近百年来黄河年输沙量和径流量的变化特征
1 文章信息
文章题目：Variability of annual sediment load and runoff in the Yellow River for the last 100 years (1919–2018)
发表期刊：Science of the Total Environment（9.8/Q1）
发表时间：2021
作者：Hong Wang
摘要：曾经世界上最高的黄河输沙量已降至历史新低。黄河干流近100年( 1919-2018年)的年输沙量( ASL ,t·yr -1)表明，ASL在前60年持续较高，随后逐渐降低，直到1999年黄土高原退耕还林(草)工程的实施导致ASL急剧下降。年径流量在1919-2018年间的减少幅度不及ASL，而在中游地区则显著减少。随着拦沙坝、梯田和水库的建设，特别是退耕还林( GGP )启动后，黄河ASL已降至历史最低点。例如，1982-2016年黄河流域年平均归一化植被指数( Normalized Difference Vegetation Index，NDVI )显著增加，ASL随NDVI增加呈指数下降。尽管年降水量在黄河中具有稳定的行为，但影响侵蚀的日极端降水每增加7 %却没有改变ASL减少的趋势。因此，对黄土高原地区进行有效的治理可以控制黄河输沙量的变化趋势。变化环境中的侵蚀、输沙和径流受防洪和抗旱的影响，因此应更加关注这些水文过程。
2研究区域和数据
黄河是世界上最长的河流之一，曾经是世界上含沙量最高的河流。黄河径流和泥沙的来源区域不同。黄河泥沙主要来自头道拐至潼关水文站之间的中游河段，该河段90 %以上的泥沙来自中游河段，年径流量的30 %以下来自中游河段。超过60 %的径流和不足10 %的泥沙来自兰州站上游地区。因此，本研究使用1919 - 2018年黄河干流兰州、头道拐、龙门和潼关水文站的ASL和径流数据。渭河和延河位于黄土高原，是黄河的支流，并分析了其ASL的变化。渭河流域是黄河流域最大的支流，其水文控制站为华县，中游控制站为咸阳。采用咸阳站1934 ~ 2017年和华县站1935 ~ 2018年的ASL和年径流量。甘谷驿站是延河的水文控制站，具有1952 - 2018年的ASL和年径流量值。
3结果与讨论
3.1近100年来黄河年输沙量的变化
下图展示了1919 - 2018年黄河干流兰州、头道拐、龙门和潼关水文站的ASL。曲线在20世纪60年代末或70年代初之后逐渐向原点螺旋式上升。特别是1999年以后，螺旋式下降速度加快。
下表显示了不同时期的年平均输沙量。1919 - 2018年，兰州、头道拐、龙门和潼关站ASL平均值分别为0.74、1.10、7.60和11.30× 108t·yr -1。趋势分析表明，4个站点的ASL均呈显著下降趋势，平均下降速率分别为0.10、0.12、1.07和1.57 × 108t·yr -1。潼关水文站近10年( 2009 - 2018年)平均ASL为0.172 ± 0.33 Gt，控制了黄河90 %的ASL。各站近10年( 2009 - 2018年)平均ASL较其最大年10年平均值分别下降了82.37 %、76.30 %、90.31 %和90.42 %。与1919 - 1998年平均ASL相比，2009 - 2018年潼关水文站平均ASL降低了近90 %，比1999 - 2018年降低了80 %。
接下来，分析了渭河和延河中ASL的变异性。渭河咸阳站( 1934 - 2017年)和华县站( 1935 - 2018年)近84年的ASL结果表现出与黄河干流站点数据相似的螺旋式上升过程：20世纪60年代末或70年代初之后ASL逐渐向原点螺旋式下降，1999年之后螺旋式下降加速。延河的ASL ( 1952 - 2018年)也表现出类似的螺旋式上升。
研究发现，土壤贮水量的减少是由于产水量的减少、含沙量的减少和降水量的变化引起的；这三个因素对过去60年黄土高原黄河流域ASL减少的贡献率分别为58 %、30 %和12 %。此外，还分析了特定的人类恢复措施对产水能力和含沙量的影响。结果表明，梯田、淤地坝和水库等水土保持工程措施是20世纪70 - 90年代ASL减少的主要驱动力，而大规模的退耕还林工程在20世纪90年代以后发挥了主要作用。
3.2近100年来黄河年径流量的变化
下图为黄河兰州、头道拐、龙门和潼关4个水文站1919 - 2018年的年径流量。年径流曲线也呈螺旋式变化趋势，但与ASL的螺旋式不同，径流曲线并没有向原点螺旋式变化，尤其是在兰州站。此外，咸阳站和华县站84年以上的年径流量结果与黄河干流站呈现相同的螺旋状。延河年径流量( 1952 - 2018年)也表现出相同的螺旋式变化趋势。
1919 - 2018年兰州、头道拐、龙门和潼关站的年平均径流量分别为309.19、224.55、278.54和361.47×108m3·yr -1。趋势分析表明，兰州站年径流量没有统计意义上的显著变化，年径流量曲线是一个动态的循环。中游其他3个站点年径流量显著减少，平均减少速率分别为1.01、1.68和2.30×108m3·yr -1。近10年( 2009-2018年)各站年平均径流量较对应站年最大径流量( 1959-1968年)分别减少了14.33 %、32.16 %、40.79 %和44.32 %。最小年径流量( 1999-2008年)比1959-1968年分别减少了27.46 %、48.51 %、51.58 %和55.09 %。
基于4个具有连续观测数据的站点，分析了1919-2018年黄河年径流量的自相关性和平均平稳性。结果表明，大部分的自相关系数都在90 %的置信区间之外，大部分时段的30年和10年平均年径流量值都在90 %的置信区间之外。因此，1919 - 2018年黄河年径流量不具有平稳性。然而，前60年( 1919 - 1978年)的年径流量具有的平稳行为，1919 - 1978年的ASL也具有的平稳行为。
与ASL一样，年径流量受气候和人类活动的影响，但年径流量减少的比例小于ASL。主要原因是大坝或水库对径流(例如,峰值流量减少,基流量增加)的季节变化影响较大。
3.3黄河流域降水与NDVI变化
利用黄河流域172个站点的降水连续观测资料，分析了1959 - 2018年黄河流域年降水的平稳性。计算了1959 - 2018年各站年降水量的滞后1 ~ 50阶自相关系数。结果显示，87.79 %的站点滞后1期的自相关系数在90 %的置信区间内，86.05 ~ 97.09 %的站点滞后2 ~ 8期的自相关系数在90 %的置信区间内，表明黄河流域( 1959 ~ 2018年)降水的自相关性不可区分为零，存在自相关平稳行为。
计算了每个站点的平均平稳性。下图展示了1959 - 1988年和1989 - 2018年两个时段的30年平均降水量结果。其中98.84 %的站点数据在90 %的置信区间内。如果一个气候变量的均值在气候时间尺度上保持不变，则该变量被认为是平稳的。结合上述自相关平稳性的结果，我们可以得出黄河流域年降水量具有平稳性的结论。
将近20年( 1999 - 2018年)的降水变化与近60年( 1959 - 2018年)进行对比分析。黄河流域降水量近20年来变化不明显。黄河流域30年平均降水量变化为± 46.24 mm，占年平均降水量的10.19 %。为了使用降水量的历史数据，需要进一步假设相关时间序列的平稳性。黄河流域降水具有平稳性，利用历史数据作为水资源利用的依据是有价值的，也是可行的。
结果表明，大尺度的退耕还林工程对黄河流域的侵蚀控制和土壤贮水量的减少起到了主要作用。下图展示了1982 - 2016年黄河上游、中游和全流域年均NDVI的变化情况。趋势分析表明，年NDVI显著增加，上、中、全流域平均增加速率分别为0.017、0.034和0.025·10 yr-1。黄河中游地区NDVI值增加最快，在1999 - 2001年左右出现转折点，这与黄土高原地区1999年开始实施退耕还林工程相吻合。下图显示了潼关站和龙门站的ASL与整个黄河流域和中游地区年平均NDVI之间的关系。ASL随NDVI的增加呈指数下降。
尽管人类活动是ASL减少的主要驱动力，但在过去的几十年中，降水的变化和温度的升高对ASL的减少起到了重要的作用。黄河断流主要是由汛期几次短暂而强烈的暴雨造成的，甚至一次洪水过程的输沙量可占全年输沙量的70 ~ 80 %。随着气温的升高，黄河流域极端降水增多，但并没有改变ASL减少的趋势。
4结论
与1919 - 1998年的年均值相比，ASL在过去10年( 2009 - 2018年)和20年( 1999 - 2018年)分别下降了近90 %和80 %。ASL自20世纪60年代末或70年代初，特别是1999年以来急剧下降，直接下降到几乎为零，呈现"死亡螺旋"趋势。1919 ~ 2018年的ASL是不平稳的，虽然在前60年( 1919 ~ 1978年)是平稳的。随着20世纪60 ~ 70年代拦沙坝的修建，80 ~ 90年代小流域综合治理，特别是1999年黄土高原退耕还林还草工程的实施，黄河流域的缺水量达到了历史最低水平。
年径流、降水和植被与黄河ASL的变化密切相关。年径流量在过去100年也显著减少了( P < 0 . 01)，但没有像ASL那样表现出"死亡螺旋"的趋势。黄河流域年NDVI显著增加( P < 0 . 01)，ASL随NDVI增加呈指数下降。降水是黄土高原土壤侵蚀的主要驱动因素，土壤侵蚀受极端降水影响显著。年降水量表现平稳，而极端降水量每增温7 %，但并没有改变输沙量减少的趋势。近几十年来主要受人类活动控制的泥沙和径流是不具备的。因此，如果继续对黄土高原地区进行有效治理，黄河泥沙仍将保持较低水平。未来气温可能持续上升，极端降水事件将更强。此外，植被与水资源、种植植物与干层之间的矛盾，以及工程措施的使用寿命，使得黄土高原和黄河流域的治理需要更加重视。
