黃河干流沿程水沙變化分析

黃河干流沿程水沙變化分析

中國大部分海岸下水位的年變化基本上是同步的。大沙大，小沙小。近年來,淮河及其以南河流的水量無明顯變化趨勢,淮河以北河流的水量明顯降低;全國大多數(shù)河流的沙量明顯下降,文獻所分析的10條河流下游站近10年的輸沙量年平均值低于多年平均值的1/2。本文以黃河為例,分析同一河流上下游的水沙變化情況。黃河以多泥沙聞名于世,年輸沙量16億t(河南省陜縣站1919～1958年長系列數(shù)據(jù))。黃河發(fā)源于青海省巴顏喀拉山北麓,流經(jīng)九省(區(qū)),在山東省墾利縣注入渤海。干流全長5464km,流域面積79.5萬km2。自河源至河口鎮(zhèn)(3472km)為上游,河口鎮(zhèn)至桃花峪(1206km)為中游,桃花峪以下(786km)為下游。黃河流經(jīng)的黃土高原土壤侵蝕嚴重、輸沙量巨大。黃河中游的支流窟野河溫家川水文站實測含沙量曾高達1700kg/m3(1958年7月10日),為我國乃至世界有實測資料記載的最大值。在其他多沙支流及黃河中游干流上,1000kg/m3左右的含沙量實測值已有多次記載。隨著氣候變化、人類活動的影響,特別是20世紀60年代以來黃河流域大規(guī)模的人類活動,黃河水沙狀況發(fā)生了明顯的變化。本文選擇黃河干流9個站點的實測數(shù)據(jù),分析黃河上下游水沙變化趨勢及影響因素。9個水文站分別為唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門、潼關(guān)、花園口、高村、艾山和利津。1影響河流沙量變化的因素1.1降水變化的變化有研究表明,黃河源區(qū)的降水近50年來的變化基本上是年際波動,長期變化趨勢不明顯,但2003年之前10年的降水量明顯下降;據(jù)對黃河上游33個雨量站至2002年近50年的數(shù)據(jù)分析和對全流域77個雨量站至2001年約50年的數(shù)據(jù)分析,均認為黃河流域的降水量近年來有所下降。表1為黃河流域上游至下游17個雨量站20世紀50年代至2006年的年降水數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源自國家氣象信息中心。用近10年平均降水量與多年平均降水量的比值評價其變化,可見西寧雨量站以上各站降水量基本不變;自蘭州站到中游各雨量站降水量略有降低,近10年降水量較多年平均值約降低了10%;而下游2站的降水量基本不變,略有增加。由圖1也可看出黃河源區(qū)年降水量無趨勢性變化,中游區(qū)年降水量呈略降低趨勢。黃河水量主要來源于蘭州以上,約占全河徑流量的58%,因此,可以推論氣候?qū)S河水量的影響不是主要的。這一結(jié)論與一些文獻的分析不同,主要原因是2003年后黃河源區(qū)雨量站連續(xù)4年降水量較高。1.2黃河的泥沙形成及運行現(xiàn)狀影響黃河水沙變化的人類活動主要為水土保持(流失)、黃河引水和水利樞紐工程的興建及調(diào)控。a.水土保持。黃河流域的水土保持主要體現(xiàn)在梯田、林草和壩地的修建上。1960年以前黃河流域基本是自然狀態(tài)。20世紀60年代末,黃河流域開始實施了大規(guī)模的水土流失治理,包括植樹,種草,修建梯田、淤地壩和攔沙庫等措施。據(jù)統(tǒng)計,1959年以前,黃河流域梯田、林草和壩地面積之和約為0.8萬km2,而1969年、1979年、1989年和1998年前的面積分別約為1.58萬km2,3.60萬km2,7.92萬km2和17.13萬km2。水土保持措施改變了下墊面的狀況,使產(chǎn)流、匯流和產(chǎn)沙過程發(fā)生變化,導(dǎo)致河流徑流和進入河道的泥沙量有較明顯的減少。20世紀70年代以來,多年平均入黃泥沙每年減少3億t左右。b.引水。黃河流域的主體地處半干旱地區(qū),水資源短缺,農(nóng)業(yè)灌溉、城市和工業(yè)用水及農(nóng)村人畜用水等引水量日趨增加。據(jù)統(tǒng)計,黃河全流域有3300多座水庫,17000多處引水、提水工程。20世紀50～80年代全流域農(nóng)業(yè)年耗水量分別為125億m3,175億m3,233億m3和274億m3,呈持續(xù)增加趨勢。表2為1998～2006年黃河全流域地表水的取水量和耗水量。據(jù)2006年數(shù)據(jù),取水量和耗水量以蘭州至頭道拐和花園口以下最多,取水量分別占全河總?cè)∷康?2.5%和27.7%。取水量的增加直接降低了河流徑流量,同時引起河流輸沙能力的降低。c.水利樞紐工程。據(jù)2006年統(tǒng)計,黃河流域大、中型水庫有171座。黃河干流上已建水利樞紐工程共12座,總庫容563億m3。影響黃河水沙變化的水庫興建及運行方式的改變主要有:①1960年三門峽水庫建成投入運行至1964年運行方式為蓄水攔沙;②1965～1973年,三門峽水庫運行方式改為滯洪排沙,1974年改為蓄清排渾;③1979年劉家峽水庫建成;④1985年龍羊峽和劉家峽水庫聯(lián)合運用;⑤1999年小浪底水庫投入運行,2002年起利用小浪底水庫進行調(diào)水調(diào)沙。由于水利樞紐工程的調(diào)節(jié),黃河的水沙過程較之天然情況發(fā)生了巨大變化。大型水利樞紐工程的建設(shè)會明顯地改變黃河下游河道的水沙過程,特別是在樞紐運用初期,水庫攔截泥沙并使之淤積在庫區(qū),導(dǎo)致下泄水流含沙量顯著降低;而水庫的運行,改變了徑流量在時間上的分配,使洪峰流量大幅度降低,導(dǎo)致汛期河道輸沙能力減弱。根據(jù)實測資料,龍羊峽水庫1986年蓄水以后與劉家峽水庫聯(lián)合運用,中游的汛期沙量由劉家峽水庫運用前(1967年)的80%～90%降到60%～82%。2黃河支流上下水沙變化2.1年徑流模數(shù)的時空變化選擇黃河干流上游3個站、中游2個站和下游4個站點的水沙數(shù)據(jù),分析黃河上下游水沙條件的變化。圖2為這9個站的年徑流模數(shù)和年輸沙模數(shù)多年平均值和近10年平均值的沿程變化情況。采用徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)的概念,可便于在控制面積大小不同的水文站間進行徑流和輸沙特征的比較。從年徑流模數(shù)看,黃河上游唐乃亥站和蘭州站的數(shù)值較大,多年平均值分別為5.2L·s-1·km-2和4.4L·s-1·km-2,頭道拐站和中下游各站年徑流模數(shù)明顯較低,僅為1.3～1.9?L·s-1·km-2,并沿程減少。而20世紀50年代唐乃亥站、蘭州站、頭道拐站以下各站年徑流模數(shù)的平均值約為5L·s-1·km-2,4.5L·s-1·km-2和2?L·s-1·km-2,頭道拐站以下各站徑流模數(shù)幾乎相同。唐乃亥站和蘭州站年徑流模數(shù)近10年平均值分別為4.4L·s-1·km-2和3.5L·s-1·km-2,約為多年平均值的84%和80%;頭道拐站以下各站均在0.5～1.1L·s-1·km-2之間,約為多年平均值的35%～60%,而且此百分比沿程降低。年徑流模數(shù)的這種時空變化,一方面反映出黃河水量主要來源于上游,另一方面反映出黃河愈向下游水量下降幅度愈大。從年輸沙模數(shù)看,黃河上游3站的數(shù)值較小,多年平均值在100～320t/km2的水平;中游龍門站和潼關(guān)站較高,多年平均值達1500～1600t/km2;下游4站多年平均值約為1000～1300t/km2,并沿程下降。近10年平均值較多年平均值降低,除了唐乃亥站10年平均值降低不大外(為多年平均值的84%),蘭州站及其以下各站的降低幅度均較大,為多年平均值的21%～48%,下降幅度最大的為利津站。年輸沙模數(shù)的這種時空變化反映出黃河沙量主要來源于中游,除唐乃亥站外沿程沙量均明顯下降。2.2流域年沙量變化趨勢黃河的水量主要來自于上游,而沙量則集中來自于中游。蘭州以上控制流域面積占花園口以上流域面積的30%,水量占58%,沙量極少,黃河清水基流主要源自蘭州以上。黃河沙量的90%來自中游。其中河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間,流域面積只有11萬km2,區(qū)間徑流量占花園口水文站徑流量的13%,區(qū)間年輸沙量占全河總輸沙量的56%。黃河龍門至河口為河床淤積的主要區(qū)段(包括三門峽、小浪底兩個峽谷型水庫),黃河中游產(chǎn)生的大量泥沙淤積于此。為了表現(xiàn)直觀且便于分析比較,繪制了年降水量與年徑流量雙累積關(guān)系曲線(圖3)、年徑流量和年輸沙量變化圖及其雙累積關(guān)系曲線(圖4～9)?？紤]到黃河的水量大多來自上游,采用黃河源區(qū)達日雨量站年降水量與黃河干流9個站的年徑流量進行雙累積關(guān)系比較。a.黃河上游。由圖4可見,唐乃亥站年徑流量的長期變化趨勢幾乎不變,略有降低,20世紀80年代初徑流量高與當時的降水量高相對應(yīng)。從圖3(a)也可以看出,唐乃亥站的年徑流量基本與年降水量一致,1998年后略有下降,說明20世紀唐乃亥站上游無明顯的引水量影響,基本反映了自然狀態(tài)下黃河來流的總體情況,1998年后徑流量略降低,可能是上游引水量有一定增加造成的。唐乃亥站的輸沙量變化與徑流量變化相似,從水沙雙累積曲線也可以看到,水沙量變化幾乎同步,1980年以前的沙量略低。由此可見,由于唐乃亥站上游受人為影響較小,水沙量無趨勢性變化,年際間的變化主要受降水量的影響。由圖3(a)可見蘭州站在1998年前年徑流量與年降水量的變化也是基本一致的,但1998年后徑流量有下降趨勢;而頭道拐站1989年和1998年有兩次明顯的拐點,說明了引水量的大幅度增加(圖3(a))。實測資料也表明頭道拐站引水量有大幅度增加,頭道拐站以上20世紀50～80年代年引水量分別為79億m3,99億m3,102億m3,121億m3,而1998年蘭州站以上引水量為33億m3,約占全流域引水量的9%,頭道拐站以上引水量達175億m3,約占全流域的47%。蘭州站水沙雙累積曲線顯示在1969年有一明顯的拐點(圖5),頭道拐站水沙雙累積曲線顯示在1969年和1986年均有明顯的拐點(圖6),表示輸沙量突然下降。這主要是劉家峽水庫(1968年蓄水)和龍羊峽水庫(1986年蓄水)攔沙和灌溉引水引沙引起的。b.黃河中游。由圖3(b)可見,龍門和潼關(guān)站的點據(jù)在20世紀70年代以前相關(guān)性較好;70年代中期后點據(jù)下折,并在1989和1998年有較明顯的拐點,表明年徑流量明顯下降,這與上游區(qū)引水量在20世紀80年代后的明顯增加密切相關(guān)。龍門站和潼關(guān)站的水沙均呈現(xiàn)下降趨勢,沙量的下降趨勢更大(圖7、圖8)。由圖7和圖8可知,兩站的水沙雙累積曲線具有相同的特點,且80年代黃河中游的輸沙量明顯較低。這種降低的原因可能有4方面:①流域引水量的明顯增加引起河流徑流量降低;②黃河上中游的水利水保工程發(fā)揮了作用;③龍羊峽水庫1986年蓄水以后與劉家峽水庫聯(lián)合運用,中游的汛期沙量由劉家峽水庫運用前(1967年)的80%～90%降到60%～82%;④氣候變化。由表1可見,黃河中游近10年平均降水量較多年平均降水量約降低10%;資料分析也表明,河口鎮(zhèn)至龍門20世紀70～90年代年降水量比1970年前分別降低5.9%,9.2%和7.1%;而80年代和90年代汛期降雨量偏小,降雨多集中在少沙來源區(qū)。這些氣候變化的原因造成流域產(chǎn)沙量降低。有分析表明,20世紀80年代,河口鎮(zhèn)至龍門工農(nóng)業(yè)用水、水土保持和水庫引起的年減水量分別約占總減水量的41%,62%和2%(其中人類活動增水占4%);灌溉引沙、水庫攔沙和水土保持減沙量約占總減沙量的3%,38%和91%。應(yīng)當注意,水沙雙累積曲線上,黃河上游站由于劉家峽水庫興建而出現(xiàn)的輸沙量減少,在龍門站上有一定的表現(xiàn),而到潼關(guān)站此拐點已經(jīng)觀察不到,反映出河道輸沙能力的自我調(diào)整。2000年后沙量再次降低,應(yīng)是上游引水量增加造成徑流量降低,輸沙能力隨之降低。c.黃河下游。由圖3(b)可知,利津站分別在1969年、1989年和1998年有拐點,特別是20世紀80年代后下游站的年徑流量累積值與中游站的值明顯逐年加大,愈往下游差距愈大,反映了80年代后黃河全河引水量的大幅度增加。下游花園口、高村、艾山站和利津站的水沙年系列值和雙累積曲線均具有相似的特點(限于篇幅,略去花園口、高村和艾山站年徑流量和年輸沙量變化關(guān)系圖)。從圖9中可以看出,下游站的水沙量呈下降趨勢,而且愈往下游下降幅度愈大。下游站在1961～1965年、1980～1988年和2000年后均有1次明顯的輸沙量下降現(xiàn)象。1961年輸沙量的下降反映了三門峽水庫建成并開始蓄水攔沙;1965年后,三門峽水庫運行方式先后改為滯洪排沙和蓄清排渾,輸沙量恢復(fù)。資料表明,1960～1964年,三門峽水庫335m高程庫容由97.5億m3降至57.0億m3,1973年水庫改建完成后庫容為60.55億m3;80年代輸沙量再次降低,原因應(yīng)與黃河中游這一時期輸沙量降低的原因一樣,即水土保持措施發(fā)揮效益和引水量增加等;2000年后輸沙量的降低一方面應(yīng)歸因于上游引水量增加造成徑流量降低,更主要的原因應(yīng)是1999年小浪底水庫的建成蓄水。20世紀50年代利津站平均年徑流量和輸沙量分別為474億m3和14億t,基本反映了自然條件下黃河接近入海口的水沙狀況。而至2006年,利津站多年平均水沙量分別為311億m3和7.7億t,2000年以來的6年平均值更是陡降為132億m3和1.5億t。黃河入海水沙量的大幅度減少,給黃河口的演變帶來很大的影響,值得深入研究。2.3泥沙沿程變化圖10反映了黃河干流9個站的水沙變化關(guān)系。由圖10可見,9個站中,上游的唐乃亥站和頭道拐站的水沙關(guān)系具有較好的相關(guān)性,下游的高村、艾山和利津站的水沙相關(guān)性也尚好,其他各站兩者相關(guān)性較差。從圖10也可見在同樣的徑流模數(shù)下,上游3站的輸沙模數(shù)遠低于中下游各站。高輸沙模數(shù)值出現(xiàn)在中游站,并且徑流模數(shù)不高。由圖11可見,黃河上游站的含沙量較低并沿程增加,唐乃亥、蘭州和頭道拐站含沙量多年平均值分別為0.59kg/m3,2.23kg/m3和4.41kg/m3。中游龍門和潼關(guān)站含沙量最高,多年平均值分別達27.6kg/m3和31.3kg/m3。下游4站的含沙量相近,為23～24kg/m3,明顯低于中游。含沙量的這種沿程變化,反映了黃河的泥沙源主要來自中游地區(qū),在進入下游前,泥沙已經(jīng)大量淤積于河道或水利樞紐工程中。從圖11中亦可看出,除唐乃亥站外,其他各站近10年的平均含沙量均較多年平均含沙量明顯降低。這種降低應(yīng)是黃河引水量增加、水土保持措施發(fā)揮效益、水利樞紐工程攔沙和氣候變化等綜合作用的結(jié)果。從圖11中中值粒徑的沿程變化可以看出,上游的泥沙粒徑較細,中游泥沙粒徑最大,下游泥沙粒徑小于中游。這說明了黃河中的粗沙主要來源于中游地區(qū),在進入下游前,有一定量的粗沙淤積于河道。花園口之前的各站近10年的平均中值粒徑與多年平均值近似,但下游高村、艾山和利津站3站近10年的中值粒徑明顯大于多年平均值。分析逐年數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),2000年后此3站的中值粒徑值明顯較往年增大,推測應(yīng)是小浪底水庫投入運行后,清水下泄引起下游段河床的沖刷使河床粗化。3黃河泥沙源區(qū)沙量分析