黄河上游兰州水文站2004—2018年水沙特性分析

马 雁，贾生海，张彦洪

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

黄河作为西北地区重要的淡水资源，在地区社会经济发展中扮演着重要的角色。黄河泥沙问题由来已久，相关学者为此做了大量调查研究，其中赵阳等研究了黄河流域近70年水沙现状及成因分析[1]，姚文艺等通过黄河上游进出水库的水沙资料分析了水库运行对径流泥沙的调节及影响[2]，彭少明等利用IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)指标体系分析了梯级水库群不同运行方式对黄河上游水文变化和对河流生态的影响[3- 4]，同时人类活动和气候变化在一定程度上影响着流域水沙运移规律[5- 7]。

黄河上游通常是指内蒙古托克托县河口镇以上河段，全长3472km，占总长的63.5%，流域面积约为38.6万km2，占全河总流域面积的51.3%左右。黄河上游天然径流量的99%来自兰州以上地区，泥沙主要来源区间位于兰州至青铜峡地段[8]。黄河上游水体泥沙含量小，水能资源蕴藏量大，沿途建造的水利枢纽工程大大推动了区域社会经济和地方水利电力行业的发展。但因黄河含沙量大，人类活动及水利工程的修建，改变了河道的水沙冲淤平衡，河岸面积缩减、部分宽谷河道主河槽淤积严重，河道健康和生态功能进一步减退，调控洪水的能力减弱，可能导致洪水淹没及人民财产的损失[9- 11]。因此，研究黄河上游水沙特性变化规律，对水资源合理配置、维持地方经济社会发展，保障人民财产安全具有一定的现实意义。

1 黄河上游泥沙来源分析

黄河主要支流有湟水、白河、黑河、洮河、大夏河、大黑河、祖厉河、清水河等，多年平均天然径流量达330亿m3，占黄河天然径流总量的57.2%。黄河中的泥沙主要来源于支流泥沙的汇入，上游典型支流为洮河，控制水文站为红旗站[12]。黄河上游部分河段经过黄土高原地区，该地区汛期降雨集中、降水强度大，而植被稀疏矮小，结构疏松的表土在雨水的强力冲刷下，极易引发水土流失；内蒙古河口镇以上黄河段流经腾格里沙漠和毛乌素沙漠，地表沙土在水流侵蚀及风蚀等条件下每年将有大量的泥沙进入黄河。因此，降雨侵蚀和水土流失是黄河上游泥沙的主要来源，这一观点同时也被相关学者证实[13]。近年来，土地利用类型及城市化等人类活动在一定程度上改变了黄河上游流域下垫面状况，使流域水循环过程发生改变，对流域泥沙的产生也有较大影响[14]。

2 兰州水文站不同年份水沙特征分析

兰州水文控制站位于黄河干流之上，其控制流域面积达22.26万km2。该站2004—2018年年径流量、年输沙量及年平均含沙量来源于水利部《中国河流泥沙公报》发布数据。

2.1 兰州水文站不同年份年径流量变化特征

2004—2018年兰州水文控制站15年间年径流量变化特征如图1所示。由图1可知，2004—2018年，年径流量在235.6亿～441.8亿m3之间变化，平均径流量为302.8亿m3，年径流量呈先增大后减小再增大的变化趋势。2012年是15年来第一个年径流量达到高峰的年份，为380.4亿m3，而第二次年径流量高峰出现在2018年，达到441.8亿m3，为2004年来的最大径流量，较其他年份平均流量增加50.85%。经统计2012年该水文站所在流域降雨、径流和2018年黄河流域洪水等资料发现[15—17]，2012年黄河上游产生了一次较大规模的洪水过程，7月30日10:18洪峰流量达到3860m3/s，是1986年以来的最大洪峰流量；这次洪水过程中日均流量大于2500m3/s的天数为29d，日均流量超过3000m3/s的天数为9d，因此导致2012年年径流量高于除2018年的其他年份。2018年汛期黄河流域暴雨过程频繁，共出现3次编号洪水，中雨以上降水过程共21次，其中在第2号洪水过程中，兰州水文控制站7月23日8:18洪峰流量达3610m3/s，此次洪水量达到3.05亿m3；在第3号洪水过程中，9月26日23:00洪峰流量达3590m3/s，总水量为191亿m3，洪水历时87d，本次日均流量大于3000m3/s的天数达30d，3次洪水过程导致2018年年径流量明显大于其他年份。

2.2 兰州水文站不同年份年输沙量变化特征

2004—2018年兰州水文控制站15年间年输沙量的变化特征如图2所示。由图2可知，2004—2018年，年输沙量在0.079～0.960亿t之间变化，其中2004—2007年年输沙量平均值为0.257亿t，呈逐年递增趋势；2008—2011年年输沙量平均值为0.109亿t，处于较低水平，2004—2007年年输沙量是2008—2011年年输沙量的2.45倍；2012年由于黄河上游一次较大的洪水过程，输沙量迅速增大到0.372亿t；2013—2017年年输沙量平均值为0.118亿t，与2008—2011年均值接近；2018年输沙量达到最大值0.960亿t，是其他年份平均输沙量的5.54倍。通过查阅和分析水文站相关资料可知[18]，2018年年径流量较其他年份偏大，为441.8亿m3，同时2018年汛期受降雨影响，黄河上游洪水多、水量大、降雨持续时间长，伴随洪水过程，受湟水、大通河等支流的影响，黄河上游来水含沙量增大，输沙量明显增多。

图2 2004—2018年年输沙量变化特征

2.3 兰州水文站不同年份年平均含沙量变化特征

2004—2018年年平均含沙量的变化特征如图3所示。由图3可知，年平均含沙量最小值为0.260kg/m3，最大值为2.170kg/m3，对应的年份分别为2009、2018年。2004—2007年年平均含沙量逐年递增，平均值为0.898kg/m3，与2012年0.978kg/m3平均含沙量接近；2018年平均含沙量为2.170kg/m3，是2004—2007年平均值的2.42倍；其余年份平均值为0.403kg/m3，是2018年的18.57%，2004—2007年平均值的44.88%。总体来看，在统计数据中除2018年外，其他年份年平均含沙量均值为0.585kg/m3，变化幅度较小，2018年较其他年份平均增加了270.67%，这种趋势与该年度径流量和输沙量较其他年份大相一致。同时，由于2018年汛期暴雨洪水增多且历时长，促使其平均含沙量较其他年份明显偏多。

图3 2004—2018年年平均含沙量变化特征

2.4 兰州水文站不同年份年径流量与年平均含沙量关系

河道中年径流量大小与降水量及支流来水等因素有关。2004—2018年以来年径流量与年平均含沙量之间的变化关系如图4所示。由图4可以得出，在不同年份随径流量的增加，年平均含沙量呈逐渐增大的趋势，可用线性函数表示。

f(x)=-1.2091+0.0063x

(1)

式中，f(x)—平均含沙量，kg/m3；x—年径流量，亿m3；R—相关系数，这里取R=0.6831。由此可见，在平均含沙量变化不大的情况下，年径流量越大，年平均含沙量也就越大。

图4 2004—2018年年径流量与年平均含沙量变化关系

2.5 兰州水文站不同年份年输沙量与年平均含沙量关系

2004—2018年以来年输沙量与年平均含沙量之间的变化关系如图5所示。由图5可以得出，年输沙量与年平均含沙量之间呈线性关系，可用线性函数表示。

f(x)=0.2078+2.1409x

(2)

式中，f(x)—平均含沙量，kg/m3；x—年输沙量，亿t，R—相关系数，这里取R=0.9770。由此可见，年输沙量与年平均含沙量二者相关性强，随着年输沙量的增大，年平均含沙量也随之增大。

图5 2004—2018年年输沙量与年平均含沙量变化关系

2.6 兰州水文站不同年份年径流量与年输沙量关系

黄河上游水沙异源，不同时期水沙变化主导因子不同，20世纪60年代以前以降雨为主导因子，之后随着上游大型水库的修建及水保措施的实施，水沙变化受自然因素和人类活动共同影响[17]。2004—2018年年径流量与年输沙量变化关系如图6所示，由图6可以得出，在不同年份随径流量的增加，年输沙量呈逐渐增大的趋势，可用线性函数表示。

f(x)=-0.7849+0.0033x

(3)

式中，f(x)—年输沙量，亿t；x—年径流量，亿m3；R—相关系数，这里取R=0.7962。

由相关系数可知年径流量与年输沙量相关性较差，说明水沙变化受自然因素和人类活动的共同影响较大，同时水沙变化并不完全遵循同步规律，存在时间上的差异性。

图6 2004—2018年水沙变化关系

3 结语

降雨和洪水对黄河上游径流量影响较大，同时支流洪水不仅导致洪峰的出现，还携带大量泥沙。通过分析黄河上游兰州水文控制站水沙来源及径流、泥沙特征，研究认为2004—2018年，年径流量呈先增大后减小再增大的趋势，输沙量和平均含沙量随年份变化不明显，2018年受暴雨洪水影响，三项指标均高于其他年份；在不同年份随径流量和输沙量的增加，年平均含沙量均呈线性增长的趋势，水沙变化并不完全遵循同步规律，存在时间上的差异性。因此，加强洪水预报，减少支流泥沙来源，降低洪水过程中携带的泥沙量，有助于减少黄河上游泥沙含量，减少下游泥沙淤积量。