百年尺度黃河上中游水沙變化趨勢(shì)分析

姚文藝，高亞軍，安催花，焦 鵬

(1．黃河水利科學(xué)研究院，水利部水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003;2．黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州450004;3．黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

黃河是世界上大江大河中含沙量最高的河流，1985年以前三門(mén)峽水文站多年平均含沙量為38kg/m3，比國(guó)外含沙量最高的科羅拉多河還高27%［1］。同時(shí)，黃河徑流量、輸沙量年際變化大，水沙系列震蕩周期明顯。例如，在人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域下墊面干擾相對(duì)較弱的1919—1959年，1933年黃河中游陜縣水文站的輸沙量達(dá)到39.1億t，而1928年輸沙量只有4.88 億 t［2］;1923—1931 年平均輸沙量為 10.58 億 t，而1932—1940年達(dá)到18.82億t。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)黃河水沙發(fā)生新的變化，徑流泥沙持續(xù)減少，如2014年輸沙量減至不到1億t，約為多年平均輸沙量16億t的1/22，不到1933年的1/50。

黃河水沙變化直接關(guān)系到治黃方略的確定、流域水沙資源的配置與管理，以及重大水利工程的布局，是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性問(wèn)題，也是我國(guó)水科學(xué)研究領(lǐng)域的重大問(wèn)題。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，黃河水沙發(fā)生顯著變化，引起各界學(xué)者及流域管理者的高度關(guān)注。幾十年來(lái)，通過(guò)國(guó)家、水利部及其他部委的各類(lèi)科學(xué)研究計(jì)劃資助，開(kāi)展了以水利部黃河水沙變化研究基金兩期專(zhuān)項(xiàng)為代表的一系列研究工作［3-4］，重點(diǎn)對(duì)1996年以前黃河流域水利水土保持措施減水減沙量進(jìn)行評(píng)估，明晰各項(xiàng)措施對(duì)水沙變化的貢獻(xiàn)率，預(yù)測(cè)未來(lái)水沙變化趨勢(shì)等［5-9］，為黃河治理開(kāi)發(fā)決策與大型水利工程建設(shè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來(lái)Miao等［10］根據(jù)黃河流域15個(gè)水文站的水沙實(shí)測(cè)資料分析了1950—2000年間的水沙變化原因，認(rèn)為1980—1990年的水量突變?cè)醋匀祟?lèi)活動(dòng)的取水，而泥沙突變則與水庫(kù)建設(shè)的干擾有關(guān)。Wang等［11］利用黃河干流4個(gè)水文站的水沙實(shí)測(cè)資料及流域降雨資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)比分析了1950—2005年降雨、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河花園口泥沙量減少的貢獻(xiàn)率。Miao等［12］通過(guò)重建1960—2008年天然水沙量時(shí)間序列分析了1970—2008年黃河上游氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量、泥沙量減少的貢獻(xiàn)率。姚文藝等［13］綜合利用多種分析方法揭示了黃河1997—2006年水沙變化成因，預(yù)測(cè)了未來(lái)30～50年黃河水沙變化趨勢(shì)。這些研究成果在不同程度上為黃河治理、開(kāi)發(fā)與管理提供了科學(xué)依據(jù)。不過(guò)，目前的研究時(shí)間尺度多限于20世紀(jì)80年代中期以來(lái)的某一較短時(shí)段，缺乏從較長(zhǎng)時(shí)間尺度去認(rèn)識(shí)水沙變化的特點(diǎn)與趨勢(shì)，這樣往往難以回答近幾十年來(lái)水沙變化到底是趨勢(shì)性的還是階段性的這一重要科學(xué)問(wèn)題，難以完全滿(mǎn)足治黃戰(zhàn)略決策的需求。筆者擬根據(jù)黃河干流主要水文站水沙觀測(cè)資料，基于已有大量相關(guān)研究成果，分析1919—2012年近百年尺度水沙系列的變化特征及趨勢(shì)，并剖析了20世紀(jì)80年代中期以來(lái)尤其是近10多年來(lái)黃河水沙劇變的特點(diǎn)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)及方法

1．1 研究區(qū)域

黃河徑流主要來(lái)源于上游，而泥沙則主要來(lái)自于中游頭道拐—潼關(guān)區(qū)間，因此取黃河潼關(guān)以上為重點(diǎn)研究區(qū)域(圖1)。頭道拐以上區(qū)域?yàn)辄S河上游，其中唐乃亥以上為黃河河源地區(qū)，是三江源的重要組成部分，唐乃亥—蘭州區(qū)間建有龍羊峽、劉家峽等大型水庫(kù)，蘭州以下至頭道拐區(qū)間有寧夏、內(nèi)蒙古兩大灌區(qū)，基本上屬于耗水區(qū)，因此，蘭州斷面集中反映了上游地區(qū)的產(chǎn)流狀況。雖然蘭州以上流域面積只有22.25萬(wàn)km2，占黃河流域面積79.49萬(wàn)km2的28.0%，為潼關(guān)以上流域面積72.41萬(wàn)km2的30.7%，但是1919—2012年平均徑流量占潼關(guān)斷面的84%，故以此作為分析上游水沙變化特征的代表斷面。

圖1 研究區(qū)域示意圖

黃河中游頭道拐—潼關(guān)流域面積26.6萬(wàn)km2，其產(chǎn)沙量占全河的90%以上，其中頭道拐—龍門(mén)產(chǎn)沙量約占58%，是黃河泥沙來(lái)源最為集中的地區(qū)。該區(qū)間有25條一級(jí)主要入黃支流，包括龍門(mén)以上的皇甫川、孤山川、窟野河、禿尾河等，以及龍門(mén)以下的涇河、北洛河、渭河和汾河。頭道拐—潼關(guān)不僅是黃河泥沙的主要來(lái)源區(qū)，也是黃河下游河道主要淤積物粗泥沙(粒徑大于0.05mm)的主要來(lái)源區(qū)，其產(chǎn)粗泥沙量占全河粗泥沙量的94.6%。

黃河上中游干流潼關(guān)以上布設(shè)有黃河沿、唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門(mén)等20處國(guó)家基本水文站，其中9處為重要控制站，7處為參證站，4處為一般站?？紤]到對(duì)徑流、泥沙主要來(lái)源區(qū)產(chǎn)水產(chǎn)沙狀況及大型水利工程調(diào)控水沙效應(yīng)的表觀作用，選擇蘭州、頭道拐、龍門(mén)和潼關(guān)4個(gè)水文站作為分析站。蘭州水文站以上為黃河徑流主要來(lái)源區(qū)，且位于劉家峽水庫(kù)下游100 km處，可較好地反映水庫(kù)調(diào)控水沙的作用;頭道拐水文站位于黃河上游最末斷面，可反映由上游進(jìn)入中游的水沙狀況;頭道拐以下至龍門(mén)是黃河多沙粗沙區(qū)，通過(guò)龍門(mén)水文站水沙測(cè)驗(yàn)資料可了解黃河泥沙主要來(lái)源區(qū)產(chǎn)沙變化狀況;潼關(guān)水文站位于三門(mén)峽水庫(kù)入庫(kù)控制斷面，控制黃河徑流量的90%以上、泥沙量的近100%，是集中反映黃河水沙變化的重要水文站。

1．2 數(shù)據(jù)資料

采用黃河干流主要控制水文站1919—2012年實(shí)測(cè)徑流量、輸沙量，其中1998年前取自《1919—1951年及1991—1998年黃河流域主要水文站實(shí)測(cè)水沙特征值統(tǒng)計(jì)》［14］，1998年以后來(lái)自黃河水利委員會(huì)蘭州、頭道拐、潼關(guān)、龍門(mén)等水文站歷年觀測(cè)資料。黃河設(shè)立最早的水文站是陜縣站，于1919年開(kāi)始觀測(cè)，而其他水文站大多建于1953、1954年。根據(jù)黃河治理開(kāi)發(fā)的需要，黃河水利委員會(huì)分別于1952、1959年會(huì)同有關(guān)單位對(duì)干流其他主要控制站的實(shí)測(cè)水沙系列進(jìn)行了插補(bǔ)延長(zhǎng)，其后于1992年又對(duì)黃河歷年水文基礎(chǔ)資料進(jìn)行了審查評(píng)價(jià)，本次所使用的資料是審查成果。對(duì)年月流量資料的插補(bǔ)，除河津、蘭村兩站采用雨量資料外，其余多數(shù)站以陜縣、蘭州兩站資料為基本依據(jù)，采用上下游水文站統(tǒng)計(jì)相關(guān)法，其中相鄰站有實(shí)測(cè)資料的，盡量利用相鄰站的實(shí)測(cè)值。輸沙量缺測(cè)資料的插補(bǔ)，盡量采用本站水量與沙量的相關(guān)關(guān)系，如本站水量和沙量關(guān)系實(shí)在不好，則采用上下游水文站沙量相關(guān)法。

1．3 分析方法

1．3．1 MWP 法

MWP(Mann-Whitney-Pettitt)法是 Pettitt于1979年提出的一種根據(jù)時(shí)間序列找出突變點(diǎn)，并檢定該點(diǎn)前后時(shí)段資料之累積分布函數(shù)是否有顯著差異的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，屬于無(wú)母數(shù)統(tǒng)計(jì)(nonparametric statistics)理論中的一種方法［15］，其不受限于資料母群體的分布，可應(yīng)用于各種概率分布數(shù)據(jù)的分析，故又可稱(chēng)為與分布無(wú)關(guān)的統(tǒng)計(jì)方法。

假設(shè)T為序列長(zhǎng)度，序列中最可能的變化點(diǎn)為t時(shí)刻，將該序列分成前后兩部分，即 x1，…，xt和xt+1，…，xT，定義檢驗(yàn)指標(biāo):

式中:α為置信度，當(dāng)累積概率P越接近1，則存在突變點(diǎn)的趨勢(shì)越明顯。當(dāng)P＞Pα?xí)r，表示存在突變點(diǎn)的趨勢(shì)明顯。

1．3．2 雙累積曲線(xiàn)法

雙累積曲線(xiàn)(double mass curve，DMC)法由美國(guó)學(xué)者M(jìn)erriam［16］于1937年提出，該法在直角坐標(biāo)系中繪制同期內(nèi)一個(gè)變量的時(shí)段累積值與另一個(gè)變量相應(yīng)時(shí)段累積值的關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)累積關(guān)系曲線(xiàn)分析兩個(gè)變量之間響應(yīng)關(guān)系的變化趨勢(shì)，并判斷其變化時(shí)間和變化量。雙累積曲線(xiàn)法的理論基礎(chǔ)是自變量的累積值與因變量的累積值成正比，在直角坐標(biāo)上可以表示為一條直線(xiàn)，其斜率為兩要素對(duì)應(yīng)點(diǎn)的比例常數(shù)。如果雙累積曲線(xiàn)的斜率發(fā)生突變，則意味著其對(duì)應(yīng)的累積值的比例可能根本就不是常數(shù)，或者兩個(gè)變量之間的比例常數(shù)發(fā)生了改變，此時(shí)斜率突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的年份就是兩個(gè)變量的關(guān)系出現(xiàn)突變的時(shí)間。

2 百年尺度水沙變化趨勢(shì)分析

2．1 不同時(shí)段水沙變化特點(diǎn)

1919—2012年黃河潼關(guān)以上年徑流量、年輸沙量除年際間有一定的變化外，還具有明顯的時(shí)段變化特征。依據(jù)實(shí)測(cè)年徑流量、年輸沙量的變化(圖2)，并考慮20世紀(jì)60年代以前黃河流域受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，以及自1986年始黃河上游龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用等因素，將年徑流量、年輸沙量過(guò)程劃分為 5個(gè)時(shí)段，即 1919—1932年、1933—1959 年、1960—1986 年、1987—1999 年、2000—2012年。

表1 黃河潼關(guān)以上主要斷面不同時(shí)段徑流量、輸沙量

圖2 潼關(guān)以上主要斷面年徑流量、年輸沙量變化過(guò)程

1919—2012年蘭州、頭道拐、龍門(mén)和潼關(guān)的年均徑流量分別為308.2億m3、226.5億m3、283.7億m3、369.3億 m3，輸沙量分別為 0.78億 t、1.1億 t、8.0 億 t、11.9 億 t(表1)。

1919—1932年是典型的枯水枯沙年，4個(gè)斷面最枯年份的徑流量水平基本上與近30年來(lái)的相當(dāng)，如潼關(guān)1928年徑流量約為200億m3，與1987年、1998年、2004年、2008年和2009年的相當(dāng)，但后一時(shí)段的年均徑流量、輸沙量仍低于前者，如徑流量較前者低6.2% ～28.8%，輸沙量低52.0% ～58.6%，就是說(shuō)近30a的徑流泥沙系列是百年尺度中最枯的年份;1933—1959年為豐水豐沙系列，其徑流量、輸沙量都較1919—1932年明顯增加，徑流量增加29.7% ～37.2%，輸沙量增加較多，為 42.2% ～73.3%。自1960年以后，年徑流量、年輸沙量均趨于減少，對(duì)于徑流量來(lái)說(shuō)，與1933—1959年相比，1960—1986年除蘭州徑流量稍增1.0%外，其他斷面的徑流量減少7.2% ～14.3%，1987—1999年減少20.9% ～44.3%，2000—2012年減少16.3% ～51.2%;對(duì)于輸沙量來(lái)說(shuō)，與1933—1959年相比，相應(yīng)時(shí)段分別減少12.5% ～47.1%、54.5% ～75.0%和75.0～86.4%。綜合分析表明，①自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，無(wú)論是徑流量還是輸沙量均明顯減少，其中以2000年以來(lái)減幅最大;②與1933—1959年相比，1987—1999年和2000—2012年兩個(gè)時(shí)段徑流量減幅增加并不明顯，最多不足7個(gè)百分點(diǎn)，而對(duì)于輸沙量減幅來(lái)說(shuō)，除頭道拐外其他斷面的減幅均明顯增加，如蘭州、龍門(mén)和潼關(guān)2000—2012年減幅比 1987—1999年的大 23.1、31.3、29.8個(gè)百分點(diǎn)。另外，自1960年以后，各斷面對(duì)應(yīng)時(shí)段的徑流量、輸沙量在減少的同時(shí)，徑流量減幅明顯小于輸沙量減幅，除蘭州外的徑流量減幅為4.0% ～51.2%，輸沙量的減幅則達(dá)到12.5% ～86.4%，后者減幅是前者的2～3倍。

應(yīng)當(dāng)注意的是，與其他斷面相比，蘭州斷面2000年以來(lái)年徑流量較前一時(shí)段反增5.7%，而年輸沙量較前一時(shí)段則是減少的，且減幅達(dá)58.8%。

黃河水沙系列的豐枯變化是氣候等自然因素與人類(lèi)活動(dòng)因素共同作用的結(jié)果。在20世紀(jì)60年代以前，人類(lèi)活動(dòng)較弱，水沙系列豐枯主要受制于氣候因素，降雨為主導(dǎo)因子，而之后則受制于人類(lèi)活動(dòng)、氣候因素的共同影響，不過(guò)每一時(shí)段的主導(dǎo)因子是不同的。例如，根據(jù)董安祥等［17-19］的分析，最近370年黃河流域存在7個(gè)干旱期，其中之一就是20世紀(jì)10年代后期至20年代，1922—1932年屬于異常干旱期，其中1927年的降水量較1961—1990年平均值的距平百分?jǐn)?shù)為－42.1%，因此該時(shí)段成為黃河時(shí)段最長(zhǎng)且最枯的枯水段之一［20］。20世紀(jì)30—40年代黃河流域進(jìn)入濕潤(rùn)期，降雨量豐沛，1933年陜縣站出現(xiàn)特大大水大沙年，最大洪峰流量22000 m3/s，實(shí)測(cè)年輸沙量39.1億t。20世紀(jì)50—60年代也是降水豐沛期［21］，因此，1933—1959年成為黃河近百年以來(lái)的豐水期。自20世紀(jì)60年代黃河上游劉家峽、龍羊峽等大型水庫(kù)先后建成運(yùn)用和多項(xiàng)水利水土保持措施逐步實(shí)施，且70年代黃河流域又進(jìn)入了顯著干旱期，這一時(shí)期水沙變化受到人類(lèi)活動(dòng)和降雨減少的雙重作用，降雨對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率基本上占6～7成、人類(lèi)活動(dòng)占3～4成，兩者對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別占2～7成和3～8成［13］。2000年以來(lái)，盡管黃河流域降雨量較前期明顯偏豐，但由于退耕還林還草等封禁治理成效顯現(xiàn)，徑流泥沙較前一時(shí)段仍進(jìn)一步減少，根據(jù)分析，2000—2012年人類(lèi)活動(dòng)對(duì)泥沙減少的貢獻(xiàn)率占到近80%，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減沙起到了主導(dǎo)作用。

2．2 百年尺度水沙突變臨界年份檢驗(yàn)

所謂黃河水沙突變或變異，不僅指徑流量、輸沙量有了明顯減少，與此同時(shí)水沙關(guān)系也發(fā)生了明顯變化。

MWP法檢驗(yàn)表明(圖3)，在99%信度水平下，蘭州輸沙量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)Ut在1968年出現(xiàn)低谷點(diǎn)并超出臨界水平線(xiàn)，頭道拐輸沙量Ut分別在1968年和1986年出現(xiàn)低谷點(diǎn)并超出臨界水平線(xiàn)，龍門(mén)、潼關(guān)輸沙量Ut均在1978年出現(xiàn)低谷點(diǎn)并超出臨界水平線(xiàn)。徑流量系列MWP法檢驗(yàn)表明，在99%信度水平下，蘭州徑流量Ut在1986年出現(xiàn)低谷點(diǎn)并超出臨界水平線(xiàn)，頭道拐、龍門(mén)和潼關(guān)徑流量Ut均有兩個(gè)低谷點(diǎn)并超出臨界水平線(xiàn)，分別是1968年和1986年。

徑流量-輸沙量雙累計(jì)曲線(xiàn)進(jìn)一步表明(圖4)，上游河段在20世紀(jì)60年代末以前、中游河段在20世紀(jì)70年代末以前，徑流量和輸沙量基本上呈同步變化趨勢(shì)，兩者有著較強(qiáng)的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，各時(shí)段的斜率無(wú)明顯變化，但其后輸沙量減幅均大于徑流量減幅，曲線(xiàn)斜率變小，即單位徑流量的輸沙量明顯減少，蘭州、頭道拐的突變點(diǎn)是1968、1986年，龍門(mén)、潼關(guān)均有兩個(gè)相同的顯著變點(diǎn)，分別為1978年和1986年，突變臨界年份與MWP法檢驗(yàn)結(jié)果基本一致。另外，自2000年以來(lái)，曲線(xiàn)斜率相對(duì)更小，說(shuō)明單位徑流量的輸沙量又有進(jìn)一步減少。

圖3 潼關(guān)以上主要斷面輸沙量趨勢(shì)變化臨界檢驗(yàn)

綜上分析，從百年尺度看，雖然1919—1932年為顯著的枯水枯沙年，不過(guò)其水沙關(guān)系并未發(fā)生突變。雖說(shuō)1986年以來(lái)尤其自2000年以來(lái)黃河年徑流量、年輸沙量大幅減少，但1968、1978年以前上游、中游的水沙關(guān)系就已分別發(fā)生變化，只不過(guò)是到1986年或2000年黃河水沙關(guān)系再次發(fā)生突變。另外，黃河上中游水沙關(guān)系突變的年份并不一致，上游河段的蘭州、頭道拐的水沙關(guān)系突變點(diǎn)為1968、1986年，而中游河段的龍門(mén)、潼關(guān)的突變點(diǎn)為1978、1986年，上中游水沙關(guān)系突變的重合點(diǎn)是1986年，這說(shuō)明黃河上中游水沙變化的機(jī)制是不同的，反映了黃河水沙變化規(guī)律的復(fù)雜性。

2．3 百年尺度水沙變化趨勢(shì)分析

為定量分析水沙變化趨勢(shì)，將百年尺度水沙序列劃分為n個(gè)豐枯變化時(shí)段，定義水沙變化趨勢(shì)度為

圖4 徑流量輸沙量雙累積曲線(xiàn)

根據(jù)1919—2012年實(shí)測(cè)徑流量、輸沙量系列和表1劃分的時(shí)段，由式(3)計(jì)算的潼關(guān)以上4個(gè)代表斷面的徑流量、輸沙量系列變化趨勢(shì)度見(jiàn)表2。

表2 潼關(guān)以上主要斷面徑流量、輸沙量系列變化趨勢(shì)度

分析表2可以得出4點(diǎn)初步認(rèn)識(shí):①4個(gè)斷面的年徑流量、年輸沙量系列的趨勢(shì)度均小于零，說(shuō)明在百年尺度內(nèi)，潼關(guān)以上的年徑流量、年輸沙量均處于減少的態(tài)勢(shì);②年徑流量、年輸沙量趨勢(shì)度不同，即水、沙的減少幅度不一樣，各斷面年輸沙量的減少幅度均大于年徑流量的減幅;③在4個(gè)斷面中，以黃河上游蘭州斷面徑流量的趨勢(shì)度的絕對(duì)值最小，其他3個(gè)斷面的基本相同，約為蘭州的1.7～2.0倍;④在4個(gè)斷面中，輸沙量的趨勢(shì)度的絕對(duì)值也是上游蘭州斷面最小，其他斷面均處于同一個(gè)水平，約為蘭州斷面的1.2倍。

綜上分析，在百年尺度內(nèi)，黃河輸沙量的趨勢(shì)度的絕對(duì)值明顯大于徑流量趨勢(shì)度的絕對(duì)值，且黃河泥沙主要來(lái)源區(qū)也是泥沙減少趨勢(shì)最為明顯的地區(qū);雖然自1986年以來(lái)徑流量主要減于上游地區(qū)(表2)，但就蘭州斷面年徑流量變化趨勢(shì)而言，其減少的趨勢(shì)度的絕對(duì)值并不是最大。

3 近30年水沙系列變化特點(diǎn)

根據(jù)干流4個(gè)水文站的逐年累計(jì)徑流量、輸沙量變化過(guò)程分析(圖2)，自1986年以來(lái)，各站來(lái)水來(lái)沙量明顯減少，同時(shí)在年內(nèi)分配、水沙變化空間分布及來(lái)水來(lái)沙動(dòng)力條件變化等方面具有顯著的特點(diǎn)。

a．來(lái)水來(lái)沙量顯著減少。自20世紀(jì)60年代以后，人類(lèi)活動(dòng)逐步加強(qiáng)，在自然和人為因素的雙重作用下，黃河水沙呈明顯減少態(tài)勢(shì)。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)的30年間，隨著龍羊峽、劉家峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，以及黃土高原地區(qū)水土流失治理和水利建設(shè)，尤其是1999年以來(lái)實(shí)施退耕還林還草工程、2003年以來(lái)實(shí)施“淤地壩亮點(diǎn)工程”，徑流量、輸沙量大幅減少。與1919—1959年相比，1987—2012年潼關(guān)、龍門(mén)、頭道拐、蘭州水文站實(shí)測(cè)年均徑流量分別減少42.3%、40.2%、34.6%、11.4%;實(shí)測(cè)年均輸沙量分別減少66.0%、67.5%、68.5%、67.7%。

自2000年以來(lái)，潼關(guān)、龍門(mén)、頭道拐和蘭州斷面的輸沙量劇減(表3)，與1919—1986年相比，4個(gè)斷面輸沙量分別減少 80.8%、83.9%、68.8%和77.7%。徑流量減少也比較明顯，4個(gè)斷面分別減少44.5%、42.1%、35.3%和12.7%。值得強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)2014年的觀測(cè)，三門(mén)峽水庫(kù)入庫(kù)控制斷面潼關(guān)的輸沙量不足1億t，僅為0.74億t，成為有輸沙量實(shí)測(cè)記錄以來(lái)的最小值。

表3 黃河主要斷面1987年以來(lái)徑流量、輸沙量

30年來(lái)黃河來(lái)水來(lái)沙量變化有3個(gè)突出特點(diǎn):①年徑流量減幅明顯小于年輸沙量減幅，如與1919—1986年相比，4個(gè)代表斷面1987—2012年的輸沙量減幅為66.0% ～68.3%，而徑流量的減幅為11.4%～42.3%;②從上游至中游徑流量減幅沿程不斷增大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，中游的輸沙量減幅大于上游的;③與1919—1986年相比，近30年來(lái)徑流量、輸沙量均主要減于汛期，如汛期輸沙量減幅為69.2%～78.7%，非汛期為21.3% ～30.8%，由于2000年以來(lái)其年內(nèi)分配關(guān)系有所調(diào)整，除頭道拐斷面以外，其他斷面的汛期輸沙量減幅與非汛期的基本持平，說(shuō)明近10多年來(lái)輸沙量減幅在年尺度分布上基本是均勻的，但徑流量仍主要減于汛期。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，由于黃河流域產(chǎn)水產(chǎn)沙規(guī)律的復(fù)雜性，并不能排除未來(lái)仍會(huì)出現(xiàn)大水大沙年的可能性［13］。

b．水沙變化程度在空間上分布不均。由于黃河水、沙異源，加之上中游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)干擾程度不同，因此無(wú)論是徑流量還是輸沙量，沿程減幅并非均勻。

與1919—1959年相比，1987—2012年潼關(guān)斷面年輸沙量減少10.50億t，其中頭道拐至龍門(mén)區(qū)間減少了6.19億t，占59.0%;龍門(mén)至潼關(guān)區(qū)間減少了3.34億t，占31.8%;頭道拐以上減少了1.0億t，僅占9.2%，說(shuō)明輸沙量主要減于泥沙主要來(lái)源區(qū)。但就輸沙量的相對(duì)變化幅度看，蘭州、頭道拐、潼關(guān)、龍門(mén)分別為67.3%、68.3%、67.6%和66.0%，沿程各斷面的減幅差別不是太明顯(表4)。

表4 黃河主要斷面不同時(shí)段徑流量、輸沙量

與1919—1959年實(shí)測(cè)徑流量相比，1987—2012年頭道拐至龍門(mén)區(qū)間、龍門(mén)至潼關(guān)區(qū)間徑流量減小主要集中在頭道拐以上的徑流主要來(lái)源區(qū)。與1919—1959年相比，1987年以來(lái)潼關(guān)斷面年徑流量減小180.2億m3，其中頭道拐以上為86.8億m3，占48.2%;頭道拐—龍門(mén)區(qū)間為 43.9億 m3，占24.3%;龍門(mén)—潼關(guān)區(qū)間為49.5億m3，占27.5%。

c．水沙年內(nèi)分配發(fā)生顯著變化。黃河徑流年內(nèi)分配比例變化主要表現(xiàn)于兩方面，一是有利于輸沙的大流量天數(shù)及相應(yīng)水量減小，二是汛期徑流量占全年徑流量的比例減小，年內(nèi)各月徑流量分配趨于均勻。

潼關(guān)斷面1919—1959年汛期徑流量占全年徑流量的60.8%，1987—2012年下降為45.9%，龍門(mén)、頭道拐、蘭州斷面具有相似的變化特點(diǎn)，分別由60.4%、62.2%、60.4% 下降到 41.8%、39.4% 和42.0%，汛期與非汛期的分配比例發(fā)生倒置(圖5)。

圖5 主要斷面汛期徑流量占全年徑流量比例

與1919—1959年實(shí)測(cè)平均值相比，1987—2012年潼關(guān)斷面年內(nèi)日均流量大于 2000 m3/s的天數(shù)占汛期天數(shù)的比例(以下簡(jiǎn)稱(chēng)占汛比)由62.2%減小為10.5%;大于 2000 m3/s的徑流量占汛比由75.8%減小為27.7%;大于 2000 m3/s的輸沙量占汛比由87.2%減小為46.8%。2000—2012年潼關(guān)斷面年內(nèi)日均流量大于2000 m3/s的天數(shù)占汛比進(jìn)一步減至8.8%，大于 2000 m3/s的徑流量、輸沙量占汛比進(jìn)一步減小為24.6%和31.2%。龍門(mén)、頭道拐、蘭州水文站具有相似的變化特點(diǎn)(圖6)，與1919—1959年相比，1987—2012年3個(gè)斷面年內(nèi)日均流量大于 2000 m3/s的天數(shù)占汛比分別由30.2%、22.6%、29.5% 下降到 4.6%、2.8% 和2.0%;與1960—1986年相比，大于 2000 m3/s的輸沙量占汛比分別由65.5%、53.7%、63.4%下降到34.1%、12.2%和8.9%。

圖6 潼關(guān)2000 m3/s以上流量出現(xiàn)天數(shù)及相應(yīng)徑流量、輸沙量占汛比

d．來(lái)沙系數(shù)具有階段性調(diào)整特點(diǎn)。來(lái)沙系數(shù)指某一斷面的含沙量與相應(yīng)流量的比值，反映了水沙搭配關(guān)系及水流動(dòng)力條件，來(lái)沙系數(shù)越大，說(shuō)明在同樣流量下的含沙量越高，河床淤積的可能性就越大，反之則越小。表5分別統(tǒng)計(jì)了4個(gè)斷面1919—2012年不同時(shí)段的來(lái)沙系數(shù)，其變化具有明顯的階段性調(diào)整特點(diǎn)，以1919—1959年為基準(zhǔn)，后3個(gè)時(shí)段的來(lái)沙系數(shù)經(jīng)歷了減小→增大→減小的變化過(guò)程，說(shuō)明3個(gè)時(shí)段各斷面單位流量的輸沙能力均發(fā)生了調(diào)整，且具同步性。綜上所述，來(lái)沙系數(shù)變化受人類(lèi)活動(dòng)因素影響較大，例如，1960—1986年因龍羊峽、劉家峽的大型水庫(kù)先后運(yùn)用攔沙，以及較大規(guī)模水土保持措施實(shí)施，來(lái)沙系數(shù)較1960年以前(天然條件下)明顯降低;1999年以來(lái)由于退耕還林還草工程的實(shí)施，流域產(chǎn)沙減少，進(jìn)入黃河干流的泥沙量劇減，來(lái)沙系數(shù)隨之大幅度降低。

從各斷面不同時(shí)段的來(lái)沙系數(shù)對(duì)比看，黃河中游潼關(guān)、龍門(mén)來(lái)沙系數(shù)以1987—1999年最大，而上游的蘭州、頭道拐來(lái)沙系數(shù)以1919—1959年最大。另外，汛期來(lái)沙系數(shù)的變化過(guò)程與年均來(lái)沙系數(shù)變化過(guò)程并非一致，在1999年以前的3個(gè)時(shí)段，4個(gè)斷面的來(lái)沙系數(shù)基本上不斷增加，到2000年以后才有所降低。非汛期的來(lái)沙系數(shù)變化無(wú)明顯規(guī)律，尤其是在頭道拐以上河段，由于受大型水庫(kù)調(diào)控、河道沖淤調(diào)整等因素影響，變化較復(fù)雜。

不同時(shí)段的來(lái)沙系數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)出沿程不斷增大的特征，其增加幅度最大的河段是黃河泥沙來(lái)源最為集中的頭道拐—龍門(mén)區(qū)間，增幅達(dá)181% ～637%;龍門(mén)—潼關(guān)區(qū)間增幅較小，最大只有70%多，且在20世紀(jì)60年代前和1987—1999年兩時(shí)段還稍減。這種分布特征是黃河水沙異源的規(guī)律所決定的。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)1919—2012年黃河潼關(guān)以上主要水文站實(shí)測(cè)徑流量、輸沙量資料，通過(guò)非線(xiàn)性統(tǒng)計(jì)方法，研究了百年尺度黃河水沙系列變化特征與趨勢(shì)，分析了近30年黃河水沙變化特點(diǎn)，得到以下初步認(rèn)識(shí):

a．黃河水沙突變或變異的內(nèi)涵應(yīng)包括水沙量明顯減少和水沙關(guān)系發(fā)生明顯變化兩方面。在研究時(shí)間尺度內(nèi)，黃河年徑流量、年輸沙量自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)不斷減小，上中游水沙關(guān)系分別在20世紀(jì)60年代末、70年代末已發(fā)生變化，如黃河上游蘭州斷面1968年、中游龍門(mén)和潼關(guān)斷面1978年的水沙關(guān)系就發(fā)生了變化，1986年屬于二次突變。

表5 主要斷面不同時(shí)段平均來(lái)沙系數(shù)

b．從百年尺度看，在1960年以前，黃河水沙變化主要制約于氣候等自然因素，徑流量隨降雨豐歉而相應(yīng)出現(xiàn)豐枯變化;自20世紀(jì)60年代末以來(lái)，氣候等自然因素和人類(lèi)活動(dòng)因素成為水沙變化的雙重制約因子，在雙重因子驅(qū)動(dòng)下，與20世紀(jì)60年代以前不同的是，盡管不同時(shí)段降雨有豐歉變化，但徑流量、輸沙量都是持續(xù)減少的，如2000年以來(lái)蘭州以上、頭道拐至龍門(mén)、龍門(mén)至潼關(guān)區(qū)間的降雨量在1987—1999年都是增加的，而徑流量、輸沙量卻都大幅減少。近年來(lái)尤其是2000年以來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水沙變化起到了主導(dǎo)作用。

c．從近百年水沙系列變化看，年徑流量、年輸沙量總體呈減少趨勢(shì)。以水沙變化趨勢(shì)度為判別指標(biāo)，年輸沙量減少的趨勢(shì)度明顯大于年徑流量的;中游龍門(mén)、潼關(guān)的年徑流量、年輸沙量減少的趨勢(shì)度均明顯大于上游蘭州、頭道拐。

d．30年來(lái)黃河水沙變化的突出特點(diǎn)表現(xiàn)于來(lái)水來(lái)沙量不斷顯著減少，2000—2012年成為近百年來(lái)水沙系列最枯的時(shí)段;水沙變化程度在空間上分布不均，泥沙主要減于中游，而徑流主要減于上游;水沙年內(nèi)分配趨于均勻，甚至汛期來(lái)水來(lái)沙量低于非汛期;來(lái)沙系數(shù)自20世紀(jì)80年代中期以后明顯降低，在沿程分布上具有從上至下增大的特點(diǎn)。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，由于黃河流域產(chǎn)水產(chǎn)沙規(guī)律復(fù)雜，盡管近30年來(lái)黃河水沙劇減，但并不能排除未來(lái)出現(xiàn)大水大沙年的可能性。

黃河已經(jīng)成為人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾的河流，流域下墊面變化非常大，致使水沙變化機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，本文的分析仍是初步的，有很多規(guī)律需要進(jìn)一步探索，如未來(lái)若干時(shí)段內(nèi)黃河水沙變化趨勢(shì)，水沙變化的可逆性，以及黃河水沙變化對(duì)流域環(huán)境演變的響應(yīng)規(guī)律等，都有待深入研究。

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