吉县站在黄河水沙演变规律及空间来源研究中取得进展

作者：吉县站  更新时间：2022-10-17

 一、研究背景

大型河流的水沙变化对社会经济发展以及水利工程建设有着重要的影响。定量分析大型河流的水沙时空变化及其驱动因素，对于改善流域管理方法和推进周边地区的可持续发展至关重要。近几十年来，由于气候变化和人类活动加剧的耦合效应，全球约30%的河流径流量发生了显著变化，约48%的河流（如多瑙河、密西西比河和黄河）的泥沙量显著减少。黄河是中国第二大河，自20世纪50年代以来，黄河的水沙量大幅锐减，水沙关系发生重大变化。黄河水沙量的大幅减少导致了严重的环境问题，如下游河道的萎缩以及河道排放洪水和泥沙的能力降低。因此，近年来黄河水沙变化及其影响因素引起了广泛关注。然而，结合多因素研究黄河水沙来源变化，特别是量化黄河不同河段不同时期水沙来源的研究仍有不足，迫切需要全面解析论多种因素对黄河水沙变化的影响。

二、研究结果

针对上述问题，吉县站魏天兴教授团队联合中国水利水电科学研究院等单位以黄河上游水土流失最严重的河段之一——黄河宁夏段为研究对象，阐明了近70年黄河径流输沙序列的变化趋势、突变年份和周期特征，结合支流贡献、河道冲淤、引水引沙等多种因素，量化不同河段不同时期水沙的空间来源，综合分析了不同人为活动(引水引沙、水库大坝建设和水土保持措施)对径流泥沙时空演变规律和空间来源变化的影响，并且量化了现阶段水土保持措施的减水减沙效益和阈值。

研究表明，近70年黄河宁夏段各水文站年径流量和年输沙量显著减少(p < 0.05)，且均于1986年左右发生突变，径流序列的主导周期约为29年，输沙序列的主导周期约为28年。1951-2020年不同时期影响径流来源变化的主导因子均为引水；1951-1985年影响输沙变化的主导因子为河道泥沙淤积，1986-2020年则变为支流汇入泥沙。此外，径流泥沙变化还受到人为活动的影响，如引水引沙、大坝和水库的建设、水土保持措施等，随着水土保持措施面积的增加，其减水减沙边际效益降低，即水土保持措施截留水沙的能力随着时间推移而逐渐变得饱和。因此，增加河流上游大型水利工程建设，提高水土保持措施的现有效益和建设质量标准，对保障流域可持续生态保护和高质量发展至关重要。

图1 黄河下河沿站、青铜峡站和石嘴山站年径流量(左)和年输沙量(右)小波系数实部等值线图和小波方差图

（注:图(a)至(f)中，横坐标表示年份，纵坐标表示时间尺度，图中的数字表示小波系数的实部）

图2 黄河宁夏段1951-1985年和1986-2020年径流泥沙空间来源

（注:(a)及(b)内的数字为多年平均径流量，单位为亿立方米；图(c)和(d)中的数字为多年平均输沙量，单位为亿吨）

图3 (a)不同水土保持措施累计面积变化 (b)累计径流量和累计输沙量与水土保持措施面积的响应关系

图4 水土保持措施的减水减沙边际效益

本研究成果以“Evolution patterns and spatial sources of water and sediment discharge over the last 70 years in the Yellow River, China: A case study in the Ningxia Reach”为题，于2022年在环境科学与生态学类TOP期刊Science of the Total Environment（IF=10.753）期刊上发表，吉县站学生缪今典为第一作者，魏天兴教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金，中国水利水电科学研究院专项研究项目和宁夏水利科技专项的资助。

作者：缪今典，魏天兴      审稿：张会兰      编辑：汪海娇

文章链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155952