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黄河干流径流泥沙特性变化
黄河干流径流泥沙特性变化
李勇１,黎桂喜2,潘贤娣3
（1.黄河水利委员会；2.河南黄河河务局；3.黄河水利科学研究院）
摘要：
以黄河干流主要控制站的径流泥沙资料为基础，从量值、过程、洪水和泥沙组成等方面分析了1986年以来年内不同时期黄河干流水沙特性的变化，得到汛期径流泥沙大量减少、非汛期径流量沿程减少加剧、中大流量出现机率大为降低、洪峰流量降低以及泥沙组成规律未发生趋势性变化等重要认识，为黄河治理和水沙资源的开发利用提供科学参考。
关键词：
变化；水沙特性；干流
作者简介：
李勇（1964-），男，河南人，黄委会高级工程师。
黄河水沙的极度失衡是其固有特点，也是给黄河下游带来灾害的根本原因。
解放以来，黄河的治理与开发进入了一个新时代，从单纯的下排入海转变为上拦与下排并举，力图从改变黄河下游的水沙特点来根治黄河。
经过50多年的艰苦努力，已建成黄河治理与开发的庞大体系，以“拦、排、调、放、挖”综合措施来处理黄河泥沙，以水库调节和沿黄引水来开发利用黄河的水资源，从而在确保黄河下游人民生命财产安全的同时，为整个流域及毗邻地区创造了巨大的社会效益和经济效益。
但是，由此黄河成为一条受人类活动影响极大的河流，水沙条件发生了显著变化，尤其是1986年以来，水沙变化的特点和趋势对流域的可持续发展极为不利，增加了黄河进一步治理和开发的难度。
本文主要分析1986年以后黄河干流径流泥沙特性的变化，上、中、下游分别以河口镇、潼关、三黑小（三门峡+黑石关+小董）水文站为代表，在分析洪水特性变化时以龙门和花园口为代表。
由于黄河各河段不同时期的治理开发程度相差较大，所以在采用与1986年后径流泥沙做对比的系列时，上中游为青铜峡水库运用前的1952～1967年（河口镇）和1950～1967年（潼关），下游三黑小站为龙羊峡运用前的1919～1985年。
1986年以来黄河干流各河段径流泥沙特性的变化既有共性，又有不同之处。
1径流量和沙量的变化特点
1.1年均径流量和沙量大量减少，出现枯水少沙系列，径流量和输沙量的年内分配改变
1986年以来，黄河干流实测径流量和输沙量大量减少，远大于还原后天然径流量的减幅。
由表1可见，与对比系列相比，河口镇、潼关、三黑小分别减少81、165、176亿m3，减幅达31%、37%、38%。
下游12年径流量都少于长系列均值，其中1997年仅166亿m3，是1919年以来径流量最少的一年。
径流量主要减少在汛期，三个站汛期径流量减幅都超过50%，而非汛期径流量变化不大。
因此实测径流量年内分配发生根本性改变，汛期径流量占全年的比例由60%左右减少到仅仅40%多，非汛期径流量所占比例由40%增加到超过50%。
输沙量也在大幅度减少。
河口镇、潼关、三黑小年均输沙量1986年后年均只有0.2、7.90、8.00亿t，减幅达70%、52%、46%。
上中游汛期输沙量减幅达58%～75%，远大于非汛期12%～48%的减幅，所以全年输沙量在汛期的集中程度相应降低，由占全年的80%～90%减少到65%～75%。
下游水沙条件受三门峡水库控制运用的影响，全年泥沙的94%集中在汛期，因而在全年含沙量降低的情况下，汛期含沙量增加，达到年均56.9kg/m3，而非汛期含沙量降到只有2.9kg/m3。
但各年输沙量减少并不稳定，暴雨强度大的1988、1992、1994、1996年输沙量仍较大。
表1黄河干流主要站不同时期径流量和输沙量的对比
Table1Comparisonofrunoffandsedimenttransportindifferenttermsatcontrol
stationsinmainstemoftheYellowRiver
河口镇
潼关
三黑小
项目
时期
1950～1967
1986～1995
1952～1967
1986～1995
1919～1985
1986～1997
实测
径流量
（亿m3）
7～8月
76
43
139
78
139
78
9～10月
85
31
134
56
138
55
汛期
161
74
273
134
277
133
非汛期
99
105
179
153
188
156
全年
260
179
452
287
465
289
实测
输沙量
（亿t）
7～8月
0.69
0.24
10.22
4.71
8.98
6.33
9～10月
0.69
0.10
3.91
1.20
3.52
1.21
汛期
1.38
0.34
14.13
5.91
12.50
7.54
非汛期
0.34
0.18
2.26
2.0
2.22
0.46
全年
1.72
0.52
16.39
7.91
14.72
8.00
1.2伏汛期（7～8月）径流量和输沙量减少
干流主要站1986年后，7～8月实测径流量过程各年虽有起伏，但总的趋势是减少的，比1968年前减少40%～50%。
河口镇7月份天然径流量与实测径流量的关系最为典型（图1），1986年前各年实测径流量比天然径流量的减少量都比较稳定，而1986年后不论天然来水多少，实测径流量基本维持在20亿m3以下，折算成日均流量仅590m3/s。
同样伏汛期干流输沙量也大量减少。
河龙区间是黄河的主要产沙区，龙门、潼关1986年后7、8月份输沙量仅有1.5～3亿t，比1968年前减少一半多。
输沙量变幅也有所降低，龙门7月份最大、最小输沙量由1968年以前的8.12亿t和0.96亿t，变为1986年后的3.38亿t和0.39亿t。
下游三黑小伏汛期输沙量年均也只有6.33亿t，减少了30%。
图1 河口镇实测径流量与天然径流量的关系
Fig.1RelationshipbetweenobservedrunoffandnaturalrunoffatHekouzhen
1.3秋汛期（9～10月）径流量和输沙量特征接近非汛期
1986年后秋汛期9～10月天然来水偏枯，上中游河口镇和潼关偏少25%～30%，而实测径流量减少更多，9月份年均实测径流量减少一半多，年均输沙量减少达65%～80%。
同时10月份径流量和输沙量特征与非汛期接近，年均实测径流量减少达70%多，河口镇和潼关基本上分别约10亿m3和25亿m3，折算成日均流量只有约350m3/s和770m3/s。
输沙量变化更大，龙门、潼关输沙量1986年后年均分别仅有0.09和0.24亿t，减幅达77%～85%。
对比10月份与非汛期4～6月和11～6月平均径流量和输沙量可见（图2），1986年前10月份的径流量和输沙量基本上都远远大于非汛期的平均值，而1986年后10月份径流量和输沙量基本上与非汛期平均值接近。
9～10月也是黄河下游来水来沙的重要时期，长系列均值径流量和输沙量占到全年的29%和25%，而1986年以后仅分别占全年总量的19%和15%。
尤其9月下旬～10月减幅更大，除1989年以外年份的9月下旬和10月径流量都只有不到长系列均值的1/2和2/3，输沙量只有长系列均值的1/3和1/5，径流泥沙特征已与非汛期非常接近。
图2潼关10月径流泥沙与非汛期平均值的对比
Fig.2CompansonofrunoffandsedimentinOctoberandtheirvalues indryseasonatTongguan
1.4非汛期径流量变化特点
1.4.1上中游春灌期（5～6月）径流量减少
春灌期5～6月上游水库是泄水运用的，增加了水库下游的河道径流量。
但由于沿程引水量远大于水库泄水量，因此实测径流量仍大量减少。
如5月份1986～1994年龙羊峡和刘家峡水库年均泄水4.5亿m3，但年均引水高达27亿m3。
1986年后5月河口镇、潼关的实测径流量为5.5、13.9亿m3，较1968年前减少达62%和48%。
1.4.2下游非汛期断流现象加重
80年代以来，沿黄两岸引水量不断增加。
黄河下游1986～1997年非汛期利津以上下游引水量达76.6亿m3，占非汛期来水量155.6亿m3的一半。
因此非汛期下游主要站的径流量沿程减少（表2），尤其是引水量最大的艾山—利津河段减少最多，利津径流量仅是花园口的44.4%，而1950～1959年基本为天然状况时，利津径流量比花园口仅减少7%。
表2 黄河下游非汛期径流量沿程变化
Table2LongitudinalchangeofrunoffindryseasonintheLowerYellowRiver
径流量（亿m3）
各站径流量占花园口比例%
时期
花园口
高村
艾山
利津
高村
艾山
利津
1986～1997年
154.6
133.1
108.1
68.6
86.1
69.9
44.4
1950～1959年
178.1
168.8
170.9
165.2
94.8
96.0
92.8
2水沙过程的变化特点
干流汛期不仅径流泥沙大大减少，而且水沙过程也发生了很大变化，汛期中大流量减少，枯水流量出现机率增加。
2.1伏汛期径流泥沙过程的变化
上中游1000m3/s以下小流量历时大大增加（图3），河口镇、潼关出现天数占7～8月总天数的比例分别由31%和11%增至67%和37%，相反1000m3/s以上中大流量历时大大减少，其中3000m3/s以上大流量出现机率很少。
同样伏汛期径流泥沙的减少主要集中在中大流量级，各站1500m3/s以上流量级径流泥沙的减少量都大于整个伏汛期的减少量，而1000m3/s以下流量级的径流泥沙却都增加了。
1986年后径流泥沙向中小流量级转移，3000m3/s以下流量级径流量占总量的85%～100%，输沙量占70%～100%。
含沙量的变化以1500m3/s为分界，其上流量级的增大反映出高含沙洪水的出现机率将增加，其下流量级的减小说明水流输沙能力的降低。
图3 黄河上游干流汛期不同流量级历时的变化
Fig.3Frequenceofdifferentflowdischangesinfloodseason
atHekouzhen
黄河下游伏汛期水沙过程的变化同样是枯水流量级历时增长，中大流量历时及相应输水输沙量明显降低。
花园口1950～1959年基本为天然条件时，伏汛期小于2000m3/s历时仅21.1天，占总天数的34%，1986年后达到47天，占到75%。
而大于3000m3/s以上流量级历时由23.9天减少为5.7天，大于5000m3/s以上流量级历时由7.9天减少为1.0天。
50年代伏汛期3000m3/s以上流量级的水流在38%的时间里通过62%的径流量输送了73%的泥沙，而1986年以后3000m3/s以上流量级仅能在9%的时间内，通过5%的径流量输送40%的泥沙。
同时各流量级含沙量普遍升高，尤其是4000～5000m3/s含沙量增高突出，说明高含沙量洪水出现机率增加。
2.2秋汛期径流泥沙过程的变化
秋汛期水流过程的变化程度更大。
河口镇1000m3/s以上、潼关1500m3/s以上流量级历时大大减少，年均只有10天左右。
秋汛期径流泥沙从中大流量向2000m3/s以下中小流量级转移，河口镇该流量级径流泥沙占总量的比例分别由约60%增大到80%～90%，潼关的径流泥沙比例由18%和10%分别增大到56%和38%。
下游花园口3000m3/s以上流量级1950～1959年年均出现15.3天，相应输水输沙量占总径流泥沙量的41.5%和55%。
而1986年后年均只有5天，相应输水输沙量只占到总量的8.7%和10.5%。
3洪水特性的变化
3.1上中游洪峰流量降低，但洪水发生机率并未减少
黄河大洪水主要发生在伏汛期，多由河龙区间尤其是吴堡以上较大支流暴雨形成。
70年代以来，黄河干流洪峰流量明显减小。
1970年以前有资料统计的龙门大于15000m3/s的洪水发生5次，最大达到21000m3/s（1967年），而1970年以后洪峰流量都小于15000m3/s，最大仅14500m3/s（1977年），最近的1996年为11000m3/s。
但从洪水发生频率来看，70年代发生大洪水的年份有1971、1977、1979年，间隔2～6年；1986年后的1988、1992、1994、1996年都发生了大洪水，间隔2～4年。
黄河洪水均由暴雨产生，由此可见，若遇暴雨则发生高含沙量大洪水的频率仍较高。
3.2下游汛期大洪水减少，洪峰流量降低，高含沙量中小洪水增多
统计1950年以来花园口洪水发生场数，1986年以前年均3.25场，1986年以后年均仅1.75场，减少近一半，洪水出现频率降低。
1986年前洪峰流量为6000m3/s左右的洪水是发生频率较高的中常洪水（图4），而1986年后洪峰流量普遍降低，连续13年未出现大洪水，经常出现的是洪峰流量在3000m3/s左右的小洪水。
花园口最大洪峰流量仅仅7860m3/s（1996年8月）。
1991年洪峰流量只有3120m3/s，是1950年以来洪峰流量最小的一年。
在洪峰流量降低的同时，洪水期的含沙量却明显增高，高含沙量洪水出现频率增大。
1988、1992、1994和1997年最大洪水都是中小洪水，三门峡出库最大含沙量却都超过300kg/m3。
图4黄河下游花园口历年洪峰流量过程
Fig.4AnnualfloodpeakatHuayuankouinthe
LowerYellowRiver
其中1992年发生的高含沙量洪水，含沙量大于300kg/m3持续时间长达67小时，为近年来黄河下游洪水中高含沙量持续时间最长的。
3.3秋汛期洪水减少，洪峰流量降低，洪水期径流泥沙特征改变
黄河秋汛洪水多发生在9月，主要以河口镇以上及渭河来水为主。
河口镇1952～1985年34年中，最大洪水发生在9～10月的占到一半，说明9～10月发生洪水频率很高。
1986年后由于上游龙羊峡、刘家峡9～10月蓄水运用，造成该时期发生洪水的机率大大降低，除1989年9月洪峰为3030m3/s以外，都在1500m3/s以下。
而1986年以来渭河秋汛期来水显著减少，造成华县洪峰流量大大降低，1986年以前39年中洪峰流量小于1000m3/s的只有7年，而1986年后11年中就有7年，其余4年也都在1500m3/s以下。
河口镇以上基流和渭河洪水的同时减少，致使黄河中游的秋汛洪水出现机率大为减少，洪峰流量大大降低，潼关1986年以前9～10月洪峰多在4000m3/s以上，1954年达到13400m3/s，1986年以后最大洪峰流量为1989年的4480m3/s，其余年份都在4000m3/s以下。
黄河下游秋汛洪水洪峰流量较伏汛期低，洪水历时较长，含沙量低，是黄河下游洪水的一个重要组成部分。
但1986年以来，9～10月来水量大为减少，洪水发生机率大大降低。
统计秋汛洪水的发生情况，1950～1986年年均发生2.6场，1986年年均仅1.5场，9～10月大部分处于平水期。
同时秋汛洪峰流量也明显降低，1986年前洪峰流量在4000m3/s以下的小洪水只占全部秋汛洪水的45%，洪峰流量最大的1954年达到12300m3/s；而1986年后洪峰流量都在4000m3/s以下，60%在3000m3/s以下，最大的1989年只有3960m3/s。
而且秋汛洪水的洪量减少显著，除1989年外相同洪水历时洪量远小于1986年前洪水，而且无论洪水历时长短，洪量基本都在20亿m3以下。
3.4下游汛初高含沙量中小洪水增多
1986年以来，由于7～8月来水量偏少，同时受三门峡水库汛初降低水位排沙的影响，下游汛初经常出现“小水带大沙”的不利来水来沙条件，多次发生低洪峰高含沙量洪水。
1986以来12年中有7年在潼关洪峰仅2000～4000m3/s的情况下，潼关～三门峡河段冲刷量达0.75～1.6亿t，出库含沙量明显增高，来沙系数多在0.05kg·s/m6以上。
1996年7月三门峡最大出库流量为2700m3/s时，最大含沙量达603kg/m3。
这样不利的水沙条件加重了河道的淤积，抬高了大洪水时的前期水位，对防洪威胁较大。
3.5上中游汛期来沙在洪水期的集中程度增高
黄河泥沙多来自大洪水期，上中游1970年后在洪水期的集中程度更高。
如图5所示，龙门在相同的洪水历时条件下，输沙量占汛期的比例增高。
以洪水历时6天为例，比例由10%左右增加到20%～50%。
3.6下游洪水期洪量减少，汛期输沙量在洪水期的集中程度增高
河道基流的减少造成洪水期径流量的变化，在相同洪水历时条件下，1986年后的洪量大大减少。
从平均情况来看，洪水期日均径流量从1986年前的3.87亿m3/天减少到2.13亿m3/天，减少达45%，而且洪峰流量大于5000m3/s的中大洪水减少较多。
洪量的减少是与中大流量级的减少并存的，这一洪水特性的改变不利于下游宽河道泥沙的输送，是河道萎缩的重要原因。
虽然洪峰流量降低了，但输沙量仍主要来自洪水期，由图6可见发生相同洪峰流量的洪水时，洪水期输沙量占汛期总量的比例明显增高。
图5龙门洪水期输沙量占汛期总量比例与洪水历时的关系
Fig.5RelationshipbetweentheratioofsedimenttransportamountinfloodperiodtothesedimentinthewholefloodseasonandthefloodingtimeatLongmen
图6花园口洪水期沙量占汛期的比例与洪峰流量的关系
Fig.6RelationshipbetweentheratioofsedimenttransportamountinfloodperiodtothesedimentinthewholefloodseasonandtheflooddischargeatHuayuankou
4上中游汛期泥沙组成规律未发生趋势性变化
4.1不同粒径组输沙量减幅不同，泥沙中值粒径d50减小
黄河上中游不同时期多年平均情况下，各粒径组输沙量均减少，但粗泥沙减少幅度大，达60%～70%，而中泥沙和细泥沙减幅分别为50%和40%左右，因此泥沙组成发生变化，粗泥沙占全沙的比例减少，细泥沙比例增加。
以龙门为例，1969年前细、中、粗沙占全沙的比例是44%、28%和28%，1987年后变为59%、25%和16%。
相应中值粒径d50有所减小，龙门由0.029mm减少到0.0195mm，潼关由0.023mm减少到0.019mm。
4.2泥沙组成规律未发生趋势性变化
虽然泥沙组成发生变化、来沙变细了，但由图7可见，不同时期各粒径组输沙量与全沙输沙量仍保持一致关系，说明泥沙组成规律未发生明显的趋势性变化。
黄河泥沙组成具有输沙量越大粗泥沙比例越高、输沙量越小细泥沙比例越高的规律，因此1986年后来泥沙粒径变细正是由于来沙量大大减少造成的。
如果河龙区间发生大面积大暴雨而大量产沙的话，泥沙组成还有可能变粗。
5认识
前述分析，可归纳出1986年以后黄河干流径流泥沙特性变化的几个主要特点：
图7龙门伏汛期（7～8月）粗泥沙输沙量与全沙输沙量的关系
Fig.7RelationshipbetweencoarsesedimenttransportamountfromJulytoOctoberandthetotalsedimentamount
（1）流域上中下游径流量和输沙量大量减少，而且减少主要集中在汛期，造成年内水沙分配改变，汛期径流量仅占全年的40%左右；
（2）秋汛期9～10月径流量和输沙量减幅大于伏汛期7～8月，水沙特征与非汛期接近；
（3）汛期具有较高输沙能力的3000m3/s以上中大流量历时、输水输沙量大幅减少，小流量历时剧增；
（4）洪峰流量显著降低，但洪水含沙量增高，高含沙量中小洪水增多，而且输沙量在洪水期的集中程度增高；
（5）非汛期沿河用水量变化较大，上、中、下游径流量普遍沿程减少加重；
（6）上中游来沙变细，但泥沙组成规律未发生趋势性变化。
参考文献
[1]张晓华等.黄河中游干流泥沙组成规律[J].泥沙研究，1999，
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[2]潘贤娣等.对黄河水沙特性变化的主要认识[J].人民黄河.1999，（8）.
[3]李勇等.黄河中游干流汛期水沙变化[J].人民黄河，1999，（8）.
[4]张晓华等.黄河中游干流洪水特性变化[J].人民黄河，1999，（8）.
[5]申冠卿等.黄河下游近年来河道冲淤变化特点分析.黄河水利科学研究院.1999年6月.
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