中国农业大学水院张婷教授在寒旱区极端输沙与水安全风险研究中取得重要进展

近日，水利与土木工程学院张婷教授在国际顶级学术期刊《自然·可持续性》（Nature Sustainability）上在线发表研究论文《泥沙季节性增强下的水资源危机与基础设施风险》（Water scarcity and infrastructure risk of amplified seasonal sediment transport）。该研究揭示了气候变暖背景下极端事件主导寒旱区泥沙季节性增强，发现了极端输沙过程正由径流驱动逐步转向物源驱动，评估了这一转变对水资源利用与水利基础设施安全的潜在影响，为认识寒旱区水安全问题提供了新视角。

 在持续变暖和冰冻圈退化背景下，寒旱区泥沙输移的强度与季节性特征正在发生显著变化。季节性输沙增强不仅影响河道稳定性和水质，还可能在汛期引发异常淤积和洪水风险，对水电工程、水库调蓄、灌溉系统及下游生态安全构成威胁。然而，现有研究对极端事件与气候变化如何共同塑造泥沙季节性转变仍缺乏系统认识，从而制约寒旱区水–粮–能系统风险的综合评估。

针对这一科学问题，该研究以塔里木河上游为典型区域，基于20个水文站自20世纪60年代以来的径流与悬移质含沙量观测资料，结合气象数据与遥感河道信息，系统揭示了输沙过程的长期演变特征，评估了极端事件对泥沙季节性的贡献及其驱动机制，并进一步阐明了河流稳定性与输沙季节性之间的耦合关系。

图1 塔里木河上游极端输沙变化特征

研究表明，极端输沙事件主导泥沙季节性特征、影响河道稳定性。与20世纪60-80年代相比，2000年后极端输沙事件的强度与频率均显著上升（图1），输沙量增加约41%，频率几乎翻倍。其中，高含沙量驱动的极端事件表现出更为显著的增强趋势，其强度提升约46%，频率增幅明显高于高流量驱动事件，表明极端输沙过程正由“高流量主导”转向“高泥沙供给主导”。

与此同时，输沙过程的季节性在2000年后显著增强，夏季输沙贡献由84%提高至88%，而春秋季占比相应下降。剔除极端事件后，夏季输沙量下降约54%，表明泥沙季节性增强主要源于极端泥沙事件的增强。

图2 塔里木河上游河道形态变化及其与夏季水沙通量变化的相关性

基于遥感反演的河流面积动态变化进一步表明，季节性输沙过程显著影响河道稳定性（图2）。过去四十年来，塔里木河上游河道快速变化，超一半河段处于动态调整状态，部分河段呈现加速的摆动与迁移。河道变化与夏季输沙过程的相关性明显强于径流过程。频繁发生的夏季极端泥沙事件会加剧河床淤积和河道摆动，不仅提高洪水风险，还可能威胁引水工程安全、水库运行效率及灌溉系统稳定（图3）。上述结果表明，气候与冰冻圈变化背景下，输沙季节性增强和极端泥沙事件频发已成为影响河道稳定与水资源安全的关键过程，为寒旱区水沙联合调控、水库淤积治理、灌区工程优化及极端事件风险防控提供了重要科学依据。

图3 气候变化驱动的水文泥沙过程及其影响

中国农业大学水利与土木工程学院张婷教授为论文第一兼通讯作者，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Jim Best教授、美国地质调查局Amy East教授、卡内基科学研究所Lorenzo Rosa教授、中国农业大学李云开教授等参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金项目支持。