王光謙 ，鐘德鈺 ，吳保生

（1.青海大學三江源生態(tài)與高原農牧業(yè)國家重點實驗室，810082，西寧；2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，100084，北京）

一、黃河水沙變化特點

在氣候變化和人類活動影響的逐步作用下，黃河徑流、輸沙發(fā)生了顯著變化。以黃河控制性水文站潼關站為例，1919—1959年實測年均徑流量為426.1億m3，輸沙量為15.92億t，平均含沙量為 36 kg/m3；2000—2018年年均徑流量大幅度減少至239.1億m3，輸沙量減少至2.44億 t，平均含沙量為10 kg/m3，與1960年以前相比，水量減少44%，沙量減少85%。圖1給出了潼關站徑流量、輸沙量變化情況，表1給出了不同時期潼關站水沙變化的統(tǒng)計特征值，可以看到黃河潼關站水量、沙量呈顯著減少趨勢，且沙量變化幅度遠大于水量變化，汛期水沙變化最為顯著。引起水沙大幅度下降的根本原因有兩個：一個是氣候變化，另一個是人類活動。其中尤以沙量變化對氣候變化和水保工程措施最為敏感。

圖1 潼關站年徑流量和年輸沙量時間序列

1.氣候變化

過去研究中，通常將侵蝕強度與降水相聯(lián)系，以分析氣候變化對黃河產(chǎn)沙量的影響?；诮邓牧饔蚯治g分析具有關聯(lián)性強、物理聯(lián)系密切等優(yōu)點，但也存在反映要素不夠全面的缺陷。氣候變化不僅影響降水，而降水也不是影響地表侵蝕強度的唯一要素。不同氣候因子通過復雜的大氣過程相互關聯(lián)，并通過陸—氣耦合過程影響著流域下墊面條件，進而影響流域的產(chǎn)沙情況。因此，流域的泥沙變化與氣候因子及下墊面條件構成了一個復雜系統(tǒng)。氣候因子觀測和流域泥沙輸移觀測分屬該復雜系統(tǒng)的不同觀測“窗口”，且具有特定的方向指向性（氣候因子指向泥沙輸移），通過氣候因子與流域泥沙輸移間的關聯(lián)分析，有助于了解氣候因子對流域泥沙輸移的影響。

隨著機器學習技術的快速發(fā)展，該領域析出了一系列用于定量刻畫不同潛在預報因子與被預報量間的關聯(lián)特征的因子篩選方法。以美國NCEP/NCARReanalysisData1（NNR1），歐洲中期天氣預報中心ERA-Interim（ERA-Int）、ERA-20C（ERA-20C），以及日本JRA55（JRA）分析數(shù)據(jù)集的風壓溫濕等大氣三維變量，降水、蒸發(fā)、可降水量、水汽通量等水循環(huán)變量，潛熱通量、顯熱通量、地表長短波輻射、大氣層頂長短波輻射等能量通量等14個氣候因子的年均值為預報因子，利用序列前向選擇算法、序列后向選擇算法、序列前向浮動選擇算法、序列后向浮動選擇算法、遞歸特征消除、遺傳算法、穩(wěn)定度選擇算法、隨機森林等8種預報因子篩選方法，綜合各因子篩選方法的評分結果，得到與黃河流域年輸沙量關聯(lián)最為緊密的6個氣候因子，包括地表氣溫、500 hPa比濕、晴空地表凈短波輻射、晴空地表凈長波輻射、晴空大氣層頂凈短波輻射、晴空大氣層頂凈長波輻射。利用上述6個預報因子與黃河流域年輸沙量建立多元回歸模型，各預測因子的回歸系數(shù)如圖2所示。

結果表明：①4種數(shù)據(jù)集均表明地表氣溫對黃河流域輸沙量具有負向作用；②除JRA數(shù)據(jù)集外，其余3種數(shù)據(jù)集表明500 hPa比濕對輸沙量具有正向作用；③除NNR1數(shù)據(jù)集外，其余3種數(shù)據(jù)集均表明晴空大氣層頂凈長波輻射對輸沙量具有正向作用（研究中晴空大氣層頂凈長波輻射取為負值）；④除JRA數(shù)據(jù)集外，其余3種數(shù)據(jù)集表明晴空地表凈長波輻射對輸沙量具有負向作用；⑤4種數(shù)據(jù)集對其余兩個輻射因子的回歸系數(shù)尚存在不確定性。

6種氣候因子的時間序列圖（圖3）表明，地表氣溫與晴空大氣層頂凈長波輻射具有較為顯著的增加趨勢，結合年輸沙量的變化趨勢及各因子的回歸系數(shù)大小可知，地表氣溫和晴空大氣層頂凈長波輻射主導了年輸沙量的變化。推測：一方面，晴空大氣層頂凈長波輻射增強引起流域大氣溫升，大氣水汽含量增加，為形成降水提供了充足的水汽；另一方面，地表氣溫的升高及近年來降水量的增加也改善了黃河流域下墊面狀況，增強了植被固沙減蝕效果。

表1 潼關站不同時期實測水沙量變化表

圖2 篩選所得氣候因子與黃河流域年輸沙量多元回歸模型的回歸系數(shù)

圖3 篩選所得氣候因子時間序列（各序列經(jīng)過標準化處理）

2.水保工程措施

新中國成立以來，黃土高原開展了大規(guī)模綜合治理。20世紀70年代，錢寧院士等老一輩科學家發(fā)現(xiàn)了導致黃河下游淤積嚴重的粗泥沙來源區(qū)，為水土保持重點指明了方向，粗泥沙來源區(qū)集中治理取得了巨大成效。2000年以來，國家進一步加大了水土流失治理力度，水土保持累計實施面積達21.84萬km2，占黃河流域水土流失總面積的47%。其中，梯田面積 5.50萬 km2， 造林 10.76萬 km2，種草2.14萬 km2，封禁治理 3.44萬 km2，淤地壩58 422座。這些水土保持措施通過減少侵蝕面積、降低侵蝕強度、攔截部分泥沙的方式，改變了黃河流域的土壤侵蝕格局，其中坡面措施（包括梯田、林地、草地、封禁治理）減沙效果更為顯著，年均減沙量為4.3億t，占各項人類活動總減沙量的45.2%。圖4給出了1954—2015年黃河潼關以上水土保持措施面積的逐年增量和總量的變化情況。2000年以來，每年新增水保面積可達0.8萬km2以上，近幾年增量有所減小，截至2015年累計水保面積仍然達到20萬km2左右。

水土保持措施面積的增加給輸沙量帶來十分顯著的影響。圖5給出了水土保持面積和輸沙量的雙累積曲線，兩者呈現(xiàn)出較好的指數(shù)函數(shù)關系。早期階段，水保措施面積較小，對輸沙量的影響相對較小，累計輸沙量增加比較迅速；隨著水保面積增加，減沙的作用逐漸顯現(xiàn)，累計輸沙量的增幅有所降低，至水保面積達到一定值之后，累計輸沙量曲線逐漸平緩；此后，隨著水保面積增加，累計輸沙量趨近于常數(shù)。圖5同時表明，水保面積對于輸沙的影響存在一定的閾值，達到該閾值之后，水保面積的增加對于輸沙量的影響變弱，水土保持措施的減沙作用已經(jīng)趨于穩(wěn)定。這一閾值反映了現(xiàn)狀條件下水土保持措施減沙的最大能力，將其與累計輸沙量相減，稱為可減沙量。圖5中給出了水保措施可減沙量與水土保持面積的關系曲線，直觀地反映了隨著水土保持面積的持續(xù)增加，水保措施減沙量趨于穩(wěn)定。

為進一步分析水保措施的效益，將年輸沙量增量與水保面積的增量相比（即水保措施減沙的邊際效益），分析其隨水保面積增加的變化趨勢，如圖6所示。在水保面積相對較小的階段，水保措施對于輸沙量的減少產(chǎn)生了較大的作用，具體表現(xiàn)在兩個方面，分別對應圖中位于橫坐標軸上下的兩部分點據(jù)。①橫坐標軸以下的邊際效益為負值的點據(jù)，水保面積增加年輸沙量減小，反映出水保措施起到了充分的減沙作用。隨著水保面積的增加，曲線趨于平緩，表示單位面積年輸沙量減小量逐漸降低，水保措施邊際效益逐漸降低，并最終趨于恒定。②橫坐標軸以上的邊際效益為正值的點據(jù)，水保面積增加的情況下年輸沙量仍然增加，這一情景通常發(fā)生在水保措施實施初期，或大暴雨情況下，通常因植被蒸散發(fā)增大導致土壤干化，或因為淤地壩、梯田等尚未成體系，導致侵蝕在暴雨期間增大。但從圖中看到，這種問題隨著水保面積增加，增加的侵蝕快速衰減，產(chǎn)沙增量逐漸地被遏制，直至接近為零。值得注意的是，從圖6可以發(fā)現(xiàn)，無論是水保措施能夠完全減沙，還是抑制部分暴雨產(chǎn)沙的情況，水保措施邊際效益在2000年前后達到一個臨界點（對應的水保面積占水土流失面積的22%），在此之后，隨著水保面積不斷增加，年輸沙量的變化量較小且逐漸趨近于0，即在水土保持面積達到該閾值時，水保措施邊際效益變小。

圖4 1954—2015年黃河潼關以上水土保持措施面積增量及總量變化

圖5 1954—2015年黃河潼關以上水土保持面積與累計輸沙量、可減沙量的關系

圖6 1954—2015年黃河潼關以上單位面積水保措施減沙效果變化

二、未來水沙變化趨勢

本文選取潼關站作為代表性站點分析未來水沙變化。

1.未來降水變化趨勢

基于從國家氣象信息中心獲得的1991—2018年中國地面 2 472處觀測站點降水月值格點數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域未來50年內的降水量進行預測。預測時采用第五階段全球氣候耦合模式比較計劃（CMIP5）中典型濃度排放路徑RCP4.5情景作為分析基礎，該情景溫室氣體濃度為中低，對應的氣候變化最具代表性、在未來發(fā)生可能最大。為降低模式誤差，利用等距離累積概率函數(shù)映射法對CMIP5-RCP4.5數(shù)據(jù)進行偏差校正，其主要思想是相同位分數(shù)上未來與歷史時段中模型與實測數(shù)據(jù)的偏差不變。分析表明，未來10年（2020—2030年）、20年（2020—2040年）和 50年（2020—2070年）內黃河潼關以上流域內年均降水量分別為437.57億m3、449.83 億 m3、471.06 億 m3，相較于1991—2018年的年均降水量（431.35億m3），略有增長但漲幅不大，分別約為0.59%、2.73%和4.73%，如表2所示。

2.未來徑流量變化趨勢

降水是河川徑流的主要水量來源，其變化直接影響徑流豐枯；而人類活動則往往通過改變下墊面條件進而影響產(chǎn)匯流過程，最終改變流域來水條件。在區(qū)域徑流量變化歸因分析中，徑流量與降水量的雙累積曲線是定量衡量氣候變化對徑流量的影響程度的重要依據(jù)。如果累積降水量與累積徑流量間表現(xiàn)為線性關系，即流域徑流量隨降水量同步增減，則說明歷史時期降水是影響徑流量的主要因素，可以采用雙累積曲線對未來徑流進行預估。圖7為潼關站1919—2016年的天然徑流、實測徑流與流域降水量實測資料雙累積曲線，天然累積徑流量和實測累積徑流量與累積降水量間均呈線性相關，且1996—2016年的相關性非常顯著（天然累積徑流量和實測累積徑流量與累積降水量間的相關系數(shù)分別為0.99和1.00）。可見，近30年來降水變化是影響潼關站徑流量的主要因素，因此可采用降水與徑流雙累積曲線方法預估未來潼關站徑流量的變化趨勢。以1996—2016年為擬合段，天然累積徑流量與累積降水量的線性回歸表達式為：

式中，∑Rna表示累積天然徑流量；∑W表示流域累積降水量；擬合段實測累積徑流量與累積降水量的線性回歸表達式為：

式中，∑Rob表示累積實測徑流量。

依據(jù)式（1）、式（2）對未來黃河流域干流多年平均徑流量進行估計。結果表明，未來天然徑流量與實測徑流量均呈上升趨勢，前者升幅相對較大；未來10年、20年與50年內，潼關站年天然徑流量分別約為407.38億m3、418.79億m3和438.55億m3；未來同期潼關站年實測徑流量分別為229.72 億 m3、236.16 億 m3和 247.30億m3。與1991—2018年407.18億 m3的天然徑流量及233.80億m3的實測徑流量相比，未來50年天然徑流量增加約4.40%，實測徑流量增加約2.48%，如表2所示。

圖7 潼關站實測徑流及天然徑流與降水量的雙累積曲線

圖8 基于多元回歸模型的未來潼關輸沙量變化趨勢

3.未來輸沙量變化趨勢

從產(chǎn)沙機理而言，降水是造成黃河流域水土流失的主要原因之一，其直接或間接引發(fā)的片蝕、溝道侵蝕等典型水力侵蝕過程是流域產(chǎn)沙的主要驅動力；植被、水利水保工程等是削減流域土壤侵蝕的抵抗力，兩者的對比變化決定了流域的來沙量。根據(jù)前文分析，在目前水利水保措施條件下，減沙邊際效益已達穩(wěn)定，在估計未來來沙量變化趨勢時，假定水利水保的攔沙效率不變。

表2 未來50年水沙變化趨勢

依據(jù)前文篩選得到的6個氣候因子建立黃河流域年輸沙量多元回歸模型，輸入CMIP5-RCP4.5情景的預測因子數(shù)據(jù)，計算得到未來50年平均輸沙量如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，潼關站輸沙量持續(xù)減少，至2020年左右到達最低點后，輸沙量有所回升，但增長幅度不大，未來10年、20年、50年平均輸沙量分別為2.83 億 t、3.13 億 t和 4.12 億 t。

三、結 語

對黃河輸沙變化的主要氣候變化要素進行了歸因分析，從宏觀角度分析了氣象氣候要素與黃河潼關站年輸沙量之間的關系，分析了水保措施對入黃沙量的影響，對CMIP5-RCP4.5情景下未來黃河潼關站徑流、泥沙變化趨勢做了分析，在未來較長一個時期內，潼關站年平均輸沙量預計在3億t左右，并呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢。需要指出的是，本文預測結果是在假定現(xiàn)有水利水保措施攔沙效率不變的條件下得到的，關于水利水保措施攔沙的不確定性對未來輸沙量的影響還需進一步研究。