黄河干流径流量和输沙量阶段性分析

何 毅

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨陵 712100)

黄河干流径流量和输沙量阶段性分析

何 毅

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨陵 712100)

阶段性是描述河流水沙丰枯变化持续长度的主要特征。利用“中国河流泥沙公报”数据，运用Mann－Kendall方法(简称M－K检验方法)、距平累积曲线法和以自然年代为阶段分析黄河干流径流量和输沙量的变化，探讨黄河干流水沙变化的阶段性。数据系列至2008年，大多数数据长达50多年。结果表明:近50多年来，黄河干流径流量和输沙量均具有逐年代显著减少的变化趋势;M－K检验表明，径流量突变点唐乃亥站出现在1994年，兰州、头道拐、龙门、潼关站径流量突变点均在1990年，花园口和高村站径流量突变点在1986年;利用距平累积曲线分析黄河干流径流量和输沙量同步变化可以分为丰水丰沙期、丰水枯沙期、枯水枯沙期和枯水丰沙期等4个时期。

径流;输沙;阶段;黄河

河川径流及输沙量变化存在一定的周期性和阶段性特征，随着全球气候变化和人类活动综合影响的加剧，河川径流和输沙量发生了显著的时空变化，直接影响了流域水资源的合理配置、开发与利用。王飞等［1～2］分析了近四百余年来黄河三门峡站天然径流量，认为在不同的最小控制时段约束下能充分认识黄河天然径流量的不同阶段特征。丁永健等［3］运用距平累计曲线分析了我国西部地区近50年径流量时间变化及其空间差异。穆兴民等［4］利用黄河陕县站天然径流量资料，分析了1919～1997年黄河天然径流量年际变化的阶段性、周期性及其未来变化趋势。本研究拟采用以自然年代分段、距平累积曲线、Mann－Kendall检验等方法，对黄河干流近50多年来的径流量和输沙量进行变化趋势、阶段性划分、突变性等变化特征研究，为更好了解黄河干流水沙状况的阶段性提供参考依据。

1 数据与方法

本文选用《中国河流泥沙公报》黄河干流9个水文控制站的径流量和年输沙量数据。其中，兰州、头道拐、龙门、花园口站径流量和年输沙量时间序列为:1950～2008年;艾山、高村、利津、潼关站径流量和年输沙量时间序列为:1952～2008年;唐乃亥站径流量时间序列为:1956～2008年、输沙量时间序列为:1956～2008年。

式中:LPi为第 i年的距平累积值，Xi为第 i年的水文要素值为某水文要素的多年平均值。

根据距平有正有负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内水文要素值大于平均值;当距平累积持续不变表明该时段水文要素值等于平均值;当距平累积持续减小时，表明时段内水文要素值小于平均值。据此，可以较其他方法更能直观而准确地确定水文要素变化的阶段性［4］。本研究数据分析计算利用 EXCEL 2003软件，水沙序列突变点分析采用 DPS 7.05软件进行。

2 结果与分析

2.1 自然年代(以10年为界)分段

黄河干流各站径流量(表略)，与多年均值相比，60年代以前，除唐乃亥站较偏枯外，其余各站都偏丰或正常;60年代，从上游到下游，都普遍偏丰;70年代，除头道拐和龙门站外，其余各站基本上趋于正常;80年代，艾山站趋于平水，利津站偏枯，其余各站都偏丰;90年代，上游至下游则都偏枯，其中唐乃亥站偏少幅度最小，为11.5%，有沿程向下游偏少幅度逐渐加大趋势，利津站偏少幅度最大，达到了54%;21世纪以来，自上游至下游，都普遍偏枯。总的来说近50多年来，黄河干流径流量逐年代呈现出阶梯状下降，其中利津站下降趋势最为明显，21世纪以来径流量比1960年以前减少了70%，唐乃亥站径流量减小幅度最小，21世纪以来径流量比1960年以前减少了12.5%。

黄河干流各站年输沙量，与多年均值相比，60年代以前，除唐乃亥站年输沙量偏少外，其余各站均偏多在44.4% ～92.9%之间变化;60年代，与上一时段相似，仍是除唐乃亥站年输沙量偏少外，其余各站均偏多在20.1% ～72.5%之间变化;70年代，除兰州站年输沙量偏少外，其余各站在1% ～33.3%之间变化，输沙量基本上趋于正常或稍微偏多;80年代，除唐乃亥站年输沙量偏多外，其余各站均偏少在7.6% ～36.1%之间变化;90年代，黄河上游至下游各站年输沙量则都偏少，其中唐乃亥站偏少幅度最小，为9.8%，头道拐站偏少幅度最大，达到了61.2%;21世纪以来，从上游到下游，年输沙量减少幅度在40.3% ～88%之间变化，具有明显的下降趋势。近50多年来，黄河干流输沙量呈逐年代下降趋势，其中花园口站下降趋势最为明显，21世纪以来输沙量比1960年以前减少了93%，唐乃亥站输沙量减小的幅度最小，21世纪以来输沙量与1960年以前基本持平。

总体上近50多年以来，除60年代和80年代黄河干流的径流量较常年略偏多外，整个黄河干流的径流和输沙量总体上均呈现逐年代递减的趋势。进入21世纪以来，黄河干流径流量和输沙量分别较多年平均偏少36.3%和78%，是径流量和输沙量最少的一个时期。

2.2 Mann－Kendall方法分段

对黄河干流9个水文控制站的径流量和输沙量进行变点分析(仅列出唐乃亥和花园口站，其他站点图略)。

图1 黄河干流水文站M－K法检验曲线

注:Sl为输沙量，其均值单位为:亿t;R为径流量

在95%信度水平下，艾山站和利津站径流量突变点不显著。由表1可看出，以1994年作为时序分割点，唐乃亥站径流量原始系列被分为1950～1974年和1975～2008年两部分，分别计算该系列径流统计特性，变点前后时间序列比较可知，唐乃亥站径流量均值减少了20%，变差系数增加了1%;同样以1990年作为时序分割点，兰州、头道拐、龙门以及潼关站径流量原序列均可被分前后两部分，变点后时间序列部分与变点前进行比较，这四个站的径流量均值减少了22% ～43%，变差系数减少了31% ～40%;以1986年作为时序分割点，花园口站和高村站径流量原序列被分为前后两部分，变点后时间序列部分与变点前进行比较，这两个站的径流量均值减少了43%～48%，变差系数减少了10% ～11%。另外，通过对年输沙量存在突变点的兰州和头道拐站进行计算，并对变点后时间序列部分与变点前进行比较，这两站的年输沙量均值减少了58%～67%。

年径流量的变差系数Cv值的大小反映出年平均径流量相对于多年平均径流量的离散程度，当 Cv=0时，说明年平均径流量的取值都等于多年平均径流量，Cv越大，说明年平均径流量相对于多年平均径流量越离散。由以上计算结果可以看出，黄河干流各站年径流量的变差系数 Cv值在0.124～0.331之间。

由此可知，黄河干流各站径流量和输沙量在突变点后均明显减少，年径流量的年际变化较大，突变点前后阶段性明显。

2.3 距平累积曲线法分段

由图2可以看出(仅列出唐乃亥站和头道拐站，其他站点图略)，在研究时段内，黄河干流各站径流量和输沙量均呈现出明显的阶段性变化，黄河干流各站径流量和年输沙量距平累积值均存在波动，但二者波动并不同步，且变化较复杂。根据距平累计曲线，分析黄河干流水沙同步变化，可把黄河干流各站的径流量和输沙量变化划分为:丰水丰沙期、丰水枯沙期、枯水枯沙期以及枯水丰沙期。

图2 黄河干流径流和输沙量距平累计曲线

分析结果表明，对唐乃亥站1962～1967年、1974～1976年、1980～1984年三个阶段为丰水丰沙期，这时期内，河道内多水多沙;1956～1961年、1968～1973年、1989～1990年、1994～2008年四个时段内，河道内少水少沙，是枯水枯沙期;1985～1988年这个时段内河道内水少沙多，是枯水丰沙期。同理分析，对兰州站1964～1968年为丰水丰沙期，1961～1963年和1980～1985年是丰水枯沙期，1969～1973年和1986～2008年这两时段内是枯水枯沙期。对头道拐站1950～1954年、1958～1967年和1974～1985年为丰水丰沙期，1955～1957年、1968～1973年和1986～2008年这三个时段内是枯水枯沙期。对龙门站1950～1953年、1957～1959年、1964～1968年和1977～1979年四个阶段为丰水丰沙期，1973～1976年和1980～1985年这两个时段内是丰水枯沙期，1986～2008年是枯水枯沙期，1969～1972年是枯水丰沙期。对潼关站1952～1959年和1964～1968年为丰水丰沙期，1982～1985年是丰水枯沙期，1986～2008年这个时段内是枯水枯沙期，1969～1973年是枯水丰沙期。对花园口站1950～1958年和1964～1968年为丰水丰沙期，1959～1963年和1980～1985年是丰水枯沙期，1986～2008年是枯水枯沙期，1968～1974年是枯水丰沙期。对高村站1952～1959年和1964～1968年为丰水丰沙期，1985～2008年是枯水枯沙期，1969～1974年是枯水丰沙期。对艾山站1952～1959年和1964～1968年为丰水丰沙期，1986～2008年是枯水枯沙期，1969～1973年是枯水丰沙期。对利津站1950～1968年和1982～1985年为丰水丰沙期，1974～1976年是丰水枯沙期;1986～2008年是枯水枯沙期，1969～1973年和 1977～1981年这两时段内是枯水丰沙期。

总体来说黄河干流在1960年代以前，除了上游的唐乃亥和兰州站，其余各站均为丰水丰沙期，径流量和年输沙量距平累积曲线均呈上升趋势，多水多沙;黄河干流上游从唐乃亥站至头道拐站，基本在1969～1973年附近为枯水丰沙期，径流量距平累积曲线呈下降趋势，而年输沙量距平累积曲线呈上升趋势，少水多沙;而在1986～2008年附近，整个黄河干流为枯水枯沙期，径流量和年输沙量距平累积曲线均呈下降趋势，黄河少水少沙。黄河干流径流量和输沙量在不同时期具有不同的变化特征，阶段性明显。

3 结论与讨论

本研究利用不同方法对黄河干流径流量和输沙量的阶段性进行划分，得到以下结论:

(1)近50多年来，黄河干流径流量和输沙量均具有逐年代显著减少的变化趋势。其中，黄河干流径流量逐年代呈现出阶梯状下降趋势。

(2)采用M－K检验方法对黄河干流各站年径流量和输沙量水沙系列进行突变点分析，得到唐乃亥站径流量突变点在1994年;兰州、头道拐、龙门、潼关站径流量突变点均出现在1990年;花园口和高村站径流量突变点在1986年;兰州和头道拐站的年输沙量突变点分别为1974年和1984年，其他水文站的输沙量突变点不显著。突变点后径流量和输沙量均显著减少，阶段性明显。

(3)近50多年来，黄河干流径流量和输沙量同步变化可以分为丰水丰沙期、丰水枯沙期、枯水枯沙期、枯水丰沙期等4个阶段。

基于以上结论，目前河流水沙变化研究的分段主要以自然时间为主［11－13］，但是气象水文要素自身并不一定存在规律性，例如唐乃亥站，在 1960～1970年，径流量和输沙量均出现3次升降变化，而径流量在1994年前后才出现明显的转折点，如果把这些变化幅度很大年份前后的数值平均，必然会导致阶段性差异的减小，从而导致水沙变化分析主观性过强;利用M～K检验方法进行水沙变化阶段划分，可以有效的找出突变点进而划分阶段，但是不利于阶段的具体细分。而根据径流量和输沙量距平累计值进行河流水沙变化阶段划分，可以直观显示出径流和泥沙变化的相对持续性，从而更直观明确的表现相应时段的气象水文特征。

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Stage Analysis of Runoff and Annual Sediment of Main Stream of the Yellow River

HE Yi
(College of Resources and Environment，Northwest A ＆ F University，Yangling712100，Shannxi)

The stage is an important character to describe runoff and sediment change in the river during long period.The variation of runoff and sediment in main stream of the Yellow River are analyzed by using Mann－Kendall method，accumulation deviation method on basis of the latest 50 years data published in the China Gazette of River Sedimentation.The results showed that runoff and annual sediment of Main Stream of the Yellow River were dropping obviously over the past 50 years;The Mann－Kendall test indicated catastrophe point of runoff in Tang Nai Hai station was 1994，catastrophe point of runoff in Lan Zhou，Tou Dao Guai，Long Men and Tong Guan station was 1990，and catastrophe point of runoff in Hua Yuan Kou and Gao Chun station was 1986.The runoff and sediment in main stream of the Yellow River had similar change trend which could be divided four obvious periods according to analysis of accumulation deviation method.

Runoff;sediment transporting;stage and the Yellow River

P641.1

A

1004－1184(2011)06－0142－03

2011－08－29

何毅(1985－)，男，广西梧州人，在读硕士研究生，主攻方向:GIS应用。