皇甫川流域降水和人類活動對水沙變化的定量分析

趙廣舉，穆興民，溫仲明，王飛，高鵬

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，100101，北京;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

皇甫川流域降水和人類活動對水沙變化的定量分析

趙廣舉1，2，3，穆興民2，3?，溫仲明2，3，王飛2，3，高鵬2，3

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，100101，北京;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

摘要：采用線性趨勢法、非參數(shù)Mann-Kendall趨勢檢驗法、累積距平法及徑流歷時曲線法分析皇甫川流域1955—2010年水沙變化特征，通過水文分析法定量評價降水和人類活動對水沙變化的貢獻率。結(jié)果表明：皇甫川流域徑流量和輸沙量均呈急劇減少趨勢，尤其在20世紀(jì)80年代之后，減少更加顯著，近10年(2000—2010)的平均徑流量與輸沙量相當(dāng)于1950—1959年的約20%;皇甫站徑流量和輸沙量均在1979年發(fā)生突變;在變化期1980—2010年，人類活動對流域水沙變化的貢獻占主導(dǎo)因素，約為70%，而降水所占比例為30%左右;自20世紀(jì)80年代始，大規(guī)模的水土保持措施(如退耕還林(草)、梯田建設(shè)、水庫淤地壩等工程)等人類活動是流域水沙銳減的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：水沙變化;降水;人類活動;水土保持措施;皇甫川流域

氣候變化與人類活動是引起河川徑流量與輸沙量發(fā)生變化的主要因素。氣候變暖加快了流域水循環(huán)，促使降水的頻率和強度發(fā)生變化，進而影響地表水文過程［1］。近年來，受氣候變化和人類活動(如水土保持措施、植被修復(fù)、大型水利工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)引水灌溉等)的共同作用，國際上許多河流的徑流量和輸沙量發(fā)生了顯著變化［2-4］。自20世紀(jì)70年代末，黃河徑流量和輸沙量亦呈明顯的減少趨勢。研究表明，流域內(nèi)大多數(shù)氣候站點的降水量有較明顯的減少趨勢［5］，同時，大規(guī)模的人類活動，包括土地利用/覆被變化、水利水土保持措施的實施、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和生活用水的增加等，對黃河流域水文過程和輸沙量產(chǎn)生了重要的影響［4］，黃河流域水資源供需關(guān)系日益緊張［6］。定量分析氣候變化與人類活動對流域水沙的影響已成為水科學(xué)研究的熱點之一，也是解決流域水資源供需失衡、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的必要前提。目前，我國許多學(xué)者開展了大量關(guān)于黃河水沙變化及其驅(qū)動因素的研究工作。例如：劉昌明等［7］分析了1956—2000年黃河干流的徑流量，發(fā)現(xiàn)降雨變化對黃河上游徑流量減少的影響占75%，而人類活動僅占25%，但在黃河中游降水作用占43%，人類活動占57%;Gao Peng等［8］研究了黃河中游河龍區(qū)間的干流水沙變化及其驅(qū)動力;Zhao Guangju等［9］研究了 1950—2008 年渭河流域徑流量的變化，發(fā)現(xiàn)在不同的水土保持措施實施階段，氣候因素與人類活動對徑流減少的貢獻不同，總體而言，人類活動占主導(dǎo)地位;Wang Houjie等［10］分析了黃河干流水沙時空演變特征及與氣候變化，水利工程及水土保持措施的響應(yīng)機制。以上研究表明，降水變化和人類活動對水沙變化的影響程度因地而異，因此，在特定區(qū)域開展針對性的研究對區(qū)域水資源的合理配置具有重要意義。筆者選擇黃河中游典型多沙粗沙區(qū)皇甫川流域為研究對象，采用線性趨勢法、Mann-Kendall檢驗、累積距平和水文分析法研究流域近60年徑流量和輸沙量的演變特征，定量分析降水和人類活動對水沙變化的貢獻，為正確認(rèn)識氣候變化與人類活動對黃土高原水沙變化的影響提供理論方法，并為黃土高原水土保持措施的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

皇甫川位于黃河中游河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間的上段，發(fā)源于鄂爾多斯高原東部、黃土高原與荒漠草原的過渡地帶，流經(jīng)準(zhǔn)格爾旗，在陜西省府谷縣境內(nèi)流入黃河(圖1)?；矢Υǜ闪鏖L度137 km，流域面積3 246 km2，包括納林川和十里長川2大支流。流域出口的皇甫水文站于1954年建成，控制面積3 175 km2。流域多年(1955—2010年)平均徑流量1.269億m3，徑流的年際和年內(nèi)變化很大。區(qū)域大陸性氣候顯著，年內(nèi)蒸發(fā)旺盛。多年(1955—2010年)平均輸沙量0.408億t，是黃河主要的多沙粗沙支流之一。流域受東南季風(fēng)影響，大陸性氣候顯著，流域多年平均降水量380mm，由東南向西北逐漸減少，降雨以暴雨為主，多集中在6—9月份，約占全年降水量的80%以上。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與整理

考慮資料的精確性、監(jiān)測的完整性和連續(xù)性，根據(jù)流域內(nèi)水文站點的分布，選擇皇甫水文站徑流和泥沙數(shù)據(jù)研究皇甫川流域1955—2010年的水沙變化特征并分析其影響因素。所采用的皇甫川站水沙資料和流域內(nèi)雨量站的降水量數(shù)據(jù)，1955—1989年來源于黃河流域水文年鑒，1990—2010年的資料由黃河水利委員會提供。該流域現(xiàn)有雨量站13個，其中皇甫雨量站設(shè)立于1954年，至1966年雨量站增至7個，1977年增至13個［11］。鑒于部分站點資料缺乏完整性，采用圖1所示的10個雨量站的降水日資料匯總為年降水量，并通過反距離權(quán)重法(Inverse Distance Weighted)插值獲得流域面平均降水量。

2.2 研究方法

采用線性趨勢法，非參數(shù)Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗法、累積距平法和徑流歷時曲線法分析皇甫川流域徑流量和輸沙量的變化特征，并采用水文分析法定量評價降水與人類活動對流域水沙變化的影響。由于線性趨勢法計算簡單，不再贅述。

1)非參數(shù)Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗法。MK法具有適用范圍廣、定量化程度高、理論意義明確的特點，是目前水文氣象研究中常用的一種時間序列檢驗方法［12-14］。該方法以序列平穩(wěn)為前提，要求序列隨機獨立，其概率分布等同。設(shè)一時間序列X(x1，x2，…，xn)，其統(tǒng)計量為

圖1 研究區(qū)地理位置、水系及水文站點分布Fig．1 Location of the study area，river network andmonitoring sites

以徑流量為例，式中：xi和xj分別為第i和第j年徑流量，億m3;n為序列長度。當(dāng)xi-xj小于、等于或者大于0時，sgn(xi-xj)分別為 -1、0和1，則mK統(tǒng)計結(jié)果為

若Z為正值則表示序列有增加趨勢，負(fù)值則為減少趨勢。當(dāng)Z的絕對值大于等于1.28、1.96、2.32時，序列趨勢通過90%、95%、99%的顯著檢驗。

2)累積距平法。采用累積距平法判斷徑流量和輸沙量的序列突變年份。該方法是由曲線直觀判斷離散數(shù)據(jù)點變化趨勢的一種非線性統(tǒng)計方法［11］。時間序列 X(x1，x2，…，xn)，其在某一時刻 t的累積距平為

該方法的核心是判斷離散數(shù)據(jù)對其均值的離散幅度，若累積距平值增大，表明離散數(shù)據(jù)大于其平均值，反之則小于其平均值，如果曲線由上述2個部分組成，則可確定變化趨勢的拐點。

3)徑流歷時曲線法。流量歷時曲線表示流域某一時段內(nèi)日流量發(fā)生頻次與流量之間的關(guān)系，以大于或等于某一流量的比例表征，它反映了該時間序列不同等級的分布情況［15］。流量歷時曲線簡單、明晰地反映了流域徑流在研究時段由低流量至洪水的各個流量分布特征。定義某一流量值Q對應(yīng)超過該流量的頻率p，則超過洪水頻率5%的流量記為Q5。

4)水文分析法。為區(qū)分降水和人類活動對流域水沙變化的影響，借鑒計算水土保持減水減沙效益的一種方法——水文分析法，簡稱水文法［16］。河川徑流量與輸沙量受降水和下墊面條件控制，在自然狀態(tài)下，它們之間具有統(tǒng)計相關(guān)關(guān)系，即某一特定流域，若下墊面條件保持不變，在一定的降水條件下產(chǎn)生的徑流量和輸沙量基本是一定的，而如果下墊面條件發(fā)生了變化，那么在相同的降雨條件下產(chǎn)生的徑流和輸沙量就可能不同［6］。根據(jù)上述原理，利用基準(zhǔn)期的實測水文資料，通過多元回歸分析，建立降雨與徑流、泥沙關(guān)系回歸方程(以徑流量為例)

其中：Qref和Pref分別為基準(zhǔn)期的年徑流量和降水量;a和b為回歸系數(shù)。通過變化期的降水量和徑流量得到的回歸方程即可計算人類活動對徑流的影響

式中和分別為變化期的模擬徑流量、實際徑流量和降水量，mm;ΔQp和ΔQh分別為降水和人類活動對徑流的貢獻，mm。

采用變差系數(shù)定量分析水文序列在某一特定時段的變異特征。給定序列X(x1，x2，…，xn)，其均值為x，長度為n，則其變差系數(shù)為

變差系數(shù)小于0.1表示水文序列相對穩(wěn)定，若0.1≤Cv≤1表示序列呈中度變異，而其值大于1則意味著序列在此時段變異強烈［13］。

3 結(jié)果與分析

3.1 皇甫川流域水沙變化特征

3.1.1 皇甫川流域水沙變化趨勢 由皇甫川流域皇甫水文站的年徑流線性變化趨勢(圖2(a))可知：年徑流量呈顯著減少趨勢。徑流量實測值顯示，1955—1979年的徑流量變化相對穩(wěn)定，而在1980年之后徑流量減少劇烈，特別是近10年，徑流量減少至1955—1979年平均徑流量的近19%，年均徑流量由1.82億m3減少至年均0.33億m3(2000—2010年)。徑流量的銳減與流域降水量的減少有一定的關(guān)系。表1顯示，流域降水量1955—1959年為441mm，而1990—1999年為干旱期，年均降水量僅為227mm。此外，人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的加快、工農(nóng)業(yè)和生活用水需求的增加是地表水資源量不斷減少的主要原因。

同徑流量變化一致，年輸沙量亦顯著減少(圖2(b))。輸沙量由1955—1959年均0.74億t減少至2000—2010年的0.009億t，相當(dāng)于20世紀(jì)50年代的12.8%。輸沙量的減少主要是由20世紀(jì)80年代初開始實施的水土保持措施導(dǎo)致的，大面積的退耕還林(草)、淤地壩等水土保持措施和水利工程等改變了流域的坡面及河道中土壤侵蝕發(fā)生及輸送過程，大大減少了坡面侵蝕到達河流的泥沙。

皇甫川流域1955—2010年徑流量和輸沙量的MK統(tǒng)計檢驗結(jié)果顯示：水文站的徑流量和輸沙量均呈顯著遞減趨勢，顯著性超過了99%。經(jīng)流量減少幅度最為顯著(Z值為-4.92)，而輸沙量的減少趨勢也較為顯著(99%)，其Z值為-4.52。

由表1可知：在1955—2010年的各時段內(nèi)，降水量的變差系數(shù)逐漸減小，在1970年后，變差系數(shù)基本穩(wěn)定，其范圍為0.18～0.21。20世紀(jì)50、60年代流域降水年際變異較大，70年代以后降水量變化較小。與降水量不同，徑流量的變差系數(shù)均較大，尤其是2000—2010年，變差系數(shù)超過0.9，進入21世紀(jì)，徑流的年際間變異明顯，表明地表水文過程可能受人為影響較大。輸沙量的變差系數(shù)均大于同期的降水量，且在1990—2010年超過了0.9，說明近20年輸沙量與降水量變化不具有同步性，其原因可能是大規(guī)模的退耕還林(草)和淤地壩等水土保持措施的實施造成的。

圖2 皇甫站年徑流量與輸沙量的線性趨勢Fig．2 Linear trends of streamflow and sediment load at Huangfu station

表1 流域年均降水量、徑流量和輸沙量變化Tab．1 Changes of average annual precipitation，discharge and sediment load in the Huangfuchuan Watershed

3.1.2 皇甫川流域水沙的突變特征 采用累積距平法計算的1955—2010年徑流量與輸沙量的累積距平的年際變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑥搅髁亢洼斏沉烤?979年前后表現(xiàn)出增大和減小的趨勢，徑流量和輸沙量發(fā)生突變的年份均為1979年?；矢Υ饔蛟?0世紀(jì)80年代前，受人類活動影響較小，拐點1979年可視為降水量的變化引起的突變，而之后，人類活動的影響逐漸增強，其通過改變下墊面狀況影響流域的水循環(huán)過程，進而使河川的徑流量和輸沙量發(fā)生變化。

圖3 皇甫川流域1955—2010年水沙變化的突變特征Fig．3 Abrupt changes of streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed from 1955 to 2010

圖4 皇甫川流域日徑流量、輸沙率的歷時曲線Fig．4 Flow duration curves of daily discharge and sediment delivery ratio at Huangfu station

3.1.3 日徑流量與日輸沙率的變化特征 基準(zhǔn)期與變化期流域日經(jīng)流量與日輸沙率的流量歷時曲線如圖4所示?？梢郧逦乜闯?，與基準(zhǔn)期1955—1979相比，徑流量整體呈減少趨勢，但在不同頻率下降低程度有所差異，變化期的Q5為90.4m3/s，僅為基準(zhǔn)期的62.3%，而枯季流量變化更為顯著。由于皇甫川為季節(jié)性河流，基準(zhǔn)期的斷流頻率約為24%，變化期的則達到55%。輸沙率的變化同樣明顯，基準(zhǔn)期的零值輸沙率約為45%，而變化期的為65%。由此可知，近年來，皇甫川流域河川徑流量和輸沙率均呈顯著下降趨勢。日徑流監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2008—2011年年內(nèi)斷流時間不斷延長，2008—2010年皇甫站河干時間分別為276、336、348 d，而2011年全年365 d河干，其中2008-14-15，日降水量達到58.4mm，但皇甫站仍未形成徑流［17］。皇甫站年內(nèi)長期斷流的主要原因是河道內(nèi)存在的大量淤地壩有效地蓄水?dāng)r沙，另外，大規(guī)模的退耕還林(草)很大程度上改變了地表產(chǎn)水產(chǎn)沙過程，使坡面地表徑流減少，蒸發(fā)增加，同時降低了坡面侵蝕動力。

3.2 降水變化與人類活動對水沙變化的影響

3.2.1 水沙變化對降水和人類活動的響應(yīng) 由于氣候變化與人類活動共同作用于地表水文過程，近年來，如何有效地分離和辨析其對流域水沙變化的貢獻是目前氣象水文學(xué)的研究熱點之一。采用水文分析法建立基準(zhǔn)期的降水量—徑流深、降水量—輸沙量之間的回歸方程，結(jié)果如圖5所示。比較而言，基準(zhǔn)期徑流深、輸沙量與降水量均呈較好的響應(yīng)關(guān)系，而變化期結(jié)果則較差。

圖5 皇甫川流域降水與水沙的對應(yīng)關(guān)系Fig．5 Correlation between precipitation and streamflow and sediment load at Huangfu station

由表2可以得出：人類活動是引起皇甫川流域徑流量和輸沙量減少的主導(dǎo)因素?；矢φ窘邓孔兓瘜搅髁康呢暙I率為25.8%，人類活動的貢獻率為74.2%，降水量和人類活動對輸沙量的影響與之相似。王隨繼等［11］采用累積量斜率變化率方法定量分析了皇甫川流域徑流變化的潛在因素，發(fā)現(xiàn)在不考慮氣溫及蒸發(fā)影響的情況下，降水與人類活動在1980—1997年貢獻率分別為 36.43%和63.57%，在1997—2008年貢獻率分別為16.81%與83.19%，同筆者的研究結(jié)果基本一致。此外，降水與人類活動對輸沙量變化的影響與王金花等［16］計算的水土保持措施減沙效益結(jié)果類似，表明利用水文分析法分離降水量與人類活動對流域水沙變化的貢獻結(jié)果可靠。

表2 降水量與人類活動對流域水沙變化的影響Tab．2 Impacts of precipitation and human activities on changes of streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed

3.2.2 水土保持措施對皇甫川水沙變化的潛在影響 皇甫川是黃土高原典型的粗沙多沙流域，是黃河泥沙的主要區(qū)之一。為有效減少泥沙入黃，流域干支流河道內(nèi)建造了大量淤地壩及水庫。圖6顯示了1976年(源于1∶5萬地形圖)和2010年(Google Earth)流域淤地壩的空間分布圖。1976年以前皇甫川流域共建成淤地壩392座，而到了2010年，淤地壩的數(shù)量達到了567座，壩控流域面積由1 226.6 km2增加到了2 216.5 km2。淤地壩從根本上攔蓄了坡面匯入河道的徑流和泥沙，同時河道內(nèi)的徑流被攔蓄后，上游的來水失去了沖刷下游河道的動力，從而達到減蝕的效果，這在很大程度上改變了流域的水沙狀況。

圖6 1976年與2010年皇甫川流域淤地壩空間分布對比分析Fig．6 Comparision of checkdams in the Huangfuchuan Watershed between 1976 and 2010

表3顯示了自20世紀(jì)50年代起皇甫川流域的水土保持措施狀況。可知，早期的水土流失治理速度較慢，程度低，后期發(fā)展快，水土保持措施以林草措施為主，梯田、淤地壩工程所占比例較小。20世紀(jì)70年代前，流域水土流失治理度僅為6.7%，其中林草措施所占比例較大，截至2006年底，皇甫川流域水土流失治理面積為1 765 km2，其中造林和種草面積分別占72.8%和24.8%，梯田和壩地等工程措施面積約40 km2;因此，皇甫川流域在變化期1980—2010年實施了大規(guī)模的水土保持措施，這也是導(dǎo)致皇甫川流域水沙急劇減少的主要原因［18］。

表3 皇甫站控制區(qū)域內(nèi)水土保持措施面積Tab．3 Area controlled by soil and water conservationmeasures in the upstream of Huangfu station

4 結(jié)論與討論

1)自20世紀(jì)80年代始，皇甫川流域面平均降水量、皇甫站的年徑流量與輸沙量均呈減少趨勢。

2)皇甫川流域水沙序列均在1979年發(fā)生突變。

本文研究了皇甫川流域水沙變化特征，定量分析了降水和人類活動對流域水沙減少的貢獻率，但未定量考慮其他影響因子的貢獻，如氣候因子中的氣溫、蒸發(fā)量、流域的土地利用及地表覆被變化等。

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Impacts of precipitation and human activities on streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed

Zhao Guangju1，2，3，Mu Xingmin2，3，Wen Zhongming2，3，Wang Fei2，3，Gao Peng2，3
(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographic Science and Natural Resources Research，CAS，Beijing，100101，Beijing，China;2.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi，China;3.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Science andministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi，China)

Abstract：Based on hydrologic analysis this paper quantitatively researched the contribution of precipitation and human activities on streamflow and sediment load.The present study applied simple linear regression，Mann-Kendall test，accumulative annual anomaly and flow duration curvemethod to investigate the variation of streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed in themiddle reaches of the Yellow River according to themeasurement data from 1955 to 2010.Significant reduction in both streamflow and sediment load were detected，as well as abrupt changing point in 1979 was found.Average annual streamflow and sediment load during 2000 and 2010 are extremely low，accounting for only 20%of those from 1950 to 1959.Human activities accounted for approximately 70%of reduction in streamflow and sediment load，and the remains was attributed to decreased precipitation.Since the early 1980s，a series of large-scale soil and water conservationmeasures(e.g.returning cropland to forests，grassland，terracing，reservoirs and check-dams construction)are the dominant factors leading to significant reduction in streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed.

Key words：variation in streamflow and sediment load;precipitation;human activities;soil and water conservationmeasures;Huangfuchuan Watershed

P343

A

1672-3007(2013)04-0001-08

2013-01-06

2013-05-12

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室開放基金“基于PCRaster的黃土高原流域水沙模型開發(fā)與應(yīng)用”(WL2011004);中國科學(xué)院重點部署項目“近百年黃土高原侵蝕環(huán)境與水沙變化”(KZZDEW-04-03);中國科學(xué)院2011年“西部之光”項目“氣候變化與人類活動對皇甫川水沙變化貢獻的定量評價”(2011ZD03)

趙廣舉(1980—)，男，博士，助理研究員。主要研究方向：流域水文過程與土壤侵蝕模擬。E-mail：guangjuzhao@yahoo.com

簡介：穆興民(1961—)，男，博士，研究員。主要研究方向：生態(tài)水文。E-mail：xmmu@ms.iswc.ac.cn

(責(zé)任編輯：宋如華)