青海湖流域河流泥沙变化及影响分析

2020-11-06何灼伦

人民黄河 2020年10期

何灼伦

摘要：河流泥沙是反映流域生态环境状态的一个重要指标，是河流自身演变及气候、流域下垫面、水土流失、人类活动的综合产物。选取青海湖流域主要河流水文站观测资料，采用特征值统计法、时间序列趋势法、累积距平分析法、Mann-Kendall非参数检验法对河流泥沙影响因素进行分析。分析得出：青海湖主要河流水沙关系密切，泥沙在时间、空间、沿程上均有明显的变化规律，主要集中在洪水期;泥沙总量在空间分布上总体与径流变化一致，由西向东递减，北部大于南部;泥沙强度与径流变化恰恰相反;河流输沙量沿程变化明显;泥沙与河势变化、径流等关系密切，不同河道河势变化对河流泥沙变化影响较大，河流输沙总量随径流量增大而增加;河流泥沙与流域下垫面情况有明显的变化规律，不同区域在不同时期的泥沙来源与组成也不尽相同。

关键词：青海湖流域;河流;泥沙变化;影响因素

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.005

Analysis of River Sediment Variation and Its Impact in Qinghai Lake River Basin

HE Zhuolun

（Qinghai Hydrological and Water Resources Prediction Center， Xining 810000， China）

Abstract：Sediment is an important index to reflect the state of regional ecological environment， which is the comprehensive product of river evolution， regional climate， underlying surface， soil and water loss and human activities. In this paper， data from hydrological monitoring stations of major rivers in the Qinghai Lake Basin were selected for analysis. The method of EIGENVALUE statistics， time series trend， cumulative anomaly analysis， Mann-kendall non-parametric test and so on were used for the analysis and the main factors affecting the river sediment were analyzed. The analysis concludes that the major rivers in Qinghai Lake are closely related to water and sediment. The sediment has obvious changing law in time， space and along the way and mainly is concentrated in flood period. The total sediment amount is consistent with the change of runoff in spatial distribution， decreasing from west to east and larger in the north than in the south. The change of sediment intensity is opposite to that of runoff. The annual sediment discharge varies obviously along the river. The sediment is closely related to the change of river regime and runoff. The change of river regime in different areas has greater influence to the sediment. The sediment source and composition of different regions in different periods are different from each other.

Key words： Qinghai Lake Basin; river; sediment change; influence factor

河流泥沙主要來源于流域地表侵蚀和上游河槽冲刷，与流域内的气候、土壤、植被、地形、地貌、人类活动、河道水流挟沙能力等因素有关。影响河流泥沙的因素较多，而且比较复杂，一直是国内外研究的重点和热点，这些影响因素在李晶莹等[1]、戴仕宝等[2]、姚章民[3]、孙永寿等[4]的研究成果中均有论述。

青海湖是我国最大的内陆咸水湖，是青藏高原的重要组成部分，因其独特的地理位置和脆弱的生态体系得到了世人关注。青海湖流域泥沙监测和研究工作始于20世纪50年代初期，在主要河流上设水文站进行水位、流量、泥沙、降水等要素监测，积累了大量的监测数据。

综合青海省各主要河流泥沙监测情况[5]，青海湖流域为青海省的低产沙区。青海湖为封闭的内陆湖，虽然各主要河流每年汇入青海湖的泥沙总量不大，但河流泥沙长期只进不出沉淀于湖区，其总量也不可忽视，并造成湖泊水位抬升。因此摸清青海湖流域主要河流的泥沙变化情况十分必要。

1 流域概况

青海湖流域地处青藏高原东北部，位于北纬36°15′—38°20′、东经97°50′—101°20′之间，流域面积29 661 km2。青海湖位于流域的东南部，东西长约106 km，南北宽约63 km，周长约360 km。流域地势西北高东南低，为封闭式的山间内陆盆地。流域内河流较多，呈明显不对称分布，湖西北部河网发育，径流量大;湖东南部河网稀疏，多为间歇性河流，径流量较小。主要河流有布哈河、泉吉河、依克乌兰河、哈尔盖河等（见图1），其中布哈河为流域内最大河流，多年平均径流量为7.85億m3。湖泊来水量主要由湖面降水、地表水入湖、地下水补给3部分组成，耗水量主要是湖面蒸发损失。多年入湖水量总体小于水面蒸发损失，1959—2004年湖水位呈下降趋势，2005—2019年湖水位总体呈上升趋势，其间个别年份湖泊水位有所波动。

2 资料来源及分析方法

2.1 资料来源

资料来源于布哈河口水文站、刚察水文站、上唤仓水文站以及青海省水保部门和气象局的监测资料。其中：布哈河口水文站控制集水面积为14 337 km2，选取1965—2019年的实测水量、泥沙、降水资料;刚察水文站控制集水面积为1 442 km2，选取1968—2019年的实测水量、泥沙、降水资料;上唤仓水文站控制集水面积为8 013 km2，选取1968—1991年的实测水量、泥沙、降水资料。所有资料均符合相关行业规范要求，满足本次研究精度需求。

2.2 研究方法

（1）特征值统计法。分析计算多年平均含沙量、输沙量以及多年平均汛期总量和最大月份量占全年总量的比例，评价河流泥沙量年内变化情况。

（2）时间序列趋势法。采用线性倾向估计建立过程趋势线和一元线性回归方程，利用回归系数反映泥沙要素的趋势倾向性，判断泥沙要素随时间呈上升或下降趋势，以及年际间的波动变化趋势。

（3）累积距平分析法。累积距平分析法是常用的气象水文分析方法，能直观判断变化趋势。累积距平曲线呈上升或下降趋势，表示距平值增加或减少，从曲线起伏度判断其长期显著的变化趋势及其持续性变化，诊断出发生突变的大致时间。

（4）Mann-Kendall非参数检验法。用于检测序列的变化趋势，属无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算方法简便。文中通过计算出的统计量序列，判断序列的趋势变化，并利用UF和UB曲线相交情况判断突变开始时间。

3 结果与分析

3.1 河流泥沙在时间上的变化分析

3.1.1 断面平均含沙量变化情况

布哈河口站多年平均含沙量为0.407 kg/m3，刚察站多年平均含沙量为0.306 kg/m3，沙量主要集中在汛期（5—9月），分别占全年沙量的95.2%、94.9%，其他月份较小，甚至为零。从图2可知，布哈河口站与刚察站的泥沙年内分配基本一致，呈单峰型，1—4月和10—12月为泥沙低值区，5月和9月为泥沙过渡期，6—8月为泥沙高峰期，7月泥沙最多。从图3可知，各站年平均含沙量年际变化总体趋于平稳，年际间波动明显，呈现出增加与减少交替出现的特点，各年代平均值趋于多年平均值;布哈河口站1965—1989年呈波动上升趋势，1989—2004年呈波动下降趋势，2004—2018年又呈缓慢回升趋势，年际间最大最小年平均含沙量变幅为0.714 kg/m3，突然增大的年份有6 a，其中出现在21世纪之前的有5 a、21世纪的有1 a;刚察站在21世纪前年际变化呈上升趋势，波动幅度较大，进入21世纪后波动幅度相对较小且有下降趋势，最大最小年平均含沙量变幅为0.831 kg/m3，突然增大的年份有4 a，最大值、次大值分别出现在1974年、1980年。从图4可知，布哈河口站含沙量在1989年前后呈缓慢减小-急剧减小趋势，明显突变发生在1966年、1989年、2017年;刚察站含沙量明显突变发生在1968年，2010年后又频繁出现了4次突变现象，1997年前后呈显著增大-减小趋势。

3.1.2 年输沙量变化情况

布哈河口站多年平均输沙量为39.6万t，刚察站多年平均输沙量为8.60万t。从图5可知，多年平均输沙率年内变化与多年平均含沙量变化基本一致。从图6可知，各站年输沙量呈缓慢增长趋势，布哈河口站的波动幅度小于刚察站的，除个别年份出现突然增大或减小外，总体上波动幅度较小，另外突变年份输沙量的突然增大或突然减小会对累积距平线走势有一定影响;布哈河口站1966—2004年呈波动下降趋势，2004—2018年呈波动上升趋势，最大最小年输沙量变幅为160万t，出现了1次突然增大（1989年）;刚察站年际变化急剧，最大最小年输沙量变幅为30.5万t，累计出现了5次突然增大的现象，分别出现在1974年、1983年、1989年、1996年和2016年。从图7可知，布哈河口站年输沙量明显突变发生在2016年;刚察站年输沙量明显突变发生在1982年，1982年后总体呈增大趋势。

3.1.3 断面含沙量与断面输沙量的关系分析

河流输沙量大小主要取决于水量的丰枯和含沙量大小，含沙量大的河流其输沙量不一定大，含沙量小的河流其输沙量也不一定小。大多数河流沙峰与洪峰出现时间是一致的，但在长期水文监测工作中发现沙峰与洪峰有错峰现象，沙峰与洪峰同时出现的概率较小，这与降水区域、降水强度和流域调节作用下的产汇流有关。从图8可知，布哈河口站、刚察站历年最大含沙量与年最大日输沙量点据散乱，决定系数R2分别为0.395 9、0.543 2，说明相关性不显著，含沙量对输沙量大小贡献率有限;刚察站的拟合度优于布哈河口站，说明刚察站含沙量对输沙量大小贡献率大于布哈河。对布哈河口站和刚察站历年最大含沙量与年最大日输沙量出现时间进行统计分析，布哈河错峰率在40%以上，依克乌兰河错峰率在10%以上，说明布哈河的错峰情况较依克乌兰河严重。综上认为，布哈河调节能力大于依克乌兰河，大流域河流泥沙量不易受局部因素的影响，小流域易受降水、土壤侵蚀等局部因素的影响。

3.2 不同河流泥沙的差异

从图9可知，布哈河口站、刚察站历年最大含沙量总体为下降趋势，刚察站的波动幅度和量级均大于布哈河口站，布哈河口站仅在小沙时有个别年份的大于刚察站;布哈河口站年最大含沙量的多年平均值为4.09 kg/m3，最大年的最大含沙量为11.00 kg/m3，最小年的最大含沙量为1.86 kg/m3，变幅为9.14 kg/m3;刚察站年最大含沙量的多年平均值为7.32 kg/m3，最大年的最大含沙量为24.20 kg/m3，最小年的最大含沙量为0.58 kg/m3，变幅为23.62 kg/m3;两站相比，刚察站最大与最小变幅是布哈河口站的2.6倍，说明依克乌兰河产沙能力远强于布哈河。

从图10可知，布哈河口站、刚察站输沙模数总体呈上升趋势，刚察站的波动幅度和量级均大于布哈河口站的，布哈河口站仅在小沙时有个别年份的输沙模数大于刚察站;布哈河口站多年平均输沙模数为28.8 t/（km2·a），最大年输沙模数为113.0 t/（km2·a），最小年输沙模数为1.9 t/（km2·a），变幅为111.1 t/（km2·a）;刚察站多年平均输沙模数为59.8 t/（km2·a），最大年输沙模数为215.0 t/（km2·a），最小年输沙模数为3.5 t/（km2·a），变幅为211.5 t/（km2·a）;两站相比，刚察站最大最小年变幅是布哈河口站的1.9倍，说明依克乌兰河流域土壤侵蚀模数大于布哈河流域。据该地区面上的土壤侵蚀情况[6]，布哈河、依克乌兰河、哈尔盖河流域2000—2018年土壤侵蚀量呈下降趋势，青海南山流域、东北产流区域及倒淌河流域土壤侵蚀量呈增加趋势，整个青海湖流域土壤侵蚀严重区主要集中在湖东部（沙岛）。鉴于输沙量与土壤侵蚀和河流水量关系密切，依此类推，得出青海湖泥沙强度变化与径流变化规律刚好相反，泥沙总量从湖西北部大流域河流向东南部小流域河流递减;从泥沙强度变化看，东南部小流域河流大于湖西北部大流域河流;从泥沙变化频繁程度看，流域越小泥沙强度变化越劇烈。

3.3 河流泥沙沿程变化

青海湖流域的河流泥沙沿程变化资料有限，仅布哈河有沿程同步观测泥沙资料。上唤仓站位于布哈河出山口，其以上河段为山区河流，控制面积占全流域的56%，其以下河段是平原河流。从图11可知，上唤仓站与布哈河口站年平均含沙量关系点据散乱，决定系数R2为0.299 5，说明上下游两站年平均含沙量相关性不显著。从图12可知，上唤仓站与布哈河口站年输沙量关系点据相对集中，决定系数R2为0.857 5，说明点据拟合度较好，上下游两站的年输沙量有明显关系。

3.4 泥沙变化影响因子分析

3.4.1 降水径流对河流泥沙的影响

河流泥沙是流域内气候、植被、地形地貌、土壤等因素的综合产物，其中降水起主导作用，决定着产流和河流泥沙量的大小。青藏高原地区小尺度气候严重，不同地区的气候差异性较大。从图13可知，两水文站的年降水量与年输沙量关系点据密集程度相比，刚察站好于布哈河口站;布哈河口站年降水量与输沙量关系呈斜线，刚察站年降水量与输沙量关系趋于水平直线，说明布哈河口站降水量与输沙量关系较刚察站明显。

从图14可知，布哈河口站年径流量与年输沙量之间的决定系数R2为0.520 0，刚察站年径流量与年输沙量之间的决定关系为0.293 5，布哈河口站相关性好于刚察站，综上认为，布哈河年输沙量与水文站年径流量、年降水量有明显关系;依克乌兰河年输沙量与水文站年降水量关系不密切，与年径流量关系密切。

3.4.2 河势变化对河流泥沙的影响

河道是河流泥沙下泄的唯一通道，河势的变化影响着河流泥沙的产生和移动。根据河流不同河段特征，山丘区河流河道比降较大、水流速度快，而平原区河道相对较宽且弯道较多，水流相对平缓，从河流挟沙能力来看山丘区远大于平原区，从泥沙向下游输移方式的变化频繁程度来看，山丘区远小于平原区。青海湖流域大多数河流为砂砾石组成的河床，完全符合这一变化规律。此次以布哈河2017年大洪水为例，利用洪水期航拍资料分析，山丘区河段河床在横向上几乎没有变化;出山口以下平原区河段河床横向变化明显，多数河宽由原来的100 m增加至200 m，增宽近100 m。此处暂不考虑上游挟沙量损失和床沙质与冲泻质相互转换关系，就沙石颗粒而言，粗的一部分颗粒沉积在河床形成床沙，较细的一部分颗粒最终成为悬移质泥沙随水流不断向下游移动。由此可见，河道河床组成和河势的稳定性对河势变化影响较大，从而影响河流泥沙量变化。

3.4.3 流域下垫面对河流泥沙的影响

根据已有研究成果[5-6]，基于DEM数据和ETM+遥感影像数据，以及不同时期影像资料，结合河流实地水沙情况，综合分析得出：山区河流下切较深，两岸沟壑众多、比降大、植被较差、土壤裸露程度高，在长期的风蚀、水蚀、自重脱落、冲刷作用下地表土质变得疏松，容易形成河流泥沙，由于产流挟沙能力强，因此此时泥沙粒径相对较大;平原区河流两岸多为平缓区，植被较好，降水形成的径流为坡面流，此时比降和流速较沟壑段相对较小，径流挟沙能力有限，形成的泥沙粒径相对较小;冰雪线以上区域土壤几乎全部裸露，以及土壤侵蚀、风沙区，均是易产沙区。另外，青海湖环湖地区为人类活动集中区，对河流泥沙有一定影响，但随着生态保护项目的开展，土壤侵蚀得到了有效遏制。

4 结语

（1）青海湖流域河流年输沙量年内分配主要集中在汛期5—9月，占全年的90%以上;输沙量年际呈波动性变化，总体趋于上升或下降。

（2）不同河流输沙量差异明显，河流断面最大含沙量呈减小趋势，年输沙模数呈增大趋势，说明青海湖流域水土流失依然严重;河流泥沙量的大小与流域面积、土壤侵蚀有密切关系，大河流泥沙强度小于小河流，泥沙强度表现为西部向东部递增，输沙总量大小分布规律与河川径流量分布规律一致，由西部向东部递减。

（3）主要河流输沙量沿程有明显的变化，上下游年平均含沙量没有明显关系，而上下游年输沙量关系较好。

（4）降水、径流对河流输沙量的影响各不相同，流域大的河流输沙量与径流量、降水量关系密切，流域小的河流输沙量与泾流量关系密切。

（5）通过河势变化对河流泥沙的影响分析，不同的河道河床组成和河势的稳定性对河流输沙量变化影响较大，影响程度平原区大于山丘区。

（6）流域下垫面情况决定了河流泥沙的来源与组成，不同地区有明显的变化特征，两岸裸露程度高值区和土壤侵蚀严重区、风沙区为泥沙高产区;中部植被较好，形成泥沙相对较少。

参考文献：

[1] 李晶莹，张经.中国主要河流的输沙量及其影响因素[J].青岛海洋大学学报（自然科学版），2003，33（4）：565-573.

[2] 戴仕宝，杨世伦，郜昂，等.近50年来中国主要河流入海泥沙变化[J].泥沙研究，2007，32（2）：49-58.

[3] 姚章民.珠江流域主要河流泥沙变化分析[J].水文，2013，33（4）：80-83.

[4] 孙永寿，段水强，刘希胜，等.近年来青海省黄河流域泥沙变化趋势及成因分析[J].水资源与水工程学报，2015，26（3）：169-174.