黄河入海水沙情势变化分析

韩沙沙，谈广鸣，赵连军，傅旭东，王静雯

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，郑州450003；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072）

0 引言

近年来，尤其是进入人类世（Anthropocene）以后，由于气候变化和人类活动的增强等，全球大型河流水沙条件发生显著变化［1-6］，也因此引发了一系列新的问题［7］。例如，在水沙锐减的背景下，世界上85%的河口三角洲正面临着冲蚀后退的严峻威胁［1］，其中黄河三角洲蚀退已逐渐成为威胁河口地区稳定安全的主要问题之一［8，9］。

作为弱潮陆相河口，黄河入海水沙条件是影响其演变的决定性因素之一［10，11］。针对黄河口来水来沙条件，以往学者开展了大量研究，研究发现，由于气候变化和人类活动的加剧等，近60 多年来黄河口水沙条件发生了显著变化［9，12-15］。例如，张治昊和胡春宏［12］指出黄河口水沙过程以1986年为界，呈现出年际水沙量大幅减少，水沙搭配变差，洪峰流量剧烈减小，年内水沙分配变异等特征。Ji 等［13］通过Mann-Kendall 趋势分析，发现1985年前后，黄河入海水沙关系发生显著变化，且2002年调水调沙后，水沙过程逐渐由自然模式转换为人为调控模式。总的来说，黄河口入海水沙的显著减小趋势已经得到普遍认可，但以往研究中对水沙变异具体时段划分不尽相同，这可能与不同研究中采用的水沙序列不同或变异点分析方法不同有关。因此，针对水沙变异的研究还需进一步深入。

明确近期多变的气候环境中、高强度的人类活动影响下，黄河口入海水沙情势变化，系统深入研究水沙变化新特征，对黄河口综合治理规划、防洪减灾及水库联合调度具有重要意义。因此，在前人研究的基础上，本文基于1950-2018年利津站实测水沙资料，拟从趋势性、变异性、年内分布和水沙搭配四个方面系统分析黄河口水沙变化规律，以明确黄河口近年来的水沙情势变化。

1 水沙趋势性与变异性

利津站为河口段唯一的水文控制站，故用该站水沙实测数据分析黄河口来水来沙变化。利津站年均径流量及输沙量变化如图1所示，由图1可知1950-2018年间黄河口年际来水来沙差异显著。为科学检验黄河入海水沙的趋势性及变异性，采用了谢平等［16］提出的水文变异诊断系统，该系统采用多种水文序列检验方法，有效避免了单一方法检验不合理、多种方法检验结果不一致的问题。

图1 利津站水沙变化Fig.1 Variations in water and sediment regime at Lijin station

系统中采用的水文检验方法及其检验结果如表1所示。虽然2002年以后调水调沙使利津站年均径流量与输沙量稍有回升（图1），但3 种趋势检验方法均表明黄河入海水沙总体均呈显著减少趋势。另外，对利津站年均径流量及输沙量采用12种变异点检验方法检验后可知，年均径流量在1985年前后发生较大变异，二次检验变异点为1968年；年均输沙量同样于1985年发生较大变异，1996年为第二变异点。对照黄河各水库的修建时间可知，黄河入海水沙的变异时间点与水库的修建和运营密切相关。

表1 水文变异诊断系统［16］检验结果Tab.1 Diagnosis results of the hydrological alteration diagnosis system

1950-1959年黄河流域处于开发初期，人类活动影响较小，可认为是自然阶段。另外，以水沙变异的1985年及龙羊峡水库开始蓄水的1986年、小浪底水库开始蓄水的1999年为界，将水沙序列分为4个不同阶段，如图2所示。1950-1959年间入海水沙主要受自然地理条件影响，阶段内黄河流域的平均降水量为485.9 mm，水沙偏丰，利津站平均年径流量480.5 亿m3，平均年输沙量13.19 亿t；1960-1985年中国处于计划经济时期，黄河流域逐渐被开发，耕地面积扩大，沿黄引水增加［14］，阶段内黄河流域平均降水量较上一阶段稍有减少（3.8%）至467.3 mm，利津站水沙相应下降，且减小幅度较降水量大，年均径流量较上一阶段减小17.7%至395.4 亿m3，年均输沙量较上一阶段减小28.4%至9.45 亿t；1986-1999年中国处于计划经济向社会主义市场经济过渡时期，黄河流域开发力度增强，工矿振兴，该阶段降水量较上一阶段进一步减少约7.2%，利津水沙量锐减，较上一阶段水量减小了61.9%，沙量减少了57.8%；2000-2018年，黄河流域暴雨等极端天气增多，流域降水量较1986-1999年增加了6.4%，但随着社会经济的发展，人口增加，水电开发增强，用水激增，利津站水沙仍延续了枯水枯沙的特征。该阶段利津水量较上一阶段增加7.2%，沙量较上一阶段减少69.1%，这主要是因为2000-2018年社会主义市场经济逐渐成熟，黄河流域大开发逐渐向黄河流域生态保护转变，如为保证黄河下游不断流不淤高，2002年以后通过水库群的联合调度进行了调水调沙。水沙调控一般在前汛期进行，在调节洪水流量过程、保证下游防洪安全的基础上，减少库区与下游河道淤积，自1999年小浪底投入运用以来至2018年汛后，下游河道累计冲刷达21.676 亿m³。总的来说，四阶段人类活动逐阶段增强，受自然条件及人类活动的影响，黄河入海水沙呈逐阶段减小趋势，减小速率约为径流量-120.2 亿m3/a，输沙量-4.13 亿t/a［图2（b）］。

图2 各阶段变化趋势Fig.2 Variations in each period

2 水沙年内分布

为分析黄河入海水沙的年内分布，统计计算了1950-2018年逐日流量及逐日含沙量的月均值，并按照上述的4 个时间段进行平均，如图3所示。另外，采用变差系数计算分析利津水沙年内分布的不均匀度，计算公式如下：

式中：xi为月均流量（含沙量）；为年内月均流量（含沙量）；N为月数；Cv越大表明水沙年内分布越不均匀，波动幅度越大，越不利于水沙的合理利用。

由图3（a）及阶段内流量Cv平均值［图3（c）］计算可知，月均流量年内分布呈现出特点：①各月月均流量呈逐阶段减小的一般趋势，如1-3月，8-9月；②洪峰出现时间有所改变，月均流量年内呈负偏态分布，1950-1959年及1986-1999年大流量过程集中在8-9月，1960-1985年大流量过程延后至9-10月出现（红色虚线所示），而2000-2018年大流量过程集中在调水调沙的6-7月（蓝色虚线所示）。③年内分布不均匀度呈逐阶段增加趋势，但2000年以后，受人类强活动影响，流量不均匀度有所下降。

由图3（b）及阶段内含沙量Cv平均值［图3（c）］计算可知，月均含沙量年内分布呈现出特点：①大流量带大含沙量，各阶段一般均为大含沙量过程随大流量过程出现，1986-1999年7-8月含沙量相对于前两个阶段增大，可能与20世纪90世纪黄河频繁断流有关，而2000-2018年月均含沙量较前三阶段显著减小，这主要与人类强活动的影响有关；②月均含沙量呈逐阶段减小的趋势，如1-6月，9-12月；③年内分布不均匀度呈逐阶段增加趋势，2000-2018年不均匀度有所下降。

图3 利津站水沙年内分布Fig.3 Annual distribution of water and sediment regime at Lijin Station

综上所述，受不同程度的人类活动影响，流量及含沙量的年内分布呈现出不同的特征。总体来看1950-1999年水沙年内分布不均匀度呈增大趋势，2000-2018年月均流量及含沙量的变化与前三阶段的变化趋势不完全一致，这说明利津站的流量及含沙量过程由自然模式向人工调控模式转变。

3 水沙搭配

单位流量的含沙量大小（S/Q），（来沙系数ξ）是一个被广泛用于黄河泥沙研究中表示水沙搭配的经验参数。其他条件相同的情况下，流量越大河流的运动强度和动能越大，输送泥沙的能力也越强。来沙系数ξ越大则说明相同输沙能力对应的沙量越大，即河流可能处于超饱和状态而发生淤积，反之则说明河流可能处于次饱和状态而发生冲刷［17］。如以往黄河下游河道研究认为ξ＞0.015 河道淤积，0.01≤ξ≤0.015 河道冲淤基本平衡，ξ＜0.01河道发生冲刷［18］。

利津站1950-2018年来沙系数变化如图4所示，由图可知1950-1959年自然阶段平均来沙系数较小为0.019 4，相比该阶段，1960-1985年平均来沙系数增加29.9%，1986-1999年增大2.4 倍至0.066 1，而2000-2018年大幅减小至0.017 7，较自然阶段减小了8.8%。前三阶段的来沙系数逐渐增大，即水沙搭配逐渐恶劣，而小浪底投入使用以后，尤其是2002年水库联合调度调水调沙以来，水沙搭配大幅优化，为冲刷下游河道提供了有利条件。另外，来沙系数在水库的建设及运营时期会异常增大，如1960年三门峡水库、1986年龙羊峡水库及1999年小浪底水库蓄水前后，这说明水库的建设和运用对水沙搭配影响较大，也进一步说明强人类活动逐渐成为影响水沙过程的主要因素，黄河口入海水沙过程逐渐由自然模式向人工调控模式转变。

图4 利津站1950-2018年来沙系数变化Fig.4 Changes of the incoming sediment coefficient at Lijin Station

为进一步明确各阶段黄河口水沙搭配特性，以500 m3/s 为增量将利津站逐日流量划分为21 个等级，如表2所示。统计4个阶段不同流量等级下的含沙量大小如图5所示。由图可知1950-1959年的自然阶段洪峰流量可达等级21，之后的3 个阶段，洪峰流量逐阶段减小，且1986-1999年及2000-2018年两个阶段洪峰流量显著减小，而4 个阶段的最大含沙量相当。年均流量Qy自然阶段为1 523 m3/s，之后的3 个阶段分别为1 253、477、511 m3/s，呈逐阶段减小的趋势，较自然阶段分别减小17.7%、68.7%、66.4%。年均含沙量Sy也逐阶段减小，较自然阶段的15.06 kg/m3，之后3 个阶段分别减小12.8%、15.5%、73.9%至13.13、11.09、2.90 kg/m3。

表2 利津站逐日流量等级划分 m3/s1Tab.2 Grade division of the daily water discharge at Lijin Station

由图5进一步分析可知黄河入海水沙搭配特性：1950-1959年含沙量随流量等级的增大而增大，符合大水带大沙的一般规律，流量为7 000 m3/s 左右时水流挟沙能力最大。1960-1985年年均含沙量及流量较上一阶段均有所减小，减小幅度相当，但该阶段内含沙量随流量等级的增大先增大后减小，流量为3 000 m3/s 时水流的挟沙能力最强。1986-1999年年均含沙量及流量较自然阶段均减小，且减小幅度年均流量是年均含沙量的4.4 倍，该阶段基本满足大水带大沙的一般规律，但在流量为3 500 m3/s 时，含沙量有所减小。2000-2018年年均含沙量及流量较自然阶段显著减小，且减沙幅度稍大于减水幅度，该阶段含沙量随流量等级的增加先增大后减小，流量为2 500 m3/s 时，水流挟沙能力最强。综上所述，黄河入海水沙搭配特性的变化一方面与气候变化导致的水沙通量减少有关，另一方面人类活动对其影响正在逐步增强。2000年以后流量2 500 m3/s 时，水流挟沙力最强，即为人工调水调沙的直接结果。

图5 利津站不同阶段水沙搭配变化Fig.5 Changes of water-sediment collocation at different periods in Lijin Station

4 结论

（1）黄河入海水、沙量总体均呈显著减少趋势。

（2）年均径流量及输沙量在1985年前后发生较大变异，二次检验变异点分别为1968年、1996年，基本与黄河各水库的修建时间相对应，表明水沙变异时间与水库的修建和运行密切相关。

（3）月均流量及含沙量呈逐阶段减小的一般趋势，其年内分布不均匀度呈逐阶段增加趋势，但2000年以后两者的不均匀系数有所下降，这主要是与人类活动有关。总体来看，利津站流量及含沙量过程由自然模式逐渐向人工调控模式转变。

（4）水沙搭配特性改变，最大水流挟沙力对应流量逐阶段减小，1950-1959年、1960-1985年、1986-1999年及2000-2018年最大水流挟沙力对应流量分别为7 000、3 000、3 500 与2 500 m3/s。总的来说，黄河入海水沙搭配特性的变化一方面与因气候变化导致的水沙通量减少有关，另一方面人类活动的影响正在逐步增强，如2000年以后流量2 500 m3/s 时水流挟沙力最强即为调水调沙的直接结果。□