargeofWudingRiverBasinandthatofTongguanstation

图72000年前后极端降雨下黄河中游典型流域降雨—输沙变化

Fig.7ChangesofrainfallandsedimenttransportintypicalbasinsofthemiddlereachesoftheYellowRiverunderextremerainfallaround2000

图8极端降雨下水土流失治理流域和非治理流域洪水输沙情况对比

Fig.8Sedimenttransportmodulusandrunoffmodulusperunitrainfallundersimilarextremerainfallconditionsinthecomparedbasins

5结论与展望

黄河未来水沙情势是决定治黄方略的首要问题。

在黄河近20年泥沙锐减已是不争事实背景之下，如何科学辨识黄河泥沙来源变化以阐明输沙年际波动成因是准确研判黄河未来水沙情势的重要前提。

本文通过对2013和2018年2个近期典型“大沙”年以及2017典型“极端降雨年”黄河潼关站沙量来源分析综合认为：

近年来随着黄土高原水土流失持续治理，主色调由黄变绿，下垫面发生不可逆的变化，黄河流域生态环境持续改善，“极端降雨年”和“大沙年”等不同典型年份流域输沙量均大幅减少且对黄河潼关站输沙量贡献大幅下降，水土保持措施实施在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用；

而极端降雨增加或人类活动影响下的河道淤积泥沙冲刷下泄则成为近年来黄河“大沙”年新的重要泥沙来源。

取得了如下主要认识与结论：

（1）1919—2018年黄河潼关站输沙量呈“台阶式”减少特征，其年平均输沙量在百年尺度上以0.16亿t/a速率趋势性减少，减少的趋势极显著（P<

0.001），2000年后减少趋势更为明显，从1919—1959年潼关站年平均输沙量16亿t/a减少到2000年以后年平均输沙量2.44亿t，其中，2015年降至百年来最低点0.55亿t。

（2）近年典型“大沙”年份泥沙大幅增加原因各不相同。

其中，2013年潼关站沙量大幅增加原因主要是因为黄河中游长历时暴雨导致渭河下游及泾河河道泥沙冲刷所致；

而2018年潼关站沙量主要是由于万家寨、龙口水利枢纽工程利用干流大流量联合排沙致使库区泥沙大量冲刷下泄所致。

（3）对2000年前后相似“大水年”潼关站输沙量分析比较发现，2018年潼关沙量较1981年减少68%，其中，2018年河潼区间流域输沙量较1981年减少82%。

流域输沙量的大幅减少是近年来潼关输沙量趋势性减少的重要影响因素。

（4）2000年前后极端降雨下的黄河中游典型多尺度流域降雨—输沙关系发生明显变化，2000年后黄河中游极端降雨条件下流域雨沙关系发生明显变化，次洪输沙量平均减少50%～85%。

水土流失治理流域较非治理流域洪水模数、输沙模数、最大含沙量平均减少57%、75%和55%，大规模水土保持措施实施在减少流域输沙方面发挥着不可替代的作用。

（5）本文所涉及的流域输沙结果是基于黄河中游23条一级支流输沙量统计数据计算而来，覆盖黄河中游主要一级支流95%以上，河龙区间仍有少许一级支流（1000km2以下）数据未能收集，但以上因素不会对流域输沙计算结果产生较大影响。