黄河水沙空间分布及其变化过程研究

本文对不同时期黄河水沙的空间分布及其变化过程进行了系统分析,研究结果表明,1950～2005年黄河年平均总水量约为593.5亿m3(其中包括水土保持减水量、干支流引水耗水量及河口入海水量),年平均总沙量约为17.9亿t(其中包括水土保持减沙量、水库拦沙量、引水引沙量、放淤固堤沙量、河道冲淤量及河口人海沙量),不同时期黄河水沙总量变化很大,但黄河总水沙量比基本稳定为0.03t/m3.1986年以来黄河下游来水来沙量减少的主要原因,一是上中游耗水减沙量增多,1986～1998年平均上中游水土保持减水和工农业引水等耗水量达213亿m3,水土保持减沙、水库拦沙、引水引沙和河道冲淤等沙量合计达8.57亿t,已分别占上中游总水沙量的45%和53%,二是自然气候条件改变,引起上中游1986～1998年平均总水量比1973～1985年减少约136亿m3,而上中游年平均总沙量只减少约0.7亿t,导致水少沙多的局面加重.由于自然条件的变化和人类活动的影响,黄河水沙空间分布更趋不合理,表现为主河槽萎缩、"二级悬河"加剧、河口退蚀等,引起小水大灾和生态恶化,防洪形势更为严峻,应通过水沙联合优化配置和泥沙资源化利用治理黄河的水沙灾害.     

黄河水沙变化及设计水沙条件

利用黄河干支流主要控制站实测水沙资料,分析了黄河水沙的基本特性和近期黄河水沙变化的主要表现,结合已有规划研究成果,预估了不同水平年黄河的来水来沙量,提出了应用于流域综合规划和专项研究的设计水沙条件和水沙代表系列。结果表明:水少、沙多、水沙关系不协调是黄河水沙的基本特征;1986年以来,黄河中下游水沙量大幅减小,汛期径流比重减少,有利于输沙的大流量历时和水量大幅减少;预计到2020年、2030年,黄河多年平均天然径流量分别为519.8亿、514.8亿m3,年均沙量分别为10.5亿¹1.0亿t、9.5亿11.0亿t、9.5亿¹0.0亿t;根据2020水平年1956—2000年系列水沙条件,选取1968—1979年+1987—1996年作为水沙代表系列,该系列龙门、华县、河津、氵状头4站年均水量为278.03亿m3、沙量为10.77亿t,其中前12 a年均水量为290.17亿m3、沙量为11.48亿t,后10 a年均水量为263.47亿m3、沙量为9.93亿t。     

我国主要入海河流水沙变化分析

本文利用"中国河流泥沙公报"数据,结合各流域长系列年降水量资料,利用趋势分析和水沙双累计曲线方法相结合分析径流模数和输沙模数的变化,探讨我国主要入海河流水沙的历史变迁。数据系列至2006年,大多数数据长达50年。根据河流下游站历年水沙变化趋势,将我国主要河流大致分为3类:水量基本不变沙量降低、水量和沙量均降低、几近断流断沙。按地域看,我国淮河及其以南河流年水量无明显的改变趋势,而年沙量呈明显下降趋势;淮河以北地区河流水沙量均呈明显下降趋势,特别是黄河径流量的近10年平均值仅为多年平均值的1/3,输沙量从20世纪五、六十年代的约12亿t/a锐减至近10年的约1.6亿t/a,而海河水系的河流下游几乎是断流断沙。总体上,我国大多数河流的沙量明显下降,本文所列的10条河流下游站近10年的输沙量年平均值低于多年平均值的一半。流域降水量的变化不是河流入海水沙量的明显降低的主要原因,水沙量的降低主要是人类活动造成的。     

黄河下游水沙变化与归因分析

以黄河下游为研究区,采用Mann-Kendall检验法、均值差异t法、小波分析法、双累积曲线分析法、累积量斜率变化率法对黄河下游近60 a来实测径流泥沙序列进行变化规律系统分析,定量评价气候变化和人类活动对黄河下游水沙变化的贡献率,以期揭示黄河下游水沙量变化规律及其引起水沙时空演变的影响因素。结果显示:黄河下游水沙量均出现明显下降趋势,且年输沙量比年径流量减少明显;花园口、高村、艾山3个水文站的年径流量均于1985年发生突变,利津水文站年径流量于1979年发生突变,高村、艾山2个水文站的年输沙量均于1997年发生突变,花园口、利津水文站年输沙量分别于1999年、1994年发生突变;各水文站水沙序列存在多时间尺度的周期变化,但变化尺度有所区别;4个水文站的水沙量双累积曲线均发生两次偏转,输沙量平均每年分别减少3.81亿、2.69亿、2.24亿、0.67亿t,减沙量沿程下降;水沙量减少的主导因素是人类活动。     

黄河小北干流河段水沙变化及冲淤特性

依据实测水沙及淤积断面资料,对黄河小北干流河段水沙变化及冲淤特性等进行了分析。结果表明:1多年平均进入黄河小北干流的水、沙量分别为295.3亿m3、8.07亿t,汛期水、沙量分别占全年水、沙量的54.5%、87.7%,多年平均含沙量为27.3 kg/m3;2用实测淤积测验资料计算的1960—2012年黄河小北干流累计淤积量为23.26亿m3,"汛期淤积,非汛期冲刷"是该河段的冲淤特性;3床沙粒径小于0.025 mm和小于0.050 mm沙重百分数沿程分布的特点是自上游向下游沿程逐渐增大,即床沙逐渐变细。     

1950-2011年黄河干流水沙关系变化研究

采用黄河干流主要控制水文站唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、高村、艾山和利津站的实测径流量和输沙量资料,借助Mann-Kendall趋势检验法、双累积曲线法和Pearson相关分析等方法,探讨50余年来黄河流域不同时段、不同河段水沙关系的变化特征。结果表明:唐乃亥站径流量和输沙量无长期变化趋势,黄河干流自兰州以下各站年径流量和年输沙量均表现出显著下降趋势。借助花园口站实测径流量与输沙量双累积曲线知,2000-2011年无降水影响时的累积减沙量为61.602亿t。径流量和输沙量呈正相关关系,沿程各站相关系数r∈(0.512,0.664),不同年代水沙关联性有较大差别。黄河上中下游之间径流量、输沙量均呈现显著正相关,其相关系数分别为r∈(0.725,0.904)、r∈(0.887,0.918)。不同年代中游来水来沙量对下游径流量和输沙量的贡献率存在较大差异,在2000-2009年达到最小值。     

中国大陆太平洋流域河流下泄水沙通量的变化

选择中国大陆太平洋流域主要的10条河流17个代表性站点,分析、插补各站年径流量和年输沙量数据,汇总得出1955-2007年53年的水沙通量系列数据,代表中国大陆太平洋流域河流总的下泄水沙通量。总体看,中国大陆太平洋流域河流总的水通量约为每年15 600亿m3/a,从时间序列来看,无明显趋势性变化;总的沙通量约为每年13.9亿t/a,从时间序列来看,呈明显的4级梯级下降,年输沙量从20.9亿t/a降至近年的5.8亿t/a。输海沙量的降低主要是水土保持、水利枢纽对水沙量的调节、灌溉引沙和气候变化等因素综合作用的结果。     

人类活动对黄河下游水沙特性影响分析

分析黄河下游水沙量数据,研究人类活动对其影响,可以为今后治理黄河提供重要依据,对指导人类活动有重要的现实意义。运用随机水文学的方法对黄河下游4个站（花园口、高村、艾山、利津）1950年-2007年的径流量和输沙量分析发现,黄河下游水沙量具有下降的线性趋势,且变化以跳跃模式发生。其变化受水土保持、引水调水（南水北调等）、水库运用等人类活动的影响,同时降水量（1956年-2000年）下降,是黄河径流量下降的一个重要因素。在不需全面考虑的情况下,可以通过分析花园口和利津的水沙量来反映黄河下游水沙量的跳跃变化。     

影响黄河河口来水来沙量的因素分析

对影响河口水沙变化的降水量、水库蓄水和沿程引水引沙量这3个因素进行了分析，认为黄河人海水沙量骤减的原因主要来自3个方面：一是近20年来天然径流较20世纪50、60年代偏枯；二是上游干流大型水库蓄水的影响；三是沿黄引水引沙量的增加。其中，沿黄引水引沙量的增长为主要因素，约占69％；天然来水偏枯和上游水库调蓄影响约占31％。     

黄河沙漠宽谷段河床演变特征及影响因素

根据黄河沙漠宽谷段巴彦高勒—三湖河口河段代表年份水沙条件、河道大断面定位观测资料,结合前人研究成果,分析了黄河沙漠宽谷段代表年份汛期和非汛期水沙关系的变化特点、河床演变特征及大型水库的调控作用。结果表明:刘家峡水库运用后来水来沙量减少,特别是刘家峡、龙羊峡水库联合运用后来水来沙量进一步削减,且减少量主要发生在汛期;水沙关系的变化引起河床抬高、平滩流量减小,河道摆动严重;引起水沙关系变化的主要因素是天然降水量减少、引水量增加、上游水库调控运用及风沙入黄。     

黄河水沙变化与下游河道改造

20世纪80年代中期以来,进入黄河的水沙量及其过程发生了重大变化,潼关水文站水量和输沙量大幅下降,已由1919~1959年期间的平均水量426亿m3/年、输沙量16亿t/年下降到2000~2012年的231亿m3/年和2.76亿t/年,随着黄河上中游水土保持和生态建设的持续开展,预计未来50~100年潼关站年平均水量和输沙量将逐步稳定在210亿m3/年左右和3亿t/年左右。水沙变化关系到治黄方略的制定,关系到黄河的长治久安。为了顺应黄河水沙的变化,确保黄河防洪安全,实现下游河道不改道、河床不抬高的治理目标,本文提出了新的水沙条件下黄河下游河道治理的总体思路是:改造河道、解放滩区。具体措施包括:稳定主槽、缩窄河道、完建堤防、治理悬河、滩区分类。建议深入研究下游河道改造的方案与河道缩窄的可行性及其影响,为黄河下游河道改造提供科技支撑。     

百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析

根据黄河有实测资料以来的水文泥沙定位观测数据,利用非线性统计方法分析了1919—2012年黄河潼关以上河段水沙系列变化趋势。20世纪80年代中期以来水沙变化特点表明,黄河年径流量、年输沙量自20世纪80年代中期以来总体呈不断减少之趋势,而上中游水沙关系则早于20世纪60年代末已发生突变,1986年发生的突变属上中游同时发生的第2次突变。从百年尺度看,黄河水沙变化在1960年以前主要受到气候等自然因素影响,径流泥沙系列随降雨丰歉而出现相应的丰枯变化,之后黄河水沙变化受气候等自然因素和人类活动因素的双重影响,尽管不同时段降雨有丰歉变化,但径流量、输沙量都持续减少;近百年内年输沙量趋势度的绝对值明显大于年径流量趋势度的绝对值,中游的年径流量、年输沙量的趋势度的绝对值明显大于上游的;近30年是黄河水沙百年尺度中最枯的时段,其变化的突出特点表现在来水来沙量不断显著减少,水沙变化程度在空间上分布不均,泥沙主要减于中游而径流主要减于上游,水沙年内分配趋于均匀,来沙系数趋于降低,水沙搭配关系趋好。     

澜沧江-湄公河输沙量变化及其影响因素

为了更准确评估澜沧江-湄公河输沙量的变化情况及上游水电开发对下游输沙量变化的影响,从最近几年文献中选择可信的下湄公河各站的年输沙量数据,并根据相关文献整理得出漫湾水电工程坝下第一个水文站点———嘎旧站1965—2003年的年径流和年输沙量系列数据,分析比较澜沧江-湄公河沿程各站的年输沙量变化趋势。结果表明:澜沧江上漫湾水电工程运行后,嘎旧站年输沙量大幅降低,降幅大于60%,但清盛站及其下游各站输沙量未出现与其一致的变化趋势。认为清盛站输沙量的降低量远低于嘎旧站的原因主要是两站间含沙量大的支流汇入、人工经济林取代原始森林等因素造成的流域水土流失和河流含沙量恢复。湄公河入海沙量约为1.45亿t/a,预计未来湄公河入海沙量可能会降低。     

淮河流域水沙变化趋势及其成因分析

根据淮河流域来水来沙特点,选定反映淮河流域水沙变化趋势的代表水文站,利用50余年来的实测年径流量及年输沙量资料,研究了淮河流域水沙量的时空分布特性;采用Mann-Kendal秩相关检验法,分析了淮河流域水沙量年际变化趋势和可能发生突变的年份。研究结果表明整体上淮河流域来水量无明显的减小趋势,其中淮河干流年径流量无明显的变化趋势,支流及沂、沭、泗水系各站年径流量减小趋势明显;而淮河流域来沙量则呈现显著减少的趋势,发生突变的年份为1973—1975年。从流域降雨量、用水变化、水库拦沙、水土流失及其治理状况等方面分析了引起淮河流域水沙变化的主要成因,提出了淮河流域上游山区河流水库建设是流域来沙量减少的主要原因。     

东江上游河流水沙分析

分析了东江上游地区河流水沙特性,并阐述了水库的修建和运用对该地区水沙输移的影响。东江上游地区是整个流域泥沙的重要来源区,该地区地表径流主要来自于降水,河流泥沙也主要来自于降水和径流所造成的土壤侵蚀。从长系列看,东江上游地区径流量虽然在不同时期波动较大,但相对稳定,而河流输沙量呈下降趋势。东江上游来水来沙主要集中在每年的汛期,其汛期来水来沙量分别占全年的70%和88%。枫树坝水库和枕头寨水库建成运用,减小了径流量的季节差异,降低了河流流量脉动特性。同时其河流输沙率在枫树坝水库和枕头寨水库建成以及枕头寨水库调整后分别下降了30%和50%。近年来,东江下游进行的大规模无序采沙,其采砂量已经远大于上游来沙量。在东江流域进行水沙管理时,不仅要采取措施遏制这种无序采沙行动,同时也要进一步研究流域水沙输移问题,以达到维持整个河流系统的水沙平衡。     

北洛河流域水沙变化对降雨和土地利用的响应

研究流域水沙变化对降雨和土地利用变化的响应机理,对流域土地利用规划决策及水土保持措施优化配置具有重要意义。本文以黄土高原北洛河流域为研究对象,采用Pettitt突变检验、双累积曲线等方法,定量分析了流域近60年降雨、径流和输沙的演变规律及土地利用变化特征,探讨了流域降雨和土地利用变化对流域水沙的影响。结果表明:1960—2016年间,北洛河流域降雨随时间变化总体趋势不显著,而径流量和输沙量随时间变化表现为明显的下降趋势,下降幅度分别为31.4%和83.5%,输沙量减少趋势尤为显著;研究时段内,北洛河流域以林地、草地和耕地为景观基质,耕地、草地向林地转化是基本特征;人类活动影响下的土地利用变化是造成径流泥沙量减少的主要原因,其对径流输沙量减少贡献率分别为76.9%和96.6%,降雨变化影响贡献率分别为23.1%和3.4%。研究结果为深刻认识黄河水沙动态变化提供依据,对未来水土保持措施优化配置提供决策支撑。     

河流输沙量变化的主要驱动因素

鉴于河流输沙量的大小和变化对河流系统的功能发挥具有重要意义,且河流输沙量的变化受多种因素驱动,在总结近些年我国河流输沙量变化研究的基础上,分析河流输沙量变化的主要驱动因素。认为我国主要河流除松花江多年水沙量无明显趋势性变化外,其他河流的年输沙量均呈明显下降趋势,主要河流总入海输沙量从1955—1968年的20.3亿t/a降至1997—2010年的5.0亿t/a。研究表明:大坝建设、水土保持措施、流域扰动、河道采砂和气候变化等是输沙量变化的主要驱动因素;长江流域修建大量水库是长江入海沙量降低的主要驱动因素;水土保持措施是黄河入海沙量大幅降低的主要驱动因素之一;流域扰动为澜沧江清盛站输沙量的降低幅度远低于嘎旧站的原因;农业增产减沙可能是淮河入海沙量降低的主要驱动因素;珠江输沙量的降低受到河道采砂的影响;海河流域气候变化是海河诸河输沙量大幅降低的主要驱动因素之一。     

基于水沙组合分类的黄河中下游水沙变化特点研究

为进一步揭示黄河中下游水沙关系及变化规律,本文通过自组织映射(Self-Organizing Map)-K均值聚类(K-means clustering)耦合方法,利用黄河中游潼关水文站1919—2018年的年径流量及年输沙量数据,对该站的水沙组合进行分类。结果表明:潼关站水沙类型有沙多水多、沙多水中、沙中水中及沙少水中4种。结合新中国成立后黄河流域水土保持事业的发展情况,以1960年及2000年为时间节点将研究时段分为3个阶段,分析了上述4种类型在3个阶段的出现频率及变化特点。考虑到黄河水沙条件的变化,又对1986年以来潼关站的水沙组合进行分类。结果表明:该站在1986年后的水沙类型有沙中水中及沙少水中2种。两种时间序列下的分类结果略有差异,体现出黄河水沙变化的复杂性。     

近50年来黄河输沙量变化特征及原因分析

收集了黄河重要干流水文站和一些主要支流近50年的输沙量及径流量数据,应用数理统计方法研究了输沙量绝对值和相对径流量的多年变化情况。结果表明:黄河干流除上游唐乃亥站输沙量相对径流量有升高趋势外,其他各站输沙量的绝对值和相对径流量的变化趋势为减少或基本保持不变,这主要是大量水库的拦沙作用和水土保持措施的实施造成的;各支流输沙量的绝对值和相对径流量变化也以减少或不变为主,但黄河中游产沙区的几条主要支流在径流量下降的情况下输沙量相对径流量却没有显著变化,这主要是由该地区的自然地理特征决定的。     

嘉陵江流域水沙变化趋势及其对长江宜昌站的影响

通过对嘉陵江北碚站多年平均径流量和输沙量的统计分析发现嘉陵江年均径流量和输沙量关系变化可分为4个时段，各时段年输沙量有明显递减，通过流域内水利工程建设时期和水土流失治理时间的分析，得出1985年前减沙的主要因素是水利工程的建设，1990年后减沙则主要是水利工程建设和水土流失治理措施共同作用的结果，嘉陵江减沙是引起长江宜昌站1988年输沙量减少1亿t和以后继续减沙的主要原因，嘉陵江减沙趋势及其对长江减沙的影响将在今后较长时期内得以维持。