張 麗,達(dá)朝媛
(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州450045)
黃河是我國(guó)泥沙量最大的河流,也是世界上罕見的多沙河流,其全長(zhǎng)約5 464 km,流域面積約79.5 萬(wàn)km2.其中,從內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)至河南桃花峪間為黃河中游,河段全長(zhǎng)約1 206 km,流域面積約34.4 萬(wàn)km2,占全流域面積的45.7%;河段內(nèi)匯入的較大支流大概有30 條,徑流量占全河的42.5%,來(lái)沙量占全河來(lái)沙量的90%以上,為黃河泥沙的主要來(lái)源地[3].
黃河水沙是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化系統(tǒng),隨著水庫(kù)的修建、水土保持措施的實(shí)施以及黃土高原生態(tài)恢復(fù)的大規(guī)模建設(shè),為黃河水沙變化增加了眾多不確定因素.因此,治黃的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何處理泥沙問(wèn)題[1].目前來(lái)看,泥沙問(wèn)題已是擺在人們面前急需解決的重大難題,揭示水沙關(guān)系的機(jī)理是黃河水沙研究的首要內(nèi)容. 在此,筆者基于1950—2010年黃河中游主要水文站的水沙數(shù)據(jù),并參考一些學(xué)者的研究成果:高航等[2]所做的黃河上、中游近期水沙變化的分析;高鵬等[3]開展的黃河中游河龍區(qū)間的干流水沙變化及其驅(qū)動(dòng)力方面的研究;趙廣舉等[4]對(duì)黃河中游近60年來(lái)的水沙變化趨勢(shì)及其影響因素進(jìn)行的深入分析等,主要分析黃河中游幾個(gè)典型水文站的水沙變化趨勢(shì),并進(jìn)一步分析自然因素和人類活動(dòng)對(duì)黃河水沙的影響程度.
在此,主要以黃河中游龍門、花園口、華縣、白家川這4 個(gè)典型水文站為研究對(duì)象,著重分析它們的水沙變化趨勢(shì)及其影響因素.
以頭道拐(黃河上游)、龍門、華縣、花園口、白家川這5 個(gè)水文站的多年平均徑流量和輸沙量為研究對(duì)象來(lái)分析各站點(diǎn)在1950—2010年的水沙分布特點(diǎn).文中所采用的各站點(diǎn)的水沙數(shù)據(jù)取自于《中國(guó)水資源公報(bào)》和《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》. 各站點(diǎn)水沙情況詳見表1.
由表1可知,黃河上游(以頭道拐站為代表)多年平均徑流量占徑流總量的25.20%,而多年平均輸沙量?jī)H占輸沙總量的5.44%,含沙量占含沙總量的3.60%;黃河中游(以龍門、華縣和花園口3 站之和為代表)多年平均徑流量占徑流總量的74.80%,而多年平均輸沙量占輸沙總量的比例卻高達(dá)94.56%,含沙量占含沙總量的比例高達(dá)96.4%.由此可知,黃河中游地區(qū)主要以泥沙為主.
表1 各站點(diǎn)水沙情況
一般,人們所研究的變量都是離散觀測(cè)得到的隨機(jī)序列[5].隨時(shí)間變化,黃河徑流、泥沙數(shù)據(jù)分別構(gòu)成了水、沙時(shí)間序列,水沙序列特征值隨時(shí)間呈一定的變化趨勢(shì).
依據(jù)1950—2010年黃河中游4 個(gè)主要水文站的年徑流量和年輸沙量,采用滑動(dòng)平均法、非參數(shù)Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)法,揭示黃河中游歷年水沙變化趨勢(shì)和突變年份.
1.2.1 滑動(dòng)平均法
滑動(dòng)平均法[6]是一種簡(jiǎn)單的平滑分析、預(yù)測(cè)法,其基本思想是對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項(xiàng)推移,依次計(jì)算某一項(xiàng)數(shù)的均值,然后利用均值曲線來(lái)預(yù)測(cè)時(shí)間序列的變化趨勢(shì).假設(shè)樣本量m 的序列為x,其滑動(dòng)平均序列可表示為
其中n 為滑動(dòng)長(zhǎng)度.作為一種規(guī)則,n 最好取奇數(shù).
對(duì)各典型水文站年徑流量和年輸沙量進(jìn)行滑動(dòng)平均,其結(jié)果如圖1—4 所示.
由圖1—4 可知,各水文站水沙變化過(guò)程線和滑動(dòng)平均趨勢(shì)線基本對(duì)應(yīng),反映出上升—下降—上升—下降的趨勢(shì),整體上滑動(dòng)平均趨勢(shì)線呈顯著下降趨勢(shì),年徑流量和年輸沙量均明顯減少.對(duì)于各水文站年徑流量來(lái)說(shuō),前期稍微震蕩,在20世紀(jì)70年代以后年徑流量急劇下降,目前來(lái)說(shuō)年徑流量相對(duì)較小.各站年輸沙量相比年徑流量波動(dòng)較小,在20世紀(jì)60年代以后明顯下降.
圖1 龍門站年徑流量和年輸沙量滑動(dòng)平均圖
圖2 花園口站年徑流量和年輸沙量滑動(dòng)平均圖
圖3 華縣站年徑流量和年輸沙量滑動(dòng)平均圖
圖4 白家川站年徑流量和年輸沙量滑動(dòng)平均圖
1.2.2 Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)
Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)是世界氣象組織推薦的一種非參數(shù)檢驗(yàn)法[7-8].
為研究各水文站水沙隨時(shí)間序列的變化趨勢(shì),采用M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)法. M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)中,M-K 檢驗(yàn)值U 為標(biāo)準(zhǔn)分布,當(dāng)時(shí),拒絕原假設(shè),即在置信水平上,時(shí)間序列存在著明顯的變化趨勢(shì).若U >0,則時(shí)間序列呈上升趨勢(shì);若U <0,則時(shí)間序列呈下降趨勢(shì). 當(dāng),1.64,2.32 時(shí),表示分別通過(guò)置信度為90%,95%,99%的顯著性檢驗(yàn).各典型水文站年徑流量和年輸沙量的M-K 檢驗(yàn)值見表2.
表2 各典型水文站水沙變化趨勢(shì)表
由表2可知,各典型水文站年徑流量M-K 檢驗(yàn)值為- 7. 08 ~- 3. 28,年輸沙量M-K 檢驗(yàn)值為-5.37 ~-3.70,各站年徑流量和年輸沙量趨勢(shì)檢驗(yàn)值均為負(fù)值,呈下降趨勢(shì),不僅通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn),而且其趨勢(shì)檢驗(yàn)值的絕對(duì)值均大于2.32,即通過(guò)置信度為99%的顯著性檢驗(yàn). 可知,從年際變化來(lái)看,各站年徑流量和年輸沙量呈顯著下降趨勢(shì),且除白家川站外各站年輸沙量M-K 檢驗(yàn)值的絕對(duì)值比年徑流量M-K 檢驗(yàn)值的絕對(duì)值稍大,說(shuō)明年輸沙量的減少更為劇烈和顯著.通過(guò)比較各站M-K 檢驗(yàn)值可以看出,白家川站的年徑流量M-K 檢驗(yàn)值的絕對(duì)值最大,說(shuō)明其變化最為明顯,而花園口站次之;龍門、花園口站年輸沙量變化相對(duì)較大.
為了具體研究各水文站的水沙變化特征,除了采用M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)各水文站水沙的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析外,還需要通過(guò)M-K 突變檢驗(yàn)法對(duì)各水文站水沙可能發(fā)生的開始突變年份進(jìn)行預(yù)測(cè). M-K 突變檢驗(yàn)中,UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布且UF1= 0. 當(dāng),表示序列有一個(gè)明顯的增長(zhǎng)或減少趨勢(shì),取α =0.05,將此方法應(yīng)用到反序列中,重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程,使計(jì)算值乘以-1,得到UBk.若UFk或UBk大于0,表明序列呈上升趨勢(shì),小于0 表明呈下降趨勢(shì);當(dāng)它們超過(guò)信度線時(shí),表示存在明顯的變化趨勢(shì);若它們的交點(diǎn)位于信度線之間,則該點(diǎn)可能就是突變點(diǎn)的開始.通過(guò)MATLAB 編程計(jì)算,其結(jié)果如圖5和圖6所示.
圖5 各水文站年徑流量M-K 統(tǒng)計(jì)值變化圖
圖6 各水文站年輸沙量M-K 突變檢驗(yàn)變化圖
由圖5可知,龍門站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1964年,1964年后UF 或UB 統(tǒng)計(jì)值小于0,表明在此之后年徑流量呈下降趨勢(shì),1995年后UF統(tǒng)計(jì)值小于-1.96,表明存在明顯的下降趨勢(shì);花園口站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1969年,1970年后年徑流量呈下降趨勢(shì),1992年后明顯下降;華縣站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1958年,1970年后年徑流量呈下降趨勢(shì),1994年后明顯下降;白家川站年徑流量可能發(fā)生的突變年份為1961年,1960年后年徑流量呈下降趨勢(shì),1970年后顯著下降.
由圖6可知,龍門站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為2008年,1972年后呈下降趨勢(shì),1984年后明顯下降;花園口站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為1953年,1970 后呈下降趨勢(shì),1985年后明顯下降;華縣站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為1953年,1980年后呈下降趨勢(shì),2000年后明顯下降;白家川站年輸沙量可能發(fā)生的突變年份為1985年,1958—1964年存在明顯上升趨勢(shì),1980年后呈下降趨勢(shì).
由此可見,20世紀(jì)70年代以后各水文站水沙開始呈下降趨勢(shì),近60年內(nèi)2000—2010年間各站年徑流量和年輸沙量最小.
近年來(lái),關(guān)于黃河水沙變化的驅(qū)動(dòng)因素,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基本達(dá)成一致意見,即黃河水沙變化過(guò)程是一個(gè)受眾多因素影響的綜合過(guò)程,其形成和演化過(guò)程主要是由自然因素和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果[9-10],而且人類活動(dòng)是最根本因素.
氣候是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng),主要包括降雨、氣溫、濕度、日照等因素.研究發(fā)現(xiàn),黃河中游河龍區(qū)間徑流量對(duì)降水變化的響應(yīng)比對(duì)氣溫變化的響應(yīng)更為明顯和劇烈,由氣候變化引起區(qū)間年徑流量減少71.56 億m3,影響幅度為21%[11-12],可以說(shuō)降雨的變化影響著河川徑流的變化. 黃河中游河龍區(qū)間年降雨量的減少使得20世紀(jì)70,80,90年代徑流量分別減少5.38,9.52,13.92 億m3,輸沙量分別減少2.03,3.55,2.71 億t[13-14]. 可見,降雨直接影響著徑流量和輸沙量的變化.
截至2009年,黃河流域共修建大中型水庫(kù)184 座,其中25 座大型水庫(kù),年末蓄水量約為348.18 億m3[4].
三門峽水庫(kù)是一座以防洪為主,發(fā)電、灌溉、防凌等綜合作用的大型水利工程,控制流域面積達(dá)68.84 萬(wàn)km2.研究發(fā)現(xiàn)[4],1961年三門峽水庫(kù)投入運(yùn)用后,花園口站水沙急劇減少;自1986年建成的龍羊峽水庫(kù)與劉家峽水電站聯(lián)合調(diào)度后,頭道拐站水沙明顯變化;1999年小浪底水庫(kù)開始蓄水后,花園口站輸沙量也明顯下降.可見,水庫(kù)不僅對(duì)河流的徑流量分配產(chǎn)生很大變化,而且能減弱河流的輸沙能力.
除了水利工程的影響外,水土保持措施也是引起河流水沙變化的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素. 近60年來(lái),在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的共同作用下,黃土高原的水土保持取得了顯著成效[15].河龍區(qū)間采用的水土保持措施主要有梯田、林草、淤地壩等,并且這些措施能夠起到減沙作用,再加上水庫(kù)多具有攔減粗泥沙和排放細(xì)泥沙的作用,在水土保持措施和水利措施的協(xié)調(diào)作用下進(jìn)入河流的泥沙有所減少和變細(xì)[16].根據(jù)有關(guān)研究,1960—1984年間平均每年攔蓄泥沙約5 億t,其中水庫(kù)攔沙約2.2 億t、灌溉引沙約0. 6 億t、淤地壩攔沙約2. 0 億t、梯田攔沙約0.3 億t;截至2010年,水利和水土保持措施減沙3.5 ~4.5 億t[17]. 可見,水土保持措施對(duì)水沙變化的影響也不容忽略.
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、我國(guó)人口數(shù)量的不斷增加以及城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快,工農(nóng)業(yè)用水、生活用水的比例也急增,除了水利工程和水土保持措施外的其他人類活動(dòng)也對(duì)河流徑流量產(chǎn)生影響.
1)黃河中游4 個(gè)主要水文站的水沙變化過(guò)程均呈下降趨勢(shì),而且輸沙量比徑流量下降更為劇烈和顯著.龍門站年徑流量的突變年份可能為1964年,年輸沙量的突變年份可能為2008年;花園口站年徑流量的突變年份可能為1969年,年輸沙量的可能突變年份為1953年;華縣站年徑流量的突變年份可能為1958年,年輸沙量的突變年份可能為1953年;白家川站年徑流量的突變年份可能為1961年,年輸沙量的突變年份可能為1985年.
2)水沙變化主要是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果.
3)文中沒有對(duì)沙的影響因素做詳細(xì)分析,也未對(duì)水利工程、降雨、土地利用以及用水等影響因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分解,今后需對(duì)此進(jìn)一步探討.
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