近60年黄河上游干流水沙变化及其关系

许文龙，赵广举,†，穆兴民,，高 鹏,，孙文义,

(1.中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌； 2.中国科学院大学，100049，北京; 3.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

黄河水少沙多、水沙异源、水沙关系不协调，黄河的径流量主要来源于上游的天然降水、冰雪融水和地下水。黄河水资源的时空分布对流域工农业生产与人民生活有着极其重要的影响，但20世纪90年代以来，黄河干流实测径流量显著减少，已经影响到该区农业生产、人民生活及经济的可持续发展[1]。黄河的泥沙主要来源于黄土高原及风沙区，大量泥沙随风、水进入黄河，河道湖库淤积萎缩，河床不断抬升，导致主河槽行洪输沙能力大幅降低，上游宁蒙河段淤积严重，下游河道泥沙淤积，“地上悬河”等现象加剧，严重影响黄河的防凌防汛工作，威胁沿途群众的生命财产安全。进入21世纪以来，黄河输沙量从16亿t锐减至3亿t，泥沙锐减引起广泛的关注，很多学者对此展开大量的研究工作[2]。

已有研究[3-6]表明，大量的人类活动是黄河径流量和输沙量锐减的主要原因。穆兴民等[7]指出不同时期黄河水沙变化的主要因素有所差异，上世纪80年代，坝库工程拦蓄占据主导地位，而2000年以后，国家实施大规模的“退耕还林(草)”政策，植被恢复成为这一时期黄河水沙减少的主要原因。然而，大量研究多集中在黄河中游地区，尤其是多沙粗沙区的水沙时空演变规律与驱动因素的相关研究。受气候变化、农业灌溉、大规模的水土保持措施和水库建设等影响，黄河上游径流量和输沙量及水沙关系亦发生了显著变化。笔者通过对唐乃亥至头道拐区间10个干流水文站的径流量和输沙量变化分析，探究黄河上游水沙变化及水沙关系规律以及沿程变化特征，为流域水资源合理利用和河道综合治理提供依据。

1 研究区概况

黄河上游位于E 95.0°～111.1°、N 32.51°～41.81°，流域面积为38.6万km2，占黄河流域总面积的51.3%；干流河长为3 472 km，占黄河干流总长度的61.3%；上游河段落差3 496 m，平均比降为1‰，年均降水量为426.2 mm[8]。

笔者选取唐乃亥至头道拐区间作为研究区域(图1)。根据景观特征差异，以下河沿为分界点将该区间分为2段。上段为唐乃亥至下河沿，为峡谷地段，此区间贵德至兰州段是上游支流集中区段，洮河、湟水等重要支流在此区段汇入黄河，是黄河上游径流的重要补给区；同时唐乃亥至青铜峡区间又是我国重要的水电开发建设基地，已建成包括龙羊峡、刘家峡和青铜峡在内的近20座水电站。下段为下河沿至头道拐区间，属于冲积平原段，区间大部为荒漠和荒漠草原，无大的支流汇入，干流河床平缓，水流缓慢，两岸有大片冲积平原，其中包括银川平原与河套平原等。

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

2 数据与方法

根据黄河上游干流水文站点的分布，兼顾研究区域分布省份和流域景观差异，笔者选取黄河干流的唐乃亥站、贵德站、循化站、小川站、下河沿站、青铜峡站、石嘴山站、巴彦高勒站、三湖河口站及头道拐站等10个沿程水文站的径流量和输沙量数据，研究黄河上游1950—2012年时间范围内的水沙关系、水沙变化及沿程变化特征。笔者所采用的水沙数据来自黄河上游干支流水文泥沙资料数据集(1950—2012年)。

水文序列可看作为非周期成分(趋势项、突变项、跳跃项等)、周期成分和随机成分的累加[9]，故可通过统计特征分析、趋势性分析、突变性分析和周期性分析研究黄河上游水沙变化特征。

笔者将选用均值、方差、变异系数(CV，coefficient of variation)等[10]表征水文时间序列数据的基本统计特征，采用非参数Mann-Kendall检验法(下称MK方法)和Spearman秩相关系数法(下称Spearman方法)[11-12]来分析各站点水沙变化的趋势特征，采用累计距平法[13]识别水文序列的突变点，采用小波分析方法[14]判断黄河上游径流泥沙近60年的周期特征。由于本文采用的方法均为水文序列常用的统计分析方法，受篇幅限制，在此不再赘述。

3 结果与分析

3.1 径流量、输沙量年际变化的统计特征

根据黄河上游干流水文站点1950年至2012年之间的年径流量、年输沙量数据进行统计(表1)，统计特征结果如下：多年平均径流量和输沙量最小值出现在唐乃亥站, 分别为201.33亿m3和0.12亿t；最大值出现在下河沿站，分别为300.71亿m3和0.24 亿t。变异系数描述数据与均值的偏移程度，当CV≤0.1时，数据具有弱变异型，表明水文时间序列相对稳定；当0.1≤CV≤1时，数据达到中度变异程度；当CV≥1时，水文时间序列具有强变异性[15]。各站点年径流量的CV值在0.2～0.4的范围内，属于中等变异性；年输沙量的CV值较径流量大，且小川站多年平均输沙量的CV>1，属于强变异性，其余属于中等变异性。输沙量变化变异程度较高，其中作为水库出口控制的贵德、小川、青铜峡3站变化尤为明显，显然是受到龙羊峡(1986年蓄水，1989年运行)、刘家峡(1968年蓄水)[16]、青铜峡(1968年运行)3座水库(图1所示)蓄水调沙以及沿途大量工农业生产生活用水的影响。采用Pearson相关分析和一元线性回归分析描述黄河上游干流各站点的水沙关系，均呈现明显的正相关性，除小川站相关性不显著外，其余各站的相关系数均>0.50且在0.01的置信水平上显著。

表1 黄河上游干流水文站点多年平均径流量、输沙量统计特征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：** 表示相关系数在0.01的置信水平上显著；CV为变异系数。Notes: ** indicates that the correlation coefficient is significant at the confidence level of 0.01. CV is coefficient of variation.

图2 黄河上游干流水文站点不同年代平均年径流量、年输沙量变化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年尺度划分年代进行断代分析，黄河上游干流各站不同年代平均径流量和输沙量均表现为下降趋势。如图2所示，20世纪60年代各站的平均径流量最大，90年代的平均径流量最小，上游径流量在90年代显著地减少；小川站及以下站点输沙量代际变化呈现明显下降趋势，小川站以上各站变化幅度不大，较为平稳，其中青铜峡站50年代到60年代输沙量下降幅度较大。小川站是刘家峡水库出口控制站，刘家峡水库于1968年蓄水运行，故70年代小川站及以下站点的输沙量下降幅度较大。青铜峡水库是卫宁灌区和青铜峡灌区的分界点，因青铜峡水库淤积和宁蒙灌区引水引沙使得60年代青铜峡站输沙量大幅减少。表明水库对黄河上游泥沙的拦蓄起到重要的作用。

3.2 径流量、输沙量年际变化趋势性

采用非参数MK方法和Spearman方法判断水文时间序列数据的趋势性，并通过2种方法的对比以期得到更加可信的结果。表2为黄河上游干流沿程各水文站点水沙趋势检验统计量表。沿程各站点年径流量和年输沙量在近60年间均呈减少趋势，且2种方法所得结果一致。唐乃亥站的年径流量和年输沙量减少趋势不显著，这与已有的研究结果一致，河源至唐乃亥区间无大型水利工程，故唐乃亥站是黄河上游受人类活动影响最小的站点；除唐乃亥站之外各站年输沙量减少趋势均达到0.01的置信水平，黄河上游干流年输沙量整体呈现下降趋势；下河沿站至头道拐区间各站的年径流量和年输沙量呈现极其显著的减少趋势，该段乃黄河上游冲积平原，黄河灌区取用水和河道泥沙淤积是影响该段水沙的重要因素；贵德和循化站年径流量减少趋势分别到达0.10和0.05的置信水平，小川站年径流量减少趋势不显著。

表2 黄河上游干流水文站点年径流量与年输沙量变化趋势检验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的置信水平上显著；** 表示在0.05的置信水平上显著；*表示在0.1的置信水平上显著。Notes: ***, ** and * indicate that the correlation coefficient is significant at the confidence level of 0.01, 0.05 and 0.1.

3.3 径流量、输沙量年际变化突变特征

图3为上游各站点年径流量和年输沙量的累积距平曲线。可以看出，径流和输沙累积距平曲线在1968年、1985年、1986年和1989年前后有明显的升降趋势，表明时间序列在该时间点发生突变。唐乃亥站年径流量和输沙量发生突变的年份都是1989年，贵德站和循化站年径流量和输沙量突变时间点分别是1985年和1986年，小川站的突变时间则是1986年和1968年，下河沿站至三湖河口站发生突变的年份是1985年和1968年，头道拐站发生突变的年份都是1985年。

1968年和1986年分别是刘家峡水库和龙羊峡水库开始蓄水的时间，并且1986年后龙刘水库开始联合调蓄黄河上游水沙[16-17]，1989年11月后龙羊峡水库开始正常运行。这与各站点径流量与输沙量的突变时间相契合，进一步证明龙刘水库对黄河上游水沙的调控。

图3 黄河上游干流水文站点年径流量和年输沙量变化的突变特征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 月径流量、月输沙量变化周期性

图4 黄河上游干流水文站点月径流量和月输沙量小波变换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

对上游各站点的月径流量和月输沙量数据进行小波分析。小波分析图可以显示同一时间点上不同周期的振荡强度和同一周期内不同时间点的分布，反映水文时间序列的丰枯变化特征[18]。由于所选站点数量较多，本文在分析10个站点月径流量和月输沙量的小波分析结果的基础上，筛选4个具有代表性的站点(唐乃亥站、小川站、青铜峡站和头道拐站，如图4)。全部10个站点的径流量和输沙量具有显著的1年的振荡周期，巴彦高勒站、三湖河口站和头道拐站的径流量以及除贵德站外的其他9个站的输沙量具有0.5年的显著周期，且达到了95%的置信度。水沙0.5～1年的周期变化主要受季节和年际降水变化的影响，三者之间的变化密切相关[19]。此外各站水沙的小波功率谱图也显示出3～5和7～9年的变化周期，这与副热带高压脊线位置的准3年周期和地极移动振幅变化、ENSO的7年左右的周期特征相一致[18]，而副热带高压和ENSO都是影响我国西北地区天气系统的重要因素。唐乃亥站水沙的周期变化至今未出现间断，其他9个站点月径流量的显著周期自90年代中期出现了间断性变化。贵德月输沙量的周期性自90年代初开始消失，循化月输沙量的周期性于90年代初开始减弱并在2000年后消失，其余7个站点月输沙量在70年代初开始出现间断性变化并逐渐减弱，同样在2000年后基本消散，表明上游水沙在这些阶段受到龙刘水库运行调节和退耕还林(草)等水土保持措施的影响较大。

3.5 沿程水沙变化关联性

图5 黄河上游干流水文站点多年平均径流量、输沙量沿程变化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

黄河上游干流自上而下10个水文站点多年平均和年代际平均径流量、输沙量沿程分布情况如图5所示。除20世纪50年代外，上游径流量自上游至下游表现为先增大再减少的态势，各年代最大值均出现在下河沿站，青铜峡站的平均径流量明显低于其前后的下河沿站和石嘴山站。输沙量自上而下表现为逐渐增大的趋势，且在下河沿站处明显增加，下河沿之后各站变化幅度不大，较为平稳。20世纪50年代，青铜峡站的径流量与下河沿站相近且高于石嘴山站，当时只有青铜峡灌区在大量引水灌溉，而卫宁灌区并未投入使用。青铜峡站的输沙量高于下河沿站和石嘴山站，而石嘴山站的输沙量又明显低于巴彦高勒站，输沙量波动的原因是因为祖厉河、清水河和红柳沟泥沙的汇入、青铜峡灌区秦渠、唐徕渠和汉渠引水引沙以及乌兰布和沙漠风沙入黄。60年代以后，青铜峡站的径流量均低于下河沿站和石嘴山站，表明卫宁灌区和青铜峡灌区消耗黄河水资源巨大，且青铜峡至石嘴山区间有明显的灌区退水和地下水补给现象。20世纪90年代以后的平均径流量、平均输沙量均低于多年平均，表明近些年黄河上游的径流量和输沙量减少显著。

4 讨论

黄河径流量与输沙量变化是由气候变化和人类活动导致的下垫面变化等诸多因素影响的，目前研究发现影响黄河水沙变化的原因多集中在降水量减少、蒸发增加、水利工程调节、灌区引用水、风沙入黄和水土保持措施等方面。

近些年黄河流域水沙量均呈现显著减小趋势，水沙变化的周期性受到降水的年际变化以及气候系统的影响具有相似的周期(0.5～1、3～5和7～9年)[14]。黄河上游与中游水沙变化的突变点多集中在1968和1986年，这主要是受上游大型水库建设的影响。对比而言，中游的部分水文站点显示，径流量和输沙量突变年份集中在1979与1996年前后，这与黄河中游的水土保持措施实施关系更为密切。

水库调节使得年内径流量重新分配，在汛期具有拦洪错峰的作用，能够有效削减洪峰流量，延滞洪水下泄，在拦蓄入库泥沙的同时也大大减小出库水流的挟沙能力[17]。上游径流量和输沙量发生突变的时间点与刘家峡水库、龙羊峡水库和青铜峡水库建设运行的时间相契合，这也进一步验证了水库对水沙的调控作用。

黄河上中游途径干旱半干旱地区，沿途农业灌溉、工业用水、居民生活用水多依赖于黄河，灌区引水引沙是黄河水沙情势变化的又一重要因素。宁蒙灌区是黄河最主要的灌溉引水区，包括卫宁灌区、青铜峡灌区和河套灌区等多片区域。2000—2012年宁蒙灌区年均引水132.67亿m3，净引水91.37亿m3，年均灌溉引沙量达到0.3亿t[20]，年均净引水量占同期下河沿站和头道拐站年均径流量的35.4%和56.4%，年均引沙量占同期下河沿站和头道拐站年均输沙量的70.9%和68.5%。

黄土高原的水土保持建设对上游部分流域及中游流域水沙影响显著。各时期大规模的水土保持措施建设，如植被恢复、退耕还林(草)、梯田、淤地坝和风沙治理等极大地改变了地表产汇水、输沙过程，减沙阻沙效应明显。上世纪70、80年代，黄土高原修建了大量的淤地坝有效的拦蓄了沟道来水来沙；而自1999年始，以退耕还林草为主的植被恢复显著改善了区域的植被条件，有效的控制了坡面水土流失。

5 结论

笔者采用MK方法、Spearman方法、累积距平法和小波变换等方法，分析了黄河上游干流唐乃亥至头道拐区间10个水文站的径流量、输沙量在月、年、年代间的变化特征，主要结论如下。

1)近60年来，黄河上游干流大部分水文站的径流和输沙量均呈现减少趋势，且大部分站点减少趋势显著，唐乃亥站水沙减少趋势不显著。黄河上游干流各站点年径流量和年输沙量突变年份多发生在1968、1985、1986和1989年，与上游大型水利工程(龙羊峡、刘家峡、青铜峡等)开始运行的时间相一致，表明干流水利工程对河流水沙具有极大的调控作用。

2)黄河上游干流各站点月径流量和月输沙量具有0.5～1、3～5和7～9年的振荡周期，主要是由降水的季节变化和影响西北地区天气的气候系统引起的，在20世纪70年代之后，干流水利水保工程和退耕还林(草)等显著改变了径流输沙的周期特征。

3)黄河上游支流汇水使得径流量沿程逐渐增加且在下河沿站达到最大值，而宁蒙灌区引用水使得径流量在下河沿站之后出现减少的状况；受入黄泥沙贡献的影响，上游输沙量沿程逐渐增加且在下河沿站剧增，但在宁蒙河段输沙量变化不大。

4)大型水利工程、灌区引用水、部分支流的水土保持措施等是黄河上游唐乃亥至头道拐区间水沙变化的主要原因。