48年来黄河入海水沙过程及其对流域人类活动的响应

文章编号:1002-3682(2002)01-0006-10

48年来黄河入海水沙过程及其对流域

人类活动的响应

周晓霞,杨作升

(青岛海洋大学河口海岸带研究所,山东青岛266003)

摘　要:黄河下游入海水沙现今出现急剧减少的趋势。水沙的季节性变化影响着年内的径流量、输沙量的分配情况。这种变化的影响因素有自然因素和人为因素两方面,而后者占主要地位。水沙的锐减对河口生态环境的变化有着负面影响。黄河干流已建成的大中型水库尤其是龙羊峡水库对入海水沙起着负面作用。

关键词:入海水沙;季节性变化;人类活动;水库;响应中图分类号:P333.4　　　文献标识码:A

黄河是中华民族的母亲河。它与幼发拉底河和底格里斯河流域、尼罗河流域、恒河流域齐名,是世界上著名的四大文明古国的发祥地之一[1]

。黄河上游降雨量减少,中游水土流失严重,下游河床堆积抬高,这些因素对黄河入海水沙的影响是巨大的。近年来,黄河入海水沙较以前有很大的变化,1987-1999年的水沙量仅是1952-1968年的1/3左右,尤其是下游河段出现了断流情况,且断流最严重的是1997年,断流天数竟达256d之长。水沙量的减少对下游流域人民的生活带来了不便,淡水资源和预期相伴随的土壤(泥沙)资源、各类营养物质的补给量断绝,在海水入侵、土壤盐减化、沙化等的作用下,生态环境将迅速恶化,从而造成生态系统、生物种群和遗传基因多样性的丧失。而这种丧失是迄今为止任何高科技手段都无法补偿的。1952-1999年黄河水沙的季节性变化规律及其影响因素尤其是人类活动的作用没有专门的报道。由于20世纪90年代的水沙数据缺乏,对1997年以后黄河水沙的具体变化情况现在还没有文章加以描述。本文就1952-1999年48a间黄河下游利津站水沙变化情况,使用计算机对原始数据作了统计分析及比较,找出下游水沙季节性变化的原因并发现其中的一些规律,对黄河入海水沙的变化趋势作了初步的预测。

收稿日期:2002-01-28作者简介:周晓霞(1977-),女,研究生,主要从事黄河泥沙运动研究。第21卷　　　　　　　周晓霞,等:48年来黄河入海水沙过程及其对流域人类活动的响应　　　　　　　　　7

1　黄河流域来水来沙特征

1.1　黄河水沙特性概述

黄河中游是黄河泥沙主要来源地,来沙量占全河的90%。中游主要位于黄土高原区,是世界上最大的黄土分布区,由黄土塬、梁、峁、沟壑和黄土丘陵构成,土层深厚,结构疏松,地形破碎,植被稀少,暴雨频繁,水土流失严重,是黄河泥沙的主要来源地[1]。

黄河水沙的基本特性有水少沙多、含沙量高和水沙异源、分布不均2个方面[2]

。黄河的天然径流量为5.82×1010m3,年沙量1.63×109t,含沙量32kg/m3,为世界上罕见的多沙河流。黄河的水沙主要由暴雨引起冲刷等原因而形成。由于流域幅员辽阔,地理位置不同,地形、地势差异很大,降水分布很不均匀,以至黄河干流水沙沿程分布很不平衡,出现水沙异源、分布不均匀的特性。黄河流经不同的自然地理单元,由于流域条件差别很大,在自然条件综合作用下,就造成了黄河水沙异源[1]。1.2　断　流

黄河出现经常性断流始于1972年。近年来,黄河缺水的现象日益严重,1991-1995年,黄河下游年年断流,累计357d,年均71d。1995年利津河段曾经断流122d,至7月中旬才告解除,累计断流128d(图1)。断流时间最长和断流长度最大的年份是1997年,这一年利津站断流时间长达256d[3],占全年时间的62%,断流13次,达到非常严重的程度。

图1　1952-1999年黄河利津站断流总天数

(1)断流的原因　黄河下游河道断流有自然原因,如黄河水资源匮乏,主要来水源降水却很集中,一般在6-9月,黄河干流水量集中在汛期,年内和地区的分配不均匀,每年断流多发生在春夏季节(汛期来水前),环境的恶化,进一步加剧了水资源的匮乏,同时也进一步增加了断流的频次,这是造成断流的重要客观原因。8

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人类活动的频繁、经济的发展,使黄河水资源的供求矛盾更加突出。人类活动主要表现在工农业生活耗水量及水库的调蓄上,还存在着水资源大量浪费的现象,是造成黄河下游河道断流的主要的直接原因[4]。

(2)断流对流域生态环境的影响　断流对流域生态环境的影响是多方面多层次的,而且其影响往往是潜在的、滞后的和难以逆转的,必须引起高度的重视。黄河河口及其附近海域的生态资源极为丰富,主要源于黄河陆源营养物质的大量输入。黄河断流对渤海水域的生物资源将会产生多方面的不利影响:渤海水域将失去重要的饵料来源,大量洄游鱼类将会游移他处,造成渤海海洋生物链的断裂,对生态系统带来无法弥补的危害。黄河下游河道高悬于两岸耕地之上。黄河泥沙含量高,颗粒细,干风季节,黄沙四起,土壤沙化严重。黄河断流及来水量大幅度减少,将直接导致农田灌溉期水量减少,地下水补给减少,开采量增加,从而造成地下水位降低,地面蒸发、蒸腾减少,局地气候干燥,加重下游沿岸黄河灌区的土壤沙化趋势及生物种群数量、结构趋向简单等一系列的生态问题[5]。

2　黄河入海水沙的季节性变化

2.1　黄河入海水沙的阶段性

从1952-1999年利津站水沙量的变化情况来看,黄河下游水沙变化可分为3个阶段:1952-1968年为第一个阶段;1969-1986年为第二个阶段;1987-1999年为第三个阶段。1968年、1986年分别是刘家峡、龙羊峡水库建成的年份,对黄河干流的水沙变化意义是非常深远的(图2)。

图2　1952-1999年利津站年径流量、输沙量统计图

(1)第一阶段:1952-1968年　这一期间我们分别选取大水、中水、小水和大沙、中沙、小沙的年份来分析入海水沙的季节性变化规律。根据利津站1952-1999年水文特征值统计表和已有的历年水沙资料(排除三门峡水库的影响之外),这一阶段水沙量均较大的是1958年,分别达596.7×108m3和21×108t;水量较少的分别是1959,为297.8第21卷　　　　　　　周晓霞,等:48年来黄河入海水沙过程及其对流域人类活动的响应　　　　　　　　　9

×108m3,沙量较少的是1952年,为7.79×108t;水量接**均值的是1952,为458×108m3,沙量接**均值的是1953年,为11.74×108t。对于这些年份的月均水沙资料用Excel软件制图再加以分析,可以看出这些年份流量、输沙率表现出明显的季节性特征(图3)。

图3　1952,1958,1959年月均流量(a)及1952,1953,1958年月均输沙率(b)

夏秋汛期期间,利津站的流量、输沙率迅速增大,7,8,9三个月份的流量占全年流量的48%以上,最大的达61.7%;输沙率占全年的60%以上,最大的达72.9%。流量、泥沙在汛期集中输运的特点非常明显。冬春两季尤其是冬季流量、输沙率均较小。20世纪50年代黄河干流水沙量几乎全由自然条件调节,人为因素对其影响不大。1960年三门峡水库建成后,至19年采用的是蓄水拦沙运用方式。该时期水沙过程的变化特点是:中水流量持续时间加长,枯水流量过程趋于均匀化,水库除通过异重流排除部分泥沙外,下泻水流基本为清水或来沙较细的低含沙水流。水库上游来水来沙基本上都拦蓄在库区内。全年入海水沙均匀剧减,洪峰被削减,泥沙开始细化,中下游产沙区的泥沙大量淤积在河道内。19-1973年为三门峡水库滞洪排沙运用,洪水时期蓄水,枯水时期放水排沙,蓄排并举,削峰调流。枯季径流量增加,洪季相对减少,洪峰削减。洪季水流挟沙能力降低,沿河槽及滩面淤积大量细粒级泥沙,悬沙中细粒级比例增加;枯季与洪季引水更为方便,也导致了中下游耗水量增加。本时期年均来水量426×108m3,来沙量16.3×108t,来水来沙与多年均值基本接近。

(2)第二阶段:1969-1986年　这一阶段水量沙量较大是1983年,分别为491×10

8

m3

,10.2×108

t;1971年的水沙量均中等,分别为318.4×108

m3

,10.9×108

t;1980年的水沙量较小,分别为1×108m3,3.08×108t(图4)。

这一阶段的平均水沙量比上一阶段减了1/3左右,水沙的季节性大致相同,但年内水沙的分配趋于均匀化,这一特点与水库的调流作用有密切的关系。1968年刘家峡水库建成后,采用蓄水运用异重流排沙方式。但是刘家峡地处上游位置,对下游的水沙变化影响并不明显。这段时间内,黄河中下游的降雨量较以前有明显的减少。洪水期间,由于三门峡的滞洪作用,流量、输沙率迅速降低,枯季引水量比例增大。1972年枯季期间,下游首次出现了断流,为期15d。80年代黄河处于丰水时期和平偏枯时段,受刘家峡、三门10

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峡等大中型水利工程调蓄影响,黄河径流年际年内变化趋于均匀。

图4　1971,1980,1983年月均流量(a)及月均输沙率(b)

(3)第三阶段:1987-1999年　这一阶段中大水大沙年分别是1990,1988年,水沙量分别为2.3×108m3,8.12×108t;中水中沙年是1996年,水沙量分别为155.2×108m3,4.38×108t;小水小沙年分别是1999,1987年,水沙量分别为68.36×108m3,0.959×108t(图5)。

图5　1990,1996,1999年月均流量(a)及1988,1996,1987年月均输沙率(b)

这一阶段的年平均水沙量不足第一阶段的1/3。1996年6月整月出现断流,年内水沙分配更加均匀,季节性变化趋于平缓。1986年龙羊峡水库建成,主要是蓄水运用。进入90年代,上游来水量又有所降低,中游引水量迅速增加。干流已建成的大中型水库,分属不同的部门管理,统一调度难度较大。尤其是春季沿黄农业灌溉用水时,没有统一的水资源分配和调度措施,造成了上、中游大引,下游长期断流的局面。而这一期间,由于水量小,含沙量相对增大,下游来水时对河道的淤积加重。2.2　从粒径的大小变化来看黄河水沙的季节性变化

(1)粒径大小变化与水沙季节性变化的关系　从1952-1999年利津站悬移质粒径变化情况来看,黄河下游月平均粒径的变化模式大体上有着一致性。

春季桃汛来临时降雨量增大,黄河干流的径流量随之增大,挟沙能力增强,带动河床大量粗颗粒物质,悬移质中的粗颗粒物质增多,使得平均粒径变大;夏秋季汛期中游暴雨次数增多,挟带从黄土高原冲刷下来的细颗粒物质进入干流,粗颗粒、比重大的物质淤积在河床上,细粒的物质被大量地输送入海,平均粒径迅速变小;冬季流量很小,下第21卷　　　　　　　周晓霞,等:48年来黄河入海水沙过程及其对流域人类活动的响应　　　　　　　　　11

游多出现断流,中游降雨量几乎为零,下游失去了泥沙的来源,少量的水流只能带动河床的粗颗粒泥沙入海,使得平均粒径增大,但输沙量几乎达全年最小(图6)。自从进入90年代这种模式发生了很大的变化,月平均粒径呈现持续变小的趋势(图7)。90年代黄河中游降雨量很小,再加上工农业生活用水量持续上升,冬春两季干流径流量达到了全年最小,断流次数增多,下游河道淤积严重,时有时无的水流只能挟带细小的粉质、黏土质颗粒入海,而粗颗粒的物质几乎全部被淤积在河道上。

图6　年内月均粒径变化图　　　　　　图7　1991年黄河利津站月平均粒径图

1960年三门峡水库建成后,实行蓄水拦沙运作,1960-19年都是丰水年,挟带的大量泥沙淤积在水库内,日益增高的水位使得支流随之上升。19年,三门峡开闸放水。开闸放水后,淤积在水库底部的粗颗粒物质随着下泻的水流进入干流,并被挟带入海。粗颗粒物质的增加,使得该年月均粒径比往年有所增大,汛期最小月均粒径达0.03mm。

1973年,黄河干流汛期的含沙量很大,高含沙量的水流对河床的侵蚀能力极强,使得河床的粗颗粒泥沙被挟带入海。该年汛期的流量却并不是很高,但输沙量却占全年的90%以上。集中输沙的特点非常明显(图8)。

图8　1973年黄河利津站日均流量、输沙率统计图

2.3　引起季节性变化的原因

根据1919-1960年的资料在受到大型水库影响之前,由上、中游流域进入黄河下游的悬移质泥沙量,平均每年为16×108t,其中4×108t淤积在河道中,12×108t输送入海。黄河流域面积为77×104km2,跨越不同的地貌单元,形成了不同的水沙来源区,

12

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表现出独特的水沙异源现象[4]。黄河产沙区主要集中在中游黄土高原,泥沙淤积区主要集中在三门峡库区和下游河道。在淤积物中占大多数的是粗颗粒泥沙。黄河流域产沙的主要特征是:产生泥沙的地区集中,产生泥沙的时间集中,主要产沙区的河流含沙量大。侵蚀状况与自然地理条件密切相关,有史以来人类活动对黄土高原的侵蚀有直接影响。

悬移质输沙量中的粒径随着年代的变化有逐渐变细的趋势。全河输沙量随年代逐渐变小趋势明显,沙量减少主要集中在汛期,其中伏汛期7,8月减沙量最大。沙量减少的主要原因,除水利水保措施改善流域产汇流条件,起到减水减沙作用外,中游多沙粗沙区河口镇至龙门区间降水量偏少,特别是暴雨次数较少是一个更重要的因素[6]

。

3　黄河流域人类活动对入海水沙的响应

黄河流域人类活动对入海水沙的响应有以下几种类型:工农业生产、人民生活用水、大型水库等。其中大型水库对入海水沙的响应最为重要。3.1　工农业生产、人民生活对入海水沙的响应

(1)工农业生产对入海水沙的响应　据统计,1950年黄河流域有效灌溉面积为80×104hm2,1990年增为712.6×104hm2,占黄河流域及下游沿黄地区总耕地面积的44.75%[1]。随着灌溉面积的扩大,80年代平均引黄用水量已达274×108m3,较50年代增加一倍,年均用水量占天然径流量的47%。1990-1993年引黄用水达300×108

m3

左右,占天然径流量的52%[1]

。巨大的引水量使得黄河干流的挟沙能力降低,大量的粗颗粒泥沙淤积在河道上。尤其是90年代末,水库的调流作用得到充分的发挥,虽然断流现象已经消失,但细小的水流没有能力将河床上的淤积物挟带至河口,只有少量的细颗粒物质进入渤海。黄河水沙量的减少使下游平原两岸引黄灌区的引水灌溉量被迫削减。若全流域及下游两岸实行先进的节水灌溉措施,按保守的计算方法,每年可节水140×108m

3[4]

。农业引水量的减少对缓解下游河道淤积、增大水沙入海量有很大的帮助。此外,工

业用水也存在着很大的问题。黄河流域城镇工业用水率较低,尤其是重复利用系数较低。入海水沙的减少尤其是断流对工业生产威胁很大,下游许多工厂被迫停产。现已有一些专家提出重新调整水价的建议是有一定意义的[7]

。水价的上调,将会提高工业生产节水效益,不仅减少了干流的引水量,也提高了水的利用率。

(2)人民生活用水对入海水沙的响应　黄河流域降雨量分布极不均匀,目前干流水量大幅度的减少,加上中下游居住人口众多,人民生活引水量也相当大。浪费水源的现象十分严重。

从黄河近期水沙变化的特点及造成的主要原因可以看出,今后水沙变化总趋势是:在相同降雨条件下,由于工农业用水的增长,年水量必然减少;由于水利水电工程的开发,年内水量分配变化,汛期水量减少,洪峰流量削减,流量过程调匀。第21卷　　　　　　　周晓霞,等:48年来黄河入海水沙过程及其对流域人类活动的响应　　　　　　　　　13

3.2　黄河流域大型水库对入海水沙的响应

目前,在黄河干流上已建成龙羊峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、青铜峡、天桥、三门峡等7座大、中型水电站。总装机容量3.622×106kW,年发电量1.757×1010kW・h,占全年干流可开发年发电量的16.7%,成为我国7大江河中水利资源开发利用程度较高的河流。其中龙羊峡、刘家峡、三门峡以及正在施工的小浪底水库是起主导作用的大型水库。龙羊峡、刘家峡两座水库位于黄河上游,对下游流域的影响不是很重要,已建成并运作的三门峡水库对下游流域的水沙运行起着决定性的作用。

[1]

三门峡水库1960年9月投入使用,极大地改变了下游的来水来沙条件。1960-19年,三门峡水库采用蓄水拦沙运用方式,下游年均来水仅7.9×108

t,为天然均值16.4×108t的48%。19年年径流量特别大,达973.1×108m3。原因是三门峡水库自1960年建成后蓄水拦沙,水位持续上升,导致泾、渭支流水位猛涨,淹没了整个关中平原。19年三门峡水库开闸放水,使得流量迅速增大。但因先前几年的粗沙淤积在水库内,放水时下层的细颗粒物质随之泻出,而粗颗粒的物质仍留在水库。19年由于水量大,虽然含沙量不大,输沙率却相对较大(图9)。1965-1973年,三门峡水库采用滞洪排沙运用方式,增加了下游来沙量,下游年均来沙量15.6×108t,为天然均值的95%。1973年利津站实测平均含沙量高达42.6kg/m3,最高月均含沙量为92kg/m3。这种异常现象的发生是因为1973年汛期水量大,挟沙能力强(图10)。

图9　19年黄河利津站日均流量、输沙率统计图　　图10　1973年黄河利津站月均流量、含沙量

1974年以后,三门峡水库改为蓄清排浑运用[8],到1985年,三门峡库区累积冲淤基本平衡,受上中游沙量减少影响,下游年均沙量仅11.2×108t,为天然沙量的68%。同时,全年沙量的90%以上集中在汛期进入下游河道。1986年以来,受黄河流域气候条件的变化如降水量偏少,以及流域社会经济发展造成人类活动干预作用加强的影响,下游来沙特性发生了一系列的变化。表现在沙量大量减少、9-10月沙量减幅较大等。下游1986-1997年平均来沙量8.3×108t,较天然年均沙量偏少了43%。9-10月,下游1986-1997年年均来沙量1.3×108t(占年沙量16%),只有天然情况下9-10月平均3.8×108t的34%[2]。14

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4　结　论

(1)黄河入海水沙的基本特性有水少沙多、含沙量高和水沙异源、分布不均两个方面。

(2)黄河入海水沙的季节性变化出现了汛期水量减少、枯期持续放水,年平均粒径细化的趋势。

(3)黄河水沙呈现锐减的趋势,但在本世纪末已经消除了断流现象。

(4)水库的运作对黄河干流水沙起了削峰调流、蓄排并举的作用,使得黄河下游水沙量有所减少,且年内分配向均匀化发展。参考文献:

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VARIATIONSINTHEYELLOWRIVERWATERDISCHARGEANDSEDIMENTLOADINTOTHESEAINTHELAST48YEARSANDTHEIRRESPONSETO

HUMANACTIVITIESINTHERIVERBASIN

ZHOUXiao-xia,YANGZuo-sheng

(InstituteofEstuarineandCoastalStudies,OceanUniversityofQingdao,Qingdao266003,China)

Abstract:Inrecentyears,theYellowRiverwaterdischargeandsedimentloadintotheseahadatrendofsharpreduction.Theseasonalvariationsinwaterandsedimentdischargesaffectthedistributionsofannualrunoffandsedimentdischarge.Thevariationsareaffectedbythenaturalfactorandhumanfactorwiththelatterplayingado-minantrole.Thesharpreductionofwaterandsedimentdischargeshasanegativeeffectonthechangesintheestuarineecologicenvironment.Thelargeandmedium-sizedreservoirsbuiltintherivermainstream,especiallytheLongyangxiareservoir,havenegativeeffectsonthewaterdischargeandsedimentloadintothesea.

Keywords:waterdischargeandsedimentloadintothesea;seasonalvariations;humanactivities;reservoir;response