李新杰 郜國明 朱亮

摘 要：為了掌握黃河下游水沙關(guān)系變化趨勢，基于黃河中游潼關(guān)站58 a的入庫水沙量資料，采用P-Ⅲ型曲線建立徑流量與輸沙量的頻率曲線，通過保證率對(duì)黃河下游的水量和沙量進(jìn)行豐平枯劃分，進(jìn)一步提出了潼關(guān)站水沙協(xié)調(diào)度的定義和判別方法。結(jié)果表明：進(jìn)入黃河下游水量和沙量豐平枯變化趨勢基本一致，整體呈現(xiàn)出下降趨勢，近10 a來水量在個(gè)別年份有向偏豐發(fā)展的趨勢，而沙量有進(jìn)入特枯的趨勢;在58 a的水沙過程中，水沙協(xié)調(diào)度由水少沙多的搭配關(guān)系向水多沙少的搭配關(guān)系轉(zhuǎn)變，特別是1997年以后，這一趨勢更加明顯。

關(guān)鍵詞：頻率曲線;水沙關(guān)系;協(xié)調(diào)度;黃河

中圖分類號(hào)：TV62;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.009

Abstract： In order to know the change rules of water and sediment relations， the P-Ⅲ curve was adopted to establish the runoff and sediment discharge frequency curve based on the measured data of 58 years of Tongguan Hydrologic Station. The Yellow River watershed was divided into high， medium and low flow years by guarantee ratio， the definition and computing methods of coordination degrees in relationship between the runoff and sediment were proposed. The results show that the variation trend of annual runoff volume has the similar variation tendency to the annual sediment discharge and the overall trend has been falling. In recent 10 years， the runoff is in an increasing tendency while the sediment is continuously decreased. The coordination degree of water and sediment has been changed from the collocation relationship of less water and more sediment to the collocation relationship of more water and less sediment. Especially after 1997， this trend has become more obvious.

Key words： frequency curve; water and sediment relations; coordination degrees; Yellow River

1 引 言

人類活動(dòng)的增加以及自然環(huán)境的改變，造成流域水資源、流域地貌及其生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化，河流水沙量在年內(nèi)和年際也發(fā)生了根本性的變化[1]。水沙演變趨勢則是影響流域水沙調(diào)控及流域生態(tài)平衡的重要因素，也影響著下游河道演變及河勢穩(wěn)定[2-4]。全面了解河流水沙的時(shí)空分布及其變化規(guī)律，探索流域水沙動(dòng)力系統(tǒng)、變化規(guī)律及協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，對(duì)河流綜合治理和水沙調(diào)控體系建設(shè)具有重要意義[5-6]。

作為典型的多沙河流，黃河中下游水沙關(guān)系特征、演變規(guī)律及發(fā)展趨勢一直是研究的熱點(diǎn)，并獲得了豐富的成果[7-8]。近期雖然認(rèn)識(shí)到黃河水沙發(fā)生了顯著變化，但是對(duì)進(jìn)入黃河下游水沙量缺少明確的量化標(biāo)準(zhǔn)，沒有可以量化水沙變化過程的判別指標(biāo);高效輸沙的洪水組合也有待于從水沙頻率和水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度的角度進(jìn)一步細(xì)化，未來水沙發(fā)展趨勢有待深入研究[9-11]。

距離三門峽水庫約120 km的潼關(guān)水文站是具有長期觀測資料的水文控制站，其水沙量可代表進(jìn)入黃河中下游的水量和沙量。對(duì)潼關(guān)站徑流量及沙量進(jìn)行豐平枯劃分，可以作為黃河下游水沙調(diào)控的重要依據(jù)。通常利用多年徑流量序列對(duì)流域豐平枯進(jìn)行劃分，筆者統(tǒng)計(jì)潼關(guān)站58 a的水沙量資料，通過建立水量和沙量頻率曲線，對(duì)潼關(guān)進(jìn)入下游的水量和沙量的豐、平、枯年進(jìn)行劃分，探討潼關(guān)站來水來沙量豐平枯特點(diǎn)和水沙組合的特征，提出水沙協(xié)調(diào)度的定義和判別方法，反映出黃河下游水沙之間的內(nèi)在規(guī)律和演變趨勢，為調(diào)水調(diào)沙分區(qū)調(diào)度提供技術(shù)支撐。

2 頻率曲線理論

目前，河流洪水流量計(jì)算主要使用P-Ⅲ型頻率曲線，年徑流量序列一般服從P-Ⅲ型概率分布。劃分方法是對(duì)水量從小到大進(jìn)行排序，然后計(jì)算各年水量對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)頻率序列，滿足徑流序列的相互獨(dú)立性和服從同分布的特性，建立P-Ⅲ型分布曲線，然后依據(jù)原型資料與計(jì)算頻率曲線驗(yàn)證其擬合程度，在滿足精度要求的前提下，確定徑流頻率曲線的合理性。通過不同的保證率，確定豐平枯水（沙）年劃分標(biāo)準(zhǔn)。河川徑流按照豐平枯可劃分為5大類，見表1[12]。

由于受洪水量級(jí)、水庫水位、河道比降、泥沙粒徑及來源等因素影響，河道徑流量和輸沙量之間的關(guān)系復(fù)雜，因此可以認(rèn)為輸沙量頻率分布與徑流量頻率分布類似[13]。由于水沙關(guān)系是密切相關(guān)的，因此輸沙量的豐平枯劃分也可以采用表1的標(biāo)準(zhǔn)。利用經(jīng)驗(yàn)頻率的保證率劃分輸沙量的頻率曲線，有利于分析徑流量頻率與輸沙量頻率之間的關(guān)系[14-15]。

通過計(jì)算徑流資料序列的、CV、CS、α、β、b，就可以確定徑流量的P-Ⅲ型概率密度分布函數(shù)，得到連續(xù)的頻率序列，根據(jù)計(jì)算出來的經(jīng)驗(yàn)頻率和相應(yīng)的實(shí)測資料，得到與實(shí)測資料擬合較好的理論頻率曲線。

3 頻率分析

筆者利用黃河中游潼關(guān)站1961—2018年58 a的長序列水沙資料，建立徑流量和輸沙量的P-Ⅲ型頻率曲線，如圖1和圖2所示。

根據(jù)表1的劃分原則，得到58 a水量（WQ）和沙量（WS）序列的豐平枯水（沙）年的劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表2和表3。

對(duì)進(jìn)入黃河中下游水量和沙量豐平枯進(jìn)行劃分，結(jié)果如圖3所示。其中，縱軸中1為特枯水（沙）年，2為偏枯水（沙）年，3為平水（沙）年，4為偏豐水（沙）年，5為特豐水（沙）年。

由圖3可知，進(jìn)入黃河中下游水量和沙量豐平枯變化趨勢基本一致，整體呈現(xiàn)出下降趨勢，且分別以1985年和2000年為分界線，在1985年之前總體表現(xiàn)為豐水豐沙年，在1985—2000年表現(xiàn)為平水平沙年，2000年后則表現(xiàn)為枯水枯沙年。近10 a來水量在個(gè)別年份有向偏豐發(fā)展的趨勢，而沙量有進(jìn)入特枯的趨勢。

4 水沙協(xié)調(diào)度

對(duì)潼關(guān)站而言，水沙協(xié)調(diào)有兩層含義：第一層是針對(duì)黃河上游水沙協(xié)調(diào)度而言，我們認(rèn)為同頻的水沙過程是協(xié)調(diào)的，以來水來沙豐平枯的頻率一致程度來表征;第二層是針對(duì)黃河下游水沙協(xié)調(diào)度而言，我們認(rèn)為維持下游河道沖淤相對(duì)平衡的水沙關(guān)系是協(xié)調(diào)的，從年平均含沙量相對(duì)平衡輸沙含沙量的偏離程度來表征。水沙協(xié)調(diào)度Di定義如下：

Di=d1i （第i年針對(duì)黃河上游的水沙協(xié)調(diào)度，i=1，2，…，n）

d2i （第i年針對(duì)黃河下游的水沙協(xié)調(diào)度，i=1，2，…，n）（11）

4.1 針對(duì)黃河上游的水沙協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)圖1和圖2建立的徑流量和輸沙量頻率曲線，定義針對(duì)黃河上游的水沙協(xié)調(diào)度為

d1i=Pqi-Psi（12）

式中：Pqi為第i年的徑流量出現(xiàn)的頻率;Psi為第i年的輸沙量出現(xiàn)的頻率，i=1，2，…，n。

統(tǒng)計(jì)潼關(guān)站58 a的水沙協(xié)調(diào)度，如圖4所示。2004年之前，針對(duì)黃河上游的水沙協(xié)調(diào)度在[-0.4，0.4]之間呈現(xiàn)出類周期性的波動(dòng)，2005年以后，針對(duì)黃河上游的水沙協(xié)調(diào)度為負(fù)，并且波動(dòng)范圍為[-0.6，0]，波動(dòng)幅度較大，表現(xiàn)為相對(duì)的水多沙少的趨勢。

4.2 針對(duì)黃河下游的水沙協(xié)調(diào)度分析

許炯心通過研究1950—1985年的274場洪水資料，認(rèn)為當(dāng)場次洪水的平均含沙量小于34.02 kg/m3時(shí)，下游河道可以不淤[18];曹文洪通過分析1950—1999年的實(shí)測水沙資料得出，黃河下游不淤的臨界年均含沙量為19.50 kg/m3[19]。綜合以上成果，認(rèn)為區(qū)間[19.50，34.02]是黃河下游高效輸沙的含沙量范圍，即當(dāng)年平均含沙量小于19.50 kg/m3時(shí)下游河道沖刷，當(dāng)年平均含沙量大于34.02 kg/m3時(shí)下游淤積。

當(dāng)協(xié)調(diào)度d2i在區(qū)間[-0.5，0.5]內(nèi)時(shí)，表示水沙協(xié)調(diào)，下游河道不沖不淤，實(shí)現(xiàn)了高效輸沙;當(dāng)協(xié)調(diào)度d2i>0.5時(shí)，表示進(jìn)入下游河道的水少沙多，含沙量偏高，下游河道淤積;當(dāng)協(xié)調(diào)度d2i<-0.5時(shí)，表示進(jìn)入下游河道的水多沙少，含沙量偏低，下游河道沖刷。統(tǒng)計(jì)1961—2018年針對(duì)黃河下游的水沙協(xié)調(diào)度，如圖6所示。

圖6中紅線之間的區(qū)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)下游河道不沖不淤的協(xié)調(diào)水沙關(guān)系區(qū)域，水沙協(xié)調(diào)性分3個(gè)階段：1978年之前，水沙協(xié)調(diào)度偏大，進(jìn)入下游的水沙關(guān)系表現(xiàn)為水少沙多;1979—2004年期間，水沙協(xié)調(diào)度逐漸減小;2005年之后，協(xié)調(diào)度小于-0.5，并有逐漸減小的趨勢，進(jìn)入下游的水沙關(guān)系表現(xiàn)為相對(duì)的水多沙少，下游河道表現(xiàn)為全線沖刷，這與實(shí)際比較吻合。

4.3 水沙協(xié)調(diào)度分析

根據(jù)正態(tài)分布的“3σ”原則，分別對(duì)水沙協(xié)調(diào)度d1i、d2i進(jìn)行正態(tài)分布區(qū)間的劃分和分級(jí)，見表6。統(tǒng)計(jì)得到潼關(guān)站1961—2018年水沙協(xié)調(diào)度Di分布區(qū)間如圖8所示。

從圖8中可以看出，在58 a的水沙過程中，針對(duì)上游的水沙協(xié)調(diào)度有35 a處于第一等級(jí)，有21 a處于第二等級(jí)，僅有2 a處于第三等級(jí)，可認(rèn)為處于極不協(xié)調(diào)狀態(tài)，分別為2012年（年徑流量359.06億m3、輸沙量2.08億t）和2018年（年徑流量414.67億m3、輸沙量3.73億t）。從趨勢上看整體平穩(wěn)，但近年來極端水多沙少的年份偶有發(fā)生。

針對(duì)下游的水沙協(xié)調(diào)度中，有36 a處于第一等級(jí)，有20 a處于第二等級(jí)，有2 a處于第三等級(jí)。分析其總體變化趨勢，也是由水少沙多的搭配關(guān)系向水多沙少的搭配關(guān)系轉(zhuǎn)變，特別是1997年以后，這一趨勢更加明顯，1997—2007年，潼關(guān)站水沙關(guān)系相對(duì)下游來說相對(duì)協(xié)調(diào)，形成了小浪底水庫的持續(xù)淤積和下游河道的普遍沖刷，2007年以后，潼關(guān)站來沙量進(jìn)一步減少，水沙關(guān)系呈現(xiàn)出水多沙少的新變化，此時(shí)則更有可能在水庫減少淤積和下游河道維持中水河槽之間求得更理想的平衡關(guān)系。

5 結(jié) 語

從保證率法的角度分別建立了水量頻率和沙量頻率計(jì)算曲線，確定了黃河下游來水來沙量豐平枯水（沙）的劃分標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上提出了潼關(guān)站水沙協(xié)調(diào)度指標(biāo)的定義和計(jì)算方法，從宏觀角度研究不同級(jí)別來水來沙量協(xié)調(diào)程度的發(fā)展趨勢，明晰了自2007年后進(jìn)入黃河下游水沙協(xié)調(diào)度發(fā)生的新轉(zhuǎn)變，為黃河小浪底水庫近期排沙調(diào)度提供有效的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡春宏，張曉明.黃土高原水土流失治理與黃河水沙變化[J].水利水電技術(shù)，2020，51（1）：1-11.

[2] 張歐陽，熊明.漢江中下游近60年最小流量變化及影響因素分析[J].人民長江，2017，48（增刊2）：89-92，98.

[3] 連煜.堅(jiān)持黃河高質(zhì)量生態(tài)保護(hù)，推進(jìn)流域高質(zhì)量綠色發(fā)展[J].環(huán)境保護(hù)，2020，48（增刊1）：22-27.

[4] 江恩慧，王遠(yuǎn)見，李軍華，等.黃河水庫群泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究與展望[J].治黃科技信息，2019（5）：6-10.

[5] 蘇中海，陳偉忠.近60年來長江源區(qū)徑流變化特征及趨勢分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016，32（34）：166-171.

[6] 劉彥，張建軍，張巖，等.三江源區(qū)近數(shù)十年河流輸沙及水沙關(guān)系變化[J].中國水土保持科學(xué)，2016，14（6）：61-69.

[7] 張紅武，李振山，安催花，等.黃河下游河道與灘區(qū)治理研究的趨勢與進(jìn)展[J].人民黃河，2016，38（12）：1-10，23.

[8] 田勇，屈博，李勇，等.黃河下游灘區(qū)治理研究與展望[J].人民黃河，2019，41（2）：14-19.

[9] 王煜，彭少明，鄭小康.黃河流域水量分配方案優(yōu)化及綜合調(diào)度的關(guān)鍵科學(xué)問題[J].水科學(xué)進(jìn)展，2018，29（5）：614-624.

[10] 張金良，郜國明.關(guān)于建立黃河泥沙頻率曲線問題的探討[J].人民黃河，2003，25（12）：17-18.

[11] 張紅武，方紅衛(wèi)，鐘德鈺，等.寧蒙黃河治理對(duì)策[J].水利水電技術(shù)，2020，51（2）：1-25.

[12] 水利部.水文基本術(shù)語和符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50095—2014[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014：117.

[13] 林沫，劉穎，叢遠(yuǎn)飛，等.松遼流域主要河流水沙規(guī)律分析[J].東北水利水電，2009，27（12）：40-42，72.

[14] 徐宇程，朱首賢，張文靜，等.長江大通站徑流量的豐平枯水年劃分探討[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2018，35（6）：19-23.

[15] 高建峰，任健美，胡彩虹.汾河水庫以上流域徑流變化與洪水頻率分析[J].中國沙漠，2009，29（3）：577-582.

[16] 代昌龍，代穩(wěn).頻率曲線在荊江三口輸沙量計(jì)算中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2017，23（4）：24-27.

[17] 黃繼文.P-Ⅲ型分布頻率分析在Excel中的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J]水資源研究，2006（4）：7-9.

[18] 許炯心.黃河下游洪水的輸沙效率及其與水沙組合和河床形態(tài)的關(guān)系[J].泥沙研究，2019，34（4）：45-50.

[19] 曹文洪.黃河下游水沙復(fù)雜變化與河床調(diào)整的關(guān)系[J].水利學(xué)報(bào)，2004，35（11）：1-6.

【責(zé)任編輯 張 帥】