洮河水沙关系变化分析

张 涛，凡炳文，陈 文

(1.甘肃省临洮水文水资源勘测局，甘肃 临洮 730500;2.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

近年来，受各种因素的综合影响，全球河流的水沙关系发生了一定变化。英国 Des Walling教授［1－2］分析了全球142条河流的下游站的年径流量和输沙量，发现有不到1/4的河流年径流量具有下降趋势，却有近半数的河流年输沙量下降;刘成等［3］对我国主要入海河流水沙变化进行了分析，得出我国大多数河流的沙量明显下降。不少学者从不同角度对黄河及其主要支流水沙变化问题进行了广泛研究，侯素珍等［4－5］以黄河上游头道拐断面为主要研究对象，分析了黄河上游来水来沙特点和水沙变化及成因，发现水沙量在逐年减少的同时，水沙相关关系具有一定的变化;黄河水沙变化研究基金项目［6］研究认为，水库调节是水沙变化的主要影响因素。洮河作为黄河上游的一条主要支流，水资源丰富，对区域经济社会的发展和人民生活水平的提高起到了重要的支撑作用。近年来，随着一大批水利水电工程的建设和运行，极大地改变了径流和泥沙的时空分布特征，笔者［7］曾对洮河泥沙分布及变化进行过分析，发现水利水电工程建设使得原有的水沙演变规律发生了较大变化，采用洮河干流1956～2010年55a实测水文资料系列，对洮河不同区域水沙量关系的发展变化模式进行探讨。

1 研究区概述

洮河位于青藏高原东北部，源地海拔4 260 m，干流河道全长673 km，流域总面积25 527 km2。洮河从青海省河南蒙古族自治县赛尔龙镇流出进入甘肃省境内，曲折东流过碌曲、临潭、卓尼县城南，至岷县茶埠急转向西北，出九甸峡与海奠峡后，穿临洮盆地，于永靖县刘家峡水库坝上2 km处汇入黄河。

洮河流域地跨甘南高原和陇中黄土高原两大地貌单元，二者大致以西秦岭山脉分支延伸的白石山、太子山、南屏山一线为界，南部为甘南高原，北部属陇中黄土高原。总体地貌特征表现为:流域内海拔相差悬殊，地貌复杂多样，山地、高原、河谷交错分布，地形以高原、山地为主，占总面积的98%以上。

洮河流域多年平均地表水资源量 48.38亿 m3［8］，甘肃省境内多年平均自产水资源量47.08亿 m3，占甘肃省黄河流域自产水资源量的37.6%，占全省自产水资源量的17.0%;多年平均降水量555.8 mm;洮河把口红旗水文站多年平均输沙量2 592万 t，占到了刘家峡水库来沙量的30%以上。

2 资料与方法

2.1 资料

根据流域内水文站点的分布，考虑资料的连续性和完整性，选用洮河干流站来研究洮河干流上游、中游和下游的水沙关系变化。分析所用基础数据均来自历年《水文年鉴》、近期水文资料整汇编成果等，资料精度高，代表性好。

2.2 研究方法

双累积曲线法是检验两个参数间关系一致性及变化的常用方法，在水文气象要素一致性及其长期演变趋势研究中，以简单、直观、实用而被广泛应用［9］。其基本思想是两个变量按同一时间长度逐步累加，一个变量作为横坐标，另一个变量作为纵坐标，双累积曲线的拐点可作为分析变量阶段性的依据［10］。故根据已监测到的水沙样本数据序列，采用双累积曲线法分析水沙时间序列的变化规律，推断形成序列的物理系统的性质和随时间的变化特征。

趋势分析法是根据已知的历史资料来拟合一条曲线，使这条曲线反映研究要素本身的变化趋势的分析方法，也是最为流行和被广泛应用的定量分析预测方法。根据研究对象的变化趋势有多种曲线模型，本文选用幂函数和多项式趋势模型来近似地描述水沙变化趋势，探讨水沙关系发展变化模式，揭示水沙变化的规律。

3 结果与分析

3.1 上游区水沙关系变化分析

洮河干流上游设有碌曲和下巴沟水文站，碌曲站具有1981—2010年水沙监测资料系列，下巴沟站1966年开始水文监测，2007年因测验断面上游1 800 m处安果儿水电站蓄水运行，致使洮河下巴沟河段断流，泥沙资料系列由此中断，因此，利用1966—2006年水沙资料系列，分析下巴沟站水沙关系及其变化趋势。

利用年径流量和年输沙量资料系列建立相关关系，其关系与乘幂线形拟合较好，相关关系式为:

式中:Ws为年输沙量，万t;W为年径流量，亿m3。

从统计分析结果来看，F统计量均大于 F0.05临界值，说明关系拟合优度较高，整体效果显著。就长系列而言，洮河上游年水沙量存在正相关关系，且相关关系较好。

从不同阶段年径流量和年输沙量关系及双累积曲线(图1、图2)来看，图中点子可以连成由三段直线组成的折线，但两站的时间段略有不同。碌曲站各直线段分别代表1981～1990年、1991～2000年和2001～2010年的水沙情况，同水量下1991～2000年的沙量最小，总体表现为减沙和增沙的阶段性变化。通过1981～1990年与2001～2010年时间段水沙关系的变化分析，年径流在12亿 m3时，沙量的增大量最大，为4.01万 t;小于12亿 m3时，沙量的增大量与水量成正相关关系;大于12亿 m3时，沙量的增大量与水量成负相关关系。碌曲站水量与沙量增量的变化关系式为:

式中:△Ws为年输沙变化量，万t;W为年径流量，亿m3。

图1 洮河上游各站不同时段水沙量关系

图2 洮河上游各站年水沙量双累积曲线

下巴沟站双累积曲线各直线段分别代表1966～1977年、1978～1985年和1986～2006年的水沙情况，可以看出，累积水沙关系曲线则呈现一定的波动，同水量下沙量存在增大的变化趋势。从其关系的变化来看，年输沙增量与年水量成正相关关系，年水量越大，年输沙增量越大，年水量与年沙量增量变化的关系式为:

经分析计算，1986～2006年与1966～1977年水沙关系相比，年沙量平均增加了11.5万 t，相对增大103%，增加幅度很大。

3.2 中游区水沙关系变化分析

岷县站是洮河中游干流控制站，从1958～2010年系列年径流量与年输沙量的关系来看(图略)，年水沙量存在正相关关系，拟合效果较好。从岷县站年水沙量双累积曲线看出(图3)，图中点子可以连成由四段直线组成的折线，不同时间段水沙量关系发生了变化，尤其2006年以后减小非常明显。

图3 岷县站年水沙量双累积曲线

从不同时间段水沙关系的变化看(图略)，1958～1977年水沙量关系拟合较好;1978～1993年关系点据偏向前期关系线的左侧，且分布散乱，反映出这期间同水量下沙量存在增大的态势，但水沙关系不稳定;1994～2005年处于枯水期，该时间段同水量下沙量明显增大;2006～2010年关系点据基本靠近1958～1977年关系线，反映出近5年来沙量存在减小的变化态势。1994～2005年平均沙量 150万 t，减少到2006～2010年的68.3万 t，减沙幅度达54.5%，而同期水量相对增加了11.1%。可以看出，2006年以来岷县站年输沙量减小非常显著，岷县站的减沙与下巴沟 ～岷县区间修建水电站有关，例如俄吾多、鹿儿台等水电工程的拦沙，加上水土保持的作用使得输沙量锐减。不同阶段水沙量变化见表1。

表1 岷县站不同时间段水沙量变化

分析结果表明，岷县站水沙关系波动较大，总体表现为1978～1993年的增沙和2006年以后的减沙明显，水利水电工程的拦沙效应突出。

3.3 下游区水沙关系变化分析

3.3.1 李家村站水沙关系变化分析

李家村站是洮河下游中部干流控制站，从1956～2010年水沙量双累积曲线看出(图略)，图中点子由四段直线组成，分别代表1956～1977年、1978～1995年、1996～2006年和2007～2010年四个时段的水沙情况，可以看出，李家村站累积水沙关系曲线呈现较大波动，表现为1978～1995年的增沙和1995年以后的减沙，尤其2006年以后减沙非常明显。李家村站不同时段水沙量变化见表2。

从李家村站不同时段水沙量关系变化来看，岷县～李家村区间水电站的建设起到了关键性作用。上游15 km处三甲水电站1996年建成运行，使得李家村站减沙明显。1996～2006年与1978～1995年相比，水量相对增加了0.5%，而沙量相对减小了88.4%;其水沙量关系相比，年平均沙量相对减小了42.0%。

三甲水电站对李家村站年水沙量关系的影响关系式为:

上游30 km处九甸峡水利枢纽2007年建成运行，使得李家村站年沙量进一步减小，与1996～2006年水沙量关系相比，年平均沙量相对减小了86.4%。九甸峡水利枢纽对李家村站年水沙量关系的影响关系式为:

经分析计算，2007～2010年水沙量关系与早期1956～1977年关系相比，年平均沙量相对减小83.7%。由此可见，1996年以来李家村站年输沙量减小非常显著，水利水电工程的拦沙使得水沙关系发生了很大变化。

表2 李家村站不同时间段水沙量变化

3.3.2 红旗站水沙关系变化分析

红旗站是洮河干流把口控制站，李家村 ～红旗区间是洮河的主要产沙区，红旗站年输沙量除与水量大小外，与区间支流泥沙的加入量关系密切。因此，加入广通河三甲集站和东峪沟临洮站年输沙量，依据1966～2010年各站同步期径流泥沙资料系列，进行相关统计分析。其关系式为:

式中:Ws、Ws三、Ws临为分别代表红旗、三甲集、临洮站年输沙量，万t;W为红旗站年径流量，亿 m3。

从回归模型的拟合检验结果来看，回归的可决系数为0.906，拟合优度较高;F统计量为 131.823＜F0.05(3，43)=8.59，模型的整体是显著的;常数项还是各解释变量，其 t统计量对应的p值都小于显著性水平0.05。表明各变量与红旗沙量之间的回归效果好。

从红旗站年水沙量双累积曲线看出(图4)，与李家村站的变化基本一致，表现为1996年以后减沙明显，尤其2006年以后减沙非常显著。

图4 红旗站年水沙量双累积曲线

从红旗站不同时间段年水沙量关系来看，1996年以后点据偏向1956～1995年关系线的右侧，尤其2006年以后偏离更大，反映出1996年以后同水量下沙量存在减小的态势。1996～2006年的年平均沙量1 170万 t，减少到 2007～2010年的556万 t，减沙幅度达 52.5%，而 2007～2010年的年平均水量相对增大了5.0%。由此可见，2007年以来红旗站减沙趋势非常明显，同时，红旗站的减沙幅度大于李家村站。

红旗站1996～2006年与前期时段相比，年沙量减小变化量关系式为:

经分析计算，1996～2006年与前期水沙关系相比，年平均减小133万 t，相对减小10.2%，小于李家村站相对减小42.0%的幅度，可见三甲电站的修建对红旗站年沙量的影响要比李家村站小得多，也反映出红旗站泥沙主要来自李家村以下的产沙特征。

红旗站2007～2010年与1996～2006年时段相比，年沙量减小变化量关系式为:

经分析计算，2007～2010年与前期水沙关系相比，年平均减小454万 t，相对减小40.5%，可见九甸峡水利枢纽的修建对红旗站年沙量产生了较大影响，水沙关系发生了变化。

4 结论与建议

(1)通过对洮河干流各站水沙相关性分析，得出洮河总体水沙相关关系较好，各控制断面输水输沙普遍存在正相关关系，洮河上游水沙相关性好于中、下游。洮河干流各站多年来水沙关系呈现阶段性波动;近年来，随着人类活动影响的加剧，特别是水利水电工程的建设，洮河输沙量明显减小。

(2)洮河上游站水沙关系存在沙量明显增大的变化。碌曲站年径流在12亿 m3时，年输沙增量最大，为4.01万 t;小于12亿 m3时，年输沙增量与水量成正相关关系;大于12亿 m3时，年输沙增量与水量成负相关关系。下巴沟站年水量越大，年输沙增量越大。下巴沟站年输沙增量大于上游碌曲站。

(3)洮河中游的岷县站水沙关系波动较大，总体表现为1978～1993年的增沙和2006年以后的减沙明显。俄吾多、鹿儿台等水电工程的拦沙，加上水土保持的作用，使得2006以后输沙量锐减。

(4)洮河中下游的水沙关系变化很大，水利水电工程的拦沙作用突出，总体表现为减沙极为明显。三甲水电站使得1996年以后的水沙关系相对前期李家村站相对偏小42.0%，红旗站相对偏小10.2%;九甸峡水利枢纽使得2007年以后水沙关系相对1996～2006年李家村站相对偏小86.4%，红旗站相对偏小40.5%。

(5)流域产沙量的变化是下垫面因素与气象因素综合作用的结果，相互影响相互制约，尤其洮河中下游的半干旱地区，产沙量与暴雨强度和次数有很大关系，今后应积极开展这方面的分析研究。

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