环境变化对黄河下游来水来沙的影响，本文主要内容关键词为：黄河论文,下游论文,水来论文,环境论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
提要 本文探讨了到下世纪中叶时，由于环境变化对黄河下游来水来沙的影响，考虑了三方面的因素，即：全球性变暖，温度、降水、径流和泥沙的长周期变化，和人类活动。最后得出，届时来水来沙将分别比目前减少19%-29.6%和增减+26.3%--34.0%。
关键词 环境变化 黄河下游 来水来沙
黄河下游是一条多沙河流，以善淤、善徒、善决闻名于世。这一现象的形成是在黄河流域大环境制约下，中上游来水来沙条件和自身边界条件特定配合的结果。毫无疑问，这种来水来沙条件将随整个流域大环境乃至全球大环境的变化而改变。而随着人类活动的不断加剧，不仅引发了因大气中CO[,2]、甲烷、氟氯碳化合物等温室气体成分增加而导致的全球性环境变化，也加强了对河流本身所处环境的影响和改造，如大规模的水土保持措施，各种水利工程等。它们与原有自然的环境变化的影响交叉叠加在一起，从而使得来水来沙的改变更加复杂化。惟其如此，这一问题也正日益受到人们的关注。本文即拟对这种由于环境变化所引起的，直到下一世纪中叶以前，黄河下游来水来沙状况的可能变化作初步研究。
1 研究现状和采用的方法
关于这一问题的类似或相关研究前人已有不少涉及。概括起来说，可分为三种类型，第一种系从地质时期着眼，从以沉积物、孢粉、古生物等分析而捕捉到的信息，来恢复古地理环境中冷暖和干湿，或冰期间的变化[1,2]，有的就据此对未来的变化作出推测。第二种是根据历史资料所记载的关于冷暖、干湿，乃至物候、洪水和河道决溢等的状况进行分析整理，以及树木年轮分析所得的信息恢复气温、降水、径流和旱涝的历时变化[3-7]，同样也可根据恢复得到的变化周期性对未来作出预估。第三种是根据实测资料，进行统计分析，或进行时间程序上的比较，或是建立起经验模型，并以此来对未来状况作出预测[8-10]①。
三种途径中第一种的时间尺度最长，得到是长周期，完全是自然因素所引起的波动变化。第三种最短，可称为实时变化，应该说精度最高，其造成波动和变化的原因除自然因素外，人为因素起着相当大的作用，有时已超过自然 因素的贡献。第二种则介于两者之间，波动周期数百年至数十年，其变化原因随时间的推移，人为因素的贡献逐步增加。三种研究途径各有所长，但目前大部分都分别进行，如果能结合考虑，可以对流域内的地理环境变化过程和发展趋势作出虽是定性的，但也是比较有根据的估计。
然而，在这些工作中，对于由于一些新因素的活动，如全球性变暖所带来的对黄河下游来水来沙变化的影响则考虑不多，这样就影响到预估的精度。本研究采取的途径是：分为两个层次，第一个层次主要考虑自然环境因素变化而引起的水沙变化过程，以现有实测资料为基础，建立一系列气温、降水、产沙和降雨特性之间的经验模型，按由全球性增暖诱发的气温、降水可能变化量，再代入模型计算出到2050年前后来水和来沙的可能变幅。然后再根据历史时期的长周期变化作补充和修正，得到自然状况下的水沙变化过程和变化量。第二个层次考虑局部性人为环境因素引起的来水来沙状况改变，参照已有人为因素影响的程度，再根据拟议规划草案中提出的要求，确定应增减的来水来沙量。最后将由两个层次分析计算得到的结果作叠加和综合分析，这样就可以获得一个比较确切的预测值。
图1 黄河流域各分区示意图
Fig.1 A sketch of semi-regions of the Huang He Basin
2 来水来沙实时变化及全球性增暖环境变化影响的预估
2.1 实时变化经验模型的建立
2.1.1 基本情况
黄河水沙几乎全部来自上、中游，花园口以下基本已无来水，故本文以汇集至花园口站的径流和泥沙状况作为分析和预估下游来水来沙变化的根据。
黄河上、中游集水总面积达730000km(2)。计跨越经度17°，纬度10°，地理环境本身就具有较大的差别，因此产水产沙过程也彼此有异。按照区域差异并考虑资料整理的方便，将整个上、中游区分为9个区，即干流的兰州以上，兰州至河口镇，河口镇至龙门，龙门至三门峡干流段，支流区域有北洛河，渭河与泾河，汾河，伊洛河和沁河（图1）。以每个干流段上下控制站径流量和输沙量之差代表区间来水来沙、9个分区之和即代表了进入下游的全部来水来沙。
2.1.2 水沙实时变化的经验模型
黄河上中游的产水产沙环境受人为影响很大，特别在中游的黄土高原区，一方面是各种水利水保措施的建设，另一方面则是坡地开垦、伐木毁林等的破坏，而这又以1970年以后为甚。因此，根据实测资料，将上述9个分区先按年平均和汛期两个系列，从有实测资料开始至1970年，分别建立降水与气温、径流与降水、输沙量与径流的拟合经验关系。据该时序模型计算所得的径流和泥沙量相对比较接近还原后的天然产水产沙量（表1，2）。
表1 黄河中上游各区间气温、降水、径流、输沙间相互关系（年平均状况）
Tab.1 Relationship among temperature,precipitation,runoff andsediment discharge in regions of the Upper and Middle Huang He(Annual)
表中Y[,t],Y[,p],Y[,r],Y[,s] 分别为年均温（℃），年降水量(mm)，年径流量(10[8]m[3])，和年输沙量(10[8]t)，R相关系数，s标准差。
表2 黄河中上游各区间气温、径流、输沙间相互关系（汛期状况）
Tab.2 Relationship among temperature,precipitation,runoff andsediment discharge in regions of the Upper and Middle Huang He(Floodseason)
表中F[,t],F[,p],F[,r],F[,s]分别为汛期均温（℃），汛期降水量(mm)，汛期径流量(10[8]m[3])，和汛期输沙量(10[8]t)，R相关系数，s标准差。
鉴于每个分区仍有相当大的范围，以某一站点的气温、降水实测数据代表整个区间的情况有失片面。本文的作法是取均布于区间内若干个（从4个—10余个不等，视区间形状和大小而定）站点的气温、降水的平均值，再分别与该区间出口控制站的径流和输沙量值进行相关，拟合。得到各区间经验模型。其中兰州—河口镇区间系著名的宁蒙灌区所在，人为影响强烈，水沙被大量引走。龙门—三门峡干流区间，面积较小，本身产水产沙量在黄河下游不占重要地位，又受三门峡水库的调节影响，所以对这两个区间均未作径流－降水和输沙—径流关系的拟合。
从表1，2可以看出下列性质：①降水与气温的关系相关程度较差，一部分低于0.05的显著性水平，但趋势是明显的，所有区域（间）均为负相关。②径流与降水、输沙与径流均呈现出较好的相关性，普遍高于0.01的显著性水平，这些关系有的可用直线方程拟合，有的则是二次曲线关系（对数或二项式）。
2.2 全球性环境变化导致的来水来沙变化预估
研究温室气体的增温效应至今都是利用数值试验取得的，各家的模型很多，所得结果虽然大趋势相近，但具体结果，如增幅、增速的多少并不十分一致。目前比较权威的意见是由IPCC（政府间气候变化专家小组）发布的：“如果大气中的温室气体照目前速率增长，到2050年前后，其含量将比目前增加一倍。则：①全球年平均增温1.5-4.5℃，不确定性范围1-2.5℃。其中，高纬增温大于低纬，冬季增温高于夏季；②全球年降雨年均增加7%-11%，但这种增加主要发生在高纬和热带地区，中纬度地区反而略微有所减少”。
关于中国的情况，近年来已有研究，定性的描述不少，定量的结果则不多。最近葛全胜等利用美国国家大气研究中心模式(NCAR)，对1990年和2050年气候情景进行了模拟试验，得到结果为：与80年代末的情况相比，黄河流域年均温升高4.6℃，冬季高于夏季，分别是5.2℃和4℃，同时降水也有所增加，年平均增加9.7mm，汛期则为8.4mm[11]，与IPCC所发布的数值比较接近，本文即以此作为估算2050年前后黄河下游来水来沙状况的依据。
前面所建立的实时变化经验模型中，降水与气温成负相关，似乎与模拟所得的正相关结果有矛盾。其实则不然，理由如下：
①实时变化经验模型所用的气温资料虽有50-60年的长度系列，但其变幅范围只1-2℃，反映了现时局部地区气温的正常波动。在这种情况下，大气环流和水汽的补给并没有发生大的变化，而一旦增温至4-5℃，大气环流也将受到影响，升温使得赤道附近的对流变得更加旺盛，将会有更多的水汽带至北方，因而完全有可能伴随有降水的增加。
②气温对降水有影响，降水对气温也有反馈作用，因为雨日多，云量也多，气温自然就有所降低，经验模型中之所以呈负相关，与此点不无关系。
③用气温变幅仅1-2℃所建立的经验模型来外延、推测气温变幅4-5℃后所得到的结果有一定危险。
为此仍以降水增加9.7和8.4mm，分别代入已建立的全年和汛期的径流—降水和输沙—径流经验模型来进行计算，这样就得到了2050年前后各分区的径流量和输沙量（表3）。即年径流增加2.96%，年输沙增加8.0%，汛期径流增加4.28%和汛期输沙增加3.14%。
表3 全球环境变化（温室效应）引起的黄河下游来水来沙变化预估
Tab.3 Prediction of change of runoff and sediment discharge resulted by global warmming in the Lower Huang He
3 来水来沙的长周期变化趋势
气温、降水、径流、旱涝等要素由于受天文因素以及这些要素本身相互之间的反弹、调整，存在着周期性的振动，并且它们还具有不同的层次，短周期的历时变化叠加于长周期变化之上，从而使得问题复杂化。毫无疑问，这种周期性的变化是最基本的，要预估自然因素变化引起的来水来沙状况改变至少也应把这种周期性变化作为本底，然后再叠加上全球性增温带来的改变。
有关黄河流域上述要素的周期性改变前人已有不少报道，所得结果亦大致相近，说明可信度较高，其中旱涝或径流丰枯的长周期变化约为130年至140年[7]，在此之上叠加有23年的主周期和4年、6年、7年、5年的短期波动[3,6]。据陈家其和徐海亮的研究[7,3]，目前大致处在下一个湿润期或丰水期的前期，到2050年前后可望处在下一个湿润期的全盛时段（图2），其旱涝等级约比目前降0.1-0.2级。按照中央气象局所确定的换算公式计算[12]，大约相当于需增加汛期降水量15.2mm，再按前节中确定的降水－径流－输沙关系，进而可推得分别增加汛期径流和输沙量10.1×10[8]m[3]和0.195×10[8]t（表4），将此数与前节中所得数据求代数和，并仍和前一样，扣除兰州－河口镇段和龙门—三门峡段的引水引沙值，可得知到下世纪中叶黄河下游汛期来水和来沙量应分别大致在242.87×10[8]m[3]和11.945×10[8]t。再按上节中估算得的80年代末至90年代初的汛期平均来水来沙与全年平均来水来沙比例，约略推求得下世纪中叶的下游全年来水来沙量将分别为407×10[8]m[3]和13.29×10[8]t。
图2 水旱等级变化趋势及预测（据陈家其）
Fig.2 Change tendency of degree of drought and waterlogging (after Chen Jiaqi)
表4 长周期变化造成的汛期径流、泥沙变化及其叠加结果
Tab.4 Change of runoff and sediment discharge in flood season with long-term climate change and their united result
短周期的振动对来水来沙当然也有影响，但其情况比较复杂，原则上不会超过长周期的最大振幅，这里就不作讨论了。
4 人类活动对来水来沙的影响
人类活动对来水来沙的影响，以其后果来看，应包括两方面：一方面是负向的，即人类对环境的破坏作用，不合理的垦殖，伐木砍林，导致水土流失的增加；另一类是正向的，即对环境的治理，包括各种大、中、小型的水利和水保措施，如属于工程措施的梯田、库坝，属于生物措施的林草等，结果是导致水土流失的降低。这两个方向的作用同时在进行，而且即便是后者，同样也是个动态变化的过程，例如库坝建设就存在一个时效的问题，在刚开始建成的前几年，蓄水拦沙效益十分显著，而到了后期就逐渐衰退，终至于死亡。因此要对人类活动对来水来沙影响作出确切的预估十分困难，本文仅根据前人研究成果和规划设想作一概括的估算。
根据徐建华的报道[13]，黄河流域近20年通过水利水保措施年拦沙5.52×10[8]t，其中坝地占41.6%，水库占39.4%，引灌占11.5%，坡面措施占7.5%。从时间上看，50年代为1.6×10[8]t，60年代3.52×10[8]t，70年代，6.12×10[8]t，80年代为4.96×10[8]t。就水量而言，50年代水利水保措施减水97×10[8]m[3]，60年代136×10[8]m[3]，70年代156×10[8]m[3]，80年代更达190×10[8]m[3][14]。所有这些，均与自70年代以来水利水保措施进展较快和来水来沙状况相一致。
按照徐建华根据《黄河流域黄土高原水土保持专项治理规划要点》所进行的综合计算得到有以下的结果（表5）[13]。
表5 黄河流域水利水保减沙效益预测成果（单位：10[4]t）
Tab.5 Prediction of sediment reduction caused by methods of hydraulic and water coservation (10[4]t)
方案1990年 2000年 2010年 2020年 2030年
Ⅰ不增加任何新工程 39137
36020
33390
27970
19493
Ⅱ按过去40年平均速 39137
67289
72528
78977
83016
度发展库坝
Ⅲ工程按水保大规划 39137
67092
79103
86444
91384
速度发展库坝工程
如表3可见，如果能做到加强管理，勿使破坏加剧，最多可达到年减沙9×10[8]t的效益。关于来水，治黄规划中已明确指出，为不使黄河下游河道泥沙淤积进一步加重，
占黄河目前天然年平均径流量的56%－63%左右，2000年以后仍要求保持这一格局。当然，是否能完全做到，目前难以定论。因为，在2050年前还有许多水库，如小浪底、龙门、万家寨等要兴建，如何调蓄和运用尚未完全清楚；下游亦殊难全按配水方案用水，故这里只能按现状和规划设想来考虑。
5 2050年前后来水来沙状况预估
以上从三个方面对黄河下游下世纪中叶来水来沙可能状况进行了分析，将三者叠加、结合，就可大致推估届2050年时的来水来沙实际状况（表6）。表4中来水状况的人为活动增减量依根据现状来水量再减去上述花园口以上要求来水量获得。最后的合成量表明，到2050年来水可能比现今减少19.2%-29.8%。来沙的减少比例则视不同的水利水保方案而定，约为+26.3%--34.0%间。
表6 黄河下游2050年前后来水来沙状况预估
Tab.6 Prediction of coming water and sediments of the Lower Huang He by the year of 2050
从表4还可以看出，由于全球性变暖和长周期变化造成的黄河下游来水来沙变化量远小于由人类活动造成的变化量，即使加上由于不确定性范围而导致的变化量，仍不属于同一数量级。因此可以认为，到下一世纪中叶，人类活动仍是影响黄河下游来水来沙的主要因素，其后果是使来水来沙较之现在进一步减少，目前河口段经常出现的断流现象也有进一步恶化的可能。
最后必须指出的是，由于环境变化的复杂性，上述三方面的考虑仍是不全面的，随时均可能有其它因素的参与，如火山爆发、大的自然灾害，从而导致产水产沙条件的改变和来水来沙状况的改变，由于气温升高和水保措施使植被覆盖改善，也可使温室气体的增暖效应减小②，而影响产水产沙。另外预估的时段较长，也增加了不确定性。所有这些都须作进一步的研究，但不管怎样，作为一种考虑到数量的定性估算，这一结果仍是很有意义的。
来稿日期：1994年7月；收到修改稿日期：1994年9月。
IMPACT OF ENVIRONMENTAL CHANGE ON COMING WATER AND SEDIMENTS AT THE LOWER REACHES OF HUANG HE (YEMMLLOW RIVER)
You Lianyuan Yang Jiwu
(Institute of Geography.Chinese Academy of Sciences and the State Planning Commission of the people Republic of China.Beijing.100101)
Key words Environmental change.Huang He (Yellow River),Coming water and sediments
Abstract
This paper deals with the problem on coming water and sediments at the lower reaches of Huang He (Yellow River) by the year of 2050 resulted from environmental change.3 main aspects of environmental changes are considered in this paper.They are:(1) global change (global warming); (2) long-term change of temperature and precipitation and (3) human activities.To study this problem,a set of empirical formulas between precipitation and runoff,and between runoff and sediment discharge are established for calculation after these factors are changed during 70 years.Almost all of coming water and sediments at the lower reaches of Huang He come from the upper and middle reaches of Huang He which have a large area (730 000 km[2]) and obvious differences in geographical environment,and have differentrelationships among precipitation,runoff and sediment discharge.The whole Upperand Middle Huang He region may be distinguished into 9 diffe rent semi-regions,for each of them a set of empirical formulas are established.There are 54 empirical formulas in total.The sum of values calculated from 9 semi-regions represents the total coming water and sediments entered into the lower Huang He.These formulas have very good relationships with a correlative efficient of 0.7-0.8 or even better.
1.Impact of global warming on coming water and sediment
Based on the report from IPCC,if green gases concentration in the atmosphere increases with present rate continuously,its content would be twice of the present one by the year of 2050.Consequences would be as follows:(1)Annual temperature rises 1.5-4.5℃ over that of the present one.The temperature increment of the high latitude zone is more than that of the low latitude one and the increment in winter is higher that in summer.(2)Annual precipitation goes up about 7%-11% compared with the present,but this will happened mainly in the high latitude and the tropical one.
Recent study on the information from China,which is obtained bythe model NCAR of US,shows that the temperature of the Huang He basin would rise 4.6℃ (annual),and the increment in winter is higher than that of summer.These values correspond with the result of IPCC and are the basis for calculating and predicting conditions of coming water and sediments at the lower reaches of Huang He.
Using the mentioned empirical formulas and values,it is easy to get the result of the coming water and sediment at the lower reaches of Huang He.Comparing with the present,they would increase by about2.96% and 8.0%(annual),and 4.28% and 3.14% (flood season) respectively.
2.Impact of long-term change on coming water and sediment
It is well known that there is periodical change in temperature.precipitation.runoff,drought and waterlogging etc.Doubtless,long-term change is important for predicting information by years of 2050.In the Huang He Basin there is an 130-150 year changing cycle of drought and waterlogging.At present,it is at the early stage of the next moist period and would go to the flourishing stage by the years of 2050.According to the calculation using the conversion formula.the precipitation of the flood season would increase by 15.2mm at that time.Similarly,using the mentioned formulas about precipitation-runoff-sediment discharge,it may be calculated that the runoff and sediment discharge of the flood season would increase by 10.95×10[8]m[3] and0.195×10[8]t respectively.Summing these values and the values in the Tab.1,it is estimated that the coming water and sediment discharge of the lower reaches of Huang He in the flood season by the years of 2050 would be about 287.6×10[8]m[3] and 11.95×10[8]t respectively.The annual runoff and sediment discharge would be 407×10[8]m[3] and 13.29×10[8]t respectively.
3.Effects of human activities
Effects of human activities include 2 aspects:positive one,such as methods of hydraulic and water conservation,negative one,such asunreasonable landuse,destruction of forest.It is very difficult to make a real estimation of runoff and sediment discharge 50 years in advance.A rough estimation on sediment reduction caused by hydraulic and water conservation has been done.According to the plan of the Huang He Basin's management.the coming water at the lower reaches of Huang He will be at least 321.4-361.4×10[8]m[3] at that time.
Considering the impact of there 3 aspects comprehensively,the coming water at the lower reaches of Huang He would decrease by 19.2%-29.8%,and sediment amount would decrease by +26.3-34.0%.
注释：
① 黄河水沙变化研究基金会.黄河水沙变化研究论文集.第三、四、五卷，1993.
② 刘水强等.陆地状况与温室效应.见：气候变化与环境问题全国学术讨论会论文汇编，1991.
标签：黄河论文;