流量变化对黄河下游河道演变影响

摘要：作者通过对1958、1964、1973、1985及1997各年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站逐日平均水文资料的流量级分析，得到花园口、高村、艾山、利津水文站日均造床流量1958年为3400～4400m3/s；1964年5300～5600m3/s；1973年为2700～3300m3/s；1985年有两个峰值，分别为1900～2000m3/s和3800～4500m3/s；1997年仍有两个峰值，花园口和高村水文站为680～740m3/s和1900～2800m3/s，艾山和利津水文站为200～250m3/s和510～820m3/s。将上述结论与对实测资料的分析相结合，得到造床流量明显下降及较大日均流量(>2000m3/s)出现频率大大减少甚至不再出现是黄河下游小流量输沙、河道淤积、“小水大灾”的根本原因。

关键词：黄河下游 有效输沙流量 造床流量

在人类大量引水、天然降水偏枯[1,2]等人为和自然因素作用下，自1972年开始断流，直至90年代的频繁断流，对黄河下游河床演变产生了深刻的影响[1,3]，河道尤其是主槽淤积加重，使黄河下游防洪面临前所未有的巨大压力，“小水大灾”已成为黄河下游流域水资源突出的问题之一[4]。“小水大灾”是黄河下游河床随来水来沙自动调整的结果。本文试图通过对1958、1964、1973、1985年1997年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站逐日平均水文资料的流量级分析及对比，来寻求其内在原因及解决黄河下游“小水大灾”、水资源短缺的办法。

1 黄河下游造床流量分析

1.1 分析方法的选取 与多年流量过程的综合作用相当，而又对塑造河床起着控制作用的代表性流量为造床流量。目前，分析造床流量的方法很多，大致可以分为：平滩流量法、输沙率法、输沙量法及输水量法、河床变形强度法等。针对黄河等多沙河流，张红武等人提出了输沙能力法，吉祖稳等人提出了水沙综合频率法[5,6]。本文采用输沙率法来对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行流量级分析，从而得到相应的造床流量。

1.2 数据的选取 本文选取黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行流量级分析，含沙量取悬移质含沙量。

黄河下游河道演变主要决定于来水来沙条件，据来水来沙特点和三门峡水库运用情况，其河道演变可以大致分为六个时期，各时段水沙特点如下：1950～1960年为三门峡水库修建前的天然情况，基本无人类引水，为丰水多沙系列；1960～1964年为三门峡水库“蓄水拦沙期”及“滞洪拦沙期”，河道冲刷；1964～1973年为三门峡水库“滞洪排水期”，为平水多沙系列，河道淤积；1973～1997年为三门峡水库“蓄清排浑”运用期，在此期间内根据来水来沙条件不同又分为：1973～1980年河道少量淤积、1980～1985年河道冲刷、1985～1997河道萎缩三个时期[7]。1958、1964、1973、1985及1997各年分别代表黄河下游河床演变的各时段。

1.3 计算结果 Wolman和Miller在1960年首次提出了“地貌功”的概念，并给出了河流有效流量流量级分析的计算方法[8～11]。假设河流流量频率服从对数正态分布，输沙率作为流量功函数，则输沙效率即流量出现频率与输沙率乘积最大处的流量值为输沙的有效流量，就长时期内河流输沙量而言在该流量处最大[9～11]。根据此方法本文对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行了流量级分析，结果如图1所示。

图1 花园口、高村、艾山、利津水文站在1958、1964、1973、1985及1997各年日均流量的输沙效率

图1(a)为花园口、高村、艾山、利津水文站1958年日平均各级流量输沙效率(即流量出现频率与输沙率乘积)，分别以2500m3/s、2500m3/s、1500m3/s、800m3/s分级。图1(b)为花园口、高村、艾山、利津水文站1964年日平均各级流量输沙效率，均以1000m3/s分级。图 1(c)为花园口、高村、艾山、利津水文站1973年日平均各级流量输沙效率，均以500m3/s分级。图1(d)为花园口、高村、艾山、利津水文站1985年日平均各级流量输沙效率，分别以800m3/s、800m3/s、800m3/s、600m3/s分级。图1(e)为花园口、高村水文站1997年日平均各级流量输沙效率，分别以500m3/s、200m3/s分级；图1(f)为艾山、利津水文站1997年日平均各级流量输沙效率，分别以180m3/s、150m3/s分级。

从图1(a)中可以看到，花园口、高村、艾山、利津水文站在1958年相应于输沙效率最大处的日均流量分别为：3450.3m3/s、3362.8m3/s、3697.2m3/s、4335.6m3/s，其中艾山和利津水文站还有另一较大输沙日均流量：6597.5m3/s和6808.6m3/s。总的来说，在1958年黄河下游河道基本处于无人类影响的状况下，其输沙效率最大日均流量为3400～4400m3/s。

从图1(b)中可以看到，花园口、高村、艾山、利津水文站在1964年相应于输沙效率最大处的日均流量分别为：5367.5m3/s、5457.9m3/s、5518.3m3/s、5494.4m3/s，也就是说在1964年黄河下游河道在三门峡水库“蓄水拦沙”及“滞洪拦沙”运用使河道冲刷时，其输沙效率最大日均流量为5300～5600m3/s。

从图1(c)中可以看到，花园口、高村、艾山、利津水文站在1973年相应于输沙效率最大处的日均流量分别为：3203.8m3/s、3209.2m3/s、2732.6m3/s、2710.4m3/s，也就是在1973年黄河下游河道在三门峡水库“滞洪排沙期”河道淤积时，其输沙效率最大日均流量为2700～3300m3/s。

从图1(d)中可以看到，在1985年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站在水丰沙少的情况下，相应于输沙效率较大处的日均流量均为双峰值，分别为：1900～2000m3/s和3800～4500m3/s，使河道基本处于冲刷状态。

从图1(e)和1(f)中可以看到，在1997年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站，相应于输沙效率较大处的日均流量仍均为双峰值，其中花园口、高村水文站的两个日均流量峰值分别为：680～740m3/s和1900～2800m3/s，艾山、利津水文站的两个日均流量峰值分别为：200～250m3/s和510～820m3/s，河道处于萎缩状态。

根据文献[8～11]，图1中相应于输沙效率(即流量出现频率与输沙率乘积)最大处的日均流量是黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站悬移质输沙最大的流量，是其悬移质有效输沙流量。由于悬移质有效输沙流量与全沙有效输沙流量接近[10]，因而该流量也是黄河下游园口、高村、艾山、利津水文站的有效输沙流量。

对于一个处于稳定或是演变中的河道，有效流量是造床流量的计算值[8,12]。而造床流量这一概念的引入是假定这一流量和多年流量过程是综合造床条件作用相等[8,12]，它是河床演变尤其是造床作用的反映。对于黄河这一举世闻名的水少沙多河流来说，泥沙的淤积与冲刷是其河床演变的关键，因而对其下游河道造床起决定作用的流量必然是输沙最大的流量，即有效输沙流量。也就是说，对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站来说，造床流量与其上述相应年份的输沙最大的流量是相当的。

2 黄河下游“小水大灾”分析 “小水大灾”、同流量水位升高，是黄河下游河道淤积的结果。

从表1中可以看到，1997年花园口水文站年均含沙量为10.49kg/m3，小于其1951～1990年间的多年平均值26.2kg/m3，汛期平均含沙量为14.31kg/m3也小于其1951～1990年间汛期的多年平均值37.8kg/m3，说明在1997年黄河下游来沙量的减少大于来水量的减少；而且1997年花园口水文站年均含沙量及其汛期平均含沙量也低于河道基本处于冲刷状态的1964年和1985年的年均含沙量及其汛期平均含沙量，但河道却处于萎缩状态。究其原因，黄河下游造床流量的明显减少是河道淤积的直接原因。花园口水文站的造床流量从1958年的3450.34m3/s降到1997年的2748.18m3/s，利津水文站的造床流量则从1958年的3450.34m3/s降到1997年的2748.18m3/s，利津水文站的造床流量则从1958年的4335.63m3/s大幅下降到1997年的517.25m3/s。

与此同时，花园口日均流量<2000m3/s时花园口至利津河段的淤积量从1958年的0.802亿t增加到1997年的1954亿t，该淤积量占花园口输沙量的百分比也从1958年的2.9%增加到1997年的52.5%(如表2所示)，也就是说1997年花园口水文站来沙量的一半是在花园口日均流量<2000m3/s时淤积在花园口至利津河段的。与此同时，花园口水文站日均流量>2000m3/s的天数从1958年的139天降到1997年的57天，而艾山和利津水文站日均流量>2000m3/s的天数则从1958年的139天降到1997年的0天(如表3所示)。相应的利津水文站输沙量占花园口水文站输沙量的百分比从1958年的

表1 花园口水文站为来水来沙特点变化

表2 花园口日均流量<2000m3/s时花园口至

利津河段淤积状况

年份

径流量/亿m3

输沙量/亿t

年均含沙量/(kg/m3)

汛期平均含沙量/(kg/m3)

1958

1964

1973

1985

1997

610.5

877.7

360.9

473.9

355.0

27.32

16.38

15.78

7.94

3.72

44.74

18.66

43.73

16.76

10.49

54.99

22.98

65.54

25.72

14.31