顏 明, 賀 莉, 王彥君, 劉 慰, 王隨繼, 裴 亮, 鄭明國(guó), 孫莉英

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101;2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

黃河的多沙特性使得黃河下游不斷淤積抬高，近期又有嚴(yán)重的河道萎縮發(fā)生，使得下游承載巨大的排洪輸沙壓力[1-2]，隨著中游水土保持工作成效的顯現(xiàn)[3-4]，進(jìn)入黃河下游的泥沙顯著減少，年均輸沙量由20世紀(jì)50年代的18.19億t減少到2000年以后的0.64億t，輸沙量已經(jīng)僅為20世紀(jì)50年代的3.5%[5]。黃河的另一個(gè)特性是水沙異源，黃河徑流主要來自于上游，氣候波動(dòng)和水庫(kù)的修建使得輸入黃河下游的水流呈現(xiàn)階段性減少，20世紀(jì)50年代進(jìn)入黃河下游的徑流多年平均值為474.68億m3，2001—2015年的多年平均值為261.5億m3，減少了45%[6-7]。但由于徑流與泥沙減少過程中并非同步，徑流為階段性減少，含沙量在20世紀(jì)并未顯著減少，自21世紀(jì)才突然減少，這導(dǎo)致黃河下游河道在20世紀(jì)后期都是處于逐漸萎縮階段，降低了河道的過水能力，新形勢(shì)下的河道排洪輸沙能力成為研究者的新問題。以前的學(xué)者對(duì)于排洪和輸沙能力都分別有過深入的研究，將排洪和輸沙納入一個(gè)系統(tǒng)中考慮的研究還較少，本研究將排洪輸沙看作黃河下游河道安全問題的兩個(gè)方面，排洪與輸沙之間具有相互促進(jìn)和牽制關(guān)系，洪水能夠很好地輸沙甚至沖刷河道，將促進(jìn)河道的進(jìn)一步加深拓寬，提高河道的排洪能力，反之，洪水不能完全輸沙，部分泥沙淤積于河道，那么河道的排洪能力將會(huì)降低，進(jìn)一步降低輸沙能力。

綜上所述，本研究是基于黃河下游長(zhǎng)序列的水沙數(shù)據(jù)，首先確定基本排洪輸沙能力指標(biāo)，進(jìn)而分析黃河下游主要水文斷面的排洪和輸沙能力隨時(shí)間的演變，并以逐日平均流量、含沙量與基本排洪輸沙能力指標(biāo)對(duì)比，研究洪水的輸送情況，最后討論影響排洪輸沙的影響因素。從排洪輸沙的整體性考慮，為黃河下游河道安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 排洪輸沙能力指標(biāo)的確定

排洪輸沙是一個(gè)問題的兩個(gè)方面，不僅要保證洪水能順利通過河道，還要考慮洪水所攜帶泥沙在河道內(nèi)的沖淤，應(yīng)分別對(duì)排洪和輸沙進(jìn)行評(píng)估，而后分析它們的整體效應(yīng)。

黃河下游的排洪能力取決于多種因素，諸如河道斷面面積，河道寬深比，河道比降等[8-9]，排洪能力是河道輸送水流的綜合反映，包括河槽內(nèi)及漫灘兩部分，河槽內(nèi)主要以平灘流量作為參考，因而以平灘流量作為排洪基本能力的衡量指標(biāo)，這是徑流在河槽內(nèi)的輸送，這個(gè)值越大，表示河道內(nèi)的輸水能力越強(qiáng)，反之越小。漫灘洪水存在極大的不確定性，許多年份未發(fā)生漫灘洪水。因而，本研究主要以平灘流量作為排洪能力的衡量指標(biāo)，并部分參考了漫灘洪水的發(fā)生情況。

輸沙能力也受到多種因素的影響，如流速、流量、河道比降等，輸沙能力不僅受載體的影響[10-11]，其自身的特性也是影響輸沙能力的決定性因素，尤其是泥沙的粒徑組成，但輸沙能力是一個(gè)綜合指標(biāo)，黃河下游在華北平原上游蕩，是一個(gè)典型的淤積性河道，長(zhǎng)期處于淤積中，輸沙能力在反映上方的來水來沙的同時(shí)，還需反映泥沙的輸出情況，因此，這里用一個(gè)沖淤比λs來表示河道的輸沙能力，這個(gè)指數(shù)是在前人研究[8,11]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整得來的，首先利用下游站點(diǎn)的年輸沙量減去上游站點(diǎn)的年輸沙量和該河段引出的泥沙量，這個(gè)差值反映了泥沙在河道的沖淤情況，正值為沖刷，負(fù)值為淤積，然后用河道的這個(gè)沖淤值去除以上游站點(diǎn)的年徑流量，這表示在某一時(shí)間，河道輸送一定的水量時(shí)，所攜帶的泥沙在河道的沖淤量，用輸沙指標(biāo)或稱單位流量的沖淤比λs表示,即:

λs=(Qs,下-Qs,上-Qs,div)/Qw,上

(1)

式中：Qs,下為下游站點(diǎn)的年輸沙量；Qs,上為上游站點(diǎn)的年輸沙量；Qs,div為兩站之間從河道引出的年泥沙量；Qw,上為上游站點(diǎn)的年徑流量。公式(1)的計(jì)算值為負(fù)，表示泥沙在河道里發(fā)生了淤積，計(jì)算值為正表示河道內(nèi)的泥沙受到了沖刷。

為分析河道輸沙能力隨時(shí)間的變化，對(duì)河道沖淤比λs進(jìn)行累積，點(diǎn)繪于圖中，得到每個(gè)河段沖淤比隨時(shí)間變化的累積曲線。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

黃河水利委員會(huì)對(duì)黃河下游河道的斷面及水沙進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，下游干流上有7個(gè)主要水位站：花園口、夾河灘、高村、孫口、洛口、艾山和利津?；▓@口和夾河灘水文站位于游蕩河段內(nèi)，高村和孫口水文站在過渡河段內(nèi)，洛口、艾山和利津?yàn)閺澢佣?。采集了黃河下游7個(gè)水文站1950—2015年逐日平均水位、逐日平均流量、逐日平均含沙量和實(shí)測(cè)大斷面等資料，部分年份存在缺失。

平灘流量是指某一斷面的水位與該斷面灘唇齊平時(shí)該斷面所通過的流量,它是河道主河槽過流能力的重要指標(biāo)。平灘流量的計(jì)算方法分為3步:第1步是確定各個(gè)水文站所在斷面每年汛后的灘唇高程，第2步是利用逐日水位和逐日流量數(shù)據(jù)建立該斷面當(dāng)年的水位—流量關(guān)系,第3步是根據(jù)汛后灘唇高程值在水位—流量擬合的關(guān)系曲線上查找該高程值對(duì)應(yīng)的流量值,即為平灘流量值。平灘流量只是反映河道輸送水流的基本能力，不代表最大或最小平灘流量。

輸沙能力反映的是兩個(gè)水文站之間河段的沖淤，因而，依據(jù)7個(gè)水文站將研究區(qū)分為6段：花園口—夾河灘、夾河灘—高村、高村—孫口、孫口—洛口、洛口—艾山和艾山—利津。利用每一河段上下兩個(gè)水文站的輸沙量及該河段引出的泥沙量計(jì)算出某一河段的沖淤量，再利用沖淤量除以上游水文站的年徑流量得到輸沙比值。

黃河下游長(zhǎng)期處于淤積狀態(tài)，分析研究期內(nèi)的沖淤狀態(tài)有利于河道排洪輸沙能力的分析，這里以4 000 m3/s這一流量值對(duì)應(yīng)的水位來衡量各河段的沖淤情況，并將所有年份4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)水位點(diǎn)繪于圖中，進(jìn)而分析不同河段的沖淤隨時(shí)間的變化。4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)的水位需要通過水位和流量數(shù)據(jù)擬合取得，由于洪水主要發(fā)生于7—10月，因而用7—10月4個(gè)月的逐日水位和逐日流量進(jìn)行擬合，獲得4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)的水位。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河下游1950-2015年基本排洪能力的變化

黃河下游的平灘流量具有以下特性：一是不同站點(diǎn)的平灘流量大致相當(dāng)，不存在明顯差異，在時(shí)間上存在明顯變化，可以分為5個(gè)階段(圖1)：第1階段是1964年以前，三門峽水庫(kù)建設(shè)前及運(yùn)行初期，徑流量較高，最大平灘流量超過8 000 m3/s；第2階段是1965—1974年，三門峽水庫(kù)的運(yùn)行方式調(diào)整為蓄清排渾，平灘流量逐漸減小，最小減至4 000 m3/s以下，基本上與三門峽水庫(kù)運(yùn)行方式調(diào)整為“滯洪排沙”這一階段相對(duì)應(yīng)；第3階段是1975—1985年，在此期間平灘流量出現(xiàn)了波動(dòng)增大，增加到6 500 m3/s以上；第4階段是1986—2002年，又開始逐漸減小，降至2 500 m3/s左右；第5階段為2003年以后，隨著調(diào)水調(diào)沙的開展，平灘流量又有所增大，恢復(fù)至4 000 m3/s附近?？傮w變化是逐漸降低的，3個(gè)峰值分別為1964年、1985年和2013年，3個(gè)谷底為1957年、1974年和2002年，都是呈階梯型減少。第2和第4階段的持續(xù)性減小都是由于降水偏枯造成的,第5階段平灘流量的升高主要是通過小浪底單庫(kù)及其與上方水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的方式來調(diào)水調(diào)沙，利用洪水沖刷河道，使得下游各斷面都得到?jīng)_刷，提高了下游整體的排洪能力。可見，以平灘流量作為黃河下游排洪基本能力的指標(biāo)，反映出黃河下游的基本排洪能力是呈階段性減弱的，尤其是1997—2007年期間，平灘流量低于3 500 m3/s，不利于大于4 000 m3/s及更大級(jí)別洪水的輸送。

圖1 1950-2015年黃河下游平灘流量隨時(shí)間的變化

3.2 1950-2015年黃河下游漫灘洪水的時(shí)空演變

平灘流量只是反映河道的基本排洪能力，黃河下游發(fā)生的洪水都高于這個(gè)平灘流量，為分析黃河下游漫灘洪水的時(shí)空演變，將黃河下游每個(gè)站點(diǎn)年內(nèi)發(fā)生漫灘洪水的日平均流量進(jìn)行累加，逐年計(jì)算得到1950—2015年每一年發(fā)生漫灘洪水的累積日平均流量，計(jì)算所得的值列于表1中。漫灘洪水主要發(fā)生在3個(gè)階段，1959年以前、1964—1985年和2002—2013年。中間夾雜兩個(gè)明顯的空缺時(shí)段：1960—1963年和1978—1980年，以及一個(gè)漫灘洪水發(fā)生很少的時(shí)段：1986—2001年。1959年以前的漫灘洪水為上小下大型，從游蕩段到過渡段再到彎曲河段的漫灘流量是逐漸增大的，1964—1977年的漫灘洪水以上小下大型為主，1981年以后發(fā)生漫灘洪水的流量在不同河段間差異不大?？梢姡┖樗彩请A段性減少，并逐漸向全河段具有大致相當(dāng)?shù)穆┝髁堪l(fā)展。

3.3 1950-2015年黃河下游輸沙能力的時(shí)空演變

根據(jù)黃河下游干流上主要站點(diǎn)1950—2015年含沙量的累積沖淤值來判斷不同河段的輸沙能力，從累積曲線看(圖2)，黃河下游河段的輸沙能力隨時(shí)間變化以減弱為主，游蕩段的花園口—夾河灘、夾河灘—高村兩個(gè)河段的輸沙能力隨時(shí)間的變化基本一致，花園口—夾河灘段在2000年以前都是逐漸減小，從1960年的-3.24 kg/m3逐漸降低到-85.71 kg/m3，2000年以后略有增強(qiáng)，至2015年回升到-66.3 kg/m3；夾河灘—高村段逐漸從1960年的-3.54 kg/m3降低到2002年的-73.9 kg/m3，之后略微升高，到2015年為-65.91 kg/m3；高村—孫口段從1952年的0.02 kg/m3降至2002年的-45.67 kg/m3，之后基本保持在這一水平，孫口—艾山段是唯一在研究期內(nèi)輸沙能力保持正值的河段，1950—1964年逐漸增強(qiáng)，之后到1980年逐漸減弱，而后至2015年在震蕩中攀升。艾山—洛口段的輸沙能力隨時(shí)間的變化最小，只是有略微的減小，洛口—利津段在1998年以前變化也不明顯，之后突然開始減弱，到2002年減小到-29.3 kg/m3，之后的起伏較小。說明黃河下游河段的輸沙能力在空間基本可以分為兩段：花園口—孫口水文站之間的上段和孫口—利津水文站之間的下段，上段的輸沙能力隨時(shí)間以減弱為主，下段的輸沙能力隨時(shí)間的變化較微弱。在時(shí)間上也可以分為兩個(gè)時(shí)期：2000年以前，上段以減弱為主，下段變化較??；2000年之后上段略有增加，下段略有減弱，可見，2000年前后是河道沖淤轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

表1 黃河下游干流水文站漫灘洪水累積日平均流量 萬m3/s

注：“—”代表未發(fā)現(xiàn)。

3.4 黃河下游排洪輸沙能力變化的影響因素

影響黃河下游排洪輸沙能力最為直接的因素為：上中游來水來沙的變化和下游河道隨水沙變化的調(diào)整。上中游來水來沙需要通過下游河道輸送，輸送水沙的過程就是排洪輸沙的過程，在排洪輸沙過程中，洪水和泥沙又會(huì)影響河道，洪水沖刷河道使河道加深，有利于更多徑流和泥沙的輸送，或者泥沙淤積于河道，使河道變得寬淺，阻礙后期洪水和泥沙的輸送。

圖2 黃河下游各河段輸沙能力隨時(shí)間的變化

3.4.1 上中游來水來沙的變化 從平灘流量與花園口站年徑流量的關(guān)系來看(圖3)，兩者存在強(qiáng)相關(guān)，平灘流量與年徑流量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.77，隨時(shí)間的變化也具有相似性，平灘流量和年徑流量?jī)烧叨即嬖陔S時(shí)間減少的趨勢(shì)，差異表現(xiàn)在花園口站年徑流量的年際間波動(dòng)較大，使得曲線起伏較大，而平灘流量的年際波動(dòng)較小，曲線更為平滑，這是由于平灘流量具有一定的繼承性，前期較大洪水會(huì)形成更大的平灘流量，而緊隨其后的年份即使出現(xiàn)較小的徑流量，河道依然能保持較大的平灘流量。也就是說，平灘流量依賴于上中游徑流的塑造，但河道本身能保持對(duì)前期的繼承性，但總體趨勢(shì)是一致的?；▓@口水文站的含沙量以2000年為界分為明顯的兩個(gè)時(shí)段，在2000年以前含沙量較高，多年平均年含沙量為26.57 kg/m3,自2000年開始，含沙量急劇降低，多年平均值為3.81 kg/m3，這個(gè)突變與河道的沖淤突變是完全一致的?？梢?，降低含沙量才能實(shí)現(xiàn)黃河下游河道的沖刷。

圖3 花園口站1950-2015年水沙的變化

3.4.2 下游河道的調(diào)整 黃河的來水明顯減少，但含沙量并未明顯減少，在2000年以前都明顯較高，僅在20世紀(jì)60年代前期和80年代前期存在兩個(gè)明顯的低值時(shí)段，2000年之后突然減少，進(jìn)入一個(gè)低含沙量時(shí)段(圖4)。高含沙量使得河床淤積，不斷抬高，這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。以4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)的水位來看，黃河下游河床在2000年以前整體都在抬升，花園口站從1958—2000年升高了1.88 m，夾河灘站從1953—2002年升高了3.35 m，高村站從1950—2000年升高了4.19 m，孫口站從1952—2003年升高了4.05 m，艾山站從1952—2001年升高了3.93 m，洛口站從1958—2003年升高了4.46 m，利津站從1951—2001年升高了2.68 m。從升高的程度來看，位于上段的花園口和尾端的利津升高的幅度遠(yuǎn)低于夾河灘—洛口河段，升高的幅度也說明河道淤積主要發(fā)生在夾河灘至洛口之間。在實(shí)施調(diào)水調(diào)沙后，河道開始沖刷，4 000 m3/s對(duì)應(yīng)的水位逐漸下降，從上至下，到2015年，各站點(diǎn)的水位分別降至92.20，72.86，61.52，47.96，41.01，29.86，13.00 m，與2000年的4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)的水位相比，分別下降了2.13，2.93，2.61，1.06，1.69，1.75，1.39 m?；▓@口和夾河灘基本回到了50年代的水位，而下游站點(diǎn)的水位回到最初的水平還有一些差距，這說明調(diào)水調(diào)沙對(duì)于高村以上河段的效果較好，而高村以下河段的沖刷少于上段，高村以下的排洪輸沙壓力也高于高村以上河段。

從1950—2015年黃河下游主要站點(diǎn)4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)水位之間的相關(guān)系數(shù)也可以看出(表2)，花園口僅與夾河灘和高村之間具有強(qiáng)相關(guān)，而與其他站點(diǎn)間的相關(guān)性差一些，夾河灘也存在類似情形，與高村的相關(guān)性最好，與其他站點(diǎn)間的相關(guān)性略差。高村及以下河段站點(diǎn)間的相關(guān)性都很強(qiáng)，說明它們之間的變化具有很好的一致性。主要站點(diǎn)4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)水位相關(guān)系數(shù)矩陣說明黃河下游的沖淤也是以高村站為界，高村以上的花園口、夾河灘和高村3個(gè)水文站之間的沖淤具有較好的一致性，高村以下的孫口、洛口、艾山和利津4個(gè)水文站之間的沖淤具有更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，與輸沙能力在空間上的差異分析是完全一致的。

圖4 1950-2015年黃河下游干流主要站點(diǎn)4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)水位隨時(shí)間的變化

表2 1950-2015年黃河下游干流主要站點(diǎn)4 000 m3/s流量對(duì)應(yīng)水位之間的相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

新中國(guó)建立以來，黃河下游經(jīng)歷了嚴(yán)重的淤積，隨著對(duì)黃河下游水沙輸送認(rèn)識(shí)的提高，上中水庫(kù)的建設(shè)、中游水土保持工作的全面開展，進(jìn)入黃河下游的水沙發(fā)生了明顯的變化，水庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)行方式都是影響黃河下游的重要因素，水庫(kù)的運(yùn)用對(duì)進(jìn)入下游水沙的影響分為兩個(gè)方面：一是對(duì)洪峰的削減；二是攔蓄了大量的水沙。在20世紀(jì)50年代末期及60年代初期，主要受三門峽水庫(kù)的影響，三門峽水庫(kù)蓄水階段，下游的平灘流量是增大的，轉(zhuǎn)入滯洪排沙后開始逐漸減小，之后轉(zhuǎn)為蓄清排渾，平灘流量又有所提升，這種狀態(tài)持續(xù)到1986年龍羊峽水庫(kù)的下閘蓄水，中間夾雜著1974年劉家峽水庫(kù)的影響，可見，黃河下游排洪能力隨時(shí)間變化的節(jié)點(diǎn)與各水庫(kù)的建設(shè)使用是完全對(duì)應(yīng)的。含沙量的變化存在兩個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)：1979年和1999年。1979年是水土保持措施在黃河中游效果凸顯的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，1999年是黃河中游實(shí)施退耕還林還草開始實(shí)施的時(shí)間點(diǎn)。前一時(shí)間節(jié)點(diǎn)部分的與水量減少相疊合，并未使得含沙量明顯減少，而第2個(gè)時(shí)間點(diǎn)后，進(jìn)入黃河下游的泥沙明顯減少，使得含沙量明顯降低，形成相對(duì)大的水量攜帶更少泥沙的局面，引起了河道的沖刷，提高了河道的排洪輸沙能力。

由于河道的淤積抬升和持續(xù)萎縮，下游河道的排洪輸沙能力不斷降低，對(duì)水沙的調(diào)控提出越來越高的要求，經(jīng)過21世紀(jì)初期10余年的水沙調(diào)控，黃河下游的淤積問題得到了部分緩解，但問題遠(yuǎn)未解決，排洪輸沙依然是黃河下游河道平衡和大堤內(nèi)外生產(chǎn)生活安全的主要問題。對(duì)黃河下游排洪和輸沙時(shí)空演變的分析發(fā)現(xiàn)：(1) 黃河下游河道各河段具有相似的平灘流量，在空間上，基本排洪能力是相當(dāng)?shù)?；在時(shí)間變化上具有一致性，受徑流豐枯和水庫(kù)運(yùn)用的影響，黃河下游的平灘流量呈階段性減小，至20世紀(jì)末21世紀(jì)初降至最低點(diǎn)，之后有所增加。(2) 1950—2015年，黃河下游的輸沙能力在高村以上河道在20世紀(jì)后期逐漸降低，21世紀(jì)有所提高，高村以下河段的輸沙能力變動(dòng)較小。(3) 排洪能力的減小既有上游水沙波動(dòng)的影響，又有水庫(kù)建設(shè)使用的影響，2000年以前受上游水沙波動(dòng)影響較大，2000年以后輸沙能力的影響主要是小浪底水庫(kù)的使用，小浪底投入使用前，含沙量都保持比較高的水平，小浪底投入使用后，含沙量急劇降低，利用大流量的低含沙洪水對(duì)下游河道進(jìn)行了沖刷，降低了河床的高度，提高了排洪輸沙的能力，但高村以上河道的沖刷比高村以下河段的沖刷更明顯，提高黃河下游整體的排洪輸沙能力仍是未來河道整治的重點(diǎn)。