密西西比河入海水體懸沙濃度變化過程研究

楊江潔，戴志軍*，梅雪菲，Fagherazzi Sergio

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241；2.波士頓大學 地球與環境學院，馬薩諸塞州 波士頓 02215)

1 引言

河流輸送泥沙至海洋是地球表面物質轉移的重要途徑，在地球生物化學循環中發揮關鍵作用[1-3]。據統計，約95%的泥沙通過河流進入海洋[4]。作為地球表面物質進入海洋的重要載體[5]，河流入海泥沙對陸海相互作用、物質循環與遷移具有重要意義。

然而，近幾十年來全球氣候變化和人類活動導致河流與河口環境發生顯著變化，進而急劇改變入海水體懸沙濃度（Suspended Sediment Concentration,SSC），這一現象已引起全球關注[6-7]。例如，長江入海水體懸沙濃度由于三峽大壩的建設和運行與20 世紀50 年代相比呈現分階段減少的趨勢[3]。水土保持、流域降水減少及水利工程調蓄被認為是引起黃河下游含沙量減少的主要原因[8]。大壩建設、土壤保持及人工采砂導致珠江入海水體懸沙濃度顯著下降[9-10]。再如，1993 年湄公河修建漫灣大壩后，進入河口的懸沙濃度明顯降低[11-12]。印度巴里托河上游的農業活動、采礦行為和非法伐木顯著改變了進入巴里托三角洲的水體懸沙濃度[13]。當河流水體懸沙濃度降低導致水流挾帶的泥沙量小于水流挾沙能力時，河床侵蝕及入海污染物通量發生異變，由此對河口環境產生負面效應，這已引起眾多學者的關注[3,6]。

密西西比河作為美國境內第一長河，年均徑流量為6 000×108m3[14]，年均輸沙量為1.27×108t[15]。然而，隨著流域大壩、整治工程的構建及水土保持措施的實施，入海泥沙由20 世紀50 年代的4×108t/a 銳減為2013 年的1.2×108t 左右[16-18]。1985 年以來，入海泥沙量大幅減少導致密西西比河三角洲平原每年約43 km2土地被侵蝕[16]，這不但增加了風暴對內陸地區的破壞，而且危及三角洲自然生態和經濟活動，因此，密西西比河入海泥沙的變化需引起廣泛重視[19-20]。

近年來，對密西西比河水沙特征的研究主要基于懸沙通量（Suspended Sediment Discharge,SSD）變化，較少涉及懸沙濃度[18]。河流入海懸沙濃度是決定入海泥沙通量多寡的重要因素，且對自然和人類活動的響應更為敏感，其與流域地形、地質和氣候條件、流域徑流量及土壤侵蝕和流失等均密切相關[21-23]。此外，關于密西西比河水體懸沙濃度的研究多基于年或月平均數據，無法探究其可變性和動態性。為揭示美國密西西比河入海水沙過程以及在何種程度上響應自然和人為驅動因素的影響，本文基于密西西比河每日水沙數據，分析密西西比河入海水體懸沙濃度近幾十年來的變化過程，并對其變化原因進行初步探討。

2 研究資料與方法

2.1 研究區域

密西西比河以發源于落基山脈東部的最大支流密蘇里河源頭起算，長6 262 km，為世界第4 長河[24]。密西西比河流域灌溉面積為323×104km2，約占美國總面積的41%[25]。因三角洲淡水資源及港航等需求，美國陸軍工程兵團（United States Army Corps of Engineers,USACE）自1963 年在距入海口507 km的位置分階段建造了舊河控制結構（Old River Control Structure,ORCS）[26]。該結構控制約25%的密西西比河水分流至阿查法拉亞河，以確保75%的流量通過干流排放至墨西哥灣[16,27]。塔伯特蘭丁（Tarbert Landing）監測站位于舊河流控制結構下方14 km 處（圖1a），其監測數據表征了密西西比河流域輸入三角洲河口的徑流及懸沙變化。

圖1 研究區域Fig.1 The study area

2.2 數據收集

本文收集了塔伯特蘭丁站1975 年10 月1 日至2015 年9 月30 日共40 個水文年的逐日流量數據，數據來自美國陸軍工程兵團（https://www.army.mil/usace）。該站同期日懸沙通量數據從美國地質勘探局（http://waterdata.usgs.gov/nwis）收集。其中，1979 年8 月18 日至1980 年12 月31 日的流量缺失數據通過指數擬合補充獲取。根據日均流量及日懸沙通量數據，塔伯特蘭丁站日均懸沙濃度（SSC1，單位：kg/m3）計算公式為

式中，SSD1 是日懸沙通量（單位：t/d）；Q1 是日均流量（單位：m3/s）。

2.3 方法

2.3.1 河流流量分級

Rosen 和Xu[27]根據密西西比河懸沙輸移能力，將塔伯特蘭丁站徑流量（Q）進行分級：（1）低流量（Q＜13 000 m3/s，低于頻率累積曲線50%）；（2）起動流量（13 000 m3/s＜Q＜18 000 m3/s，介于頻率累積曲線50%～68%）；（3）中流量（18 000 m3/s＜Q＜25 000 m3/s，介于頻率累積曲線68%～89%）；（4）高流量（25 000 m3/s＜Q＜32 000 m3/s，介于頻率累積曲線89%～98%）；（5）峰值流量（Q＞32 000 m3/s，超過頻率累積曲線98%）。

2.3.2 水文事件閾值確定

根據IPCC 第4 次評估報告可知，極端氣候通常被定義為天氣或氣候變量的值高于（或低于）某固定閾值[28]。其中，衡量極端水文事件的閾值計算以高于第75 百分位（P75）或低于第25 百分位（P25）作為標準。對于具有n個樣本的隨機時間序列X，將所有數據按升序排列為X1，X2，…，Xn，一個隨機值Xm的累積百分位（P）根據Bonsal 等[29]提出的公式估計：

本文中，當某年實測徑流量高于P75，則定義為洪澇事件，低于P25 則定義為枯水事件，當某年實測懸沙濃度高于P75，則定義為高懸沙濃度事件。此外，當年實測徑流等于P50，則定義為平水事件。

2.3.3 突變分析

Mann-Kendall 法是一種非參數的統計分析方法，簡稱M-K 法。該法不僅計算簡便，不要求樣本遵從一定的分布，而且檢驗結果不受少數異常值干擾，因此，國內外學者常用其評估氣溫、降水、水質等序列的統計單調趨勢和突變規律[30]。M-K 法根據統計量UF、UB進行趨勢性檢驗，其中UF和UB表征了時間序列的變化趨勢，具體而言，UF為正值表明原統計序列呈上升趨勢，負值則表示原序列為下降趨勢；當UF的絕對值大于或等于1.96 時，表示原統計序列上升或下降趨勢通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗。進行突變分析時，計算兩個統計量序列：一個順序的統計變量UFk和一個反向的統計變量UBk。如果UFk和UBk曲線相交，且交點在臨界線之間（±1.96 之間），則可以推斷交點對應時刻是發生突變的時間[31]。

2.3.4 水沙比率關系

考慮到塔伯特蘭丁站在流量低于27 000 m3/s 時懸沙濃度隨流量增加而增加，而在高于27 000 m3/s 流量條件下懸沙濃度反而隨流量增加而降低[32]。因此，在本研究中使用高斯曲線將日徑流量與日懸沙濃度進行回歸，從而獲得以下水沙關系：

式中，a、b、c為常數。

此外，為分析給定年份內懸沙濃度的變化，通過矩法計算水文變異系數（Cv值）[3,32]。Cv值越大，表明年內懸沙濃度相差越懸殊，即年內分配越不均勻。Cv值越小，表明年內懸沙濃度分配越均勻。本文中年均流量與年均懸沙通量均以水文年為單位計算。一個水文年為前一年10 月1 日至當年9 月30 日。年均懸沙濃度（SSC2，單位：kg/m3）通過下式計算得到：

式中，n為水文年天數；SSD2 為年均懸沙通量（單位：108t/a）；Q2為年均流量（單位：m3/s）。

3 結果

3.1 流量和懸沙濃度的變化特征

1976-2015 年間，塔伯特蘭丁站年均流量變化不大（圖2a），但年懸沙通量呈現減小趨勢（圖2b），年均懸沙濃度表現出明顯下降趨勢（圖2c）。通過百分位法得到年均流量的第75 百分位（P75）、第50 百分位（P50）和第25 百分位（P25），據此劃分洪水年、平水年和枯水年。圖2a 顯示，年均流量高于P75 的代表性洪水年份為1979 年、1983 年、1993 年、1997 年、2005 年和2010年，年均流量在P50 左右的代表性平水年份為1978 年、1982 年、1986 年和1999 年，低于P25 的1988 年、2000 年、2006 年 及2012 年為枯水年。平水年、洪水年及枯水年的年均流量、年均懸沙通量和年均懸沙濃度列在表1 中。對比發現，密西西比河洪水年的懸沙通量高于其他年份，枯水年懸沙通量則明顯低于其他年份（圖2b）。年均懸沙濃度的呈現模式與懸沙通量不盡相同，洪水年懸沙濃度不一定高于其他年份（圖2c）。

表1 平水年、洪水年、枯水年水文參數Table 1 Hydrological parameters in normal year,flood year and dry year

年懸沙濃度的第75 百分位和最大值均呈顯著下降趨勢（圖2d，圖2e），說明年內高懸沙濃度事件和高值懸沙濃度明顯減少。同時，懸沙濃度變異系數明顯下降，表明年內日懸沙濃度離散程度減小，懸沙的變化逐漸趨于均一化（圖2f）。

圖2 塔伯特蘭丁站水沙長期變化趨勢Fig.2 Long term change trend of water and sediment at Tarbert Landing Station

3.2 懸沙濃度階段性變化特征

塔伯特蘭丁站懸沙濃度年際變化趨勢和突變規律通過M-K 法檢驗分析得到。由圖3b 可知，密西西西比河入海年均懸沙濃度整體呈現減小趨勢，其中第一時期1976-1987 年UFk基本大于0，而在第二時期UFk值顯著小于0。1990-2015 年UFk曲線超出顯著線，說明年懸沙濃度在該時期顯著減小并對年均懸沙濃度的整體變化趨勢起決定作用。UFk和UBk在0.05顯著水平置信區間內于1987 年與1988 年之間相交，表明密西西比河年懸沙濃度在1987 年前后發生突變。

進一步通過百分位法計算得到塔伯特蘭丁站在1976-2015 年年均懸沙濃度的第75 百分位閾值為0.32 kg/m3。據此，其年均懸沙濃度時間序列可分為兩個時期。年均懸沙濃度高于第75 百分位的主要發生在1987 年以前；而1987 年之后，密西西比河懸沙濃度急劇減小，從1987 年的0.31 kg/m3銳減到1988年的0.19 kg/m3，并在之后一直保持較低的懸沙濃度，僅在1998-2001 年高于第75 百分位（圖3a）。因此，第一時期，即1976-1987 年被認為是高懸沙濃度時期；第二時期，即1988-2015 年被視作低懸沙濃度時期，兩個時期的懸沙濃度平均值分別為0.35 kg/m3和0.27 kg/m3。

圖3 塔伯特蘭丁站懸沙濃度階段性變化Fig.3 Stage charges of suspended sediment concentration at Tarbert Landing Station

3.3 懸沙濃度與流量的比率關系

塔伯特蘭丁站日徑流量與日懸沙濃度關系的擬合曲線呈高斯分布，表現為中間高兩端低，相關性通過99%置信度檢驗（圖4）。據此判斷，密西西比河低流量、起動流量階段懸沙濃度隨流量增大而增大，當達到中流量階段時，懸沙濃度隨流量繼續增加直至最大，但當流量進一步增大至高流量、峰值流量階段時，懸沙濃度隨流量增加而減小。

圖4 日均懸沙濃度和日均徑流量的比率曲線Fig.4 Relationship between average daily suspended sediment concentration and average daily water runoff

對比兩個時期的水沙關系曲線，發現1976-1987年水沙關系曲線的斜率更陡，并在流量為20 360 m3/s時懸沙濃度達到峰值，為0.43 kg/m3；而1988-2015 年水沙關系曲線斜率相對平緩，懸沙濃度在流量為19 560 m3/s 時達到峰值，為0.31 kg/m3。這意味著第二時期懸沙濃度變化較小，且懸沙濃度最大值比第一時期要低。

進一步分析兩個時期月均流量與月均懸沙濃度的關系曲線，可知密西西比河月徑流量自10 月逐漸增大，在4 月達到峰值，之后逐漸減小。與下降階段（4-6 月）相比，流量上升階段（2-4 月）在相同流量下對應懸沙濃度更高（圖5）。此外，在相同流量水平下，第二時期月均懸沙濃度明顯低于第一時期，第二時期的水沙滯后弱于第一時期。

第一時期，即1976-1987 年間，塔伯特蘭丁站多年月均流量與月均懸沙濃度的關系曲線呈雙繩套樣（圖5）。其中，前一年10 月至當年2 月與當年6-9 月的水沙關系曲線呈逆時針變化，相同流量下，6-9 月的平均懸沙濃度高于前一年10 月至當年2 月。而當年3-5 月的水沙關系呈順時針型繩套關系。第二時期，即1988-2015 年，月均流量與月均懸沙濃度的關系曲線表現為“先沙后水”的順時針單一型繩套樣。在同流量條件下，流量上升階段（前一年10 月至當年4 月）的平均懸沙濃度較流量減小階段（5-9 月）大。

圖5 月均徑流量與月均懸沙濃度的關系Fig.5 Relationship between average monthly water runoff and average monthly suspended sediment concentration

在多年平均條件下，塔伯特蘭丁站兩個時期的月均流量峰值均出現在4 月，但月均懸沙濃度最大值的出現時間并不一致，第一時期出現在3 月，在第二時期提前至1 月發生。與第一時期相比，第二時期6-9 月懸沙濃度逐月的分配比例有較大改變。第二時期7 月平均懸沙濃度較鄰近月份變化幅度明顯降低，從而減少了原有水沙關系的一個繩套，導致順時針單一型繩套的呈現。

4 討論

河流入海懸沙濃度的長期變化與流域地質地貌、水文條件變化以及各種人類活動密切相關[33-34]。以下進一步對可能引起懸沙濃度變化的驅動因素進行探討。

4.1 流量對懸沙濃度的影響

水流作為泥沙的載體，對懸沙濃度具有顯著影響[3]。圖6 為兩個時期日均懸沙濃度與流量的相關關系。發現低流量條件下，兩個時期流量均與低懸沙濃度事件表現出明顯的相關性。起動流量條件下，兩個時期的流量與高懸沙濃度事件相關性更好。中流量和高流量條件下，第一時期流量繼續與高懸沙濃度事件表現出較好的相關性，但第二時期流量與懸沙濃度相關性不再顯著。峰值流量條件下，兩個時期流量與懸沙濃度事件相關性均未通過顯著性檢驗。總體而言，第一時期，流量除了峰值流量區間均對懸沙濃度有控制作用；第二時期，流量僅在低流量和起動流量情境下明顯控制懸沙濃度。

圖6 日均懸沙濃度與流量相關關系Fig.6 Correlations between average daily suspended sediment concentration and water runoff

具體而言，第一時期，在低流量條件下的懸沙濃度與流量的最大相關系數為正，說明懸沙濃度在此區間隨著流量增加而增大。這一顯著增長趨勢在起動流量和中流量區間繼續保持。在高流量區間，懸沙濃度與流量相關系數轉變為負值，說明此區間內懸沙濃度隨流量增大而顯著減小。第二時期，低流量條件下的懸沙濃度與流量相關性與第一時期保持一致，隨著流量增大而增大。然而，步入起動流量區間后，懸沙濃度與流量相關系數迅速轉變為負值，即隨著流量增加而減小。這可能是由于水流在流量增加的過程中會沖刷前期淤積的泥沙，先前沉降于河床的泥沙再懸浮進入水體，致使懸沙濃度增大。然而，前期河床淤積的泥沙量有限，隨著流量繼續增大，沖刷量會不斷減小，導致水體懸沙濃度呈現降低態勢。比較兩個時期的相關系數特征，發現第二時期相對第一時期早了兩個流量區間出現負值，說明除流量外，應有其他因素對密西西比河入海水體懸沙濃度造成影響。

4.2 人類活動對懸沙濃度的影響

目前，密西西比河的沉積物物源約25%來自河道退化，75%來自高地侵蝕[35]。水利工程建設（包括大壩調控、護岸工程及河道改善措施等）可攔截和消除河道沿程的沉積物物源[16,36]。土壤保持措施和農業方式改變可減少密西西比河流域東部高地土壤侵蝕[37-38]。這些人類干擾都可能造成密西西比河入海懸沙濃度大幅減少[36]。

1976-1987 年間，在高流量沖刷影響下，河道沉積物進入水體，密西西比河下游平均懸沙濃度保持在0.35 kg/m3。1987 年舊河輔助控制結構（圖1e）運行，導致一部分水體和泥沙分流進入阿查法拉亞河[39-40]，進而導致密西西比河年均入海懸沙濃度從1986 年的0.37 kg/m3減小到1989 年的0.19 kg/m3。同時，1990 年舊河控制結構處修建的低水頭水電站（圖1f）攔截了部分流域來沙[26]。1986 年美國開始實施“土地休耕計劃（Conservation Reserve Program,CRP）”，旨在通過休耕還林、還草等長期性植被恢復措施，達到修復生態和土壤保護的目標。CRP 實施20年來，美國土壤侵蝕速率下降超過40%[41-42]。1987 年美國政府進一步推出森林保護政策。進入20 世紀90 年代，美國國有森林已全面禁伐。上述措施使得1988-2015 年的第二時期密西西比河入海懸沙濃度保持在相對較低水平,水體平均懸沙濃度約為0.27 kg/m3。

4.3 極端水文事件對懸沙濃度的影響

厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）對全球極端氣候、降水及徑流量有顯著影響[43]。密西西比河流量與ENSO 指數亦有較好的相關性。如圖7a 所示，1983 年、1993 年、1997 年、2005 年及2010 年的ENSO 指數高于時間序列月平均ENSO 指數的P75，據此判定這些年份發生了厄爾尼諾事件。1988 年、2000 年、2006 年及2011 年的ENSO 指數低于時間序列月平均ENSO 指數的P25，認定這些年份發生拉尼娜事件。將ENSO 指數時間序列與密西西比河月流量序列比較分析，發現1983 年、1993 年、1997 年、2005 年及2010 年發生在塔伯特蘭丁站的高流量事件與厄爾尼諾事件相關，反之，拉尼娜事件則導致1988 年、2000 年、2006 年及2011 年的枯水事件。需要強調的是，ENSO 并不一定會導致極端事件的發生，比如1987 年的ENSO 事件對密西西比河流量幾乎沒有產生影響。

圖7 1976-2015 年ENSO 指數與月均徑流量Fig.7 ENSO index and average monthly water runoff from 1976 to 2015

與年際徑流量變化不同，年均懸沙濃度與ENSO 指數并未表現出明顯的相關性。受厄爾尼諾和拉尼娜事件控制的洪水年和枯水年并未發生相應的懸沙濃度高值和低值事件。進一步比較分析，發現懸沙濃度往往在洪水年或枯水年前后1～2 年達到極高值或極低值，這同流量與懸沙濃度的關系曲線表現一致（圖4）：低流量下懸沙濃度隨流量增加而增加，高懸沙濃度基本發生在中流量階段；當河流處于中流量以上時，由于前期河道淤積的泥沙量有限，懸浮泥沙被持續增長的水流稀釋[44]，流量與懸沙濃度呈反比關系。極端水文事件對懸沙濃度的影響也可能摻雜了人類活動干擾在內，具體需要進一步深入分析。

5 結論

河流入海水體懸沙濃度不僅是決定河流入海泥沙通量的基本因素，也是反映流域侵蝕或淤積動態的關鍵因子，對許多生源要素的全球循環有重要影響。基于密西西比河入海流量和懸沙濃度數據，本文主要結論包括：

（1）近40 年來，密西西比河年均徑流量幾乎沒有變化，而年均懸沙濃度呈現顯著減小趨勢。根據MK 突變檢驗分析結果，將整個研究時期分為兩個階段：1976-1987 年第一時期懸沙濃度平均值為0.35 kg/m3，1988-2015 年第二時期平均懸沙濃度為0.27 kg/m3。密西西比河入海懸沙濃度突變與1987 年舊河輔助控制結構的運行有關。

（2）密西西比河日徑流量與懸沙濃度之間的關系符合高斯分布。在低流量與起動流量階段，懸沙濃度隨著流量的增加而增加，并在流量接近20 000 m3/s 時懸沙濃度達到最大值，流量高于20 000 m3/s 后懸沙濃度反而隨流量增加而減小。密西西比河月水沙關系在第一時期呈雙繩套樣，第二時期則表現出“先沙后水”順時針單一型繩套。

（3）密西西比河入海懸沙濃度不僅受河流流量控制，還受到水利工程運行和土壤侵蝕的影響：護岸工程及河道改善措施通過攔截河道沿程進入密西西比河的沉積物降低入海懸沙濃度；美國政府“土地休耕計劃”和森林保護政策的實施通過減少土壤侵蝕來降低入海懸沙濃度。此外，ENSO 造成的極端事件對密西西比河入海懸沙濃度的影響較小。