黄河下游近期来水来沙年内年际波动特征研究

关键词：水沙条件；趋势性；水沙搭配；游荡段；黄河下游

0引言

21世纪以来，受黄河水沙变化与小浪底水库调节的影响，进入黄河下游的水沙特征发生了新的变化，由此引发了下游河道尤其是游荡河段治理的新问题，例如：局部河段河势大幅度调整、多河段出现畸形河势等，成了黄河下游防洪安全的潜在风险点。在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展的关键时期，气候变化与人类活动影响双重作用下黄河下游游荡段水沙变化新情势亟待明晰。

按照不同的河床演变特点，黄河下游通常可分为游荡、过渡和弯曲3个河段，其中游荡段有花园口、夹河滩与高村3个水文站。黄河下游来水来沙量不仅受自然条件影响，而且受人类活动的影响也越发强烈。截至2004年，黄河流域共有超过3380个水库建成运营，其中小浪底水库1999年下闸蓄水后，2002年开始实施水库群联合调度，这在很大程度上改变了进入黄河下游的水沙条件。近年来，国内外许多学者基于不同水文站实测水沙数据，对进入黄河下游的水沙过程开展了大量研究。例如：王鸿翔等利用Mann-Kendal检验法和小波分析法对花园口站1960-2016年径流量和输沙量进行分析，发现水、沙量总体都呈下降趋势，其突变点分别出现在1985年和1998年；申红彬等基于黄河下游花园口、高村、艾山、利津4个水文站建立下游水沙关系模型，采用理论分析法、线性回归法得出符合实际的河道沿程水沙搭配参数调整方程，揭示了水沙关系由不平衡向平衡的过渡过程：韩沙沙等基于1950-2018年利津站实测水沙资料，分析了利津站水沙变化特征，认为黄河口来水来沙过程逐渐由自然模式转变为人为调控模式。

为进一步探究近期黄河下游游荡段来水来沙年内年际波动特征，重点关注1997年小浪底坝址大河截流后强人类活动影响阶段，本文基于花园口水文站1997-2020年实测水沙数据，并对比同时段潼关站水沙数据，采用Mann-Kendall（M-K）检验法、滑动t检验法和小波分析法分析两站水沙序列的趋势性、变异性、周期性、年内分布及水沙搭配特点，以期为黄河下游河道演变等相关科学研究提供支撑，也为未来水沙调控等工程实践提供决策参考。

1趋势性与变异性

本文以花园口水文站实测水沙数据代表黄河下游水沙条件，其水沙过程直接受小浪底水库运用的影响。相对而言，潼关水文站虽然也受黄河上中游水库及水保工程等影响，但其水沙过程更能反映黄河天然水沙变化特别是泥沙的变化，因此本文选用潼关站水沙数据代表黄河天然水沙过程，对比花园口水沙过程，分析人工调控作用下进入黄河下游的水沙特征。

潼关、花园口站1997-2020年年来水量、来沙量变化如图1所示。由图1（a）可知，两站来水量稍有差异，但其整体变化趋势基本一致，均呈现阶段性增减交替的过程，这是因为小浪底水库为年调节水库，年内水量基本平衡，所以黄河下游来水量年际变化与天然来水量过程基本一致。

潼关、花园口站来沙量变化差异明显。由图1（b）可知，潼关站来沙量除2000-2001年较小外，1997-2009年总体波动下降，2009-2013年呈波动上升趋势，2013-2015年呈下降趋势，随后除2018年来沙量较大外，2015-2020年总体呈上升趋势。花园口站来沙量1997-1999年较大，平均为4.09亿t，但仍较潼关站来沙量偏少28%：1999年小浪底水库投入运用后，进入下游的沙量锐减，潼花（潼关一花园口）间的来沙量差距加大：2002年调水调沙开始实施后至2009年，花园口站来沙量不断减少，这一方面是因为黄河天然来沙量呈下降趋势，另一方面也得益于小浪底水库的拦沙作用，但两站来沙量差距逐渐减小；2009-2013年受天然来沙量增加趋势的影响，虽然有小浪底水库的拦截，但是花园口来沙量仍呈小幅度增加趋势：2014-2017年虽然天然来沙量呈增加趋势，但是来沙量相对较少，在小浪底水库拦沙作用下，花园口来沙量仍呈下降趋势：2018-2020年花园口站年均来沙量较大，为1.49t，占潼关站来沙量的57%。

总体来看，近20a来黄河下游水沙通量变化显著，人工调控作用下的黄河下游来水量与天然来水量变化过程基本一致，而来沙量则受天然来沙与小浪底水库运用的共同影响。

为进一步科学描述黄河下游水沙变化规律，采用M-K检验法与滑动t检验法检验潼关、花园口站年均水、沙量的趋势性与突变点。M-K检验法是一种非参数检验法，对所有的分布均适用，部分数据缺失也不会影响结果，常用于对降水、径流、气温和水质等要素时间序列变化趋势和突变点分析：滑动t检验法则是通过两组样本平均值差异是否显著来检验突变，要求变量连续且有一定的正态性。检验结果表明，两站在1997-2020年来水量呈显著增加趋势、来沙量呈显著减少趋势。潼关站水量在2018年附近发生突变，花园口站水量在2017年发生显著突变，两站突变年份相近；潼关站沙量在2004年附近发生突变，花园口站沙量在2001-2002年附近发生显著突变。这说明小浪底水库的运用方式对黄河下游来水量变化过程影响不大，但直接影响来沙量的变化过程。

2周期性

河流径流与输沙是一类受不同因素影响、十分复杂的多时间尺度变化过程，小波分析法常被用于识别此类时间序列中的多种变化周期，例如河川径流、地震波、暴雨、洪水等。本文采用Morlet连续复小波变换的小波分析法识别1997-2020年黄河下游来水来沙量的周期性变化特征。

结合Matlab、Suffer等软件计算并绘制潼关、花园口站来水量、来沙量时间序列的小波系数实部等值线图、小波方差图及主周期变化趋势图。小波系数实部等值线图可反映序列在不同时间尺度的周期变化与在时间域中的分布，小波方差图可反映序列波动能量随时间尺度的变化，主周期变化趋势图可反映序列在不同时间尺度存在的平均周期。

小波系数实部等值线如图2所示。小波系数实部为正代表水量或沙量充沛，图中以实线、红底表示，“H”为正值中心：小波系数实部为负则代表水量或沙量处于枯期，以虚线、蓝底表示，“L”为负值中心。由图2可识别出潼关、花园口站来水量在演变过程中不同时间尺度的变化周期，潼关站为3～7、7～11、12～16a，花园口站为3～8、9～16a，相对于潼关站，花园口站来水量两个时间尺度的周期变化在整个分析时段更为稳定，具有全域性；就来沙量而言，潼关站来沙量在4～9、10～16a两个时间尺度的周期变化较为稳定，具有全域性，而花园口站来沙量识别出的3～8、9～16a两个时间尺度的周期变化在2002年调水调沙实施前相对稳定。

计算潼关、花园口站水、沙量小波方差，如图3所示。由图3可知，潼关、花园口站来水量最大峰值即第一主周期分别为14、13a，来沙量第一主周期分别为13、12a。根据潼关、花园口站水、沙量小波方差最大峰值可绘制主周期变化趋势图，如图4所示。潼关站水、沙量变化平均周期为9.5a，研究时段内经历了2.5个周期的丰一枯变化，花园口站水、沙量变化平均周期为8a，经历了约3个周期的丰一枯变化。

总体来说，相对于潼关站水沙过程，花园口站来水量周期性变化在整个分析时段较为稳定，具有全域性，来沙量在2002年调水调沙后在小时间尺度的周期性变化相对不稳定，但两站水沙的主周期变化趋势仍较为一致。这说明人工调控作用下的水沙过程仍能反映天然水沙的周期性变化，但小时间尺度来沙过程受水库运用方式影响较大。

3年内分布

基于潼关、花园口站年均水沙变化过程，结合趋势性、变异性及周期性分析，将研究时段划分为1997-1999年、2000-2001年、2002-2012年、2013-2017年、2018-2020年共5个阶段。为量化黄河下游水沙年内分布特征，用变差系数CV表示两站水沙年内分布不均匀度，CV越大表明水沙年内分布越不0MEP1NNkeBHfG4JuFXo0hw==均匀，波动幅度越大。

潼关、花园口站月均流量、含沙量年内分布变差系数计算结果见表1。由表1可知两站流量变差系数CV相近，5个阶段均经历了减小一增大的交替过程。两站含沙量变差系数有所差别，潼关站5个阶段的含沙量变差系数均较为接近，花园口站各阶段含沙量则直接受小浪底水库运用方式的影响，其年内分布不均匀度变化较大。此外，两站含沙量变差系数大于流量变差系数，含沙量年内分布的不均匀性更为明显。

4水沙搭配

采用来沙系数t与水沙系数K两个经验参数表示水沙搭配状况。来沙系数t是指单位流量的含沙量大小，一般用于描述河道输沙能力与水沙关系的变化：水沙系数K是一种时段水沙搭配判定指标，可定性判断研究年份的水沙条件相对于多年平均水沙条件的优劣。

潼关、花园口站来沙系数t、水沙系数K变化如图5所示，各水沙参数阶段性变化见表2。由图5和表2可知，潼关站来沙系数t第1阶段减小，第Ⅱ阶段增大，均在0.02以上，水沙系数K较小，前两阶段水少沙多，水沙搭配恶劣；第Ⅲ阶段t稳步减小，较上一阶段显著减小约53%，K不断增大，且阶段后期增大速度较快，阶段平均值为1.48，该阶段来沙量大幅减少，来水量增加，水沙搭配不断优化；第Ⅳ阶段t呈增大趋势，K呈减小趋势，但该阶段水沙搭配仍持续优化，减小至0.0055，K增大至2.21;第V阶段t继续减小，K快速增大，该阶段来沙量与上一阶段持平，来水量大幅增加，水沙搭配显著优化。

相对于黄河天然水沙过程，黄河下游的水沙搭配较潼关站稍有差异。花园口站第1阶段来沙系数t最大，为0.0220，水沙系数K较小，为0.12，该阶段黄河下游水沙条件与潼关站相似，水少沙多，水沙搭配恶劣；第Ⅱ阶段t显著减小约62%，K仍较小，为0.09，该阶段小浪底水库开始运用，进入黄河下游的沙量显著减少，水量虽仍与潼关站持平，但由于汛期水库蓄水，最大流量被削峰，因此虽然水沙搭配优化，但水沙系数仍维持在较小值；随后的第Ⅲ、Ⅳ阶段，t继续减小，K快速增大，调水调沙成效显著，使黄河下游的水沙搭配得到了明显改善；第V阶段t明显回升，K有所减小，该阶段水沙搭配仍较优。

对比分析花园口站与潼关站两个经验参数的变化过程可知，相对于潼关站天然水沙过程来沙系数t逐阶段减小、水沙系数K逐阶段增大的变化特征，花园口站来沙系数t前4个阶段逐渐减小，第V阶段有所回升，水沙系数K前2个阶段维持在较小值，Ⅲ一Ⅳ阶段逐渐增大，第V阶段有所减小。这说明，花园口水沙搭配变化一方面直接受小浪底水库运用方式的影响，另一方面又反映了天然来水来沙过程。总体来看，在天然水沙条件变化与人工水沙调控综合作用下，近20a来黄河下游水沙条件整体相对较优。

5结论

以同时段潼关站水沙过程代表黄河天然来水来沙条件，对比分析1997-2020年黄河下游花园口站水沙年际年内变化特征可知：

1）两站来水来沙量变化的趋势性基本一致，来水量均呈显著增加趋势、来沙量均呈显著减少趋势，但变异性稍有差别，潼关站来水量在2018年附近发生突变，来沙量在2004年附近发生突变，花园口站水、沙量发生显著突变的时间分别为2017年、2001-2002年。

2）两站水、沙量存在不同时间尺度的周期变化，但其水沙的主周期变化较为一致，潼关站水、沙量第一主周期分别为14、13a，平均周期为9.5a，花园口站水、沙量第一主周期分别为13、12a，平均周期为8a。

3）基于两站来水来沙量变化过程，结合趋势性、变异性及周期性分析，可将研究时段划分为5个阶段。5个阶段两站流量变差系数CV相近，均经历了减小一增大的交替过程，含沙量变差系数则有所差别，潼关站5个阶段的含沙量变差系数均较为接近，花园口站各阶段含沙量则直接受小浪底水库运用方式的影响，其年内分布不均匀度变化较大。

4）相对于潼关站天然水沙过程来沙系数t逐阶段减小、水沙系数K逐阶段增大的变化特征，花园口站来沙系数t前4个阶段段渐减小，第V阶段有所回升，水沙系数K前2个阶段维持在较小值，Ⅲ一Ⅳ阶段逐渐增大，第V阶段有所减小。

5）小浪底水库的运用方式对黄河下游来水过程影响不大，但直接影响来沙过程。在天然水沙条件变化与人工水沙调控综合作用下，近20a来黄河下游水沙过程呈明显的阶段性变化特征，水沙搭配总体相对较优。