Evolution and Influencing Factors Analysis of Water and Sediment Evolution in the Upper Yellow River in Recent 60 Years

Hong-xiang WANG, Ke-fei YANG, Jing-hang LIU, Pu-fan HUANG, Wen-xian GUO

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China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (3) : 86-93.

Evolution and Influencing Factors Analysis of Water and Sediment Evolution in the Upper Yellow River in Recent 60 Years

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Abstract

In order to reveal the variation law and driving factors of runoff and sediments in the upper reaches of the Yellow River， according to the time series data of three representative hydrological stations in the upper reaches of the Yellow River， average difference T methods， double cumulative curve method， wavelet analysis， cumulative slope rate change rate method and other methods are used to analyze and study the characteristics of runoff and sediment change in the upper reaches of the Yellow River. The results show that the runoff and sediment discharge of the three representative stations in the upper reaches of the Yellow River showed a decreasing trend from 1960 to 2019. The annual runoff at Tangnaihai Station， Lanzhou Station and Toudaoguai Station in the upper reaches of the Yellow River havean abrupt change in 1989， 1985 and 1985， and the annual sediment load of the three stations abrupt change in 1989， 1999 and 1985. Wavelet analysis is used to find that runoff has a main cycle of 9~16 a， and sediment discharge has a main cycle of 11~16 a. The cumulative sediment reduction of the three stations in the upper reaches of the Yellow River is about 107 million t，1.1 billion t and 1.639 billion t， respectively， and the sediment reduction increased along the river. The variation law of runoff and sediment is influenced by precipitation and human activities， and human activities play an important role in the variation of water and sediment.

Key words

The upper reaches of the Yellow River / runoff / sediment discharge / influencing factors / human activities

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Hong-xiang WANG , Ke-fei YANG , Jing-hang LIU , Pu-fan HUANG , Wen-xian GUO. Evolution and Influencing Factors Analysis of Water and Sediment Evolution in the Upper Yellow River in Recent 60 Years. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(3): 86-93

0 引 言

流域产水产沙通常会受到自然条件的剧烈变化、水文循环及流域内人类活动的影响而变化，使得径流序列发生变异并呈现出阶段性的特征，具体表现为突变年前后的水文序列统计特征值发生显著改变。黄河作为中国第二大河，同时也是世界上含沙量最大的河流，其特点有水少沙多、水沙异源等。对黄河水沙变化成因进行量化的深入研究有助于加深对黄河水沙关系的认识，同时也有利于黄河水沙调控机制的发展与完善。赵阳［1］等对黄河干流的兰州、头道拐、龙门及潼关站4个水文站及7个主要一级支流把口站的水文数据进行分析时运用了运用双累积曲线等方法，得出上述四个水文站年的径流、输沙量均呈显著减少的趋势的结论，主要成因为人类活动的影响。李勃［2］等采用Mann-Kendall趋势检验法、Pettitt变点检测法和累计距平等方法，对黄河干流九个水文控制站点径流数据资料进行分析，研究发现黄河干流径流量整体呈现下降趋势。马超［3］等运用变化范围法对龙羊峡、刘家峡水库运行前后黄河头道拐水文站日均径流量和输沙量数据进行分析，研究发现龙、刘水库运行后，头道拐水文站径流和含沙量均减少，整体均发生中度改变。这些研究主要集中在径流泥沙长时间序列的趋势性突变，对于水沙不同时间尺度下的变化缺少相应的研究。本文选取黄河上游为研究区域，在对黄河1960-2019年来的实测径流泥沙序列进行变化规律系统分析的基础上，在分析黄河上游水沙变化趋势性和周期性的同时，通过定量计算来得到黄河上游流域气候变化和人类活动对水沙量变化的贡献率［4］，以期揭示黄河上游水沙量的变化规律及引起上游水沙时空演变的影响因素。

1 研究资料

黄河上游区域包括从黄河源区到内蒙古自治区托克托县河口镇及其集水区域，上游总面积达55.06 万km2，河长3 472 km。其位于我国一、二级阶梯的交替地带，具有复杂多样的气候类型，从黄河源区向下为高寒湿润区逐步向荒漠干旱区过渡，具有鲜明的区域气候特征。同时该区域地貌特殊，地形起伏大，气候复杂多样，降水量分布极不均匀。唐乃亥水文站作为龙羊峡水库的入库站，是黄河干流上的控制站，同时也是黄河上第一个洪水编号站，是国家重要水文站和黄河重点报汛站。兰州水文站也是黄河上游流域一个重要的水文站，集水面积占整个黄河流域面积的29.6%。头道拐水文站位于黄河上中游水沙变化的主要转折点，水文站下游约10 km处的河口镇，是黄河上中游的分界点，具有十分重要的地理位置，是黄河上游水沙变化的把口站和控制站。在对黄河上游水沙演变分析时本文选用黄河上游唐乃亥、兰州及头道拐三个代表性站点的数据进行分析。本文中1960-2019年60年间年降水量序列数据均来源于中国气象数据网；1960-2019年实测径流泥沙序列数据来源于唐乃亥水文站、兰州水文站和头道拐水文站及《中国河流泥沙通报》。

2 研究方法

根据研究区内径流泥沙资料，采用Mann-Kendall非参数检验法、累积曲线法［5］、均值差异T检验法［6］和小波分析法［7］分析黄河上游水沙控制占径流泥沙变化情况。在检验水文要素长期变化趋势时采用Mann-Kendall非参数检验法统计，结合累积距平来判别确定水文时间序列可能存在的突变点，对可能存在的突变点采用均值差异T法进行检验。在周期性分析上，利用小波分析法揭示水沙时间序列在不同时间尺度下的多种变化周期。在分析导致黄河上游水沙变化的各种影响因素时，采用双累积曲线法分析水沙序列的阶段变化特征，并通过累积量斜率变化率［8］量化分析自然因素与人类活动对水沙量演变的影响。

3 水沙变异特征分析

3.1 水沙趋势性变化分析

使用Mann-Kendall趋势检验法来定量评估黄河上游径流量和输沙量的年际变化趋势（表1）。黄河上游三站年径流量和年输沙量的Zc值均小于0，表明各站年径流量及年输沙量均呈现下降趋势。头道拐站径流量、输沙量和兰州站输沙量对应的|Zc|值大于显著性水平α=0.01所对应的临界值2.32，即通过了99%显著性检验，说明均存在显著减少趋势。兰州站径流量|Zc|值大于显著水平α=0.1对应的临界值1.28，通过90%显著性检验，即兰州站径流减少趋势比较显著；唐乃亥站径流、输沙量|Zc|未通过检验，所以减少趋势不显著。为揭示黄河上游多年径流及泥沙变化趋势，绘制唐乃亥、兰州和头道拐水文站年径流量和年输沙量变化曲线（图1）。唐乃亥水文站年径流量和年输沙量均呈波动趋势；兰州水文站年径流量多年变化大体上呈波动下降趋势，年输沙量也呈波动下降趋势；头道拐水文站年径流量和年输沙量总体呈波动性下降趋势；三站水沙在各时间段的变化趋势基本保持一致。
Tab.1 Mann-Kendall non-parametric test of runoff and sediment discharge

表1 径流量和输沙量Mann-Kendall非参数检验

水文站 唐乃亥 兰州 头道拐
径流量 ZC -1.109 8 -1.556 2 -3.259 1
检验判别 | ZC |<1.28 | ZC |>1.28 | ZC |>2.32
趋势性 减少 减少 减少
显著性 不显著 比较显著 显著
输沙量 ZC -1.128 9 -4.815 3 -4.828 1
检验判别 | ZC |<1.28 | ZC |>2.32 | ZC |>2.32
趋势性 减少 减少 减少
显著性 不显著 显著 显著
Fig.1 Variation trend of annual runoff and sediment discharge

图1 年径流、输沙量趋势

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3.2 水沙突变特征分析

运用累计距平法对黄河上游唐乃亥、兰州、头道拐3个水文站1960-2019年径流量和年输沙量进行距平累积，其年际变化过程如图2所示。
Fig.2 Accumulative anomalies process of annual runoff and sediment discharge change

图2 年径流、输沙变化距平累积过程

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使用累积距平法，由上游三站距平累积过程图，可以判断唐乃亥站年输沙量突变时间与年径流突变时间相同，突变年份都为1989年；兰州站年径流量的突变发生在1985年，年输沙量则于1968年和1999年发生突变，年输沙量与年径流突变时间不同。头道拐站年径流量和年输沙量突变年份都为1985年，年输沙量突变时间与年径流突变时间相同。
采用均值差异T检验法对检验过程中出现的突变可信度不高的或多个的突变点的突变结果进行验证。选取显著水平α=0.05，对应临界值tα =2.00，统计量结果见表2。可以看出，3个水文站年径流量和年输沙量对应的统计量值都通过了0.05显著性水平检验，表明年径流量和年输沙量突变发生在对应时间。即唐乃亥站年输沙量突变年份和年径流量突变年份均为1989年，根据检验结果选取兰州站年输沙量的突变年为1999年，年径流量突变年为1985年，头道拐站年径流量和年输沙量突变年份均为1985年。
Tab.2 Mean difference T test of annual sediment discharge and runoff

表2 年输沙量和径流量均值差异T检验

水文站 项目 年份 基准年 突变指数 统计量 临界值
唐乃亥 输沙量 1989 30 0.33 2.50 2.00
径流量 1989 30 0.30 2.35 2.00
兰州 输沙量 1999 40 0.42 3.72 2.00
径流量 1985 26 0.44 3.44 2.00
头道拐 输沙量 1985 26 0.89 6.62 2.00
径流量 1985 26 0.62 4.78 2.00

3.3 水沙周期性变化分析

在对黄河上游水沙周期性变化分析时，使用黄河上游3个水文站点年径流量和年输沙量的Morlet小波分析来绘制小波系数实部等值线图和方差图（图3~图4），它们代表了时间序列中周期性波动的大小。黄河中一系列径流和泥沙序列包括几个不同时期，这三个站的径流和泥沙序列显示出明显的年际变化。结果显示，1960-2019年以来，黄河上游水沙变化具有多时间尺度特性，且上游3个代表站周期规律较为相似。年径流量的周期变化主要存在准4~7 a、准9~14 a和准19~32 a三种年际尺度，其中最为显著的是以9~14 a为主周期的变化，年径流量在该时间尺度上经历枯丰多次循环交替，且该尺度的周期变化在整个分析时段表现得相对较为稳定，具有全域性；年输沙量的周期变化存在准3~7 a、准9~15 a和准20~32 a三种年际尺度，其中以9~15 a为主周期的变化最为显著，尺度周期变化也具有全域性。水沙之间周期性变化既有一定联系也存在一定的差异［9］。
Fig.3 Wavelet analysis isonline and variance diagram of runoff

图3 径流小波分析等值线、方差图

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Fig.4 Wavelet analysis isonline and variance diagram of sediment discharge

图4 输沙小波分析等值线、方差图

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3.4 径流泥沙双累积分析

河道径流量与输沙量的因果关系密切，表现为二者的累积曲线具有显著的直线关系。根据上游径流泥沙趋势性、突变性分析的结果及绘制的唐乃亥、兰州和头道拐三站水沙双累积曲线图（图5），并以径流量和输沙量的突变年为界限将三站径流泥沙时间序列划分，建立输沙量与径流量累积直线的拟合方程，各个阶段的拟合关系式的拟合程度良好（决定系数R²均在0.96以上）。同时3个水文站的双累积斜率均向累积径流量轴发生了偏折，表明上游累积输沙量发生了趋势性减少。
Fig.5 Double mass curve of runoff and sediment discharge

图5 水沙双累积曲线图

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唐乃亥站2019年在曲线转折前的累积输沙量为8.40 亿t；突变之后累积输沙量7.33 t，由此可得，1989-2019年的累积减沙量为1.07 亿t，该时段31年年均减沙量为0.03 亿t；兰州站在1998年突变之前的累积输沙量为30.09 亿t，1998年实际输沙量24.60 t，即1960-1998年的累积减沙量为5.49 亿t，该时段年年均减沙量为0.141亿t；2019年在曲线转折前的累积输沙量为35.02 亿t；2019年实际输沙量29.51亿t，1999-2019年的累积减沙量为5.51 亿t，该时段年年均减沙量为0.26 亿t；头道拐站2019年在曲线转折前的累积输沙量为69.78 亿t；2019年实际累积输沙量为53.25 亿t，1985-2019累积减沙量为16.39 亿t，该时段34年年均减沙量为0.48 亿t。

4 径流泥沙演变影响因素分析

4.1 自然因素

黄河上游水沙关系变化受气候变化、人类活动、自然灾害、下垫面条件等多种因素的影响［10］。降水和人类活动［11， 12］作为导致黄河上游流域水沙变化的主要因素，本文考虑这二者的干扰对黄河上游径流输沙的影响。
按照黄河上游水文突变特征绘制3个站点发生突变前后时段内的降水与输沙、径流的累积变化关系曲线如图（图6~图7）所示。3个站点每个阶段的拟合关系式的拟合程度良好表3、4是使用累积量斜率变化率法定量计算得出的人类活动和降水两种因素对上游3个水文站水沙量变化的贡献率。上游地区降水量的大小、多少是水沙产量的主要影响因素，当短期内降水过多时甚至会破坏标准较低的水利水保工程从而改变水沙量。统计显示，20世纪80 年代后，黄河中上游年均大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨日数均减少［13］，其中，大暴雨和特大暴雨日数减少更多，暴雨量的减少会直接影响进入黄河的泥沙量。对于黄河上游3个水文站在突变年前后两个时期相比，发生突变前后降水量对输沙量减少贡献率分别为8.41%、-0.6%、4.43%；降水量对径流量减少贡献率分别为 17.27%、-41.37%、8.70%。由此可得主要是人类活动对水沙量的变化产生了影响。
Fig.6 Cumulative runoff and precipitation in three different hydrological locations

图6 累积径流量、累积降水量图

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Fig.7 Cumulative sediment discharge and precipitation in three different hydrological locations

图7 累积输沙量、累积降水量图

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Tab.3 Contribution rate of precipitation and human activities to runoff at hydrological stations in different periods

表3 不同时段各水文站降水和人类活动对径流量贡献率

水文站 时期 径流量（YR ） 降水量（YP ） 降水量（CP ） 人类活动（CH ）
唐乃亥 突变前 220.18 386.04 - -
突变后 184.15 375.13 17.27 82.73
兰州 突变前 337.11 250.81 - -
突变后 272.81 252.79 -41.37 141.37
头道拐 突变前 247.81 390.33 - -
突变后 161.33 378.48 8.70 91.30
Tab.4 Contribution rate of precipitation and human activities to sediment discharge at hydrological stations in different periods

表4 不同时段各水文站降水和人类活动对输沙量贡献率

水文站 时期 输沙量（YR ） 降水量（YP ） 降水量（CP ） 人类活动（CH ）
唐乃亥 突变前 0.141 7 386.04 - -
突变后 0.094 1 375.13 8.41 91.59
兰州 突变前 0.806 7 250.81 - -
突变后 0.348 6 252.79 -0.60 100.60
头道拐 突变前 1.354 4 390.33 - -
突变后 0.429 1 378.48 4.43 95.57

4.2 人类活动

黄河上游水沙演变与流域人类活动存在密切联系。各种黄河上游沿岸城市用水量的增加、水土保持措施的实行［14］以及水利枢纽的建设等等人为因素都会影响黄河到上游水沙变化。这些人类活动不仅导致了水文时空分布规律和循环过程的改变，同时对黄河上游径流的产沙条件的影响巨大。
黄河上游多个水利工程的建设是水沙变化的重要原因。1960年以来，黄河上游相继修建了青铜峡、刘家峡、龙羊峡等一系列水利枢纽。黄河上游青铜峡以上的河段是主要的来沙段，且输沙量存在非常不均匀的年内分配变化，泥沙与径流的对应性较好［15， 16］。在大型水库修建前泥沙流态基本保持自然形态，上游三站输沙量相应较多，存在较多个输沙量大的年份，且输沙量大小随着径流量大小而变化，两者的相关关系较好。刘家峡水库运用期间，由于水库大量拦沙，水库运行后输沙量小的年份与之前相比明显增多；水库运行期间汛期会蓄水消峰，非汛期会向下游补水，使得径流过程较天然径流过程情况均更加匀，河道水流的挟沙能力降低，输沙量减少明显。刘家峡、龙羊峡两水库联合运用期间进一步增强了水库对上游水量的调节能力，进一步加大了河流泥沙输移的难度，导致了河流输沙量与天然状态相比显著减少；输沙量小的年份明显增多，输沙量受人类活动影响非常显著。

5 结 论

（1）根据唐乃亥、兰州、头道拐三个水文站径流量和输沙量年纪变化数据分析，各站年径流量和年输沙量呈波动下降趋势，近几十年来黄河上游径流量和输沙量均呈下降趋势。
（2）通过累积距平法分析唐乃亥、兰州、头道拐三个水文站径流泥沙突变特点，并使用均值差异T法检验水沙量突变特征，结果表明上游三站径流量突变年份分别为1989年、1985年和1985年；输沙量突变年分分别为1989年、1999年和1985年。
（3）小波分析表明，3个站年径流量和年输沙量的周期性变化是相似的，年径流量年际尺度的周期变化主要存在准4~7 a、准9~14 a、准19~32 a三种周期变化，以9~14 a为主周期的变化最为显著；年输沙量年际尺度的周期存在准3~7 a、准9~15 a、准20~32 a的变化，其中变化最为显著的是9~15 a为主周期的变化。
（4）通过对3个水文站径流泥沙进行双累积分析可知，唐乃亥站径流泥沙时间序列可划分为年两个阶段，累计减沙量为1.07 亿t；兰州站径流泥沙时间序列可划分为3个阶段，累积减沙量分别为5.49 亿t和5.51 亿t；唐乃亥站径流泥沙时间序列可划分为两个阶段，累积减沙量为16.39 亿t。
（5）导致黄河上游水沙量呈现减少趋势的有降水和人类活动等影响因素，其中对水沙变异起重要作用的是水利工程建设、黄河上游水土保持工程和用水量增加等多种人类活动。
黄河上游的水沙变化复杂，通过对黄河干流水文站的资料对黄河上游流域输沙量增加的贡献率变化只进行了初步研究，区间水沙还会受到上游城市用水、各种水土保持措施等影响， 自然条件下，水沙量的计算十分复杂。为深入分析上游流域水沙变化过程及水沙贡献率变化，可开展长时段黄河上游流域的水沙模型研究。 □

References

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