1950—2014年黄河流域输沙量变化特征及下游河道冲淤响应

彭 俊，凌 敏，俞珊妮，赵宇杰，高 静

河流地貌形成的主要地表过程就是泥沙侵蚀、搬运和沉积的过程，在此过程中塑造出各种沉积体系，如宽广的泛滥平原和河口三角洲。然而，泥沙沉降会造成河道输沙功能减弱，水库库容量减少和湖泊调水能力丧失，使河流体系发生改变，特别是河口沉积体系。河口作为海陆之间的连接通道，是陆源物质向海洋输送的主要窗口，河流输送入海泥沙中含有各种对河口及海洋生态系统有用的元素，如N、P、K、Fe和有机碳等[1-2]。而且，河流入海泥沙是地球系统中泥沙循环的重要环节，是河口区泥沙输移、河口地貌塑造以及岸滩演变的主要影响因子。Milliman等[3]估算全球入海泥沙年通量达到200亿吨，对河流入海泥沙过程的研究以及气候变化和人类活动对流域输沙量的影响也受到越来越多的关注[4-7]。人类活动的日益增强(如水库或大坝建设、流域引水引沙、土地改造以及造林和毁林)已极大的改变了全球河流系统，全球很多河流入海沙量都呈显著的减少趋势，如美国科罗拉多河和密西西比河[8]，西班牙Ebro河[9]以及中国长江[10]和黄河[11]。

目前，我国学者对长江[12]，黄河[13]，珠江[14]，淮河[15]和金沙江[16]等河流的水沙变化已进行过研究。黄河作为中国第二大河流，在过去几千年的年均输沙量达到10.8 亿吨[17]，而根据钱宁等[18]研究，1919—1960年年均输沙量高达16亿吨，其中年均入海输沙量为12亿吨，这个量是估算的世界河流入海泥沙通量的6%[3]。但是，1950—2014年黄河年均径流量仅有302亿m3，大致相当于长江的3.38%，而年均输沙量却是长江的1.87倍。由于黄河独特的水沙特征，了解其水沙变化将有助于提高对河道演变、河口生态学和三角洲演变以及河流管理的认识。

1950年以来，由于气候变化和人类活动的影响，黄河流域输沙量开始逐渐减少，至2000—2014年年均入海沙量仅为1.33亿吨，相当于全新世中期的水平[19-21]。黄河入海沙量的大量减少以及河流营养物质和总溶解固体量的减少[22]，对邻近河口的沿海区和渤海有着极为深远的物理、生态和地质地貌影响，渤海沿岸的生态系统已遭受重大的改变[23-24]。因此，本文基于1950—2014年黄河流域头道拐、花园口和利津三个水文站的径流量和输沙量数据，分析流域径流量和输沙量的变化过程，定量估算气候变化和人类活动对流域输沙量的影响程度，探讨下游河道的冲淤变化过程及其与进入下游的水沙条件之间的关系。

1 流域概况

黄河发源于青藏高原，向东流经黄土高原和华北平原，在山东省垦利县注入渤海。干流全长为5464 km，流域面积约751869km2(未包括内流区)，具有不同地貌和气候特征(图1)。上游从源头至头道拐站，长度为3471km，面积约367898km2，主要为青藏高原地区，海拔高度从约4480m下降到约1000m，气候为干旱气候，年均降雨量为395mm。中游从头道拐站至花园口站，长度为1206km，面积约362138km2，为黄土高原地区，海拔高度从约1000m下降到95m，有相当多的支流汇入，气候为干旱—半干旱气候，年降雨量为516mm。下游从花园口站至利津站，长度为786km，面积约21833km2，为强烈堆积的冲积性平原区，两岸修建了长约1371km的大堤以束缚水流。河床滩面一般高出堤防背河地面3m～7m，个别河段达到10m以上，气候为湿润气候，年均降雨量为648mm。利津站为河流入海水沙控制站。

图1 黄河流域示意图

2 数据来源

本文所用的黄河干流主要水文站(头道拐站、花园口站和利津站)的径流量和输沙量数据，时间序列为1950—2014年，数据来源于黄河水利委员会及其发布的《黄河泥沙公报》。工农业引沙量、水库(三门峡、小浪底水)冲淤量以及下游河道冲淤量数据来源于黄河水利委员会及其发布的《黄河泥沙公报》，流域降水量数据来源于黄河水利委员会及其发布的《水资源公报》，时间序列为1950—2014年。

3 流域水沙的变化特征

1950—2014年黄河流域头道拐、花园口和利津水文站的年径流量和年输沙量都呈减少的变化趋势(图2)，且输沙量的减少趋势更为显著。根据流域上各水文事件发生时间及水沙变化特征，将流域水沙变化过程划分为4个阶段，即1950—1968年为第1阶段，1969—1985年为第2阶段，1986—1999年为第3阶段和2000—2014年为第4阶段(图2和表1)。

图2 黄河流域水沙的变化过程

1950—1968年头道拐站多年平均输沙量为1.73亿吨，1968年刘家峡水库建成后蓄水拦沙，1969—1985年多年平均输沙量减少到1.11亿吨，占第1阶段的65%；1985年龙羊峡水库建成后，1986—1999年多年平均输沙量减少到0.47亿吨，占第1阶段的27%；2000—2014年多年平均输沙量与1986—1999年相当，为0.45亿吨，占第1阶段的26%。中游地区是流域产沙区，90%的泥沙产自于此，在人类活动影响下花园口站和利津站输沙量变化比头道拐站的更为明显。1950—1968年花园口站多年平均输沙量高达15.55亿吨，利津站的为12.36亿吨。1969—1985年花园口站多年平均输沙量减少到10.83亿吨，利津站的减少到8.40亿吨，分别占第1阶段的70%和68%，此阶段输沙量的减少主要是1960年三门峡水库建成后蓄水拦沙。1986—1999年花园口站和利津站多年平均输沙量分别减少到6.85亿吨和3.98亿吨，占各自第1阶段的44% 和33%，此阶段输沙量的减少主要原因是：(1)1985年龙羊峡水库下闸蓄水和刘家峡水库联合运用，使中下游径流量减少，径流的搬运能力减弱；(2)中游地区水土保持措施在1970s后期开始生效，多年平均入黄泥沙减少量约3亿吨[26]，起到显著的减沙作用。1999年小浪底水库开始蓄水，2000—2007年花园口站和利津站多年平均输沙量分别减少到仅有1.00亿吨和1.33亿吨，占各自第1阶段的6%和11%，此阶段利津站多年平均输沙量和含沙量均比花园口站的要高(表1)，这得益于从2002年开始黄河水利委员会开始实施小浪底调水调沙计划，下游河道发生冲刷，利津站输沙量开始增加(图2c)。

表1 流域各水文站水文要素的多年均值

4 流域输沙量变化的影响因素

4.1 降水量变化的影响

1950—2014年花园口站以上流域多年平均降水量为455mm。除了1960—1964年三门峡水库采取“蓄水拦沙”的运行方式外，1978年之前花园口站以上流域降水量的变化趋势与输沙量的具有较好的一致性(图3a)，而且累积降水量和累积输沙量之间的关系曲线拟合的也很好(图3b)。1978年以后，由于水土保持措施开始起到有效的减沙作用，如1973年花园口以上流域降雨量为498mm，花园口站输沙量为15.80亿吨，而1984年降雨量为500mm，输沙量为8.73亿吨，在差不多的降水条件下，输沙量减少了7.07亿吨。1999年小浪底水库下闸蓄水后，花园口站以上流域降水量呈增加趋势，而花园口站输沙量却进一步减少，这反映出小浪底水库建设对输沙量的影响。

图3 (a)花园口站以上流域降水量和输沙量的变化；(b)花园口站以上流域降水量和输沙量的双累积曲线

基于以上分析，根据1950—1978年花园口站以上流域降水量年际变化(△P)与花园口站输沙量年际变化(△Qs)之间的关系，估算各个阶段流域降水量变化对输沙量的影响。图4表明两者之间呈显著的线性关系，方程式为：

图4 1950—1978年花园口站以上流域△P与△Qs之间的关系

△Qs= 0.0809△P-0.3537(N=23;R2=0.6862)

(1)

数据点的分布主要集中在Ⅰ区和Ⅲ区(图4)。Ⅰ区的数据表明随着降水量的增加输沙量增加，Ⅲ区的数据表明随着降水量的减少输沙量减少。Ⅳ区有3个数据点为异常点，表明随着降水量的增加而输沙量减少。这种情况发生的可能原因是，黄河流域产沙区主要在中游，当降水量集中在上游地区，中游地区降水量较少时，就有可能产生这种降水量增加而输沙量减少的情况。

4.2 人类活动的影响

4.2.1 水土保持措施

黄河中游地区水土保持与流域治理始于上世纪50年代，在上世纪70年代后期对中游地区产沙的抑制作用开始显著生效[26]。流域的产水产沙是流域降水和下垫面结合的产物，降水变化会导致流域下垫面改变，从而引起径流量的变化。而径流是泥沙输运的载体，径流量的变化会引起输沙量的变化，两者具有一定的函数关系。水土保持措施通过改变流域下垫面，提高地表覆盖条件，从而影响流域的产流与侵蚀过程。因此，建立流域水沙之间的函数关系，可以估算因降水量变化和水土保持措施而引起的输沙量变化。

花园口站累积径流量和累积输沙量之间的关系曲线拟合如图5a所示，1999年出现明显转折。因此，根据1950—1999年花园口站径流量年际变化(△Q)与输沙量年际变化(△Qs)之间的关系，估算各个阶段水土保持措施对输沙量的影响(公式2-公式1)。图5b表明两者之间呈显著的线性关系，方程式为：

图5 (a)花园口站径流量和输沙量的双累积曲线;(b)花园口站△Q与△Qs之间的关系

△Qs= 0.033△Q+0.0331(N=44;R2=0.5187)

(2)

4.2.2 工农业引沙量

随着沿黄生产水平的提高和经济快速发展，工农业引水量急剧上升，在引水的同时势必会引走泥沙。1950—1959年黄河流域年均引沙量为2.13亿t，1969—1985年为3.03亿t，2000—2014年为3.64亿t(表2)。

表2 工农业引沙量

4.2.3 水库建设

龙羊峡水库建成后和刘家峡水库联合运用，汛期拦蓄洪水，非汛期泄水，改变了水量年内分配，同时拦蓄了兰州站以上部分泥沙。1968—1997年刘家峡水库淤积15.47亿m3，年均淤积0.53亿m3；1986—1997年龙羊峡水库淤积1.796亿m3，年均淤积0.16亿m3。

三门峡水库在运行方式上经历了1960—1964的“蓄水拦沙”，1964—1973的“滞洪排沙”和1973年以来的“蓄清排浑”三个阶段。三门峡水库冲淤量如表3所示，1960—2014年共淤积85.67亿t，年均淤积1.56亿t，其中1960—1964年淤积59.96亿t，占总淤积量的70%；2000—2014年冲刷8.56亿t，年均冲刷0.57亿t。

1999年小浪底水库建成后库内的淤积量如表3所示。水库建设是为了减缓下游河道淤积，但开始效果并不明显，甚至出现下游河道上段(花园口—高村)冲刷，下段淤积的局面。2002年黄河水利委员会开始实施调水调沙计划，下游河道才实现全面冲刷。

表3 三门峡水库冲淤量

4.3 气候变化和人类活动对输沙量减少的贡献

将1950—1959年作为基准期，估算气候变化和人类活动对输沙量减少的影响程度(表4)。

表4 各种影响因素的减沙贡献估算(相对于基准期)

1968—1985年花园口以上流域年均降水量为451mm，比基准期减少18mm，根据公式(1)估算年均减沙量约1.10亿t，占花园口站总减沙量的23%。此阶段水土保持措施减沙量约1.51亿t，占花园口站总减沙量的31%；工农业引沙量年均增加0.90亿t，占花园口站总减沙量的19%；三门峡水库年均拦沙量0.62亿t，占花园口站总减沙量的13%；上游来沙量年均减少0.41亿t，占花园口站总减沙量的8%。各种因素年均减沙总量为4.54亿t，占花园口站实测年均减沙量4.79亿t的95%。

1986—1999年花园口以上流域年均降水量为420mm，比基准期减少49mm，根据公式(1)估算年均减沙量约3.61亿t，占花园口站总减沙量的41%。此阶段水土保持措施减沙量约3.32亿t，占花园口站总减沙量的38%；工农业引沙量年均增加0.31亿t，占花园口站总减沙量的4%；三门峡水库年均拦沙量1.18亿t，占花园口站总减沙量的13%；上游来沙量年均减少1.05亿t，占花园口站总减沙量的12%。各种因素年均减沙总量为9.47亿t，占花园口站实测年均减沙量8.77亿t的108%。

2000—2014年花园口以上流域年均降水量为451mm，比基准期减少18mm，根据公式(1)估算年均减沙量约1.10亿t，占花园口站总减沙量的8%。此阶段水土保持措施减沙量约7.51亿t，占花园口站总减沙量的51%；工农业引沙量年均增加1.51亿t，占花园口站总减沙量的10%；水库年均拦沙量2.41亿t，占花园口站总减沙量的17%，其中三门峡水库-0.57亿t，小浪底水库2.98亿t；上游来沙量年均减少1.07亿t，占花园口站总减沙量的7%。各种因素年均减沙总量为13.60亿t，占花园口站实测年均减沙量14.62亿t的93%。

综合以上分析，三个时期降水量的平均减沙量约占25%，人类活动的平均减沙量约占75%。人类活动影响因素中最主要的是水土保持措施(减沙量占40%)，不仅减少了流域产沙量，而且减少了进入下游河道的粗颗粒泥沙(D50>0.05mm)；其次是水库拦沙，减沙量占15%。因此，有理由认为，随着中游地区水土保持措施的进行，未来黄河流域输沙量会进一步减少，这对河口三角洲的发育极为不利。

5 下游河道对输沙量变化的响应

1960年以前，人类活动对流域水沙的影响较小，进入下游的水沙主要取决于气候因素；1960年以后，流域干流上水库建设以及中游地区水土保持措施的实施，在很大程度上改变了进入下游的水沙条件(以花园口站含沙量表征)，下游河道的冲淤状况也随之而变。1950—2014年下游河道共淤积泥沙39.1亿m3，年均淤积0.602亿m3。根据三门峡水库建成时间及其不同的运行方式以及龙羊峡和小浪底水库建成时间，将下游河道的冲淤变化过程划分为6个阶段(图6a)。

图6 (a)下游河道冲淤变化过程；(b)花园口站含沙量与下游河道冲淤量之间的关系

1950—1960年流域水沙分布基本处于自然状态，花园口站含沙量为31.71kg/m3。下游河道年均淤积量2.227亿m3，以汛期淤积为主。

1960年三门峡水库建成后并采用“蓄水拦沙”的运行方式，1961—1964年大部分泥沙淤积在库内(表3)，花园口站含沙量为13.03kg/m3。下游河道经历冲刷，年均冲刷5.095亿m3，冲刷主要集中在孙口以上河段。

1964年三门峡水库改为“滞洪排沙”的运用方式，1968年刘家峡水库开始蓄水，1965—1973年下游汛期来水量减少，花园口站含沙量上升到33.07kg/m3。汛期径流量减少的局面不利于下游河道输沙，使淤积增加(年均淤积3.186亿m3)。而且主槽淤积严重，“二级悬河”开始发育。

1973年以后三门峡水库改为“蓄清排浑”的运行方式，1974—1985年花园口站含沙量为24.01kg/m3。此阶段下游河道先淤后冲，1974—1980年以淤积为主，淤积主要在夹河滩—孙口河段，由于滩槽泥沙交换受到限制，造成“二级悬河”加剧。1981—1985年上游来水偏多(图2a)，而多沙粗沙区的头道拐—龙门区间暴雨强度又较弱，年均来沙量仅为多年均值的39%[35]，这种水沙条件对下游河道十分有利，下游河道连续5年发生冲刷。

1985年龙羊峡水库下闸蓄水并和刘家峡水库联合调度，以及中游地区水土保持措施的显著生效，使得黄河下游汛期流量显著减小，非汛期流量增加，洪水发生频率和洪峰流量降低，扰动强度下降，滩槽之间泥沙交换减弱，淤积主要在主槽。1986-1999年花园口站含沙量为24.76kg/m3，下游河道年均淤积1.651亿m3。

1999年小浪底水库下闸蓄水，但由于下游河道的输沙功能减弱，2000—2001年小浪底水库对下游河道的调节作用并不明显。2002年黄河水利委员会开始实施小浪底调水调沙计划，下游河道的行洪能力增强，全河段才实现侵蚀。2000—2014年花园口站含沙量仅为3.99kg/m3，下游河道年均冲刷1.293亿m3。

从以上分析可知，1950年以来由于水沙条件的改变，下游河道经历了淤积—冲刷的交替调整。在仅考虑进入下游河道水沙条件下，构建了下游河道冲淤量(S下)与花园口站含沙量(C花)之间的函数关系(图7)，该关系式可表示为：

S下= 0.1411 C花-2.4228(N=65; R2=0.5188)

(3)

随着花园口站含沙量降低，下游河道由淤积转变为冲刷。令S下=0，根据公式(3)计算得到C花=17.17 kg/m3。当C花<17.17kg/m3时，下游河道主要表现为冲刷；当C花>17.17kg/m3时，下游河道主要表现为淤积。因此，降低花园口站含沙量对下游河道十分有利。

6 结论

1950年以来黄河流域输沙量呈现显著减少的变化趋势。根据流域上各水文事件发生时间及水沙变化特征，将输沙量变化过程划分为1950—1968年、1969—1985年、1986—1999年和2000—2014年4个阶段，其中头道拐站输沙量在后三个阶段分别以36%、37%和1%递减，花园口站输沙量在后三个阶段分别以30%、26%和38%递减，利津站输沙量在后三个阶段分别为32%、36%和21%递减。气候变化和人类活动是流域输沙量减少的主要影响因素。1950—2014年下游河道经历了淤积—冲刷的交替变化过程，这与进入下游河道的水沙条件发生变化有关。下游河道不冲不淤状态下的花园口站临界含沙量为17.17kg/m3，即当含沙量小于17.17kg/m3时，下游河道主要表现为冲刷；当含沙量大于17.17kg/m3时，下游河道主要表现为淤积。2002年小浪底水库开始实施调水调沙后，下游河道实现全面冲刷，入海沙量有所增加，但仍处于较低量，相当于全新世中期水平，黄河三角洲已经发生侵蚀。