皖河年輸沙量Mann-Kendall突變分析

張理華,尹　劍

安慶師范學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，安徽安慶，246000

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皖河年輸沙量Mann-Kendall突變分析

張理華,尹劍

安慶師范學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，安徽安慶，246000

摘要：以皖河石牌水文站年輸沙量作為大別山南坡水土流失狀況的替代指標(biāo)，運(yùn)用Mann-Kendall方法，研究大別山南坡46年間水土流失過程的特征。大別山南坡的水土流失與皖河年徑流量呈正相關(guān)，暴雨是大別山區(qū)水土流失的主導(dǎo)因素。40年來輸沙量呈現(xiàn)較為明顯的減少趨勢(shì)，減少率為1.296×104t/a，且1998年后皖河流域水土流失明顯改善。分析了發(fā)生變化的原因，提出了水土保持措施。

關(guān)鍵詞：大別山南坡；水土流失；皖河；輸沙量；Mann-Kendall方法

1　研究區(qū)域概況

我國(guó)南方低山丘陵區(qū)的水土流失問題由來已久，大別山區(qū)屬其中之一[1-5]。水土流失緣起于歷史上的亂砍濫伐和過度墾殖。水土保持工作持續(xù)40余年，許多山區(qū)森林覆蓋率達(dá)到50%以上，水土流失已有所改善，但未能有效控制[6-7]。

大別山區(qū)海拔最高不足2 000 m，但相對(duì)高差很大，河谷深切，坡度多在25°~50°，這一點(diǎn)與江南低山丘陵有顯著不同。地表以花崗巖、片麻巖為主，風(fēng)化程度大，易受流水侵蝕、剝蝕。山間河漫灘和階地狹小，成為農(nóng)耕區(qū)。

大別山區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，雨量豐沛，多年平均氣溫16.5℃，多年平均降水量1 440 mm，蒸發(fā)量894 mm，徑流深749 mm。降水集中于夏季。上游山區(qū)徑流深可達(dá)850 mm以上，徑流系數(shù)偏高。徑流量隨降水波動(dòng)大，坡陡流急，侵蝕力強(qiáng)，是導(dǎo)致水土流失難以根治的重要因素[1]。

當(dāng)前大別山區(qū)森林覆蓋率已達(dá)到50%~70%，建群種以馬尾松、杉、櫟為主，大多是20世紀(jì)70年代以來植樹造林的成果。油桐、油茶、烏桕、漆樹等經(jīng)濟(jì)林木廣布于低山丘陵區(qū)[1]。

大別山南坡地勢(shì)由西北向東南下降，大部分屬皖河水系，河流短小，河谷深切，向東南匯聚，經(jīng)皖河干流入長(zhǎng)江，如圖1所示。理論上皖河流域的水土流失總量與皖河的輸沙量有相關(guān)性，輸沙量可作為流域內(nèi)水土流失狀況變化的指標(biāo)。河流徑流量的變化在一定程度上反映流域植被覆蓋與水土流失狀況。

圖1　皖河流域略圖

2　研究材料及分析

水土流失是非常復(fù)雜的過程，降水強(qiáng)度、地面坡度、風(fēng)化殼及巖性、植被覆蓋等都是重要的影響因素，水土流失量很難直接獲得。選取皖河流域年輸沙量作為區(qū)域水土流失狀況的替代指標(biāo)，通過輸沙量變化分析水土流失的動(dòng)態(tài)特征及其原因?？紤]到徑流量與輸沙量的相關(guān)性，以年徑流量作為輔助指標(biāo)。

必須說明，山區(qū)的水土流失量并不等于輸沙量，有相當(dāng)多的泥沙流出山口后在河流階地或河漫灘沉積(合九鐵路與石牌之間)，并未到達(dá)下游的水文站。

皖河屬長(zhǎng)江的一級(jí)支流，其干流出大別山后有石牌水文站。提取皖河石牌站1965~2010年年輸沙量與徑流量數(shù)據(jù)制圖，如圖2。

圖2　皖河石牌站1965~2010年年徑流量與輸沙量

圖2中曲線波動(dòng)顯示年徑流總量與年輸沙量變化有相關(guān)性，年徑流量大的年份輸沙量也大，反之亦然。徑流量極大值出現(xiàn)的年份，如1969年、1983年，輸沙量也出現(xiàn)極值。

曲線波動(dòng)也顯示皖河年徑流量的年際變化大，46年中，最大年徑流量(1991年，63.77×108m3)與最小年徑流量(1978年,11.3×108m3)相差約5倍。而更值得思考的是，46年間，年輸沙量極大值(1969年，289.88×104t)與極小值(2006年，0.829×104t)相差348倍。輸沙量的年際變化更為極端。

根據(jù)上述分析，結(jié)合大別山南坡氣候、地形特征，推斷徑流量大的年份，降水量大且多暴雨，徑流迅速匯聚形成山洪，產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕作用，導(dǎo)致水土流失。實(shí)地調(diào)研結(jié)果與此相符，暴雨是大別山區(qū)水土流失的主導(dǎo)因素。

圖2反映，1965~2010年的46年間輸沙量均值呈下降趨勢(shì)，水土流失量減少，同期的年徑流量變化無此特征，兩方面綜合考慮表明皖河的輸沙量在下降。統(tǒng)計(jì)46年平均值，平均年輸沙量為55.28×104t/年。圖中顯示，2000年以后，輸沙量已無高于均值的年份，而此前低于均值的年份則很少。

3　Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall對(duì)于非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)趨勢(shì)和突變分析具有較好的適用性和可靠性[8]，通常用于氣候、水文變化等方面的研究[9-10]，未見用于水土流失方面的研究。Mann-Kendall對(duì)趨勢(shì)分析得出年輸沙量呈現(xiàn)出較為明顯的逐年減少的變化趨勢(shì)，減少率為1.296×104t/a，且置信度較高為95%。在此基礎(chǔ)上，借助UF、UB曲線進(jìn)行突變檢驗(yàn)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

(1)

其中，E(Sk)和Var(Sk)分別表示時(shí)間序列x1，x2，…，xn的累計(jì)數(shù)列Sk的均值與方差，x即年輸沙量無量綱化數(shù)據(jù)。

按時(shí)間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1重復(fù)上述過程，獲得統(tǒng)計(jì)變量UBk(k=n，n-1，…，1)，同時(shí)使：

UBk=-UFk

(2)

將UBk與UFk繪制成曲線，如果兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且該點(diǎn)處的U值滿足|U|<1.96，則認(rèn)為該點(diǎn)為序列的突變點(diǎn)，檢驗(yàn)置信水平α=0.05。

運(yùn)用Mann-Kendall法對(duì)1965~2010年，皖河流域年輸沙量序列進(jìn)行突變分析，繪成突變曲線圖3。由UF和UB曲線可知，2條曲線的交叉點(diǎn)有1個(gè)，且在置信區(qū)域之間，表明近20年來，水土流失量在逐漸下降，發(fā)生突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是1998年。1998年以后，水土流失有明顯改善，與圖2所反映的現(xiàn)象一致。

圖3　皖河流域近46年輸沙量突變判別曲線圖

4　結(jié)論與建議

歷史上的亂砍濫伐和過度墾殖導(dǎo)致南方山區(qū)大規(guī)模水土流失。強(qiáng)降水(暴雨)是大別山區(qū)水土流失的主導(dǎo)因素，坡度陡峻、河谷幽深，巖層風(fēng)化嚴(yán)重也是重要因素。

大別山南坡的水土流失與皖河年徑流量呈正相關(guān)，多雨年水土流失量大。水土流失量的年際變化很大，極大年與極小年相差幾百倍，這些特征有利于尋找整治措施。

大別山南坡的水土保持經(jīng)歷40多年，以1998年為界分前、后兩個(gè)階段。1998年以前，皖河流域輸沙量無明顯變化，表明水土流失無顯著好轉(zhuǎn)。1998年以后，皖河的輸沙量顯著下降，水土流失逐步得到控制，徑流量也趨于穩(wěn)定。

結(jié)合以往的研究認(rèn)為[1]，大別山區(qū)20世紀(jì)70年代開始治理水土流失，主攻方向是植樹造林、封山育林，逐步提高森林覆蓋率。

實(shí)地調(diào)查表明，1998年后，山區(qū)森林覆蓋水平較高，水土保持工作重點(diǎn)在于封山育林和其他措施，如修梯田、擋土石墻、山洪排導(dǎo)溝等。這些措施鞏固了前期植樹造林的成果，生態(tài)效益顯著。

目前，皖河流域仍然是安徽省水土流失重點(diǎn)整治區(qū)。針對(duì)大別山南坡多暴雨的氣候特點(diǎn)，建議在大別山南坡繼續(xù)實(shí)施封山育林，改善森林結(jié)構(gòu)，保護(hù)經(jīng)濟(jì)園林和草被；調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)田耕作制度，減少暴雨期的地表侵蝕。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：汪材印)

作者簡(jiǎn)介：張理華(1957-)，安徽宿松人，教授，主要研究方向：區(qū)域資源開發(fā)。

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué) “基于遙感和水文模擬的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)同化研究”(1508085QD69)；安徽省高校人文社會(huì)科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(SK2015A382)。

收稿日期：2015-07-25

中圖分類號(hào)：P331

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-2006(2015)10-0113-03

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.031