黄河内蒙古段水文与沉积物的百年变化：趋势转变、驱动机制及归因量化

《Journal of Hydrology》：Hundred-year changes in water and sediment in the Inner Mongolia reach of the Yellow River: trend transitions, driving mechanisms, and attribution quantification

　　贾涛吴|肖敏刘|婷希刘|安军邓|海黄
内蒙古农业大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室，呼和浩特010018，内蒙古，中国

**摘要**
在气候变化和人类活动的共同影响下，黄河流域的水-沉积物过程表现出显著的演变特征。本文基于1919年至2024年间收集的内蒙古段黄河的水文和沉积物数据，采用趋势-突变-周期识别和分段诊断方法研究了水-沉积物关系。结合水库建设与运行、土地利用和植被指数的数据，分析了不同阶段变化的驱动机制，并量化了各因素的贡献率。研究结果包括：
（1）百年尺度上的径流和沉积物输送量总体呈显著下降趋势（p<0.01）。与高流量和沉积物期P2（1933–1967年）相比，多水库协同运行期P6（2014–2024年）各站点的年平均径流量减少了7.0–28.6%，而沉积物输送量减少了62.7–90.7%，尤其是在汛期减少更为明显。
（2）径流量在1933年、1969年和1986年发生了突变，沉积物输送量在2000年也发生了突变，这与上游水力工程的建设时期相吻合。周期分析显示，径流量存在38年、14年和7年的周期，而沉积物输送量则呈现2-4年、7-14年、22-24年和46年的多尺度波动特征。
（3）1968年后，水-沉积物关系从自然主导阶段（P1、P2）转变为受人类活动和气候共同影响的阶段。随后，人类活动成为影响现代水-沉积物过程的主要因素，其对径流的贡献超过55%，对沉积物输送量的贡献超过79%。
（4）梯级水库的建设对沉积物输送量的影响（主要在汛期）比对径流的影响更为显著。1980年至2020年间，森林面积（+10.8%）和草地面积（+1.3%）的扩大有助于减少沉积物。另一方面，建设用地面积的扩大（+37.1%）和归一化植被指数（NDVI）的持续增加（0.026/10年）导致蒸散量和生态用水量增加，成为径流量减少的重要因素。

**引言**
河流水-沉积物关系的变化是全球水文学和河流沉积学领域普遍关注的问题（Gao, 2010; Walling and Fang, 2003; Zhongbao et al., 2015）。在气候变化和频繁的人类活动影响下，水-沉积物过程表现出显著的非稳定性和周期性变化，这已成为国际研究的重点（Yan et al., 2015）。近几十年来，在气候变化（如全球变暖）和人类活动（如水库建设与运行、土地利用变化、水土保持项目）的双重影响下，世界许多河流的径流和沉积物输送量发生了显著变化（Barnett et al., 2005; Fan, 2012; Gu et al., 2018; Zhao, 2012）。目前，全球年径流量的约40%和年沉积物输送量的25%被水库拦截（Vorosmarty et al., 1997）。主要河流的年沉积物输送量呈现显著下降趋势（Walling and Fang, 2003; Xin et al., 2007）。全球河流系统的水-沉积物模式呈现出减少和重塑的显著特征。然而，黄河的水量和沉积物的急剧减少并非孤立现象，也是气候变化和人类活动协同作用的结果（Kong et al., 2015）。

黄河具有“水量少、沉积物浓度高”的特点。长期以来，水-沉积物关系不协调的问题一直存在。随着开发和利用的加剧以及气候变化的影响，黄河的水-沉积物过程及其沿河分布发生了显著变化（Hu et al., 2008; Shi and Zhang, 2013）。自20世纪50年代以来，黄河的水量和沉积物通量均呈急剧下降趋势（Gao et al., 2013; Wang, 2016; Wang, 2026; Yao et al., 2015），年际间波动剧烈且存在显著的周期性波动（Wang and Sun, 2021）。现有研究表明，黄河的水-沉积物变化受环境和人类活动的影响（Zhao et al., 2014b）。前者通过降水模式控制径流和侵蚀产沙量，后者通过水库群、取水与利用、土地利用变化以及水土保持措施系统性地影响水-沉积物过程。实证研究显示，1980年至1990年间径流量突然变化的主要因素是取水，而沉积物输送量的突然变化与水利工程密切相关（Miao et al., 2010）。同时，大规模的城市建设、水土保持措施以及退耕还林项目导致了土地利用模式和水-沉积物的变化。Gao et al.（2013）分析了黄河不同植被类型五个水文站的水文数据，发现水土保持措施和退耕还林项目平均使水-沉积物动态系数降低了24.5–70.6%。气候变化以多种方式影响径流和侵蚀产沙过程，其中降水变化是影响水-沉积物变化的最直接因素之一（Zheng et al., 2009）。1990年代的土地利用变化对径流量减少的贡献超过70%，而气候变化的贡献率仅为30%。因此，本文探讨了内蒙古段水-沉积物变化的关键驱动机制，并阐明了其周期性作用机制，这对科学和管理应用具有重要意义。

**研究区域**
黄河是中国第二大河流，全长5,464公里，流域面积79.50×10^4平方公里。本研究关注的内蒙古段全长842公里，位于黄河上游末端与中游起始部的过渡带，是黄河流域土壤侵蚀严重的地区之一。过去五年（2020–2024年）的平均土壤侵蚀面积为……

**方法**
**无趋势预白化Mann-Kendall（TFPW-MK）趋势检验**
Mann-Kendall（MK）趋势检验是一种广泛应用的非参数统计趋势检验方法（Kendall, 1949; Mann, 1945），常用于水文趋势识别，因为它不依赖于分布假设且对极端值不敏感（Gao et al., 2015）。由于水文序列通常具有自相关性，在进行MK检验前应用TFPW处理（Yue et al., 2002）以准确识别长期趋势变化。

**水-沉积物突变特征**
MK突变结果（α=0.05）显示，各站点的沉积物输送量和径流量的突变特征具有明显的时空异质性。SZS站点的年径流量在1924年发生了显著变化；BYGL站点的年径流量在1978年突然变化；SHHK站点的径流量和沉积物输送量分别在1982年和1981年突然变化；TDG站点在1983年检测到显著的径流量突变……

**气候变化对水-沉积物变化的影响**
内蒙古段水-沉积物过程的干湿交替演变受气候波动和人类活动的共同驱动。其年际和阶段性演变特征直接反映了驱动因素强度及其演变过程的时空差异（Shi et al., 2017）。作为径流的主要补给来源，降水的年际和年内分布对干湿状况具有决定性影响……

**结论**
本研究系统揭示了内蒙古段100年水-沉积物序列的阶段性变化、空间差异模式和驱动机制，量化了气候变化和人类活动的贡献率。主要结论如下：(1) 100年水-沉积物驱动机制发生了根本性的变化。在自然主导阶段（P1、P2），水-沉积物的变化表现出与CRediT作者贡献声明一致的湿干波动：吴家涛负责撰写初稿；刘晓敏负责审稿和编辑工作以及资金筹集；刘婷曦负责数据管理；邓安军负责调查；黄海负责数据可视化处理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
我们感谢国家自然科学基金（项目编号：U2443224）、内蒙古自治区教育专项基金项目（2025年）、国家自然科学基金（项目编号：52579067）、内蒙古自治区科技领军人才团队（2022LJRC0007）、内蒙古农业大学基础研究项目（BR22-12-04）以及一级学术学科专项研究项目的财政支持。