黑河流域上游水沙變化特征及成因分析

王 昱, 連運濤, 范嚴偉, 盧世國, 時文強, 張海濤

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州730050; 2.中國科學院 內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室, 甘肅 蘭州730000)

河流系統(tǒng)是地球上重要且非常活躍的自然系統(tǒng)，而水沙變化是河流系統(tǒng)對氣候變化與人類活動的直接響應(yīng)[1]。隨著全球氣候變暖和人類活動影響(如大壩建設(shè)、調(diào)水、采砂和植被恢復(fù)等)的不斷加劇，很多河流的徑流量、輸沙量均發(fā)生了顯著變化，直接影響流域水資源的合理配置、開發(fā)與利用，同時對流域地貌演變、河岸生態(tài)系統(tǒng)及全球生物地球化學循環(huán)等產(chǎn)生了重要影響[2-3]。河流水沙關(guān)系是反映河流徑流量和輸沙量匹配關(guān)系的重要指標，研究河流水沙關(guān)系，對于揭示河流泥沙的來源和時空變化規(guī)律，分析河流泥沙的沉積特征和流域開發(fā)治理等各方面均有重要作用[4]。

黑河流域為中國第二大內(nèi)陸河流域，是河西走廊綠洲賴以生存和社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要水資源基地[5]，其上游山區(qū)的徑流泥沙變化對中下游地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境演變有著舉足輕重的影響。近年來，隨著全球氣候變暖和人類活動的不斷加劇，黑河流域的徑流量和輸沙量都發(fā)生了顯著變化[6-8]。開展黑河流域上游水沙特征變化研究，不僅有助于深入了解流域的結(jié)構(gòu)與功能，而且對整個流域水資源的合理開發(fā)利用、災(zāi)害防治和生態(tài)環(huán)境保護等都具有十分重要的意義。黑河是中國西北地區(qū)第2大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山北麓，流域范圍介于96°42′—102°04′E，37°45′—42°40′N，流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古3省區(qū)，流域總面積1.43×105km2。黑河干流全長821 km，出山口鶯落峽以上為上游，流域面積1.0×104km2，多年平均氣溫不足2 ℃，年降水量350 mm，多年平均水資源量1.60×109m3，多年平均輸沙量2.08×106t，是流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙區(qū)[6]。黑河上游河流分為東、西兩岔，東岔為八寶河，長約75 km，西岔又名野牛溝河，長約175 km，這兩股干流在青海省祁連縣黃藏寺匯合后形成黑河干流流入甘肅境內(nèi)，干流向北穿行于高山峽谷中，經(jīng)約95 km流程至鶯落峽進入中游河西走廊，經(jīng)張掖市甘州區(qū)、臨澤縣、高臺縣，從正義峽穿過北山，流出河西走廊進入下游，最終匯入東、西居延海。黑河上游干流在2000年之前沒有修建水庫，河流水沙過程都是天然過程。由于上游地區(qū)地勢高峻，蘊藏有豐富的水能資源，自2000年至今，黑河黃藏寺—鶯落峽河段內(nèi)已相繼開發(fā)建成梯級水電站7座。其中龍首水電站于2001年投入運行，庫容為1.30×107m3，距鶯落峽水文站測驗斷面約3 km。截止目前黑河上游干流庫容最大的寶瓶水電站建于2011年，庫容為2.15×108m3。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

黑河流域上游干流鶯落峽出山口控制斷面內(nèi)有3個水文站，分別為札馬什克水文站、祁連水文站和鶯落峽水文站，其中札馬什克水文站控制黑河上游西岔野牛溝河，祁連水文站控制東岔八寶河，黃藏寺斷面至鶯落峽區(qū)間由鶯落峽水文站控制，具體水文站信息詳見表1。本研究選用札馬什克水文站、祁連水文站和鶯落峽水文站的逐月徑流量和輸沙量實測資料進行時間序列分析。

表1 黑河上游主要水文站點基本信息

1.2 研究方法

采用的主要分析方法有：水沙年內(nèi)變化和年際變化采用數(shù)理統(tǒng)計法，水沙趨勢和突變分析采用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗法及累積距平法。Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，在趨勢分析中得到了廣泛的應(yīng)用[9-11]。累積距平法是一種比較常用的判斷水沙序列變化趨勢的方法。累積距平值(LPi)的正負極值點處說明有可能出現(xiàn)突變，用以輔助判斷Mann-Kendall突變檢驗雜點較多時的突變點。

《河北旅游職業(yè)學院學報》是國內(nèi)外公開發(fā)行的文、理、工綜合類學術(shù)刊物。（國際標準連續(xù)出版物號為ISSN 1674-2079，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為CN 13-1387/Z）。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑河上游水沙特征變化分析

2.1.1 年內(nèi)變化 黑河上游干流札馬什克水文站、祁連水文站和鶯落峽水文站1955—2013年實測年徑流量、輸沙量的年內(nèi)分配過程如圖1所示。黑河來水是由祁連山區(qū)的大氣降水、冰雪融水和地下水組成[12]，其中大氣降水是黑河的主要補給來源[13-14]。受降水條件、河流補給類型和自然地理條件的影響，黑河上游干流徑流年內(nèi)分配極不均勻?？傮w上，黑河上游干流3個水文站(札馬什克、祁連和鶯落峽)徑流年內(nèi)分配均呈現(xiàn)出明顯的“單峰型”分布，其徑流量主要集中在汛期(5—10月)，該時段徑流量占全年徑流量的80%以上(變化范圍80.97%～82.45%)，超過非汛期徑流量的4倍。受河流徑流變化的影響，黑河上游干流泥沙年內(nèi)分配與徑流年內(nèi)分配基本一致，也呈明顯的“單峰型”分布。在冬季，黑河徑流主要靠地下水進行補給[14]，其含沙量基本為零；而在夏季大氣降水是黑河徑流的主要補給來源[14]，其含沙量從5月急劇增加，7月達到最大值，8月有所減少，9—11月急劇減少，直至11—12月再次降到最低值，基本接近于零。

圖1 黑河上游3個水文站徑流量、輸沙量年內(nèi)分配過程

2.1.2 年際變化 黑河上游干流札馬什克水文站、祁連水文站和鶯落峽水文站實測徑流量和輸沙量的歷年變化狀況如圖2所示。由圖2可以看出，黑河上游干流3個水文站(札馬什克、祁連和鶯落峽)輸沙過程基本和徑流變化過程相對應(yīng)。黑河上游干流3個水文站(札馬什克、祁連和鶯落峽)的多年徑流量變差系數(shù)Cv分別為0.18，0.17和0.16，徑流量極值比分別為1.99，2.24，2.09。兩項特征值都是我國和西北地區(qū)徑流年際變化的低值區(qū)，說明黑河上游干流徑流年際變化的豐枯波幅不是很大，年際徑流量變化相對比較穩(wěn)定。多年輸沙量變差系數(shù)Cv分別為0.87，0.75和0.85，輸沙量極值比分別為43.23，18.96和269.65，說明黑河上游輸沙量年際變化劇烈。其中鶯落峽水文站在2001年以后變化最為劇烈，輸沙量顯著降低。

2.1.3 空間變化 利用1968—2013年水沙同步觀測資料進行統(tǒng)計分析，黑河上游干流3個水文站(札馬什克、祁連和鶯落峽)控制區(qū)間不同時段徑流量、輸沙量統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。由表2可以看出，黑河上游多年平均輸沙量為1.88×106t，其中札馬什克水文站多年平均輸沙量為1.17×106t，祁連水文站多年平均輸沙量為3.94×105t，分別占干流總輸沙量的62.2%和21.0%。由此可以看出，黑河上游札馬什克水文站控制區(qū)產(chǎn)流能力最大，對黑河干流泥沙的貢獻也最大；祁連水文站控制區(qū)的產(chǎn)沙貢獻量次之，而黃藏寺斷面至鶯落峽水文站的區(qū)間產(chǎn)沙貢獻量最小。

圖2 黑河上游3個水文站徑流量、輸沙量歷年變化

對黑河上游干流3個水文站(札馬什克、祁連和鶯落峽)各控制區(qū)間侵蝕模數(shù)進行統(tǒng)計(表3)，札馬什克、祁連和鶯落峽3個水文站多年平均年侵蝕模數(shù)分別為240.91，160.51和187.81 t/(km2·a)。結(jié)果表明，上游札馬什克水文站控制區(qū)域水土流失較祁連水文站控制區(qū)域嚴重。另外對上游3個水文站控制區(qū)不同時段的侵蝕模數(shù)統(tǒng)計表明，在20世紀90年代以前，札馬什克和鶯落峽站侵蝕模數(shù)呈增大趨勢，到21世紀初其侵蝕模數(shù)較90年代有所減小，特別是鶯落峽站控制區(qū)域的侵蝕模數(shù)減小明顯；而祁連站控制區(qū)域的侵蝕模數(shù)呈先增大后減小再增大的變化特征。

表2 黑河上游干流3個水文站各區(qū)間輸沙量統(tǒng)計

表3 黑河上游干流3個水文站侵蝕模數(shù)統(tǒng)計 t/(km2·a)

2.2 黑河上游水沙特征變化趨勢分析

作為大春的朋友，我很難想象成績卓著的企業(yè)老總，何以如此懾于民間社團的“威力”。于是一次在他的邀請之下，我欣然前往陪同接待一家前來調(diào)研的社團，一探其中奧秘。

對黑河上游干流3個水文站統(tǒng)計序列年徑流量、輸沙量進行Mann-Kendall趨勢檢驗分析，顯著性水平α取0.05，其統(tǒng)計計算結(jié)果詳見表4。由表4可知，黑河上游干流3個水文站(札馬什克、祁連和鶯落峽)徑流系列Mann-Kendall統(tǒng)計量分別為2.04，2.50和2.91，均高于顯著性α=0.05時的臨界值1.96，說明上游干流徑流量總體年際變化呈顯著增加趨勢。上游3個水文站輸沙系列Mann-Kendall統(tǒng)計量分別為0.936，1.125和-2.998，其中札馬什克和祁連站統(tǒng)計量的絕對值小于顯著性α=0.05時的臨界值1.96，而鶯落峽站輸沙序列Mann-Kendall統(tǒng)計量的絕對值大于顯著水平α=0.01時的臨界值2.32，說明鶯落峽水文站年輸沙量減小趨勢異常顯著。

表4 黑河上游干流3個水文站徑流、輸沙變化Mann-Kendall趨勢檢驗

2.3 黑河上游水沙特征變化突變分析

當(i,j)=(1,2)的時候.上式即變成e1×e2式.至此,我們得到了在仿射坐標系下任意兩個基向量之間外積的坐標表達式.

進一步用Mann-Kendall法對札馬什克、祁連和鶯落峽水文站徑流量、輸沙量的的突變點進行分析，計算結(jié)果如圖3所示。從總體上看，上游3個水文站的徑流量變化趨勢基本一致。1960—1980年上游3個水文站徑流呈波動變化趨勢，從1981年3個水文站徑流量開始呈增加趨勢，其中祁連水文站徑流量在1988—1990年，1993年以后徑流增加趨勢進一步加強，其Mann-Kendall統(tǒng)計量超過顯著性水平α=0.05的臨界值1.96。鶯落峽站從2009年以后Mann-Kendall統(tǒng)計量突破顯著性水平α=0.05的臨界值1.96。上游3個水文站輸沙量的變化趨勢在2000年以前基本一致，在1960—1970年呈顯著下降趨勢，其中札馬什克站從1961年突破顯著性水平α=0.05的臨界值-1.96。從1971年開始上游3個水文站輸沙量呈不顯著緩慢增加趨勢，其中札馬什克水文站和祁連水文站分別在80年代和90年代呈下降趨勢，而后呈上升趨勢；但鶯落峽水文站從2000年開始呈顯著下降趨勢，2007年突破顯著性水平α=0.05的臨界值-1.96。

黑河上游干流泥沙主要由降水和降水形成的地表徑流沖刷流域內(nèi)表層土壤形成。隨著黑河上游地區(qū)降水強度和降水量逐漸增多，形成的超滲流量和地表徑流加大了對土壤的侵蝕，從而使河流挾帶的泥沙含量增多。通過對降雨量和輸沙量的相關(guān)性分析可知，札馬什克、祁連和鶯落峽水文站站降雨量與輸沙量的相關(guān)系數(shù)為0.397，0.476，0.165(p>0.05)。結(jié)果表明，札馬什克和祁連站降雨量與輸沙量的相關(guān)性顯著，而鶯落峽站降雨量與輸沙量的相關(guān)性極弱，說明野牛溝河和八寶河的輸沙量主要受降雨量影響顯著，而黃藏寺至鶯落峽區(qū)間的輸沙量受降雨影響較小。

2.4 黑河上游水沙特征變化成因分析

2.4.1 降雨對徑流泥沙的影響 影響流域來水量變化的主要因素通常為氣候因素與人類生產(chǎn)生活等因素[15]，黑河上游山區(qū)人類活動影響較小，因此氣候條件的變化成為影響該地區(qū)徑流變化的主要因素。研究表明，中國西北地區(qū)的氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，祁連山及其北側(cè)的中西段地區(qū)是氣候轉(zhuǎn)型顯著的區(qū)域之一[16-17]。由多年實測降雨資料可知(圖4)，上游3個水文站多年平均降水量分別為448.9，396.9和179.4 mm；其多年降雨量變差系數(shù)Cv分別為0.12，0.14和0.26，降水量極值比分別為2.16，1.81和3.61，兩項特征值均較小，說明上游3個水文站降水年際變化比較穩(wěn)定。同時對其進行Mann-Kendall趨勢分析可知(圖4)，上游3個水文站Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量分別為1.266，1.170和1.246，均小于臨界值1.96，表明3站降雨量呈不顯著增加趨勢，特別是在20世紀90年代以后，3站降雨量增加明顯。另外，通過對上游干流3個水文站降雨量和徑流量的相關(guān)性分析可知，札馬什克、祁連和鶯落峽水文站站降雨量與徑流量的相關(guān)系數(shù)分別為0.504(p<0.05，若下文未作說明則 均小于0.05),0.567，0.230(p>0.05)，說明降雨量與札馬什克站和祁連站徑流量相關(guān)性顯著。究其原因，主要是受氣候變化影響，黑河上游地區(qū)的年平均氣溫呈上升趨勢，造成秋冬季節(jié)變暖明顯，降水呈增加趨勢，尤其夏季降水增加明顯[18-20]。另外，氣溫的升高也使冰雪融水增加，導(dǎo)致黑河上游非汛期徑流量增加[21-25]。

圖3 黑河上游三個水文站徑流量、輸沙量Mann-Kendall突變檢驗曲線

圖4 黑河上游3個水文站降雨量變化和Mann-Kendall統(tǒng)計

通過構(gòu)造統(tǒng)計變量UFk和UBk，并結(jié)合累積距平法進一步分析序列的突變時間，根據(jù)兩曲線的交點位置，可以得到黑河上游干流3站徑流量和輸沙量的突變點。札馬什克水文站徑流量突變點是2010年，輸沙量突變點是2012年；祁連水文站徑流量突變點是1982年，輸沙量突變點是1996年；鶯落峽水文站徑流量突變點是2004年，輸沙量突變點是2001年。

2.4.2 水庫建設(shè)對河流泥沙的影響 黑河上游山區(qū)水系是黑河流域的主要產(chǎn)流產(chǎn)沙區(qū)，水能資源豐富。從2001年開始，在黃藏寺至鶯落峽區(qū)間的干流河段進行了大規(guī)模的開發(fā)與水庫建設(shè)，先后修建了7座梯級水電站。由黑河上游3個水文站的侵蝕模數(shù)可知，鶯落峽站控制區(qū)域的侵蝕模數(shù)在20世紀90年代以前呈增加趨勢，但到21世紀初卻由288.80 t/(km2·a)減少到74.25 t/(km2·a)，呈顯著減少。究其原因，主要是從2001年開始部分電站陸續(xù)投入運行所致(表5)。黑河上游的電站建設(shè)截斷了河流泥沙的輸移通道，改變了河流的天然水文過程，導(dǎo)致庫區(qū)水流流速減緩，輸沙能力降低，大量泥沙被攔截在庫區(qū)。而距離鶯落峽水文站最近的龍首電站僅有3 km，河床多為巖石峭壁，質(zhì)地堅硬，水流沖刷的泥沙很少，區(qū)間產(chǎn)沙量有限[26]。

表5 黑河上游梯級水電站參數(shù)

2.4.3 水土保持對河流泥沙的影響 黑河上游山區(qū)在建國初至20世紀80年代，先后經(jīng)過了3次大的毀林伐木、開墾農(nóng)田的行動[27]。由于過度砍伐、開墾牧場、人口劇增，祁連山區(qū)植被遭到嚴重破壞，與建國初期比森林面積減少16.5%，灌木林退化30%，致使20世紀80年代黑河上游各水文站控制區(qū)域的侵蝕模數(shù)增大明顯。1980年國務(wù)院將祁連山林區(qū)劃為水源涵養(yǎng)林，停止了森林砍伐。1987年甘肅省批準建立祁連山自然保護區(qū)，1988年國務(wù)院批準成立國家級自然保護區(qū)，進一步加強了森林草地保護，森林面積開始逐漸恢復(fù)[28]。20世紀90年代以后，國家和甘肅省雖然加大了對祁連山水源涵養(yǎng)林的保護，祁連山北坡林地面積較1989年增加了6.00×104hm2。但是，毀林開荒種地現(xiàn)象仍未徹底杜絕，超載放牧造成的植被退化現(xiàn)象仍在加劇。其結(jié)果表現(xiàn)為札馬什克控制的野牛溝河和祁連站控制的八寶河侵蝕模數(shù)呈增大趨勢。進入21世紀以來，祁連山區(qū)先后實施了祁連山天然林保護工程，退耕還林工程，黑河流域綜合治理上游祁連山生態(tài)恢復(fù)工程、退牧還草工程、祁連山生態(tài)移民工程，部分森林納入了國家森林生態(tài)效益補償范圍。通過嚴格的保護管理，基本遏制了盜伐林木、毀林開墾的現(xiàn)象。其結(jié)果表現(xiàn)為札馬什克控制的野牛溝河流域侵蝕模數(shù)有所降低，但祁連站控制的八寶河流域由于人口增長，經(jīng)濟的快速發(fā)展，采礦、超載放牧、開發(fā)建設(shè)等造成了新的水土流失[29]，侵蝕模數(shù)有所增大。盡管黑河上游一系列生態(tài)建設(shè)保護工程的實施，使得上游林地得到了一定的保護，但是由于黑河源頭區(qū)自然條件惡劣、植被生長緩慢，目前水土流失形勢仍然十分嚴峻[29-30]。

3 結(jié) 論

(1) 黑河上游流域水沙時空分配不均，年際變化大。汛期5—10月是黑河上游山區(qū)降雨集中期，也是黑河流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙的集中時期。黑河干流上游輸沙量主要來源于祁連山深山區(qū)，其中由札馬什克水文站控制河段和祁連水文站控制河段輸沙量分別占黑河干流輸沙量的62.2%和21.0%，黃藏寺斷面至鶯落峽水文站的區(qū)間產(chǎn)沙量占黑河干流總輸沙量的16.8%。

2.1.7 熟地黃各樣品水煎液的制備 參考人每日服用熟地黃的臨床用量為30 g，換算大鼠的每日服用量為3.12 g/kg。取上述各熟地黃樣品適量，浸泡30 min，煎煮2次，合并濾液，濃縮至生藥質(zhì)量濃度為312.5 mg/mL，制備得各供試樣品水煎液。

(2) 經(jīng)Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗法綜合分析，黑河上游干流3個水文站徑流量總體上從20世紀80年代以后呈增加趨勢；從20世紀70年代開始三站輸沙量呈不顯著緩慢增加趨勢，其中札馬什克水文站和祁連水文站分別在80年代和90年代呈下降趨勢，而鶯落峽水文站從21世紀初開始呈顯著下降趨勢，鶯落峽水文站輸沙量突變的年份為2001年。

(3) 分析黑河上游干流來水來沙變化影響因素可知，受中國西北地區(qū)氣候變暖影響，黑河上游徑流量顯著增加的變化趨勢與黑河上游地區(qū)降雨量增加相一致；黑河上游兩支流野牛溝河和八寶河輸沙量的變化與降雨量密切相關(guān)；黑河干流黃藏寺至鶯落峽區(qū)間輸沙量的變化與人類活動密切相關(guān)，水庫建設(shè)導(dǎo)致的泥沙淤積是黃藏寺至鶯落峽區(qū)間輸沙量顯著減少的主要原因；另外，20世紀90年代以前，水土流失也是導(dǎo)致黑河上游侵蝕模數(shù)增大、輸沙量增加的重要原因。

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