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河流输沙量是客观反映流域水土流失强度变化的重要指标, 是全球水土流失研究的重要内容[1]。黄河作为世界上含沙量最大的河流, 黄河中游流经的黄土高原是世界上水土流失最严重的地区, 也是黄河泥沙的集中来源区[2]。黄河中游严重的水土流失, 造成下游河道大量泥沙淤积, 导致洪水风险急剧增加[3]。据统计, 1919—1959年间, 黄河每年从中游带到下游的泥沙总量约16亿t, 其中4亿t沉积在下游河道, 导致下游“地上悬河”形势严峻, 直接威胁着下游两岸广大地区人民生命财产的安全, 黄河防洪问题始终是中华民族的“心腹之患”[4]。
为加速黄土高原水土流失治理, 减少入黄泥沙, 根治黄河水害, 自20世纪70年代开始, 国家在黄土高原地区先后开展了小流域水土流失综合治理、退耕还林还草、淤地坝建设和坡耕地整治等一系列生态工程[2, 5]。经过近50年持续治理, 黄土高原水土流失治理取得明显成效。截至2018年, 累计治理水土流失面积21.8万km2, 占水土流失面积的48%。黄土高原植被覆盖度指数由1999年的32%增加到2018年的63%[6]。相应地, 入黄泥沙量发生显著变化。以黄河干流潼关水文站年均输沙量为例, 由1919—1959年的16亿t/a, 锐减至2001—2018年的2.44亿t/a, 减少达85%, 其中2015年仅为0.55亿t, 相关研究认为, 未来30~50 a黄河潼关站沙量将维持在3亿t左右[5-8]。在黄河沙量发生趋势性减少的背景下, 超3亿t“大沙”年偶有发生, 输沙量波动变化如此之大, 原因是流域产输沙增加所致, 还是河道淤积泥沙冲刷下泄影响？在极端降水事件频发背景下, 中游大规模水土保持生态建设在调水减沙方面效益是否持续有效发挥？大水年是否会导致大沙年发生？这些问题是当前黄河泥沙变化研究关心的焦点与热点问题。
黄河水沙异源, 泥沙基本来自流经黄土高原地区的渭河、北洛河、汾河和头道拐到龙门区间(以下简称河龙区间)的各支流。潼关站作为黄河干流主要控制性水文站点, 处于黄河干流流经黄土高原的末端, 控制了黄河91%的流域面积、90%的径流量和几乎全部泥沙。为此, 本文以潼关水文站历年输沙量为研究对象, 以河龙区间以及龙门—潼关区间(以下简称龙潼区间)的渭河、北洛河和汾河流域为研究范围, 剖析潼关站输沙量在百年尺度上的动态变化特征；并筛选2013年、2018年为近期典型“大沙”年份, 剖析潼关站泥沙波动主要原因；选取2017年为典型“极端降雨”年份, 系统分析2000年前后黄河中游典型多尺度流域极端降雨下的降雨—输沙关系变化特征以及水土保持措施减沙作用, 研究结果旨在为客观评价近期黄河泥沙波动变化原因及科学研判未来泥沙情势提供科技支撑。
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黄河中游头道拐—潼关区间(以下简称河潼区间)是黄河泥沙主要来源区, 为此以头道拐、龙门和潼关3个干流控制性水文站为分界点, 将河潼区间划分为河龙区间和龙潼区间(主要涉及渭河、北洛河和汾河3条流域)。两个区间共选取23条黄河一级支流为研究对象, 研究区总面积约29.1万km2。河潼区间地处中国半干旱半湿润过渡带, 土质疏松, 地形破碎, 沟壑纵横, 降雨集中且多以暴雨形式出现, 局部地区侵蚀模数高达20 000 t/(km2·a)[9]。自20世纪70年代以来, 国家将该地区作为黄土高原水土流失重点治理区。截至2015年, 研究区水土保持措施总面积约10.79万km2[7]。研究区范围如图 1所示, 涉及的主要一级支流概况详见表 1。
Figure 1. Geographical location of the study area
编号 支流 流域面积/
万km21 皇甫川 0.32 2 窟野河 0.87 3 孤山川 0.13 4 秃尾河 0.33 5 佳芦河 0.11 6 浑河 0.79 7 偏关河 0.21 8 县川河 0.16 9 朱家川 0.29 10 岚漪河 0.22 11 蔚汾河 0.15 12 湫水河 0.20 13 无定河 3.03 14 清涧河 0.41 15 延河 0.77 16 汾川河 0.18 17 仕望川 0.24 18 三川河 0.42 19 屈产河 0.12 20 昕水河 0.43 21 北洛河 2.69 22 渭河 10.79 23 汾河 3.97 Table 1. Overview of tributaries in the study area
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黄河中游头道拐、龙门、潼关3个干流水文站以及皇甫川、窟野河、无定河、延河、北洛河、渭河、汾河等23个一级支流卡口站1919—2017年实测泥沙数据, 摘自黄河水利委员会《黄河流域水文泥沙整编资料》[10]以及《黄河泥沙公报: 2006—2017》[11]。2018年头道拐、龙门、潼关三站及无定河、窟野河、皇甫川、延河、渭河、汾河、北洛河泥沙数据, 摘自《黄河泥沙公报：2018》[12], 孤山川等其他16条河龙区间主要支流2018年输沙数据未能收集, 故2018年河龙区间流域输沙量采用类比推算法计算。
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河流泥沙主要来源于流域地表侵蚀输沙和河槽冲刷。为阐明黄河潼关站泥沙来源, 采用泥沙收支平衡法[13], 假设河道除干流外, 还包括若干支流。干流进口控制站全年输沙量记为Si, 干流出口控制站全年输沙量记为So, 各支流流域汇入的年输沙量为Sx1、Sx2…, 其和为∑Sx, 按沙量收支平衡原则:
$$ {S_{\text{i}}} + \sum {S_x} = {S_{\text{o}}} + {S_{\text{d}}} $$ (1) 式中: ∑Sx为区间流域年输沙量, 亿t, 其中, 2013年河潼区间流域年输沙量根据收集数据统计计算得到, 2018年河龙区间流域输沙量采用类比推算法计算得到；Sd为河段泥沙年沉积量(以正值表示)或年冲刷量(以负值表示)。
进一步地, 由式(1)得到:
$$ {S_{\text{o}}}/({S_{\text{i}}} + \sum {S_x}) = 1 - {S_{\text{d}}}/({S_{\text{i}}} + \sum {S_x}) $$ (2) 记F=So/(Si+∑Sx), 表示河道输沙与进入该河道泥沙总量之比, 即河道泥沙输移比。若F>1, 则河道处于冲刷状态；F=1则河道处于平衡状态；F < 1, 则河道处于淤积状态。
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2018年黄河泥沙公报仅对河潼区间无定河、窟野河、皇甫川以及延河等7条重要支流进行统计, 秃尾河等其他16条一级流域未统计, 故在泥沙收支平衡法基础上, 依据无定河等7条一级支流流域输沙量在2001—2017年该区间流域总输沙量占比, 反推2018年河龙区间流域输沙量。具体如下:
$$ \begin{gathered} {S_{{\text{w, 2018}}}} = ({S_{{\text{WDH, 2018}}}} + {S_{{\text{KYH, 2018}}}} + {S_{{\text{HFC, 2018}}}} + {S_{{\text{YH, 2018}}}})/\left[ {({S_{{\text{WDH, 2001 - 2017}}}} + {\text{ }}{S_{{\text{KYH}}, {\text{2001 - 2017}}}} + } \right. \hfill \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left. {{S_{{\text{HFC}}, {\text{2001 - 2017}}}} + {S_{{\text{YH}}, {\text{2001 - 2017}}}})/{S_{{\text{w2001 - 2017}}}}} \right] \hfill \\ \end{gathered} $$ (3) 式中: Sw, 2018为河龙区间2018年23条一级流域输沙量, 亿t；SWDH, 2018、SKYH, 2018、SHFC, 2018、SYH, 2018分别为无定河、窟野河、皇甫川和延河2018年流域输沙量, 亿t, 该数据由《黄河泥沙公报: 2018》获取；SWDH, 2001—2017、SKYH, 2001—2017、SHFC, 2001—2017、SYH, 2001—2017分别为无定河、窟野河、皇甫川和延河2001—2017年流域年均输沙量, 亿t, 数据来源于《黄河流域水文泥沙整编资料》；Sw2001—2017为河龙区间2001—2017年23条主要一级流域年均输沙量, 亿t, 数据由《黄河流域水文泥沙整编资料》统计得到。
1.1. 研究区域概况
1.2. 泥沙数据来源
1.3. 泥沙收支平衡法
1.4. 流域输沙量类比推算法
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对1919—2018年潼关水文站年输沙量年际变化进行趋势分析, 如图 2所示, 潼关站年均输沙量在百年尺度上以0.16亿t/a速率趋势性减少, 结合Mann-Kendall趋势检验[14-15], Z=-7.48, 说明潼关输沙量在近百年尺度上减少趋势达到极显著水平(P < 0.001), 且2000年后减少趋势更为明显, 其中, 2015年降至近百年最低点0.55亿t。但近10年来, 2013和2018年潼关输沙量均达到3亿t以上, 其中, 2013年为3.05亿t, 2018年达3.73亿t, 分别较2001—2018年均值增加25%和53%, 为近年来的典型“大沙”年份。
Figure 2. Interannual variation of sediment discharge at Tongguan station of the Yellow River
采用距平累积分析方法对黄河潼关沙量阶段变化分析发现, 潼关输沙量年际变化呈“台阶式”下降特征。其中, 1919—1959年黄河流域受人类活动影响较小, 水利及水土保持工程措施实施较少, 潼关站年均输沙量约为16亿t/a, 该时期常作为黄河水沙变化研究的基准期[16-17]；1960—1986年间随着青铜峡、刘家峡水库蓄水运用以及水土保持措施相继实施, 并在气候变化等综合影响下, 潼关站输沙量减小至12亿t/a；1987—2000年在龙羊峡水库蓄水运用以及黄土高原水土流失治理力度大幅增加等多因素耦合影响下, 潼关站输沙量进一步减少至7.7亿t/a；2001—2018年间, 水土保持措施水沙调控效益持续发挥, 年均输沙量锐减至2.44亿t/a。从变化周期看, 采用小波分析法[18]对黄河潼关站输沙量标准化数据进行周期变化特征分析, 如图 3和图 4所示, 潼关站输沙量1919—2018年演变过程中存在着15~25 a的主振荡周期；且潼关站输沙量变化呈现多时间尺度变化特征, 尤其在长时间尺度上变化周期更为明显。据此判断, 在50 a变化尺度上, 2010年以来黄河潼关站输沙量处于向“偏丰期”过渡阶段。
Figure 3. Contour map of the real part of the wavelet coefficient of the annual sediment discharge at Tongguan station of the Yellow River
Figure 4. Frequency characteristics of annual sediment discharge data on different time scales at Tongguan station of the Yellow River
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据实测资料, 2013年潼关站输沙量达到3.05亿t, 较2001—2018年均值2.44亿t/a增加25%。图 5为基于泥沙收支平衡法计算的不同典型年黄河潼关站泥沙来源解析图, 图中给出了河潼区间流域输沙、河道冲淤和区间来沙量。由图 5分析可知, 2013年黄河上游来沙和河潼区间主要一级支流流域输沙分别较2001—2018年均值增加37%和29%。其中, 河龙区间流域输沙量增加5%, 河道冲刷量增加101%；龙潼区间流域输沙量增加47%, 河道泥沙淤积增加108%。由此初步判断, 河龙区间河道泥沙冲刷、龙潼区间流域输沙量增加是2013年潼关站泥沙增加的主因。进一步, 对龙潼区间主要一级支流2013年流域输沙量分析可知, 受2013年7月黄河中游长历时暴雨影响, 渭河(华县)2013年输沙量为1.44亿t, 较2001—2018年均值增加43%, 尤其是其主要支流泾河年输沙量达1.3亿t。结合刘晓燕[19]近年典型场次大暴雨流域降雨—产沙关系研究结果, 2013年7月泾河流域产沙较上世纪70年代减少70%以上, 综合黄土高原塬区流域80%以上泥沙来自沟道的已有认识, 2013年龙潼区间流域输沙量增加主要因为渭河下游及泾河河道泥沙冲刷所致, 这与李建华和雷文青[20]、刘铁龙等[21]调查结果较为一致。综合以上研究认为，2013年黄河潼关站沙量主要源自河龙区间河道泥沙冲刷量以及渭河流域河道淤积泥沙冲刷量。
Figure 5. Spatial distribution of sediment source areas in the middle Yellow River in different years
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对2018年潼关站泥沙来源组成分析可知, 潼关站输沙量为3.73亿t, 其中, 黄河上游区域贡献了0.997亿t, 河潼区间流域输沙贡献了1.554亿t, 干流河道冲刷泥沙1.179亿t。较2001—2018年均值, 上游来沙量增加126%, 流域输沙量减少25%, 而河道泥沙方面河龙区间泥沙冲刷量增加了983%, 龙潼区间河道泥沙淤积增加了131%。根据《黄河泥沙公报: 2018》, 2018年8—9月万家寨和龙口水库汛期排沙量均为运用以来最大。由此判定, 河龙区间万家寨和龙口水利枢纽工程利用干流大流量联合排沙致使库区泥沙大量冲刷下泄是2018年潼关站沙量的主要来源。2018年黄河中游河道泥沙输移比为1.46, 也证明河道总体处于冲刷状态。进一步对相似来水情景下的“大水”年潼关站泥沙来源对比分析, 如表 2所示, 1981年和2018年上游来水相差仅为0.7%, 均达到320亿m3以上, 但2018年潼关站沙量大幅减沙68%, 其中, 流域输沙量锐减82%。流域输沙量的大幅减少成为黄河潼关站泥沙量大幅减少的主要原因, 也说明近年来大规模水土保持生态建设成果在减少入黄泥沙方面发挥了重要作用。
年份 头道拐以上 河潼区间 潼关输沙量
/亿t来水量/亿m3 来沙量/亿t 流域输沙量/亿t 河道冲淤量/亿t 1981年 322.5 1.446 8.866 1.478 11.79 2018年 324.9 0.997 1.554 1.179 3.73 变化量/% 0.7 -31 -82 -20 -68 注:河道冲刷以正值表示，河道淤积以负值表示 Table 2. Comparison of sediment sources at Tongguan station under similar inflow scenarios
3.1. 2013年潼关沙量来源解析
3.2. 2018年潼关沙量来源解析
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黄河中游泥沙多因暴雨洪水产生, 极端降雨多发使得未来水沙情势存在不确定性。已有研究表明, 黄土高原河流的泥沙通常是由汛期几场短历时高强度暴雨形成, 往往一次洪水输沙量占全年70%~80%, 由此可见暴雨等极端气候对黄土高原地区水土流失及入黄泥沙具有重要影响[22]。大规模水土保持措施实施作为改善区域下垫面侵蚀环境的有效手段, 在极端暴雨情景下能发挥多大作用成为科学研判黄河未来输沙情势的重要前提。2017年7月26日, 黄河中游河龙区间最大支流无定河流域发生特大暴雨, 面降雨量达63.6 mm, 100 mm以上降雨量覆盖面积6 126 km2, 暴雨中心绥德县暴雨重现期达200年一遇[23]。暴雨量级大、范围广、强度高导致无定河白家川水文控制站出现建站以来最大洪水, 洪峰流量达4 480 m3/s, 次洪沙量0.78亿t, 占2017年总输沙量的91%。图 6为1956—2018年无定河输沙量—潼关站输沙量动态响应关系, 按照该图推算, 2017年潼关沙量约为8.2亿t, 而实际仅为1.3亿t, 黄河中游极端降雨年并未引发黄河大沙年出现。
Figure 6. Correlation between sediment discharge of Wuding River basin and that of Tongguan station
以2017年无定河特大暴雨事件为背景, 根据黄河潼关站输沙量年际阶段变化特征, 选取2000年为临界点, 系统统计了无定河、皇甫川、窟野河、湫水河、清涧河、孤山川等典型流域2000年前后暴雨洪水输沙数据, 分析了2000年后极端暴雨下流域输沙变化, 如图 7可见, 2000年以后黄河中游极端降雨条件下流域雨沙关系发生明显变化, 次洪输沙量平均减少50%~85%。以无定河流域为例, 1977年8月场次降雨量达到62.1 mm, 降雨量与2017年7月26日特大暴雨相似, 但2017年次洪沙量减少53%, 流域输沙量大幅减少。
Figure 7. Changes of rainfall and sediment transport in typical basins of the middle reaches of the Yellow River under extreme rainfall around 2000
图 8为无定河“7·26”特大暴雨下的水土流失治理流域韭园沟与非治理流域裴家峁洪水输沙特征对比图, 同样表明, 在相似极端降雨条件下, 水土流失治理流域较非治理流域洪水模数、输沙模数、最大含沙量平均减少57%、75%和55%, 水土保持措施的实施在极端降雨事件中的调水减沙效益不容忽视, 在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用。
Figure 8. Sediment transport modulus and runoff modulus per unit rainfall under similar extreme rainfall conditions in the compared basins
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黄河未来水沙情势是决定治黄方略的首要问题。在黄河近20年泥沙锐减已是不争事实背景之下, 如何科学辨识黄河泥沙来源变化以阐明输沙年际波动成因是准确研判黄河未来水沙情势的重要前提。本文通过对2013年和2018年2个近期典型“大沙”年以及2017年典型“极端降雨”年黄河潼关站沙量来源分析综合认为:近年来随着黄土高原水土流失持续治理, 下垫面发生不可逆的变化, 黄河流域生态环境持续改善, “极端降雨”年和“大沙”年等不同典型年份流域输沙量均大幅减少且对黄河潼关站输沙量贡献大幅下降, 水土保持措施实施在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用；极端降雨增加或人类活动影响下的河道淤积泥沙冲刷下泄则成为近年来黄河“大沙”年新的重要泥沙来源。取得了如下主要认识与结论:
(1) 1919—2018年黄河潼关站输沙量呈“台阶式”减少特征, 其年平均输沙量在百年尺度上以0.16亿t/a速率趋势性减少, 减少的趋势极显著(P < 0.001), 2000年后减少趋势更为明显; 从1919—1959年潼关站年平均输沙量16亿t/a减少到2000年以后年平均输沙量2.44亿t, 2015年降至百年来最低点0.55亿t。
(2) 近年典型“大沙”年份泥沙大幅增加原因各不相同。其中, 2013年潼关站沙量大幅增加主要是黄河中游长历时暴雨导致渭河下游及泾河河道泥沙冲刷所致；而2018年潼关站沙量主要是由于万家寨、龙口水利枢纽工程利用干流大流量联合排沙致使库区泥沙大量冲刷下泄所致。
(3) 对2000年前后相似“大水”年潼关站输沙量分析比较发现, 2018年潼关沙量较1981年减少68%, 其中, 2018年河潼区间流域输沙量较1981年减少82%。流域输沙量的大幅减少是近年来潼关输沙量趋势性减少的重要影响因素。
(4) 2000年前后极端降雨下的黄河中游典型多尺度流域降雨—输沙关系发生明显变化, 2000年后黄河中游极端降雨条件下流域雨沙关系发生明显变化, 次洪输沙量平均减少50%~85%。水土流失治理流域较非治理流域洪水模数、输沙模数、最大含沙量平均减少57%、75%和55%, 大规模水土保持措施实施在减少流域输沙方面发挥着不可替代的作用。
(5) 本文所涉及的流域输沙结果是基于黄河中游23条一级支流输沙量统计数据计算而来, 覆盖黄河中游主要一级支流95%以上, 河龙区间仍有少许一级支流(1 000 km2以下)数据未能收集, 但以上因素不会对流域输沙计算结果产生较大影响。
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