1950-2015年黃河下游河道排洪輸沙時空演變

顏 明, 賀 莉, 王彥君, 劉 慰, 王隨繼, 裴 亮, 鄭明國, 孫莉英

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室, 北京 100101;2.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室, 北京 100084)

黃河的多沙特性使得黃河下游不斷淤積抬高，近期又有嚴重的河道萎縮發生，使得下游承載巨大的排洪輸沙壓力[1-2]，隨著中游水土保持工作成效的顯現[3-4]，進入黃河下游的泥沙顯著減少，年均輸沙量由20世紀50年代的18.19億t減少到2000年以后的0.64億t，輸沙量已經僅為20世紀50年代的3.5%[5]。黃河的另一個特性是水沙異源，黃河徑流主要來自于上游，氣候波動和水庫的修建使得輸入黃河下游的水流呈現階段性減少，20世紀50年代進入黃河下游的徑流多年平均值為474.68億m3，2001—2015年的多年平均值為261.5億m3，減少了45%[6-7]。但由于徑流與泥沙減少過程中并非同步，徑流為階段性減少，含沙量在20世紀并未顯著減少，自21世紀才突然減少，這導致黃河下游河道在20世紀后期都是處于逐漸萎縮階段，降低了河道的過水能力，新形勢下的河道排洪輸沙能力成為研究者的新問題。以前的學者對于排洪和輸沙能力都分別有過深入的研究，將排洪和輸沙納入一個系統中考慮的研究還較少，本研究將排洪輸沙看作黃河下游河道安全問題的兩個方面，排洪與輸沙之間具有相互促進和牽制關系，洪水能夠很好地輸沙甚至沖刷河道，將促進河道的進一步加深拓寬，提高河道的排洪能力，反之，洪水不能完全輸沙，部分泥沙淤積于河道，那么河道的排洪能力將會降低，進一步降低輸沙能力。

綜上所述，本研究是基于黃河下游長序列的水沙數據，首先確定基本排洪輸沙能力指標，進而分析黃河下游主要水文斷面的排洪和輸沙能力隨時間的演變，并以逐日平均流量、含沙量與基本排洪輸沙能力指標對比，研究洪水的輸送情況，最后討論影響排洪輸沙的影響因素。從排洪輸沙的整體性考慮，為黃河下游河道安全提供科學依據。

1 排洪輸沙能力指標的確定

排洪輸沙是一個問題的兩個方面，不僅要保證洪水能順利通過河道，還要考慮洪水所攜帶泥沙在河道內的沖淤，應分別對排洪和輸沙進行評估，而后分析它們的整體效應。

黃河下游的排洪能力取決于多種因素，諸如河道斷面面積，河道寬深比，河道比降等[8-9]，排洪能力是河道輸送水流的綜合反映，包括河槽內及漫灘兩部分，河槽內主要以平灘流量作為參考，因而以平灘流量作為排洪基本能力的衡量指標，這是徑流在河槽內的輸送，這個值越大，表示河道內的輸水能力越強，反之越小。漫灘洪水存在極大的不確定性，許多年份未發生漫灘洪水。因而，本研究主要以平灘流量作為排洪能力的衡量指標，并部分參考了漫灘洪水的發生情況。

輸沙能力也受到多種因素的影響，如流速、流量、河道比降等，輸沙能力不僅受載體的影響[10-11]，其自身的特性也是影響輸沙能力的決定性因素，尤其是泥沙的粒徑組成，但輸沙能力是一個綜合指標，黃河下游在華北平原上游蕩，是一個典型的淤積性河道，長期處于淤積中，輸沙能力在反映上方的來水來沙的同時，還需反映泥沙的輸出情況，因此，這里用一個沖淤比λs來表示河道的輸沙能力，這個指數是在前人研究[8,11]的基礎上進行了調整得來的，首先利用下游站點的年輸沙量減去上游站點的年輸沙量和該河段引出的泥沙量，這個差值反映了泥沙在河道的沖淤情況，正值為沖刷，負值為淤積，然后用河道的這個沖淤值去除以上游站點的年徑流量，這表示在某一時間，河道輸送一定的水量時，所攜帶的泥沙在河道的沖淤量，用輸沙指標或稱單位流量的沖淤比λs表示,即:

λs=(Qs,下-Qs,上-Qs,div)/Qw,上

(1)

式中：Qs,下為下游站點的年輸沙量；Qs,上為上游站點的年輸沙量；Qs,div為兩站之間從河道引出的年泥沙量；Qw,上為上游站點的年徑流量。公式(1)的計算值為負，表示泥沙在河道里發生了淤積，計算值為正表示河道內的泥沙受到了沖刷。

為分析河道輸沙能力隨時間的變化，對河道沖淤比λs進行累積，點繪于圖中，得到每個河段沖淤比隨時間變化的累積曲線。

2 數據來源及處理

黃河水利委員會對黃河下游河道的斷面及水沙進行了長期監測，下游干流上有7個主要水位站：花園口、夾河灘、高村、孫口、洛口、艾山和利津。花園口和夾河灘水文站位于游蕩河段內，高村和孫口水文站在過渡河段內，洛口、艾山和利津為彎曲河段。采集了黃河下游7個水文站1950—2015年逐日平均水位、逐日平均流量、逐日平均含沙量和實測大斷面等資料，部分年份存在缺失。

平灘流量是指某一斷面的水位與該斷面灘唇齊平時該斷面所通過的流量,它是河道主河槽過流能力的重要指標。平灘流量的計算方法分為3步:第1步是確定各個水文站所在斷面每年汛后的灘唇高程，第2步是利用逐日水位和逐日流量數據建立該斷面當年的水位—流量關系,第3步是根據汛后灘唇高程值在水位—流量擬合的關系曲線上查找該高程值對應的流量值,即為平灘流量值。平灘流量只是反映河道輸送水流的基本能力，不代表最大或最小平灘流量。

輸沙能力反映的是兩個水文站之間河段的沖淤，因而，依據7個水文站將研究區分為6段：花園口—夾河灘、夾河灘—高村、高村—孫口、孫口—洛口、洛口—艾山和艾山—利津。利用每一河段上下兩個水文站的輸沙量及該河段引出的泥沙量計算出某一河段的沖淤量，再利用沖淤量除以上游水文站的年徑流量得到輸沙比值。

黃河下游長期處于淤積狀態，分析研究期內的沖淤狀態有利于河道排洪輸沙能力的分析，這里以4 000 m3/s這一流量值對應的水位來衡量各河段的沖淤情況，并將所有年份4 000 m3/s流量對應水位點繪于圖中，進而分析不同河段的沖淤隨時間的變化。4 000 m3/s流量對應的水位需要通過水位和流量數據擬合取得，由于洪水主要發生于7—10月，因而用7—10月4個月的逐日水位和逐日流量進行擬合，獲得4 000 m3/s流量對應的水位。

3 結果與分析

3.1 黃河下游1950-2015年基本排洪能力的變化

黃河下游的平灘流量具有以下特性：一是不同站點的平灘流量大致相當，不存在明顯差異，在時間上存在明顯變化，可以分為5個階段(圖1)：第1階段是1964年以前，三門峽水庫建設前及運行初期，徑流量較高，最大平灘流量超過8 000 m3/s；第2階段是1965—1974年，三門峽水庫的運行方式調整為蓄清排渾，平灘流量逐漸減小，最小減至4 000 m3/s以下，基本上與三門峽水庫運行方式調整為“滯洪排沙”這一階段相對應；第3階段是1975—1985年，在此期間平灘流量出現了波動增大，增加到6 500 m3/s以上；第4階段是1986—2002年，又開始逐漸減小，降至2 500 m3/s左右；第5階段為2003年以后，隨著調水調沙的開展，平灘流量又有所增大，恢復至4 000 m3/s附近。總體變化是逐漸降低的，3個峰值分別為1964年、1985年和2013年，3個谷底為1957年、1974年和2002年，都是呈階梯型減少。第2和第4階段的持續性減小都是由于降水偏枯造成的,第5階段平灘流量的升高主要是通過小浪底單庫及其與上方水庫聯合調度的方式來調水調沙，利用洪水沖刷河道，使得下游各斷面都得到沖刷，提高了下游整體的排洪能力。可見，以平灘流量作為黃河下游排洪基本能力的指標，反映出黃河下游的基本排洪能力是呈階段性減弱的，尤其是1997—2007年期間，平灘流量低于3 500 m3/s，不利于大于4 000 m3/s及更大級別洪水的輸送。

圖1 1950-2015年黃河下游平灘流量隨時間的變化

3.2 1950-2015年黃河下游漫灘洪水的時空演變

平灘流量只是反映河道的基本排洪能力，黃河下游發生的洪水都高于這個平灘流量，為分析黃河下游漫灘洪水的時空演變，將黃河下游每個站點年內發生漫灘洪水的日平均流量進行累加，逐年計算得到1950—2015年每一年發生漫灘洪水的累積日平均流量，計算所得的值列于表1中。漫灘洪水主要發生在3個階段，1959年以前、1964—1985年和2002—2013年。中間夾雜兩個明顯的空缺時段：1960—1963年和1978—1980年，以及一個漫灘洪水發生很少的時段：1986—2001年。1959年以前的漫灘洪水為上小下大型，從游蕩段到過渡段再到彎曲河段的漫灘流量是逐漸增大的，1964—1977年的漫灘洪水以上小下大型為主，1981年以后發生漫灘洪水的流量在不同河段間差異不大。可見，漫灘洪水也是階段性減少，并逐漸向全河段具有大致相當的漫灘流量發展。

3.3 1950-2015年黃河下游輸沙能力的時空演變

根據黃河下游干流上主要站點1950—2015年含沙量的累積沖淤值來判斷不同河段的輸沙能力，從累積曲線看(圖2)，黃河下游河段的輸沙能力隨時間變化以減弱為主，游蕩段的花園口—夾河灘、夾河灘—高村兩個河段的輸沙能力隨時間的變化基本一致，花園口—夾河灘段在2000年以前都是逐漸減小，從1960年的-3.24 kg/m3逐漸降低到-85.71 kg/m3，2000年以后略有增強，至2015年回升到-66.3 kg/m3；夾河灘—高村段逐漸從1960年的-3.54 kg/m3降低到2002年的-73.9 kg/m3，之后略微升高，到2015年為-65.91 kg/m3；高村—孫口段從1952年的0.02 kg/m3降至2002年的-45.67 kg/m3，之后基本保持在這一水平，孫口—艾山段是唯一在研究期內輸沙能力保持正值的河段，1950—1964年逐漸增強，之后到1980年逐漸減弱，而后至2015年在震蕩中攀升。艾山—洛口段的輸沙能力隨時間的變化最小，只是有略微的減小，洛口—利津段在1998年以前變化也不明顯，之后突然開始減弱，到2002年減小到-29.3 kg/m3，之后的起伏較小。說明黃河下游河段的輸沙能力在空間基本可以分為兩段：花園口—孫口水文站之間的上段和孫口—利津水文站之間的下段，上段的輸沙能力隨時間以減弱為主，下段的輸沙能力隨時間的變化較微弱。在時間上也可以分為兩個時期：2000年以前，上段以減弱為主，下段變化較小；2000年之后上段略有增加，下段略有減弱，可見，2000年前后是河道沖淤轉變的一個重要轉折點。

表1 黃河下游干流水文站漫灘洪水累積日平均流量 萬m3/s

注：“—”代表未發現。

3.4 黃河下游排洪輸沙能力變化的影響因素

影響黃河下游排洪輸沙能力最為直接的因素為：上中游來水來沙的變化和下游河道隨水沙變化的調整。上中游來水來沙需要通過下游河道輸送，輸送水沙的過程就是排洪輸沙的過程，在排洪輸沙過程中，洪水和泥沙又會影響河道，洪水沖刷河道使河道加深，有利于更多徑流和泥沙的輸送，或者泥沙淤積于河道，使河道變得寬淺，阻礙后期洪水和泥沙的輸送。

圖2 黃河下游各河段輸沙能力隨時間的變化

3.4.1 上中游來水來沙的變化 從平灘流量與花園口站年徑流量的關系來看(圖3)，兩者存在強相關，平灘流量與年徑流量的皮爾遜相關系數為0.77，隨時間的變化也具有相似性，平灘流量和年徑流量兩者都存在隨時間減少的趨勢，差異表現在花園口站年徑流量的年際間波動較大，使得曲線起伏較大，而平灘流量的年際波動較小，曲線更為平滑，這是由于平灘流量具有一定的繼承性，前期較大洪水會形成更大的平灘流量，而緊隨其后的年份即使出現較小的徑流量，河道依然能保持較大的平灘流量。也就是說，平灘流量依賴于上中游徑流的塑造，但河道本身能保持對前期的繼承性，但總體趨勢是一致的。花園口水文站的含沙量以2000年為界分為明顯的兩個時段，在2000年以前含沙量較高，多年平均年含沙量為26.57 kg/m3,自2000年開始，含沙量急劇降低，多年平均值為3.81 kg/m3，這個突變與河道的沖淤突變是完全一致的。可見，降低含沙量才能實現黃河下游河道的沖刷。

圖3 花園口站1950-2015年水沙的變化

3.4.2 下游河道的調整 黃河的來水明顯減少，但含沙量并未明顯減少，在2000年以前都明顯較高，僅在20世紀60年代前期和80年代前期存在兩個明顯的低值時段，2000年之后突然減少，進入一個低含沙量時段(圖4)。高含沙量使得河床淤積，不斷抬高，這已是不爭的事實。以4 000 m3/s流量對應的水位來看，黃河下游河床在2000年以前整體都在抬升，花園口站從1958—2000年升高了1.88 m，夾河灘站從1953—2002年升高了3.35 m，高村站從1950—2000年升高了4.19 m，孫口站從1952—2003年升高了4.05 m，艾山站從1952—2001年升高了3.93 m，洛口站從1958—2003年升高了4.46 m，利津站從1951—2001年升高了2.68 m。從升高的程度來看，位于上段的花園口和尾端的利津升高的幅度遠低于夾河灘—洛口河段，升高的幅度也說明河道淤積主要發生在夾河灘至洛口之間。在實施調水調沙后，河道開始沖刷，4 000 m3/s對應的水位逐漸下降，從上至下，到2015年，各站點的水位分別降至92.20，72.86，61.52，47.96，41.01，29.86，13.00 m，與2000年的4 000 m3/s流量對應的水位相比，分別下降了2.13，2.93，2.61，1.06，1.69，1.75，1.39 m。花園口和夾河灘基本回到了50年代的水位，而下游站點的水位回到最初的水平還有一些差距，這說明調水調沙對于高村以上河段的效果較好，而高村以下河段的沖刷少于上段，高村以下的排洪輸沙壓力也高于高村以上河段。

從1950—2015年黃河下游主要站點4 000 m3/s流量對應水位之間的相關系數也可以看出(表2)，花園口僅與夾河灘和高村之間具有強相關，而與其他站點間的相關性差一些，夾河灘也存在類似情形，與高村的相關性最好，與其他站點間的相關性略差。高村及以下河段站點間的相關性都很強，說明它們之間的變化具有很好的一致性。主要站點4 000 m3/s流量對應水位相關系數矩陣說明黃河下游的沖淤也是以高村站為界，高村以上的花園口、夾河灘和高村3個水文站之間的沖淤具有較好的一致性，高村以下的孫口、洛口、艾山和利津4個水文站之間的沖淤具有更強的關聯，與輸沙能力在空間上的差異分析是完全一致的。

圖4 1950-2015年黃河下游干流主要站點4 000 m3/s流量對應水位隨時間的變化

表2 1950-2015年黃河下游干流主要站點4 000 m3/s流量對應水位之間的相關系數

4 討論與結論

新中國建立以來，黃河下游經歷了嚴重的淤積，隨著對黃河下游水沙輸送認識的提高，上中水庫的建設、中游水土保持工作的全面開展，進入黃河下游的水沙發生了明顯的變化，水庫的建設和運行方式都是影響黃河下游的重要因素，水庫的運用對進入下游水沙的影響分為兩個方面：一是對洪峰的削減；二是攔蓄了大量的水沙。在20世紀50年代末期及60年代初期，主要受三門峽水庫的影響，三門峽水庫蓄水階段，下游的平灘流量是增大的，轉入滯洪排沙后開始逐漸減小，之后轉為蓄清排渾，平灘流量又有所提升，這種狀態持續到1986年龍羊峽水庫的下閘蓄水，中間夾雜著1974年劉家峽水庫的影響，可見，黃河下游排洪能力隨時間變化的節點與各水庫的建設使用是完全對應的。含沙量的變化存在兩個重要的時間節點：1979年和1999年。1979年是水土保持措施在黃河中游效果凸顯的時間節點，1999年是黃河中游實施退耕還林還草開始實施的時間點。前一時間節點部分的與水量減少相疊合，并未使得含沙量明顯減少，而第2個時間點后，進入黃河下游的泥沙明顯減少，使得含沙量明顯降低，形成相對大的水量攜帶更少泥沙的局面，引起了河道的沖刷，提高了河道的排洪輸沙能力。

由于河道的淤積抬升和持續萎縮，下游河道的排洪輸沙能力不斷降低，對水沙的調控提出越來越高的要求，經過21世紀初期10余年的水沙調控，黃河下游的淤積問題得到了部分緩解，但問題遠未解決，排洪輸沙依然是黃河下游河道平衡和大堤內外生產生活安全的主要問題。對黃河下游排洪和輸沙時空演變的分析發現：(1) 黃河下游河道各河段具有相似的平灘流量，在空間上，基本排洪能力是相當的；在時間變化上具有一致性，受徑流豐枯和水庫運用的影響，黃河下游的平灘流量呈階段性減小，至20世紀末21世紀初降至最低點，之后有所增加。(2) 1950—2015年，黃河下游的輸沙能力在高村以上河道在20世紀后期逐漸降低，21世紀有所提高，高村以下河段的輸沙能力變動較小。(3) 排洪能力的減小既有上游水沙波動的影響，又有水庫建設使用的影響，2000年以前受上游水沙波動影響較大，2000年以后輸沙能力的影響主要是小浪底水庫的使用，小浪底投入使用前，含沙量都保持比較高的水平，小浪底投入使用后，含沙量急劇降低，利用大流量的低含沙洪水對下游河道進行了沖刷，降低了河床的高度，提高了排洪輸沙的能力，但高村以上河道的沖刷比高村以下河段的沖刷更明顯，提高黃河下游整體的排洪輸沙能力仍是未來河道整治的重點。