潛水上游年輸沙量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

潛水上游年輸沙量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

以大別山南坡潛水水系的年輸沙量作為流域水土流失的替代指標(biāo)，研究水土流失特征。潛水年徑流量與輸沙量年際波動(dòng)很大，且有正相關(guān)性。暴雨型降水是大別山南坡水土流失的主導(dǎo)因素。1998年后，潛水年輸沙量顯著性下降，水土流失逐步得到控制。結(jié)合實(shí)地調(diào)查，提出了水土保持策略與措施。

大別山南坡；水土流失；潛水；輸沙量；Mann-Kendall

我國(guó)亞熱帶季風(fēng)區(qū)低山丘陵區(qū)普遍存在比較嚴(yán)重的水土流失，即使森林覆蓋率達(dá)到50%以上也難遏制，因此相關(guān)的水土保持研究很多[1-6]。安徽省將大別山區(qū)潛山等6縣列為水土流失重點(diǎn)整治區(qū)。選取大別山南坡潛水流域年輸沙量作為水土流失的替代指標(biāo)，分析其變化特征，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，探討水土流失規(guī)律和水土保持策略與措施，對(duì)亞熱帶季風(fēng)區(qū)的水土保持有參考意義。

1 研究區(qū)域概況

潛水屬皖河上游三大支流之一。流域位于大別山南坡，面積1326 km2。區(qū)域海拔平均在1000 m左右，最高峰多枝尖是大別山主峰之一，海拔1721 m，如圖1所示。大別山區(qū)相對(duì)高差大，坡度多在30°～40°，最陡可達(dá)70°，河谷深切。山間河漫灘和階地狹小，多為農(nóng)耕區(qū)。

圖1 潛水水系略圖

大別山南坡地勢(shì)由西北向東南下降。潛水流域呈東北-西南走向，如圖1所示。這里屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，多年平均氣溫為16.5℃；多年平均降水量為1440 mm、蒸發(fā)量為894 mm，降水集中于夏季，雨量豐沛。

潛水流域年徑流深749 mm，徑流系數(shù)高。徑流量隨降水波動(dòng)大，坡陡流急，侵蝕力強(qiáng)，加之地表風(fēng)化程度深，易受流水侵蝕、剝蝕，導(dǎo)致水土流失難以根治。20世紀(jì)70年代開始植樹造林、封山育林，區(qū)域森林覆蓋率已達(dá)到60%以上，安徽省將其列為水源涵養(yǎng)林區(qū)并受到保護(hù)。但林相較單一，生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱。理論上潛水流域的水土流失總量與其輸沙量高度相關(guān)。輸沙量可以作為衡量流域內(nèi)水土流失狀況的重要指標(biāo)。

2 研究材料及分析

水土流失過程復(fù)雜，降水強(qiáng)度、地面坡度、風(fēng)化殼及巖性、植被覆蓋等因素都會(huì)施加重要影響。水土流失量很難直接獲得。選取潛山水文站年輸沙量作為潛水流域水土流失的替代指標(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)。

提取潛山水文站(控制流域面積984 km2，占全流域面積的74.2%)1965-2010年年徑流量與年輸沙量數(shù)據(jù)，編制圖2。

統(tǒng)計(jì)潛山水文站46年數(shù)據(jù)，平均年徑流量為8.13×108m3，平均年輸沙量為34.63×104t。圖2中曲線波動(dòng)顯示以下特征。

第一，年徑流量與輸沙量年際波動(dòng)劇烈。46年間，年徑流量極大值(1991年，17.05×108m3)與極小值(1978年，3.13×108m3)相差4倍多；年輸沙量極大值(1969年，280.06×104t)與極小值(2006年，0.604×104t)相差462倍多。徑流量的年際變化大反映降水的年際變化特征，而輸沙量的年際變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于徑流量的年際變化，這可能與降水強(qiáng)度有關(guān)，即降水多的年份多暴雨。

圖2 潛山水文站1965-2010年年徑流量與輸沙量

第二，年徑流量與輸沙量有正相關(guān)性。年輸沙量曲線的波動(dòng)與年徑流量曲線有相對(duì)的一致性。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，輸沙量也出現(xiàn)極值。

分析上述特征認(rèn)為，徑流量大的年份，降水量大，降水強(qiáng)度也較大。強(qiáng)降水導(dǎo)致強(qiáng)侵蝕—搬運(yùn)作用。結(jié)合大別山南坡多暴雨的氣候特征，推測(cè)暴雨是當(dāng)前水土流失的主導(dǎo)因素。

第三，20世紀(jì)90年代以后，輸沙量有下降趨勢(shì)。2000年以后，潛水年徑流量波動(dòng)幅度相對(duì)于此前變??；年輸沙量下降，低于46年的平均值，且比此前穩(wěn)定，而此前低于均值的年份則很少?？傮w上反映水土流失量已下降。

3 Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)

3.1 Mann-Kendall方法

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，對(duì)于某一統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列x2，x3，…，xn有累計(jì)數(shù)列為Sk[8]。計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

(1)

其中，E(Sk)和var(Sk)分別表示Sk的均值與方差。

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。

Mann-Kendall方法通常用于氣候、水文要素變化等方面的研究[9]。本文嘗試用于河流輸沙量變化方面的研究，探討潛水流域46年輸沙量變化的特征。

3.2 潛水年輸沙量突變檢驗(yàn)

運(yùn)用M-K法對(duì)1965-2010年潛水流域年輸沙量序列作突變分析，繪制突變曲線圖3。由UF和UB曲線可知，2條曲線的交叉點(diǎn)有1個(gè)，出現(xiàn)在1998年，且在95%的置信區(qū)域內(nèi)部。因此，突變年份為1998年。

圖3 潛水流域46年輸沙量突變判別曲線圖

突變分析證實(shí)，20世紀(jì)90年代后期輸沙量逐漸下降，至1998年，年輸沙量發(fā)生突變，下降速度加快，降至多年平均值以下，表明潛水流域水土流失有顯著性改善。

4 調(diào)查實(shí)證

潛水流域1954～2004年平均降水量(研究區(qū)域7個(gè)監(jiān)測(cè)站的算術(shù)平均值)1494 mm，多年平均徑流量8.13×108m3。潛水上游是大別山區(qū)暴雨中心地段，4-5月即有洪水發(fā)生，但峰量均不大；6-7月暴雨集中，為洪水發(fā)生的主要季節(jié)。多年平均24小時(shí)暴雨量為125 mm。由于山坡陡峻、河谷幽深，洪水陡漲陡落，且歷時(shí)一般1～3天。洪水過程具有流速大、沖刷力大、含沙量大以及破壞力大，漲得快、落得快、歷時(shí)短等特征。

潛水流域水土流失主要是水力侵蝕作用，陡巖和河岸有重力侵蝕，以面蝕為主，也有部分溝蝕。崩塌、泥石流常伴隨暴雨洪水災(zāi)害發(fā)生。侵蝕總量大，但顯見度低，潛在危害大。巖層風(fēng)化強(qiáng)烈也是重要的原因之一。

實(shí)地調(diào)查表明，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，逐步提高了森林覆蓋率，但水土保持效果不明顯。森林建群種以馬尾松、杉、櫟為主，多為純林。油桐、油茶、烏桕、漆樹等經(jīng)濟(jì)林木在低山丘陵區(qū)廣泛分布[1]。至1998年，山區(qū)生態(tài)平衡逐漸恢復(fù)，水土流失現(xiàn)象顯著改善。森林植被對(duì)水土保持的貢獻(xiàn)開始顯現(xiàn)。隨著森林覆蓋水平的提高，水土保持工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向封山育林和工程措施，如修梯田、擋土石墻、山洪排導(dǎo)溝等。目前，潛水流域仍然是水土流失的重點(diǎn)整治區(qū)，水土流失面積320 km2，侵蝕模數(shù)2000～4000 t/km2。結(jié)合以往的研究和實(shí)地調(diào)查認(rèn)為[1]，暴雨型降水是當(dāng)前水土流失的主導(dǎo)因素，暴雨侵蝕及其形成的短期山洪沖蝕尚未有效控制。

5 結(jié)論與建議

潛水流域的輸沙量年際波動(dòng)劇烈，年徑流量與輸沙量有正相關(guān)性，水土流失現(xiàn)象在1998年發(fā)生突變。1998年以前，潛水流域輸沙量無明顯變化，水土保持工作的效果不明顯。1998年以后，潛水的輸沙量顯著性下降，水土流失逐步得到控制，年徑流量波動(dòng)幅度下降。暴雨型降水是水土流失的主導(dǎo)因素。

當(dāng)前，潛水流域以致大別山區(qū)，水土保持必須直接針對(duì)暴雨過程。暴雨雖然無法控制，降低其危害是可以達(dá)到的。建議：第一，以闊葉樹種取代針葉樹種，形成針闊混交林，培育多層次森林結(jié)構(gòu)(包括經(jīng)濟(jì)林和園地)，保護(hù)林下草被；第二，調(diào)整農(nóng)田耕作制度，避免6-7月份暴雨期的土壤裸露，減少同期農(nóng)田作業(yè)。第三，建設(shè)護(hù)坡、護(hù)溝、梯田、攔沙壩等水土保持工程；第四，禁止暴雨期挖掘性工程施工。

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(責(zé)任編輯：劉小陽)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.026

2016-08-28

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“安慶沿江濕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、保護(hù)與利用”(07021011)；安徽省高校人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(SK2015A382)。

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)。

P333.5

A

1673-2006(2016)12-0088-03