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，F(xiàn)agherazzi Sergio

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2.波士頓大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)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(zhì)轉(zhuǎn)移的重要途徑，在地球生物化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約95%的泥沙通過河流進(jìn)入海洋[4]。作為地球表面物質(zhì)進(jìn)入海洋的重要載體[5]，河流入海泥沙對(duì)陸海相互作用、物質(zhì)循環(huán)與遷移具有重要意義。

然而，近幾十年來(lái)全球氣候變化和人類活動(dòng)導(dǎo)致河流與河口環(huán)境發(fā)生顯著變化，進(jìn)而急劇改變?nèi)牒Ｋw懸沙濃度（Suspended Sediment Concentration,SSC），這一現(xiàn)象已引起全球關(guān)注[6-7]。例如，長(zhǎng)江入海水體懸沙濃度由于三峽大壩的建設(shè)和運(yùn)行與20 世紀(jì)50 年代相比呈現(xiàn)分階段減少的趨勢(shì)[3]。水土保持、流域降水減少及水利工程調(diào)蓄被認(rèn)為是引起黃河下游含沙量減少的主要原因[8]。大壩建設(shè)、土壤保持及人工采砂導(dǎo)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(jìn)入河口的懸沙濃度明顯降低[11-12]。印度巴里托河上游的農(nóng)業(yè)活動(dòng)、采礦行為和非法伐木顯著改變了進(jìn)入巴里托三角洲的水體懸沙濃度[13]。當(dāng)河流水體懸沙濃度降低導(dǎo)致水流挾帶的泥沙量小于水流挾沙能力時(shí)，河床侵蝕及入海污染物通量發(fā)生異變，由此對(duì)河口環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，這已引起眾多學(xué)者的關(guān)注[3,6]。

密西西比河作為美國(guó)境內(nèi)第一長(zhǎng)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(gòu)建及水土保持措施的實(shí)施，入海泥沙由20 世紀(jì)50 年代的4×108t/a 銳減為2013 年的1.2×108t 左右[16-18]。1985 年以來(lái)，入海泥沙量大幅減少導(dǎo)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(fēng)暴對(duì)內(nèi)陸地區(qū)的破壞，而且危及三角洲自然生態(tài)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，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(lái)，對(duì)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(duì)自然和人類活動(dòng)的響應(yīng)更為敏感，其與流域地形、地質(zhì)和氣候條件、流域徑流量及土壤侵蝕和流失等均密切相關(guān)[21-23]。此外，關(guān)于密西西比河水體懸沙濃度的研究多基于年或月平均數(shù)據(jù)，無(wú)法探究其可變性和動(dòng)態(tài)性。為揭示美國(guó)密西西比河入海水沙過程以及在何種程度上響應(yīng)自然和人為驅(qū)動(dòng)因素的影響，本文基于密西西比河每日水沙數(shù)據(jù)，分析密西西比河入海水體懸沙濃度近幾十年來(lái)的變化過程，并對(duì)其變化原因進(jìn)行初步探討。

2 研究資料與方法

2.1 研究區(qū)域

密西西比河以發(fā)源于落基山脈東部的最大支流密蘇里河源頭起算，長(zhǎng)6 262 km，為世界第4 長(zhǎng)河[24]。密西西比河流域灌溉面積為323×104km2，約占美國(guó)總面積的41%[25]。因三角洲淡水資源及港航等需求，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)（United States Army Corps of Engineers,USACE）自1963 年在距入?？?07 km的位置分階段建造了舊河控制結(jié)構(gòu)（Old River Control Structure,ORCS）[26]。該結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)站位于舊河流控制結(jié)構(gòu)下方14 km 處（圖1a），其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(qū)域Fig.1 The study area

2.2 數(shù)據(jù)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(gè)水文年的逐日流量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)（https://www.army.mil/usace）。該站同期日懸沙通量數(shù)據(jù)從美國(guó)地質(zhì)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(shù)據(jù)通過指數(shù)擬合補(bǔ)充獲取。根據(jù)日均流量及日懸沙通量數(shù)據(jù)，塔伯特蘭丁站日均懸沙濃度（SSC1，單位：kg/m3）計(jì)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(jí)

Rosen 和Xu[27]根據(jù)密西西比河懸沙輸移能力，將塔伯特蘭丁站徑流量（Q）進(jìn)行分級(jí)：（1）低流量（Q＜13 000 m3/s，低于頻率累積曲線50%）；（2）起動(dòng)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(jù)IPCC 第4 次評(píng)估報(bào)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(jì)算以高于第75 百分位（P75）或低于第25 百分位（P25）作為標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于具有n個(gè)樣本的隨機(jī)時(shí)間序列X，將所有數(shù)據(jù)按升序排列為X1，X2，…，Xn，一個(gè)隨機(jī)值Xm的累積百分位（P）根據(jù)Bonsal 等[29]提出的公式估計(jì)：

本文中，當(dāng)某年實(shí)測(cè)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(dāng)某年實(shí)測(cè)懸沙濃度高于P75，則定義為高懸沙濃度事件。此外，當(dāng)年實(shí)測(cè)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(shù)的統(tǒng)計(jì)分析方法，簡(jiǎn)稱M-K 法。該法不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，不要求樣本遵從一定的分布，而且檢驗(yàn)結(jié)果不受少數(shù)異常值干擾，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用其評(píng)估氣溫、降水、水質(zhì)等序列的統(tǒng)計(jì)單調(diào)趨勢(shì)和突變規(guī)律[30]。M-K 法根據(jù)統(tǒng)計(jì)量UF、UB進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)，其中UF和UB表征了時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，具體而言，UF為正值表明原統(tǒng)計(jì)序列呈上升趨勢(shì)，負(fù)值則表示原序列為下降趨勢(shì)；當(dāng)UF的絕對(duì)值大于或等于1.96 時(shí)，表示原統(tǒng)計(jì)序列上升或下降趨勢(shì)通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)。進(jìn)行突變分析時(shí)，計(jì)算兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列：一個(gè)順序的統(tǒng)計(jì)變量UFk和一個(gè)反向的統(tǒng)計(jì)變量UBk。如果UFk和UBk曲線相交，且交點(diǎn)在臨界線之間（±1.96 之間），則可以推斷交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻是發(fā)生突變的時(shí)間[31]。

2.3.4 水沙比率關(guān)系

考慮到塔伯特蘭丁站在流量低于27 000 m3/s 時(shí)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(jìn)行回歸，從而獲得以下水沙關(guān)系：

式中，a、b、c為常數(shù)。

此外，為分析給定年份內(nèi)懸沙濃度的變化，通過矩法計(jì)算水文變異系數(shù)（Cv值）[3,32]。Cv值越大，表明年內(nèi)懸沙濃度相差越懸殊，即年內(nèi)分配越不均勻。Cv值越小，表明年內(nèi)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(jì)算。一個(gè)水文年為前一年10 月1 日至當(dāng)年9 月30 日。年均懸沙濃度（SSC2，單位：kg/m3）通過下式計(jì)算得到：

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

3 結(jié)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(xiàn)減小趨勢(shì)（圖2b），年均懸沙濃度表現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)（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(jù)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(shù)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(shì)（圖2d，圖2e），說明年內(nèi)高懸沙濃度事件和高值懸沙濃度明顯減少。同時(shí)，懸沙濃度變異系數(shù)明顯下降，表明年內(nèi)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(zhǎng)期變化趨勢(shì)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(shì)和突變規(guī)律通過M-K 法檢驗(yàn)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(xiàn)減小趨勢(shì)，其中第一時(shí)期1976-1987 年UFk基本大于0，而在第二時(shí)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(shí)期顯著減小并對(duì)年均懸沙濃度的整體變化趨勢(shì)起決定作用。UFk和UBk在0.05顯著水平置信區(qū)間內(nèi)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(fā)生突變。

進(jìn)一步通過百分位法計(jì)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(jù)此，其年均懸沙濃度時(shí)間序列可分為兩個(gè)時(shí)期。年均懸沙濃度高于第75 百分位的主要發(fā)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(shí)期，即1976-1987 年被認(rèn)為是高懸沙濃度時(shí)期；第二時(shí)期，即1988-2015 年被視作低懸沙濃度時(shí)期，兩個(gè)時(shí)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(guān)系

塔伯特蘭丁站日徑流量與日懸沙濃度關(guān)系的擬合曲線呈高斯分布，表現(xiàn)為中間高兩端低，相關(guān)性通過99%置信度檢驗(yàn)（圖4）。據(jù)此判斷，密西西比河低流量、起動(dòng)流量階段懸沙濃度隨流量增大而增大，當(dāng)達(dá)到中流量階段時(shí)，懸沙濃度隨流量繼續(xù)增加直至最大，但當(dāng)流量進(jìn)一步增大至高流量、峰值流量階段時(shí)，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(duì)比兩個(gè)時(shí)期的水沙關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)1976-1987年水沙關(guān)系曲線的斜率更陡，并在流量為20 360 m3/s時(shí)懸沙濃度達(dá)到峰值，為0.43 kg/m3；而1988-2015 年水沙關(guān)系曲線斜率相對(duì)平緩，懸沙濃度在流量為19 560 m3/s 時(shí)達(dá)到峰值，為0.31 kg/m3。這意味著第二時(shí)期懸沙濃度變化較小，且懸沙濃度最大值比第一時(shí)期要低。

進(jìn)一步分析兩個(gè)時(shí)期月均流量與月均懸沙濃度的關(guān)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(dá)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(duì)應(yīng)懸沙濃度更高（圖5）。此外，在相同流量水平下，第二時(shí)期月均懸沙濃度明顯低于第一時(shí)期，第二時(shí)期的水沙滯后弱于第一時(shí)期。

第一時(shí)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(guān)系曲線呈雙繩套樣（圖5）。其中，前一年10 月至當(dāng)年2 月與當(dāng)年6-9 月的水沙關(guān)系曲線呈逆時(shí)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(dāng)年2 月。而當(dāng)年3-5 月的水沙關(guān)系呈順時(shí)針型繩套關(guān)系。第二時(shí)期，即1988-2015 年，月均流量與月均懸沙濃度的關(guān)系曲線表現(xiàn)為“先沙后水”的順時(shí)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(dāng)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(guān)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(gè)時(shí)期的月均流量峰值均出現(xiàn)在4 月，但月均懸沙濃度最大值的出現(xiàn)時(shí)間并不一致，第一時(shí)期出現(xiàn)在3 月，在第二時(shí)期提前至1 月發(fā)生。與第一時(shí)期相比，第二時(shí)期6-9 月懸沙濃度逐月的分配比例有較大改變。第二時(shí)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(guān)系的一個(gè)繩套，導(dǎo)致順時(shí)針單一型繩套的呈現(xiàn)。

4 討論

河流入海懸沙濃度的長(zhǎng)期變化與流域地質(zhì)地貌、水文條件變化以及各種人類活動(dòng)密切相關(guān)[33-34]。以下進(jìn)一步對(duì)可能引起懸沙濃度變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行探討。

4.1 流量對(duì)懸沙濃度的影響

水流作為泥沙的載體，對(duì)懸沙濃度具有顯著影響[3]。圖6 為兩個(gè)時(shí)期日均懸沙濃度與流量的相關(guān)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)低流量條件下，兩個(gè)時(shí)期流量均與低懸沙濃度事件表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。起動(dòng)流量條件下，兩個(gè)時(shí)期的流量與高懸沙濃度事件相關(guān)性更好。中流量和高流量條件下，第一時(shí)期流量繼續(xù)與高懸沙濃度事件表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，但第二時(shí)期流量與懸沙濃度相關(guān)性不再顯著。峰值流量條件下，兩個(gè)時(shí)期流量與懸沙濃度事件相關(guān)性均未通過顯著性檢驗(yàn)。總體而言，第一時(shí)期，流量除了峰值流量區(qū)間均對(duì)懸沙濃度有控制作用；第二時(shí)期，流量?jī)H在低流量和起動(dòng)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(guān)關(guān)系Fig.6 Correlations between average daily suspended sediment concentration and water runoff

具體而言，第一時(shí)期，在低流量條件下的懸沙濃度與流量的最大相關(guān)系數(shù)為正，說明懸沙濃度在此區(qū)間隨著流量增加而增大。這一顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)在起動(dòng)流量和中流量區(qū)間繼續(xù)保持。在高流量區(qū)間，懸沙濃度與流量相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，說明此區(qū)間內(nèi)懸沙濃度隨流量增大而顯著減小。第二時(shí)期，低流量條件下的懸沙濃度與流量相關(guān)性與第一時(shí)期保持一致，隨著流量增大而增大。然而，步入起動(dòng)流量區(qū)間后，懸沙濃度與流量相關(guān)系數(shù)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)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(huì)沖刷前期淤積的泥沙，先前沉降于河床的泥沙再懸浮進(jìn)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(xù)增大，沖刷量會(huì)不斷減小，導(dǎo)致水體懸沙濃度呈現(xiàn)降低態(tài)勢(shì)。比較兩個(gè)時(shí)期的相關(guān)系數(shù)特征，發(fā)現(xiàn)第二時(shí)期相對(duì)第一時(shí)期早了兩個(gè)流量區(qū)間出現(xiàn)負(fù)值，說明除流量外，應(yīng)有其他因素對(duì)密西西比河入海水體懸沙濃度造成影響。

4.2 人類活動(dòng)對(duì)懸沙濃度的影響

目前，密西西比河的沉積物物源約25%來(lái)自河道退化，75%來(lái)自高地侵蝕[35]。水利工程建設(shè)（包括大壩調(diào)控、護(hù)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(nóng)業(yè)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(jìn)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(jié)構(gòu)（圖1e）運(yùn)行，導(dǎo)致一部分水體和泥沙分流進(jìn)入阿查法拉亞河[39-40]，進(jìn)而導(dǎo)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(shí)，1990 年舊河控制結(jié)構(gòu)處修建的低水頭水電站（圖1f）攔截了部分流域來(lái)沙[26]。1986 年美國(guó)開始實(shí)施“土地休耕計(jì)劃（Conservation Reserve Program,CRP）”，旨在通過休耕還林、還草等長(zhǎng)期性植被恢復(fù)措施，達(dá)到修復(fù)生態(tài)和土壤保護(hù)的目標(biāo)。CRP 實(shí)施20年來(lái)，美國(guó)土壤侵蝕速率下降超過40%[41-42]。1987 年美國(guó)政府進(jìn)一步推出森林保護(hù)政策。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，美國(guó)國(guó)有森林已全面禁伐。上述措施使得1988-2015 年的第二時(shí)期密西西比河入海懸沙濃度保持在相對(duì)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(duì)懸沙濃度的影響

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）對(duì)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(shù)亦有較好的相關(guān)性。如圖7a 所示，1983 年、1993 年、1997 年、2005 年及2010 年的ENSO 指數(shù)高于時(shí)間序列月平均ENSO 指數(shù)的P75，據(jù)此判定這些年份發(fā)生了厄爾尼諾事件。1988 年、2000 年、2006 年及2011 年的ENSO 指數(shù)低于時(shí)間序列月平均ENSO 指數(shù)的P25，認(rèn)定這些年份發(fā)生拉尼娜事件。將ENSO 指數(shù)時(shí)間序列與密西西比河月流量序列比較分析，發(fā)現(xiàn)1983 年、1993 年、1997 年、2005 年及2010 年發(fā)生在塔伯特蘭丁站的高流量事件與厄爾尼諾事件相關(guān)，反之，拉尼娜事件則導(dǎo)致1988 年、2000 年、2006 年及2011 年的枯水事件。需要強(qiáng)調(diào)的是，ENSO 并不一定會(huì)導(dǎo)致極端事件的發(fā)生，比如1987 年的ENSO 事件對(duì)密西西比河流量幾乎沒有產(chǎn)生影響。

圖7 1976-2015 年ENSO 指數(shù)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(shù)并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)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(fā)生相應(yīng)的懸沙濃度高值和低值事件。進(jìn)一步比較分析，發(fā)現(xiàn)懸沙濃度往往在洪水年或枯水年前后1～2 年達(dá)到極高值或極低值，這同流量與懸沙濃度的關(guān)系曲線表現(xiàn)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(fā)生在中流量階段；當(dāng)河流處于中流量以上時(shí)，由于前期河道淤積的泥沙量有限，懸浮泥沙被持續(xù)增長(zhǎng)的水流稀釋[44]，流量與懸沙濃度呈反比關(guān)系。極端水文事件對(duì)懸沙濃度的影響也可能摻雜了人類活動(dòng)干擾在內(nèi)，具體需要進(jìn)一步深入分析。

5 結(jié)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(dòng)態(tài)的關(guān)鍵因子，對(duì)許多生源要素的全球循環(huán)有重要影響。基于密西西比河入海流量和懸沙濃度數(shù)據(jù)，本文主要結(jié)論包括：

（1）近40 年來(lái)，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(xiàn)顯著減小趨勢(shì)。根據(jù)MK 突變檢驗(yàn)分析結(jié)果，將整個(gè)研究時(shí)期分為兩個(gè)階段：1976-1987 年第一時(shí)期懸沙濃度平均值為0.35 kg/m3，1988-2015 年第二時(shí)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(jié)構(gòu)的運(yùn)行有關(guān)。

（2）密西西比河日徑流量與懸沙濃度之間的關(guān)系符合高斯分布。在低流量與起動(dòng)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(shí)懸沙濃度達(dá)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(guān)系在第一時(shí)期呈雙繩套樣，第二時(shí)期則表現(xiàn)出“先沙后水”順時(shí)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(yùn)行和土壤侵蝕的影響：護(hù)岸工程及河道改善措施通過攔截河道沿程進(jìn)入密西西比河的沉積物降低入海懸沙濃度；美國(guó)政府“土地休耕計(jì)劃”和森林保護(hù)政策的實(shí)施通過減少土壤侵蝕來(lái)降低入海懸沙濃度。此外，ENSO 造成的極端事件對(duì)密西西比河入海懸沙濃度的影響較小。