黄河泥沙未来变化趋势

王光谦 ，钟德钰 ，吴保生

（1.青海大学三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，810082，西宁；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，100084，北京）

一、黄河水沙变化特点

在气候变化和人类活动影响的逐步作用下，黄河径流、输沙发生了显著变化。以黄河控制性水文站潼关站为例，1919—1959年实测年均径流量为426.1亿m3，输沙量为15.92亿t，平均含沙量为 36 kg/m3；2000—2018年年均径流量大幅度减少至239.1亿m3，输沙量减少至2.44亿 t，平均含沙量为10 kg/m3，与1960年以前相比，水量减少44%，沙量减少85%。图1给出了潼关站径流量、输沙量变化情况，表1给出了不同时期潼关站水沙变化的统计特征值，可以看到黄河潼关站水量、沙量呈显著减少趋势，且沙量变化幅度远大于水量变化，汛期水沙变化最为显著。引起水沙大幅度下降的根本原因有两个：一个是气候变化，另一个是人类活动。其中尤以沙量变化对气候变化和水保工程措施最为敏感。

图1 潼关站年径流量和年输沙量时间序列

1.气候变化

过去研究中，通常将侵蚀强度与降水相联系，以分析气候变化对黄河产沙量的影响。基于降水的流域侵蚀分析具有关联性强、物理联系密切等优点，但也存在反映要素不够全面的缺陷。气候变化不仅影响降水，而降水也不是影响地表侵蚀强度的唯一要素。不同气候因子通过复杂的大气过程相互关联，并通过陆—气耦合过程影响着流域下垫面条件，进而影响流域的产沙情况。因此，流域的泥沙变化与气候因子及下垫面条件构成了一个复杂系统。气候因子观测和流域泥沙输移观测分属该复杂系统的不同观测“窗口”，且具有特定的方向指向性（气候因子指向泥沙输移），通过气候因子与流域泥沙输移间的关联分析，有助于了解气候因子对流域泥沙输移的影响。

随着机器学习技术的快速发展，该领域析出了一系列用于定量刻画不同潜在预报因子与被预报量间的关联特征的因子筛选方法。以美国NCEP/NCARReanalysisData1（NNR1），欧洲中期天气预报中心ERA-Interim（ERA-Int）、ERA-20C（ERA-20C），以及日本JRA55（JRA）分析数据集的风压温湿等大气三维变量，降水、蒸发、可降水量、水汽通量等水循环变量，潜热通量、显热通量、地表长短波辐射、大气层顶长短波辐射等能量通量等14个气候因子的年均值为预报因子，利用序列前向选择算法、序列后向选择算法、序列前向浮动选择算法、序列后向浮动选择算法、递归特征消除、遗传算法、稳定度选择算法、随机森林等8种预报因子筛选方法，综合各因子筛选方法的评分结果，得到与黄河流域年输沙量关联最为紧密的6个气候因子，包括地表气温、500 hPa比湿、晴空地表净短波辐射、晴空地表净长波辐射、晴空大气层顶净短波辐射、晴空大气层顶净长波辐射。利用上述6个预报因子与黄河流域年输沙量建立多元回归模型，各预测因子的回归系数如图2所示。

结果表明：①4种数据集均表明地表气温对黄河流域输沙量具有负向作用；②除JRA数据集外，其余3种数据集表明500 hPa比湿对输沙量具有正向作用；③除NNR1数据集外，其余3种数据集均表明晴空大气层顶净长波辐射对输沙量具有正向作用（研究中晴空大气层顶净长波辐射取为负值）；④除JRA数据集外，其余3种数据集表明晴空地表净长波辐射对输沙量具有负向作用；⑤4种数据集对其余两个辐射因子的回归系数尚存在不确定性。

6种气候因子的时间序列图（图3）表明，地表气温与晴空大气层顶净长波辐射具有较为显著的增加趋势，结合年输沙量的变化趋势及各因子的回归系数大小可知，地表气温和晴空大气层顶净长波辐射主导了年输沙量的变化。推测：一方面，晴空大气层顶净长波辐射增强引起流域大气温升，大气水汽含量增加，为形成降水提供了充足的水汽；另一方面，地表气温的升高及近年来降水量的增加也改善了黄河流域下垫面状况，增强了植被固沙减蚀效果。

表1 潼关站不同时期实测水沙量变化表

图2 筛选所得气候因子与黄河流域年输沙量多元回归模型的回归系数

图3 筛选所得气候因子时间序列（各序列经过标准化处理）

2.水保工程措施

新中国成立以来，黄土高原开展了大规模综合治理。20世纪70年代，钱宁院士等老一辈科学家发现了导致黄河下游淤积严重的粗泥沙来源区，为水土保持重点指明了方向，粗泥沙来源区集中治理取得了巨大成效。2000年以来，国家进一步加大了水土流失治理力度，水土保持累计实施面积达21.84万km2，占黄河流域水土流失总面积的47%。其中，梯田面积 5.50万 km2， 造林 10.76万 km2，种草2.14万 km2，封禁治理 3.44万 km2，淤地坝58 422座。这些水土保持措施通过减少侵蚀面积、降低侵蚀强度、拦截部分泥沙的方式，改变了黄河流域的土壤侵蚀格局，其中坡面措施（包括梯田、林地、草地、封禁治理）减沙效果更为显著，年均减沙量为4.3亿t，占各项人类活动总减沙量的45.2%。图4给出了1954—2015年黄河潼关以上水土保持措施面积的逐年增量和总量的变化情况。2000年以来，每年新增水保面积可达0.8万km2以上，近几年增量有所减小，截至2015年累计水保面积仍然达到20万km2左右。

水土保持措施面积的增加给输沙量带来十分显著的影响。图5给出了水土保持面积和输沙量的双累积曲线，两者呈现出较好的指数函数关系。早期阶段，水保措施面积较小，对输沙量的影响相对较小，累计输沙量增加比较迅速；随着水保面积增加，减沙的作用逐渐显现，累计输沙量的增幅有所降低，至水保面积达到一定值之后，累计输沙量曲线逐渐平缓；此后，随着水保面积增加，累计输沙量趋近于常数。图5同时表明，水保面积对于输沙的影响存在一定的阈值，达到该阈值之后，水保面积的增加对于输沙量的影响变弱，水土保持措施的减沙作用已经趋于稳定。这一阈值反映了现状条件下水土保持措施减沙的最大能力，将其与累计输沙量相减，称为可减沙量。图5中给出了水保措施可减沙量与水土保持面积的关系曲线，直观地反映了随着水土保持面积的持续增加，水保措施减沙量趋于稳定。

为进一步分析水保措施的效益，将年输沙量增量与水保面积的增量相比（即水保措施减沙的边际效益），分析其随水保面积增加的变化趋势，如图6所示。在水保面积相对较小的阶段，水保措施对于输沙量的减少产生了较大的作用，具体表现在两个方面，分别对应图中位于横坐标轴上下的两部分点据。①横坐标轴以下的边际效益为负值的点据，水保面积增加年输沙量减小，反映出水保措施起到了充分的减沙作用。随着水保面积的增加，曲线趋于平缓，表示单位面积年输沙量减小量逐渐降低，水保措施边际效益逐渐降低，并最终趋于恒定。②横坐标轴以上的边际效益为正值的点据，水保面积增加的情况下年输沙量仍然增加，这一情景通常发生在水保措施实施初期，或大暴雨情况下，通常因植被蒸散发增大导致土壤干化，或因为淤地坝、梯田等尚未成体系，导致侵蚀在暴雨期间增大。但从图中看到，这种问题随着水保面积增加，增加的侵蚀快速衰减，产沙增量逐渐地被遏制，直至接近为零。值得注意的是，从图6可以发现，无论是水保措施能够完全减沙，还是抑制部分暴雨产沙的情况，水保措施边际效益在2000年前后达到一个临界点（对应的水保面积占水土流失面积的22%），在此之后，随着水保面积不断增加，年输沙量的变化量较小且逐渐趋近于0，即在水土保持面积达到该阈值时，水保措施边际效益变小。

图4 1954—2015年黄河潼关以上水土保持措施面积增量及总量变化

图5 1954—2015年黄河潼关以上水土保持面积与累计输沙量、可减沙量的关系

图6 1954—2015年黄河潼关以上单位面积水保措施减沙效果变化

二、未来水沙变化趋势

本文选取潼关站作为代表性站点分析未来水沙变化。

1.未来降水变化趋势

基于从国家气象信息中心获得的1991—2018年中国地面 2 472处观测站点降水月值格点数据，对研究区域未来50年内的降水量进行预测。预测时采用第五阶段全球气候耦合模式比较计划（CMIP5）中典型浓度排放路径RCP4.5情景作为分析基础，该情景温室气体浓度为中低，对应的气候变化最具代表性、在未来发生可能最大。为降低模式误差，利用等距离累积概率函数映射法对CMIP5-RCP4.5数据进行偏差校正，其主要思想是相同位分数上未来与历史时段中模型与实测数据的偏差不变。分析表明，未来10年（2020—2030年）、20年（2020—2040年）和 50年（2020—2070年）内黄河潼关以上流域内年均降水量分别为437.57亿m3、449.83 亿 m3、471.06 亿 m3，相较于1991—2018年的年均降水量（431.35亿m3），略有增长但涨幅不大，分别约为0.59%、2.73%和4.73%，如表2所示。

2.未来径流量变化趋势

降水是河川径流的主要水量来源，其变化直接影响径流丰枯；而人类活动则往往通过改变下垫面条件进而影响产汇流过程，最终改变流域来水条件。在区域径流量变化归因分析中，径流量与降水量的双累积曲线是定量衡量气候变化对径流量的影响程度的重要依据。如果累积降水量与累积径流量间表现为线性关系，即流域径流量随降水量同步增减，则说明历史时期降水是影响径流量的主要因素，可以采用双累积曲线对未来径流进行预估。图7为潼关站1919—2016年的天然径流、实测径流与流域降水量实测资料双累积曲线，天然累积径流量和实测累积径流量与累积降水量间均呈线性相关，且1996—2016年的相关性非常显著（天然累积径流量和实测累积径流量与累积降水量间的相关系数分别为0.99和1.00）。可见，近30年来降水变化是影响潼关站径流量的主要因素，因此可采用降水与径流双累积曲线方法预估未来潼关站径流量的变化趋势。以1996—2016年为拟合段，天然累积径流量与累积降水量的线性回归表达式为：

式中，∑Rna表示累积天然径流量；∑W表示流域累积降水量；拟合段实测累积径流量与累积降水量的线性回归表达式为：

式中，∑Rob表示累积实测径流量。

依据式（1）、式（2）对未来黄河流域干流多年平均径流量进行估计。结果表明，未来天然径流量与实测径流量均呈上升趋势，前者升幅相对较大；未来10年、20年与50年内，潼关站年天然径流量分别约为407.38亿m3、418.79亿m3和438.55亿m3；未来同期潼关站年实测径流量分别为229.72 亿 m3、236.16 亿 m3和 247.30亿m3。与1991—2018年407.18亿 m3的天然径流量及233.80亿m3的实测径流量相比，未来50年天然径流量增加约4.40%，实测径流量增加约2.48%，如表2所示。

图7 潼关站实测径流及天然径流与降水量的双累积曲线

图8 基于多元回归模型的未来潼关输沙量变化趋势

3.未来输沙量变化趋势

从产沙机理而言，降水是造成黄河流域水土流失的主要原因之一，其直接或间接引发的片蚀、沟道侵蚀等典型水力侵蚀过程是流域产沙的主要驱动力；植被、水利水保工程等是削减流域土壤侵蚀的抵抗力，两者的对比变化决定了流域的来沙量。根据前文分析，在目前水利水保措施条件下，减沙边际效益已达稳定，在估计未来来沙量变化趋势时，假定水利水保的拦沙效率不变。

表2 未来50年水沙变化趋势

依据前文筛选得到的6个气候因子建立黄河流域年输沙量多元回归模型，输入CMIP5-RCP4.5情景的预测因子数据，计算得到未来50年平均输沙量如图8所示。从图中可以发现，潼关站输沙量持续减少，至2020年左右到达最低点后，输沙量有所回升，但增长幅度不大，未来10年、20年、50年平均输沙量分别为2.83 亿 t、3.13 亿 t和 4.12 亿 t。

三、结 语

对黄河输沙变化的主要气候变化要素进行了归因分析，从宏观角度分析了气象气候要素与黄河潼关站年输沙量之间的关系，分析了水保措施对入黄沙量的影响，对CMIP5-RCP4.5情景下未来黄河潼关站径流、泥沙变化趋势做了分析，在未来较长一个时期内，潼关站年平均输沙量预计在3亿t左右，并呈现缓慢增长的趋势。需要指出的是，本文预测结果是在假定现有水利水保措施拦沙效率不变的条件下得到的，关于水利水保措施拦沙的不确定性对未来输沙量的影响还需进一步研究。