北方主要河流水沙变异及其成因

为研究我国北方河流的水沙变异及主要成因,本文利用M-K检验法和水文量累积曲线法,分析了1950—2020年我国北方河流代表站径流量和输沙量的变化特征,探讨了影响北方河流水沙变化的主要因素。结果表明,淮河代表站年径流量没有明显的变化趋势,其他北方河流的年径流量具有减小或显著减小趋势;松花江代表站年输沙量无趋势变化,其他北方河流代表站年输沙量都有显著减少趋势;影响北方河流水沙变化的主要因素包括水土保持、水库拦沙、流域降水变化、引水引沙与泥沙综合利用、工程建设等,其中水土保持是北方河流流域保水减沙的主要措施,水库拦沙在江河水沙态势变异中发挥重要作用,流域降水变化也是北方河流水沙变异的影响因素,引水引沙与泥沙综合利用也对北方平原河流水沙变化发挥一定的作用。

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。

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%。

松花江流域输沙时空变化及其驱动因素

基于松花江流域多年输沙数据,利用M-K趋势检验与Pettitt突变检验分析了输沙时空变化特征,采用偏最小二乘结构方程模型定量区分不同因素对输沙变化的贡献。结果显示,嫩江中上游区和松花江干流中下游区输沙量的上升趋势与嫩江下游区、西流松花江和松花江干流上游区输沙量的下降趋势均达极显著水平(P<0.01),各区输沙量均存在显著突变。流域输沙模数呈西北低、东南高的空间格局,主要侵蚀产沙区包括嫩江上游及其下游支流、西流松花江各支流和松花江干流中上游区域。降水、径流、植被覆盖和水库为输沙变化的主导因素,其共同解释了三大子流域61.6%、71%和47.3%的输沙变化。明确了松花江流域输沙的时空格局变化及其驱动因素,为未来水土保持措施配置与极端暴雨侵蚀灾害应对提供科学依据。

皇甫川流域降水和人类活动对水沙变化的定量分析

采用线性趋势法、非参数Mann-Kendall趋势检验法、累积距平法及径流历时曲线法分析皇甫川流域1955—2010年水沙变化特征,通过水文分析法定量评价降水和人类活动对水沙变化的贡献率。结果表明:皇甫川流域径流量和输沙量均呈急剧减少趋势,尤其在20世纪80年代之后,减少更加显著,近10年(2000—2010)的平均径流量与输沙量相当于1950—1959年的约20%;皇甫站径流量和输沙量均在1979年发生突变;在变化期1980—2010年,人类活动对流域水沙变化的贡献占主导因素,约为70%,而降水所占比例为30%左右;自20世纪80年代始,大规模的水土保持措施(如退耕还林(草)、梯田建设、水库淤地坝等工程)等人类活动是流域水沙锐减的主要影响因素。

生态恢复对流域水沙演变趋势的影响--以北洛河上游为例

黄土高原生态环境恶劣,水土流失严重。选择退耕还林(草)程度非常显著的陕北吴旗县所在北洛河上游为研究区,探讨黄土高原丘陵沟壑区水土流失治理及大幅度退耕背景下流域水、沙等生态要素的演变规律,分析人类活动的影响贡献程度,为黄土高原生态治理及环境效应分析提供理论依据。结果表明:在1963—2009年期间年降雨量没有显著变化背景下,同时期流域年径流量和年输沙量均呈现极显著减少趋势,年均减少率分别为0.28 mm/a和180 t km-2a-1,其突变时间均发生在1979和2002年,具有很好的同步性。与1979年前相比,20世纪70—80年代水土流失综合治理以及1999年后退耕还林(草)的事件背景,使汛期和平水期径流量逐时段减少,而枯水期径流量反而持续增加。输沙量呈持续性大幅度减少态势,且其减少程度远大于径流量的变化程度。水土流失综合治理和退耕还林(草)工程实施等人类活动,对流域径流量减少的影响贡献程度分别为38.2%和51.4%,对输沙量减少的影响程度分别为74.7%和86.7%。研究结果提示,黄土高原生态环境的大幅度改善在区域尺度上已经表现出一定程度上削洪补枯的水文效应特征,以及林草措施减水更减沙的良好生物治理效果。

中国江河水沙变化趋势与主要影响因素

通过选定中国主要河流的代表水文站,分析了中国主要河流代表站总径流量和总输沙量的变化趋势。结果表明,全国主要河流代表站总径流量随时间没有明显的趋势性增加或减小,多年平均径流量为14090亿m3;年总输沙量在1960年前变化不大,1960年后逐渐减小,从20世纪50年代的26.43亿t减小至2001～2008年间的5.95亿t;平均含沙量则从50年代的1.74kg/m3减至2001～2008年间的0.46kg/m3。中国南方主要河流和主要内陆河流的代表站径流量没有明显的增加或减少趋势,北方河流代表站径流量除淮河、松花江外,具有明显的减少趋势;中国各主要河流代表站年输沙量除塔里木河外,都有不同程度的减少,其中北方河流的减小幅度较大。影响中国主要河流水沙变化的主要因素分为自然和人类活动因素,其中自然因素包括流域降雨量变化和流域下垫面条件;人类活动因素包括水土保持措施、水库工程、流域调水调沙及引水引沙、河道采砂等。

气候变化与人类活动对鄂尔多斯地区西柳沟流域入黄水沙过程的影响

为合理评价鄂尔多斯地区径流泥沙变化趋势及影响因素,以位于该地区的西柳沟流域为研究对象,利用1964-2012年该流域主要气象站和水文站的实测资料,采用线性趋势法、Mann-Kendall和Pettitt等多种非参数检验方法,对近半个世纪以来该流域典型洪水、年径流泥沙、年最大流量及最大含沙量变化过程进行系统分析。结果表明,西柳沟流域高含沙洪水发生的频率为74%;1980年之前,年最大流量及最大含沙量关系斜率为1.578 7,2000年之后,这一斜率值降为0.331 9,说明在相同流量的条件下,该流域发生洪水的含沙量减少为上世纪80年代的1/5;年径流与输沙量均呈减少趋势,其中1997年为突变点,突变年前后降雨变化不显著。90年代以来,水土保持、退耕还林(草)等政策相继实施,坝系工程、重点小流域治理成效突出,土地利用变化显著,说明人类活动,特别是水土保持和退耕还林(草)是影响该流域径流泥沙过程变化的主要因素。

长江上游水沙变化对三峡水库泥沙淤积的影响

1956-2015年通过宜昌站的径流量变化不大,输沙量却大幅减少至2003-2015年的43 mt/a,同期三峡水库拦沙率为75.8%。长江上游大型水库拦沙使三峡入库泥沙锐减,尤其是向家坝和溪洛渡水库运行后,2013-2015年的年均入库泥沙量较2003-2012年减少了64.8%,至71.4 mt/a,向家坝站年均输沙仅占入库总量的2.2%。三峡库区泥沙淤积呈不连续片状分布,主要分布在宽谷和弯道河段(D50<0.01 mm),且呈沿程细化,水库细沙淤积速度减缓但淤积率并未降低,细沙发生了絮凝沉积。

皇甫川流域1955-2013年水沙变化趋势与周期特征

为揭示黄河流域重要的产沙支流皇甫川在新时期水沙如何变化,采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验及Morlet小波变换,分析了皇甫川流域1955—2013年水沙变化的趋势、突变和周期变化特征。结果表明:在99%显著性水平下,皇甫川流域的年径流量和输沙量均呈显著减少趋势,且径流量的减少大于输沙量的减少,进入21世纪以来,水沙年际变异更为显著;径流量、输沙量序列一级突变点均发生在1984年,二级突变点有所不同,年输沙量序列突变时间(2003年)晚于年径流量序列突变的时间(1998年);水沙演化过程中均存在4个尺度的周期变化,分别为22~32,13~21,7~12,3~6a和23~32,13~22,7~12,3~6a;在径流量和输沙量整体减少的趋势下,2011—2020年径流量将处于相对偏丰阶段,而输沙量在2013—2018年将处于相对偏多沙时期。研究表明,皇甫川流域径流量和输沙量的减少是气候的暖干化和渐强的人类活动综合作用的结果,而大规模的水土保持措施是水沙减少的重要影响因素。

气候变化和人类活动对长江径流泥沙的影响研究

采用长江干流寸滩、宜昌、汉口和大通四个控制站的径流量和输沙量资料,应用Mann-Kendall检验、滑动t检验和有序聚类检验等方法,分析水沙变化趋势及突变特征,运用气候弹性系数法以及累积量斜率变化率法,定量分解气候变化与人类活动对径流泥沙的影响。结果表明:近60年来长江干流径流量年际变化相对平稳,而输沙量年际变化剧烈,四个站的年输沙量均呈现显著减少趋势,大多数站点的年径流量和年输沙量在1968年前后和21世纪初期发生了突变。变异Ⅰ期为1969-2002年,人类活动对四个站的径流量和输沙量变化的贡献率分别为31.98%~70.04%和75.40%~95.33%。变异Ⅱ期为2003-2015年,人类活动引起四个站的径流量和输沙量变化的贡献率分别为59.75%~80.04%和91.94%~99.17%,显示人类活动的作用强度增大。

黄河在调水调沙影响下的入海泥沙通量和粒度的变化趋势

基于1950—2013年的黄河水文泥沙资料,系统研究了黄河实施调水调沙以来入海泥沙在通量、粒度组成和时间分布上的变化特征,揭示了调水调沙影响下黄河入海泥沙的变化趋势。在2002年黄河实施调水调沙以来,6—11月平缓均衡的持续性高水沙量取代了调水调沙之前7—10月峰值尖瘦的汛期特征,汛期与非汛期差异减小,入海水沙通量的季节性特征显著改变。随着调水调沙的逐年实施,河床泥沙颗粒粗化,临界起动功率不断增大,而调水调沙期间的径流量峰值基本稳定,径流对下游河床冲刷效率不断降低,导致入海泥沙通量持续降低、泥沙颗粒变细。可以预见,黄河河口的淤积将会大大减缓,入海的泥沙将更多地沉积在远离河口的区域,维持河口三角洲叶瓣冲淤平衡的临界泥沙量将会加大。

清水冲刷不连续宽级配床面阻力特性及输沙规律试验研究(Ⅱ)——输沙规律

以天然河床中广泛存在的不连续宽级配床沙为例,开展了清水冲刷水槽试验研究。通过水槽试验对清水冲刷不连续宽级配床面推移质输沙率衰减规律、推移质级配及推移质输沙率的计算进行了分析与探讨,得到了清水冲刷不连续宽级配床面的一系列输沙规律,揭示了不连续宽级配床面与连续宽级配床面输沙规律的联系,为进一步认识不连续宽级配床沙提供了基础。

长江干流监利站水沙特性分析

监利河段位于长江中下游14个重点河段之一荆江河段的下段。根据对该河段代表水文站——监利水文站多年统计资料分析,监利站年径流量变化过程与年输沙量变化过程均呈不规则周期性变化,且以20世纪80年代末期为界,明显地分为2个阶段,2006年为长江枯水少沙年份,径流量、输沙量均为历年来最低值。监利站径流量年内分配与输沙量基本一致,均集中于汛期5-10月,且输沙量更为集中。水沙关联性分析结果表明,监利站来水来沙总体呈正相关性,即径流量越大,输沙量也就越大。监利站的水沙变化除了受长江上游来水来沙变化的影响外,下荆江裁弯工程、荆江三口分流分沙变化及三峡工程等水利枢纽建设,均是主要影响因素。

长江中游荆江监利河段水沙特性分析

对荆江监利河段的水沙特性进行了初步概括，以期抛砖引玉。根据监利河段代表水文站一监利水文站多年统计资料（1950－2006年），监利河段年径流量变化过程与年输沙量变化过程均呈不规则周期性变化，水沙过程变幅略大，2006年为长江枯水少沙年份，径流量、输沙量均为历年来最低值。河段径流量年内分配与输沙量基本一致，均集中于汛期5～10月。通过分析可知，监利河段来水来沙总体呈正相关性，即径流量越大，输沙量也就越大，而2000年以来年径流量序列与年输沙量序列无相关性，河段输沙量呈现明显减少趋势。监利河段的水沙变化除了受长江上游来水来沙变化的影响外，下荆江裁弯工程、荆江三口分流分沙变化、三峡工程等水利枢纽建设及洞庭湖出流顶托等，均是主要影响因素。

湫水河流域水沙变化现状及成因分析

根据湫水河流域林家坪水文站47年降水、径流、泥沙资料,利用水文法建立的模拟降雨径流模型和降雨产沙模型,在此基础上根据降雨资料建立了模拟天然径流量和模拟天然输沙量序列,对因降水变化和人类活动对河川径流及输沙量的影响进行了定量分析,并根据流域内主要的人类活动类型分析了水沙变化的原因。

1956—2017年黄河上游水沙变化及其驱动因素

为明确黄河上游径流输沙时空变化及其驱动因素,采用Mann-Kendall趋势检验、BFAST检验、水沙关系曲线以及双累积曲线等方法,分析黄河上游兰州断面以上4个水文站1956—2017年径流输沙变化及其驱动因素。研究表明:黄河上游唐乃亥站的年径流输沙呈非显著减少趋势,贵德、循化和兰州站的年径流输沙均呈显著下降趋势,且径流输沙的减少量沿程增加,趋势更为显著。黄河上游水沙变化的突变年份发生在1968和1986年,佐证了上游大型水利工程的显著调控影响。河流径流量变化较为平缓,最大减幅为20%;输沙量变化较为强烈,1987—2017年贵德、循化和兰州站减幅均>70%。不同时段的水沙关系曲线表明,黄河上游各站点水沙关系于1986年后发生显著改变,河道输沙特性发生明显变化,河道输沙量明显减少。不同时段内人类活动对输沙量减少的贡献率均>98%,对径流量减少的贡献均>63%。结果表明:人类活动是黄河上游水沙变化的主要驱动因素,大规模的水土保持措施与水利工程能够有效拦蓄泥沙,调控径流、输沙关系。

近60年黄河上游干流水沙变化及其关系

为明确黄河上游干流不同区间径流、泥沙的时空变化特征,采用Mann-Kendall检验法、Spearman秩相关系数法、累积距平法和小波变换等方法分析黄河上游干流唐乃亥至头道拐区间10个水文站1950—2012年的水沙变化与水沙关系特征。黄河上游干流大部分水文站的径流量和输沙量具有较好的正相关关系。各站年径流量和年输沙量在60余年间均呈现减少趋势,且大部分站点减少趋势显著。年径流量和年输沙量突变年份多发生在1968年、1985年、1986年和1989年。月径流量和月输沙量具有0. 5～1、3～5和7～9年的振荡周期。上游自上至下各站点代际径流量表现为先增大再减少的趋势,输沙量表现为逐渐增大的趋势。黄河唐乃亥至头道拐区间水沙减少趋势显著,大型水利工程建设、宁蒙灌区灌溉引用水、水土保持措施等是上游水沙变化的主要原因。

渭河流域极端降雨变化趋势及其对水沙情势的影响

为探究渭河流域极端降雨变化趋势及其对水沙情势的影响,采用非参数趋势检验、突变检验和连续小波变换诊断了渭河流域1960—2019年的极端降雨指数及径流输沙序列的变异特征,通过双累积曲线法和相关分析法定量评估了流域极端降雨对水沙变化的影响。结果表明:各极端降雨指数呈阶段性波动变化,总体上PRCPTOT,RX5day和RX1day呈不显著下降趋势,R95pTOT,SDII和FSPTOT呈不显著上升趋势。各极端降雨指数均存在以4~6 a,11~12 a,28~29 a为周期的变化特征。径流与输沙量均呈显著减少趋势,分别在1993年、1999年发生突变,其中径流存在5 a和12 a的周期。各极端降雨指数均与径流、输沙量正相关,相比之下,输沙量与各极端降雨指数之间的相关系数偏低。极端降雨变化对径流与输沙量的减少具有重要影响。其中,PRCPTOT对径流减少的影响最大(29.65%),其次是RX5day(25.68%)和FSPTOT(25.95%)。PRCPTOT对输沙量减少的影响也是最大的(10.02%),其次是RX5day(7.12%)。综上,渭河流域水沙情势的变化受极端降雨的显著影响。

近55年渭河流域降雨侵蚀力变化及对输沙量的影响

气候变化和人类活动是影响河川径流、输沙变化的主要原因。笔者基于渭河流域23个气象站1961—2015年日降雨量数据和水文站年输沙量资料,采用Mann-Kendall非参数性检验、双累积曲线和克里金插值等方法,对近55年以来渭河流域的降雨侵蚀力和输沙量的动态变化进行分析。结果表明:1)渭河流域近55年的平均降雨侵蚀力为1 685. 67 MJ·mm/(hm^2·h·a),研究时段内的降雨侵蚀力增加趋势不显著。2)渭河流域降雨侵蚀力的分布范围为292. 9~4 098. 9 MJ·mm/(hm^2·h·a),降雨侵蚀力的空间差异较大。流域多年平均降雨侵蚀力自东向西,由南向北呈逐渐减小趋势。3)渭河流域输沙量受降雨侵蚀力和人类活动共同影响:张家山站和咸阳站在20世纪90年代以后,人类活动对输沙量的影响较大,贡献率均> 100%。状头站在1980—1994年期间,人类活动的贡献率达到58%,进入21世纪以来,人类活动贡献率达到67%。本研究定量评价了渭河流域输沙量变化及对降雨侵蚀力和人类活动的响应,为未来区域水土保持措施配置、流域综合治理提供基础依据。