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河流入海物质通量是地球科学国际前沿课题,是国际地圈一生物圈计划(IGBP)的两个核心计划—全球海洋物质通量联合研究(JGOFS)和海岸带陆海相互作用(LOICZ)的中心议题,它对全球变化研究具有重要意义。
黄河水少沙多,过去平均每年将12亿t泥沙输送入海,占全世界河流年入海悬移质泥沙的5%以上,在全球泥沙和地球化学循环中占有重要地位。近年来,由于受自然和人类活动的双重影响,黄河水沙特性发生了巨大变化,受到科学界的广泛关注。
本文利用利津水文站1950~2005年的实测水沙资料、1952~2004年的天然径流量资料和流域降水、气温资料及人类活动资料(包括:年引水量资料、下垫面资料、大型水利工程资料),采用数理统计学、随机水文学、小波分析和遥感、地理信息系统相结合的方法,探讨了黄河入海水沙通量的变化规律;并对其影响因素进行了分析,定量计算出自然和人类活动对径流变化的影响。在此基础上,在遥感和地理信息系统软件平台支撑下,利用历史文献及遥感影像资料分析了流域植被覆盖和河口岸线的变化情况。
采用Fisher最优分割法检测出黄河实测入海水沙通量出现1968年、1985年和1996年3个跳跃点,水沙阶段性变化特征十分明显。依据3个跳跃点,将入海水沙变化过程分为4个阶段:即Ⅰ(1950~1968年),Ⅱ(1969~1985年),Ⅲ(1986~1996年),Ⅳ(1997~2004年),4个阶段水沙量逐阶段递减。天然径流只在1985以后略有下降,可以将其划分为Ⅰ(1952~1985)、Ⅱ(1986~2004)2个阶段。最大熵谱法与小波分析结果显示黄河流域天然入海径流存在较为明显的周期性变化规律。天然径流和降雨均存在10年以上、4~8年、3~5年的中、短周期变化,二者吻合较好,说明入海径流受降雨周期影响较大。降雨、径流变化周期主要受太阳黑子活动周期及东亚大气环流异常的的影响。
受流域干支流水库调蓄影响,实测入海径流的年内分配发生了调整。具体表现在:汛期来水来沙量大幅下降,非汛期径流也有一定的下降趋势;汛期水沙占全年来水来沙比例随水库运用方式的改变而呈上升或下降趋势;近50年来水沙下降过程大体经历了第Ⅰ阶段→第Ⅱ阶段伏汛期减少、第Ⅱ阶段→第Ⅲ阶段秋汛期减少、第Ⅲ阶段→第Ⅳ阶段伏汛期减少3个主要过程。
入海径流对降雨、气温的敏感性分析结果显示:第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段受气温和降雨影响,径流分别增加5.8%~10.6%和0.8%~1.5%,第Ⅲ阶段和第Ⅳ阶段受降水偏少,气温升高明显影响,径流减少约8%~13.4%和10.2%~17.8%。在不考虑水土保持、水库调节等人类活动影响下,根据降雨与径流的相关分析计算出各阶段全河段取水量占入海天然径流量的比重第Ⅰ阶段为24%,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ阶段分别升至44%、65%和79%,说明流域取水量的增加是造成入海径流量逐阶段减少,断流严重性增强的主要原因,也反映了黄河入海径流由第Ⅰ阶段受自然变化影响为主逐渐过渡至第Ⅲ阶段后受人类活动影响为主。水土保持减水,土壤干化,库区水面蒸发等消耗水量的增加对天然径流的影响相对较小。
调水调沙改变了入海水沙季节分配,下游洪水过程完全受人为控制,下游河道普遍发生冲刷,过洪能力增强,泥沙粒径有粗化趋势,河床剖面尚未达到平衡状态。海岸淤进速率与来沙量呈显著的正相关关系。1976年以后,由于来水来沙偏少,岸线淤进速率有所减缓。受人类活动、地形和海洋动力条件影响不同,各岸段冲淤不一。