黄河上游主要水文站2001—2021年水沙变化特性分析

王多平

(兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021)

黄河虽然在人民生活和工农业生产中发挥着不可替代的作用，但其水少沙多、水沙异源、水沙关系不协调的特性历来是众多学者关注的重点[1-2]。区域水土流失直接影响着黄河的生态安全，上游水沙变化直接影响中下游安全与发展[3]。黄河上游河段主要指内蒙古托克托县河口镇以上河段，干流泥沙主要来源于黄土高原及风沙区支流泥沙的大量汇入[4]。泥沙随风、水等进入黄河不断淤积，抬升河床的同时使河道湖库萎缩，河槽行洪输沙能力大幅降低，严重影响防凌防汛工作和河道湖库生态治理。为此，大量学者对黄河流域水沙变化特性做了调查研究，其中范俊健等研究了黄河上游兰州断面以上4个水文站1956—2017年径流输沙变化及其驱动因素，得出年径流输沙呈下降趋势，且径流输沙的减少量沿程增加，人类活动是造成水沙关系显著变化的主要原因[5]；董晓宁等通过对黄河源区水沙变化分析得出不同区间产沙量均呈下降趋势，各区间水沙变化均表现出在未来一段时间的反持续性[6]；冯杰对黄河源区水沙变化的研究结论与董晓宁一致[7]；另外部分学者也研究了水库等工程设施的运行对水沙变化的影响[8-11]；柴元方等对2000年以来黄河干支流水沙变化趋势及成因分析得出输水输沙量较50年前有所减少，其中降雨和人类活动是影响水沙量变化的关键因素[12];燕慧婷等进一步明确了人类活动对水沙影响的程度[13]。

与中下游流域相比，黄河上游水能资源蕴藏量大，但因水体泥沙含量大，气候变化及人类活动改变了原有河道的水沙冲淤平衡，使河道断面形态不断发生改变，河流生态功能进一步减退，洪水调控能力降低，进而威胁沿途居民的生命财产安全[14-15]。因此，研究上游干流水沙特性变化规律，对研究上游水土流失治理方略、水沙资源合理利用配置、水库联合调度机制、河道生态健康和综合治理具有重要意义。

1 黄河上游干流主要水文站水沙特性分析

黄河上游干流主要水文控制站包括3个，分别为唐乃亥水文控制站、兰州水文控制站和头道拐水文控制站。2001—2021年年径流量、年输沙量、年平均含沙量及输沙模数来源于中华人民共和国水利部《中国河流泥沙公报》发布数据。各站点基本信息见表1。

表1 黄河上游干流主要水文站点基本信息

1.1 不同水文站年径流量变化特征

上游干流不同水文站年径流量变化特征如图1所示。由图1可知，唐乃亥水文站年径流量变化范围在105.8亿～321.6亿m3之间，极值比为3.0，平均径流量为204.5亿m3。年径流量呈先上升后逐渐降低再不断升高后迅速下降的变化趋势。第一个年径流量峰值为211.2亿m3(2012年)；第二个年径流量峰值为321.6亿m3(2020年)，为20年来的最高值，较第一个年径流高峰增加52.27%，较平均年径流量增加57.26%。兰州水文站年径流量变化范围在219.7亿～504.5亿m3之间，极值比为2.3，平均径流量为312.8亿m3。年径流量整体变化趋势与唐乃亥水文站相同。第一个年径流量高峰达380.4亿m3(2012年)；第二个年径流量高峰达504.5亿m3(2020年)，较第一个年径流高峰增加32.62%，较平均年径流量增加61.29%。头道拐水文站年径流量变化范围在113.1亿～369.8亿m3之间，极值比为3.27，平均径流量为190.8亿m3。年径流量整体变化趋势及其峰值出现时间与其他两个水文站相同。经查阅相关文献，2010年以来黄河上游发生较大洪水年份有2012、2018、2019、2020年[16-17]，2012年7月25日唐乃亥站洪水流量达3440m3/s，7月30日兰州站洪峰流量达3860m3/s；2018年7月份唐乃亥站洪峰流量再次达到3440m3/s；2019年7月4日唐乃亥站洪峰流量为2880m3/s；2020年黄河流域再次发生6次洪水过程，因此导致这些年份年径流量较高。

为直观比较，对不同水文站年径流量进行线性拟合如图1所示。不同水文站年径流量随年份均逐渐增大，其中兰州水文站年径流量最高，唐乃亥和头道拐年径流量较低；兰州和头道拐水文站线性趋势斜率大，因而年径流量增长速率高于唐乃亥。

图1 不同水文站年径流量变化

1.2 不同水文站年输沙量变化特征

上游干流不同水文站年输沙量变化特征如图2所示。由图2可以看出，唐乃亥水文站年输沙量整体变幅较小，最大输沙量出现在2018年，为0.211亿t，最小输沙量出现在2008年，为0.028亿t，最大输沙量与最小输沙量的极值比为7.54，平均年输沙量为0.100亿t；兰州水文站年输沙量平均值为0.214亿t，2018年输沙量迅速增加至0.96亿t，是平均年输沙量的4.49倍，其余年份变幅较小。头道拐水文站年输沙量整体变幅较大，最大输沙量出现在2019年，为1.440亿t，最小输沙量出现在2016年，为0.163亿t，最大输沙量与最小输沙量的极值比为8.83，平均年输沙量为0.537亿t，同时2018年和2020年输沙量均超过0.9亿t。文献资料显示受2018年洪水影响，黄河上游来水来沙量增加，输沙量明显增多[18]。

图2 不同水文站年输沙量变化

图2中还反映出头道拐水文站年输沙量随年份不断增大，且增长速率较大，而其他两个水文站年输沙量随时间变化不明显。平均年输沙大小排序为头道拐>兰州>唐乃亥，由此可知年输沙量沿程增加。

1.3 不同水文站年平均含沙量变化特征

上游干流不同水文站年平均含沙量的变化特征如图3所示。由图3可知，唐乃亥水文站年平均含沙量最小值为0.158kg/m3，最大值为0.797kg/m3，对应的年份分别为2008年和2010年，年平均含沙量基本呈持平态势，均值为0.476kg/m3，逐年变化幅度较小。兰州水文站年平均含沙量变化范围为0.163～1.340kg/m3，对应的年份分别为2021年和2003年，极值比为8.22，年平均含沙量整体呈下降趋势，均值为0.586kg/m3。头道拐水文站年平均含沙量呈先增后减再增再减的变化趋势，第一个平均含沙量高峰出现在2007年，达到3.800kg/m3，第二个平均含沙量峰值出现在2019年，高达4.080kg/m3，为20年来的最大值，最小值为2015年的1.410kg/m3，最大值与最小值之间极值比为2.89，均值为2.599kg/m3。

图3 不同水文站年平均含沙量变化

总体来看，不同水文站年平均含沙量最值出现年份各不相同，但所有站点年平均含沙量变化基本持平，头道拐水文站研究年份内年平均含沙量值最高，兰州水文站次之，唐乃亥水文站最小，因而可的年平均含沙量沿程增大。

1.4 不同水文站输沙模数变化特征

上游干流不同水文站输沙模数变化特征如图4所示。唐乃亥水文站输沙模数最小值为22.5t/(y·km2)，最大值为173.0t/(y·km2)，对应的年份分别为2008年和2018年，平均输沙模数值为81.9t/(y·km2)。兰州水文站输沙模数在25.8～431t/(y·km2)之间变化，平均输沙模数为96.0t/(y·km2)，除2018年外，其他年份变幅较小这种突变与该站年径流量和年输沙量变化大致相同。头道拐水文站输沙模数变化趋势与该站点年输沙量变化相同，也呈升～降～升～降～升～降的波动态势，最大值为391t/(y·km2)，最小值为44.3t/(y·km2)，极值比达8.83，平均输沙模数为145.8t/(y·km2)。

图4还反映出唐乃亥水文站和头道拐水文站输沙模数随时间不断增大，后者增长速率大于前者，兰州水文站输沙模数随时间变化不明显，但研究年份内所有站点输沙模数最大值出现在该站点，这是由于该年度受洪水影响，输沙量极具增大所致。由平均输沙模数可知输沙模数沿程不断增大。

图4 不同水文站输沙模数变化

2 黄河上游干流主要水文站不同变量间关系

主要探究不同水文站年径流量与年输沙量、年输沙量与年平均含沙量以及年径流量与年平均含沙量之间的关系，输沙模数因与年输沙量变化基本一致，因而不做进一步研究。利用SigmaPlot软件，模拟不同变量之间线性与非线性函数关系，寻求最优模拟函数。

2.1 不同水文站年径流量与年输沙量关系

上游干流不同水文站年径流量与年输沙量之间的关系如图5所示，见表2。由图5可以得出，3个水文站年径流量与年输沙量之间均呈正相关关系，年输沙量均随着年径流量的增大而增加，不同的是，兰州水文站线性与非线性拟合曲线基本重合，年输沙量随年径流量增加幅度较小。由表可知，唐乃亥水文站年径流量与年输沙量相关系数R达到0.7，非线性曲线拟合相关性略高于线性曲线拟合，因而可选用y=0.0913-0.0006x+3.0062×10-6x2研究二者之间的关系，其中y代表年输沙量，单位为亿t，x代表年径流量，单位为亿m3；兰州水文站年径流量与年输沙量相关系数R仅为0.3，表明该站点在研究二者之间关系时不宜选用上述两种方法；头道拐水文站年径流量与年输沙量相关系数R高达0.9，且线性与非线性拟合相关性基本相同，为简化计算可选用y=-0.3074+0.0044x来研究二者之间的关系。

图5 不同水文站年径流量与年输沙量变化关系

表2 不同水文站拟合方程及相关系数

2.2 不同水文站年径流量与年平均含沙量关系

上游干流不同水文站年径流量与年平均含沙量之间的变化关系如图6所示，见表3。由图6可以得出，唐乃亥水文站和头道拐水文站年径流量与年平均含沙量之间呈正相关关系，兰州水文站年径流量与年平均含沙量之间呈负相关关系。由表可知，唐乃亥水文站年径流量与年输沙量最大相关系数R仅为0.3，表明该站点在研究二者之间关系时不宜选用上述两种方法；兰州水文站年径流量与年输沙量相关系数偏低，因而也不宜选用上述两种方法研究变量之间的关系；头道拐水文站年径流量与年输沙量最大相关系数R达到0.7，可选用y=0.1035+0.0185x-2.458×10-5x2来研究二者之间的关系，其中y代表年平均含沙量，单位为kg/m3，x代表年径流量，单位为亿m3。

表3 不同水文站拟合方程及相关系数

图6 不同水文站年径流量与年平均含沙量变化关系

2.3 不同水文站年输沙量与年平均含沙量关系

上游干流不同水文站年输沙量与年平均含沙量之间的变化关系如图7所示，见表4。由图7可以得出，3个水文站年输沙量与年平均含沙量之间均呈正相关关系，年输沙量均随着年径流量的增大而增加，不同的是，兰州水文站非线性拟合曲线由于2018年洪水影响，存在最大值。由表2可知，唐乃亥水文站年输沙量与年平均含沙量最大相关系数R达到0.8，非线性曲线拟合相关性高于线性曲线拟合，因而可选用y=-0.0037+7.4688x-20.7702x2研究二者之间的关系，其中y代表年平均含沙量，单位为kg/m3，x代表年输沙量，单位为亿t；兰州水文站年输沙量与年平均含沙量非线性拟合曲线相关系数R达到0.9，而线性拟合相关系数仅为0.1，因此可选用y=-0.1536+5.4403x-5.2672x2来描述二者之间的关系；头道拐水文站年输沙量与年平均含沙量最大相关系数R高达0.9，且线性与非线性拟合相关性基本相同，因而可选用y=0.9085+4.4462x-1.6762x2研究二者之间的关系。

图7 不同水文站年输沙量与年平均含沙量变化关系

表4 不同水文站拟合方程及相关系数

3 结语

黄河上游水量及泥沙变化对中下游河道走向、河流生态健康及生产生活等具有重大影响。以往研究多以单个水文站为对象[19]，文中通过对多个水文站水沙变化研究，得出年径流量随年份呈上升态势，这可能与洪水及上游水库调度有关；年输沙量、年平均含沙量和输沙模数沿程不断增大，年径流量变化与此不同，说明从河源段到冲击平原段水沙变化并不完全遵循同步规律。文中不足之处为数据年限较短，且对泥沙来源缺乏量化研究。因此，加强降雨及洪水监测，对上游各支流长系列水沙变化特性进行分析研究，才能深入明晰上游水沙变化特性，保障沿途居民生命财产安全。