长江上游重点产沙区产沙量对人类活动的响应

对金沙江屏山站、嘉陵江北碚站、宜昌站20世纪50年代以来的输沙量和含沙量进行分析。结果表明,在年径流量相同的情况下,由于大规模矿山、钢铁工业、交通建设增加水土流失,屏山站1976~1996年年产沙量要高于1954~1976年。与此相反,由于修筑水库、塘坝拦沙,修建梯田、恢复植被减少侵蚀,北碚站1983~1996年年产沙量要大大低于1954~1982年;宜昌站1985~1996年年产沙量也低于1954~1984年。北碚、宜昌两站都存在一个使水利、水土保持减沙量为0的年径流量临界值,北碚站和宜昌站这一临界值分别为1142×10⁸m³和4800×10⁸m³。     

长江上游干支流悬移质含沙量的变化及其原因

河流含沙量的变化是流域自然与人文因子变化的反映。以长江上游干支流1956~2000年的水沙和降水资料为基础,运用时间系列分析和统计分析方法进行研究。研究发现,干流宜昌站和4条主要支流含沙量的变化不是同步的,4条主要支流含沙量的变化呈现出复杂变化图形。流域面平均年降水量的变化,仅能解释含沙量变化的15.86%~37.21%,说明气候因素的变化不是长江干支流含沙量变化的主要原因。运用双累积曲线分析方法,研究了人类活动 (如水库修建,交通、矿山和城市建设,水土保持,植被破坏和恢复等 )对含沙量变化的影响。人类活动影响在不同的流域有较大差异。与4条主要支流相比,长江干流宜昌站含沙量的变化较小,反映了尺度效应的影响。多元回归分析表明,屏山 、高场、北碚、武隆4站的年均含沙量变化对宜昌站年均含沙量变化的贡献率分别为28.5%、12.6%、44.2%和14.7%。     

人类活动对长江上游近期输沙变化的影响

利用1956-2007年径流—输沙序列,分期定量研究了长江上游近期主要干支流输沙变化及其原因,结果显示:①长江上游1994-2002年输沙量减少1.43亿t/a,人为减沙占91.2%,主要来自嘉陵江措施减沙;2003-2007年减沙4.50亿t/a,径流减沙占14.1%,前期持续的人类活动减沙占39.8%,三峡水库蓄水拦沙、金沙江措施减沙等新增人为减沙占46.2%。②金沙江1983-2000年输沙量增加0.48亿t/a,人为增沙占74.7%,主要是工程增沙;2001-2007年输沙量减小1.183亿t/a,全部为人为减沙,包括二滩等各型水库拦沙、水保减沙和工程增沙减少。③嘉陵江1985-1993年输沙减少0.827亿t/a,人为减沙占81.4%,主要人为减沙包括农村社会经济因素变化导致的土壤减蚀和水库拦沙;1994-2007年输沙量减少1.285亿t/a,其中自然径流减沙占29.6%,前期持续人类活动减沙占42.1%,宝珠寺等新增水库拦沙和水保减沙占23.4%,另有4.9%的人为减水减沙。     

黄河上游沙漠宽谷河段水沙阈值与输沙特征

围绕黄河上游沙漠宽谷河段“多大流量能冲动多大含沙量的泥沙”、“不同流量能冲走多少泥沙”两个关键问题,对沙漠宽谷河段的水沙阈值展开深入研究。通过分析各断面历年水量、沙量变化过程,揭示了沙漠宽谷河段各区间河段的冲淤规律,得到不同区间河段、不同含沙量情况下的水沙阈值系列。基于水量平衡原理与输沙量平衡原理,分析各断面冲沙输沙流量、含沙量与输沙量之间的关系,建立场次洪水的河道输沙量计算模型,量化水量与沙量的转化效果。通过实例计算,不考虑沙漠宽谷河段水沙调控时,头道拐站的输沙量为0.124×10⁸ t,沙漠宽谷河段的冲刷量为0.0527×10⁸ t,考虑水沙调控时,输沙量增加近4倍。水沙调控显著改善了沙漠宽谷河道的水沙关系,冲刷了河槽,验证了水沙阈值及输沙量计算的准确性和可靠性。     

三峡水库修建前长江宜昌-武汉段泥沙输移比及其影响因子

运用泥沙收支平衡(Sediment budget)的概念确定长江中游宜昌-武汉河段的泥沙输移比,并运用数理统计方法,研究了1955～1997年间河道泥沙输移比对水沙变化的响应.从总体上看,河道泥沙输移比有较显著的增大趋势.输移比的变化可分为4个阶段:1955～1962年为快速增大;1963～1975年亦为增大,但增速减慢;1976～1979年为迅速减小;1980～1997年为较快增大.在分析了若干水沙指标对河道泥沙输移比的影响的基础上,建立了宜昌-汉口河段泥沙输移比与宜昌站的来水量和来沙量以及3口分水比和分沙比、宜昌站洪峰流量之间的多元回归方程.1980～1997年间的方程表明,宜昌站来水量越多、3口分流比越小,宜昌一汉口河段泥沙输移比越大;宜昌站来沙量越少,3口分沙比越大,泥沙输移比越大;宜昌站洪水流量越大,泥沙输移比越小.     

黄河沙漠宽谷段水沙变化特征及驱动因素

根据定位观测、第一次全国水利普查、遥感影像解译的数据,利用MWP、双累计曲线、水土保持分析法、数学模拟等方法,分析了黄河上游水沙变化特征,评估了多元驱动因素对2000-2012年黄河下河沿-头道拐沙漠宽谷段水沙变化的贡献率。结果表明:与20世纪70年代以前的基准期相比,2000年以来径流量、输沙量同步减少,水沙关系也发生变化,单位径流量的输沙量明显减少;沙漠宽谷段径流量减幅沿程不断增加而输沙量减幅沿程变化不大,水沙年内分配较基准期发生倒置,来沙系数不断减小;灌区引水引沙、水土保持措施、水库拦沙、支流来水来沙、水库调蓄及河道冲淤是沙漠宽谷段水沙变化的主要影响因子;经济社会发展用水对沙漠宽谷段径流量减少的作用最大,贡献率为81%,其次是水库蓄泄量,占15%以上;水库拦沙对头道拐输沙量减少的贡献率最大,占41%,其次是支流水土保持措施,贡献率约占13%,入黄风沙减少的贡献率并不大,约为6%,而河道淤积量、灌区引沙量较基准期都是减少的,贡献率分别约为-41%和-8%;近10多年来降雨等自然因素对水沙变化的作用相对不大,起主要作用的是水库运用、水土保持、经济社会发展等人类活动因素。     

2000-2017年河龙区间输沙量锐减归因分析

2000年以来,黄河输沙量锐减。科学认识黄河输沙量变化原因,具有重要意义。以河龙区间为研究对象,分析了河龙区间输沙量变化趋势,构建了梯田、淤地坝以及植被等大规模生态建设措施的减沙贡献率计算方法,阐述了2000-2017年河龙区间输沙量锐减原因,针对河龙区间输沙量变化趋势和治理格局,提出了河龙区间治理对策。主要结论为：① 1952-2017年,河龙区间年降水量无显著变化趋势,研究区年输沙量呈现极显著减少趋势（p < 0.001）;② 1979年和1999年为研究区输沙量发生突变的两个时间节点（p < 0.05）,1952-1979年区间年均输沙量为9.30亿t,1980-1999年区间年均输沙量为4.20亿t,2000-2017年均输沙量大幅降至1.03亿t,降幅达89%;③ 受植被和梯田共同影响,2000-2015年研究区坡面土壤侵蚀量变化介于1.90亿~5.13亿t之间,且呈下降趋势;2000-2011年河龙区间淤地坝年均拦沙量为1.38亿t;④ 植被恢复是河龙区间输沙量减少的主要原因,贡献率为54%,梯田和淤地坝合计贡献了34%,水库拦沙和引水取沙贡献了12%;⑤ 植被恢复主要导致径流含沙量降低,而淤地坝建设主要降低了流域泥沙输移比。     

近60年黄河水沙变化过程及其对三角洲的影响

为了了解黄河水沙变化过程及其对三角洲的影响,本文运用统计学方法对利津站1950-2007年的水沙数据以及流域人类活动引起的减水减沙数据进行了分析,结果表明:1950-2007年黄河人海水沙量明显减少,且年际波动比较剧烈.人类活动的影响是人海水沙量减少的主要原因.1950.2005年,水土保持年均减水减沙量分别为20.2亿m3和3.41亿t;工农业年均引水引沙量分别为251.64亿m3和2.42亿t;干流库区拦沙量,三门峡水库1960-2007年年均淤积1.45亿m3,小浪底水库1997-2007年年均淤积2.398亿m3.相比于花园口站的水沙量,下游河道以淤积为主,人海水沙量减少;以冲刷为主,人海水沙毋增加.当不同时期人海总水沙量比为0.0257 t/m3左右时,河口附近岸线延伸,三角洲面积增加.但近来年入海水沙量的急剧减少,特别是黄河口清8出汉以后,整个黄河三角洲由淤积转变为侵蚀,冲淤状态发生逆转的时间约在1997年.     

农村社会经济因素变化对嘉陵江产沙量的影响

以大量实测资料为基础,通过自然科学与人文科学的跨学科研究,分析了农村社会经济因素变化对嘉陵江产沙量的影响。发现嘉陵江年产沙量与径流量之间的双累积曲线上出现两个下偏转折,分别发生于1983~1984年和1992~1993年。第一转折点的出现与流域社会经济因素的变化有密切的关系;第二个转折点与长江上游水土保持重点治理工程有密切关系,但社会经济因素的影响也不容忽视,因为第二转折点与诸多社会经济因素变化的转折点具有同步性。从嘉陵江北碚站年产沙量与农民人均纯收入、农民人均购买燃料支出和农业产值占GDP百分比的相关关系中查明了3个临界点,即当农民人均收入<400元/a时,由于贫穷所产生的对土地的压力,使得侵蚀产沙量突变式增大;当农民人均燃料支出<20元/a时,农民将主要通过砍伐树木和灌木、收集林下的枯枝落叶、割草甚至于挖掘草根来获取燃料,使得侵蚀产沙量突变式增大;当农业产值占GDP百分比>40%时,农村人口对土地的压力使得侵蚀产沙量突变式增大。建立了北碚站年产沙量和已转移的乡村劳动力数量占乡村劳动力总数百分比、农村人均纯收入和农村人均用于购买燃料的支出之间的多元回归方程,并估算出,上述3个变量的变化对北碚站年产沙量变化的贡献率分别为36.00%,21.59%和42.41%。     

鄱阳湖流域水沙时空演变特征及其机理

运用改进的Mann-Kendall(M-K)趋势与突变检验以及线性回归分析等方法,系统分析了鄱阳湖流域的赣江、抚河、信江、饶河和修河等五大支流的5个主要水文控制站(外洲、李家渡、梅港、虎山、万家埠)1956-2005年的水沙序列,在系统搜集流域内水库信息的基础上,深入探讨了流域内水沙变化的原因.研究结果表明:(1)鄱阳湖流域各支流的水沙变化特征相异;除李家渡站径流无明显变化外,其余4站都有增加趋势(但未达到95%的置信度水平1.五大支流的输沙量变化比较复杂,外洲站、李家渡、梅港站和虎山站的输沙量在1985年以后减少的趋势显著,而万家埠站的输沙量直到1999年才开始减少;(2)森林覆盖率对输沙量变化的影响远远大于其对径流变化的影响,森林对减少湿季径流量的作用不明显,但对枯季径流量增加的影响显著.(3)水利设施(尤其是水库)对五大支流的水沙变化影响很大,尤其对输沙量的影响最为明显,这也是鄱阳湖流域大部分水文观测站输沙量减少的主要原因.     

电站建设对澜沧江-湄公河 泥沙年内分配的影响

采用澜沧江漫湾电站上游旧州站和下游允景洪、清盛站1987~2003 年逐月悬移质泥沙含量实测资料, 分析对比了三站年内泥沙分配不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等特性。将上述参数与澜沧江上游干流漫湾与大朝山电站建设的响应进行关联研究, 分析电站建设进程对河道输沙变化的驱动作用。结果表明: (1) 旧州水文站泥沙年内分配与区域气候变化 (降水) 趋势一致, 研究时段内不均匀性系数呈上升趋势, 维持天然河道输沙特性; 允景洪和 清盛水文站的泥沙年内分配不均匀性系数对电站建设等人类活动的响应程度不一致, 允景洪站泥沙含量不均匀系数先减小后急剧增加, 而清盛站呈微弱减小态势。(2) 旧州水文站泥沙年 内分配集中度及集中期基本无变化; 允景洪与清盛水文站的泥沙年内分配集中度变化较大, 泥沙集中期在在电站施工的高峰期(1987~1992 年、1997~2003 年) 后延, 且不同步, 允景洪在漫湾施工期后延5~6 天, 而清盛则后延将近半个月,而在大朝山施工期, 允景洪的后延响应 却明显于清盛。(3) 旧州站相对、绝对泥沙变幅逐时段递增, 允景洪站年内最大与最小月泥沙含量的相对、绝对变化幅度均减小, 清盛站泥沙含量的相对变化幅度却先增后减, 绝对变化 幅度则一直减小。三站泥沙年内极值变幅以及电站建设前后的响应差异, 说明三站泥沙变化的驱动因子有明显不同。这些关于泥沙含量年内分配特征规律的发现, 为研究澜沧江干流电站建设对上下游泥沙变化以及跨境影响的科学评价提供了新的佐证。     

疏勒河流域泥沙分布规律及水沙关系研究

泥沙是影响河流健康和水环境的重要因素之一，受气候变化和人类活动的影响，流域水文要素和下垫面条件发生了较大变化，尤其是实施大规模的水土保持措施后，部分河流的泥沙含量大幅减少，但在河西内陆河流域发源于祁连山西端的疏勒河流域，受降水条件和人类活动的影响，河流泥沙呈增加趋势。本文应用疏勒河流域实测长系列水文资料，采用水文统计法、差积曲线法、趋势检验法、突变检验法、非线性复相关模型法等方法，分析了流域泥沙时空分布规律及水沙关系，结果表明：疏勒河干流昌马堡站年输沙量为333.5×104 t，至下游潘家庄站减少到223.5×104 t；党河党城湾站年输沙量为76.56×104 t，至下游沙枣园站增加到121.3×104 t；疏勒河干流输沙量主要集中在汛期7～8月，占全年的81.9 %～84.0 %，党河流域输沙量主要集中在4-8月，占全年的92.3 %；流域泥沙变化总体呈增加趋势，突变点1998年以后，年输沙量增加了86.3 %～148.2 %。建立了潘家庄站降水～泥沙、径流～泥沙以及年输沙量～年径流量～年最大洪峰流量关系模型，相关关系较好，相关系数达到0.717～0.858。流域出山口以上对泥沙的影响因素主要是降水，出山口以下主要是修建水库、水电站、引水工程、河道采砂等人类活动影响。随着国家对内陆河流域祁连山和河西走廊的日益关注，以及全国河长制的推行，河流生态健康已经提上日程，研究疏勒河流域泥沙分布规律及水沙关系，对国家实施西部生态安全战略、区域生态环境修复治理、水资源可持续利用等具有重要意义。     

长江宜昌-武汉河段泥沙年冲淤量对水沙变化的响应

运用泥沙收支平衡 (Sediment budget) 的概念确定长江中游宜昌-武汉河段的泥沙冲淤量,并运用数理统计方法,研究了泥沙冲淤过程对水沙变化的响应。研究表明,所研究河段的输沙具有“多来多排”的特性,在平均的意义上,年输入沙量为年输出沙量的1.1345倍,由此求得总净来沙中有11.85%淤积在河道中。河段出口输出沙量随时间而增大,大致在1980年达到峰值,然后再减小。1980年以前河段出口输出沙量的增大,与3口分沙减少 (等价于河段净来沙增多) 和下荆江人工裁弯 (使河道输沙能力增大,因而可以将更多的泥沙输送到河段出口以下) 有关,1980年以后的减少,则与宜昌站来沙量的显著减少有关。建立了1980~1997年间宜昌-汉口#河段年冲淤量与宜昌站年来沙量之间的回归方程,通过该方程估算出使宜昌-汉口河段不淤的宜昌站临界来沙量为3亿t/a。为了定量评价宜昌站的来水量和来沙量以及3口分水比和分沙比、宜昌站洪峰流量的变化对于河段冲淤量的相对贡献,我们以1980~1997年和1955~1997年两个时间系列的数据分别建立了多元回归方程。1980~1997年间的方程表明,宜昌站的来水量和来沙量以及3口分水比和分沙比、宜昌站洪峰流量的变化对宜昌-汉口河段年冲淤量的贡献率分别为6.23%、31.56%、25.77%、32.71%和3.73%。     

1954-2011年间珠江入海水沙通量变化的多尺度分析

基于高要（西江）、石角（北江）和博罗（东江）水文站1954-2011 年的连续径流量和输沙率资料,采用Mann-Kendall 非参数秩次检验和小波分析的方法,分析珠江流域的入海水沙通量变化特征。结果显示：（1）1954-2011 年珠江的入海径流量没有明显变化趋势,但输沙率呈明显下降趋势,其间不同阶段的变化趋势不同：1954-1983 年珠江水沙均处于增长阶段,该阶段气候变化和人类活动对输沙的贡献率分别是70%和30%;1984-1993 年珠江水沙通量呈先降后升（1989 年是转折点）波动阶段,主要与气候变化有关;1994-2011 年珠江的水沙通量均呈下降趋势;气候变化和人类活动对输沙率下降的贡献率分别是20%和80%。（2）龙滩水库蓄水后的2007-2011 年与2006 年以前相比,珠江年均入海径流量减少了14%,而年均入海输沙率是减幅达到70%。这一时期水库蓄水和水土保持对输沙率减少的贡献率达到90%以上;（3）珠江的水沙通量变化具有明显年代际周期和年际周期变化特征,且不同子流域的周期有所不同。例如西江的径流量主要存在24 年和13 年的年代际周期以及4~7 年的年际周期,而输沙率主要存在16 年左右和10 年左右的年代际周期和4~7 年的年际周期;北江径流量主要存在12 年左右年代际周期和2 年左右以及8 年左右的年际周期和和输沙率年代际周期主要13-16 年,而年际周期是4~7 年和2~3 年;东江的径流和输沙率主要存在12 年左右年代际周期和2 年左右以及6 年左右的年际周期。这些年代际和年际变化周期与珠江流域降雨量的变化周期有较好关联性。     

A SUSPENDED SEDIMENT BUDGET OF THE YICHANG-WUHAN REACH OF THE YANGTZE RIVER, CHINA

The amount of the sediment deposition in the Yichan-Wuhan reach of the middle Yangtze River (also known as Changjiang River) has been determined using the concept of sediment budget at the channel-reach scale. The fill-scour processes of the middle Yangtze River were studied during the period 1956–1997 in response to the variation in sediment load and flow inputs. The results show that 13.3% of the net input of sediment was deposited in the studied river reach. Since 1956, the output sediment load of the studied reach increased with time to 1981, followed by a decline. The increase in output before 1981 can be related to the man-made bend neck-cutoff which caused a decrease in the sediment load diverted through the 'three outfalls' (i.e. the three distributaries from the Yangtze main stem to the Dongting Lake) and increased the sediment-carrying capacity of the river. Thereby, the river could transport more sediment to the outlet of the studied river reach. The decrease in the sediment load output after 1984 was directly due to the decreased sediment load at Yichang station. Multiple regression equations have been established to assess the contributions of influencing factors to the variation in sediment deposition amount in the studied river reach.     

无定河流域侵蚀产沙过程对水土保持措施的响应

以黄河中游多沙粗沙区代表性支流无定河为例,研究了降水量变化的背景下水土保持措施对无定河流域侵蚀产沙的影响。从总体上看,年输沙量和年径流量都表现出随时间而减小的趋势,梯田、造林、种草和淤地坝拦沙造地4项水土保持措施面积随时间增大的趋势极其显著。全流域面平均年降水量和汛期 (6~9月) 降水量则略有减少的趋势,但其减少趋势的显著性远低于水土保持措施随时间变化的显著性。产沙模数与梯田、坝地、造林和种草面积的关系,均表现出明显的负相关。对基准期 (1956~1969年) 和措施期 (1970~1996) 进行了比较,结果表明,实施水土保持措施以后,产沙模数、径流系数和汛期径流能够被降水所解释的百分比,分别由69%、80%和77%,下降为26%、31%和54%。说明在后一时期中,水土保持措施起了很大作用,因而降水变化对于产沙模数、径流系数、汛期径流量变化的贡献率大大减小了。以1956~1996年间41年的资料为基础,建立了全沙产沙模数与径流系数、汛期降雨量、最大一日雨量、最大30日累积雨量、梯田林草面积和坝地面积之间的多元回归方程,该方程表明,全沙产沙模数随汛期降雨量、最大一日雨量、最大30日累积雨量的增大而增大,随梯田林草面积和坝地面积的增大而减小, 随径流系数的增大而增大。为了区分人为因素与气候变化对侵蚀产沙变化的影响,采用对数据进行标准化处理之后再进行多元回归分析的方法,来确定相对贡献率。结果表明,降水变化和水土保持措施变化对无定河全沙产沙模数变化的贡献率大致相等,前者占50.3%,后者占49.7%。文中还建立了粗泥沙产沙模数与上述影响因子之间的多元回归方程。     

近30年来长江口水下三角洲地形演变与受控因素分析

利用长江口1982-2010年间4个年份的高精度实测地形数据、大通站输沙量数据以及河口工程建设信息等,分3个阶段研究了长江口整体冲淤规律、不同分区冲淤变化时空差异、重点断面垂向冲淤特征、水下三角洲重要区域 (崇明东滩、横沙浅滩、九段沙以及南汇东滩) 的演变趋势与受控因素。结果表明：(1) 近30年长江口整体上表现为略微冲刷,冲刷面积占51.83%,在3个阶段中呈现出“冲刷—淤积—再冲刷”的冲淤演化态势,且冲淤变化时空差异显著,仅长江北港区为持续冲刷。(2) 崇明东滩和横沙浅滩东侧和北侧、九段沙北侧以及南汇东滩的5 m以浅区域以垂向淤积为主,而崇明东滩和横沙浅滩南侧、九段沙东侧和南侧的5 m以浅区域则以垂向冲刷为主。(3) 长江口重要区域2 m和5 m等深线包络面积整体上是不断增加的,1982-2010年时段内年均增加量分别为10.42 km²/a和7.99 km²/a,但各分区则表现不一致;10 m等深线包络面积在整体上及各个分区内均表现为明显减小;15 m等深线包络面积变幅较小,基本保持稳定状态;(4) 受河口工程建设影响,仅崇明东滩水下三角洲等深线包络面积减小的趋势与大通站输沙量减少趋势相同。主要结论：从长江口水下三角洲等深线包络面积和分布形态的变化看,基于目前上游输沙量持续减少的宏观自然背景下,大规模的河口工程建设对近年来长江口水下三角洲演变的控制作用日益明显。     

黄河内蒙古段洪峰特征及水沙关系变化

本文通过黄河头道拐站1950-2009 年水沙年系列进行突变点分析, 识别出1969 年、1986 年、1996 年3 个突变点, 将黄河内蒙古段水文过程划分为4 个时期。在此基础上, 利用内蒙古段6 个水文站长系列日流量、日含沙量及泥沙组成数据, 划分了各站的夏汛洪峰, 并统计分析了分期洪峰的水沙分布特征和洪峰水沙关系, 揭示出夏汛洪峰流量和输沙率逐渐减少的规律:1996-2006 年与1954-1968 年相比, 夏汛洪峰水沙量占全年水沙的比例都减少了约一半, 流量级频率与输沙率乘积的峰值对应的流量也降低了约一半。分析认为, 黄河内蒙古段夏汛洪峰特征阶段性变化既有大型水库的影响, 又有气候变化及人类活动的影响, 而且后者的作用越来越大。分析发现, 20 世纪90 年代以前, 黄河上游水沙变化只是改变了内蒙古段来沙中粗颗粒泥沙的水沙关系, 显示出大流量输送粗颗粒泥沙能力相对增强的趋向;进入内蒙段后, 通过泥沙冲淤调整, 分粒径组泥沙水沙关系变化比较复杂。近期在水沙条件巨大变化下, 河流的输沙特性并没有发生根本变化, 但是无论全沙还是分组沙, 水沙关系曲线变陡, 大流量输送泥沙能力相对增强。