彭 俊，凌 敏，俞珊妮，趙宇杰，高 靜

河流地貌形成的主要地表過程就是泥沙侵蝕、搬運和沉積的過程，在此過程中塑造出各種沉積體系，如寬廣的泛濫平原和河口三角洲。然而，泥沙沉降會造成河道輸沙功能減弱，水庫庫容量減少和湖泊調(diào)水能力喪失，使河流體系發(fā)生改變，特別是河口沉積體系。河口作為海陸之間的連接通道，是陸源物質(zhì)向海洋輸送的主要窗口，河流輸送入海泥沙中含有各種對河口及海洋生態(tài)系統(tǒng)有用的元素，如N、P、K、Fe和有機碳等[1-2]。而且，河流入海泥沙是地球系統(tǒng)中泥沙循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是河口區(qū)泥沙輸移、河口地貌塑造以及岸灘演變的主要影響因子。Milliman等[3]估算全球入海泥沙年通量達到200億噸，對河流入海泥沙過程的研究以及氣候變化和人類活動對流域輸沙量的影響也受到越來越多的關(guān)注[4-7]。人類活動的日益增強(如水庫或大壩建設(shè)、流域引水引沙、土地改造以及造林和毀林)已極大的改變了全球河流系統(tǒng)，全球很多河流入海沙量都呈顯著的減少趨勢，如美國科羅拉多河和密西西比河[8]，西班牙Ebro河[9]以及中國長江[10]和黃河[11]。

目前，我國學者對長江[12]，黃河[13]，珠江[14]，淮河[15]和金沙江[16]等河流的水沙變化已進行過研究。黃河作為中國第二大河流，在過去幾千年的年均輸沙量達到10.8 億噸[17]，而根據(jù)錢寧等[18]研究，1919—1960年年均輸沙量高達16億噸，其中年均入海輸沙量為12億噸，這個量是估算的世界河流入海泥沙通量的6%[3]。但是，1950—2014年黃河年均徑流量僅有302億m3，大致相當于長江的3.38%，而年均輸沙量卻是長江的1.87倍。由于黃河獨特的水沙特征，了解其水沙變化將有助于提高對河道演變、河口生態(tài)學和三角洲演變以及河流管理的認識。

1950年以來，由于氣候變化和人類活動的影響，黃河流域輸沙量開始逐漸減少，至2000—2014年年均入海沙量僅為1.33億噸，相當于全新世中期的水平[19-21]。黃河入海沙量的大量減少以及河流營養(yǎng)物質(zhì)和總?cè)芙夤腆w量的減少[22]，對鄰近河口的沿海區(qū)和渤海有著極為深遠的物理、生態(tài)和地質(zhì)地貌影響，渤海沿岸的生態(tài)系統(tǒng)已遭受重大的改變[23-24]。因此，本文基于1950—2014年黃河流域頭道拐、花園口和利津三個水文站的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，分析流域徑流量和輸沙量的變化過程，定量估算氣候變化和人類活動對流域輸沙量的影響程度，探討下游河道的沖淤變化過程及其與進入下游的水沙條件之間的關(guān)系。

1 流域概況

黃河發(fā)源于青藏高原，向東流經(jīng)黃土高原和華北平原，在山東省墾利縣注入渤海。干流全長為5464 km，流域面積約751869km2(未包括內(nèi)流區(qū))，具有不同地貌和氣候特征(圖1)。上游從源頭至頭道拐站，長度為3471km，面積約367898km2，主要為青藏高原地區(qū)，海拔高度從約4480m下降到約1000m，氣候為干旱氣候，年均降雨量為395mm。中游從頭道拐站至花園口站，長度為1206km，面積約362138km2，為黃土高原地區(qū)，海拔高度從約1000m下降到95m，有相當多的支流匯入，氣候為干旱—半干旱氣候，年降雨量為516mm。下游從花園口站至利津站，長度為786km，面積約21833km2，為強烈堆積的沖積性平原區(qū)，兩岸修建了長約1371km的大堤以束縛水流。河床灘面一般高出堤防背河地面3m～7m，個別河段達到10m以上，氣候為濕潤氣候，年均降雨量為648mm。利津站為河流入海水沙控制站。

圖1 黃河流域示意圖

2 數(shù)據(jù)來源

本文所用的黃河干流主要水文站(頭道拐站、花園口站和利津站)的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，時間序列為1950—2014年，數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會及其發(fā)布的《黃河泥沙公報》。工農(nóng)業(yè)引沙量、水庫(三門峽、小浪底水)沖淤量以及下游河道沖淤量數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會及其發(fā)布的《黃河泥沙公報》，流域降水量數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會及其發(fā)布的《水資源公報》，時間序列為1950—2014年。

3 流域水沙的變化特征

1950—2014年黃河流域頭道拐、花園口和利津水文站的年徑流量和年輸沙量都呈減少的變化趨勢(圖2)，且輸沙量的減少趨勢更為顯著。根據(jù)流域上各水文事件發(fā)生時間及水沙變化特征，將流域水沙變化過程劃分為4個階段，即1950—1968年為第1階段，1969—1985年為第2階段，1986—1999年為第3階段和2000—2014年為第4階段(圖2和表1)。

圖2 黃河流域水沙的變化過程

1950—1968年頭道拐站多年平均輸沙量為1.73億噸，1968年劉家峽水庫建成后蓄水攔沙，1969—1985年多年平均輸沙量減少到1.11億噸，占第1階段的65%；1985年龍羊峽水庫建成后，1986—1999年多年平均輸沙量減少到0.47億噸，占第1階段的27%；2000—2014年多年平均輸沙量與1986—1999年相當，為0.45億噸，占第1階段的26%。中游地區(qū)是流域產(chǎn)沙區(qū)，90%的泥沙產(chǎn)自于此，在人類活動影響下花園口站和利津站輸沙量變化比頭道拐站的更為明顯。1950—1968年花園口站多年平均輸沙量高達15.55億噸，利津站的為12.36億噸。1969—1985年花園口站多年平均輸沙量減少到10.83億噸，利津站的減少到8.40億噸，分別占第1階段的70%和68%，此階段輸沙量的減少主要是1960年三門峽水庫建成后蓄水攔沙。1986—1999年花園口站和利津站多年平均輸沙量分別減少到6.85億噸和3.98億噸，占各自第1階段的44% 和33%，此階段輸沙量的減少主要原因是：(1)1985年龍羊峽水庫下閘蓄水和劉家峽水庫聯(lián)合運用，使中下游徑流量減少，徑流的搬運能力減弱；(2)中游地區(qū)水土保持措施在1970s后期開始生效，多年平均入黃泥沙減少量約3億噸[26]，起到顯著的減沙作用。1999年小浪底水庫開始蓄水，2000—2007年花園口站和利津站多年平均輸沙量分別減少到僅有1.00億噸和1.33億噸，占各自第1階段的6%和11%，此階段利津站多年平均輸沙量和含沙量均比花園口站的要高(表1)，這得益于從2002年開始黃河水利委員會開始實施小浪底調(diào)水調(diào)沙計劃，下游河道發(fā)生沖刷，利津站輸沙量開始增加(圖2c)。

表1 流域各水文站水文要素的多年均值

4 流域輸沙量變化的影響因素

4.1 降水量變化的影響

1950—2014年花園口站以上流域多年平均降水量為455mm。除了1960—1964年三門峽水庫采取“蓄水攔沙”的運行方式外，1978年之前花園口站以上流域降水量的變化趨勢與輸沙量的具有較好的一致性(圖3a)，而且累積降水量和累積輸沙量之間的關(guān)系曲線擬合的也很好(圖3b)。1978年以后，由于水土保持措施開始起到有效的減沙作用，如1973年花園口以上流域降雨量為498mm，花園口站輸沙量為15.80億噸，而1984年降雨量為500mm，輸沙量為8.73億噸，在差不多的降水條件下，輸沙量減少了7.07億噸。1999年小浪底水庫下閘蓄水后，花園口站以上流域降水量呈增加趨勢，而花園口站輸沙量卻進一步減少，這反映出小浪底水庫建設(shè)對輸沙量的影響。

圖3 (a)花園口站以上流域降水量和輸沙量的變化；(b)花園口站以上流域降水量和輸沙量的雙累積曲線

基于以上分析，根據(jù)1950—1978年花園口站以上流域降水量年際變化(△P)與花園口站輸沙量年際變化(△Qs)之間的關(guān)系，估算各個階段流域降水量變化對輸沙量的影響。圖4表明兩者之間呈顯著的線性關(guān)系，方程式為：

圖4 1950—1978年花園口站以上流域△P與△Qs之間的關(guān)系

△Qs= 0.0809△P-0.3537(N=23;R2=0.6862)

(1)

數(shù)據(jù)點的分布主要集中在Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)(圖4)。Ⅰ區(qū)的數(shù)據(jù)表明隨著降水量的增加輸沙量增加，Ⅲ區(qū)的數(shù)據(jù)表明隨著降水量的減少輸沙量減少。Ⅳ區(qū)有3個數(shù)據(jù)點為異常點，表明隨著降水量的增加而輸沙量減少。這種情況發(fā)生的可能原因是，黃河流域產(chǎn)沙區(qū)主要在中游，當降水量集中在上游地區(qū)，中游地區(qū)降水量較少時，就有可能產(chǎn)生這種降水量增加而輸沙量減少的情況。

4.2 人類活動的影響

4.2.1 水土保持措施

黃河中游地區(qū)水土保持與流域治理始于上世紀50年代，在上世紀70年代后期對中游地區(qū)產(chǎn)沙的抑制作用開始顯著生效[26]。流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙是流域降水和下墊面結(jié)合的產(chǎn)物，降水變化會導致流域下墊面改變，從而引起徑流量的變化。而徑流是泥沙輸運的載體，徑流量的變化會引起輸沙量的變化，兩者具有一定的函數(shù)關(guān)系。水土保持措施通過改變流域下墊面，提高地表覆蓋條件，從而影響流域的產(chǎn)流與侵蝕過程。因此，建立流域水沙之間的函數(shù)關(guān)系，可以估算因降水量變化和水土保持措施而引起的輸沙量變化。

花園口站累積徑流量和累積輸沙量之間的關(guān)系曲線擬合如圖5a所示，1999年出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。因此，根據(jù)1950—1999年花園口站徑流量年際變化(△Q)與輸沙量年際變化(△Qs)之間的關(guān)系，估算各個階段水土保持措施對輸沙量的影響(公式2-公式1)。圖5b表明兩者之間呈顯著的線性關(guān)系，方程式為：

圖5 (a)花園口站徑流量和輸沙量的雙累積曲線;(b)花園口站△Q與△Qs之間的關(guān)系

△Qs= 0.033△Q+0.0331(N=44;R2=0.5187)

(2)

4.2.2 工農(nóng)業(yè)引沙量

隨著沿黃生產(chǎn)水平的提高和經(jīng)濟快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)引水量急劇上升，在引水的同時勢必會引走泥沙。1950—1959年黃河流域年均引沙量為2.13億t，1969—1985年為3.03億t，2000—2014年為3.64億t(表2)。

表2 工農(nóng)業(yè)引沙量

4.2.3 水庫建設(shè)

龍羊峽水庫建成后和劉家峽水庫聯(lián)合運用，汛期攔蓄洪水，非汛期泄水，改變了水量年內(nèi)分配，同時攔蓄了蘭州站以上部分泥沙。1968—1997年劉家峽水庫淤積15.47億m3，年均淤積0.53億m3；1986—1997年龍羊峽水庫淤積1.796億m3，年均淤積0.16億m3。

三門峽水庫在運行方式上經(jīng)歷了1960—1964的“蓄水攔沙”，1964—1973的“滯洪排沙”和1973年以來的“蓄清排渾”三個階段。三門峽水庫沖淤量如表3所示，1960—2014年共淤積85.67億t，年均淤積1.56億t，其中1960—1964年淤積59.96億t，占總淤積量的70%；2000—2014年沖刷8.56億t，年均沖刷0.57億t。

1999年小浪底水庫建成后庫內(nèi)的淤積量如表3所示。水庫建設(shè)是為了減緩下游河道淤積，但開始效果并不明顯，甚至出現(xiàn)下游河道上段(花園口—高村)沖刷，下段淤積的局面。2002年黃河水利委員會開始實施調(diào)水調(diào)沙計劃，下游河道才實現(xiàn)全面沖刷。

表3 三門峽水庫沖淤量

4.3 氣候變化和人類活動對輸沙量減少的貢獻

將1950—1959年作為基準期，估算氣候變化和人類活動對輸沙量減少的影響程度(表4)。

表4 各種影響因素的減沙貢獻估算(相對于基準期)

1968—1985年花園口以上流域年均降水量為451mm，比基準期減少18mm，根據(jù)公式(1)估算年均減沙量約1.10億t，占花園口站總減沙量的23%。此階段水土保持措施減沙量約1.51億t，占花園口站總減沙量的31%；工農(nóng)業(yè)引沙量年均增加0.90億t，占花園口站總減沙量的19%；三門峽水庫年均攔沙量0.62億t，占花園口站總減沙量的13%；上游來沙量年均減少0.41億t，占花園口站總減沙量的8%。各種因素年均減沙總量為4.54億t，占花園口站實測年均減沙量4.79億t的95%。

1986—1999年花園口以上流域年均降水量為420mm，比基準期減少49mm，根據(jù)公式(1)估算年均減沙量約3.61億t，占花園口站總減沙量的41%。此階段水土保持措施減沙量約3.32億t，占花園口站總減沙量的38%；工農(nóng)業(yè)引沙量年均增加0.31億t，占花園口站總減沙量的4%；三門峽水庫年均攔沙量1.18億t，占花園口站總減沙量的13%；上游來沙量年均減少1.05億t，占花園口站總減沙量的12%。各種因素年均減沙總量為9.47億t，占花園口站實測年均減沙量8.77億t的108%。

2000—2014年花園口以上流域年均降水量為451mm，比基準期減少18mm，根據(jù)公式(1)估算年均減沙量約1.10億t，占花園口站總減沙量的8%。此階段水土保持措施減沙量約7.51億t，占花園口站總減沙量的51%；工農(nóng)業(yè)引沙量年均增加1.51億t，占花園口站總減沙量的10%；水庫年均攔沙量2.41億t，占花園口站總減沙量的17%，其中三門峽水庫-0.57億t，小浪底水庫2.98億t；上游來沙量年均減少1.07億t，占花園口站總減沙量的7%。各種因素年均減沙總量為13.60億t，占花園口站實測年均減沙量14.62億t的93%。

綜合以上分析，三個時期降水量的平均減沙量約占25%，人類活動的平均減沙量約占75%。人類活動影響因素中最主要的是水土保持措施(減沙量占40%)，不僅減少了流域產(chǎn)沙量，而且減少了進入下游河道的粗顆粒泥沙(D50>0.05mm)；其次是水庫攔沙，減沙量占15%。因此，有理由認為，隨著中游地區(qū)水土保持措施的進行，未來黃河流域輸沙量會進一步減少，這對河口三角洲的發(fā)育極為不利。

5 下游河道對輸沙量變化的響應(yīng)

1960年以前，人類活動對流域水沙的影響較小，進入下游的水沙主要取決于氣候因素；1960年以后，流域干流上水庫建設(shè)以及中游地區(qū)水土保持措施的實施，在很大程度上改變了進入下游的水沙條件(以花園口站含沙量表征)，下游河道的沖淤狀況也隨之而變。1950—2014年下游河道共淤積泥沙39.1億m3，年均淤積0.602億m3。根據(jù)三門峽水庫建成時間及其不同的運行方式以及龍羊峽和小浪底水庫建成時間，將下游河道的沖淤變化過程劃分為6個階段(圖6a)。

圖6 (a)下游河道沖淤變化過程；(b)花園口站含沙量與下游河道沖淤量之間的關(guān)系

1950—1960年流域水沙分布基本處于自然狀態(tài)，花園口站含沙量為31.71kg/m3。下游河道年均淤積量2.227億m3，以汛期淤積為主。

1960年三門峽水庫建成后并采用“蓄水攔沙”的運行方式，1961—1964年大部分泥沙淤積在庫內(nèi)(表3)，花園口站含沙量為13.03kg/m3。下游河道經(jīng)歷沖刷，年均沖刷5.095億m3，沖刷主要集中在孫口以上河段。

1964年三門峽水庫改為“滯洪排沙”的運用方式，1968年劉家峽水庫開始蓄水，1965—1973年下游汛期來水量減少，花園口站含沙量上升到33.07kg/m3。汛期徑流量減少的局面不利于下游河道輸沙，使淤積增加(年均淤積3.186億m3)。而且主槽淤積嚴重，“二級懸河”開始發(fā)育。

1973年以后三門峽水庫改為“蓄清排渾”的運行方式，1974—1985年花園口站含沙量為24.01kg/m3。此階段下游河道先淤后沖，1974—1980年以淤積為主，淤積主要在夾河灘—孫口河段，由于灘槽泥沙交換受到限制，造成“二級懸河”加劇。1981—1985年上游來水偏多(圖2a)，而多沙粗沙區(qū)的頭道拐—龍門區(qū)間暴雨強度又較弱，年均來沙量僅為多年均值的39%[35]，這種水沙條件對下游河道十分有利，下游河道連續(xù)5年發(fā)生沖刷。

1985年龍羊峽水庫下閘蓄水并和劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度，以及中游地區(qū)水土保持措施的顯著生效，使得黃河下游汛期流量顯著減小，非汛期流量增加，洪水發(fā)生頻率和洪峰流量降低，擾動強度下降，灘槽之間泥沙交換減弱，淤積主要在主槽。1986-1999年花園口站含沙量為24.76kg/m3，下游河道年均淤積1.651億m3。

1999年小浪底水庫下閘蓄水，但由于下游河道的輸沙功能減弱，2000—2001年小浪底水庫對下游河道的調(diào)節(jié)作用并不明顯。2002年黃河水利委員會開始實施小浪底調(diào)水調(diào)沙計劃，下游河道的行洪能力增強，全河段才實現(xiàn)侵蝕。2000—2014年花園口站含沙量僅為3.99kg/m3，下游河道年均沖刷1.293億m3。

從以上分析可知，1950年以來由于水沙條件的改變，下游河道經(jīng)歷了淤積—沖刷的交替調(diào)整。在僅考慮進入下游河道水沙條件下，構(gòu)建了下游河道沖淤量(S下)與花園口站含沙量(C花)之間的函數(shù)關(guān)系(圖7)，該關(guān)系式可表示為：

S下= 0.1411 C花-2.4228(N=65; R2=0.5188)

(3)

隨著花園口站含沙量降低，下游河道由淤積轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷。令S下=0，根據(jù)公式(3)計算得到C花=17.17 kg/m3。當C花<17.17kg/m3時，下游河道主要表現(xiàn)為沖刷；當C花>17.17kg/m3時，下游河道主要表現(xiàn)為淤積。因此，降低花園口站含沙量對下游河道十分有利。

6 結(jié)論

1950年以來黃河流域輸沙量呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢。根據(jù)流域上各水文事件發(fā)生時間及水沙變化特征，將輸沙量變化過程劃分為1950—1968年、1969—1985年、1986—1999年和2000—2014年4個階段，其中頭道拐站輸沙量在后三個階段分別以36%、37%和1%遞減，花園口站輸沙量在后三個階段分別以30%、26%和38%遞減，利津站輸沙量在后三個階段分別為32%、36%和21%遞減。氣候變化和人類活動是流域輸沙量減少的主要影響因素。1950—2014年下游河道經(jīng)歷了淤積—沖刷的交替變化過程，這與進入下游河道的水沙條件發(fā)生變化有關(guān)。下游河道不沖不淤狀態(tài)下的花園口站臨界含沙量為17.17kg/m3，即當含沙量小于17.17kg/m3時，下游河道主要表現(xiàn)為沖刷；當含沙量大于17.17kg/m3時，下游河道主要表現(xiàn)為淤積。2002年小浪底水庫開始實施調(diào)水調(diào)沙后，下游河道實現(xiàn)全面沖刷，入海沙量有所增加，但仍處于較低量，相當于全新世中期水平，黃河三角洲已經(jīng)發(fā)生侵蝕。