题目: Evolution patterns and spatial sources of water and sediment discharge overthe last 70 years in the Yellow River, China: A case study in theNingxia Reach
期刊: Science of the Total Environment
近几十年来，由于气候变化和加剧的人类活动的耦合影响，世界各地大型河流的水和泥沙排放量发生了显著变化。定量分析大江大河水沙流量的时空变异性和动态特征，对于改善流域管理和可持续发展具有重要意义。
本研究以黄河上游水土流失最严重的河段之一——宁夏河段(NRYR)为研究对象，分析了1951-2020年黄河水沙流量的演变规律和空间来源，确定了不同因素对黄河水沙流量变化的影响。
1. 阐明近70年来年水沙流量时间序列的变化趋势、突变点和周期特征;
2. 结合不同分析时段不同河段的支流贡献、河道切口与淤积、水沙分流等多因素，定量分析不同河段的水沙流量空间来源;
3. 综合分析不同人为活动(引水引沙、水利工程建设和水土保持措施)对流域水沙流量时空演变格局和空间来源变化的影响。
1. 水和泥沙排放的时间变化
近70年来，三峡库区主要水文站的年径流量和输沙量总体呈下降趋势(图2)。
趋势检验和突变检验结果表明，除下河沿站的径流量变化外，三峡库区主要水文站的年径流量和输沙量均显著下降(p < 0.05)。青铜峡站年减水量极显著(p < 0.01)，减水量顺序为：青铜峡>石嘴山>下河沿。排沙量的减少比排水量的减少更为显著，减沙程度依次为:下河沿>石嘴山>青铜峡。
MK突变试验表明，3个站点的年水沙序列突变点不同，而石嘴山站记录的年水沙序列突变点一致。
Pettitt突变检验表明，3个站点年降水量序列的突变点相对一致，均在1986年前后呈突变下降趋势；但各站点年输沙量序列的突变点不同。
利用小波分析绘制了三峡干流主干区3个水文站年排水量和输沙量小波系数实部等高线图(图3a ~ f)。
当
小波系数实部为正时，代表一段丰水期。
结果表明：
水沙流量序列具有明显的多时间尺度周期性。
各水文站流量小波系数实部等值线图显示，26-a ~ 32-a区间振荡最强，周期性最明显，主导周期在29-a左右。
4-a ~ 8-a和10-a ~ 16-a的周期性也很明显，优势期分别位于约6-a和13-a。
各测量站输沙小波系数实部等值线图显示，振荡最强时段为24- 32-a，主导时段约为28-a。
4-a ~ 8-a和10-a ~ 20-a的周期性也很明显，主要出现在大约6-a和15-a。
上述结果与水沙流量小波方差图的曲线变化相对应(图3g和图h)。
水沙变化发生在多个时间尺度上，其周期行为和持续时间如表2所示。1951 - 2020年，年降水量表现为6-a、12-a、13-a、29-a和30-a的周期性，其中下河沿站的第一个主导周期为30-a，其他站为29-a。年输沙量表现为6-a、12-a、15-a、28-a和29-a 5个周期。下河沿站的温度变化周期为29-a，其他站的温度变化周期为28-a。3个水文站径流量周期变化的一致性强于径流量周期变化的一致性。
由于NRYR排水排沙序列最可能在1986年前后发生突变，因此将研究时间分为1951 - 1985年和1986 - 2020年两个阶段，分析水沙来源。NRYR的水源组成如图4(a, b)所示。
从总体上看，1951-2020年，下河沿—石嘴山河段以缺水为主要特征。1951 ~ 1985年，陕甘河主要支流、排水沟、引水渠年平均排水量分别为1.7亿m 3 、38亿m 3 、59.7亿m 3 ；从1986年到2020年，这些数值分别为2.8亿m 3 、38.9亿m 3 和70.3亿m 3 。
从下河沿—青铜峡河段水源构成看，1951—1985年主要支流、排水沟、引水渠年总排水量占比分别为1.80%、13.87%和84.33%;1986 - 2020年，分别为1.89%、2.98%和95.13%。从青铜峡—石嘴山河段水源构成看，1951 ~ 1985年主要支流和排水沟年总排水量占比分别为1.58%和98.42%，1986 ~ 2020年分别为3.57%和96.43%。
NRYR沉积物源组成如图4 (c,d)所示。总体而言，下河沿段—青铜峡段主要在1951 - 1985年发生淤积，1986 - 2020年主要在冲刷，青铜峡—石嘴山段主要在1951 - 2020年发生淤积。
影响水沙流量变化的人为活动主要包括水土保持措施、水沙分流和水库建设。各时代黄河引水量和泥沙量见表3。引水调沙量和占比随时间呈先增加后减少的趋势。这些数值在20世纪90年代达到顶峰，在2000年以后呈下降趋势。
1955 - 2015年，不同水土保持措施对应的面积随时间呈增加趋势(图5a)。其中，造林面积和封锁治理措施面积增长最快。1997年以后，全国水土保持面积年均增长282.33 km2，是1997年以前的8.50倍。
此外，研究发现水土保持措施面积与年累计水沙排放量之间存在显著的指数关系(p < 0.05)(图5b)，说明水土保持措施的增加显著影响了水和泥沙量的减少。随着时间的推移，水土保持措施截水截沙能力逐渐趋于
饱和，累计排水量接近恒定值 122
亿 m
3
，
累计排沙量接近恒定值1.9 Gt。
本文分析了近70年来黄河水沙流量的时空变化特征及其影响因素。结果表明：近70年来，水沙排放量显著减少(p < 0.05)，并呈现出明显的周期性变化特征；排水量时间序列的周期性特征比排沙量时间序列的周期性特征更明显。不同河段水的空间来源不同，这是由于不同的引水和排水沟集中在不同的河段。不同时期的输沙空间来源不同。1986年以前泥沙淤积对输沙量变化的贡献较大，1986年以后支流流入泥沙对输沙量变化的贡献最大。
此外，水沙流量的变化还受到人为活动的共同影响。其中，水沙分流是造成河段间水沙流量减少的主要原因。随着水土保持措施面积的增加，减水减沙边际效益降低，累计排水量和累计排沙量趋于恒定。
因此，为保证流域生态的可持续保护和高质量发展，加大河流上游大型水利工程建设力度，提高水土保持措施的既有效益和建设质量标准至关重要。
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