罗玉沟流域水沙变化趋势及影响因素

[目的]探讨小流域水沙变化趋势及影响因素,为黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理和水土保持措施布设提供参考依据。[方法]采取Spearman秩次相关检验方法、累积距平法和双累积曲线法等对黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域1986—2016年降水量、径流量和输沙量变化趋势和演变过程进行分析。[结果](1) 1986—2016年罗玉沟流域年降水量趋势性变化不显著;流域年径流量和年输沙量变化具有明显的阶段性,以1993年为界,年径流量和年输沙量呈显著降低趋势。(2)降水和水土保持措施影响罗玉沟流域年径流量和输沙量,不同降水水平年,降水和水土保持措施对流域水沙变化的影响不同,水土保持措施使流域枯水年份径流量和输沙量减少最为显著。(3)水土保持措施对年径流量和年输沙量的减少贡献率分别为83.50%和80.97%。[结论]降水量变化不显著的情况下,水土保持措施对罗玉沟流域年径流量和年输沙量的减少起主导作用,水土保持综合治理对枯水年径流量和输沙量的影响幅度最大。

南方主要河流水沙变化及人类活动的影响

为了解我国南方河流的水沙变化及主要成因,利用Mann-Kendall检验法和水文量累积曲线法,分析了南方主要河流代表站径流量和输沙量的变化特征,探讨了影响南方河流水沙变化的主要因素。结果表明,长江、珠江、钱塘江和闽江等南方河流代表站年径流量都没有显著的变化态势;除钱塘江代表站外年输沙量都有显著减少趋势;钱塘江2016—2020年为平水平沙期,2011—2020年为平水多沙期,其他河流2016—2020年和2011—2020年均为平水少沙期;影响南方河流水沙变化的人类活动包括水库拦沙、水土保持措施、河道采砂、流域过度建设等,其中水库拦沙是南方河流减沙的主要措施,水土保持措施在南方河流减沙过程中发挥了重要作用,河道采砂对河道减沙也发挥了一定的作用。

黄河流域水沙变化的文献计量分析

随着气候变化和人类活动影响的加剧,我国水沙情形所面临的挑战更加严峻。为研究我国黄河流域水沙变化情形的热点及发展趋势,借助CiteSpace可视化分析方法,对中国知网上1966—2022年间的1 907篇相关文献进行可视化分析,绘制出作者、机构及关键词等图谱,并对其展开分析,结果表明:(1)自2000年开始,水沙变化的研究量逐渐呈上升趋势,形成了较为密切的学术团队,且有着良好的合作关系;(2)中国科学院水利部水土保持研究所、河海大学水文水资源学院和中国科学院大学是该领域发文较多的机构;(3)水文模拟、黄土高原、土壤侵蚀及径流是出现次数较多的关键词,这表明当前的研究侧重于这4个方面;(4)当前的研究热点主要聚焦在黄河流域水沙变化的归因性分析及驱动机制的研究两个方面。

黄河上游近60年水沙变化特征及其影响因素

由于受人类活动及气候变化影响,黄河上游干流水沙特征发生显著变化。为探究黄河上游水沙变化情况,基于黄河上游5个水文站19642019年水沙、遥感影像等数据,利用Mann-Kendall检验法、滑动t检验法、累积距平曲线和双累积曲线等突变检验方法和小波分析法,对黄河上游水沙变化特征进行研究。利用水沙关系曲线及线性回归法等方法估算人类活动和气候对水沙变化的贡献率,并着重讨论梯级水库建设及土地利用变化对水沙的影响。结果表明:1)黄河上游玛曲-小川段流域内降雨量和径流量变化幅度不明显,贵德站、循化站、小川站19862019年年均输沙量分别减至19641985年的9.8%、24.6%、38.8%,输沙量大大减少。黄河上游玛曲-小川段径流量突变多在1986年,输沙量突变多在1969、1986、2004年,径流量存在8、16、22 a周期,输沙量存在4~8、18~21、27 a周期。2)1969年后,河流输沙能力增强,水沙关系显著改变。在不同时段内,人类活动对径流量变化在19872019年贡献率为66.3%,对输沙量变化在19701986、19872004、20052019年的贡献率为72.96%、70.73%、69.7%。人类活动对黄河上游干流水沙影响占据主导因素。3)刘家峡水库淤积最为严重,单库运行期水库淤积量为2.39亿t,排沙比变化范围为1.39%~10.7%。梯级水库联调使得径流量在19642004年间减少47.8%,19642019年间梯级水库减沙94.8%,梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。4)19802020年间,草地面积增加了1880.03 km 2,增幅3.1%,有利于减少输沙量,草地拦沙效益大于截流效益。

羊信江流域水沙变化特征及其影响因素

为深入研究水沙变化对流域生态修复和经济可持续发展的影响,利用Mann-Kendall非参数趋势检验法、Pettitt突变检验法、Spearman秩相关系数法、累积量斜率变化率比较法对赣江上游羊信江流域1964—2020年的降雨量、径流量和输沙量的变化特征及其贡献率进行分析,确定影响流域输沙量变化的主要因素。结果表明:①羊信江流域在1964—2020年年降雨量和年径流量无显著变化,年输沙量呈显著增加趋势;②降雨量、径流量及输沙量年内分配不均,均多集中在汛期(3—6月份);③年降雨量、年径流量均未发生显著突变,年输沙量在1995年发生显著突变(P<0.01);④降雨和人类活动对输沙量增加的贡献率分别为-0.35%、100.35%。以稀土矿开采、脐橙种植、跨河公路修建为主的人类活动是导致羊信江流域水土流失的重要原因。研究成果对流域种植结构调整及矿产资源绿色开放具有重要的指导意义。

1986-2018年黄土丘陵区典型小流域不同水文年水沙变化

[目的]探讨黄土丘陵区罗玉沟典型小流域水沙变化趋势以及不同水文年径流输沙对水土流失治理的响应差异,量化降水和人类活动对流域水沙影响的相对贡献,以期为黄土丘陵第三副区流域水土流失治理和水资源管理提供参考。[方法]基于罗玉沟流域1986—2018年的降雨、径流、输沙等数据,采用Mann-Kendall检验法、累积距平法及双累积曲线法分析流域水沙变化趋势及驱动因素。[结果]1986—2018年罗玉沟流域河流由常流河转变为季节性河流,干河日数显著上升(p<0.01),2000年以来干河日数多在300 d以上;同期,罗玉沟流域径流输沙显著下降(p<0.05),与基准期1986—1993年相比,1994—2007年减水减沙率分别为61.9%,44.3%,2008—2018年径流输沙分别减少67.5%,76.4%;在2008—2018年平水年和枯水年间罗玉沟流域输沙模数分别为(1 080.0±107.5) t/km^(2),(167.8±111.4) t/km^(2),而在暴雨频发丰水年,输沙模数仍接近4 000 t/km^(2);流域产流产沙能力降低,水沙关系发生改变,相同径流条件下输沙量减少,即流域径流含沙量水平降低,开始变清;相比降雨变化而言,人类活动是流域水沙变化的主导因素,1994—2007年人类活动对减水减沙的贡献率分别为83.3%和79.5%,而2008—2018年人类活动的贡献率分别为91.8%,94.4%,表明流域水沙变化受人类活动影响越来越大,其中,坡改梯及退耕还林还草工程是主要影响因素。[结论]因沟道治理工程建设不足,罗玉沟流域在丰水年因沟道重力侵蚀导致流域输沙仍然剧烈,因此,需要加强沟道治理进一步减少流域水土流失。

水沙变化条件下不同边界弯曲河道演变特征研究

弯曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕动的动态特征,其形成、发展和演变是受多种因素综合影响的复杂过程。为研究水沙变化条件下弯曲河流的河道演变特征,采用自然模型法在室内水槽中塑造出相对自然的弯曲河道,设置有、无护岸措施两种工况进行模型试验。结果表明:在有护岸措施条件下,河道纵剖面上游段冲刷下切、下游段变化不大,河道整体比降呈减小趋势,河道深泓弯曲度减小,其演变响应特性对含沙量的变化更敏感;在无护岸措施条件下,河道滩槽演变调整作用较强,纵剖面呈整体式下切,且下游段纵剖面下切幅度较上游段大,河道深泓弯曲度逐渐增大,其演变响应特性对流量的变化更敏感。弯曲河道发生演变的实质是变化的水沙条件与河道形态调整之间相互适应的过程,演变的最终趋势是河道的形态结构与水沙条件达到相互协调的平衡状态。

水库运用对金沙江下游水沙变化的影响

大型水库运用后,金沙江下游水沙时空分布发生重大变化。本文基于金沙江下游干支流水沙观测资料,分析了下游流域水沙时空分布特性。1954-2021年,金沙江下游径流主要来源为金沙江中游及雅砻江,两者年均径流量为1150.73亿m^(3),占总来水量的80.75%;年输沙量主要来自下游区间,其年均来沙量为9943.17万t,占总输沙量的48.12%。运用Mann-Kendall突变检验、R/S分析以及双累积曲线法,分析水库运用对金沙江下游水沙变化趋势的影响。结果表明:1954-2021年金沙江下游水库运用对年径流量变化趋势无明显影响,而对流域年输沙量影响显著。金沙江下游出口水沙关系在1998、2010及2012年发生突变,主要原因为雅砻江、金沙江中游、下游干流上大型水库的拦沙运用,导致下游出口含沙量由1.82 kg/m^(3)逐步降低为1.31、0.86、0.01 kg/m^(3)。利用金沙江下游干支流水沙关系及沙量平衡原理,分别计算局部区间水库拦沙对流域总减沙量的贡献度。1998-2009年二滩水电站建成运行,金沙江下游出口总减沙率为35.16%,雅砻江水库拦沙对下游总减沙贡献度为32.88%;2010-2012年金安桥等中游水电站运行后,下游出口总减沙率为51.43%,金沙江中游、雅砻江、三堆子至白鹤滩区间和白鹤滩至向家坝区间对下游总减沙贡献度分别为21.54%、23.10%、30.67%、24.69%;2013-2021年金沙江下游梯级水库运行后,下游出口总减沙率为99.37%,4个区间对来沙量减少的贡献度分别为19.64%、14.72%、12.34%、53.30%。

基于决策树模型的黄河水沙变化预测

本文基于小浪底水库下游黄河某水文站2016—2021年的水流量与含沙量的实际监测数据,分别建立随机森林(Random Forest)、决策树(Decision Tree)和极端梯度提升(XGBoost)3种机器学习回归模型预测水流量和含沙量的走势,并对比3种模型的拟合效果。结果表明,与随机森林和极端梯度提升算法相比,决策树算法对水沙变化的预测效果更好,其能够有效拟合水沙变化的走势,对未来黄河流域的水沙治理有一定参考价值。

公路边坡不同治理措施水沙变化研究

通过监测2023年4-10月的5场侵蚀性降雨下公路边坡不同治理措施的径流量、泥沙流失量,分析比较了各种措施类型的水沙变化特征、减流减沙变化规律。结果表明:不同边坡治理措施径流量、泥沙流失量分别为237.56~5100.28 mL/m^(2)、0.23~5.40 g/m^(2),其中2023年7月30日产流产沙量为所有降雨日中最大。不同边坡治理措施的减流率、减沙率变化趋势不随降雨强度的增大而增大。地面坡度为30°时,圆孔砖植三七景天坡面的减流率、减沙率分别为36.11%~40.76%、50.25%~59.68%;地面坡度为35°时,打孔植紫穗槐坡面的减流率、减沙率(28.01%~33.25%、41.59%~45.88%)高于土工格栅植苜蓿坡面;地面坡度为40°时,打孔植紫穗槐减流率最大,达23.95%~30.89%,土工格栅植苜蓿次之,圆孔砖植八宝景天最小。雨强为中雨时,土工格栅植苜蓿减沙率最大,打孔植紫穗槐次之,圆孔砖植八宝景天最低。雨强为大雨时,圆孔砖植八宝景天减沙率最高,土工格栅植苜蓿次之,打孔植紫穗槐最低。

北部湾典型入海河流水沙变化及其对土地利用景观格局的响应

[目的]研究人类活动影响下中小河流水沙变化特征,为流域水土保持和航道水沙管理提供科学支撑。[方法]基于南流江、钦江流域1965—2021年近60 a的水沙数据和相关土地利用数据,利用景观指数、水沙突变检验等方法,分析景观格局对流域水沙变化的影响。[结果](1)南流江和钦江流域的径流量和输沙量呈逐渐下降趋势。输沙量下降趋势比径流量的明显,径流量和输沙量的突变点都发生在21世纪00年代。(2)钦江流域的林地比例由1990年的38%增加至2020年的41.6%,南流江的耕地向林地转移面积逐渐增大。退耕还林政策取得成效,水沙变化也呈现逐渐减少的趋势。(3)两个流域的水沙变化与景观破碎化程度呈负相关关系、与斑块聚集度呈正相关关系。[结论]总体上南流江和钦江流域内土地利用变化格局保持较稳定,水沙变化受土地利用变化影响较明显,因此相关部门应该继续加强对生态用地的保护和管理。为了防止水土流失,应该避免人类活动对景观格局的过度干扰,合理规划景观空间配置。

鄱阳湖流域水沙变化及出湖水沙模拟研究

自20世纪50年代以来,鄱阳湖流域气候发生显著变化,人类活动日益频繁,降水、产流能力和产沙能力都发生了明显变化。基于鄱阳湖流域“五河”入湖控制站以及湖口水文站数据,运用Mann-Kendall检验法和双累积曲线法确定了年输沙量突变时间点,再利用累积量斜率变化分析法量化降水、产流能力和产沙能力对鄱阳湖入湖沙量的影响;在此基础上,提出了变分模态分解、LSTM神经网络和完全逐步抽样技术等多方法耦合的水沙模拟模型及其评价方法,并建立了研究区域鄱阳湖湖口站水沙模拟模型。研究结果表明:不论是“五河”入湖沙量变化,还是湖区泥沙淤积量变化,以降水变化为代表的气候变化因素对其影响较小,主要影响还是来自人类活动因素;但在具体的变化规律上却存在差异,人类活动对入湖沙量的贡献率呈上升趋势,但对同期鄱阳湖湖区淤积沙量的影响贡献率则呈现先降后升的趋势。水沙模拟分析表明,湖口站出湖月径流量、出湖月输沙量的模拟过程与实测过程较为吻合,取得了较高模拟精度,湖口、星子站水位对模拟精度的提升贡献较小。

2011~2022年长江口水沙变化特征分析

为进一步探究长江口水沙变化规律,利用徐六泾水文站2011~2022年的水沙数据与2020年7月高洪测验数据,分析比较了长江口潮流量、含沙量及输沙量变化。结果表明:2011~2022年徐六泾站潮流量呈增长变化,输沙量则相反,这与流域内植被覆盖率、水利工程拦沙等有较大关系。潮流量、含沙量及输沙量在年内分配上均呈单峰形分布,主要集中在汛期,极值出现时间一致,2020年分配更为集中。徐六泾站悬移质颗粒主要组成为黏土和粉砂,受涨潮影响,枯季悬移质粒径大于洪季悬移质粒径。研究成果可为长江口综合开发治理及河口工程建设提供一定参考。

三峡水库蓄水后库区水沙变化及其生态环境响应特征

三峡水库举世瞩目,是长江保护与治理的关键性枢纽工程,水库自2003年蓄水运行后库区水沙条件均发生了显著改变,对库区水生态环境产生了深远影响。本文系统综述了三峡水库蓄水运行后库区的水流动力特性和泥沙淤积特性,总结了蓄水后水库的新水沙运动情况;从水库蓄水运行后水质参数特征,营养物质、重金属和典型有毒有机污染物的赋存特征等方面,分析了三峡水库库区新水沙变化条件下的水环境响应特征;基于水库蓄水前后浮游植物、底栖动物等重点生物群落的现存量和群落特征变化规律,探索了三峡水库新水沙变化条件下库区的水生态响应特征;最后对未来三峡水库运行下的水生态环境效应研究提出展望,本文可为三峡水库水生态环境保护科学研究和管理提供新的认识和决策参考。

未来30~50年新水沙情势下黄河流域生态保护策略研究——评《黄河流域水沙变化机理与趋势预测》一书

2023年秋,收到胡春宏院士等编撰的《黄河流域水沙变化机理与趋势预测》一书,仔细阅读后,受益匪浅。该书集胡春宏主持的“十三五”国家重点研发计划项目成果之大成,也是众多作者们既往科研工作经验和成果的凝练与升华。本人有幸参加了数次该项目的考察和咨询活动,认为书中的内容极为重要,值得推荐给有志从事河流水沙工作的年轻人和对黄河问题感兴趣的所有读者。

近30年苦水河水沙变化特征及成因分析

苦水河是宁夏境内重要的黄河一级支流,河流含沙量高,为了探究近30年来流域内水沙变化情势及其驱动机制,文章选取1989—2019年苦水河流域郭家桥控制站水文数据、吴中气象站降雨数据和Lansat系列卫星遥感数据,采用Mann-Kendall趋势检验、集中度分析、构建水沙关系曲线和土地利用转移矩阵等统计分析方法,分析了近30年苦水河流域水沙序列和水沙关系的变化特征。结果表明:(1)苦水河年径流(p<0.1)和输沙量(p<0.05)均显著减少。年径流和泥沙集中在5—8月,且输沙集中度很高。(2)分析水沙关系曲线,参数a有显著下降的趋势,表明流域内侵蚀程度降低。洪水场次下,顺时针和正“8”字滞回类型增加,显示河流输沙能力减弱,由短而急促渐渐转向平缓长久的输沙模式。(3)近30年苦水河流域内径流量和输沙量的减少,人类活动都是首要驱动因素,贡献度分别达到73.65%和95.67%。综上,流域南部山区大范围的农田转变为草地有效降低了苦水河流域上游来沙量,退耕还草措施对促进水土保持、协调水沙关系具有积极意义。

基于随机森林模型的茹河流域水沙变化及其影响因素研究

水沙关系不协调已成为制约黄河高质量发展的关键问题,揭示径流量与输沙量变化的主要影响因素,对适应生态经济发展条件下的水土流失治理工作具有指导意义。以茹河流域为研究对象,采用M-K检验和Pettitt检验分析茹河流域1989—2019年水沙变化趋势,运用双累积曲线法定量研究了降雨和人类活动对茹河流域径流量、输沙量变化的贡献率,通过随机森林回归分析探索了影响水沙变化的主控因子。结果表明:(1)茹河流域径流量和输沙量峰值对应情况良好,但在2012年之后径流量和输沙量呈现出明显分异,径流量逐渐增加,输沙量平稳减小。(2)茹河流域径流量突变点为1996年和2003年,输沙量突变点为1996年和2004年,影响期的两个阶段中,人类活动对径流量的贡献率分别为95.95%和77.52%,对输沙量的贡献率分别为78.31%和77.91%。(3)显著影响径流量的因子为农作物播种面积、耕地面积、草地面积和人口密度,显著影响输沙量的因子为植被覆盖度、水利环境投资占比、人口密度和工业总产值。(4)农作物播种面积和耕地面积的变化对径流量的影响均呈显著正相关,草地面积和人口密度对径流量响应关系为显著负相关;植被覆盖度、水利环境投资占比、工业总产值等因子与输沙量呈现出显著负相关关系。人类活动对水沙变化的影响复杂多变,仅在单因子作用情况下对径流量与输沙量的作用易受到限制,现阶段水土流失治理需要结合经济—生态—社会等因素进行综合治理。

1989~2019年黄河宁夏段支流水沙变化规律及其驱动因素

为明确黄河宁夏段典型支流水沙变化的主要驱动因素,基于清水河泉眼山站、红柳沟鸣沙洲站、苦水河郭家桥站实测水文资料,运用滑动平均法、Mann-Kendall突变检验和双累积曲线法分析典型流域的水沙变化趋势以及突变年份,运用累积斜率法、水文法和水保法对比分析水沙变化的驱动因素。结果表明:①1989~2019年,清水河、红柳沟和苦水河流域水沙变化均表现出减少趋势;相比来说,输沙量变化较径流量变化更显著,苦水河流域的水沙变化较清水河和红柳沟流域更显著。②人类活动在水沙变化中占据主导地位且贡献率逐渐增大;运用累积斜率法、水文法和水保法进行水沙变化归因分析,均表明人类活动是水沙变化的主要驱动因素,其中累积斜率法和水文法计算结果比较接近。③利用水保法对清水河流域进行水沙变化归因分析,发现人类活动中减水效益占据主导地位的是淤地坝和梯田,贡献率分别为42.9%、29.0%,减沙效益占据主导地位的是淤地坝,贡献率为94.5%。

2012-2021年长江源区水沙变化特征调查分析

长江源区地处青藏高原,气候条件恶劣,受技术条件限制,有关江源地区河流径流输沙资料较少。为了探究江源地区河流径流输沙情况,基于2012—2021年间水文站实测资料和14个野外观测点数据,分析了长江源区河流水沙时空变化特征。结果表明:①长江源区径流量与降水量、温度显著相关,输沙量与径流量相关系数达0.842,与降水量相关系数为0.610;②受气温、降水等因素影响,长江源区河流径流输沙呈现明显的空间分布差异,其中2018年、2020年、2021年同期流量较大,含沙量则在2019年6月最大;③长江源区各考察点悬沙中值粒径总体呈现增大趋势,床沙中值粒径普遍较大,通天河干流、布曲、尕尔曲床沙中值粒径最大,各河段年际间变化规律不一致。研究成果可对无资料地区河流的径流输沙规律认识提供参考,为长江源区河流保护提供技术支撑。

不同时间尺度濂水流域水沙变化及其驱动因素分析

为深入分析流域水沙变化特征及其驱动因素,揭示水沙变化机理机制。以赣南濂水流域为研究区,基于1965—2020年的水文气象数据和土地利用数据,在年尺度和场次暴雨尺度,利用Mann-Kendall检验法、累积距平法、水沙关系曲线、经验统计分析法等,分析水沙变化特征,建立不同时期水沙关系,并定量评估降雨变化和人类活动对水沙变化的贡献率。结果显示:(1)在年尺度,流域径流深、输沙量分别呈非显著下降和极显著上升趋势,突变年份分别为1998年和1995年。(2)与基准期相比,变化期不同时间尺度的径流深和输沙量波动更大,且水沙相关性均增强,表征外界人为干扰的参数(a)和河流本身输沙能力的参数(b)均增大。(3)在年尺度和场次暴雨尺度,降雨变化和人类活动对径流减少的贡献率分别为-1.1%,101.1%和30.2%,69.8%,对输沙增加的贡献率分别为0.5%,99.5%和-2.0%,102.0%。研究成果可为流域的水沙合理调控及生态可持续发展奠定基础。