姚文藝，高亞軍，安催花，焦 鵬

(1．黃河水利科學(xué)研究院，水利部水土流失過程與控制重點實驗室，河南鄭州 450003;2．黃河水利委員會水文局，河南鄭州450004;3．黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003)

黃河是世界上大江大河中含沙量最高的河流，1985年以前三門峽水文站多年平均含沙量為38kg/m3，比國外含沙量最高的科羅拉多河還高27%［1］。同時，黃河徑流量、輸沙量年際變化大，水沙系列震蕩周期明顯。例如，在人類活動對流域下墊面干擾相對較弱的1919—1959年，1933年黃河中游陜縣水文站的輸沙量達到39.1億t，而1928年輸沙量只有4.88 億 t［2］;1923—1931 年平均輸沙量為 10.58 億 t，而1932—1940年達到18.82億t。20世紀80年代中期以來黃河水沙發(fā)生新的變化，徑流泥沙持續(xù)減少，如2014年輸沙量減至不到1億t，約為多年平均輸沙量16億t的1/22，不到1933年的1/50。

黃河水沙變化直接關(guān)系到治黃方略的確定、流域水沙資源的配置與管理，以及重大水利工程的布局，是一項基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性問題，也是我國水科學(xué)研究領(lǐng)域的重大問題。自20世紀80年代中期以來，黃河水沙發(fā)生顯著變化，引起各界學(xué)者及流域管理者的高度關(guān)注。幾十年來，通過國家、水利部及其他部委的各類科學(xué)研究計劃資助，開展了以水利部黃河水沙變化研究基金兩期專項為代表的一系列研究工作［3-4］，重點對1996年以前黃河流域水利水土保持措施減水減沙量進行評估，明晰各項措施對水沙變化的貢獻率，預(yù)測未來水沙變化趨勢等［5-9］，為黃河治理開發(fā)決策與大型水利工程建設(shè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。近年來Miao等［10］根據(jù)黃河流域15個水文站的水沙實測資料分析了1950—2000年間的水沙變化原因，認為1980—1990年的水量突變源自人類活動的取水，而泥沙突變則與水庫建設(shè)的干擾有關(guān)。Wang等［11］利用黃河干流4個水文站的水沙實測資料及流域降雨資料，采用數(shù)理統(tǒng)計法對比分析了1950—2005年降雨、人類活動對黃河花園口泥沙量減少的貢獻率。Miao等［12］通過重建1960—2008年天然水沙量時間序列分析了1970—2008年黃河上游氣候變化和人類活動對徑流量、泥沙量減少的貢獻率。姚文藝等［13］綜合利用多種分析方法揭示了黃河1997—2006年水沙變化成因，預(yù)測了未來30～50年黃河水沙變化趨勢。這些研究成果在不同程度上為黃河治理、開發(fā)與管理提供了科學(xué)依據(jù)。不過，目前的研究時間尺度多限于20世紀80年代中期以來的某一較短時段，缺乏從較長時間尺度去認識水沙變化的特點與趨勢，這樣往往難以回答近幾十年來水沙變化到底是趨勢性的還是階段性的這一重要科學(xué)問題，難以完全滿足治黃戰(zhàn)略決策的需求。筆者擬根據(jù)黃河干流主要水文站水沙觀測資料，基于已有大量相關(guān)研究成果，分析1919—2012年近百年尺度水沙系列的變化特征及趨勢，并剖析了20世紀80年代中期以來尤其是近10多年來黃河水沙劇變的特點。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)及方法

1．1 研究區(qū)域

黃河徑流主要來源于上游，而泥沙則主要來自于中游頭道拐—潼關(guān)區(qū)間，因此取黃河潼關(guān)以上為重點研究區(qū)域(圖1)。頭道拐以上區(qū)域為黃河上游，其中唐乃亥以上為黃河河源地區(qū)，是三江源的重要組成部分，唐乃亥—蘭州區(qū)間建有龍羊峽、劉家峽等大型水庫，蘭州以下至頭道拐區(qū)間有寧夏、內(nèi)蒙古兩大灌區(qū)，基本上屬于耗水區(qū)，因此，蘭州斷面集中反映了上游地區(qū)的產(chǎn)流狀況。雖然蘭州以上流域面積只有22.25萬km2，占黃河流域面積79.49萬km2的28.0%，為潼關(guān)以上流域面積72.41萬km2的30.7%，但是1919—2012年平均徑流量占潼關(guān)斷面的84%，故以此作為分析上游水沙變化特征的代表斷面。

圖1 研究區(qū)域示意圖

黃河中游頭道拐—潼關(guān)流域面積26.6萬km2，其產(chǎn)沙量占全河的90%以上，其中頭道拐—龍門產(chǎn)沙量約占58%，是黃河泥沙來源最為集中的地區(qū)。該區(qū)間有25條一級主要入黃支流，包括龍門以上的皇甫川、孤山川、窟野河、禿尾河等，以及龍門以下的涇河、北洛河、渭河和汾河。頭道拐—潼關(guān)不僅是黃河泥沙的主要來源區(qū)，也是黃河下游河道主要淤積物粗泥沙(粒徑大于0.05mm)的主要來源區(qū)，其產(chǎn)粗泥沙量占全河粗泥沙量的94.6%。

黃河上中游干流潼關(guān)以上布設(shè)有黃河沿、唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門等20處國家基本水文站，其中9處為重要控制站，7處為參證站，4處為一般站。考慮到對徑流、泥沙主要來源區(qū)產(chǎn)水產(chǎn)沙狀況及大型水利工程調(diào)控水沙效應(yīng)的表觀作用，選擇蘭州、頭道拐、龍門和潼關(guān)4個水文站作為分析站。蘭州水文站以上為黃河徑流主要來源區(qū)，且位于劉家峽水庫下游100 km處，可較好地反映水庫調(diào)控水沙的作用;頭道拐水文站位于黃河上游最末斷面，可反映由上游進入中游的水沙狀況;頭道拐以下至龍門是黃河多沙粗沙區(qū)，通過龍門水文站水沙測驗資料可了解黃河泥沙主要來源區(qū)產(chǎn)沙變化狀況;潼關(guān)水文站位于三門峽水庫入庫控制斷面，控制黃河徑流量的90%以上、泥沙量的近100%，是集中反映黃河水沙變化的重要水文站。

1．2 數(shù)據(jù)資料

采用黃河干流主要控制水文站1919—2012年實測徑流量、輸沙量，其中1998年前取自《1919—1951年及1991—1998年黃河流域主要水文站實測水沙特征值統(tǒng)計》［14］，1998年以后來自黃河水利委員會蘭州、頭道拐、潼關(guān)、龍門等水文站歷年觀測資料。黃河設(shè)立最早的水文站是陜縣站，于1919年開始觀測，而其他水文站大多建于1953、1954年。根據(jù)黃河治理開發(fā)的需要，黃河水利委員會分別于1952、1959年會同有關(guān)單位對干流其他主要控制站的實測水沙系列進行了插補延長，其后于1992年又對黃河歷年水文基礎(chǔ)資料進行了審查評價，本次所使用的資料是審查成果。對年月流量資料的插補，除河津、蘭村兩站采用雨量資料外，其余多數(shù)站以陜縣、蘭州兩站資料為基本依據(jù)，采用上下游水文站統(tǒng)計相關(guān)法，其中相鄰站有實測資料的，盡量利用相鄰站的實測值。輸沙量缺測資料的插補，盡量采用本站水量與沙量的相關(guān)關(guān)系，如本站水量和沙量關(guān)系實在不好，則采用上下游水文站沙量相關(guān)法。

1．3 分析方法

1．3．1 MWP 法

MWP(Mann-Whitney-Pettitt)法是 Pettitt于1979年提出的一種根據(jù)時間序列找出突變點，并檢定該點前后時段資料之累積分布函數(shù)是否有顯著差異的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，屬于無母數(shù)統(tǒng)計(nonparametric statistics)理論中的一種方法［15］，其不受限于資料母群體的分布，可應(yīng)用于各種概率分布數(shù)據(jù)的分析，故又可稱為與分布無關(guān)的統(tǒng)計方法。

假設(shè)T為序列長度，序列中最可能的變化點為t時刻，將該序列分成前后兩部分，即 x1，…，xt和xt+1，…，xT，定義檢驗指標:

式中:α為置信度，當累積概率P越接近1，則存在突變點的趨勢越明顯。當P＞Pα?xí)r，表示存在突變點的趨勢明顯。

1．3．2 雙累積曲線法

雙累積曲線(double mass curve，DMC)法由美國學(xué)者Merriam［16］于1937年提出，該法在直角坐標系中繪制同期內(nèi)一個變量的時段累積值與另一個變量相應(yīng)時段累積值的關(guān)系曲線，根據(jù)累積關(guān)系曲線分析兩個變量之間響應(yīng)關(guān)系的變化趨勢，并判斷其變化時間和變化量。雙累積曲線法的理論基礎(chǔ)是自變量的累積值與因變量的累積值成正比，在直角坐標上可以表示為一條直線，其斜率為兩要素對應(yīng)點的比例常數(shù)。如果雙累積曲線的斜率發(fā)生突變，則意味著其對應(yīng)的累積值的比例可能根本就不是常數(shù)，或者兩個變量之間的比例常數(shù)發(fā)生了改變，此時斜率突變點所對應(yīng)的年份就是兩個變量的關(guān)系出現(xiàn)突變的時間。

2 百年尺度水沙變化趨勢分析

2．1 不同時段水沙變化特點

1919—2012年黃河潼關(guān)以上年徑流量、年輸沙量除年際間有一定的變化外，還具有明顯的時段變化特征。依據(jù)實測年徑流量、年輸沙量的變化(圖2)，并考慮20世紀60年代以前黃河流域受人類活動影響較小，以及自1986年始黃河上游龍羊峽水庫、劉家峽水庫聯(lián)合運用等因素，將年徑流量、年輸沙量過程劃分為 5個時段，即 1919—1932年、1933—1959 年、1960—1986 年、1987—1999 年、2000—2012年。

表1 黃河潼關(guān)以上主要斷面不同時段徑流量、輸沙量

圖2 潼關(guān)以上主要斷面年徑流量、年輸沙量變化過程

1919—2012年蘭州、頭道拐、龍門和潼關(guān)的年均徑流量分別為308.2億m3、226.5億m3、283.7億m3、369.3億 m3，輸沙量分別為 0.78億 t、1.1億 t、8.0 億 t、11.9 億 t(表1)。

1919—1932年是典型的枯水枯沙年，4個斷面最枯年份的徑流量水平基本上與近30年來的相當，如潼關(guān)1928年徑流量約為200億m3，與1987年、1998年、2004年、2008年和2009年的相當，但后一時段的年均徑流量、輸沙量仍低于前者，如徑流量較前者低6.2% ～28.8%，輸沙量低52.0% ～58.6%，就是說近30a的徑流泥沙系列是百年尺度中最枯的年份;1933—1959年為豐水豐沙系列，其徑流量、輸沙量都較1919—1932年明顯增加，徑流量增加29.7% ～37.2%，輸沙量增加較多，為 42.2% ～73.3%。自1960年以后，年徑流量、年輸沙量均趨于減少，對于徑流量來說，與1933—1959年相比，1960—1986年除蘭州徑流量稍增1.0%外，其他斷面的徑流量減少7.2% ～14.3%，1987—1999年減少20.9% ～44.3%，2000—2012年減少16.3% ～51.2%;對于輸沙量來說，與1933—1959年相比，相應(yīng)時段分別減少12.5% ～47.1%、54.5% ～75.0%和75.0～86.4%。綜合分析表明，①自20世紀80年代中期以來，無論是徑流量還是輸沙量均明顯減少，其中以2000年以來減幅最大;②與1933—1959年相比，1987—1999年和2000—2012年兩個時段徑流量減幅增加并不明顯，最多不足7個百分點，而對于輸沙量減幅來說，除頭道拐外其他斷面的減幅均明顯增加，如蘭州、龍門和潼關(guān)2000—2012年減幅比 1987—1999年的大 23.1、31.3、29.8個百分點。另外，自1960年以后，各斷面對應(yīng)時段的徑流量、輸沙量在減少的同時，徑流量減幅明顯小于輸沙量減幅，除蘭州外的徑流量減幅為4.0% ～51.2%，輸沙量的減幅則達到12.5% ～86.4%，后者減幅是前者的2～3倍。

應(yīng)當注意的是，與其他斷面相比，蘭州斷面2000年以來年徑流量較前一時段反增5.7%，而年輸沙量較前一時段則是減少的，且減幅達58.8%。

黃河水沙系列的豐枯變化是氣候等自然因素與人類活動因素共同作用的結(jié)果。在20世紀60年代以前，人類活動較弱，水沙系列豐枯主要受制于氣候因素，降雨為主導(dǎo)因子，而之后則受制于人類活動、氣候因素的共同影響，不過每一時段的主導(dǎo)因子是不同的。例如，根據(jù)董安祥等［17-19］的分析，最近370年黃河流域存在7個干旱期，其中之一就是20世紀10年代后期至20年代，1922—1932年屬于異常干旱期，其中1927年的降水量較1961—1990年平均值的距平百分數(shù)為－42.1%，因此該時段成為黃河時段最長且最枯的枯水段之一［20］。20世紀30—40年代黃河流域進入濕潤期，降雨量豐沛，1933年陜縣站出現(xiàn)特大大水大沙年，最大洪峰流量22000 m3/s，實測年輸沙量39.1億t。20世紀50—60年代也是降水豐沛期［21］，因此，1933—1959年成為黃河近百年以來的豐水期。自20世紀60年代黃河上游劉家峽、龍羊峽等大型水庫先后建成運用和多項水利水土保持措施逐步實施，且70年代黃河流域又進入了顯著干旱期，這一時期水沙變化受到人類活動和降雨減少的雙重作用，降雨對徑流量減少的貢獻率基本上占6～7成、人類活動占3～4成，兩者對輸沙量減少的貢獻率分別占2～7成和3～8成［13］。2000年以來，盡管黃河流域降雨量較前期明顯偏豐，但由于退耕還林還草等封禁治理成效顯現(xiàn)，徑流泥沙較前一時段仍進一步減少，根據(jù)分析，2000—2012年人類活動對泥沙減少的貢獻率占到近80%，人類活動對減沙起到了主導(dǎo)作用。

2．2 百年尺度水沙突變臨界年份檢驗

所謂黃河水沙突變或變異，不僅指徑流量、輸沙量有了明顯減少，與此同時水沙關(guān)系也發(fā)生了明顯變化。

MWP法檢驗表明(圖3)，在99%信度水平下，蘭州輸沙量統(tǒng)計檢驗指標Ut在1968年出現(xiàn)低谷點并超出臨界水平線，頭道拐輸沙量Ut分別在1968年和1986年出現(xiàn)低谷點并超出臨界水平線，龍門、潼關(guān)輸沙量Ut均在1978年出現(xiàn)低谷點并超出臨界水平線。徑流量系列MWP法檢驗表明，在99%信度水平下，蘭州徑流量Ut在1986年出現(xiàn)低谷點并超出臨界水平線，頭道拐、龍門和潼關(guān)徑流量Ut均有兩個低谷點并超出臨界水平線，分別是1968年和1986年。

徑流量-輸沙量雙累計曲線進一步表明(圖4)，上游河段在20世紀60年代末以前、中游河段在20世紀70年代末以前，徑流量和輸沙量基本上呈同步變化趨勢，兩者有著較強的線性相關(guān)關(guān)系，各時段的斜率無明顯變化，但其后輸沙量減幅均大于徑流量減幅，曲線斜率變小，即單位徑流量的輸沙量明顯減少，蘭州、頭道拐的突變點是1968、1986年，龍門、潼關(guān)均有兩個相同的顯著變點，分別為1978年和1986年，突變臨界年份與MWP法檢驗結(jié)果基本一致。另外，自2000年以來，曲線斜率相對更小，說明單位徑流量的輸沙量又有進一步減少。

圖3 潼關(guān)以上主要斷面輸沙量趨勢變化臨界檢驗

綜上分析，從百年尺度看，雖然1919—1932年為顯著的枯水枯沙年，不過其水沙關(guān)系并未發(fā)生突變。雖說1986年以來尤其自2000年以來黃河年徑流量、年輸沙量大幅減少，但1968、1978年以前上游、中游的水沙關(guān)系就已分別發(fā)生變化，只不過是到1986年或2000年黃河水沙關(guān)系再次發(fā)生突變。另外，黃河上中游水沙關(guān)系突變的年份并不一致，上游河段的蘭州、頭道拐的水沙關(guān)系突變點為1968、1986年，而中游河段的龍門、潼關(guān)的突變點為1978、1986年，上中游水沙關(guān)系突變的重合點是1986年，這說明黃河上中游水沙變化的機制是不同的，反映了黃河水沙變化規(guī)律的復(fù)雜性。

2．3 百年尺度水沙變化趨勢分析

為定量分析水沙變化趨勢，將百年尺度水沙序列劃分為n個豐枯變化時段，定義水沙變化趨勢度為

圖4 徑流量輸沙量雙累積曲線

根據(jù)1919—2012年實測徑流量、輸沙量系列和表1劃分的時段，由式(3)計算的潼關(guān)以上4個代表斷面的徑流量、輸沙量系列變化趨勢度見表2。

表2 潼關(guān)以上主要斷面徑流量、輸沙量系列變化趨勢度

分析表2可以得出4點初步認識:①4個斷面的年徑流量、年輸沙量系列的趨勢度均小于零，說明在百年尺度內(nèi)，潼關(guān)以上的年徑流量、年輸沙量均處于減少的態(tài)勢;②年徑流量、年輸沙量趨勢度不同，即水、沙的減少幅度不一樣，各斷面年輸沙量的減少幅度均大于年徑流量的減幅;③在4個斷面中，以黃河上游蘭州斷面徑流量的趨勢度的絕對值最小，其他3個斷面的基本相同，約為蘭州的1.7～2.0倍;④在4個斷面中，輸沙量的趨勢度的絕對值也是上游蘭州斷面最小，其他斷面均處于同一個水平，約為蘭州斷面的1.2倍。

綜上分析，在百年尺度內(nèi)，黃河輸沙量的趨勢度的絕對值明顯大于徑流量趨勢度的絕對值，且黃河泥沙主要來源區(qū)也是泥沙減少趨勢最為明顯的地區(qū);雖然自1986年以來徑流量主要減于上游地區(qū)(表2)，但就蘭州斷面年徑流量變化趨勢而言，其減少的趨勢度的絕對值并不是最大。

3 近30年水沙系列變化特點

根據(jù)干流4個水文站的逐年累計徑流量、輸沙量變化過程分析(圖2)，自1986年以來，各站來水來沙量明顯減少，同時在年內(nèi)分配、水沙變化空間分布及來水來沙動力條件變化等方面具有顯著的特點。

a．來水來沙量顯著減少。自20世紀60年代以后，人類活動逐步加強，在自然和人為因素的雙重作用下，黃河水沙呈明顯減少態(tài)勢。20世紀80年代中期以來的30年間，隨著龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合運用，以及黃土高原地區(qū)水土流失治理和水利建設(shè)，尤其是1999年以來實施退耕還林還草工程、2003年以來實施“淤地壩亮點工程”，徑流量、輸沙量大幅減少。與1919—1959年相比，1987—2012年潼關(guān)、龍門、頭道拐、蘭州水文站實測年均徑流量分別減少42.3%、40.2%、34.6%、11.4%;實測年均輸沙量分別減少66.0%、67.5%、68.5%、67.7%。

自2000年以來，潼關(guān)、龍門、頭道拐和蘭州斷面的輸沙量劇減(表3)，與1919—1986年相比，4個斷面輸沙量分別減少 80.8%、83.9%、68.8%和77.7%。徑流量減少也比較明顯，4個斷面分別減少44.5%、42.1%、35.3%和12.7%。值得強調(diào)的是，根據(jù)2014年的觀測，三門峽水庫入庫控制斷面潼關(guān)的輸沙量不足1億t，僅為0.74億t，成為有輸沙量實測記錄以來的最小值。

表3 黃河主要斷面1987年以來徑流量、輸沙量

30年來黃河來水來沙量變化有3個突出特點:①年徑流量減幅明顯小于年輸沙量減幅，如與1919—1986年相比，4個代表斷面1987—2012年的輸沙量減幅為66.0% ～68.3%，而徑流量的減幅為11.4%～42.3%;②從上游至中游徑流量減幅沿程不斷增大，相對來說，中游的輸沙量減幅大于上游的;③與1919—1986年相比，近30年來徑流量、輸沙量均主要減于汛期，如汛期輸沙量減幅為69.2%～78.7%，非汛期為21.3% ～30.8%，由于2000年以來其年內(nèi)分配關(guān)系有所調(diào)整，除頭道拐斷面以外，其他斷面的汛期輸沙量減幅與非汛期的基本持平，說明近10多年來輸沙量減幅在年尺度分布上基本是均勻的，但徑流量仍主要減于汛期。

應(yīng)當說明的是，由于黃河流域產(chǎn)水產(chǎn)沙規(guī)律的復(fù)雜性，并不能排除未來仍會出現(xiàn)大水大沙年的可能性［13］。

b．水沙變化程度在空間上分布不均。由于黃河水、沙異源，加之上中游地區(qū)人類活動干擾程度不同，因此無論是徑流量還是輸沙量，沿程減幅并非均勻。

與1919—1959年相比，1987—2012年潼關(guān)斷面年輸沙量減少10.50億t，其中頭道拐至龍門區(qū)間減少了6.19億t，占59.0%;龍門至潼關(guān)區(qū)間減少了3.34億t，占31.8%;頭道拐以上減少了1.0億t，僅占9.2%，說明輸沙量主要減于泥沙主要來源區(qū)。但就輸沙量的相對變化幅度看，蘭州、頭道拐、潼關(guān)、龍門分別為67.3%、68.3%、67.6%和66.0%，沿程各斷面的減幅差別不是太明顯(表4)。

表4 黃河主要斷面不同時段徑流量、輸沙量

與1919—1959年實測徑流量相比，1987—2012年頭道拐至龍門區(qū)間、龍門至潼關(guān)區(qū)間徑流量減小主要集中在頭道拐以上的徑流主要來源區(qū)。與1919—1959年相比，1987年以來潼關(guān)斷面年徑流量減小180.2億m3，其中頭道拐以上為86.8億m3，占48.2%;頭道拐—龍門區(qū)間為 43.9億 m3，占24.3%;龍門—潼關(guān)區(qū)間為49.5億m3，占27.5%。

c．水沙年內(nèi)分配發(fā)生顯著變化。黃河徑流年內(nèi)分配比例變化主要表現(xiàn)于兩方面，一是有利于輸沙的大流量天數(shù)及相應(yīng)水量減小，二是汛期徑流量占全年徑流量的比例減小，年內(nèi)各月徑流量分配趨于均勻。

潼關(guān)斷面1919—1959年汛期徑流量占全年徑流量的60.8%，1987—2012年下降為45.9%，龍門、頭道拐、蘭州斷面具有相似的變化特點，分別由60.4%、62.2%、60.4% 下降到 41.8%、39.4% 和42.0%，汛期與非汛期的分配比例發(fā)生倒置(圖5)。

圖5 主要斷面汛期徑流量占全年徑流量比例

與1919—1959年實測平均值相比，1987—2012年潼關(guān)斷面年內(nèi)日均流量大于 2000 m3/s的天數(shù)占汛期天數(shù)的比例(以下簡稱占汛比)由62.2%減小為10.5%;大于 2000 m3/s的徑流量占汛比由75.8%減小為27.7%;大于 2000 m3/s的輸沙量占汛比由87.2%減小為46.8%。2000—2012年潼關(guān)斷面年內(nèi)日均流量大于2000 m3/s的天數(shù)占汛比進一步減至8.8%，大于 2000 m3/s的徑流量、輸沙量占汛比進一步減小為24.6%和31.2%。龍門、頭道拐、蘭州水文站具有相似的變化特點(圖6)，與1919—1959年相比，1987—2012年3個斷面年內(nèi)日均流量大于 2000 m3/s的天數(shù)占汛比分別由30.2%、22.6%、29.5% 下降到 4.6%、2.8% 和2.0%;與1960—1986年相比，大于 2000 m3/s的輸沙量占汛比分別由65.5%、53.7%、63.4%下降到34.1%、12.2%和8.9%。

圖6 潼關(guān)2000 m3/s以上流量出現(xiàn)天數(shù)及相應(yīng)徑流量、輸沙量占汛比

d．來沙系數(shù)具有階段性調(diào)整特點。來沙系數(shù)指某一斷面的含沙量與相應(yīng)流量的比值，反映了水沙搭配關(guān)系及水流動力條件，來沙系數(shù)越大，說明在同樣流量下的含沙量越高，河床淤積的可能性就越大，反之則越小。表5分別統(tǒng)計了4個斷面1919—2012年不同時段的來沙系數(shù)，其變化具有明顯的階段性調(diào)整特點，以1919—1959年為基準，后3個時段的來沙系數(shù)經(jīng)歷了減小→增大→減小的變化過程，說明3個時段各斷面單位流量的輸沙能力均發(fā)生了調(diào)整，且具同步性。綜上所述，來沙系數(shù)變化受人類活動因素影響較大，例如，1960—1986年因龍羊峽、劉家峽的大型水庫先后運用攔沙，以及較大規(guī)模水土保持措施實施，來沙系數(shù)較1960年以前(天然條件下)明顯降低;1999年以來由于退耕還林還草工程的實施，流域產(chǎn)沙減少，進入黃河干流的泥沙量劇減，來沙系數(shù)隨之大幅度降低。

從各斷面不同時段的來沙系數(shù)對比看，黃河中游潼關(guān)、龍門來沙系數(shù)以1987—1999年最大，而上游的蘭州、頭道拐來沙系數(shù)以1919—1959年最大。另外，汛期來沙系數(shù)的變化過程與年均來沙系數(shù)變化過程并非一致，在1999年以前的3個時段，4個斷面的來沙系數(shù)基本上不斷增加，到2000年以后才有所降低。非汛期的來沙系數(shù)變化無明顯規(guī)律，尤其是在頭道拐以上河段，由于受大型水庫調(diào)控、河道沖淤調(diào)整等因素影響，變化較復(fù)雜。

不同時段的來沙系數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)出沿程不斷增大的特征，其增加幅度最大的河段是黃河泥沙來源最為集中的頭道拐—龍門區(qū)間，增幅達181% ～637%;龍門—潼關(guān)區(qū)間增幅較小，最大只有70%多，且在20世紀60年代前和1987—1999年兩時段還稍減。這種分布特征是黃河水沙異源的規(guī)律所決定的。

4 結(jié)語

根據(jù)1919—2012年黃河潼關(guān)以上主要水文站實測徑流量、輸沙量資料，通過非線性統(tǒng)計方法，研究了百年尺度黃河水沙系列變化特征與趨勢，分析了近30年黃河水沙變化特點，得到以下初步認識:

a．黃河水沙突變或變異的內(nèi)涵應(yīng)包括水沙量明顯減少和水沙關(guān)系發(fā)生明顯變化兩方面。在研究時間尺度內(nèi)，黃河年徑流量、年輸沙量自20世紀80年代中期以來不斷減小，上中游水沙關(guān)系分別在20世紀60年代末、70年代末已發(fā)生變化，如黃河上游蘭州斷面1968年、中游龍門和潼關(guān)斷面1978年的水沙關(guān)系就發(fā)生了變化，1986年屬于二次突變。

表5 主要斷面不同時段平均來沙系數(shù)

b．從百年尺度看，在1960年以前，黃河水沙變化主要制約于氣候等自然因素，徑流量隨降雨豐歉而相應(yīng)出現(xiàn)豐枯變化;自20世紀60年代末以來，氣候等自然因素和人類活動因素成為水沙變化的雙重制約因子，在雙重因子驅(qū)動下，與20世紀60年代以前不同的是，盡管不同時段降雨有豐歉變化，但徑流量、輸沙量都是持續(xù)減少的，如2000年以來蘭州以上、頭道拐至龍門、龍門至潼關(guān)區(qū)間的降雨量在1987—1999年都是增加的，而徑流量、輸沙量卻都大幅減少。近年來尤其是2000年以來人類活動對水沙變化起到了主導(dǎo)作用。

c．從近百年水沙系列變化看，年徑流量、年輸沙量總體呈減少趨勢。以水沙變化趨勢度為判別指標，年輸沙量減少的趨勢度明顯大于年徑流量的;中游龍門、潼關(guān)的年徑流量、年輸沙量減少的趨勢度均明顯大于上游蘭州、頭道拐。

d．30年來黃河水沙變化的突出特點表現(xiàn)于來水來沙量不斷顯著減少，2000—2012年成為近百年來水沙系列最枯的時段;水沙變化程度在空間上分布不均，泥沙主要減于中游，而徑流主要減于上游;水沙年內(nèi)分配趨于均勻，甚至汛期來水來沙量低于非汛期;來沙系數(shù)自20世紀80年代中期以后明顯降低，在沿程分布上具有從上至下增大的特點。應(yīng)強調(diào)的是，由于黃河流域產(chǎn)水產(chǎn)沙規(guī)律復(fù)雜，盡管近30年來黃河水沙劇減，但并不能排除未來出現(xiàn)大水大沙年的可能性。

黃河已經(jīng)成為人類活動強烈干擾的河流，流域下墊面變化非常大，致使水沙變化機制相當復(fù)雜，本文的分析仍是初步的，有很多規(guī)律需要進一步探索，如未來若干時段內(nèi)黃河水沙變化趨勢，水沙變化的可逆性，以及黃河水沙變化對流域環(huán)境演變的響應(yīng)規(guī)律等，都有待深入研究。

［1］武漢水利電力學(xué)院．河流泥沙工程學(xué)［M］．北京:水利出版社，1981:7-8．

［2］趙文林．黃河泥沙［M］．鄭州:黃河水利出版社，1996:35-55．

［3］汪崗，范昭．黃河水沙變化研究(第一卷)［M］．鄭州:黃河水利出版社，2002．

［4］汪崗，范昭．黃河水沙變化研究(第二卷)［M］．鄭州:黃河水利出版社，2002．

［5］葉青超．黃河流域環(huán)境演變與水沙運行規(guī)律研究［M］．濟南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，1994．

［6］徐建華，牛玉國．水利水保工程對黃河中游多沙粗沙區(qū)徑流泥沙影響研究［M］．鄭州:黃河水利出版社，2000．

［7］張勝利，李倬，趙文林，等．黃河中游多沙粗沙區(qū)水沙變化原因及發(fā)展趨勢［M］．鄭州:黃河水利出版社，1998．

［8］冉大川，柳林旺，趙力儀，等黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持與水沙變化［M］．鄭州:黃河水利出版社，2000．

［9］唐克麗，熊貴樞，梁季陽，等．北京:黃河流域的侵蝕與徑流泥沙變化［M］．北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1993．

［10］MIAO Chiyuan，NI Jinren，BORTHWICK A G L．Recent changes of water discharge and sediment load in the Yellow River Basin，China［J］．Progress in Physical Geography，2010，34(4):541-561．

［11］WANG Houjie，YANG Zuosheng，YOSHIKI S，et al．Stepwise decreases of the Huanghe(Yellow River)sedlment load(1950—2005):impacts of climate chang and human activities［J］．Global and Planetary Change，2007，57:331-354．

［12］MIAO Chiyuan，NI Jinren，BORTHWICK A G L，et al．A preliminary estimate of human and natural contributions to the changes in water discharge and sediment load in the Yellow River［J］．Global and Planetary Change，2011，76:196-205．

［13］姚文藝，徐建華，冉大川．黃河流域水沙變化情勢分析與評價［M］．鄭州:黃河水利出版社，2011．

［14］水利部黃河水利委員會．1919—1951年及1991—1998年黃河流域主要水文站實測水沙特征值統(tǒng)計［R］．鄭州:水利部黃河水利委員會，2001．

［15］PETTITT A N．A non-parametric approach to the changepoint problem［J］．Applied Statistics，1979，28(2):126-135．

［16］MERRIAM C F．A comprehensive study of the rainfall on the Susquehanna Valley［M］．［S．l．］:Trans Amer Geophys Union，1937:471-476．

［17］董安祥，柳媛普，李曉萍，等．黃河流域1922—1932年特大旱災(zāi)的特點及其影響［J］．干旱氣象，2010，28(3):270-278．(DONGAnxiang，LIUYuanpu，LI Xiaoping，et al． Characteristics and influence of the extreme drought event lasting eleven years(1922—1932)in the Yellow RiverValley［J］． JournalofArid Meteorology，2010，28(3):270-278．(in Chinese))

［18］劉建成．研究發(fā)現(xiàn)黃河4次大決口和氣候變化有關(guān)［N］．黃河報，2014-10-30(3)．

［19］張行勇．揭示黃土高原降雨準50年周期［N］．中國科學(xué)報，2014-10-09(4)．

［20］史輔成．對近期黃河水沙變化的認識［N］．黃河報，2012-06-21(3)．

［21］水利電力部黃河水利委員會．黃河流域防汛資料匯編［R］．鄭州:水利電力部黃河水利委員會，1984．