1950-2015年黄河下游河道排洪输沙时空演变

颜 明, 贺 莉, 王彦君, 刘 慰, 王随继, 裴 亮, 郑明国, 孙莉英

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京 100101;2.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084)

黄河的多沙特性使得黄河下游不断淤积抬高，近期又有严重的河道萎缩发生，使得下游承载巨大的排洪输沙压力[1-2]，随着中游水土保持工作成效的显现[3-4]，进入黄河下游的泥沙显著减少，年均输沙量由20世纪50年代的18.19亿t减少到2000年以后的0.64亿t，输沙量已经仅为20世纪50年代的3.5%[5]。黄河的另一个特性是水沙异源，黄河径流主要来自于上游，气候波动和水库的修建使得输入黄河下游的水流呈现阶段性减少，20世纪50年代进入黄河下游的径流多年平均值为474.68亿m3，2001—2015年的多年平均值为261.5亿m3，减少了45%[6-7]。但由于径流与泥沙减少过程中并非同步，径流为阶段性减少，含沙量在20世纪并未显著减少，自21世纪才突然减少，这导致黄河下游河道在20世纪后期都是处于逐渐萎缩阶段，降低了河道的过水能力，新形势下的河道排洪输沙能力成为研究者的新问题。以前的学者对于排洪和输沙能力都分别有过深入的研究，将排洪和输沙纳入一个系统中考虑的研究还较少，本研究将排洪输沙看作黄河下游河道安全问题的两个方面，排洪与输沙之间具有相互促进和牵制关系，洪水能够很好地输沙甚至冲刷河道，将促进河道的进一步加深拓宽，提高河道的排洪能力，反之，洪水不能完全输沙，部分泥沙淤积于河道，那么河道的排洪能力将会降低，进一步降低输沙能力。

综上所述，本研究是基于黄河下游长序列的水沙数据，首先确定基本排洪输沙能力指标，进而分析黄河下游主要水文断面的排洪和输沙能力随时间的演变，并以逐日平均流量、含沙量与基本排洪输沙能力指标对比，研究洪水的输送情况，最后讨论影响排洪输沙的影响因素。从排洪输沙的整体性考虑，为黄河下游河道安全提供科学依据。

1 排洪输沙能力指标的确定

排洪输沙是一个问题的两个方面，不仅要保证洪水能顺利通过河道，还要考虑洪水所携带泥沙在河道内的冲淤，应分别对排洪和输沙进行评估，而后分析它们的整体效应。

黄河下游的排洪能力取决于多种因素，诸如河道断面面积，河道宽深比，河道比降等[8-9]，排洪能力是河道输送水流的综合反映，包括河槽内及漫滩两部分，河槽内主要以平滩流量作为参考，因而以平滩流量作为排洪基本能力的衡量指标，这是径流在河槽内的输送，这个值越大，表示河道内的输水能力越强，反之越小。漫滩洪水存在极大的不确定性，许多年份未发生漫滩洪水。因而，本研究主要以平滩流量作为排洪能力的衡量指标，并部分参考了漫滩洪水的发生情况。

输沙能力也受到多种因素的影响，如流速、流量、河道比降等，输沙能力不仅受载体的影响[10-11]，其自身的特性也是影响输沙能力的决定性因素，尤其是泥沙的粒径组成，但输沙能力是一个综合指标，黄河下游在华北平原上游荡，是一个典型的淤积性河道，长期处于淤积中，输沙能力在反映上方的来水来沙的同时，还需反映泥沙的输出情况，因此，这里用一个冲淤比λs来表示河道的输沙能力，这个指数是在前人研究[8,11]的基础上进行了调整得来的，首先利用下游站点的年输沙量减去上游站点的年输沙量和该河段引出的泥沙量，这个差值反映了泥沙在河道的冲淤情况，正值为冲刷，负值为淤积，然后用河道的这个冲淤值去除以上游站点的年径流量，这表示在某一时间，河道输送一定的水量时，所携带的泥沙在河道的冲淤量，用输沙指标或称单位流量的冲淤比λs表示,即:

λs=(Qs,下-Qs,上-Qs,div)/Qw,上

(1)

式中：Qs,下为下游站点的年输沙量；Qs,上为上游站点的年输沙量；Qs,div为两站之间从河道引出的年泥沙量；Qw,上为上游站点的年径流量。公式(1)的计算值为负，表示泥沙在河道里发生了淤积，计算值为正表示河道内的泥沙受到了冲刷。

为分析河道输沙能力随时间的变化，对河道冲淤比λs进行累积，点绘于图中，得到每个河段冲淤比随时间变化的累积曲线。

2 数据来源及处理

黄河水利委员会对黄河下游河道的断面及水沙进行了长期监测，下游干流上有7个主要水位站：花园口、夹河滩、高村、孙口、洛口、艾山和利津。花园口和夹河滩水文站位于游荡河段内，高村和孙口水文站在过渡河段内，洛口、艾山和利津为弯曲河段。采集了黄河下游7个水文站1950—2015年逐日平均水位、逐日平均流量、逐日平均含沙量和实测大断面等资料，部分年份存在缺失。

平滩流量是指某一断面的水位与该断面滩唇齐平时该断面所通过的流量,它是河道主河槽过流能力的重要指标。平滩流量的计算方法分为3步:第1步是确定各个水文站所在断面每年汛后的滩唇高程，第2步是利用逐日水位和逐日流量数据建立该断面当年的水位—流量关系,第3步是根据汛后滩唇高程值在水位—流量拟合的关系曲线上查找该高程值对应的流量值,即为平滩流量值。平滩流量只是反映河道输送水流的基本能力，不代表最大或最小平滩流量。

输沙能力反映的是两个水文站之间河段的冲淤，因而，依据7个水文站将研究区分为6段：花园口—夹河滩、夹河滩—高村、高村—孙口、孙口—洛口、洛口—艾山和艾山—利津。利用每一河段上下两个水文站的输沙量及该河段引出的泥沙量计算出某一河段的冲淤量，再利用冲淤量除以上游水文站的年径流量得到输沙比值。

黄河下游长期处于淤积状态，分析研究期内的冲淤状态有利于河道排洪输沙能力的分析，这里以4 000 m3/s这一流量值对应的水位来衡量各河段的冲淤情况，并将所有年份4 000 m3/s流量对应水位点绘于图中，进而分析不同河段的冲淤随时间的变化。4 000 m3/s流量对应的水位需要通过水位和流量数据拟合取得，由于洪水主要发生于7—10月，因而用7—10月4个月的逐日水位和逐日流量进行拟合，获得4 000 m3/s流量对应的水位。

3 结果与分析

3.1 黄河下游1950-2015年基本排洪能力的变化

黄河下游的平滩流量具有以下特性：一是不同站点的平滩流量大致相当，不存在明显差异，在时间上存在明显变化，可以分为5个阶段(图1)：第1阶段是1964年以前，三门峡水库建设前及运行初期，径流量较高，最大平滩流量超过8 000 m3/s；第2阶段是1965—1974年，三门峡水库的运行方式调整为蓄清排浑，平滩流量逐渐减小，最小减至4 000 m3/s以下，基本上与三门峡水库运行方式调整为“滞洪排沙”这一阶段相对应；第3阶段是1975—1985年，在此期间平滩流量出现了波动增大，增加到6 500 m3/s以上；第4阶段是1986—2002年，又开始逐渐减小，降至2 500 m3/s左右；第5阶段为2003年以后，随着调水调沙的开展，平滩流量又有所增大，恢复至4 000 m3/s附近。总体变化是逐渐降低的，3个峰值分别为1964年、1985年和2013年，3个谷底为1957年、1974年和2002年，都是呈阶梯型减少。第2和第4阶段的持续性减小都是由于降水偏枯造成的,第5阶段平滩流量的升高主要是通过小浪底单库及其与上方水库联合调度的方式来调水调沙，利用洪水冲刷河道，使得下游各断面都得到冲刷，提高了下游整体的排洪能力。可见，以平滩流量作为黄河下游排洪基本能力的指标，反映出黄河下游的基本排洪能力是呈阶段性减弱的，尤其是1997—2007年期间，平滩流量低于3 500 m3/s，不利于大于4 000 m3/s及更大级别洪水的输送。

图1 1950-2015年黄河下游平滩流量随时间的变化

3.2 1950-2015年黄河下游漫滩洪水的时空演变

平滩流量只是反映河道的基本排洪能力，黄河下游发生的洪水都高于这个平滩流量，为分析黄河下游漫滩洪水的时空演变，将黄河下游每个站点年内发生漫滩洪水的日平均流量进行累加，逐年计算得到1950—2015年每一年发生漫滩洪水的累积日平均流量，计算所得的值列于表1中。漫滩洪水主要发生在3个阶段，1959年以前、1964—1985年和2002—2013年。中间夹杂两个明显的空缺时段：1960—1963年和1978—1980年，以及一个漫滩洪水发生很少的时段：1986—2001年。1959年以前的漫滩洪水为上小下大型，从游荡段到过渡段再到弯曲河段的漫滩流量是逐渐增大的，1964—1977年的漫滩洪水以上小下大型为主，1981年以后发生漫滩洪水的流量在不同河段间差异不大。可见，漫滩洪水也是阶段性减少，并逐渐向全河段具有大致相当的漫滩流量发展。

3.3 1950-2015年黄河下游输沙能力的时空演变

根据黄河下游干流上主要站点1950—2015年含沙量的累积冲淤值来判断不同河段的输沙能力，从累积曲线看(图2)，黄河下游河段的输沙能力随时间变化以减弱为主，游荡段的花园口—夹河滩、夹河滩—高村两个河段的输沙能力随时间的变化基本一致，花园口—夹河滩段在2000年以前都是逐渐减小，从1960年的-3.24 kg/m3逐渐降低到-85.71 kg/m3，2000年以后略有增强，至2015年回升到-66.3 kg/m3；夹河滩—高村段逐渐从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年为-65.91 kg/m3；高村—孙口段从1952年的0.02 kg/m3降至2002年的-45.67 kg/m3，之后基本保持在这一水平，孙口—艾山段是唯一在研究期内输沙能力保持正值的河段，1950—1964年逐渐增强，之后到1980年逐渐减弱，而后至2015年在震荡中攀升。艾山—洛口段的输沙能力随时间的变化最小，只是有略微的减小，洛口—利津段在1998年以前变化也不明显，之后突然开始减弱，到2002年减小到-29.3 kg/m3，之后的起伏较小。说明黄河下游河段的输沙能力在空间基本可以分为两段：花园口—孙口水文站之间的上段和孙口—利津水文站之间的下段，上段的输沙能力随时间以减弱为主，下段的输沙能力随时间的变化较微弱。在时间上也可以分为两个时期：2000年以前，上段以减弱为主，下段变化较小；2000年之后上段略有增加，下段略有减弱，可见，2000年前后是河道冲淤转变的一个重要转折点。

表1 黄河下游干流水文站漫滩洪水累积日平均流量 万m3/s

注：“—”代表未发现。

3.4 黄河下游排洪输沙能力变化的影响因素

影响黄河下游排洪输沙能力最为直接的因素为：上中游来水来沙的变化和下游河道随水沙变化的调整。上中游来水来沙需要通过下游河道输送，输送水沙的过程就是排洪输沙的过程，在排洪输沙过程中，洪水和泥沙又会影响河道，洪水冲刷河道使河道加深，有利于更多径流和泥沙的输送，或者泥沙淤积于河道，使河道变得宽浅，阻碍后期洪水和泥沙的输送。

图2 黄河下游各河段输沙能力随时间的变化

3.4.1 上中游来水来沙的变化 从平滩流量与花园口站年径流量的关系来看(图3)，两者存在强相关，平滩流量与年径流量的皮尔逊相关系数为0.77，随时间的变化也具有相似性，平滩流量和年径流量两者都存在随时间减少的趋势，差异表现在花园口站年径流量的年际间波动较大，使得曲线起伏较大，而平滩流量的年际波动较小，曲线更为平滑，这是由于平滩流量具有一定的继承性，前期较大洪水会形成更大的平滩流量，而紧随其后的年份即使出现较小的径流量，河道依然能保持较大的平滩流量。也就是说，平滩流量依赖于上中游径流的塑造，但河道本身能保持对前期的继承性，但总体趋势是一致的。花园口水文站的含沙量以2000年为界分为明显的两个时段，在2000年以前含沙量较高，多年平均年含沙量为26.57 kg/m3,自2000年开始，含沙量急剧降低，多年平均值为3.81 kg/m3，这个突变与河道的冲淤突变是完全一致的。可见，降低含沙量才能实现黄河下游河道的冲刷。

图3 花园口站1950-2015年水沙的变化

3.4.2 下游河道的调整 黄河的来水明显减少，但含沙量并未明显减少，在2000年以前都明显较高，仅在20世纪60年代前期和80年代前期存在两个明显的低值时段，2000年之后突然减少，进入一个低含沙量时段(图4)。高含沙量使得河床淤积，不断抬高，这已是不争的事实。以4 000 m3/s流量对应的水位来看，黄河下游河床在2000年以前整体都在抬升，花园口站从1958—2000年升高了1.88 m，夹河滩站从1953—2002年升高了3.35 m，高村站从1950—2000年升高了4.19 m，孙口站从1952—2003年升高了4.05 m，艾山站从1952—2001年升高了3.93 m，洛口站从1958—2003年升高了4.46 m，利津站从1951—2001年升高了2.68 m。从升高的程度来看，位于上段的花园口和尾端的利津升高的幅度远低于夹河滩—洛口河段，升高的幅度也说明河道淤积主要发生在夹河滩至洛口之间。在实施调水调沙后，河道开始冲刷，4 000 m3/s对应的水位逐渐下降，从上至下，到2015年，各站点的水位分别降至92.20，72.86，61.52，47.96，41.01，29.86，13.00 m，与2000年的4 000 m3/s流量对应的水位相比，分别下降了2.13，2.93，2.61，1.06，1.69，1.75，1.39 m。花园口和夹河滩基本回到了50年代的水位，而下游站点的水位回到最初的水平还有一些差距，这说明调水调沙对于高村以上河段的效果较好，而高村以下河段的冲刷少于上段，高村以下的排洪输沙压力也高于高村以上河段。

从1950—2015年黄河下游主要站点4 000 m3/s流量对应水位之间的相关系数也可以看出(表2)，花园口仅与夹河滩和高村之间具有强相关，而与其他站点间的相关性差一些，夹河滩也存在类似情形，与高村的相关性最好，与其他站点间的相关性略差。高村及以下河段站点间的相关性都很强，说明它们之间的变化具有很好的一致性。主要站点4 000 m3/s流量对应水位相关系数矩阵说明黄河下游的冲淤也是以高村站为界，高村以上的花园口、夹河滩和高村3个水文站之间的冲淤具有较好的一致性，高村以下的孙口、洛口、艾山和利津4个水文站之间的冲淤具有更强的关联，与输沙能力在空间上的差异分析是完全一致的。

图4 1950-2015年黄河下游干流主要站点4 000 m3/s流量对应水位随时间的变化

表2 1950-2015年黄河下游干流主要站点4 000 m3/s流量对应水位之间的相关系数

4 讨论与结论

新中国建立以来，黄河下游经历了严重的淤积，随着对黄河下游水沙输送认识的提高，上中水库的建设、中游水土保持工作的全面开展，进入黄河下游的水沙发生了明显的变化，水库的建设和运行方式都是影响黄河下游的重要因素，水库的运用对进入下游水沙的影响分为两个方面：一是对洪峰的削减；二是拦蓄了大量的水沙。在20世纪50年代末期及60年代初期，主要受三门峡水库的影响，三门峡水库蓄水阶段，下游的平滩流量是增大的，转入滞洪排沙后开始逐渐减小，之后转为蓄清排浑，平滩流量又有所提升，这种状态持续到1986年龙羊峡水库的下闸蓄水，中间夹杂着1974年刘家峡水库的影响，可见，黄河下游排洪能力随时间变化的节点与各水库的建设使用是完全对应的。含沙量的变化存在两个重要的时间节点：1979年和1999年。1979年是水土保持措施在黄河中游效果凸显的时间节点，1999年是黄河中游实施退耕还林还草开始实施的时间点。前一时间节点部分的与水量减少相叠合，并未使得含沙量明显减少，而第2个时间点后，进入黄河下游的泥沙明显减少，使得含沙量明显降低，形成相对大的水量携带更少泥沙的局面，引起了河道的冲刷，提高了河道的排洪输沙能力。

由于河道的淤积抬升和持续萎缩，下游河道的排洪输沙能力不断降低，对水沙的调控提出越来越高的要求，经过21世纪初期10余年的水沙调控，黄河下游的淤积问题得到了部分缓解，但问题远未解决，排洪输沙依然是黄河下游河道平衡和大堤内外生产生活安全的主要问题。对黄河下游排洪和输沙时空演变的分析发现：(1) 黄河下游河道各河段具有相似的平滩流量，在空间上，基本排洪能力是相当的；在时间变化上具有一致性，受径流丰枯和水库运用的影响，黄河下游的平滩流量呈阶段性减小，至20世纪末21世纪初降至最低点，之后有所增加。(2) 1950—2015年，黄河下游的输沙能力在高村以上河道在20世纪后期逐渐降低，21世纪有所提高，高村以下河段的输沙能力变动较小。(3) 排洪能力的减小既有上游水沙波动的影响，又有水库建设使用的影响，2000年以前受上游水沙波动影响较大，2000年以后输沙能力的影响主要是小浪底水库的使用，小浪底投入使用前，含沙量都保持比较高的水平，小浪底投入使用后，含沙量急剧降低，利用大流量的低含沙洪水对下游河道进行了冲刷，降低了河床的高度，提高了排洪输沙的能力，但高村以上河道的冲刷比高村以下河段的冲刷更明显，提高黄河下游整体的排洪输沙能力仍是未来河道整治的重点。