黄河干流悬移质泥沙粒径构成变化分析
2021-10-19
来源:意榕旅游网
第37卷第5期 2015年5月 人民黄河 Vo1.37.No.5 May,2015 YELL0W RIVER 【水文泥沙】 黄河干流悬移质泥沙粒径构成变化分析 孙维婷 ,穆兴民 ,赵广举 ,李j辉 (1.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨凌712100;2.素国 学肇水土保持研究所, 陕西杨凌712100;3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100) 摘要:根据黄河干流6个水文站的泥沙数据,采用时间序列统计分析方法,分析了1950s-1986、2002--2010年黄河悬 移质泥沙粒径的时空变化特征,并探讨了人类活动对悬移质泥沙粒径变化的影响。结果表明:在黄河各水文站年输沙量 均显著减少的状况下,各水文站悬移质的年中值粒径变化趋势并不一致,兰州、龙门、潼关、花园口站呈减小趋势,而头道 拐、利津站则呈增大趋势;在年内,兰州站的悬移质泥沙月中值粒径变化波动减弱,而头道拐站的增强,龙门、潼关、花园 口、利津站月中值粒径变化曲线具有同步性,月中值粒径最大值随时间推移不断增大;在悬移质泥沙组成中,头道拐、龙 门、利津站的细、中、粗沙量占全沙比例有所变化,但各分组沙量与全沙量在不同时期仍保持线性关系,泥沙组成规律未 发生明显变化;人类活动中,水土保持工程措施、大型水库修建等是影响悬移质泥沙粒径变化的主要因素。 关键词:人类活动;泥沙构成;中值粒径;悬移质;黄河 文献标志码:A ‘中图分类号:P333.4;TV882.1 doi:10.3969/j.issm 1000-1379.2015.05.002 河流泥沙输移是陆地与海洋物质循环的重要环 显著减小的情势下,其泥沙粒径构成如何有待分析。 而目前,对黄河悬移质泥沙粒径的研究多集中于黄河 某一区域 ,对整个黄河的研究相对不足。因此, 笔者选取黄河干流兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、 节,同时也为河流生态系统的平衡提供了必要的营养 物质来源。然而,多沙河流在泥沙输移过程中容易导 致河道和水库淤积,并加剧洪涝灾害的发生L1 J,严重 影响河流生态环境和社会经济可持续发展。黄河是世 界著名的多沙河流,位于黄河上中游的黄土高原是黄 河泥沙的主要来源地,黄河中游增加的水量占黄河水 量的44%,人黄泥沙量却占总沙量的90%_2j。黄河泥 沙问题一直是黄河研究的热点 J。高鹏等H。。研究 表明,黄河中游输沙量自1981年以来呈显著减少趋 利津6个水文站,基于1950s-1986年、2002--2010年 的泥沙资料,对黄河悬移质泥沙粒径特征进行了分析 研究,以期对黄河水利工程泄洪排沙、优化调度和水土 保持效果评估提供参考。 1研究区概况 黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓海拔4 500 势;Mu X.M.等 系统分析了黄河1919--2008年的 泥沙变化,指出降水和人类活动共同促使黄河输沙量 减少,其中人类活动对减沙的贡献率为81%;Wang H. J.等u 指出黄河上游输沙量减少的主要原因是刘家 峡、龙羊峡水库拦截了大量泥沙,中游输沙量减少是降 水和人类活动(水土保持、修建水库等)共同作用所 致,其中降水、水土保持措施、水库的减沙贡献率分别 为30%、40%、30%,而下游输沙量减少的主要原因是 河道淤积和引水引沙。大多数研究关注的是黄河输沙 m的约古宗列盆地,流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙 古、陕西、山西、河南、山东等9个省(区),注入渤海, 干流河道全长5 464 km,流域面积为79,5万km 。黄 河流域以大陆性季风气候为主,降水少且集中在6—9 月,多年平均降水量为466 mln,自西北向东南逐渐增 大。黄河水沙具有水沙异源、地区分布不均的特点。 黄河源一河口镇为上游,径流量占全河水量的56%, 来沙量占全河的8.7%,是黄河的清水来源区;河口 量的变化及其影响因素,对黄河干流泥沙粒径的变化 研究较少。 镇一桃花峪为中游,径流量占全河的44%,来沙量占 收稿日期:2014—07—15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(41271295, 41201266);中国科学院重点部署项目(KZZD—EW一04一o3)。 作者简介:孙维婷(1987一),女,陕西泾阳人,硕士研究生,研 究方向为生态水文和水土保持。 通信作者:穆兴民(1961一),男,陕西华阴人,研究员,博士, 博士生导师,研究方向为生态水文学。 E.mail:xmmtl@ms.iswc.ac.ca 泥沙粒径特征是决定水流挟沙力的重要因子_1 , 泥沙粒径特征的变化会引起黄河下游河道淤积状态的 变化。黄河下游因上中游来沙而导致淤积,形成“地 上悬河”,其淤积物主要为粗泥沙_1 。在黄河输沙量 ・4. 人民黄河2015年第5期 全河的90%,其中头道拐—龙门区间来沙量占全河的 65%、粗泥沙量占全河的73%_l ,是黄河泥沙(粗泥 沙)的主要来源区;桃花峪以下为下游,由于进入黄河 下游的泥沙量大,因此下游河段长期淤积,形成了举世 闻名的“地上悬河”,河床已高出大堤背河地面3~5 m,最高为10 m。 2资料与方法 2.1资料 选取黄河干流兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、 利津6个水文站的泥沙数据进行分析。年输沙量和年 中值粒径数据时间序列均为1950s--1986年、2002— 2010年;泥沙级配数据时间序列为1950s--1986年、 2008--2010年。数据来源于黄委1997年8月刊印的 《1952--1990年黄河流域主要水文站实测水沙特征值 统计》及黄河流域历年水文年鉴、中国河流泥沙公报 等资料。 2.2方法 Mann—Kendall检验法(M—K法)是世界气象组 织推荐并已广泛使用的非参数检验方法。此方法不需 要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,适 用于水文、气象等非正态分布的数据¨ 。本研究对年 输沙量和年中值粒径变化趋势检验采用此方法。 1994年前后,泥沙粒径分级分别遵守不同的标 准。1994年前,泥沙粒径分级为0.005、0.010、0.025、 0.050、0.100、0.250、0.500、1.0、2.0、5.0 mm;1994年 后,泥沙粒径分级为0.002、0.004、0.008、0.016、 0.031、0.063、0.125、0.500、1.0、2.0 mm。为使1994 年前后泥沙级配数据统一,本文采用3次样条插值 法 对2008--2010年悬移质泥沙粒径级配数据进行 内插,得到小于0.025 mm和0.050 mm的沙重百分 比,以便于分析悬移质泥沙组成的变化。 由于水库拦蓄泥沙效果显著 ,挖 ,因此笔者根 据黄河龙羊峡、刘家峡、三门峡和小浪底4座大型水库 的开始运行时间以及现有的泥沙资料,将研究时段分 为3个时期:1950s--1968年、1969--1986年和2002— 2010年。 3结果与分析 3.1 黄河干流年输沙量变化 黄河干流各水文站年输沙量均呈显著减小趋势, 见图1。经M—K检验,均达到0.O1的极显著水平。 1950s--1986年,输沙量年际波动明显,而2002--2010 年年际波动幅度变小。 黄河干流各水文站不同时期多年平均输沙量见表 1。与1950s--1968年相比,兰州、头道拐、龙门、潼关、 花园口、利津站1969--1986年多年平均输沙量减幅分 另0为61.0%、41.4%、42.7%、28.3%、16.1%、 36.2%。与1969--1986年相比,各水文站2002--2010 年多年平均输沙量减幅分别为59.4%、61.8%、 78.0%、72.7%、89.3%、79.7%。这表明:进入2l世 纪以来,除兰州站外,黄河其他站多年平均输沙量减幅 均增大。 (b)头簧 冬 嘶 辑 廿 廿 鑫 年份 (c)龙f1站 0 年份 (e)花园口站 图1黄河干流各水文站输沙量的年际变化 黄河干流各站不同时期多年平均输沙量亿t 兰州 头道拐龙门 潼关 花园口 利津 1.281 2.019 12.274 15.137 12.383 12.584 0.500 1,183 7.030 10.855 10.395 8.027 0.203 0.452 1.547 2.961 1.1l4 1.632 3.2黄河悬移质泥沙粒径年际变化 在黄河各水文站年输沙量呈显著减少趋势的情况 下,悬移质泥沙粒径的变化趋势并不与其一致(见图 2)。分析悬移质泥沙中值粒径年际过程的线性趋势 线,兰州、龙门、潼关、花园口站悬移质泥沙的年中值粒 径均呈减小趋势,采用M—K检验方法,龙门、潼关站 悬移质泥沙的年中值粒径减小趋势达到0.05的显著 性水平。头道拐、利津站悬移质泥沙的年中值粒径则 呈增大趋势,采用M—K检验方法,利津站悬移质泥沙 的年中值粒径增大趋势达到0.05的显著性水平。 黄河干流各水文站悬移质泥沙的中值粒径沿程变 化见表2。悬移质泥沙多年平均中值粒径从兰州站到 龙门站呈粗化过程,龙门站到利津站呈细化过程,与流 .5・ 人民黄河2015年第5期 域内土壤颗粒粗细的空间分布基本一致。根据多年平 均变差系数(C、,)可知,花园口站年中值粒径的c 值 最大,表明花园口站中值粒径的年际变化剧烈,龙门站 年中值粒径的c 值最小,表明龙门站中值粒径的年 铡 … 际变化平缓。 n【 .. . .... .... . .... 一 不同时期泥沙的中值粒径沿程变化稍有不同。比 较3个时期的数据,龙门站悬移质泥沙细化最明显, 1969--1986年与1950s-1968年相比,年中值粒径减 小了0.003 mm,2002--2010年与1969--1986年相比, 年中值粒径减小了0.002 mm;利津站悬移质泥沙粗化 最明显,1969--1986年与1950s-1968年相比,年中值 粒径增大了0.005 mm,2002--2010年与1969--1986 ( )锦站 年相比,年中值粒径增加了0.006 mm。兰州、头道拐、 龙门、潼关、花园口5站悬移质泥沙的年中值粒径的 c 值增大,表明随着时间推移,这5站年中值粒径波 、 廿 目 岳廿 爨 岳廿 动变化增大;利津站悬移质泥沙年中值粒径的c、,值 变小,表明随时间推移,利津站年中值粒径波动变化 年份 减小。 (e)花园口站 图2黄河干流各水文站申值粒径的年际变化 表2黄河干流各站不同时期年中值粒径特征值 Ⅱ』器 岳蚌 3.3黄河悬移质泥沙粒径的年内变化 0. 045 ̄ o.黄河干流各水文站不同时期年内月均中值粒径的 时空变化特征见图3。由图3可知:位于黄河上游的 兰州和头道拐站悬移质泥沙的月中值粒径波动变化, 兰州站21世纪初悬移质泥沙月中值粒径的波动性减 弱,而头道拐站月中值粒径的波动性增强;位于黄河中 游龙门、潼关、花园口站的月中值粒径变化具有同步 o一45r 性,龙门和潼关站月中值粒径变化曲线呈u形,而花 : 园口站呈V形。随时间推移,龙门、潼关、花园口站月 2008-2Q10 中值粒径最大值不断增大,龙门站从0.093 mm增加 l96 l9跖夕 到0.146 mm,潼关站从0.055 mm增加到0.059 mm, 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 Il I2 花园口站从0.033 mm增加到0.068 mm。龙门、潼关 (c)龙门站 月份 月份 站月中值粒径最小值较接近(不同时期最小值保持在 (d)潼关站 0.020 mm左右)。花园口站月中值粒径最小值出现 在7月,并随时间推移而不断减小,从0.013 mm减小 到0.008 mm。黄河下游利津站月中值粒径变化曲线 出现双峰,呈M形,且中值粒径峰值平均增大了0.O11 969一l986 19 一1968 mm。黄河干流各站悬移质泥沙的月中值粒径变化与 月份 胄份 流域面上来沙变细、干流大型水库对水沙的年内调节 (e)花园口站 (f)利津站 密切相关。 图3黄河干流各站中值粒径的年内变化 ・6・ 人民黄河2015年第5期 3.4黄河干流悬移质泥沙组成及变化特征 按照泥沙粒径大小将泥沙划分为3个分组:细沙 (d<0.025 mm)、中沙(0.025 mm≤d<0.050 mm)和 粗沙(d≥0.050 mm)。黄河干流各水文站不同时期各 分组沙量平均值以及占全沙的比例见表3。由表3可 以看出,与1950sm1968年相比,兰州、头道拐、龙门、 花园口、利津站2008--2010年细沙、中沙、粗沙减幅分 另U为80%~94%、70%一97%、50%一96%,其中头道 拐站各分组泥沙减幅最小,细沙、中沙、粗沙减幅分别 沙均呈正相关关系,全沙量增大,则各分组沙量增大。 其中:细沙、中沙与全沙的关系很好,点群带较窄;粗沙 与全沙的关系点据较为分散,当全沙量增大时,粗沙变 幅亦会增大。对3站不同时期细沙、中沙、粗沙与全沙 进行线性趋势拟合,细沙、中沙与全沙的线性相关系数 均在0.90以上,粗沙与全沙的线性相关系数稍小,但均 在0.69以上。总体而言,各分组沙量与全沙量仍保持 线性关系,表明泥沙组成规律未发生明显变化。 为80.8%、72.6%、52.2%,兰州、龙门、花园口、利津4 站各分组沙量减幅均在85%以上。潼关站1969— 1986年与1961--1968年相比,细沙、中沙、粗沙减幅 分别为27.1%、32.0%、26.3%。 表3黄河各站不同时期各分组沙量平均值 站名时段 黄河各站各分组泥沙占全沙的比例变化不一致, 细沙、粗沙占全沙比例的变幅较大,而中沙占全沙比例 的变幅较小。2008--2010年与1950sm1968年相比, 头道拐和利津站细沙占全沙比例均呈下降趋势,减幅 分别为15.2%、6.7%,兰州、龙门、花园口站细沙占全 沙的比例均呈上升趋势,增幅分别为3.5%、12.3%、 3.6%;兰州、龙门、花园口、利津站中沙占全沙比例均 呈下降趋势,减幅分别为0.4%、8.9%、8.5%、4.3%, 头道拐中沙占全沙比例的升幅为1.9%;头道拐、花园 口、利津站粗沙占全沙的比例均呈上升趋势,增幅分别 为13.3%、4.9%、11%,兰州、龙门粗沙占全沙的比例 均呈下降趋势,减幅分别为3.1%、3.4%。由以上分 析可知,头道拐、龙门、利津站各分组泥沙占全沙的比 例变化较大,头道拐站细沙、中沙、粗沙比例由6:2:2 调整为5:2:3,龙门站细沙、中沙、粗沙比例由4:3:3 调整为5.5:2.O:2.5,利津站细沙、中沙、粗沙比例由 6.O:2.5:1.5调整为5.5:2.0:2.5。 头道拐、龙门、利津站各分组沙量占全沙的比例变 化较大,因此点绘这3站不同时期各分组沙量与全沙量 的关系(见图4一图6),可以看出3站各分组沙量与全 全沙量 乙I (c)粗沙 图4头道拐站各分组沙量与全沙量的关系 1 霎: 熹: 0 14 I2再42 0 耋 2、 全沙量/f乙t (c)粗沙 图6利津站各分组沙量与全沙量的关系 ・一7・ 人民黄河2015年第5期 3.5人类活动对悬移质泥沙粒径变化的影响 黄河干流悬移质泥沙粒径的变化与流域内强烈的 况下悬移质泥沙粒径的时空变化特征,以及人类活动 对悬移质泥沙粒径变化的影响,结果如下: 人类活动密切相关。水土保持和干流水库建设是影响 黄河干流悬移质泥沙粒径变化的主要因素。水土保持 (1)黄河干流各站悬移质泥沙粒径的年际变化趋 势不一致。兰州、龙门、潼关、花园口站年中值粒径均 措施如退耕还林(草)、淤地坝建设等对人黄泥沙粒径 起到了细化作用。在各项水土保持措施中,淤地坝具 有明显的“拦粗排细”功能,对减少粗泥沙入黄贡献最 大_2 -23 3。截至2002年底,黄河中游地区建成淤地坝 11.35万座,其中骨干坝1 480座,中小型坝11.2万 呈减小趋势,其中:龙门、潼关站年中值粒径达到95% 的显著性水平;头道拐、利津站年中值粒径均呈增大趋 势,利津站年中值粒径达到95%的显著性水平。 (2)黄河干流各站悬移质泥沙中值粒径年内各月 变化特征不一致。兰州站月中值粒径波动性减弱,而 座 J,拦截粗泥沙超过13亿t。20世纪9O年代,河龙 区间(河口镇一龙门区间)中小型淤地坝中病坝、险坝 数量占总数的75.8%,拦减粗泥沙的能力大幅度减 弱,加之采矿、修路等开发建设项目产生大量弃土弃 渣,使得人黄泥沙粒径变大。周鸿文等 研究指出, 20世纪90年代,龙门站悬移质泥沙粒径粗化现象明 显。由此可知,淤地坝等沟道工程具有持续的拦沙效 益时才会对泥沙级配产生显著而长期的影响。今后要 重视淤地坝的后续建设,实现其拦沙作用的可持续性。 黄河干流水库修建对悬移质泥沙粒径变化的影响 包括两个方面:第一,水库拦截来自水库上游流域的泥 沙,粗泥沙淤积在库区内,下泄泥沙会变细,如三门峡 水库在运行初期的1961—1964年,粒径大于0.1 mm 的泥沙淤积比为96.7%,1965--1988年仍达45%,小 浪底水库运行的前6 a,粒径大于0.05 mm的泥沙淤 积比为96.2%[26 3;第二,水库泄水时会冲刷下游河 槽,冲起较粗的泥沙,使悬移质泥沙粒径变粗。1986 年,刘家峡、龙羊峡水库联合运用后,将汛期大量径流 调节至非汛期下泄,而非汛期黄河泥沙主要来自河床, 由于非汛期水量增加,对河床冲刷加强,因此头道拐、 龙门、花园口站非汛期各月悬移质泥沙粒径变粗(见 图4~图6)。自2002年起,小浪底水库联合三门峡等 水库进行调水调沙试验和实践活动,黄河下游河槽全 面冲刷,悬移质泥沙粒径沿程变粗。2010年调水调沙 后,调水调沙不再显著冲刷下游河道,同时意味着黄河 下游泥沙粒径将趋于稳定。近年来黄河内蒙古河段河 槽淤积萎缩严重,防洪、防凌形势严峻,鉴于黄河下游 调水调沙的经验,胡兴林等 提出用龙羊峡、刘家峡 两库联合调度制造洪水过程来冲刷宁蒙河道,将使头 道拐站悬移质泥沙粒径进一步粗化。 4结论 选取黄河干流兰州、头道拐、龙门、潼关、花园口、 利津6个水文站,以1950s--1986、2002--2010年的泥 沙资料为基础,分析了在各站年输沙量显著减少的情 ・8・ 头道拐站月中值粒径波动性增强,龙门、潼关、花园口 站月中值粒径变化曲线同步性较好,但月中值粒径最 大值不断增大,主要原因是流域面上来沙变细、干流大 型水库对水沙的年内调节 。 (3)黄河干流悬移质泥沙中,细、中、粗沙量均大 幅减少,占全沙比例有所变化。点绘不同时期各分组 沙量与全沙量的关系,发现不同时期各分组沙量与全 沙量仍保持线性关系,泥沙组成规律未发生明显变化。 (4)水土保持工程措施对人黄泥沙的细化起到了 至关重要的作用,干流水库拦粗排细运用冲刷下游河 道,使下游悬移质泥沙粒径粗化。 参考文献: [1]倪晋仁,王兆印,王光谦,等.江河泥沙灾害形成机理及其 防治[M].北京:科学出版社,2008. 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Analysis of Grainsize Composition of Suspended Sediment of the Yellow River SUN Weiting ,MU Xingmin ,ZHAO Guangju ,LI Erhui (1.Institute of Soil nd aWater Conservation,Northwest A&F University,Yangling 712100,China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,CAS&MWR,Yangling 712100,China; 3.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China) Abstract:Based on sand data of six hydrological stations in the main Yellow River,this paper analyzed the spatil and temporala variation characteristics of grain size of suspended sediments during 1950s to 1986 and 2002 to 2010.The results show that in the case of significant re‘ duction of sediment loads,yearly median particle diameter of Lanzhou,Longmen,Tongguan and Huayuankou stations shows decreasing trend,Hekouzhen(Toudaoguai)and Lijin stations show increasing trend.Changes of the monthly median particle diameter re adifferent in the six stations.Monthly median particle diameter of Lanzhou Station becomes smooth,Hekouzhen Station becomes sharp,the others are syn・ chronous and monthly median particle diameter of peak values increases with time.The relationship between the group sediment and total load is consistent,which shows that the law of sediment composed has not changed in trend.In summary,the change of rgain size of suspen— ded sediment is mainly caused by water and soil conservation and building of reservoirs on the mainstream. Key words:human activity;sediment composition;median particle dimeter;suspended sediment;Yellaow River 【责任编辑翟戌亮】 ・9・