近60年黃河上游干流水沙變化及其關系

許文龍，趙廣舉,?，穆興民,，高 鵬,，孫文義,

(1.中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，712100，陜西楊凌； 2.中國科學院大學，100049，北京; 3.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，712100，陜西楊凌)

黃河水少沙多、水沙異源、水沙關系不協調，黃河的徑流量主要來源于上游的天然降水、冰雪融水和地下水。黃河水資源的時空分布對流域工農業生產與人民生活有著極其重要的影響，但20世紀90年代以來，黃河干流實測徑流量顯著減少，已經影響到該區農業生產、人民生活及經濟的可持續發展[1]。黃河的泥沙主要來源于黃土高原及風沙區，大量泥沙隨風、水進入黃河，河道湖庫淤積萎縮，河床不斷抬升，導致主河槽行洪輸沙能力大幅降低，上游寧蒙河段淤積嚴重，下游河道泥沙淤積，“地上懸河”等現象加劇，嚴重影響黃河的防凌防汛工作，威脅沿途群眾的生命財產安全。進入21世紀以來，黃河輸沙量從16億t銳減至3億t，泥沙銳減引起廣泛的關注，很多學者對此展開大量的研究工作[2]。

已有研究[3-6]表明，大量的人類活動是黃河徑流量和輸沙量銳減的主要原因。穆興民等[7]指出不同時期黃河水沙變化的主要因素有所差異，上世紀80年代，壩庫工程攔蓄占據主導地位，而2000年以后，國家實施大規模的“退耕還林(草)”政策，植被恢復成為這一時期黃河水沙減少的主要原因。然而，大量研究多集中在黃河中游地區，尤其是多沙粗沙區的水沙時空演變規律與驅動因素的相關研究。受氣候變化、農業灌溉、大規模的水土保持措施和水庫建設等影響，黃河上游徑流量和輸沙量及水沙關系亦發生了顯著變化。筆者通過對唐乃亥至頭道拐區間10個干流水文站的徑流量和輸沙量變化分析，探究黃河上游水沙變化及水沙關系規律以及沿程變化特征，為流域水資源合理利用和河道綜合治理提供依據。

1 研究區概況

黃河上游位于E 95.0°～111.1°、N 32.51°～41.81°，流域面積為38.6萬km2，占黃河流域總面積的51.3%；干流河長為3 472 km，占黃河干流總長度的61.3%；上游河段落差3 496 m，平均比降為1‰，年均降水量為426.2 mm[8]。

筆者選取唐乃亥至頭道拐區間作為研究區域(圖1)。根據景觀特征差異，以下河沿為分界點將該區間分為2段。上段為唐乃亥至下河沿，為峽谷地段，此區間貴德至蘭州段是上游支流集中區段，洮河、湟水等重要支流在此區段匯入黃河，是黃河上游徑流的重要補給區；同時唐乃亥至青銅峽區間又是我國重要的水電開發建設基地，已建成包括龍羊峽、劉家峽和青銅峽在內的近20座水電站。下段為下河沿至頭道拐區間，屬于沖積平原段，區間大部為荒漠和荒漠草原，無大的支流匯入，干流河床平緩，水流緩慢，兩岸有大片沖積平原，其中包括銀川平原與河套平原等。

圖1 黃河上游干流地理位置、水系及水文站點分布Fig.1 Geographical location, river network and hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River

2 數據與方法

根據黃河上游干流水文站點的分布，兼顧研究區域分布省份和流域景觀差異，筆者選取黃河干流的唐乃亥站、貴德站、循化站、小川站、下河沿站、青銅峽站、石嘴山站、巴彥高勒站、三湖河口站及頭道拐站等10個沿程水文站的徑流量和輸沙量數據，研究黃河上游1950—2012年時間范圍內的水沙關系、水沙變化及沿程變化特征。筆者所采用的水沙數據來自黃河上游干支流水文泥沙資料數據集(1950—2012年)。

水文序列可看作為非周期成分(趨勢項、突變項、跳躍項等)、周期成分和隨機成分的累加[9]，故可通過統計特征分析、趨勢性分析、突變性分析和周期性分析研究黃河上游水沙變化特征。

筆者將選用均值、方差、變異系數(CV，coefficient of variation)等[10]表征水文時間序列數據的基本統計特征，采用非參數Mann-Kendall檢驗法(下稱MK方法)和Spearman秩相關系數法(下稱Spearman方法)[11-12]來分析各站點水沙變化的趨勢特征，采用累計距平法[13]識別水文序列的突變點，采用小波分析方法[14]判斷黃河上游徑流泥沙近60年的周期特征。由于本文采用的方法均為水文序列常用的統計分析方法，受篇幅限制，在此不再贅述。

3 結果與分析

3.1 徑流量、輸沙量年際變化的統計特征

根據黃河上游干流水文站點1950年至2012年之間的年徑流量、年輸沙量數據進行統計(表1)，統計特征結果如下：多年平均徑流量和輸沙量最小值出現在唐乃亥站, 分別為201.33億m3和0.12億t；最大值出現在下河沿站，分別為300.71億m3和0.24 億t。變異系數描述數據與均值的偏移程度，當CV≤0.1時，數據具有弱變異型，表明水文時間序列相對穩定；當0.1≤CV≤1時，數據達到中度變異程度；當CV≥1時，水文時間序列具有強變異性[15]。各站點年徑流量的CV值在0.2～0.4的范圍內，屬于中等變異性；年輸沙量的CV值較徑流量大，且小川站多年平均輸沙量的CV>1，屬于強變異性，其余屬于中等變異性。輸沙量變化變異程度較高，其中作為水庫出口控制的貴德、小川、青銅峽3站變化尤為明顯，顯然是受到龍羊峽(1986年蓄水，1989年運行)、劉家峽(1968年蓄水)[16]、青銅峽(1968年運行)3座水庫(圖1所示)蓄水調沙以及沿途大量工農業生產生活用水的影響。采用Pearson相關分析和一元線性回歸分析描述黃河上游干流各站點的水沙關系，均呈現明顯的正相關性，除小川站相關性不顯著外，其余各站的相關系數均>0.50且在0.01的置信水平上顯著。

表1 黃河上游干流水文站點多年平均徑流量、輸沙量統計特征Tab.1 Statistical characteristics of multi-year runoff and sediment load at hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River

注：** 表示相關系數在0.01的置信水平上顯著；CV為變異系數。Notes: ** indicates that the correlation coefficient is significant at the confidence level of 0.01. CV is coefficient of variation.

圖2 黃河上游干流水文站點不同年代平均年徑流量、年輸沙量變化Fig.2 Variations of average annual runoff and sediment load at hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River during different time period

以10年尺度劃分年代進行斷代分析，黃河上游干流各站不同年代平均徑流量和輸沙量均表現為下降趨勢。如圖2所示，20世紀60年代各站的平均徑流量最大，90年代的平均徑流量最小，上游徑流量在90年代顯著地減少；小川站及以下站點輸沙量代際變化呈現明顯下降趨勢，小川站以上各站變化幅度不大，較為平穩，其中青銅峽站50年代到60年代輸沙量下降幅度較大。小川站是劉家峽水庫出口控制站，劉家峽水庫于1968年蓄水運行，故70年代小川站及以下站點的輸沙量下降幅度較大。青銅峽水庫是衛寧灌區和青銅峽灌區的分界點，因青銅峽水庫淤積和寧蒙灌區引水引沙使得60年代青銅峽站輸沙量大幅減少。表明水庫對黃河上游泥沙的攔蓄起到重要的作用。

3.2 徑流量、輸沙量年際變化趨勢性

采用非參數MK方法和Spearman方法判斷水文時間序列數據的趨勢性，并通過2種方法的對比以期得到更加可信的結果。表2為黃河上游干流沿程各水文站點水沙趨勢檢驗統計量表。沿程各站點年徑流量和年輸沙量在近60年間均呈減少趨勢，且2種方法所得結果一致。唐乃亥站的年徑流量和年輸沙量減少趨勢不顯著，這與已有的研究結果一致，河源至唐乃亥區間無大型水利工程，故唐乃亥站是黃河上游受人類活動影響最小的站點；除唐乃亥站之外各站年輸沙量減少趨勢均達到0.01的置信水平，黃河上游干流年輸沙量整體呈現下降趨勢；下河沿站至頭道拐區間各站的年徑流量和年輸沙量呈現極其顯著的減少趨勢，該段乃黃河上游沖積平原，黃河灌區取用水和河道泥沙淤積是影響該段水沙的重要因素；貴德和循化站年徑流量減少趨勢分別到達0.10和0.05的置信水平，小川站年徑流量減少趨勢不顯著。

表2 黃河上游干流水文站點年徑流量與年輸沙量變化趨勢檢驗Tab.2 Trend test of average annual runoff and sediment load at hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River

注：*** 表示在0.01的置信水平上顯著；** 表示在0.05的置信水平上顯著；*表示在0.1的置信水平上顯著。Notes: ***, ** and * indicate that the correlation coefficient is significant at the confidence level of 0.01, 0.05 and 0.1.

3.3 徑流量、輸沙量年際變化突變特征

圖3為上游各站點年徑流量和年輸沙量的累積距平曲線。可以看出，徑流和輸沙累積距平曲線在1968年、1985年、1986年和1989年前后有明顯的升降趨勢，表明時間序列在該時間點發生突變。唐乃亥站年徑流量和輸沙量發生突變的年份都是1989年，貴德站和循化站年徑流量和輸沙量突變時間點分別是1985年和1986年，小川站的突變時間則是1986年和1968年，下河沿站至三湖河口站發生突變的年份是1985年和1968年，頭道拐站發生突變的年份都是1985年。

1968年和1986年分別是劉家峽水庫和龍羊峽水庫開始蓄水的時間，并且1986年后龍劉水庫開始聯合調蓄黃河上游水沙[16-17]，1989年11月后龍羊峽水庫開始正常運行。這與各站點徑流量與輸沙量的突變時間相契合，進一步證明龍劉水庫對黃河上游水沙的調控。

圖3 黃河上游干流水文站點年徑流量和年輸沙量變化的突變特征Fig.3 Abrupt changes of annual runoff and annual sediment load at hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River

3.4 月徑流量、月輸沙量變化周期性

圖4 黃河上游干流水文站點月徑流量和月輸沙量小波變換Fig.4 Wavelet analysis for monthly runoff and sediment load at hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River

對上游各站點的月徑流量和月輸沙量數據進行小波分析。小波分析圖可以顯示同一時間點上不同周期的振蕩強度和同一周期內不同時間點的分布，反映水文時間序列的豐枯變化特征[18]。由于所選站點數量較多，本文在分析10個站點月徑流量和月輸沙量的小波分析結果的基礎上，篩選4個具有代表性的站點(唐乃亥站、小川站、青銅峽站和頭道拐站，如圖4)。全部10個站點的徑流量和輸沙量具有顯著的1年的振蕩周期，巴彥高勒站、三湖河口站和頭道拐站的徑流量以及除貴德站外的其他9個站的輸沙量具有0.5年的顯著周期，且達到了95%的置信度。水沙0.5～1年的周期變化主要受季節和年際降水變化的影響，三者之間的變化密切相關[19]。此外各站水沙的小波功率譜圖也顯示出3～5和7～9年的變化周期，這與副熱帶高壓脊線位置的準3年周期和地極移動振幅變化、ENSO的7年左右的周期特征相一致[18]，而副熱帶高壓和ENSO都是影響我國西北地區天氣系統的重要因素。唐乃亥站水沙的周期變化至今未出現間斷，其他9個站點月徑流量的顯著周期自90年代中期出現了間斷性變化。貴德月輸沙量的周期性自90年代初開始消失，循化月輸沙量的周期性于90年代初開始減弱并在2000年后消失，其余7個站點月輸沙量在70年代初開始出現間斷性變化并逐漸減弱，同樣在2000年后基本消散，表明上游水沙在這些階段受到龍劉水庫運行調節和退耕還林(草)等水土保持措施的影響較大。

3.5 沿程水沙變化關聯性

圖5 黃河上游干流水文站點多年平均徑流量、輸沙量沿程變化Fig.5 Variations for average annual runoff and sediment load at hydrological stations in the main stream of the upper reaches of the Yellow River

黃河上游干流自上而下10個水文站點多年平均和年代際平均徑流量、輸沙量沿程分布情況如圖5所示。除20世紀50年代外，上游徑流量自上游至下游表現為先增大再減少的態勢，各年代最大值均出現在下河沿站，青銅峽站的平均徑流量明顯低于其前后的下河沿站和石嘴山站。輸沙量自上而下表現為逐漸增大的趨勢，且在下河沿站處明顯增加，下河沿之后各站變化幅度不大，較為平穩。20世紀50年代，青銅峽站的徑流量與下河沿站相近且高于石嘴山站，當時只有青銅峽灌區在大量引水灌溉，而衛寧灌區并未投入使用。青銅峽站的輸沙量高于下河沿站和石嘴山站，而石嘴山站的輸沙量又明顯低于巴彥高勒站，輸沙量波動的原因是因為祖厲河、清水河和紅柳溝泥沙的匯入、青銅峽灌區秦渠、唐徠渠和漢渠引水引沙以及烏蘭布和沙漠風沙入黃。60年代以后，青銅峽站的徑流量均低于下河沿站和石嘴山站，表明衛寧灌區和青銅峽灌區消耗黃河水資源巨大，且青銅峽至石嘴山區間有明顯的灌區退水和地下水補給現象。20世紀90年代以后的平均徑流量、平均輸沙量均低于多年平均，表明近些年黃河上游的徑流量和輸沙量減少顯著。

4 討論

黃河徑流量與輸沙量變化是由氣候變化和人類活動導致的下墊面變化等諸多因素影響的，目前研究發現影響黃河水沙變化的原因多集中在降水量減少、蒸發增加、水利工程調節、灌區引用水、風沙入黃和水土保持措施等方面。

近些年黃河流域水沙量均呈現顯著減小趨勢，水沙變化的周期性受到降水的年際變化以及氣候系統的影響具有相似的周期(0.5～1、3～5和7～9年)[14]。黃河上游與中游水沙變化的突變點多集中在1968和1986年，這主要是受上游大型水庫建設的影響。對比而言，中游的部分水文站點顯示，徑流量和輸沙量突變年份集中在1979與1996年前后，這與黃河中游的水土保持措施實施關系更為密切。

水庫調節使得年內徑流量重新分配，在汛期具有攔洪錯峰的作用，能夠有效削減洪峰流量，延滯洪水下泄，在攔蓄入庫泥沙的同時也大大減小出庫水流的挾沙能力[17]。上游徑流量和輸沙量發生突變的時間點與劉家峽水庫、龍羊峽水庫和青銅峽水庫建設運行的時間相契合，這也進一步驗證了水庫對水沙的調控作用。

黃河上中游途徑干旱半干旱地區，沿途農業灌溉、工業用水、居民生活用水多依賴于黃河，灌區引水引沙是黃河水沙情勢變化的又一重要因素。寧蒙灌區是黃河最主要的灌溉引水區，包括衛寧灌區、青銅峽灌區和河套灌區等多片區域。2000—2012年寧蒙灌區年均引水132.67億m3，凈引水91.37億m3，年均灌溉引沙量達到0.3億t[20]，年均凈引水量占同期下河沿站和頭道拐站年均徑流量的35.4%和56.4%，年均引沙量占同期下河沿站和頭道拐站年均輸沙量的70.9%和68.5%。

黃土高原的水土保持建設對上游部分流域及中游流域水沙影響顯著。各時期大規模的水土保持措施建設，如植被恢復、退耕還林(草)、梯田、淤地壩和風沙治理等極大地改變了地表產匯水、輸沙過程，減沙阻沙效應明顯。上世紀70、80年代，黃土高原修建了大量的淤地壩有效的攔蓄了溝道來水來沙；而自1999年始，以退耕還林草為主的植被恢復顯著改善了區域的植被條件，有效的控制了坡面水土流失。

5 結論

筆者采用MK方法、Spearman方法、累積距平法和小波變換等方法，分析了黃河上游干流唐乃亥至頭道拐區間10個水文站的徑流量、輸沙量在月、年、年代間的變化特征，主要結論如下。

1)近60年來，黃河上游干流大部分水文站的徑流和輸沙量均呈現減少趨勢，且大部分站點減少趨勢顯著，唐乃亥站水沙減少趨勢不顯著。黃河上游干流各站點年徑流量和年輸沙量突變年份多發生在1968、1985、1986和1989年，與上游大型水利工程(龍羊峽、劉家峽、青銅峽等)開始運行的時間相一致，表明干流水利工程對河流水沙具有極大的調控作用。

2)黃河上游干流各站點月徑流量和月輸沙量具有0.5～1、3～5和7～9年的振蕩周期，主要是由降水的季節變化和影響西北地區天氣的氣候系統引起的，在20世紀70年代之后，干流水利水保工程和退耕還林(草)等顯著改變了徑流輸沙的周期特征。

3)黃河上游支流匯水使得徑流量沿程逐漸增加且在下河沿站達到最大值，而寧蒙灌區引用水使得徑流量在下河沿站之后出現減少的狀況；受入黃泥沙貢獻的影響，上游輸沙量沿程逐漸增加且在下河沿站劇增，但在寧蒙河段輸沙量變化不大。

4)大型水利工程、灌區引用水、部分支流的水土保持措施等是黃河上游唐乃亥至頭道拐區間水沙變化的主要原因。