黄河中游水沙变化特征分析

张 丽，达朝媛

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州450045)

黄河是我国泥沙量最大的河流，也是世界上罕见的多沙河流，其全长约5 464 km，流域面积约79.5 万km2.其中，从内蒙古河口镇至河南桃花峪间为黄河中游，河段全长约1 206 km，流域面积约34.4 万km2，占全流域面积的45.7%;河段内汇入的较大支流大概有30 条，径流量占全河的42.5%，来沙量占全河来沙量的90%以上，为黄河泥沙的主要来源地［3］.

黄河水沙是一个动态的变化系统，随着水库的修建、水土保持措施的实施以及黄土高原生态恢复的大规模建设，为黄河水沙变化增加了众多不确定因素.因此，治黄的重点和难点在于如何处理泥沙问题［1］.目前来看，泥沙问题已是摆在人们面前急需解决的重大难题，揭示水沙关系的机理是黄河水沙研究的首要内容. 在此，笔者基于1950—2010年黄河中游主要水文站的水沙数据，并参考一些学者的研究成果:高航等［2］所做的黄河上、中游近期水沙变化的分析;高鹏等［3］开展的黄河中游河龙区间的干流水沙变化及其驱动力方面的研究;赵广举等［4］对黄河中游近60年来的水沙变化趋势及其影响因素进行的深入分析等，主要分析黄河中游几个典型水文站的水沙变化趋势，并进一步分析自然因素和人类活动对黄河水沙的影响程度.

在此，主要以黄河中游龙门、花园口、华县、白家川这4 个典型水文站为研究对象，着重分析它们的水沙变化趋势及其影响因素.

1 水沙关系分析

1.1 水沙分布特点

以头道拐(黄河上游)、龙门、华县、花园口、白家川这5 个水文站的多年平均径流量和输沙量为研究对象来分析各站点在1950—2010年的水沙分布特点.文中所采用的各站点的水沙数据取自于《中国水资源公报》和《中国河流泥沙公报》. 各站点水沙情况详见表1.

由表1可知，黄河上游(以头道拐站为代表)多年平均径流量占径流总量的25.20%，而多年平均输沙量仅占输沙总量的5.44%，含沙量占含沙总量的3.60%;黄河中游(以龙门、华县和花园口3 站之和为代表)多年平均径流量占径流总量的74.80%，而多年平均输沙量占输沙总量的比例却高达94.56%，含沙量占含沙总量的比例高达96.4%.由此可知，黄河中游地区主要以泥沙为主.

表1 各站点水沙情况

1.2 水沙变化趋势分析

一般，人们所研究的变量都是离散观测得到的随机序列［5］.随时间变化，黄河径流、泥沙数据分别构成了水、沙时间序列，水沙序列特征值随时间呈一定的变化趋势.

依据1950—2010年黄河中游4 个主要水文站的年径流量和年输沙量，采用滑动平均法、非参数Mann-Kendall 趋势检验和突变检验法，揭示黄河中游历年水沙变化趋势和突变年份.

1.2.1 滑动平均法

滑动平均法［6］是一种简单的平滑分析、预测法，其基本思想是对序列数据进行逐项推移，依次计算某一项数的均值，然后利用均值曲线来预测时间序列的变化趋势.假设样本量m 的序列为x，其滑动平均序列可表示为

其中n 为滑动长度.作为一种规则，n 最好取奇数.

对各典型水文站年径流量和年输沙量进行滑动平均，其结果如图1—4 所示.

由图1—4 可知，各水文站水沙变化过程线和滑动平均趋势线基本对应，反映出上升—下降—上升—下降的趋势，整体上滑动平均趋势线呈显著下降趋势，年径流量和年输沙量均明显减少.对于各水文站年径流量来说，前期稍微震荡，在20世纪70年代以后年径流量急剧下降，目前来说年径流量相对较小.各站年输沙量相比年径流量波动较小，在20世纪60年代以后明显下降.

图1 龙门站年径流量和年输沙量滑动平均图

图2 花园口站年径流量和年输沙量滑动平均图

图3 华县站年径流量和年输沙量滑动平均图

图4 白家川站年径流量和年输沙量滑动平均图

1.2.2 Mann-Kendall 趋势检验和突变检验

Mann-Kendall 趋势检验和突变检验是世界气象组织推荐的一种非参数检验法［7－8］.

为研究各水文站水沙随时间序列的变化趋势，采用M-K 趋势检验法. M-K 趋势检验中，M-K 检验值U 为标准分布，当时，拒绝原假设，即在置信水平上，时间序列存在着明显的变化趋势.若U ＞0，则时间序列呈上升趋势;若U ＜0，则时间序列呈下降趋势. 当，1.64，2.32 时，表示分别通过置信度为90%，95%，99%的显著性检验.各典型水文站年径流量和年输沙量的M-K 检验值见表2.

表2 各典型水文站水沙变化趋势表

由表2可知，各典型水文站年径流量M-K 检验值为－ 7. 08 ～－ 3. 28，年输沙量M-K 检验值为－5.37 ～－3.70，各站年径流量和年输沙量趋势检验值均为负值，呈下降趋势，不仅通过95%显著性检验，而且其趋势检验值的绝对值均大于2.32，即通过置信度为99%的显著性检验. 可知，从年际变化来看，各站年径流量和年输沙量呈显著下降趋势，且除白家川站外各站年输沙量M-K 检验值的绝对值比年径流量M-K 检验值的绝对值稍大，说明年输沙量的减少更为剧烈和显著.通过比较各站M-K 检验值可以看出，白家川站的年径流量M-K 检验值的绝对值最大，说明其变化最为明显，而花园口站次之;龙门、花园口站年输沙量变化相对较大.

为了具体研究各水文站的水沙变化特征，除了采用M-K 趋势检验法对各水文站水沙的变化趋势进行分析外，还需要通过M-K 突变检验法对各水文站水沙可能发生的开始突变年份进行预测. M-K 突变检验中，UFk为标准正态分布且UF1= 0. 当，表示序列有一个明显的增长或减少趋势，取α =0.05，将此方法应用到反序列中，重复上述计算过程，使计算值乘以－1，得到UBk.若UFk或UBk大于0，表明序列呈上升趋势，小于0 表明呈下降趋势;当它们超过信度线时，表示存在明显的变化趋势;若它们的交点位于信度线之间，则该点可能就是突变点的开始.通过MATLAB 编程计算，其结果如图5和图6所示.

图5 各水文站年径流量M-K 统计值变化图

图6 各水文站年输沙量M-K 突变检验变化图

由图5可知，龙门站年径流量可能发生的突变年份为1964年，1964年后UF 或UB 统计值小于0，表明在此之后年径流量呈下降趋势，1995年后UF统计值小于－1.96，表明存在明显的下降趋势;花园口站年径流量可能发生的突变年份为1969年，1970年后年径流量呈下降趋势，1992年后明显下降;华县站年径流量可能发生的突变年份为1958年，1970年后年径流量呈下降趋势，1994年后明显下降;白家川站年径流量可能发生的突变年份为1961年，1960年后年径流量呈下降趋势，1970年后显著下降.

由图6可知，龙门站年输沙量可能发生的突变年份为2008年，1972年后呈下降趋势，1984年后明显下降;花园口站年输沙量可能发生的突变年份为1953年，1970 后呈下降趋势，1985年后明显下降;华县站年输沙量可能发生的突变年份为1953年，1980年后呈下降趋势，2000年后明显下降;白家川站年输沙量可能发生的突变年份为1985年，1958—1964年存在明显上升趋势，1980年后呈下降趋势.

由此可见，20世纪70年代以后各水文站水沙开始呈下降趋势，近60年内2000—2010年间各站年径流量和年输沙量最小.

2 水沙变化原因分析

近年来，关于黄河水沙变化的驱动因素，国内外学者基本达成一致意见，即黄河水沙变化过程是一个受众多因素影响的综合过程，其形成和演化过程主要是由自然因素和人类活动综合作用的结果［9－10］，而且人类活动是最根本因素.

2.1 气候变化

气候是一个复杂的随机系统，主要包括降雨、气温、湿度、日照等因素.研究发现，黄河中游河龙区间径流量对降水变化的响应比对气温变化的响应更为明显和剧烈，由气候变化引起区间年径流量减少71.56 亿m3，影响幅度为21%［11－12］，可以说降雨的变化影响着河川径流的变化. 黄河中游河龙区间年降雨量的减少使得20世纪70，80，90年代径流量分别减少5.38，9.52，13.92 亿m3，输沙量分别减少2.03，3.55，2.71 亿t［13－14］. 可见，降雨直接影响着径流量和输沙量的变化.

2.2 水利工程

截至2009年，黄河流域共修建大中型水库184 座，其中25 座大型水库，年末蓄水量约为348.18 亿m3［4］.

三门峡水库是一座以防洪为主，发电、灌溉、防凌等综合作用的大型水利工程，控制流域面积达68.84 万km2.研究发现［4］，1961年三门峡水库投入运用后，花园口站水沙急剧减少;自1986年建成的龙羊峡水库与刘家峡水电站联合调度后，头道拐站水沙明显变化;1999年小浪底水库开始蓄水后，花园口站输沙量也明显下降.可见，水库不仅对河流的径流量分配产生很大变化，而且能减弱河流的输沙能力.

2.3 水土保持措施

除了水利工程的影响外，水土保持措施也是引起河流水沙变化的一个重要驱动因素. 近60年来，在生态、经济、社会效益的共同作用下，黄土高原的水土保持取得了显著成效［15］.河龙区间采用的水土保持措施主要有梯田、林草、淤地坝等，并且这些措施能够起到减沙作用，再加上水库多具有拦减粗泥沙和排放细泥沙的作用，在水土保持措施和水利措施的协调作用下进入河流的泥沙有所减少和变细［16］.根据有关研究，1960—1984年间平均每年拦蓄泥沙约5 亿t，其中水库拦沙约2.2 亿t、灌溉引沙约0. 6 亿t、淤地坝拦沙约2. 0 亿t、梯田拦沙约0.3 亿t;截至2010年，水利和水土保持措施减沙3.5 ～4.5 亿t［17］. 可见，水土保持措施对水沙变化的影响也不容忽略.

随着社会经济的发展、我国人口数量的不断增加以及城市基础设施建设的加快，工农业用水、生活用水的比例也急增，除了水利工程和水土保持措施外的其他人类活动也对河流径流量产生影响.

3 结 语

1)黄河中游4 个主要水文站的水沙变化过程均呈下降趋势，而且输沙量比径流量下降更为剧烈和显著.龙门站年径流量的突变年份可能为1964年，年输沙量的突变年份可能为2008年;花园口站年径流量的突变年份可能为1969年，年输沙量的可能突变年份为1953年;华县站年径流量的突变年份可能为1958年，年输沙量的突变年份可能为1953年;白家川站年径流量的突变年份可能为1961年，年输沙量的突变年份可能为1985年.

2)水沙变化主要是自然因素和人类活动共同作用的结果.

3)文中没有对沙的影响因素做详细分析，也未对水利工程、降雨、土地利用以及用水等影响因子的贡献率进行分解，今后需对此进一步探讨.

［1］张金良.黄河水库水沙联合调度问题研究［D］.天津:天津大学，2004.

［2］高航，姚文艺，张晓华. 黄河上中游近期水沙变化分析［J］.华北水利水电学院学报，2009，20(5):8－12.

［3］Gao P，Mu X M，Wang F，et al.Changes in stream flow and sediment discharge and the response to human activities in the middle reaches of the Yellow River［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2011，15:1－10.

［4］赵广举，穆兴明，田鹏，等.近60年黄河中游水沙变化趋势及其影响因素分析［J］.资源科学，2012，34(6):1070－1078.

［5］魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术［M］. 北京:气象出版社，1999.

［6］周婷，于福亮.1960—2005年湄公河流域径流量演变趋势［J］.河海大学学报，2010，38(6):608－613.

［7］徐宗学，张楠. 黄河流域近50年降水量变化趋势分析［J］.地理研究，2006(1):27－34.

［8］孙善宇，徐利岗.宁夏1951—2008年降水量变化特征及趋势分析［J］.人民黄河，2011，33(4):24－25.

［9］Ren Liliang，Wang Meirong，Li Chunhong，et al.Impacts of human activity on river runoff in the northern area of China［J］.Journal of Hydrology，2002，261(1－4):204－217.

［10］Wang Houjie.Past 50 years:Connections to impactsfrom ENSO events and dams［J］. Global and Planetary Change，2006，3(50):212－225.

［11］张建兴，马孝义，屈金娜.气候变化对黄河中游河龙区间径流量的影响分析［J］. 水土保持研究，2007，14(4):197－200.

［12］穆兴民，巴桑赤烈，高鹏，等. 黄河河口镇至龙门区间来水来沙变化及其对水利水保措施的响应［J］. 泥沙研究，2007，52(2):36－41.

［13］汪岗，范昭.黄河水沙变化研究:第二卷［M］.郑州:黄河水利出版社，2002.

［14］王玲，李雪梅，钱云平.黄河水资源开发利用的问题与对策［C］∥詹钱登.第七届海峡两岸水利科技交流研讨会论文集.台南:成功大学，2002.

［15］冉大川.黄河中游水土保持措施的减水减沙作用研究［J］.资源科学，2006，28(1):93－100.

［16］韩鹏，倪晋仁. 水土保持对黄河中游泥沙粒径影响的统计分析［J］.水利学报，2001，46(8):69－74.

［17］康玲玲，张胜利，魏义长，等. 黄河中游水利水土保持措施减沙作用研究的回顾与展望［J］. 中国水土保持科学，2010，8(2):111－116.