黄河泥沙百年演变特征与近期波动变化成因解析

黄河泥沙未来变化趋势关系到新时期治黄策略制定，科学认知入黄沙量变化特征，特别是一些典型或极端情况下的沙量变化原因，对于科学研判黄河泥沙未来情势具有重要指导意义。本文在分析百年黄河沙量演变特征基础上，重点解析了2013年和2018年典型"大沙"年份以及2017年典型"极端降雨"年份潼关沙量波动变化原因。结果表明:1919—2018年百年尺度上黄河潼关站输沙量呈"台阶式"减少特征且减少趋势极显著（P < 0.001），尤其2000年以后年均输沙量降至2.44亿t左右；随着黄土高原下垫面土壤侵蚀环境大幅改善，黄河上游相似来水年头道拐—潼关区间流域输沙量减少82%，相似极端降雨情景下流域次洪输沙量平均减少50%~85%，2017极端降雨年并未导致大沙年出现，水土保持生态建设成果在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用；2013年和2018年典型"大沙"年潼关站泥沙来源解析表明，河道淤积泥沙冲刷和水库排沙成为新时期黄河潼关站沙量波动变化的主要影响因素。     

黄河中游区水沙时空分布及衰减分析

对黄河中游区水沙序列进行了分阶段季节统计分析，对比研究了２０多个流域的雨～水－沙关系，计算了各阶段水沙衰减量以及由于雨水衰减影响和水土保持工作影响的减沙量所占比重，对比分析了不同流域水沙变化状况，结果表明，８０年代以来，绝大多数站年输沙量大幅度衰减，主要是水土保持（包括水利工程措施）发挥了作用。     

珠江流域主要河流泥沙变化分析

选用珠江流域主要河流的58个泥沙站1956～2000年连续观测的泥沙资料,按河流水系分不同的区域对主要河流含沙量和河流输沙量的时空分布规律进行分析研究。结果表明:大多数河流的含沙量较小,由于径流量大,输沙量较大;含沙量在区域上的分布呈西部大于东部、西南部大于西北部,东南部与东北部差别不大的特征;主要河流西江、北江、东江含沙量沿程变化呈现从上游往下游递减的规律;产沙量最大的区域是南盘江和北盘江,西江上游区域是流域泥沙的主要来源;汛期输沙量占全年的90%以上。虽然各区域不同时期输沙量有所增减,但全流域输沙总量较稳定;西江上游红水河和东江水利工程的兴建对河流泥沙的拦蓄明显,造成下游河段的含沙量明显减小。     

黄河的输沙量：过去、现在和将来——距今15万年以来的黄河泥沙收支表

黄河于150 ka BP切穿三门峡，东流入海。黄河泥沙90%来自黄土高原。黄土高原土地利用和植被的变化对黄河输沙有决定性的影响。15万年以来，黄河进入华北平原的泥沙约70 000×108 t，其中10 ka BP以前占80%。10 ka BP以后的输沙量中，最后1040年黄土高原滥垦时期占60%。黄河泥沙的归宿，建造华北大平原占73%，流入海洋占26%。现在，黄河每年流入北黄海的泥沙不足0.2×108  t，其输运主要受海洋环流系统的影响。现在黄海每年向东海输运悬浮沉积物0.2×108~0.3×108 t，主要为废黄河三角洲及水下三角洲受侵蚀再悬浮的黄河泥沙。1996—2000年黄河下游连年断流，利津站的年径流量和输沙量只有1950—1979年30年平均的19%左右。今后20~30年内，由于气候变暖、工业、城市等引黄水量增加，黄河的入海泥沙量仍将偏少。     

黄河下游洪水的泥沙输移特征

研究了黄河下游1950-1960年、1969-1985年144次洪水的泥沙输移特征.结果表明:泥沙输移比(SDR)随场次洪水平均含沙量和平均来沙系数的增大而迅速减小;存在着一个使泥沙的输移比达到最大值的最优洪水流量级(4000m3/s左右);场次洪水泥沙输移比与场次洪水最大含沙量之间存在着负相关,当最大含沙量(C_max)>300kg/m3时,泥沙输移比(SDR)<0.50,说明高含沙洪水的输移比是很低的.上中游不同源区的洪水对下游的SDR有显著的差异.来自河口镇以上清水区洪水的SDR大多数大于0.60;来自多沙细沙区洪水的SDR都大于0.50;来自多沙粗沙区洪水的SDR则小于0.50.黄河下游SDR与来自不同来源区洪水的搭配关系有关,SDR随来自粗泥沙区来沙量比例的增大而增大,达到一个峰值,与之相对应的粗泥沙区沙量百分比为50%;对于细泥沙区来沙量比例而言,情形类似,与SDR峰值相对应的细泥沙区来沙量百分比为40%.     

基于泥沙中碳含量的变化表征黄河调水调沙入海泥沙的扩散范围

主要通过黄河口悬浮物中有机碳和无机碳的含量,表征黄河调水调沙入海的泥沙在黄河口外近海的扩散范围。结果表明:黄河口入海前泥沙中的颗粒无机碳(PIC),颗粒有机碳(POC)具有稳定性,分别为(1.75×0.28)%和(0.51×0.08)%;在悬浮物含量约为30 mg/L时,黄河口临近海区悬浮物中的PIC、POC含量分别出现突跃性降低和升高趋势,叶绿素分析表明,POC含量的升高是由于浮游植物对颗粒有机碳贡献的结果,同时正构烷烃轻重比值ΣC₂₀-/ΣC₂₀+和碳优势指数(CPI)值也分别增加和降低;X衍射发现悬浮物浓度低于30 mg/L时,黄河泥沙在悬浮物中所占比例迅速下降,从而造成悬浮物中PIC突跃性下降;因此,黄河口近海悬浮物含量30 mg/L可以被认为是陆源和海源颗粒物对黄河口近海区悬浮物贡献的有效分界线。调水调沙入海的泥沙在黄河口外近海表层主要扩散到河口以南海域,而底层扩散范围主要集中在河口以北和河口以南海域,这些泥沙最终可能停留在莱州湾中部。     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

黄河上游径流量演变特征及成因研究

利用黄河上游唐乃亥水文站1956年～1994年各月平均径流量资料,对其自身的变化规律进行诊断分析。结果表明:黄河上游月平均径流量具有很好的持续性,尤其是冬半年,其显着落后自相关可达6～8个月以上,即从秋季到次年初夏,转折期在8月～9月。近40年来,黄河上游流量经历了由小-大-小的演变过程,年径流量表现出较明显的7年周期,而秋季流量呈14年振荡。就径流各级别出现的概率而言,枯水年占41%,异常年份达2/3.夏秋季高原降水量对同期及落后半年之内的径流有显着贡献。前期青藏高原热力作用及大气环流特征对夏秋流量预测具有一定的指示性。     

1855年黄河大改道与百年灾害链

1855年黄河铜瓦厢决口北流,改道从山东入海,是一次百年灾害链形成的巨变,黄淮海平原成为中国水灾的中心。经研究发现:1740—1818年为中国地震宁静期,黄河流域正处于干旱枯水期;1819年印度卡其发生8.3级大地震,黄河出现多泥沙特大洪水,河南兰阳以下近30 km河道严重淤塞;1819—1879年大地震密集出现,并有9级以上特大地震4次,其中1833—1870年大地震主要分布在东亚;黄河因而于1841—1843年连续出现特大洪水,造成下游多次决溢、以致改道。文中第一次以科学和历史结合给出解释,其结论可供当前地球科学灾害链研究及治黄参考。     

锦州湾泥沙来源、洄淤状况与建港条件分析

锦州湾泥沙主要来源于沿岸入海河流的输送,外海水体的携带与沿岸、岛屿蚀余物质的补给。每年进入湾内的泥沙总量约为３３—３５万吨,假如这些泥沙不再向湾外流出,在湾内作均匀分配沉积,则相当于在湾底铺上５ｍｍ厚的土。水准和水深重复测量表明,潮滩以稳定的弱堆积为主,水下浅滩基本处于稳定状态。该湾在非正常情况下产生骤淤的可能性不大。综合建港条件良好。     

黄河内蒙古河段输沙量与淤积量计算方法

基于多沙河流"多来多排"输沙基本公式,建立了考虑上站来沙量、前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的输沙量一般表达式。进而根据黄河内蒙古河段1953—2010年实测水沙资料,得到了内蒙古巴彦高勒—头道拐全河段及巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—头道拐分河段的年输沙量公式,并根据输沙率法采用建立的输沙量公式计算了各河段1953—2010年的逐年冲淤量。选取三湖河口—头道拐河段的计算结果分析表明,在输沙基本公式基础上增加前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径参数,所得公式计算的年冲淤量与实测值之间的相关系数R2由基本公式的0.41依次提高到0.50、0.75和0.80,说明在基本公式基础上进一步考虑这些参数的必要性。此外,全河及分河段输沙公式计算所得输沙量及各河段冲淤量和累计淤积量与实测值的符合程度均较好,表明建立的输沙公式能够用于不同水沙条件下的输沙量和冲淤量计算,可为分析内蒙古河段的输沙特性和长期淤积趋势提供参考。     

黄河流域近期水沙变化及其趋势预测

针对黄河水沙近期发生显著变化的现象,利用黄河上中游干支流水文泥沙定位观测资料,综合"水文法"、"水保法"和数学模拟等多种方法,对黄河流域1997-2006年水沙变化情势进行了评估,分析了水沙变化机制,并预测了未来的变化趋势。分析表明,与多年平均相比,黄河河源区径流量年均减少43.90亿m3,其中降雨等自然因素的影响量占92.26%,人类活动影响量占7.74%;与1970年前相比,黄河实测径流量年均减少112.1亿m3,其中水利水土保持综合治理等人类活动作用占76.50%,因降雨影响占23.50%;实测输沙量较1970年以前年均减少11.80亿t,其中水利水土保持综合治理等人类活动的作用为49.75%,降雨的影响为50.25%;人类活动与降雨变化对水沙变化的影响差异较大,就黄河中游地区总体而言,人类活动的减水作用远大于降雨的影响,人类活动的减沙作用与降雨影响基本相当,不宜笼统说黄河中游水沙变化主要是人类活动所致或主要是降雨变化所致; 2050年以前黄河来水来沙量总体呈平偏枯趋势,但不排除个别年份或短时段仍会发生丰水丰沙的可能性。     

GPM和TRMM卫星日降水数据在黄河源区的适用性分析

通过评估GPM计划三种日降水产品（IMERG-E、 IMERG-L和IMERG-F）和TRMM卫星、 两种日降水产品（TMPA 3B42和TMPA 3B42RT）在黄河源及其周边区域38个台站的适用性, 探究了五种产品探测精度和海拔高度及雨强的相关关系, 结果表明： 在与实测资料的一致性和偏差方面, GPM卫星产品要全面优于TMPA产品。在TRMM卫星产品中, 3B42产品明显优于3B42RT。五种产品的相关系数均表现出明显的从东南到西北递减的趋势, 均方根误差北部普遍低于南部。IMERG产品的探测率（POD）和探测成功率（CSI）都要普遍高于TMPA产品, 而误报率（FAR）则是TMPA 产品更低, 表现更好。五种产品均在个别台站出现了严重误报的情况, 这些台站主要分布在研究区的西北部。IMERG三种产品对于海拔高度的依赖程度具有很强的一致性, 而3B42RT产品对海拔高度几乎没有依赖。除3B42RT产品外, 其余四种产品的偏差均随雨强的增加而增大。在探测率方面, IMERG产品对小雨、 中雨和大雨的探测能力均优于TMPA产品。     

Suspended sediment dynamics and morphodynamics in the Yellow River, China

The Yellow River in China carries large amounts of sediments in suspension at concentrations up to several hundreds of kilograms per cubic metre; the sediment is composed mainly of silt. These high sediment concentrations influence the hydrodynamics (flow velocity and turbulence) which, in turn, determine the sediment concentration profile, whereas both the high sediment concentrations and pseudo-cohesive properties of silt determine the morphodynamics of the Yellow River. The effect of sediment on the hydrodynamics is analysed using the Richardson number and the Reynolds number to provide a framework to differentiate between various flow regimes in the Yellow River, which is calibrated and validated with Yellow River data. The flow may be sub-saturated (stable flow), super-saturated (unstable flow characterized by high deposition rates, caused by collapse of turbulence), or hyperconcentrated sub-saturated (stable flow because of hindered settling effects), depending on the Richardson number. Independent of this, the flow may be turbulent, transitional or laminar, depending on the Reynolds number. Analysis of these flow types improves understanding of the flow regimes and morphodynamics of the Yellow River. The morphodynamics of the Yellow River are also affected by pseudo-cohesive behaviour caused by shear dilatance, which results in increasing critical shear stress for erosion at decreasing grain-size. This pseudo-cohesive behaviour may be partly responsible not only for the high deposition rates which characterize the lower Yellow River, but also for mass erosion during river floods.     

黄河水沙变化趋势及成因分析

自2000年以来,黄河中上游河道非汛期出现变清趋势,黄河呈现"枯水枯沙"的新水沙特征。本文依据黄河干、支流24个主要水文控制站1950-2016年实测水沙资料,采用数理统计法和趋势分析法,分析了60多年来黄河干、支流水沙变化趋势及其影响因素。结果表明:(1) 1950-2016年黄河干、支流各站年均径流量、年均输沙量和年均含沙量随时间总体呈减小趋势,其中2000-2016年(Ⅲ时段)各站年均输沙量和年均含沙量降幅最大。(2) 1950-2016年黄河中游流域干、支流各站年均中数粒径随时间呈减小趋势,黄河水沙状况枯丰期差异显著,但随时间呈减弱趋势。(3)黄河水沙变化是自然因素和人类活动综合作用的结果,近年来黄河中游河道变清是泥沙锐减造成的,其中水保措施、水库工程、河道采砂及流域调水调沙引水引沙是主因,且人类活动影响的比重逐渐增大。     

不同来源区洪水对黄河下游流量-含沙量关系的影响

根据1950-1960年及1974-1985年实测洪峰水沙资料,分析了不同来源区洪水对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站流量 含沙量关系的影响,以河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河总来水量占三门峡、黑石关、小董总水量的20%或25%以上作为中游粗沙来源区洪水,以河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河总来水量占三门峡、黑石关、小董总水量的20%或25%以下作为细沙来源区或少沙区洪水。这样,黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站平均流量 平均含沙量关系可分为以增加平均含沙量为主和以增加平均流量为主的两个区。同时,河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河的洪水,大大增加了黄河下游平均来沙系数和平均含沙量,并导致全下游河段的必然淤积。     

Hydrologic and hydraulic characteristics of the Yellow River and impact of flow and sediment diversion

In the history, the Yellow River nurtured Chinese civilization. It is respected as the ＂ancestor of the four large rivers in China＂ and praised as ＂the mother river of China＂. At the same time, the Yellow River is regarded as ＂the misery of China＂ and considered as the most complex river hard to control in the world. Today, the Yellow River is also one large river greatly influenced by human activities in the world. The safety of the Yellow River, particularly flood control, is always the most important issue for governing and developing the country. Great achievements have been made after many years of efforts for controlling the Yellow River. However, since the nineties of 20 century, some new problems occurred, such as sharp reduction of flux to sea, dry rivercourse, worsen environment, etc. Rapidly shrinking riverbed and two-level perched stream are disadvantageous to flood safety especially. The new concepts and new practices are urgently needed to control the river. Therefore, the Yellow River Conservancy Committee of Ministry of Water Resources had continuously carded out flow and sediment diversion each year from 2002 to 2005. To timely probe into the new issues produced after flow and sediment diversion, and in order to deepen the understanding of rules for the Yellow River＇s water and sediment and provide reference and experience to the researchers for other large rivers, five hydrologic and hydraulic characteristics of the Yellow River, such as lack of water, much of sediment, different resources of water and sediment, inconsistency between water and sediment and frequency of sink switching and route changing, are described. Flow and sediment diversion of the Yellow River is also reviewed. Under flow and sediment diversion,