黄河下游水沙变化特点

张旭东 欧祖贤 牛智航

(河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 075000)

黄河是世界上含沙量最大的河流，具有水少沙多、水沙异源的特点[1]。近70年来，受天然条件及人类活动的影响，黄河下游来水来沙急剧减少，其年径流量由1950年的450亿m3减少到2016年的137亿m3，后者仅为前者的30.63%；年来沙量由1950年的11.04亿t减少到2016年的0.13亿t，后者仅为前者的1.22%，黄河下游水沙不协调导致下游河道淤积萎缩，形成“地上悬河”[2]和“二级悬河”[3]，这与黄河下游水沙变化特点有着密切联系。

本文主要分析了黄河年径流量、年输沙量、汛期径流量、汛期输沙量及水沙关系的变化。根据1950—2016年黄河下游沿程各水文站的实测资料分析，黄河下游河段来水来沙具有如下特点。

1 水沙年际分配不均匀

黄河下游沿程各典型水文站1950—2016年的年径流量和汛期径流量的变化过程见图1和图2。由图1和图2可知，黄河下游沿程各水文站年径流量和汛期径流量均呈现逐年减小的趋势。以利津站为例，最大年径流量为1964年的973.1亿m3，最小年径流量为1997年的18.6亿m3，前者约为后者的52倍；这种差异在汛期表现的更为明显，最大汛期径流量(1964年的601.0亿m3)约为最小汛期径流量(1997年的2.4亿m3)的250倍。由此可见，黄河下游河段年际间水量分布极其不均匀[4]，且年际间水量分布不均匀性在汛期更加明显。

图1 1950—2016年黄河下游沿程各典型水文站年径流量变化过程

图2 1950—2016年黄河下游沿程各典型水文站汛期径流量变化过程

黄河下游沿程各典型水文站1950—2016年逐年来沙量和汛期来沙量的变化过程见图3和图4。由图3和图4可以看出，黄河下游各水文站年来沙量和汛期来沙量均呈现逐年减小的趋势。以利津站为例，其年来沙量由1964年的22.800亿t减小到1997年的0.160亿t，前者约为后者的142倍；汛期来沙量减小更甚，由1958年的19.260亿t减小到2001年的0.064亿t，前者约为后者300倍。由此可见，黄河下游年际间来沙量极其不均匀，而且汛期甚之。

图3 1950—2016年黄河下游沿程各典型水文站年来沙量变化过程

图4 1950—2016年黄河下游沿程各典型水文站汛期来沙量变化过程

2 水沙年内分配不均匀

黄河下游各水文站1950—2016年多年月平均径流量和来沙量的变化情况见图5和图6。从图5和图6可以看出，黄河下游各水文站径流量主要集中在汛期7—10月，来沙量更是如此。以利津站为例，年内各月以7—10月径流量最大，全年径流量的60.1%来自汛期，汛期来沙量约占全年来沙量的84.3%；汛期平均径流量均在44.47亿m3以上，8月径流量最大，约为52.14亿m3，2月径流量最少，仅为9.00亿m3，年内月径流量的最大值约为最小值的5.79倍；8月来沙量最大，为2.24亿t，约占全年来沙量(7.09亿t)的31.6%，其次分别为7月、9月、10月，2月来沙量最少，仅为0.03亿t，多年月均来沙量的最大值约为最小值的76.8倍。由此可见，黄河下游各水文站年内水沙量分布不均匀，来沙量在时间上的不均匀性更胜于径流量，而且来沙量主要集中在汛期的几场大洪水中。

图5 黄河下游各水文站多年月平均径流量

图6 黄河下游各水文站多年月平均来沙量

3 不同时段水沙变化特点

对1950—2016年黄河下游沿程各站实测水沙资料进行进一步统计分析可知，1973年以前黄河下游各水文站年或汛期径流量和来沙量均相对较大，1974—1986年有所下降，而1986年以后，受龙羊峡、刘家峡水库联合发挥作用的影响，各水文站径流量和来沙量均出现明显的减小，2003年以后，受上游来水来沙条件的改善和小浪底水库调水调沙的影响，相应各站的径流量和来沙量又有所增加。利津水文站各时段径流量和来沙量的变化情况见图7和图8。

图7 利津水文站各时段径流量变化情况

图8 利津水文站各时段来沙量变化过程

由图7和图8可知，1950—1959年间，多年平均径流量和来沙量分别为480.20亿m3和13.30亿t，其中汛期分别为298.32亿m3和11.49亿t，分别占全年的62.1%和86.2%；1960—1973年间，多年平均径流量和多年平均来沙量分别为442.00亿m3和11.23亿t，均较上一时期有所减小，相应的汛期径流量和来沙量分别占全年的57.2%和79.8%；1974—1986年间，多年平均径流量、来沙量分别是327.00亿m3、8.18亿t，分别较上一时期减小26.0%和27.1%；1986年龙羊峡、刘家峡两水库联调后，1987—2002年利津站年均径流量和来沙量分别骤减到130.72亿m3和3.55亿t，分别较上一时期减小了60.0%和56.6%，该时期汛期径流量和来沙量分别占全年的60.6%和87.9%；受天然来水来沙条件有所改善的影响，2003—2016年年均径流量为178.50亿m3，较上一时期增加了36.5%，而年均来沙量约为1.53亿t，较上一时期减小了56.8%，汛期径流量和来沙量占比分别为53.3%和71.6%。

黄河下游各典型水文站不同时段汛期平均来沙系数变化情况见图9。由图9可知，1986年以前，黄河下游各水文站汛期平均来沙系数变化不大，在0.012～0.017kg·s/m6之间(未计小浪底站)，平均来沙系数为0.015kg·s/m6，而1987—2002年汛期平均来沙系数相对较大，均超过了0.035kg·s/m6，这也进一步说明了1986年以前水沙量的减小基本没有破坏黄河下游原有的水沙搭配关系，而1986年以后水沙搭配关系明显恶化；2003年以后受调水调沙的影响，汛期平均来沙系数在0.007～0.013kg·s/m6之间，平均来沙系数为0.010kg·s/m6，由此表明，2003年以来的水沙搭配关系得到了明显改善。

图9 黄河下游各典型水文站不同时段汛期平均来沙系数变化

4 各级流量输水输沙特点

黄河下游利津水文站不同时期各流量级出现的天数见图10。由图10可以看出，1973年以前，小于1000m3/s的流量年均出现了180.0天，约占全年的49.3%，而大于3000m3/s的流量年均出现了44.9天，约占全年的12.3%；1974—1986年间，小于1000m3/s的流量年均出现了249.0天，约占全年的68.2%，较上一时期年均增加了69.0天，而大于3000m3/s的流量年均出现了29.7天，约占全年的8.1%，较上一时期年均减少了15.2天；1987—2002年小于1000m3/s的流量年均出现了320.1天，约占全年的87.7%，较上一时期增加了71.1天，而大于3000m3/s的流量年均仅出现了2.1天，其中2000—2001年最大流量还不到1000m3/s，该时期主要是因为1986年龙羊峡水库投入运行后削减了汛期的洪峰流量，调整为中小流量下泄，造成显著减少汛期大流量历时、明显增加小流量历时；从2003开始，由于小浪底水库调水调沙的影响和上游来水来沙条件的改善，使2003—2016年间，大于3000m3/s的流量年均出现了6.5天，出现的频率较上一时期有所增加，小于1000m3/s的流量年均出现了313.5天，较上一时期略有减少。

图10 黄河下游利津水文站不同时期各流量级出现的天数

通过统计分析可知，黄河下游各水文站各级流量的输水输沙特点基本一致，各站小流量(小于1000m3/s)出现的天数随时段不断增加，而大流量(大于3000m3/s)出现的天数不断减小，到2000—2002年出现最低值，之后受小浪底调水调沙的影响有所回升。

黄河下游利津水文站不同时期各级流量所携带的水量占全年的比例见表1。由表1可以看出，1973年以前各级流量下泄水量相对比较均匀；1974—1986年间，大流量下泄水量有所减少，小流量下泄水量有所增加；1987年以后小流量携带水量明显增加，大流量下泄水量明显减少，中小洪水流量主要集中在1000～4000m3/s。

表1 利津站不同时期各流量所携带的水量占全年的比例 单位：%

黄河下游利津水文站不同时期各级流量所携带的沙量占全年的比例见表2。由表2可以看出，1973年以前，沙量主要集中在1000m3/s以上的流量级内，尤其较大流量携带的沙量较多；1974—1986年间，小于1000m3/s的流量所携带的沙量略有增加，而大于4000m3/s的流量所携带的沙量有所减少；1986年以后，小于1000m3/s的流量所携带的沙量进一步增加，而大于4000m3/s的流量携带的沙量明显减少，尤其是2003年以后，该流量级携带的沙量不到1%。由此表明，近年来黄河下游的输水输沙主要集中在1000～4000m3/s洪水中。

表2 利津站不同时期各流量所携带的沙量占全年的比例 单位：%

5 河道冲淤量与来沙系数的关系

1950—2016年黄河下游河道冲淤量和花园口汛期来沙系数的历年变化过程见图11。由图11可见，黄河下游河道冲淤量与花园口汛期来沙系数存在一定的关系，当花园口汛期来沙系数在相对高位时，黄河下游河道会处于淤积状态，而花园口汛期来沙系数在相对低位时，黄河下游河道会发生少量淤积甚至冲刷；1986年黄河上游龙羊峡和刘家峡两水库开始汛期蓄水调节，使黄河下游河道的来水来沙发生变化，来沙系数明显偏大，黄河下游河道发生严重淤积；2003年以后，经过小浪底水沙调控之后，来水来沙条件得到改善，来沙系数明显降低，致使黄河下游河道处于冲刷状态。由此表明，不利的水沙条件(来沙系数的大大增加)必然会加剧黄河下游河道的淤积，是导致黄河下游河道淤积萎缩的主要因素。

图11 黄河下游河道冲淤量和花园口汛期来沙系数历年变化过程

6 结 语

该研究结果表明，黄河下游河道的水沙变化决定着下游河道的演变与冲淤的趋势，因此，根据黄河下游的水沙变化特点，认识黄河下游输水输沙变化规律，为黄河下游泥沙调控阈值的确定进而塑造下游合适的水沙搭配关系，减缓下游河道淤积，完善治黄方略提供条件。同时，为达到下游河道不淤积甚至微冲的目的，根据黄河下游河道冲淤量随着花园口汛期来沙系数的增加而增加的关系，建议应保证花园口站汛期来沙系数不超过0.01kg·s/m6。