馬 雁，賈生海，張彥洪

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

黃河作為西北地區(qū)重要的淡水資源，在地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要的角色。黃河泥沙問題由來已久，相關(guān)學(xué)者為此做了大量調(diào)查研究，其中趙陽等研究了黃河流域近70年水沙現(xiàn)狀及成因分析[1]，姚文藝等通過黃河上游進(jìn)出水庫的水沙資料分析了水庫運(yùn)行對(duì)徑流泥沙的調(diào)節(jié)及影響[2]，彭少明等利用IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)指標(biāo)體系分析了梯級(jí)水庫群不同運(yùn)行方式對(duì)黃河上游水文變化和對(duì)河流生態(tài)的影響[3- 4]，同時(shí)人類活動(dòng)和氣候變化在一定程度上影響著流域水沙運(yùn)移規(guī)律[5- 7]。

黃河上游通常是指內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)以上河段，全長3472km，占總長的63.5%，流域面積約為38.6萬km2，占全河總流域面積的51.3%左右。黃河上游天然徑流量的99%來自蘭州以上地區(qū)，泥沙主要來源區(qū)間位于蘭州至青銅峽地段[8]。黃河上游水體泥沙含量小，水能資源蘊(yùn)藏量大，沿途建造的水利樞紐工程大大推動(dòng)了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和地方水利電力行業(yè)的發(fā)展。但因黃河含沙量大，人類活動(dòng)及水利工程的修建，改變了河道的水沙沖淤平衡，河岸面積縮減、部分寬谷河道主河槽淤積嚴(yán)重，河道健康和生態(tài)功能進(jìn)一步減退，調(diào)控洪水的能力減弱，可能導(dǎo)致洪水淹沒及人民財(cái)產(chǎn)的損失[9- 11]。因此，研究黃河上游水沙特性變化規(guī)律，對(duì)水資源合理配置、維持地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，保障人民財(cái)產(chǎn)安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 黃河上游泥沙來源分析

黃河主要支流有湟水、白河、黑河、洮河、大夏河、大黑河、祖厲河、清水河等，多年平均天然徑流量達(dá)330億m3，占黃河天然徑流總量的57.2%。黃河中的泥沙主要來源于支流泥沙的匯入，上游典型支流為洮河，控制水文站為紅旗站[12]。黃河上游部分河段經(jīng)過黃土高原地區(qū)，該地區(qū)汛期降雨集中、降水強(qiáng)度大，而植被稀疏矮小，結(jié)構(gòu)疏松的表土在雨水的強(qiáng)力沖刷下，極易引發(fā)水土流失；內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)以上黃河段流經(jīng)騰格里沙漠和毛烏素沙漠，地表沙土在水流侵蝕及風(fēng)蝕等條件下每年將有大量的泥沙進(jìn)入黃河。因此，降雨侵蝕和水土流失是黃河上游泥沙的主要來源，這一觀點(diǎn)同時(shí)也被相關(guān)學(xué)者證實(shí)[13]。近年來，土地利用類型及城市化等人類活動(dòng)在一定程度上改變了黃河上游流域下墊面狀況，使流域水循環(huán)過程發(fā)生改變，對(duì)流域泥沙的產(chǎn)生也有較大影響[14]。

2 蘭州水文站不同年份水沙特征分析

蘭州水文控制站位于黃河干流之上，其控制流域面積達(dá)22.26萬km2。該站2004—2018年年徑流量、年輸沙量及年平均含沙量來源于水利部《中國河流泥沙公報(bào)》發(fā)布數(shù)據(jù)。

2.1 蘭州水文站不同年份年徑流量變化特征

2004—2018年蘭州水文控制站15年間年徑流量變化特征如圖1所示。由圖1可知，2004—2018年，年徑流量在235.6億～441.8億m3之間變化，平均徑流量為302.8億m3，年徑流量呈先增大后減小再增大的變化趨勢。2012年是15年來第一個(gè)年徑流量達(dá)到高峰的年份，為380.4億m3，而第二次年徑流量高峰出現(xiàn)在2018年，達(dá)到441.8億m3，為2004年來的最大徑流量，較其他年份平均流量增加50.85%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)2012年該水文站所在流域降雨、徑流和2018年黃河流域洪水等資料發(fā)現(xiàn)[15—17]，2012年黃河上游產(chǎn)生了一次較大規(guī)模的洪水過程，7月30日10:18洪峰流量達(dá)到3860m3/s，是1986年以來的最大洪峰流量；這次洪水過程中日均流量大于2500m3/s的天數(shù)為29d，日均流量超過3000m3/s的天數(shù)為9d，因此導(dǎo)致2012年年徑流量高于除2018年的其他年份。2018年汛期黃河流域暴雨過程頻繁，共出現(xiàn)3次編號(hào)洪水，中雨以上降水過程共21次，其中在第2號(hào)洪水過程中，蘭州水文控制站7月23日8:18洪峰流量達(dá)3610m3/s，此次洪水量達(dá)到3.05億m3；在第3號(hào)洪水過程中，9月26日23:00洪峰流量達(dá)3590m3/s，總水量為191億m3，洪水歷時(shí)87d，本次日均流量大于3000m3/s的天數(shù)達(dá)30d，3次洪水過程導(dǎo)致2018年年徑流量明顯大于其他年份。

2.2 蘭州水文站不同年份年輸沙量變化特征

2004—2018年蘭州水文控制站15年間年輸沙量的變化特征如圖2所示。由圖2可知，2004—2018年，年輸沙量在0.079～0.960億t之間變化，其中2004—2007年年輸沙量平均值為0.257億t，呈逐年遞增趨勢；2008—2011年年輸沙量平均值為0.109億t，處于較低水平，2004—2007年年輸沙量是2008—2011年年輸沙量的2.45倍；2012年由于黃河上游一次較大的洪水過程，輸沙量迅速增大到0.372億t；2013—2017年年輸沙量平均值為0.118億t，與2008—2011年均值接近；2018年輸沙量達(dá)到最大值0.960億t，是其他年份平均輸沙量的5.54倍。通過查閱和分析水文站相關(guān)資料可知[18]，2018年年徑流量較其他年份偏大，為441.8億m3，同時(shí)2018年汛期受降雨影響，黃河上游洪水多、水量大、降雨持續(xù)時(shí)間長，伴隨洪水過程，受湟水、大通河等支流的影響，黃河上游來水含沙量增大，輸沙量明顯增多。

圖2 2004—2018年年輸沙量變化特征

2.3 蘭州水文站不同年份年平均含沙量變化特征

2004—2018年年平均含沙量的變化特征如圖3所示。由圖3可知，年平均含沙量最小值為0.260kg/m3，最大值為2.170kg/m3，對(duì)應(yīng)的年份分別為2009、2018年。2004—2007年年平均含沙量逐年遞增，平均值為0.898kg/m3，與2012年0.978kg/m3平均含沙量接近；2018年平均含沙量為2.170kg/m3，是2004—2007年平均值的2.42倍；其余年份平均值為0.403kg/m3，是2018年的18.57%，2004—2007年平均值的44.88%?？傮w來看，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中除2018年外，其他年份年平均含沙量均值為0.585kg/m3，變化幅度較小，2018年較其他年份平均增加了270.67%，這種趨勢與該年度徑流量和輸沙量較其他年份大相一致。同時(shí)，由于2018年汛期暴雨洪水增多且歷時(shí)長，促使其平均含沙量較其他年份明顯偏多。

圖3 2004—2018年年平均含沙量變化特征

2.4 蘭州水文站不同年份年徑流量與年平均含沙量關(guān)系

河道中年徑流量大小與降水量及支流來水等因素有關(guān)。2004—2018年以來年徑流量與年平均含沙量之間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可以得出，在不同年份隨徑流量的增加，年平均含沙量呈逐漸增大的趨勢，可用線性函數(shù)表示。

f(x)=-1.2091+0.0063x

(1)

式中，f(x)—平均含沙量，kg/m3；x—年徑流量，億m3；R—相關(guān)系數(shù)，這里取R=0.6831。由此可見，在平均含沙量變化不大的情況下，年徑流量越大，年平均含沙量也就越大。

圖4 2004—2018年年徑流量與年平均含沙量變化關(guān)系

2.5 蘭州水文站不同年份年輸沙量與年平均含沙量關(guān)系

2004—2018年以來年輸沙量與年平均含沙量之間的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可以得出，年輸沙量與年平均含沙量之間呈線性關(guān)系，可用線性函數(shù)表示。

f(x)=0.2078+2.1409x

(2)

式中，f(x)—平均含沙量，kg/m3；x—年輸沙量，億t，R—相關(guān)系數(shù)，這里取R=0.9770。由此可見，年輸沙量與年平均含沙量二者相關(guān)性強(qiáng)，隨著年輸沙量的增大，年平均含沙量也隨之增大。

圖5 2004—2018年年輸沙量與年平均含沙量變化關(guān)系

2.6 蘭州水文站不同年份年徑流量與年輸沙量關(guān)系

黃河上游水沙異源，不同時(shí)期水沙變化主導(dǎo)因子不同，20世紀(jì)60年代以前以降雨為主導(dǎo)因子，之后隨著上游大型水庫的修建及水保措施的實(shí)施，水沙變化受自然因素和人類活動(dòng)共同影響[17]。2004—2018年年徑流量與年輸沙量變化關(guān)系如圖6所示，由圖6可以得出，在不同年份隨徑流量的增加，年輸沙量呈逐漸增大的趨勢，可用線性函數(shù)表示。

f(x)=-0.7849+0.0033x

(3)

式中，f(x)—年輸沙量，億t；x—年徑流量，億m3；R—相關(guān)系數(shù)，這里取R=0.7962。

由相關(guān)系數(shù)可知年徑流量與年輸沙量相關(guān)性較差，說明水沙變化受自然因素和人類活動(dòng)的共同影響較大，同時(shí)水沙變化并不完全遵循同步規(guī)律，存在時(shí)間上的差異性。

圖6 2004—2018年水沙變化關(guān)系

3 結(jié)語

降雨和洪水對(duì)黃河上游徑流量影響較大，同時(shí)支流洪水不僅導(dǎo)致洪峰的出現(xiàn)，還攜帶大量泥沙。通過分析黃河上游蘭州水文控制站水沙來源及徑流、泥沙特征，研究認(rèn)為2004—2018年，年徑流量呈先增大后減小再增大的趨勢，輸沙量和平均含沙量隨年份變化不明顯，2018年受暴雨洪水影響，三項(xiàng)指標(biāo)均高于其他年份；在不同年份隨徑流量和輸沙量的增加，年平均含沙量均呈線性增長的趨勢，水沙變化并不完全遵循同步規(guī)律，存在時(shí)間上的差異性。因此，加強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)，減少支流泥沙來源，降低洪水過程中攜帶的泥沙量，有助于減少黃河上游泥沙含量，減少下游泥沙淤積量。