未来极端降雨情景下黄河可能来沙量预测

目前黄土高原主要产沙区的侵蚀产沙环境较20世纪70年代大幅改善,但并不意味着未来不再出现"大沙"年份。基于过去百年实测数据,设计了两种极端降雨情景,分析了黄河主要产沙区的可能产沙量,结果表明:如果黄河主要产沙区普降高强度暴雨,那么在循化以下水库和淤地坝不拦沙且不水毁情况下,潼关年来沙量有可能达到13.1亿t,龙门达到9.0亿t、张家山达到2.6亿t;如果该降雨情景发生在"泾河流域连续干旱11 a"之后,那么潼关来沙量甚至可能达到16亿t左右。     

黄河主要产沙区近年降雨及下垫面变化对入黄沙量的影响

近几年,黄河来沙量锐减原因成为人们普遍关注的热点问题。本文以天然产沙量约占流域入黄沙量90%的黄河潼关以上主要产沙区为研究范围,优选了降雨因子和模型的函数型式,改进或构建了各支流在天然时期的降雨~产沙相关模型,进而分析了该区近35年不同时段的降雨和下垫面因素的减沙作用。研究表明,若以各支流1956—1975年前后的降雨-产沙响应关系为基准,1980年以来下垫面减沙作用越来越大,近十多年最为突出。近10年研究区降雨总体偏丰、其中近5年明显偏丰,因此降雨变化不是黄河该时段来沙锐减的原因;2005—2014年和2010—2014年,下垫面因素的实际总减沙量分别为13.87~15.45亿t/a和15.70~18.70亿t/a。     

黄土高原现状产沙情势评价

在黄河来沙锐减背景下，厘清现状黄土高原在不同降雨情景的年均产沙量，对客观认识黄河未来水沙情势具有十分重要的意义。本文分析了过去60年黄土高原汛期径流及含沙量变化特点，认为该区2010年以来的下垫面可作为现状产沙情势评价的代表下垫面。采用理论推算和实际产沙能力分析等两种方法，计算了黄土高原现状下垫面在4种降雨情景下的年均产沙量。结果表明，如果汛期降雨较1956—2019年均值偏丰0～17.3%,2010—2019年下垫面的年均产沙量为3.9亿t/a～5亿t/a;若基于2018年以来的下垫面，其年均产沙量为3.6亿t/a～4.5亿t/a;受坝库工程拦截影响，可输送至潼关断面的沙量更少。分析了黄土高原植被和梯田的发展趋势，并考虑流域产沙指数与植被梯田覆盖状况的响应规律，认为该区产沙能力进一步降低的潜力很小。事实上，由于年降雨量450 mm以下地区的新生植被抵御恶劣气候和人类干扰的能力较低，黄土高原产沙量存在反弹至5亿t/a～8亿t/a的风险。     

近期黄河潼关以上地区淤地坝拦沙量初步分析

进入21世纪以来,黄河泥沙显著减少,潼关水文站实测输沙量由1919—1959年的平均15.92亿t减少到2000—2012年的平均2.76亿t。黄河流域已建淤地坝58 099座,分布在黄土高原的千沟万壑,具有显著的拦沙减蚀作用。依据第一次全国水利普查、水利部淤地坝大检查等基础数据,初步分析了2000—2012年黄河潼关以上地区淤地坝拦沙减蚀作用。结果表明:(1)2000—2012年黄河潼关以上淤地坝年均拦沙减蚀量为4.50亿t,其中年均拦沙量为3.75亿t、减蚀量为0.75亿t。同期潼关以上地区5 520座骨干坝的年均拦沙减蚀量为2.05亿t,其中年均拦沙量为1.71亿t、减蚀量为0.34亿t;50 935座中小型淤地坝的年均拦沙减蚀量为2.45亿t,其中年均拦沙量为2.04亿t、减蚀量为0.41亿t。(2)淤地坝拦沙减蚀作用对2000—2012年黄河泥沙减少的贡献率为34%。     

黄河泥沙入黄的机理及过程探讨

黄河是世界上输沙量最大、含沙量最高的河流。近年来,受人类活动和降雨变化的影响,入黄泥沙量减少明显,潼关水文站实测年输沙量由1919—1960年的平均15.9亿t减少至2000—2015年的平均2.5亿t,减幅为84%。入黄泥沙的变化受到各方关注,并开展了大量的研究,然而由于研究采用的资料和方法不同,因此研究成果差别较大,对引起入黄泥沙减少的主要原因及未来变化趋势尚未形成统一认识。分析了流域主要产沙区的侵蚀产沙主要机理和泥沙入黄过程,提出泥沙入黄是水力侵蚀、重力侵蚀与河道水流输沙共同作用的结果;针对防治水土流失的"三道防线",从拦减黄土高原入黄泥沙的整体与部分关系出发,探讨了当前各项水保措施的作用,估算出的来沙水平与《黄河流域综合规划》(2012—2030年)提出的正常降雨条件下未来水平年的多年平均年输沙量基本相当。为满足黄河长治久安的需求,降低工程泥沙设计风险,工程设计来沙量应考虑一定富余度。     

三门峡库区近期入库水沙及渭河下游河道变化分析

<正>1近期入库水沙条件分析1.1龙、华、河、状入库水沙整理近九年来龙门、华县、河津、状头、潼关等水文站的水沙资料,与多年特别是20世纪90年代以来水沙系列对比分析。2002年~2011年汛后龙华河状四站入库水、沙量统计见表1。九年平均入库水量243.3亿m3、沙量2.626亿t,平均含沙量10.8kg/m3,平均来沙系数0.014其中汛期水量114.2亿m3、沙量2.265亿t,分别占年水沙量的46.9%、86.3%;非汛     

黄河潼关以上坝库拦沙作用及流域百年产沙情势反演

水库和淤地坝的拦沙作用是黄河泥沙减少的重要影响因素。通过连续10 a的调查和研究,基本摸清了潼关以上黄河流域淤地坝和水库的数量及其时空分布,进而计算了水库和淤地坝在不同时期的拦(引)沙量、反演了黄河流域过去100 a的产沙情势变化过程。结果表明:20世纪70年代是水库、淤地坝和灌溉工程拦(引)沙最多的时期,合计达5亿t/a,之后逐步降低,2010—2019年为2.73亿t/a。还原水库和淤地坝拦沙量后可见,70年代是过去100 a中流域产沙最剧烈的时期;1980—1999年、2000—2009年和2010—2019年与1930—1969年相比,黄河流域的单位有效降雨产沙量分别降低13%、54%、79%。若按2010年以来的淤积速率测算,至2070年前后,现有水库和淤地坝拦沙量约4 000万t/a。该研究不仅可在相当程度上回答过去几十年黄河输沙量减少的原因,而且可为黄河重大工程的拦沙量设计提供参考。     

黄土高原现状梯田和林草植被的减沙作用分析

2000年以来,黄河来沙明显减少。本文以黄土高原主要产沙区为对象,利用卫星遥感与实地调查相结合方法,获取2012年研究区各支流的梯田面积和质量信息,分析2010—2013年林草植被覆盖率及其较天然时期的变化;提出林草与梯田叠加作用地区的减沙量计算方法。基于流域尺度上构建的黄土丘陵沟壑区林草植被覆盖率与产沙系数、梯田比与减沙幅度之间的响应关系,计算在多年平均降雨条件下黄河龙门、北洛河状头、汾河河津、渭河咸阳和泾河张家山等5站以上现状林草植被和梯田的减沙能力,其值为10.65亿t,占该区天然年均来沙量的60%。     

黄河主要产沙区近百年产沙环境变化

以来沙量占入黄总沙量90%的黄河主要产沙区为重点研究对象,通过文献检索、实测降雨和水沙数据分析、遥感调查、统计数据采集和实地调查等,分析了过去近百年产沙环境变化情况。研究认为,产沙环境在20世纪70年代以前持续恶化、70年代以后逐渐好转、1998年以后显著改善。目前,包括林草、梯田和坝地在内的综合覆盖率已经由70年代的20.6%提高到50.9%,其中黄河中游地区达到54.1%,综合覆盖率不足30%的面积占比由70年代的81.0%减少至3.5%。林草植被改善和梯田建设是研究区产沙环境改变的主要驱动力。     

黄河中游主要产沙区下垫面变化减沙作用评估

2000年以来,黄河上中游干支流来沙量明显减少。为了揭示黄河中游主要产沙区土壤侵蚀特征和水土保持措施使下垫面变化的减蚀和减沙作用,基于GIS与RS技术,利用CSLE模型,定量分析了主要产沙区2000—2013年土壤侵蚀时空变异特征,并在多年平均降雨条件下,以1980年的下垫面为基准,评估了2000年、2005年、2010年、2013年下垫面变化的减沙效果。结果表明:2000年以来,在降雨侵蚀力变化不大的情况下,研究区土壤侵蚀强度呈下降趋势,但遇到强降雨年份,仍然可能产生较为剧烈的土壤侵蚀;土壤侵蚀强度与坡度坡长、降雨有较好的对应关系,研究区强烈及以上等级的土壤侵蚀主要分布在黄土丘陵沟壑区,风沙区和土石山区土壤侵蚀强度相对较低;在多年平均降雨条件下,与1980年相比,2000年、2005年、2010年、2013年水土保持措施使下垫面变化造成的减蚀量分别为1.22亿、1.95亿、3.29亿、3.45亿t,减蚀效果明显。     

黄河水沙变化与下游河道改造

20世纪80年代中期以来,进入黄河的水沙量及其过程发生了重大变化,潼关水文站水量和输沙量大幅下降,已由1919~1959年期间的平均水量426亿m3/年、输沙量16亿t/年下降到2000~2012年的231亿m3/年和2.76亿t/年,随着黄河上中游水土保持和生态建设的持续开展,预计未来50~100年潼关站年平均水量和输沙量将逐步稳定在210亿m3/年左右和3亿t/年左右。水沙变化关系到治黄方略的制定,关系到黄河的长治久安。为了顺应黄河水沙的变化,确保黄河防洪安全,实现下游河道不改道、河床不抬高的治理目标,本文提出了新的水沙条件下黄河下游河道治理的总体思路是:改造河道、解放滩区。具体措施包括:稳定主槽、缩窄河道、完建堤防、治理悬河、滩区分类。建议深入研究下游河道改造的方案与河道缩窄的可行性及其影响,为黄河下游河道改造提供科技支撑。     

基于水沙组合分类的黄河中下游水沙变化特点研究

为进一步揭示黄河中下游水沙关系及变化规律,本文通过自组织映射(Self-Organizing Map)-K均值聚类(K-means clustering)耦合方法,利用黄河中游潼关水文站1919—2018年的年径流量及年输沙量数据,对该站的水沙组合进行分类。结果表明:潼关站水沙类型有沙多水多、沙多水中、沙中水中及沙少水中4种。结合新中国成立后黄河流域水土保持事业的发展情况,以1960年及2000年为时间节点将研究时段分为3个阶段,分析了上述4种类型在3个阶段的出现频率及变化特点。考虑到黄河水沙条件的变化,又对1986年以来潼关站的水沙组合进行分类。结果表明:该站在1986年后的水沙类型有沙中水中及沙少水中2种。两种时间序列下的分类结果略有差异,体现出黄河水沙变化的复杂性。     

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。     

1996年汛期黄河水情简析

１９９６年汛期,黄河流域平均降雨量比多年同期均值偏多３．６％,但干支流来水来沙量普遍偏少,属枯水沙年份。黄河上游主要水库蓄水量偏少。花园口站出现洪峰流量大于３０００ｍ＾３／ｓ的洪水共３次,其中最大洪峰流量为７６００ｍ＾３／ｓ。“９６．８”洪水虽然洪峰流量、含沙量并不大,但其洪水位之高,传播时间之长、漫滩之严重在许多河段均超过历史记录。渭河华县亦亦出现有水文记载以来的最高水位。     

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。     

黄河主要产沙区近年降水变化的空间格局

采集整理了1966—2014年黄河潼关以上主要产沙区604个雨量站的逐年逐日降水,并基于GIS制作了1966—2014年不同时期的年降水量和日降水大于10、25、50、100 mm的年降水总量空间分布图,进而分析了该区不同雨强量级的年降水总量和大暴雨发生频次等降水因子的变化。研究认为,该区日降水大于50 mm的降水总量占年降水量的比例为2.3%~7.8%,其产洪产沙量占年水沙量的比例分别为20%和44%;在潼关来沙较天然时期减少约88%的2005—2014年,河龙间大部、泾河上中游和汾河上游等日降水大于10、25、50 mm的年降水总量总体偏丰;2010—2014年,日降水大于25 mm和50 mm的年降水总量偏丰程度更高,其偏丰程度大于5%的面积占研究区总面积的比例分别为76.9%和69.6%;近年降水偏枯区主要分布在祖厉河和渭河上游西北部。2012—2013年几乎是1966年以来研究区降水最丰的时段。2001年以来,河龙间大部和泾河上中游地区大暴雨发生频次偏高,其它区偏低。     

2004年汛期黄河水情简析

2004年汛期(7～10月,下同),黄河流域降雨量除伊洛河偏多10.3%、汶河偏多54.6%外,其余地区较常年偏少或接近常年。黄河干支流主要控制站来水来沙量均比多年均值偏少,龙门、潼关水文站最大流量分别为2100m3/s、2140m3/s,为历年同期倒数第一位。为维持黄河健康生命,黄河进行了基于人工扰动方式和更大空间尺度上的第3次调水调沙试验和第1次调水调沙生产运行,受8月22日～30日小浪底水库第1次调水调沙生产运行的影响,下游花园口以下干流各站分别出现了2004年汛期以来最大流量,其中花园口站最大流量为4100m3/s,利津站最大流量为3190m3/s,花园口、夹河滩为自1998以来的最大流量,高村以下五站为自"96.8"洪水以来的最大流量。     

引江济渭工程对渭河下游河道冲淤及降低潼关高程作用的初步研究

采用一维泥沙数学模型计算与分析了引江济渭工程不同引水方案对渭河下游河道和潼三河段冲淤及降低潼关高程的作用。计算方案考虑了1981-1990年的丰水系列和1991-2000年的枯水系列两种水沙条件，汛期引水量分别为30亿m^3、50亿m^3和100亿m^3的不同引江济渭工程规模及5种引水量分配方式。分析结果表明，引江济渭工程的实施对渭河下游河道减淤和潼三河段冲刷及降低潼关高程将产生一定的作用，随着引水量的增加和分配方式的优化，作用将更加明显。当引水量为30亿m^3和50亿m^3、调蓄水库采用汛期月调节（引水量分配方式4）时，计算10年末渭河下游河道由累计性淤积转为累计性冲刷甚至年内冲刷。丰水系列下渭河下游河道淤积量可分别比无引江济渭工程情况减少1．4334亿m’和1．7034亿m’。潼关高程可分别下降约0．53m和0．97m；枯水系列下渭河下游河道淤积量可分别比无引江济渭工程情况减少1．3056亿m^3和2．0415亿矗，潼关高程可分别下降约0．83m和1．16m左右；丰水系列所需调蓄库容比枯水系列的大。相应于引水量为30亿矗和50亿m^3，丰水系列所需调蓄水库库容分别为4．42亿m^3和5．59亿m^2。