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。     

1956—2008年鄱阳湖流域水沙输移趋势及成因分析

利用鄱阳湖流域代表性水文站1956—2008年实测年径流量及年输沙量资料序列,采用Mann-Kendall秩相关检验法,研究鄱阳湖流域水沙量年际变化趋势和可能发生突变的时间,并从流域降雨、用水、水库拦沙、水土流失及其治理等方面分析了鄱阳湖流域水沙变化的主要影响因素。研究结果表明:鄱阳湖地区来水量和出湖水量有小幅增大趋势;鄱阳湖流域来沙量呈异常显著减小趋势,发生突变的年份为1998—1999年;实测出湖沙量从2002年开始呈明显的减少趋势。通过对有关影响因素的研究,发现鄱阳湖流域气候变化降雨量减少对近10年鄱阳湖出入湖径流量的减少影响显著;水库滞沙是鄱阳湖入湖沙量减少的主要原因;出湖沙量变化主要受上游水库群的影响,还有近年湖区采砂的影响。     

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。     

近50年来长江水沙变化规律研究

较为系统地研究了近50年来长江流域不同河段、不同时段的水沙变化特性。从多年平均情况来看,长江上游水沙异源、不平衡现象十分突出,干流石鼓至宜昌沙量沿程增大,宜昌以下干流河道输沙量沿程减小,悬沙中值粒径也沿程变细;1991~2002年长江干流各站径流量变化不大,输沙量明显减少;2003～2010年长江上游来沙减小趋势仍然持续,加之三峡水库蓄水拦沙作用,坝下游输沙量大幅减小,悬移质泥沙粒径沿程变粗,至监利站粗沙量已基本恢复到蓄水前的水平。三峡水库蓄水运用后,长江中下游径流年内分配、泥沙来源和地区组成均发生新变化;荆江三口分流分沙量继续减小,洞庭湖湖区淤积减缓;三峡工程蓄水运用不仅改变了长江上游与中下游的冲淤环境,而且也进一步促进了长江中游江湖泥沙分配格局的调整。     

长江上游近期水沙变化特点及其趋势分析

对长江上游主要控制站水沙量进行了统计分析。近期长江上游水沙变化特点主要表现为:与1990年前相比,1991-2002年宜昌站年均减少沙量约1.3亿t;金沙江屏山站年均增加沙量约0.35亿t,其占宜昌站的百分数由51.8%增加到71.9%;嘉陵江北碚站年均减少沙量约0.985亿t,占宜昌站的百分数由25.7%减小至9.1%。采用滑动平均法以及Spearman秩次相关检验和线性回归检验等方法,对屏山、北碚和宜昌等3站水沙变化趋势进行了分析,分析结果表明:宜昌站径流量无趋势性变化,但输沙量有减小趋势;北碚站水沙减小趋势均较为明显;屏山站径流量无趋势变化,但输沙量有一定的增大趋势。另外还对影响长江上游水沙变化的降水量、水土保持措施、水库拦沙以及人类活动增沙等主要因素进行了分析。     

黄河干流泥沙优化配置综合评价方法

按照泥沙优化配置评价指标应满足的科学性、系统性、层次性、代表性、定量性和可比性等筛选原则,初步构建了黄河泥沙配置评价指标体系框架,针对黄河泥沙空间优化配置的技术子目标和经济子目标,筛选了河道平滩流量、"二级悬河"高差、入海排沙比、水库拦沙投入、人工(机械)放淤投入和排沙入海投入等6个主要评价指标,提出了各个评价指标和综合评价函数的计算方法,并提出了黄河泥沙配置方案的综合评价方法。通过对12个黄河泥沙空间优化配置方案进行综合评价,建议了较优的配置方案。方案中各种配置方式平均配置沙量比例分别为:水库拦沙量41.0%、河口造陆沙量18.0%、深海输沙量17.8%、引水引沙量10.4%、人工(机械)放淤沙量6.9%、主河槽冲淤沙量3.8%、洪水淤滩沙量2.1%。     

1958—2015年长江口水下三角洲地形演变特征及趋势

基于近期流域减沙背景下长江口水下三角洲地形的演变特征与趋势,选用1958—2015年覆盖面积超过7 000 km2的长江口实测水下地形数据,在Surfer软件支持下开展水下三角洲地形冲淤分析,探讨了水下地形演变影响因素。结果表明:1958—2015年,长江口水下三角洲经历了淤积—平衡—剧烈波动3个阶段;持续的流域减沙已导致10 m等深线以浅区域从2009年开始进入净侵蚀状态;流域来沙锐减与极端气候引发的口外及邻近海域对河口泥沙的补给是近年长江口水下三角洲冲淤变化剧烈的主要原因;长江口向外海年均输送泥沙量可能低于1.20亿t,与近年流域年均来沙量较为接近,未来长江口水下三角洲有望逐渐进入整体冲淤平衡状态。     

金沙江流域水库拦沙效应

水库拦沙是金沙江下游沙量减小的主要原因,对三峡水库的入库水沙条件产生了重要影响。为了系统掌握金沙江流域水库拦沙情况,基于1956年以来流域内水库及实测水沙资料,采用经验公式、典型调查以及输沙平衡原理相结合的方法,对近60年不同阶段金沙江中下游的水库拦沙情况以及水库建设对金沙江流域减沙贡献权重进行了定量研究。结果表明:1956-1990年、1991-2005年和2006-2015年水库拦沙对屏山站的减沙权重分别为0.3%、48%和83%,可见水库拦沙作用逐步增强;1956-2015年,金沙江流域水库年均拦沙0.310亿t,其中大型水库拦沙量占总拦沙量的89%,尤其是2011年以来,随着金沙江中下游以及雅砻江梯级水库群的陆续建成,流域内水库群年均拦沙量达1.92亿t,对屏山站同期年均输沙量的减少权重在90%以上。     

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。     

渭河上游典型小流域水文特征差异性分析

根据渭河流域两个典型小流域的实测水文和气象资料,分析了不同气候和下垫面条件的流域水文特征及其差异性.结果表明:清源河和牛谷河流域的年平均气温呈上升趋势,降水、径流、泥沙、降水径流系数均呈减少趋势;两个流域的降水、径流和泥沙历年变化不一致,1998-2013年清源河流域降水量相对牛谷河流域减少了8.6%,1993-2013年牛谷河的径流相对减少了21.4%,2000-2013年清源河的泥沙相对减少了24.0%;两个流域的面积、河长、海拔、植被覆盖率等流域特征值相对差在-29.4%~-4.5%之间,气温、降水等气候特征值相对差在-27.4%~16.7%之间,而径流特征值相差较大,相对差在-90.2%~-84.7%之间,泥沙特征差异性更大,相对差在292%~347%之间.对气候、下垫面和人类活动对水文要素的影响进行了研究,受人类活动的影响,清源河流域1996-2013年年径流减少11.6%,牛谷河流域1993-2006年年径流减少25.9%,2007-2013年再减少10.5%,研究人类活动的调水减沙效应,对流域综合治理、生态环境建设具有一定的指导意义.同时,充分利用不同小流域实测水文气象数据,分析水文气象要素的变化规律,可以为分布式水文模型研究和中小河流洪水预警预报提供重要依据.     

1961-2015年青藏高原降水量变化综合分析

降水量及其季节分配与降水形式变化一直是全球气候变化研究的热点之一。使用青藏高原72个气象站点1961-2015年的逐日降水量资料,基于趋势、波动特征和极端事件相结合的新视角,全面剖析了该地区近55年降水量的趋势、波动与极端事件变化。结果表明：（1）时间上,近55年青藏高原年降水量、年最大日降水量和一年中日降水量≥ 10 mm的天数分别以6.59 mm·（10a）^-1、0.33 mm·（10a）^-1和0.26 d·（10a）^-1的速率显著增加,增幅分别达到36.2 mm、1.8 mm和1.4 d。（2）空间上,过去55年青藏高原绝大部分地区年降水量增加,不稳定性增强。但波动变化存在较大的地区差异,广大的中西部地区年降水量波动缓慢增强,而高原东部地区自北向南波动快速增强区与快速减弱区相间分布,极端降水强度与频数亦有类似的变化格局。（3）趋势、波动与极端变化三者组合预示,青藏高原东部的祁连山地区、柴达木盆地东部、青海湖流域与长江源区极端降水事件将明显增加,高原中西部地区发生强降水的可能性亦增加,而高原东南缘地区干旱事件将增多。     

Flow and high sediment yield from the Huangfuchuan watershed

This study deals with general features of sediment transport in the Huangfuchuan river, an important branch river of the Yellow river, draining the Loess Plateau in China. The long-term precipitation records at 3 climate stations near the watershed have been used to assess the changes in precipitation in this region. By introducing metrics for runoff and sediment transport, long-term observations on discharge and sediment concentration at the Huangfuchuan gauging station on the Huangfuchuan river have been used to assess the changes in runoff and sediment transport in the Huangfuchuan River compared with those at the Toudaoguai and Fugu gauging stations on the Yellow river. It is found that both runoff and sediment metrics have a clearly downward trend. From July to August, the long-term sediment transport modulus at the Huangfuchuan gauging station is much higher than those at the Toudaoguai and Fugu stations on the Yellow river. The long-term average sediment transport modulus at the Huangfuchuan gauging station are high, ranging from 14000. t/(km² y) but decreasing to 5900 t/(km² y) over the last 10 years. Additionally, analyses on grain size distribution of suspended load in the Huangfuchuan and Yellow river have been conducted.     

Temporal and spatial variability of sediment flux into the sea from the three largest rivers in China

The Yellow, Yangtze and Pearl Rivers supply over 90% of the sediment flux from China to the western Pacific Ocean. Trends and abrupt changes in the water discharge and sediment load of the three rivers were examined and compared based on data updated to the year 2011 at the seasonal and annual scales. The total water discharge from the three rivers shows a statistically insignificant decreasing trend with a rate of 0.62 × 10⁹ m³/a, and the total sediment load shows a statistically significant decreasing trend at a rate of 31.12 × 10⁶ t/a from the 1950s to 2011. The water discharge of the entire Yellow River and the upstream portion of the Yangtze River shows significant decreasing trends, and that of the mid-lower stream of Yangtze River and the entire Pearl River shows insignificant trends. The sediment loads in the three river basins all show significant decreasing trends at the annual and seasonal scales, and a dramatic decrease in the 2000s resulted in a more obvious decreasing trend over the studied period. From the 1950s to the 2000s, the contribution of sediment flux from the Yellow River to the ocean decreased from 71.8% to 37.0%, and the contributions of the Yangtze and Pearl Rivers increased from 24.2% and 4.0% to 53.0% and 10.0%, respectively. Inter-annual variations in water discharge and sediment load were affected by climate oscillations, such as the El Niño/Southern Oscillation, and the long-term decreasing trend in sediment load was primarily caused by human activities. Dam constructions and soil conservation projects were the major causes of sediment reduction. From the 1970s to the 2000s, the decrease in total sediment load from the three rivers caused by climate change and human activities was 2.24 × 10⁸ t/a (23.0%) and 7.5 × 10⁸ t/a (77.0%), respectively. In the coming decades, the sediment flux from the three rivers into the sea will decrease further with intensifying human activities, resulting in many challenges for the management of river basins and river deltas.     

黄河源区气温变化特征及预估分析

利用黄河源区青海段9个代表性站点1961-2017年逐日气温资料和未来RCP4.5排放情景下的预估数据,分析和预估了黄河源区年平均、年平均最高、年平均最低和极端气温变化特征。结果表明：近57年来年平均最高、年平均、年平均最低气温均呈显著上升趋势且倾向率依次增大。年平均气温和年平均最高气温在1997年存在显著突变。通过分析1961-1997年、1998-2007年以及2008-2017年阶段性变化可知,年平均气温持续上升,年平均最高气温先上升后趋于稳定,而年平均最低气温升温速率在1998-2007年最大,2008-2017年升温速率较1998-2007年有所降低。暖昼日数持续增多,霜冻日数和冰封日数持续减少,冷夜日数在1998-2007年减少速率最低,近10年来减少速率增大。未来33年黄河源区年平均、年平均最高、年平均最低气温和极端暖事件均呈明显的增加趋势,极端冷事件呈减少趋势。对黄河源区过去和未来气温变化规律进行了探讨,将为该区域气温变化对策的制定与实施提供理论依据。     

Impact of climate change and human activity on flow and sediment of the rivers — the Yellow River (China) example

The Yellow River, China is known for its extremely heavy sediment load, about 8 times that of the Mississippi and very small flow, only 8% of that of the Mississippi.As to the prediction of climate change at regional level precision is subject to great uncertainty, human activities will have more significant effect on changes of flow and sediment of the river over the next 20 years. Owing to the development of irrigation and industry (particulary energy industry) and possible success of soil conservation in the Loess Plateau, it is expected that the flow of the Yellow River to the sea will be reduced to about half of the present amount and the sediment load decreased 4–5 × 10⁸ tons/yr.Project Coding: SCIEL 21193111     

嘉陵江不同区域场次洪水输沙规律

对于雨洪河流,河流年输沙量主要来源于1场或几场高强度暴雨洪水过程,开展流域次洪输沙规律研究对认识流域水沙变化特性、提升流域产输沙的预测能力具有重要意义。利用嘉陵江流域小河坝站、罗渡溪站、武胜站及北碚站的历年场次洪量与输沙量资料,基于径流侵蚀功率理论和M-K分析等方法,系统分析了嘉陵江不同区域的次洪输沙特性。结果表明:嘉陵江流域汛期洪量和输沙量主要来自于嘉陵江干流;嘉陵江不同区域场次洪量均呈不显著减少趋势,次洪输沙模数（输沙量）总体呈显著减少趋势,但小河坝站2013—2020年次洪输沙模数（输沙量）呈显著增加趋势;随着径流侵蚀功率的逐渐增加,各区域不同时段的次洪输沙模数（输沙量）的变幅逐渐减小;嘉陵江干流区武胜站场次洪水输沙过程受人类活动影响最大、渠江罗渡溪站次之、涪江小河坝站最小;受汶川地震及强降雨等影响,小河坝站和北碚站2013—2020年次洪输沙量较1999—2012年有一定程度增加,但北碚站增幅小于小河坝站。