泥沙的地區分布
黃河河口鎮以上水量占全河水量的54%左右,沙量只占9%,而三門峽以下水量約占10%,沙量僅占2%,這兩個河段水多沙少。河口鎮至龍門河段水量占14%,而沙量卻占55%:龍門至潼關河段水量占21%,沙量占34%,這兩個河段水少沙多。上述情況說明,上游是黃河水量的主要來源區,中游是沙量的主要來源區,存在著水沙異源的特點。中游地區的黃土分布最廣,泥沙粗細分布具有明顯的分帶性:西北地區的泥沙較粗,東南地區的泥沙較細。粒徑大於0.05 mm的粗泥沙占總沙量的比例,各水文測站不同:河口鎮為20%,吳堡為37%,龍門為32%,渭河為23%。黃河的粗泥沙對河道的淤積危害最大,其總量中,約有74%來自河口鎮至龍門河段。黃河粗泥沙主要來自兩個區域:①皇甫川到禿尾河間各條支流的中,下游地區,粗泥沙模數為10 000 t/(km*a)。②無定河中下游地區及廣義的白宇山河源區(無定河、清澗河、延水、北洛河及涇河支流馬蓮河的河源地區),粗泥沙模數分別為6000~8000 t/(km*a)和6000 t/(km*a)左右。在黃河的泥沙和粗泥沙總量中,約有3/4來自中下游的10萬~11萬km的黃土丘陵溝壑區,約有1/2來自其中的4萬~5萬km,泥沙來源地區集中的特點很明顯。
根據流域來沙多少和泥沙顆粒粗細不同,可把泥沙來源分為三大區:①多沙粗泥沙來源區,即河口鎮至龍門區間、馬蓮河和北洛河;②多沙細泥沙來源區,除馬蓮河以外的涇河乾支流、渭河上游、汾河:⑧少沙區,河口鎮以上、渭河南山支流、伊洛河和沁河。
泥沙的時間分布
黃河泥沙的時間分布非常不均勻,年際變化很大,具有豐、枯相間的周期性變化,豐、枯水時段和豐、枯水年交替出現,其中有1922~1932年連續11年的枯水段、1969~1974年6年的枯水段和1990年以後出現的枯水段,並出現了1933~1968年36年以豐為主豐、平、枯交替出現的時段。由於存在“水沙異源”的特點,來沙多少並不完全與來水豐枯同步。洪水泥沙搭配視暴雨降落區域的不同而出現豐水多沙年(1937年三門峽水量659億m,沙量26.2億t)及豐水少沙年(1983年水量524億m,沙量9.25億t),或枯水多沙年(1977年水量327億m,沙量20.8億t)及枯水少沙年(1928年水量327億m,沙量4.88億t)。年沙量變幅大於年水量的變幅。自1919年以來,三門峽年水量最大為659億m(1937年),最小為202億m(1928年),相差3.3倍;而年沙量最大為39.1億t(1933年),最小為4.88億t(1928年),相差8倍。
泥沙往年內分配也很不均勻,水沙量主要集中在汛期(7~10月)。汛期水量占年水量的60%左右,汛期沙量更加集中,占年沙量的85%以上,且集中於幾場暴雨洪水。如幹流三門峽站洪水期最大5d沙量占年沙量的31%,而水量只占4.4%。支流沙量的集中程度更甚於幹流,無定河川口站最大5d沙量占年沙量的42%,窟野河溫家川站占75%。高度集中的泥沙形成濃度很大的高含沙量洪水,皇甫川、無定河、窟野河等支流洪水含沙量常達l000~1500 kg/m,其中窟野河1958年7月10日出現l700 kg/m的高含沙量洪水。幹流龍門站1966年7月出現的含沙量高達933kg/m,三門峽站1977年8月出現的含沙量高達911 kg/m。
洪峰與沙峰的差異性
黃河流域不同地區的植被和水土流失情況有很大的不同,而暴雨往往集中在一個較小的地區,單位面積產沙量常有顯著差異。住中游流域面積不大的支流,可以出現沙峰大、洪峰小,或洪峰大、沙峰小的洪峰與沙峰不同步現象。在控制流域面積較大的測站,來水來沙經過較長河段的沿程調整作用,洪峰與沙峰的大小比較同步。每年汛前流域比較乾旱,地表物質疏鬆,土壤易被沖走,因此汛期第一、第二場洪水的含沙量較大,繼之而來的洪水含沙量就較小。一般7~8月洪水含沙量較大,9~10月洪水含沙量較小。不同時間相同流量的含沙量變幅很大,一般達到10倍左右。
懸移質泥沙顆粒組成
黃河的泥沙主要是懸移質,推移質很少。河口鎮泥沙粒徑較細,經中游支流泥沙匯入後,吳堡、龍門站泥沙粒徑變粗,然後沿程變細。在年內變化也十分明顯,汛期泥沙主要來源於暴雨沖刷造成的土壤流失,粒徑較細,而非汛期泥沙多來自河床沖刷,粒徑較粗。汛期懸移質中,值粒徑,河口鎮為0.02 mm,龍門為0. 031 mm,花園口為0.020 mm,利津為0.018 mm;而非汛期河口鎮為0.022 mm,龍門為0.04 mm,花園口為0.035 mm,利津為0.026 mm。
人類活動對泥沙的影響
黃河受人類活動影響極大,特別是1986年以來,上游劉家峽和龍羊峽大型水庫的聯合運用,調節了徑流過程,水土保持綜合治理措施逐漸發揮減沙作用,使黃河來沙特性發生了變化。主要表現在:實測年沙量減少,年際變化仍較大,同時年內分配更不均勻。1986~1999年實測年均沙量為7.6億t。但沙量的減少並不穩定,在一般降雨條件下,減沙作用較明顯,遇強暴雨條件,沙量仍較大,其中9月下旬~10月沙量減幅較大,已接近非汛期特徵,同時又受三門峽水庫“蓄清排渾”運用的影響,汛期進入下游沙量可占年沙量的90%以上。黃河懸移質泥沙組成隨含沙量增大而變粗,自1986年以來,由於沙量的減少懇移質泥沙組成發生細化,中數粒徑略變細。
河道沖淤特性
大量泥沙進入河道後,河床發生沖淤變化。黃河上遊河段沙量不大,河道沖淤幅度較小。中下遊河道特性不同,河口鎮至龍門、潼關至小浪底為峽谷河段,沖淤變化不大;龍門至潼關河段和下遊河道沖淤變化較大。
(1)龍門至潼關河段是支流北洛河、渭河、汾河的匯流區,河道寬淺散亂,河床隨來水來沙條件的變化進行調整,一般表現為6~8月淤積,9月至次年5月沖刷,在年內起著泥沙的反調節作用。其沖淤變化過程與來水來沙周期件變化密切相關。河床演變的基本規律是:當前期河床淤高到一定程度,河床寬淺散亂,遇高含沙水流,河床發生揭河底現象,沖槽淤灘,形成明顯的灘槽高差,河勢平而趨於規順。以後遇一般水沙條件,河床回淤抬高,河槽變為寬淺,河勢遊蕩擺動,新淤灘地不斷坍塌,進入坍灘淤槽時期,多年平均處於淤積狀態,天然情況下年平均淤積量約為0.5億~0.8億t。
(2)黃河下游是一條強烈堆積性河道。大量泥沙淤積使河床逐年抬高。目前下游灘面一般高出背河地面3~5 m,最大達10 m,是世界著名的“懸河”,成為華北大平原的“屋脊”,淮河和海河流域的分水嶺。從1950年7月至1999年10月下遊河道共淤積泥沙93億t,同流量(3000 m/s)水位抬高2.59~4.26 m。河道的沖淤狀況主要取決於來水來沙條件,各年的變幅很大。遇多沙的水文系列,河道淤積,如1933年黃河來沙39.1億t,孟津至高村河段淤積達17億t:遇少沙年份,河道發生沖刷。1950~1960年黃河下遊河道年均淤積泥沙3.6億t,主槽淤積約占23%;1960~1964年三門峽水庫攔洪運用下泄清水,河道發生沖刷:1964~1973年滯洪排沙運用,下遊河道回淤:1973~1999年控制運用,下遊河道淤積,1986年以來全斷面年平均淤積量2億t,主槽淤積量占全斷面淤積量的70%,主槽淤積量約為50年代的2倍,河槽淤積萎縮,過水麵積大大減少,同時艾山以下主槽年均淤積量達0.29億t,改變了天然情況下沖淤基本平衡的狀況。從多年平均情況看,天然情況下進入下游的泥沙,約有25%淤積在利津以上河道及引出河道,約有50%淤積在利津以下的河口三角洲及濱海地區,其餘25%被海流輸送至外海。1986年以來,進入下游的泥沙約有52%淤積在利津以上的河道及引出河道,約有43%淤積在利津以下的河口三角洲及濱海地區,僅有5%被海流輸送至外海。
黃河河口1855~1954年造陸面積達1510 km,平均每年造陸面積23.6 km(實際行水64年),1954~1991年共造陸1020 km,平均每年造陸面積26 km。河口循著淤積、延伸、擺動、改道的規律演變,對近河口段的河床沖淤變化產生一定的影響。
展望
黃河經過多年的治理開發,在改變流域內生態面貌的同時,減沙效益也開始顯示出來。水土流失有自然和社會兩方面的因素。自然因素將長期發生作用,不易在短時間內改變;社會因素也難以完全消除,在人口增長過快的地方,還可能加劇。因此,隨著中國西部大開發的進行,加強生態環境建設將會較好地實現水土保持減沙的作用,輸入黃河的泥沙將有所減少,黃河仍將是一條多沙河流。黃河是中國西北和華北地區重要水源,隨著社會經濟的發展,水量將進一步減少,水少沙多的矛盾將更為突出。泥沙問題始終是治理開發黃河的一個重要問題。小浪底水利樞紐工程已建成運用,下遊河道沖淤將發生劇烈變化。加強對黃河水沙變化規律、泥沙運動規律的研究,成為黃河治理開發的基礎課題。