人類活動致黃河徑流和泥沙500年來空前減少
2020-07-24 光明網
圖1：黃河中—上遊31個水文敏感樹輪研究地點（紅色圓點）圖。淺藍色三角形為水文觀測站。右下角為三門峽水庫。藍色粗為黃河主河道，藍色細線為黃河流域主要支流。
圖2：黃河中遊三門峽理論計算天然徑流量序列（紅色，公元1492~2013年）和實際徑流觀測序列（藍色，公元1919~2013年）。
中科院地球環境研究所研究員劉禹及其樹木年輪研究團隊聯合美國亞利桑那大學、西安交通大學、長安大學和西北農林科技大學的科研人員，經過10餘年潛心研究，利用黃河中、上遊31個對水文變化敏感的樹輪年表資料（圖1，包含860棵樹，1707棵樹心），在與黃河天然徑流量對比、建模和校驗的基礎上（1920~1960 CE，r=0.76，p<0.01），重建了黃流中遊1492~2013 CE期間天然徑流量變化歷史（圖2）。
全長約5464公裡的黃河既是中華文明的發源地也是世界含沙量最大、落差最大的大河。
儘管黃河水量僅佔全國水資源的3%，在灌溉全國13%的農耕土地的同時，歷史上黃河水患無窮，給沿河農業、城市及人民生命財產帶來極大毀壞或毀滅。為此，如何有效治理黃河、防範黃河泛濫成為歷代歷朝政府的一項重大工作，均設置專門研究和治理黃河的機構。
自上世紀60年代進入人類世以來，整個人類活動日益加劇，對生態環境的影響廣泛而嚴重。人類世一個重要標誌就是人類在全球修建了無數攔水大壩。黃河也不例外，人們在黃河主河道修建了多座規模宏大的攔水大壩，永久性的、徹底的、不可逆的改變了黃河的自然地理屬性。諸如因黃河上中—中遊農業灌溉和生活需水量的劇增而導致黃河下遊徑流急劇減少，斷流現象越來越嚴重；黃河載沙能力從70年代每年16億噸下降到目前3億噸左右，從而嚴重影響流域生態系統的變化特別是黃河三角洲地理形態。
黃河水量變化已成為黃河流域生態治理的關鍵問題。黃河天然徑流到底是多少？泥沙為什麼減少？當今黃河在歷史長河中處於什麼位置？人類活動消耗了多少水量？黃河水量變化固有周期是否還存在？等問題亟需科學回答、有效評估和管理。
現有黃河徑流量觀測記錄始於1919年，而1960年以後由於人類活動的逐步加強，其相關記錄已經完全偏離了天然流量的範疇。為了準確估算現代黃河天然徑流量變化，定量評估人類活動的作用，就亟需通過高解析度的代用指標重建過去數百年黃河天然徑流變化歷史。而樹木年輪具有定年準確、解析度高、複本量大及可重複檢驗等優點，已被廣泛用於世界不同地區河流徑流重建研究。
這項研究發現，歷史時期的高/低徑流時段與文獻記載的黃河泛濫/黃河流域大旱事件相一致；1928~1929年的黃河天然徑流量（257億立方）是過去500餘年來的徑流最低值，1781年是過去500餘年來徑流最高值（588億立方），可作為未來水利工程設計和水資源管理的基準標尺。由於與亞洲季風關聯的降水量減少和人類活動對黃河水量獲取無節制增加特別是農業灌溉耗水量增加的雙重影響，20世紀80年代末以來實際觀測到的黃河極低的年徑流量已經完全超出了天然徑流的變化範圍，90年代以後，黃河實際徑流完全處於枯水區間，甚至比歷史上天然徑流最低的20世紀20年代後期還要低，引起下遊山東多地每年斷流天數不斷增加，無水可用。
特別值得注意的是，1920年後期華北大乾旱之後，黃河固有的、已經存在了400多年的24年和10年的流量變化周期表現紊亂；1960年代之後，隨著主河道9座宏大攔水大壩的建立，這二個周期徹底消失。與歷史時期相比，目前黃河流量變化已無規律可循。
文章作者還定量計算了1960年代以來人類活動耗水量的逐年變化。其結果顯示：急劇增加的人類活動耗水量與寧夏和內蒙古農灌區灌溉面積的逐漸擴大及農作物總產量大幅度提升顯著正相關。與此同時，人類活動耗水量的急劇增加與頭道拐和三門峽的泥沙含量劇烈減少顯著負相關。據計算，耗水量的增加致使頭道拐和三門峽的泥沙含量分別減少了58%和29%。
文章分析認為，對於黃河這條泥沙含量特別高的大河來講，水量減少導致水動力減弱，徑流衝刷泥沙的能力減弱，泥沙被搬運距離縮短，引發黃河泥沙含量減少，水質變清。當然，「退耕還林草」等政策的實施，也是入河泥沙減少的另一個重要原因。如果因大氣氣溶膠持續增加而致使亞洲季風降水持續減弱，主產流區降水將會持續減少，加之人類活動持續增強，將會使黃河水量日趨減少，將遠遠不能滿足人類活動的需求，不僅會斷流，還會對下遊人類生存及社會經濟發展產生災難性影響。
相關問題的研究專家認為，這一研究成果為黃河水文模型分析提供重要的基礎數據，對評估黃河水文長期變化趨勢和黃河流域治理策略的制定具有重要理論和實踐意義，為全球變化研究中如何區分自然變化和人類影響、量化人類活動提供了一個研究範例。
該研究受到了中科院前沿重點研究計劃、國家自然基金重點項目、中科院B類和A類戰略先導專項等項目的資助。
上述研究結果7月20日發表於美國《國家科學院院刊》。（張行勇）
相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1922349117
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