基于不协调度的黄河下游水沙变化分析

时芳欣 郜国明 王远见

摘 要：为全面了解黄河水沙关系变化情况并为水沙调控提供参考，引入由来沙系数计算的水沙不协调度概念，把三门峡站作为进入黄河下游水沙资料的控制站，根据其1963—2017年实测流量与含沙量资料，分析了黄河水沙关系不协调状况及变化情况。结果表明：近年来黄河的流量和含沙量呈显著下降趋势，迟滞7 a和14 a的含沙量与流量有较强的相关性，多年平均年内流量变化相对于含沙量变化存在一个月的迟滞;黄河水沙不协调在2005年以前以水少沙多为主，其中20世纪80年代中期不协调度较低，但仍呈现出显著的水少沙多状态;2005年以后水沙不协调表现为水多沙少;汛期水沙不协调是影响全年水沙不协调的主要原因，7月是年内水沙最不协调的月份。

关键词：不协调度;水沙关系;流量;含沙量;黄河下游

中图分类号：TV62;TV882.1 文献标志码：A

Abstract： This research proposed a concept of the degree of incoordination between water and sediment for sandy rivers and a method to measure it. The research used the long time series data of water and sediment （1963 to 2017） of the Sanmenxia Hydrological Station to represent the typical inflow of runoff and sediment into the lower reaches of the Yellow River to analyze the incoordination between water and sediment. The results indicate that the runoff and sediment have a significant decrease. An obvious correlation has been found between the runoff and sediment with a 7-year or 14-year delay. One month delay has been found between the monthly runoff and sediment. Before 2005， there is more sediment in water， while there is more water than sediment after 2005. The degree of incoordination has a lower value with less water and more sediment in 1980s. Volumes of the runoff and sediment during the flood season determine the incoordination between water and sediment in the lower reaches of the Yellow River. The degree of incoordination between water and sediment is peak in July.

Key words： degree of incoordination; relationship; runoff; sediment; Lower Yellow River

1 引 言

人类活动的增加以及自然因素的改变，造成流域水资源、流域地貌及其生态环境发生了较大变化，河流水沙急剧减少[1]。而下游河道演变情况及河势是否稳定均与水沙变化情况密不可分。“维护黄河健康生命，促进流域人水和谐”这一新时期治黄思路的提出，体现了以黄河为代表的多沙河流的人水关系正在经历着重大的变化，而水沙关系则是影响水库调度及流域生态平衡的重要因素，全面了解河流水沙关系的变化过程，是河流综合治理和水沙调控体系建设的基础[2-3]。由于目前许多研究主要从径流或者含沙量的角度进行单独考虑，缺乏对水沙整体变化的考虑，因此笔者从水沙不协调度的角度，对黄河下游的水沙序列变化进行识别分析，为下一步水沙研究提供新的研究方向和思路。

2 研究区域及数据情况

三门峡站位于三门峡水库的下游、小浪底水库的上游，是非常重要的一个水文站点。它既是黄河中游的出口站，又是进入黄河下游的把口站，直接观测和控制着三门峡水库出库流量和含沙量以及小浪底水库入库流量和含沙量变化情况，测站位置如图1所示。笔者采用黄河三门峡站1963—2017年（缺1998年和1999年）实测资料（出库流量及出库含沙量），对近几十年来黄河下游水沙不协调度的变化进行分析。

3 研究方法

本研究主要是采用不协调度对黄河下游水沙不协调状态进行分析。李国英[4]认为，可根据来沙系数S/Q将水沙状态分为水多沙少（S/Q<0.009）、水沙协调（0.009≤S/Q<0.011）和水少沙多（S/Q≥0.011）3种状态（其中：S为含沙量，kg/m3;Q为流量，m3/s）。

来沙系数在0.009～0.011之间代表黄河水沙协调，当来沙系数不在这个范围内时则认为是水沙不协调状态，为了衡量这种不协调状态，采用下式计算水沙不协调度：

4 结果分析

4.1 黄河下游水沙不协调状态变化

4.1.1 出库流量和含沙量变化分析

对近几十年来黄河下游流量和含沙量的变化进行分析（1998年和1999年缺测），如图2所示，可以看出，三门峡站1963—2017年出库含沙量和出库流量在近几十年间都呈现出显著的下降趋势，但是流量的下降趋势远小于含沙量的下降趋势，尤其是进入21世纪以后，黄河下游流量呈現出了微弱的上升趋势，而含沙量却显著下降。出库流量与出库含沙量相比，虽然都是显著下降状态，然而在同一时期的变化趋势却呈现出相反状态，即当流量呈现出明显上升趋势时，含沙量则处于明显下降状态，反之亦然。含沙量和流量之间的相关系数为0.38，通过95%显著性检验，可以认为出库流量的变化和含沙量的变化是显著相关的。

对图2分析后发现，出库流量和出库含沙量同时也呈现出相似但是迟滞的一个变化状态，比如出库流量的移动平均曲线在过去的53 a中呈现出下降—上升—下降—上升的趋势，而出库含沙量则为上升—下降—上升—下降的趋势。在此基础上对出库流量和出库含沙量进行水沙迟滞响应的相关分析。

4.1.2 水沙迟滞响应分析

相比较同时段的出库流量和含沙量的相关性分析结果（0.38），1963年以后的出库流量与1970年以后的出库含沙量呈现出更为明显的相关关系，相关系数为0.69。本节对出库流量和含沙量分别进行相对迟滞分析计算，见表1。

迟滞t年的含沙量迟滞—流量相关系数：在现有n年数据的基础上，含沙量有t年的迟滞，相关性计算数据用的是从第t到n年的数据与流量从第1年到第n-t+1年的数据;迟滞t年的流量迟滞—含沙量相关系数：在现有n年数据的基础上，流量从第t到n年的数据与含沙量从第1年到第n-t+1年的数据相关性计算结果。从表1可以看出，含沙量在迟滞7、10、12、13、14 a时与流量的相关性显著，相关系数均大于0.6，而流量在迟滞13、14、15、16 a的情况下与含沙量的相关性显著，相关系数均大于0.6。其中，含沙量迟滞—流量相关系数值明显大于流量迟滞—含沙量的相关系数。黄河下游的年际水沙变化存在着7 a以及14 a左右的迟滞响应，图3为迟滞7 a的含沙量与出库流量的时间变化序列，可以看出迟滞7 a的含沙量与流量变化波动较为一致，波动变化的同步性明显高于图2中含沙量与流量波动变化的同步性。

对三门峡站1963—2017年多年平均的年内水沙变化状况进行分析，如图4所示，可以看到流量和含沙量的年内分布均为偏右正态分布，但是变化的时间步幅却并不一致，含沙量在8月份达到峰值而流量却在9月份达到峰值，即多年平均流量和含沙量在年内的变化存在1个月的迟滞期。

黄河下游流量和含沙量存在着7 a和14 a左右的迟滞响应，这可能是黄河源区主要产流区和黄河中游主要产沙区的降水时空不匹配造成的。当降水区域主要集中在黄河源区时，反映在黄河下游就是水多沙少的状态;当降水区域主要集中在黄河中游黄土高原地区时，径流中携带大量泥沙随河道洪水迁移，此时三门峡水库的出库含沙量就会明显增加。

黄河流域的降水主要集中在9月份[5]，由于黄河流域径流主要受到降水因素的影响，因此三门峡水库的出库流量峰值也出现在9月，但是三门峡水库的年内出库沙量主要集中在7、8月份，此时黄河流域刚进入汛期，由于非汛期的低流量造成了河道内大量泥沙的淤积，因此在流量较大的7、8月份，虽然此时并非流量最大的月份，但是水流中挟带的泥沙量是很大的。而在9月份流量达到最大值时，由于前两个月的河道冲刷，此时河道内的泥沙大大减少，径流中挟带的泥沙大大下降，因此出现了径流峰值出现在9月份而含沙量峰值出现在8月份的情况。

4.2 黄河下游不同时间尺度下的水沙不协调度研究

基于年平均尺度对三门峡站水沙不协调度进行分析，如图5所示，可以看出，黄河在过去的50多a间，达到水沙协调的年份仅有5 a（1963年、1975年、1981年、1985年和1989年）。采用pettitt检验方法进行双边检验，发现水沙不协调度的突变点在2005年。2005年以前水沙不协调度以正值为主，水沙不协调主要是沙多水少引起的，而2005年以后的水沙不协调主要是水多沙少造成的。绘制水沙不协调度的5年滑动平均线，可以看到在2005年以前也并不都是沙多水少的状态，虽然20世纪60年代末70年代初水沙不协调度为近几十年间的最大，然而80年代水沙比例曾一度达到了水沙协调的状态，到了90年代，又恢复了沙多水少的状态，这种水沙状态一直持续到了2005年。

对年内月平均不协调度进行计算，如图6所示，三门峡站在1963—2017年期间多年平均的年内沙量主要集中在6—9月，这4个月内水少沙多，7月份的水沙不协调度最高，这意味着7月份随着流量的增大，径流冲刷造成含沙量非常高。1—5月和10-12月的水沙不协调度为负值，主要以水多沙少状态为主。

对三门峡站汛期（6—10月）和非汛期（11—5月）的水沙变化不协调度进行分析，分别如图7和图8所示，可以看出汛期的水沙不协调度也呈现出上升—下降—上升—下降趋势;非汛期从20世纪70年代开始呈现出径流含沙量基本为0的情况，造成这种现象的主要原因是三门峡水库在20世纪70年代以前并没有完全投入使用，1973年以后水库才开始蓄水，对黄河下游的流量和含沙量进行调节。图6 三门峡站多年平均年内水沙不协调度

对汛期的水沙不协调度和年水沙不协调度进行比较分析，如图9和图10所示，可以看出两者的变化趋势非常相似，相关性系数R超过了0.9。对于黄河下游来说，汛期来水占全年径流量的将近60%，汛期径流输沙量占全年径流输沙量的86%，汛期的来水来沙对黄河下游的防洪安全有着巨大的影响。非汛期的水沙变化对黄河下游的水沙不协调度影响极小，而决定黄河下游水沙不协调度变化的主要原因则是汛期黄河下游的流量和含沙量变化。

5 结 论

（1）近年来黄河下游的流量和含沙量呈现出显著的下降趋势，迟滞7 a和14 a左右的含沙量与流量有较强的相关性，多年平均的年内流量相对于含沙量存在1个月的迟滞响应。

（2）水沙不协调在2005年以前以水少沙多状态为主，不协调度在20世纪80年代中期较低，但是随后仍呈现出显著的水少沙多状态;2005年以后不协调度主要为负值，呈现出水多沙少的状态。年内沙量主要集中在6—9月，呈现出水少沙多状态，7月份的水沙不协调度最高，1—5月和10—12月的水沙不协调度为负值，以水多沙少状态为主。汛期的水沙不协调是影响全年水沙不协调的主要原因。

参考文献：

[1] 柴元方，李义天，李思璇，等.2000年以来黄河流域干支流水沙变化趋势及其成因分析[J].水电能源科学，2017，35（4）：106-110.

[2] WU B S， WANG G Q， XIA J Q， et al. Response of Bankfull Discharge to Discharge and Sediment Load in the Lower Yellow River[J].Geomorphology，2008，100（3-4）：366-376.

[3] 胡春宏，陈建国，郭庆超，等.论维持黄河健康生命的关键技术与调控措施[J].中国水利水电科学研究院学报，2005，3（1）：3-7.

[4] 李国英.黄河中下游水沙的时空调度理论与实践[J].水利学报，2004，35（8）：1-7.

[5] SHI F X， HAO Z C， SHAO Q X. The Analysis of Water Vapor Budget and Its Future Change in the Yellow-Huai-Hai Region of China[J].Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2014， 119（18）：10702-10719.

【責任编辑 张 帅】