黄河潼关站水沙关系频率及协调度分析研究

为了掌握黄河下游水沙关系变化趋势,基于黄河中游潼关站58 a的入库水沙量资料,采用P-Ⅲ型曲线建立径流量与输沙量的频率曲线,通过保证率对黄河下游的水量和沙量进行丰平枯划分,进一步提出了潼关站水沙协调度的定义和判别方法。结果表明:进入黄河下游水量和沙量丰平枯变化趋势基本一致,整体呈现出下降趋势,近10 a来水量在个别年份有向偏丰发展的趋势,而沙量有进入特枯的趋势;在58 a的水沙过程中,水沙协调度由水少沙多的搭配关系向水多沙少的搭配关系转变,特别是1997年以后,这一趋势更加明显。     

百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析

根据黄河有实测资料以来的水文泥沙定位观测数据,利用非线性统计方法分析了1919—2012年黄河潼关以上河段水沙系列变化趋势。20世纪80年代中期以来水沙变化特点表明,黄河年径流量、年输沙量自20世纪80年代中期以来总体呈不断减少之趋势,而上中游水沙关系则早于20世纪60年代末已发生突变,1986年发生的突变属上中游同时发生的第2次突变。从百年尺度看,黄河水沙变化在1960年以前主要受到气候等自然因素影响,径流泥沙系列随降雨丰歉而出现相应的丰枯变化,之后黄河水沙变化受气候等自然因素和人类活动因素的双重影响,尽管不同时段降雨有丰歉变化,但径流量、输沙量都持续减少;近百年内年输沙量趋势度的绝对值明显大于年径流量趋势度的绝对值,中游的年径流量、年输沙量的趋势度的绝对值明显大于上游的;近30年是黄河水沙百年尺度中最枯的时段,其变化的突出特点表现在来水来沙量不断显著减少,水沙变化程度在空间上分布不均,泥沙主要减于中游而径流主要减于上游,水沙年内分配趋于均匀,来沙系数趋于降低,水沙搭配关系趋好。     

黄河泥沙未来变化趋势

受人类活动及气候变化的影响,黄河水沙变化显著。与1960年以前相比,潼关站近期的水量减少44%、沙量减少85%。未来水沙如何变化,是黄河治理首先要解决的核心问题。对黄河未来水沙变化趋势进行了分析,结果表明,在未来50年内,潼关站年均径流量在247亿m3左右,年均输沙量在3亿t左右,且均呈现缓慢增长趋势。     

黄河水沙变化及设计水沙条件

利用黄河干支流主要控制站实测水沙资料,分析了黄河水沙的基本特性和近期黄河水沙变化的主要表现,结合已有规划研究成果,预估了不同水平年黄河的来水来沙量,提出了应用于流域综合规划和专项研究的设计水沙条件和水沙代表系列。结果表明:水少、沙多、水沙关系不协调是黄河水沙的基本特征;1986年以来,黄河中下游水沙量大幅减小,汛期径流比重减少,有利于输沙的大流量历时和水量大幅减少;预计到2020年、2030年,黄河多年平均天然径流量分别为519.8亿、514.8亿m3,年均沙量分别为10.5亿¹1.0亿t、9.5亿11.0亿t、9.5亿¹0.0亿t;根据2020水平年1956—2000年系列水沙条件,选取1968—1979年+1987—1996年作为水沙代表系列,该系列龙门、华县、河津、氵状头4站年均水量为278.03亿m3、沙量为10.77亿t,其中前12 a年均水量为290.17亿m3、沙量为11.48亿t,后10 a年均水量为263.47亿m3、沙量为9.93亿t。     

黄河中下游水库群水沙联合调控技术研究

根据维持黄河下游河槽排洪输沙基本功能的水沙调控指标体系，对黄河不同区域来水进行了分析，提出了小浪底、万家寨、三门峡、故县、陆浑水库的水沙联合调控组合方式，运用神经网络等方法研究了黄河中游水库群水沙联合调度关键问题，包括流量过程、含沙量过程的控制方式及修正模式，并在2005年黄河水沙调控过程中得以运用。     

潼关水文站近十年水沙情势分析

三门峡水库自2002年11月起开始进行"318"原型试验,试验期间为降低潼关高程采取了多种措施,包括改变万家寨水库运用方式,开展利用并优化桃汛洪水冲刷降低潼关高程试验,同时配合小浪底水库开展黄河调水调沙等治黄专项工作。文中通过对三门峡水库入库潼关水文站2003年至2014年的水沙情势分析,对三门峡水库原型试验运用方式及冲淤规律进行分析,探寻不同水沙组合条件下的水库科学调度方式。     

黄河石嘴山站水沙变化及趋势分析

为探明黄河石嘴山站的来水来沙过程,便于海勃湾水库的水沙调度,根据1951-2016年的水沙数据,采用非线性统计等方法分析了黄河石嘴山站的水沙序列变化及发展趋势。结果表明:石嘴山站水沙年内分配不均匀,20世纪60年代变化剧烈;66a来年径流量与年输沙量均呈显著性减少趋势,且具有正持续性,持续影响时间约8a、10a;水沙序列分别于1986年、1968年发生突变,突变原因与黄河上游大型水库的运用密切相关;龙羊峡、刘家峡水库分别对径流和泥沙的影响显著,二者联合运用后,石嘴山站流量基本处于2 000m3/s以下,水沙分配趋于均匀;不同时期的水沙关系重新调整,但均不显著;石嘴山站多年平均含沙量及多年平均来沙系数均较刘家峡水库运用前明显降低,但在龙、刘两水库联合运用后基本不变。     

黄河流域水沙资源量变化及其对泥沙资源化的影响

在分析黄河流域水沙资源区域分布的基础上,本文采用Mann-Kendall秩次相关检验法和水文量累计曲线法分析黄河水沙资源量的变化特征,进而探讨了黄河泥沙的资源化及水沙资源量变化对泥沙资源化的影响。黄河龙羊峡水库以上河段年径流量和输沙量没有明显变化,其他干流河段和中游大部分典型支流的径流量和输沙量随时间具有明显的减少趋势。黄河水沙资源量大幅减少对泥沙资源化产生不同程度的影响,水沙资源量大幅减少会降低引洪淤滩、淤临和淤背的效率,限制灌区黄河泥沙烧制建筑材料、淤改与稻改等途径的实施,减小黄河口泥沙造陆的速率,影响黄河与河口湿地质量与数量的塑造;而对灌区浑水灌溉、清淤泥沙利用等没有明显的影响。     

黄河入海口水沙通量变化规律

根据利津站1950-2003年长系列的水、沙实测资料，运用统计分析方法对比分析研究了长系列及近期（1986-2003年）黄河入海口区水、沙通量的季节性变化、年际变化以及水、沙通量之间的关系。结果表明，①黄河入海口区的水沙通量有明显的季节性变化，其中沙通量的变化更为显著；②丰水年很少连续出现，枯水年有75％以连续两年的形式出现；③多沙年有连续几年出现1次的，也有连续2年或3年都出现的，少沙年基本上以连续形式出现，最多可达7年；④水沙通量间存在一定的相关性，其中细颗粒泥沙通量与水通量之间的相关性较弱。     

黄河流域水沙资源量变化及其对泥沙资源化的影响

在分析黄河流域水沙资源区域分布的基础上,本文采用Mann-Kendall秩次相关检验法和水文量累计曲线法分析黄河水沙资源量的变化特征,进而探讨了黄河泥沙的资源化及水沙资源量变化对泥沙资源化的影响.黄河龙羊峡水库以上河段年径流量和输沙量没有明显变化,其他干流河段和中游大部分典型支流的径流量和输沙量随时间具有明显的减少趋势.黄河水沙资源量大幅减少对泥沙资源化产生不同程度的影响,水沙资源量大幅减少会降低引洪淤滩、淤临和淤背的效率,限制灌区黄河泥沙烧制建筑材料、淤改与稻改等途径的实施,减小黄河口泥沙造陆的速率,影响黄河与河口湿地质量与数量的塑造;而对灌区浑水灌溉、清淤泥沙利用等没有明显的影响.     

Characterization of the evolution of runoff-sediment relationship in Min River based on coupling coordination theory

Global climate change and human activities have profoundly affected the hydrological processes in the basin. The study of the characteristics of runoff and sediment variations in the basin and their driving factors is of great significance in promoting the efficient use of water resources and high-quality development in the basin. The determination of the abrupt change point of the runoff-sediment relationship is the key to delineate the base period, and is important to assess the contribution of climate change and human activities to the change of the runoff-sediment relationship. Therefore, this study constructs a binary coupled coordination model of runoff and sediment load to describe the coupled runoff-sediment coordination relationship, and uses the Pettitt method and the double cumulative curve method to test for mutations. The effects of climate change and human activities on changes in runoff and sediment load were assessed using the Budyko framework-based elasticity factor method and the cumulative slope rate of change method. The results show that the annual runoff and annual sediment load in the Min River basin show a decreasing trend between 1970 and 2019, with monthly sediment load changing more significantly than monthly runoff. Annual runoff and annual sediment load were significantly coherent throughout the study period, and there were significant resonant cycles of positive phase on 2-, 3-, 5- and 6-year time scales. The coupling coordination degree of runoff and sediment load is generally at a coordinated developmental stage and is moving from low to high levels of coordination. Relative to the base period, changes in runoff and sediment load during the change period are mainly attributed to human activities. The contribution of human activities to the change in runoff ranged from 78.92% to 66.71%, and the contribution to the change in sediment load reached 93.40% to 94.15%. In contrast, precipitation in climate change has a greater impact on changes in runoff and sediment load than potential evapotranspiration. Land use changes and reservoir construction in the Min River basin have both contributed positively to the reduction of runoff and sediment load. The results of the study will help us to gain a deeper understanding of the processes and driving mechanisms of the runoff-sediment relationship in the Min River basin, and provide a scientific basis for water resources management and sustainable development in the basin.     

近60多年洞庭湖水沙演变特征及其与人类活动的关系

基于1955—2018年洞庭湖水沙数据,运用Mann-Kendall检验法、双累积曲线等方法分析了洞庭湖近60多年水沙演变特征及其与人类活动的关系。研究结果表明:①受长江荆江段河道变化以及水利枢纽建设等的影响,三口、四水入洞庭湖水沙呈显著下降趋势,其中以三口输沙量的变化最为显著,且受三口水沙变化的影响,城陵矶年径流量与输沙量均呈下降趋势;②1955—2018年,洞庭湖湖盆泥沙淤积量呈显著下降趋势,泥沙淤积量的减小主要与由水利工程建设等人类活动引起的三口输沙量的减小有关;③水利工程建设等人类活动降低了水体中的泥沙浓度,使得径流-输沙双累积曲线发生偏折,通过建立偏折前后累积径流-输沙关系,可定量评价人类活动对洞庭湖水沙的影响。水利工程建设等人类活动使得三口、四水以及城陵矶输沙量平均每年分别减少0.69×10⁸ t(2003—2018年)、0.22×10⁸ t(1986—2018年)和0.21×10⁸ t(1981—2018年)。     

黄河中游分布式水沙耦合模型研究

针对黄河中游多沙粗沙区的产流产沙特点,在建立逐网格汇流的水文模型的基础上,构建了逐网格汇沙的土壤侵蚀模型,通过水文模型和土壤侵蚀模型有机耦合,实现了泥沙的产生和汇集的分布式计算。由于模型采用逐网格汇流汇沙的方式进行模拟,使得考虑上方来水来沙对产输沙的影响成为可能。根据研究区的特点,模型在土壤侵蚀过程的模拟中,对重力侵蚀的模拟进行了尝试。经黄河中游小理河流域实测资料验证,模型具有一定的计算精度。     

黄河中游水沙变化归因分析

采用基于模糊互判断矩阵的层次分析法（fuzzy?analytic?hierarchy?process,FAHP）分析人类活动和气候变化对 黄河中游水沙变化的贡献率,并将 FAHP 法分析的结果与累积量斜率变化率比较法（slope?changing?ratio?of cumulative?quantity,SCRCQ）分析的结果进行对比,2 种方法计算结果变化规律一致。结果表明：气候变化对径流 和泥沙的影响小于人类活动的影响,1970 年代、1980 年代、1990 年代、2000 年代人类活动对径流减少的贡献率分 别为 68%、64%、64%、75%,人类活动对泥沙减少的贡献率分别为 45%、65%、59%、69%。     

基于经验模态分解方法和信息熵的水沙关系研究

为研究黄河中游水沙关系及其细部演化特征,利用黄河中游控制性水文站——潼关水文站1919—2015年实测径流量和输沙量资料作为研究数据,采用经验模态分解方法分析径流和泥沙随机变化的复杂性,并运用信息熵理论计算不同时间尺度上径流和泥沙分解序列及原始序列的熵值、径流与泥沙各分量与其原始序列之间的互信息、径流与泥沙之间的互信息。结果表明:潼关水文站径流量与输沙量变化具有显著下降的趋势;径流量和输沙量在一定程度上表现为某种同步变化关系;径流量与输沙量的长周期分量及趋势项互信息较大,因此水沙关系宜采用长周期研究,趋势项分量数据信息阐述原始序列数据信息比较可靠。     

渭河下游平滩流量变化对来水来沙的响应

通过分析近期渭河下游河道淤积及河槽萎缩的特点,探讨了华县平滩流量变化对来水来沙的响应关系,从而给出了要维持渭河下游2003年汛后2500m3/s的平滩流量需要的水量和水沙搭配的定量关系。可对渭河流域综合治理提供一定的参考。     

黄河干流沿程水沙变化及其影响因素分析

采用"中国河流泥沙公报"数据,结合流域内长系列年降水量资料,探讨黄河干流沿程水沙的历史变化情况。通过对17个雨量站长系列降水量资料的分析,认为气候不是黄河径流量变化的主要影响因素;黄河年径流量沿程降低,而且愈往下游降低的幅度愈大,这主要是引水量增加和水土保持措施引起的;中下游沙量明显降低,降低的幅度沿程增加,这主要是水土保持、水利枢纽建设及其对水沙量的调节、上游引水和气候变化等因素综合作用的结果,其中水利枢纽工程的兴建和水库运行方式的改变引起了沙量的突变。分析还表明,黄河利津站年水沙量自20世纪50年代的474亿m3和14亿t大幅度减少至2000年以来6年的平均值132亿m3和1.5亿t,给黄河口的演变带来很大的影响,值得深入研究。     

岷江流域水库建设对水沙输移的影响

岷江作为长江上游重要支流,为川西和成都平原社会经济发展提供了重要支撑。相较于长江其他主要支流,岷江流域整体水电开发时间略晚。近年来,岷江流域水库建设工程不断增多,流域水沙情况开始变化。根据实测资料,运用水沙过程线法和径流量-输沙量双累计曲线法,初步分析岷江水库建设特点、水沙输移变化,以及二者之间的联系。结果表明:水库数量和总库容分别在1970年和2005年后有了较大的提升,水库建设的趋势是由干流深入到支流,虽然近年水库建设数量减少,但高坝大库逐渐增多;随着建坝技术水平的提高,逐渐由易建造的土坝变为筑坝难度高的其它坝型;由于水库调控能力、拦沙作用的增强,流域主汛期径流量、输沙量出现坦化现象,年径流量和年输沙量在1990年后均有减小趋势,且年输沙量减少的趋势更明显。近期高场站年输沙量变化与岷江水库建设有着一定的负相关关系,随着岷江流域水库总库容的进一步增大,这种相关关系增强,且在汛期体现得更为明显。     

1955-2014年黄河内蒙古河段水沙变化特征分析

深入剖析黄河内蒙古河段水沙变化特征是研究黄河治理方略、水沙资源配置及重要水利工程布局的前提和基础。为此,以1955-2014年黄河内蒙古河段3个主要水文控制站（巴彦高勒站、三湖河口站、头道拐站）长时序水沙数据为对象,采用水沙年内不均匀性、集中度及变化幅度等指标值,及Mann-Kendall趋势检验和小波分析法,深入探讨了内蒙古河段水沙年内分配与年际的变化特征。结果表明：黄河内蒙古河段水沙序列年内变化表现为输沙量的不均匀程度和集中度比径流量的大,各站径流量集中期多在8、9月,输沙量集中期基本全在8月;水沙序列年际变化表现为水沙量呈显著减少趋势,水沙序列具有多尺度振荡的特点,存在着年际尺度和年代际尺度的周期变化规律。