全球河流入海沙量估算述評

劉 成，何 耘，陳建國，史紅玲

(1.國際泥沙研究培訓(xùn)中心，北京 100048;2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

河流自高原和山區(qū)發(fā)育，最終挾帶大量泥沙、溶解物和動植物碎屑奔流入海。據(jù)估計全球表層土壤年侵蝕量達(dá)600億t，其中約有170億t泥沙流入海洋，相當(dāng)于每年損失500萬 ～700萬 hm2農(nóng)田［1］。河流輸沙量對河流系統(tǒng)的功能發(fā)揮具有重要意義，對物質(zhì)通量、地球化學(xué)循環(huán)、水質(zhì)、河道演變、河口三角洲發(fā)展，以及依賴于河流的水生態(tài)系統(tǒng)和棲息地均起到重要作用。河流輸沙量能夠反映流域的地形地貌和水文因素的影響，也能反映流域侵蝕和產(chǎn)沙的程度。流域侵蝕、產(chǎn)沙和輸沙過程對人類可持續(xù)開發(fā)和利用地球自然資源具有重要意義，也能對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)揮重要作用。例如，水土流失往往導(dǎo)致土地退化，從而影響糧食產(chǎn)量和糧食安全;而河流輸沙量的變化也影響諸如供水、輸水、航運等對河流的利用，大量泥沙輸送入湖泊和近海，引發(fā)泥沙淤積問題，從而改變營養(yǎng)物循環(huán)［2］。由于流域侵蝕和輸沙過程與土地覆蓋、土地利用和流域的水文條件密切相關(guān)，因此河流輸沙量對氣候變化、土地覆被變化和人類活動敏感，其中，人類活動包括毀林造田、農(nóng)業(yè)擴(kuò)張、土地利用、采礦采砂、城市化建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、大壩和水庫建設(shè)、水土保持和泥沙控制等。

全球河流入海沙量為地球系統(tǒng)的運行變化提供了重要而敏感的指標(biāo)，在一定程度上能夠反映流域侵蝕、產(chǎn)沙和輸沙過程對全球社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題產(chǎn)生的影響。從全球范圍來看，河流入海沙量的變化反映了全球土地資源的可持續(xù)利用情況，陸-海泥沙轉(zhuǎn)移量的變化將導(dǎo)致地球化學(xué)循環(huán)中的變化，尤其是碳通量的變化。同樣，河流輸沙量的變化也會引發(fā)許多問題，例如，河流輸沙量增加會導(dǎo)致水庫、河道和輸水系統(tǒng)的淤積加速，并對水生生物的棲息地和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。相反，輸沙量減少可能會導(dǎo)致河道沖刷和三角洲海岸線的侵蝕，減少營養(yǎng)物輸入至水生態(tài)系統(tǒng)和濱河生態(tài)系統(tǒng)，特別是湖泊、三角洲和沿海海域。正是由于這些原因，國內(nèi)外研究者對河流輸沙量及全球入海沙量的研究非常重視，已有研究成果豐富［3-8］。但由于全球河流實測輸沙量數(shù)據(jù)難以收集齊全，沒有實測數(shù)據(jù)的河流較多，估算方法各異，全球河流入海沙量的估算值差別很大，沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。筆者收集了從20世紀(jì)50年代至今文獻(xiàn)所提出的全球河流入海沙量的估值，對近期相關(guān)典型研究成果進(jìn)行綜述，提出目前在估算人類影響前后全球河流入海沙量上的最新認(rèn)識。

1 全球河流入海沙量估算統(tǒng)計

由于全球河流輸沙量數(shù)據(jù)缺少或不完整，難以推算全球入海沙量的數(shù)值及其變化。一方面很多地區(qū)沒有開展過河流輸沙參數(shù)的測量工作;另一方面，收集和獲取各個國家已有的河流泥沙數(shù)據(jù)較為困難;而且有很多河流雖然有輸沙量數(shù)據(jù)，但并非長系列數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)，難以直接應(yīng)用于河流輸沙量的變化趨勢分析。

雖然推算全球河流入海沙量較難，從20世紀(jì)下半葉至今，還是有很多學(xué)者進(jìn)行了有益的嘗試，用不同的方法進(jìn)行估算。表1列出了27篇文獻(xiàn)中提出的30個全球河流入海沙量數(shù)據(jù)(按數(shù)值從小到大排序)。從表1可見，各文獻(xiàn)提出的全球河流入海沙量數(shù)值分布范圍很大，最低83億t/a，最高511億t/a。近些年，隨著對這一問題的深入研究，以及更多河流開展了河流輸沙量的實測，互聯(lián)網(wǎng)時代更多河流輸沙量數(shù)據(jù)的獲取，并且隨著計算機(jī)技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以利用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行輸沙量的推算，因此全球河流入海沙量的估算值日趨合理，近些年估算值大多集中在120億～200億t/a。

表1 不同文獻(xiàn)全球河流入海沙量估值

2 近年典型研究成果

2.1 Syvitski等［11］的研究成果

Syvitski等利用能反映全球地形、地貌和氣象水文特征的全球數(shù)據(jù)庫，采用流域通量模型(DBFM)，考慮了地形、流域面積(或平均流量)和流域氣溫分布等因素，推算出全球河流入海年輸沙量及其季節(jié)變化，成果發(fā)表在美國科學(xué)促進(jìn)會的權(quán)威期刊《Science》上，影響很大。該研究基于流域面積合計為9100km2的4462條河流的分析，嘗試計算人類活動影響前和受人類活動影響的現(xiàn)代全球河流入海沙量。

在計算人類活動影響前的全球河流輸沙量時，采用了美國北極與高山研究所的流域通量模型(INSTAAR-DBFM)中的面積-地形-溫度輸沙模型(ART)。計算中，采用全球數(shù)據(jù)庫中340條河流的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，這些河流覆蓋全球70%的水文地塊。為了反映人類活動影響前的狀況，選擇的這些河流大部分處于原始狀態(tài)，或者河流在受到水庫攔沙或土地擾動影響前有輸沙量實測數(shù)據(jù)。模型計算得出人類活動影響前全球河流入海沙量約為140億t/a，各區(qū)域的沙量如表2所示。由表2可見，入海沙量最高的區(qū)域為亞洲，為54.50億t/a，占全球入?？偵沉康?9%;南美和北美入海沙量數(shù)據(jù)相近，分別為26.80億t/a和23.50億t/a，兩者總和占全球入?？偵沉康?6%。

表2 Syvitski等［11］估算的全球河流入海沙量區(qū)域分布

在計算受人類活動影響的現(xiàn)代全球河流入海沙量時，有輸沙量實測值的河流面積占全球流域面積的70%，對于缺乏輸沙量實測值的河流利用流量-地形-氣溫輸沙模型(QRT)進(jìn)行估算。河流泥沙數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括建壩前后的輸沙量觀測值，針對無泥沙測量數(shù)據(jù)的河流，按水庫規(guī)模(大型水庫、小型水庫)分別估算其攔沙量。計算得出現(xiàn)代全球河流入海沙量約為126億t/a，較人類活動影響前的入海沙量降低約10%。按全球大型和小型水庫攔沙量分別占全球入?？偵沉康?0%和6%估算，推算出無大壩攔沙影響的現(xiàn)代全球河流入海沙量約為162億t/a。由表2還可發(fā)現(xiàn)，非洲和亞洲的入海沙量降低幅度最大，分別達(dá)5.1億t/a和7.1億t/a。其中，入海沙量大幅降低的包括非洲的尼羅河、奧蘭治河、尼日爾河、贊比西河，以及亞洲的長江、黃河和印度河。歐洲、北美和南美區(qū)域的河流入海沙量也大幅減少，分別降低2.4億t/a、4.4億t/a和2.3億t/a。印度尼西亞區(qū)域的河流入海沙量增加7.3億t/a，主要由森林砍伐造成。

2.2 Milliman 等［21］的研究成果

Milliman等在其2011年出版的專著《River discharge to the coastal ocean:a global synthesis》［2］中，利用全球 1534條直接排放入海的河流干流數(shù)據(jù)庫，分析了全球河流入海的水量、懸移質(zhì)輸沙量和可溶性固體顆粒量。數(shù)據(jù)庫中河流總的流域面積為8660萬km2，其中流域面積大于50萬km2的河流有34條，這些河流的流域面積為5290萬km2，占全球入海河流總流域面積(約 10500萬km2)的1/2。Milliman等估算全球河流入海沙量時，將全球按地理和環(huán)境條件(特別是降水量)大致劃分為11個區(qū)域，分別為南美東北部、南美西部、南美東南部、北美西部、北美東部、美洲極地、歐亞極地、歐洲、南亞及大洋洲、非洲西部和非洲東部，利用與各區(qū)域河流實測輸沙量和流域面積相關(guān)的計算方法，估算各區(qū)域的入海沙量。計算中盡可能采用建壩前的數(shù)據(jù)。計算出各區(qū)域建壩前入海沙量見表3，將各區(qū)域數(shù)值相加，得出建壩前全球入海沙量約為191億t/a。

表3 不同文獻(xiàn)估算的分區(qū)域全球河流入海沙量比較 億t/a

Milliman等［21］將計算的各區(qū)域入海沙量與過去的成果進(jìn)行了比較(表3)。結(jié)果表明，其估算的全球入海沙量與Holeman［19］估算的結(jié)果基本一致，高于 Milliman 等［15］估算的135 億 t/a［15］。在具體分析各區(qū)域數(shù)值后，Milliman等［21］指出，由于數(shù)據(jù)庫資料有限，Holeman利用南亞河流計算了亞洲河流的平均產(chǎn)沙率，然后將這些產(chǎn)沙率值應(yīng)用至整個亞洲大陸，沒有考慮北冰洋河流產(chǎn)沙率非常低這一因素。因此，Holeman計算的亞洲大陸的輸沙量約為Milliman等估算值的3倍。因為Holeman缺少大洋洲島嶼河流的數(shù)據(jù)，估算中缺少此區(qū)域輸沙量。另外，因為缺乏北美西部和南美數(shù)據(jù)，以及流經(jīng)阿爾卑斯山南部河流的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致文獻(xiàn)［19］和文獻(xiàn)［15］均低估了這些地區(qū)的輸沙量。

2.3 Syvitski等［13］的研究成果

Syvitski等［13］利用數(shù)學(xué)模型分析人類活動影響前后全球河流入海沙量的變化。分析中采用了BQART經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎汩L期的懸移質(zhì)輸沙量(B、Q、A、R、T分別代表流域、流量、流域面積、地形和流域氣溫)，主要考慮因素包括:①流域面上的地貌/地質(zhì)、巖性和地勢的影響;②流域氣溫、徑流和冰范圍的地理影響;③可能會加速或減緩?fù)寥狼治g和/或攔沙的人類活動。

在計算無人類活動影響的史前全球河流入海沙量時，采用流域平均氣溫和流量等數(shù)據(jù)和無人類活動擾動的其他參數(shù)應(yīng)用BQART模型，估算出史前全球河流入海沙量約為151億t/a。計算人類活動影響下的現(xiàn)代全球河流入海沙量分兩部分進(jìn)行，一部分采用1960—1990年全球160條河流實測輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，這些河流流域面積涵蓋全球陸地表面面積的60%;另一部分為全球其他無實測輸沙量數(shù)據(jù)的河流，利用現(xiàn)代氣象條件、人口密度、國民生產(chǎn)總值和水庫特征值進(jìn)行計算。兩者相加得出20世紀(jì)全球入海沙量約為129億t/a，各區(qū)域史前和現(xiàn)代河流入海沙量見表4。

表4 Syvitski等［13］估算的史前和現(xiàn)代河流入海沙量

2.4 其他近期研究成果

Walling［2］根據(jù)全球主要水庫總庫容估算年庫容損失，進(jìn)而估算水庫攔沙量。目前，全球水庫總庫容約為6000km3，估測年庫容損失約為48km3，水庫庫容損失主要由泥沙淤積造成，粗略折算相當(dāng)于水庫攔沙量600億t/a。這一水庫攔沙量數(shù)值遠(yuǎn)高于其他文獻(xiàn)數(shù)值，是大多數(shù)全球入海沙量估算值的4倍?？紤]水庫攔沙量中的泥沙有相當(dāng)部分在建壩前會淤積于河道和下游河道灘地、洪泛平原等，粗略估算假設(shè)水庫年攔沙量中的40%在建壩前可以輸送入海，則因建壩而減少的入海沙量約為240億t/a。據(jù)此，Walling認(rèn)可Syvitski等［11］提出的人類影響前和現(xiàn)代全球河流入海沙量分別約為140億t/a和126億t/a，但認(rèn)為水庫攔沙造成的入海沙量減少值為240億t/a，無水庫攔沙的現(xiàn)代入海沙量達(dá)366億t/a，大幅度高于Syvitski等［11］及其他研究者的估算值，如表5所示。筆者認(rèn)為Walling是基于全球水庫攔沙量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行估算的，其結(jié)論有其合理性。

表 5 Walling［2］與 Syvitski等［11］估算的入海沙量及水庫攔沙量 億t/a

Liu 等［28］以 Milliman 等［21］所提出的建壩前全球河流入海沙量190億t/a為基準(zhǔn)，利用中國10條主要河流入海的17個測站多年系列數(shù)據(jù)、全球其他國家78條河流入海的建壩前后數(shù)據(jù)，分析各區(qū)域受人類活動影響的輸沙量變化率，估算各區(qū)域河流的入海沙量如表6所示，得出當(dāng)前全球河流入海沙量約為132億t/a。

表6 近年不同文獻(xiàn)估算的分區(qū)域全球河流入海沙量 億t/a

3 近年研究成果的比較分析

為便于討論，將上述近年關(guān)于全球分區(qū)域河流入海沙量的估算結(jié)果列于表6。

從人類活動影響前(建壩前、史前)入海沙量看，Milliman等［21］估算的191.00億 t/a遠(yuǎn)大于另外兩個估算值(140.34億t/a和151.43億t/a)。具體到分區(qū)域數(shù)值比較，輸沙量較大的區(qū)域中，非洲、亞洲、歐洲、北美和南美的輸沙量值基本相近，差別不大;全球入海沙量數(shù)值的差別主要是由大洋洲區(qū)域輸沙量的差別造成的。Milliman等認(rèn)為其他研究成果沒有包括或低估了大洋洲島嶼河流的數(shù)據(jù)，提出大洋洲島嶼流域面積雖然不足全球入海河流流域面積的2.5%，但其排入海洋的年輸沙量達(dá)71億/a，約占全球總量的40%?？紤]此因素，人類活動影響前的河流入海沙量宜按190億t/a考慮。

從建壩后全球河流入海沙量看，表6所列3篇文獻(xiàn)數(shù)值基本一致，都在130億t/a上下，但具體到分區(qū)域數(shù)值看，文獻(xiàn)［28］在非洲、亞洲、歐洲和北美區(qū)域的數(shù)值遠(yuǎn)低于其他2篇文獻(xiàn)的數(shù)值，但由于其數(shù)值建立在Milliman等［21］估算的建壩前全球數(shù)值的基礎(chǔ)上，大洋洲入海沙量大大高于另2篇文獻(xiàn)數(shù)值，兩相抵消因此3篇文獻(xiàn)估算的全球入海沙量基本一致。文獻(xiàn)［28］中88條河流入海沙量的變化多有長期系列實測數(shù)據(jù)的支撐，這88條河流基本上包括了全球大型河流和輸沙量較大的河流，因而分析結(jié)果有一定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，特別是亞洲河流數(shù)據(jù)較其他研究更為全面、可靠。以亞洲河流入海沙量來看，分析中采用中國10條主要河流17個測站長系列數(shù)據(jù)和其他國家26條河流建壩前后的數(shù)據(jù)，這些河流的入海沙量從過去的約46億t/a降至當(dāng)前的19億t/a，其中中國10條主要河流入海沙量從20億t/a降至5億t/a。分析河流的輸沙量占亞洲河流總輸沙量的約90%，因此其提出的亞洲建壩后入海沙量比過去入海沙量值減少約60%較為合理。僅中國10條主要河流的入海沙量就已降低了15t/a，大于另2篇文獻(xiàn)提出的亞洲入海沙量減少值(7 t/a)的2倍，這也說明了另2篇文獻(xiàn)至少在亞洲區(qū)域入海沙量估算是有較大偏差的。

4 結(jié)語

全球河流入海沙量變化受到兩個主要驅(qū)動力的影響，一是流域擾動導(dǎo)致輸沙量的增加，這種擾動包括森林砍伐、毀林開荒、采礦、道路及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等人類活動;另一是大壩建設(shè)、水土保持措施、河道采砂以及河流引水等人類活動，導(dǎo)致輸沙量的降低。隨著人類活動的影響越來越大，一方面流域擾動引起流域產(chǎn)沙量和河流輸沙量增加，另一方面水庫攔沙等措施導(dǎo)致河流最終入海沙量降低。本文通過對全球河流入海沙量的研究進(jìn)行綜述，有如下認(rèn)識:①早期文獻(xiàn)估算的全球河流入海沙量差異很大，近些年隨著獲取的河流輸沙數(shù)據(jù)越來越全面，數(shù)值模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步，估算出的入海沙量的數(shù)值日趨合理，大多集中在120億～200億t/a。②綜合近年文獻(xiàn)研究，人類活動影響前后的河流入海沙量宜分別按190億t/a和130億t/a考慮。③水庫攔沙造成的入海沙量大幅減少，Walling［10］得出因水庫攔沙造成的入海沙量減少值約為240億t/a，無水庫攔沙的現(xiàn)代入海沙量約366億t/a，認(rèn)為該數(shù)值是合理的，可以參考。

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