近70年黃河流域水沙情勢及其成因分析

趙 陽，胡春宏，張曉明，王友勝，成 晨，殷小琳，謝 敏

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近70年黃河流域水沙情勢及其成因分析

趙 陽，胡春宏，張曉明，王友勝，成 晨，殷小琳，謝 敏

（中國水利水電科學研究院，水利部水土保持生態工程技術研究中心，北京 100048）

深入剖析黃河水沙現狀及成因是精準預測黃河未來水沙情勢的前提與基礎。為此，以黃河干流潼關斷面以上4個主要干流水文站及7個主要一級支流把口站1950—2016 年水沙實測資料為基礎，采用雙累積曲線等多種統計分析方法，系統剖析了黃河流域水沙演變規律及水沙主要源區變化特征，定量評估了不同環境要素對黃河水沙變化影響。結果表明：1）黃河干流蘭州、頭道拐、龍門及潼關水文站年徑流及年輸沙量均呈顯著減少趨勢（<0.05），其中，年徑流減幅17.93%~40.79%，年輸沙量減幅均在46.74%以上。受多種因素影響，黃河水沙在20世紀80—90年代發生減少突變；2）蘭州-潼關區間年均徑流量沿程變化表現為由總體遞增狀態向遞減趨勢轉變，年均輸沙量遞增狀態雖未轉變，但遞增幅度平均減小90%以上；3）黃河泥沙主要來源區由頭龍區間向龍潼區間發生轉移特征明顯，龍潼區間水土流失治理有待進一步加強；4）人類活動對黃河中游水沙銳減占據主導作用，平均貢獻率達到90%以上。而上游蘭州站年均徑流量受氣候影響較大，貢獻率達到66.57%。研究結果可為深刻認識黃河水沙時空現狀及成因提供依據，并對未來水土流失治理區位方向確定提供參考。

徑流；評估；水文；黃河；干流；一級支流；水沙

0 引 言

黃河以水少沙多，含沙量高而著稱[1]。近年來，在自然和人為因素耦合影響下，黃河河川徑流和泥沙輸移量急劇減少[2-3]，水沙關系發生重大調整，導致黃河下游河槽嚴重萎縮、河道排洪輸沙能力降低等系列新問題產生，嚴重威脅流域防洪安全，極大限制了區域經濟社會的可持續發展[4-5]。以黃河干流潼關站為例，年均輸沙量由1919-1959年16億t減少至2010年以來1億t左右，減少90%以上[6-7]。黃河水沙情勢變化如此之大、如此之快，是氣候變化所致還是人類活動影響？主導因素是什么？近年來大規模水土保持生態建設對流域水沙銳減有何影響等一系列問題成為新時期黃河治理規劃亟需回答的首要科學問題[8-10]。

江河水沙變化是全球共同關注的問題[11-13]。而氣候變化和強人類活動耦合影響下的江河水沙變化是全球泥沙研究的前沿和難點[14-15]。國內外相關研究表明，密西西比河、印度河、尼羅河、長江等約47%的全球主要江河年輸沙量呈減少趨勢[8]。由此可見，全球河流系統均在發生深刻變化，黃河水沙銳減趨勢性變化并非獨立存在。目前，國內黃河水沙變化相關研究較多，對象更多關注黃河干流或支流，干支流系統研究較少[16]。考慮到已有降雨和人類活動對黃河水沙影響貢獻率研究多集中在小尺度流域，隨空間尺度擴大，面降雨量不均勻性增加而導致實際降雨量的貢獻計算準確度有待驗證[17]；同時，由于流域水沙過程呈高度非線性和尺度差異性特征，常規擬合方法可定性認識特定時空水沙關系變化方向，卻無法實現定量評價等問題，導致已有水沙變化影響因素貢獻率研究成果計算精度有待進一步提高[18]。

綜上所述，針對當前研究存在問題，本研究以黃河干流潼關以上區域為研究對象，基于1950—2016年黃河干流及主要支流長時間序列降水及水沙數據，采用Mann-Kendall非參數檢驗、Pettitt突變檢驗、雙累積曲線等統計方法，探討黃河水沙銳減驅動因素，量化評價不同因素對黃河水沙影響貢獻率，研究結果旨在為黃河流域水土資源優化配置及未來水土流失治理方向確定提供參考。

1 研究區概況

黃河干流全長5 464 km，流域面積79.5萬km2，潼關站作為黃河干流主要水文站點，同時又是黃河干流流經黃土高原末端的控制斷面，控制了黃河91%的流域面積、90%的徑流量和幾乎全部泥沙[19]。因此，本研究以黃河潼關斷面以上為研究對象，選取蘭州、頭道拐、龍門和潼關等4個典型干流水文站系統開展了1950—2016年黃河流域水沙銳減歸因分析研究。黃河干流示意圖詳見圖1。

圖1 研究區地理位置

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

1）水文數據 收集了1950—2016年黃河干流蘭州、頭道拐、龍門、潼關等4個干流水文站以及皇甫川、窟野河、無定河、延河、北洛河、渭河（含涇河）、汾河等7個一級支流卡口站年實測徑流、泥沙數據，其中1950—1999年的水文數據摘自黃河水利委員會“黃河流域水文泥沙整編資料”，2000—2016年數據摘自《中國河流泥沙公報（2000—2016）》。

2）降水數據 收集了1950—2016年間黃河流域65個國家氣象站日降水數據（源自國家氣象局氣候中心），流域水文站間集水區面降雨量采用泰森三角形法求取算術平均值[20]。部分缺漏的降雨數據摘自黃河水利委員會的“黃河流域水文泥沙整編資料”。

2.2 研究方法

1）水文要素趨勢變化分析

Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法主要用于檢驗氣候和水文要素時間序列數據的變化趨勢，由于該方法不需要樣本遵從一定的分布規律，也不受少數異常值的干擾，該方法可以較客觀地確定數據序列變化趨勢[21]。

2）Pettitt突變檢驗

Pettitt非參數統計檢驗核心是通過統計方法檢驗時間序列要素均值變化的確切時間來確定躍變變化的確切時間，可避免異常值的干擾及數據分布特征的影響[22]。即，對于具有個樣本的時間序列，構造統計量：

式中，檢驗統計量為第1個樣本的元素值大于第2個樣本元素值的次數。

3）雙累積曲線法

雙累積曲線法是檢驗2個參數間關系一致性及其變化的常用方法，它可用于水文氣象要素的趨勢性變化及其強度的分析[23]。徑流量或輸沙量與降雨量的雙累積曲線可用于分析人類活動是否引起河流徑流（或輸沙）量的趨勢性變化，并進而分析發生趨勢變化的年份以及變化的大小。基本原理是：對徑流量或輸沙量與降雨量的雙累積曲線，觀察直線斜率的變化過程，如果直線斜率沒有明顯偏離，說明人類活動對河川徑流量無顯著影響，反之，則說明人類活動有顯著趨勢性影響。斜率發生顯著改變的點對應徑流量開始發生顯著變化的年份。

3 結果與分析

3.1 黃河干流水沙總體變化趨勢

對蘭州-頭道拐-龍門-潼關4個干流水文站1950—2016年水沙數據序列進行線性趨勢分析，見圖2所示，近70 a黃河干流年徑流量及輸沙量均呈減少趨勢。進一步地，對各站點水沙數據序列進行Mann-Kendall趨勢檢驗，見表1所示，研究時段內，黃河干流水沙銳減趨勢達到顯著水平（<0.5）。其中，潼關站年徑流減少趨勢最為顯著（<0.001），各水文站徑流減少幅度具體排序為：潼關站>龍門>頭道拐>蘭州；黃河干流年輸沙量減少趨勢較徑流更為顯著（<0.001），各站減少速率排序與徑流一致，其中，潼關站年輸沙量減少趨勢尤為顯著，蘭州站減少幅度最小。

圖2 黃河干流主要水文站1950—2016年徑流輸沙年際變化

對各站徑流輸沙數據序列進行Pettitt突變檢驗，見表1所示，4站年徑流突變年份較為一致，即：1985/1986年左右發生減少突變；而年輸沙量突變年份各站差異較大，其中，潼關站年輸沙量分別在1981和1999年發生減少突變，龍門站則于1999年發生減少突變，而蘭州與頭道拐站年輸沙量分別在1999年和1985年發生突變。

以突變點前研究時段為基準期，以突變點后研究時段為變化期，結合各站徑流泥沙突變點將各站水沙序列進行時段劃分，見表2所示。其中，蘭州站變化期較基準期年徑流及輸沙量分別減少17.93%和71.64%；頭道拐站變化期較基準期年徑流及輸沙量分別減少35.72%和69.86%；龍門站變化期較基準期年徑流減少37.36%，而年輸沙量減少65.42%~87.35%；潼關站變化期較基準期年徑流減少40.79%，而年輸沙量減少46.74~83.16%。該結果為進一步甄別氣候變化和人類活動的貢獻率提供了研究基礎。

表1 黃河干流主要水文站1950—2016年徑流輸沙年際變化趨勢分析

注：*為95%置信水平；***為99.9%置信水平。

Note: * is 95% confidence level; *** is 99.9% confidence level.

表2 黃河干流徑流輸沙時間序列分析

3.2 黃河干流不同區域水沙變化分異特征

通過對黃河干流4個水文站點1950s、1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s等7個時段年徑流量及年輸沙量進行均值統計可知，與20世紀50年代相比，2 000年以來，黃河干流不同區域水沙量變化差異顯著，如圖3所示。具體地，從變化比例看，通過對比不同站點2010s與1950s年徑流及年輸沙量可知，各站年均徑流量變化幅度呈由上游向下游遞增的特征。具體排序為：潼關站（43.9%）>龍門站（35.9%）>頭道拐（30.8%）>蘭州站（8.2%）；龍門和潼關站年均輸沙量減少幅度均達80%以上，具體排序為：龍門站（89.5%）> 潼關站（86.8%）>蘭州站（78%）>頭道拐（71.9%）。從變化絕對量值看，各站年均徑流量變化絕對值呈由上游向下游遞增趨勢。具體排序為：潼關站（–184.11′108m3）>龍門（–104.9′108m3）>頭道拐站（–74.2′108m3）>蘭州站（–25.6′108m3）；各站年均輸沙量變化絕對值具體排序為：潼關站（–14.5′108t）>龍門（–11.3′108t）>頭道拐站（–1.1′108t）>蘭州站（–0.65′108t）。進一步地，綜合各站點變化趨勢、幅度及量級綜合說明：黃河干流蘭州-潼關段年均徑流量由沿程總體遞增狀態向遞減趨勢轉變，說明蘭-潼區間水資源消耗量大幅增加；年均輸沙量沿程遞增狀態雖未轉變，但遞增幅度明顯減小，龍門、潼關站減小幅度尤為顯著，在一定程度上說明在氣候和水土保持生態建設等人類活動耦合影響下，龍門-潼關區間產沙量大幅降低。

圖3 黃河干流不同年代多年平均徑流量和輸沙量變化

3.3 主要產沙區水沙收支平衡分析

結合上文可知，頭道拐-潼關區間（以下簡稱“頭潼區間”）多年平均徑流量和輸沙量分別占黃河干流潼關斷面以上水沙量的60%和90%以上。為進一步說明頭潼區間年徑流及輸沙量銳減成因，從空間角度系統統計分析了黃河干流頭道拐-龍門-潼關3個干流水文站以及無定河等7個主要一級支流近70 a水沙變化情況。由圖4和圖5可知，2000年以前，頭道拐-龍門區間和龍潼區間對整個頭潼區間的徑流量貢獻率分別為36%和64%，2000年以后，則變化為31.8%和68.2%；類似地，頭龍區間和龍潼區間對整個頭潼區間的輸沙貢獻率分別為71.3%和28.7%，2000年以后，貢獻率分別為51.0%和49.0%，在一定程度上說明隨著黃河中游大規模水土保持生態建設，頭龍區間水土保持成效更為顯著，黃河干流主要泥沙來源區由頭龍區間向龍潼區間發生轉移。

從頭龍空間水沙來源看，2000年以前皇甫川、窟野河、無定河、延河等主要一級支流以及其他因素（包含其他支流、灌溉引沙、河道淤積等）對頭龍區間徑流貢獻率分別為：3.1%、12.4%、23.8%、4.3%和56.4%；輸沙貢獻率分別為6.9%、14.2%、17.7%、6.6%和54.6%，2000年以后徑流貢獻率分別為1.69%、10.2%、37.8%、7%和43.31%，泥沙貢獻率則分別為7.6%、3.5%、26.4%、12.4%和50.1%。對比發現：無定河流域為黃河干流頭龍區間主要支流中的水沙最大來源區；窟野河經多年治理，水土流失治理效果最為顯著，減沙作用最為明顯。從龍潼區間看，2000年以前，汾河、北洛河、渭河流域對龍潼區間徑流貢獻率分別12.6%、10.3%和80.5%，輸沙貢獻率分別為6.9%、23.9%、95.9%，2000年以后汾河、北洛河、渭河流域對龍潼區間徑流貢獻率分別為10.4%、13.1%和107.2%，輸沙貢獻率分別為0.3%、16.2%、107.7%，均表現為渭河流域貢獻率最大。此外，受龍潼區間黃河干流河道寬淺、比降小、泥沙淤積以及三門峽水庫等因素影響，龍潼區間2000年前約占潼關輸沙量的26.7%，2000年以后約為24.2%。

注：圖中數字為不同支流（區間）多年平均徑流量，其單位為億m3。

注：圖中數字為不同支流（區間）多年平均輸沙量，其單位為億t。

3.4 不同環境要素變化對黃河水沙變化貢獻率

河流徑流與輸沙變化是流域內氣候變化與人類活動共同作用的結果[24]。為量化剖析黃河水沙銳減成因，結合各站年徑流及年輸沙序列突變點檢驗結果，采用年降雨-年徑流和年降雨-年輸沙雙累積曲線法（圖6）分析了氣候和土地利用變化對黃河水沙變化的影響（表3）。結果表明：人類活動對黃河流域不同區段來水來沙量減少總體占據主導地位。具體表現為：1）人類活動是蘭州-潼關區間年徑流銳減的主導因素，平均貢獻率達到88.9%，而蘭州斷面以上，氣候變化是徑流減少主因，貢獻率達到66.57%；2）人類活動是蘭州-潼關區間年輸沙量銳減的主導因素，平均貢獻率達到91.52%，氣候因素對區間輸沙銳減影響較弱，僅為8.48%。從區位看，中游頭道拐和龍門站人類活動對徑流泥沙影響顯著高于蘭州站和潼關站，說明黃河中游受人類活動影響程度更為深刻。

注：P，R，S分別代表年降水量，年徑流量和年輸沙量。

表3 黃河干流降雨與人類活動對徑流和泥沙減少的貢獻率

4 討 論

泥沙問題始終是黃河治理開發的一個重要問題，嚴重威脅下游地區社會經濟可持續發展[25]。結合表3，頭道拐-潼關區間作為黃河泥沙主要來源地，潼關斷面年均輸沙量占入黃泥沙總量的90%以上[26]，而人類活動對黃河中游泥沙銳減占據主導地位，是影響黃河泥沙減少的主要驅動因素。大規模的梯田、林草以及淤地壩等水土保持措施建設，水庫建設和工農業引水引沙等不同環境要素變化被一致認為是黃河中游人類活動影響水沙變化的主要方式。依據第1次全國水利普查及相關文獻資料等，截至2011年，潼關以上黃土高原地區已建淤地壩 57 914座（庫容>1萬m3），總庫容約55億m3，河口鎮-潼關區間建有小（I）型以上水庫554座；頭道拐-潼關區間2014年梯田保存面積2.42萬km2，較2000年增加約0.94萬km2[27]；2010年黃河主要產沙區林草面積達到11.57萬km2，較上世紀70年代末增加10.77%[19]。參 考關于不同水土保持措施調水減沙效益計算的相關文獻[28-30]，2000年以后，黃河中游地區淤地壩年均減沙量約1.35億t，頭潼區間主要產沙區梯田年均減沙4.22億t，頭潼區間水庫年均攔沙0.98億t，潼關以上地區年均實際引沙量約為0.33億t。由此可見，梯田、淤地壩、林草植被等水土保持生態建設在控制土壤侵蝕，改變水沙輸送途徑，減少入黃泥沙方面發揮了重要作用。

5 結 論

本研究通過對1950—2016年黃河干流及其主要支流水文氣象數據序列進行分析，探究了黃河流域來水來沙空間分布、黃河水沙時空變化，探討了黃河水沙變化的驅動力及其貢獻率。總結得到以下幾點結論：

1）受氣候變化和人類活動影響，黃河干流水量和沙量都在持續減少。頭道拐-潼關區間多年平均徑流量和輸沙量分別占黃河干流潼關斷面以上水沙量的60%和90%以上。

2）2000年以前，頭龍區間和龍潼區間對整個頭潼區間的輸沙貢獻率分別為71.3%和28.7%，2000年以后，貢獻率分別為51.0%和49.0%，黃河泥沙主要來源區由頭龍區間向龍潼區間發生轉移特征明顯；

3）研究時段內，人類活動是黃河泥沙銳減的主要驅動因素，平均貢獻率達到91.52%。其中，梯田、淤地壩等水土保持措施實施對于黃河流域泥沙銳減具有重要 影響。

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Analysis on runoff and sediment regimes and its causes of the Yellow River in recent 70 years

Zhao Yang, Hu Chunhong, Zhang Xiaoming, Wang Yousheng, Cheng Chen, Yin Xiaolin, Xie Min

(100048,)

The future trend of runoff and sediment variation is closely related to the governance of the Yellow River. To accurately predict the future runoff and sediment regimes of the Yellow River, the spatial distribution and its variation process of runoff and sedimentation in the main stream of the Yellow River in various periods were systematically analyzed. Specifically, runoff and sediment loads from 4 main stem hydrometric stations and 7 major primary tributaries above Tongguan section on the Yellow River, during the period from 1950 to 2016, were analyzed by using multiple methods such as double cumulative curves. In this paper, we systematically analyze the characteristics of runoff and sediment yield and changes in its main source areas, and the impact of different environmental factors on runoff and sediment changes in the Yellow River were also discussed. The results showed that, 1) The annual runoff and sediment yield at the Lanzhou, Toudaoguai, Longmen, and Tongguan hydrometric stations of the Yellow River showed a significant decrease (<0.05) in the past 70 years, the annual runoff decreased by 17.93% to 40.79%, and the annual sediment transport decreased by more than 70%. Under the influence of changes in various environmental factors, the runoff and sediment in the Yellow River have reduced mutations in the 1980s and 1990s. 2) The evolution process of average annual runoff in the Lanzhou-Tongguan section changed from an accumulative increase along the distance from the river source to the trend of an accumulative decrease. Although the average annual sediment accumulation amount did not change, the increase rate decreased by 90% more. 3) It is obvious that the transfer characteristics of the main sediment source area of the Yellow River from the Toudaoguai-Longmen section change to the Longmen-Tongguan section, and we argued that soil erosion control in the Longmen-Tongguan section needs to be further strengthened. At last, human activities play a leading role in the sharp decline in runoff and sediment yield in the middle reaches of the Yellow River, with an average contribution rate of 91.52%. The reduction in average annual runoff of Lanzhou is mainly affected by the climate change, and the contribution rate reaches 66.57%. The results can provide a basis for a deep understanding of the temporal and spatial status and causes of runoff and sediment in the Yellow River, and provide a reference for future direction of soil and water conservation.

runoff; assessment; hydrology; Yellow River; mainstream; primary tributaries; runoff and sediment yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.014

P333; TV882.1

A

1002-6819(2018)-21-0112-08

2018-05-21

2018-08-13

國家重點研發計劃（2016YFC0402407）；國家自然科學基金項目（L1624052）；流域水循環模擬與調控國家重點實驗室基金（SKL2018CG04）

趙 陽，高級工程師，博士，主要從事流域生態水文過程與模擬研究。Email：zhaoyang1224@163.com

趙 陽，胡春宏，張曉明，王友勝，成 晨，殷小琳，謝 敏.近70年黃河流域水沙情勢及其成因分析[J]. 農業工程學報，2018，34(21)：112－119. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.014 http://www.tcsae.org

Zhao Yang, Hu Chunhong, Zhang Xiaoming, Wang Yousheng, Cheng Chen, Yin Xiaolin, Xie Min. Analysis on runoff and sediment regimes and its causes of the Yellow River in recent 70 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 112－119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.014 http://www.tcsae.org