黄河流域输沙量变化的综合分析

《International Soil and Water Conservation Research》：Synthesis analysis of sediment load changes in the Yellow River Basin

　　

评估黄河流域（Yellow River Basin, YRB）输沙量（sediment load, SL）的时空变化及其驱动因素，是实现科学治理与精准管理的基础。本研究利用1950年代至2021年间110个水文测站的观测资料，量化了黄河流域不同河段SL及泥沙收支（sediment budget）的时空动态。研究采用融合机器学习（machine learning）与负荷估算模型（LOADEST）的混合框架，重建自然SL，并区分气候变化与人类活动的影响。结果表明，除源区外，干流及大多数支流年SL均呈持续且显著下降趋势。黄河流域中下游的降幅最为显著，2000—2021年相较于1950年代—1968年，SL约下降86%–92%。兰州—头道拐河段表现为泥沙淤积，而头道拐—潼关河段则呈现有利于下游排沙的源—汇动态。由三门峡水库和小浪底水库实施的水沙调控方案（Water–Sediment Regulation Scheme, WSRS）显著增强了下游冲刷作用，自2002年以来导致花园口至利津河段输沙显著增加。2002—2021年间，包括水库建设以及水土保持措施在内的人类活动对黄河流域SL减少的贡献约为77%–83%。可持续生态修复与泥沙调控策略对于提升水资源利用效率、维持或恢复生态系统平衡以及推进黄河流域整体可持续发展具有关键意义。这些发现可为长期生态修复与泥沙管理提供重要参考。

该文发表于《International Soil and Water Conservation Research》，围绕黄河流域（Yellow River Basin, YRB）输沙量（sediment load, SL）长期演变及其驱动机制开展了系统综合研究。河流是陆源物质向海洋输送的主要通道，泥沙输移不仅影响流域侵蚀—沉积过程，而且深刻制约河道地貌、三角洲演化以及流域生态安全。黄河作为中国第二大河流，具有来水少、含沙高、水沙关系高度不平衡的典型特征，尤其是中游黄土高原区土壤可蚀性强、暴雨侵蚀显著，使黄河成为全球输沙特征最突出的河流系统之一。长期以来，高输沙量与下游淤积导致黄河流域频繁遭受洪涝和河床抬升风险。自20世纪50年代以来，流域内持续实施水土保持、梯级水库建设、河道整治及灌溉引水等人为干预，黄河输沙格局因此发生深刻变化。然而，既有研究多聚焦于局部河段或子流域，对于全流域尺度上干支流输沙变化、泥沙收支格局及气候变化与人类活动相对贡献的综合认识仍然不足。因此，开展黄河流域长时序、全流域的输沙量综合分析，对于流域生态修复、泥沙调控和高质量发展具有重要科学意义。

研究人员基于1950年代至2021年的长序列观测资料，对黄河流域干流和主要支流输沙量变化进行了系统刻画，并进一步分析不同河段泥沙收支特征，重建自然输沙量过程，识别驱动SL变化的主导因素。研究表明，除源区外，黄河干流及多数支流输沙量均显著下降，且中下游降幅最大；兰州—头道拐河段以淤积为主，头道拐—潼关河段整体维持近动态平衡并有利于下游排沙；2002年后，WSRS显著强化了花园口—利津河段的冲刷输沙作用。归因结果显示，近二十年来人类活动是黄河流域SL下降的绝对主导因素，贡献约77%–83%。研究进一步指出，流域生态修复和水沙联合调控需统筹推进，以实现水资源高效利用、河道冲淤平衡维持及流域生态系统可持续管理。

研究采用的关键技术方法主要包括以下几类：首先，基于黄河流域110个子流域/测站的月尺度和年尺度水文泥沙观测数据，使用Mann–Kendall检验与Sen斜率（Sen’s slope）分析SL长期趋势及变化幅度；其次，利用泥沙收支分析（sediment budget analysis）识别不同河段的侵蚀—淤积格局；再次，构建融合支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、多层感知机（MLP）与LOADEST模型的混合框架，以1950年代—1968年为基准期重建自然径流与自然SL，并据此开展气候变化和人类活动归因分析；模型训练与测试采用80%/20%数据划分，并以贝叶斯优化（Bayesian optimization）和留一交叉验证进行参数寻优。

4.1. Sediment load in the tributaries
研究人员首先分析了黄河主要支流SL的空间差异与阶段变化。结果显示，上游支流SL总体低于中游支流，但黄土高原西部部分支流仍具有较高输沙强度。例如，祖厉河和洮河SL较高，其中祖厉河单位面积输沙量（specific sediment yield, SSY）最高。中游泥沙主要来源于粗泥沙集中来源区，尤其集中在头道拐—龙门和龙门—潼关区间，多条支流如窟野河、无定河、延河、泾河和渭河为干流输入了大量泥沙。分时期比较表明，几乎所有支流SL均呈显著下降趋势，且表现出明显台阶式衰减，说明流域尺度减沙效应广泛存在。到2000—2021年，多数支流SL较1950年代—1968年已下降至原有水平的一小部分。

4.2. Sediment load along the mainstream
干流分析表明，黄河SL在空间上表现出由源区向中游快速增加、在下游再逐步输出的格局，在时间上则呈现显著阶段性下降。源区唐乃亥站SL较低，且1950—2021年间未表现出显著下降趋势，说明该区变化较弱。自兰州以下，尤其在梯级水库修建后，干流SL明显下降。中游因黄土高原大量支流汇入，SL在头道拐以下急剧增加，并在潼关附近达到高值，但2000年后主要干流站点平均年SL较基准期下降幅度普遍达到80%以上。下游各站SL同样显著降低，且1968年前后及1999年前后存在明显台阶式变化，对应大型水库建设和小浪底水库运行阶段，反映出工程调控对干流水沙过程的深刻重塑。

4.3. Basin-scale sediment load variations
在流域尺度上，SSY表现出显著空间异质性。1950年代—1968年及1969—1986年，黄河中游多个子流域SSY超过15000 t km^-2 yr^-1，是全流域最强的产沙区；1987—1999年后多数区域明显下降；到2000—2021年，大多数子流域SSY已降至5000 t km^-2 yr^-1以下。研究还比较了不同干流站点SL与径流量（streamflow, Q）的关系，发现源区和部分上游站点SL与Q仍保持较强线性相关，而多数中下游站点二者关系明显弱化，提示在强烈人类干预下，水沙过程已出现显著解耦。总体上，SL下降幅度大于Q，悬移质含沙量（suspended sediment concentration, SSC）在各站均持续降低，并在2000年后维持极低水平。

4.4. Sediment budget analysis
泥沙收支分析揭示了不同河段的侵蚀与淤积格局。唐乃亥—贵德及贵德—兰州河段在大型水库建设后，输沙输出/输入比值明显降低，表明水库拦沙导致河段淤积增强。兰州—石嘴山河段在2000年后逐渐由淤积转向冲刷，而石嘴山—头道拐河段在整个研究期内普遍表现为明显淤积。头道拐—潼关区间输出/输入比值总体接近1.0，说明干流处于近动态平衡状态，支流来沙可较有效地下传。潼关—花园口河段长期表现为显著淤积，主要与河床坡降变缓及三门峡、小浪底水库淤沙有关。花园口—利津河段的泥沙收支年际波动大，2002年以前以淤积为主；WSRS实施后，该河段发生显著冲刷，2002—2021年共冲刷输出泥沙632.391 Mt，显示水库联合调度显著提升了下游输沙和排沙能力。

4.5. Attribution analysis with reconstructed sediment load
为定量识别气候变化与人类活动对SL变化的贡献，研究人员将1950年代—1968年设为基准期，构建混合模型重建自然SL。模型比较结果表明，随机森林（RF）与LOADEST耦合的框架表现最佳，在训练和测试阶段均具有较好拟合精度。重建结果显示，基准期模拟值与实测值高度一致，支持该时期受强烈人类扰动较小的假设。归因分析表明，SL减少的主导因素为人类活动，且其贡献具有明显时空差异。兰州以上上游区域，人类活动对减沙的贡献最高；中游各河段人类活动贡献普遍超过60%，并在2000年后提高至76.87%–82.80%；下游则因WSRS运行进一步放大了人为调控对输沙过程的影响。总体而言，2002—2021年间人类活动对黄河流域SL下降的贡献约为77%–83%。

讨论部分进一步从成因机制与管理启示两方面深化了解释。首先，在驱动机制上，黄河源区自然条件严酷，人类活动相对有限，因此SL变化主要受气候变化控制，但研究期内源区SL并未表现出显著变化。相比之下，中游黄土高原地区SL变化主要受人类活动支配，具体包括土地利用变化、水土保持措施、大规模植被恢复、水利工程建设以及引水耗水等，这些过程通过改变下垫面条件、拦截泥沙和削弱输沙能力，持续压低输沙通量。其次，在水土保持效应方面，梯田（terraces）、淤地坝（check dams）、退耕还林还草（Grain for Green）及其他生态恢复措施显著减少了坡面侵蚀和沟道来沙。到2021年，黄河流域已形成大规模综合治理格局，显著提升了植被覆盖并改变了土地覆被结构。再次，在水库效应方面，干支流大量水库的长期拦沙重塑了黄河水沙关系，尤其上游梯级水库拦沙效率极高，而小浪底等枢纽通过WSRS又在一定程度上增强了下游冲刷输沙。最后，论文指出输沙持续衰减虽有助于减轻下游淤积和防洪风险，但也削弱了三角洲泥沙补给能力，影响河口湿地与三角洲稳定，因而黄河流域未来管理必须在生态修复、泥沙调控、河道稳定与河口生态安全之间维持动态平衡。

研究结论部分可概括为：本研究基于黄河流域长时间序列输沙资料，系统揭示了流域输沙格局及其时空变异特征。总体上，除源区外，黄河干流及支流均呈持续而显著的减沙趋势，减沙区域主要集中于中游。通过混合框架重建自然输沙量后发现，近二十年来人类活动对黄河流域减沙的贡献约为77%–83%，主要通过两条途径发挥作用：一是借助生态恢复、梯田和淤地坝等水土保持措施减少产沙；二是通过水库拦沙削弱河流泥沙输移。高强度人类活动已显著改变整个流域系统，因此黄河流域可持续发展有赖于主动的人类干预。基于此，研究提出需要实施流域尺度一体化生态修复与水沙调控策略，以优化水资源利用效率、恢复生态平衡并促进黄河流域可持续发展。