無(wú)定河流域1961～2012年水沙變化歸因分析

金 朝，李君軼

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

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無(wú)定河流域1961～2012年水沙變化歸因分析

金 朝，李君軼

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

為探究在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同影響下的水沙變化問(wèn)題，基于無(wú)定河流域1961～2012年的水文氣象數(shù)據(jù)及水土保持措施數(shù)據(jù)，分析了流域徑流泥沙的變化，并定量分解了氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域徑流泥沙影響的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：1961～2012年無(wú)定河流域徑流量、輸沙量均顯著減?。粡搅髁亢湍嗌沉康耐蛔兎謩e發(fā)生在1986年和1978年。根據(jù)彈性系數(shù)法和敏感性分析法得出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為78.75% 和 79.02%，氣候變化的貢獻(xiàn)率分別為21.25% 和20.98%。根據(jù)累積量斜率變化率方法得出人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為87.78%和12.22%。

徑流量；輸沙量；定量分析；無(wú)定河

無(wú)定河是黃土高原一條典型的含沙量高的河流[1]，其徑流量及泥沙量對(duì)黃河流域的水文循環(huán)影響重大。近年來(lái)，大量研究表明無(wú)定河流域的徑流泥沙正在急劇減少[2-3]，水土保持及氣候變化被視為徑流減少的主要原因。然而，在諸多研究中很難得到一般性的結(jié)論，并且對(duì)“水-沙-植被-壩地-氣候”的關(guān)系描述較少[4-5]。例如，Li等[3]指出1972～1997年期間無(wú)定河流域水土保持措施對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率達(dá)87%；Zhang等[6]認(rèn)為水土保持與氣候變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率不相上下；錢(qián)云平等[7]認(rèn)為該區(qū)域水利水保工程的減水減沙作用大；而師長(zhǎng)興等[8]則認(rèn)為坡面措施效益期長(zhǎng)，攔沙效率高。此外，旨在改善生態(tài)退化的退耕還林還草工程也影響著區(qū)域水資源。

無(wú)定河流域一直是國(guó)家水土保持治理的重點(diǎn)區(qū)域，隨著水土保持綜合治理程度的不斷提高，流域的徑流量和泥沙量逐漸減少，這一現(xiàn)象受到研究者的關(guān)注。本文利用M-K檢驗(yàn)、Pettitt法對(duì)1961～2012年流域徑流量、輸沙量進(jìn)行了趨勢(shì)性分析和變點(diǎn)分析，并通過(guò)彈性系數(shù)法、累積量斜率變化率方法分離了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流泥沙的影響，這有助于識(shí)別引起徑流泥沙改變的主要因子，對(duì)流域水資源規(guī)劃和調(diào)控以及水災(zāi)害的防控有著重要意義。

1　數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1研究區(qū)概況

無(wú)定河(108°18′～111°54′ E，37°14′～39°35′ N)發(fā)源于陜西省靖邊、定邊、吳旗三縣交界的白于山，由西向東經(jīng)清澗縣河口村匯入黃河，是黃河中游河口至龍門(mén)區(qū)間最大的支流，干流總長(zhǎng)491 km，流域面積大約為30260 km2(圖1)。流域地處毛烏素沙漠南緣及黃土高原北部地區(qū)，屬于溫帶大陸性干旱半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度在7.9～11.2 ℃，年降水量在350～500 mm之間，暴雨集中，土質(zhì)松散，地表覆被少，侵蝕強(qiáng)烈，年均徑流量15.3億m3，年均輸沙量超過(guò)2億t，隨著不斷加劇的人類(lèi)活動(dòng)，使得水土流失日趨嚴(yán)重，是黃土高原地區(qū)土壤侵蝕率最高的流域[9]。

圖1　無(wú)定河流域研究區(qū)概況

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

主要數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法：(1)氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)提供的1961～2012年逐日降雨，求得年累積降雨量，并采用ArcMap 10.2中的Kriging法進(jìn)行插值得到年降雨量。用由FAO提供的彭曼公式計(jì)算逐日潛在蒸散量(E0)，累積得到年潛在蒸散量。(2)流域出口控制站白家川水文站1961～2012年徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于水文年鑒，對(duì)于少量缺測(cè)的數(shù)據(jù)則采用插補(bǔ)法獲取。(3)淤地壩數(shù)據(jù)來(lái)自陜西省水保局。(4)1982～2012年逐月NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自GIMMS數(shù)據(jù)集，由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA/AVHRR(Global Inventory Modelling and Mapping Studies，GIMMS)提供，其空間分辨率為8 km，時(shí)間分辨率15 d。月NDVI是通過(guò)最大值合成法(Maximum value composite，MVC)計(jì)算得到的；年NDVI為月NDVI的平均值。區(qū)域中NDVI>0.1視為植被覆蓋區(qū)域。

1.3分析方法

1.3.1趨勢(shì)分析及突變點(diǎn)檢測(cè)Mann-Kendall[10]檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，其優(yōu)點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)測(cè)試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)非正態(tài)分布的水文氣象等要素序列的變化趨勢(shì)，本研究將其用于對(duì)降雨、E0及徑流泥沙變化趨勢(shì)的檢測(cè)。Pettitt[11]非參數(shù)檢驗(yàn)法可以確定存在趨勢(shì)性變化的有序數(shù)據(jù)的突變點(diǎn)，被廣泛用于水文氣象要素的突變點(diǎn)分析，本研究將其用于檢測(cè)徑流量、輸沙量的突變點(diǎn)。

1.3.2彈性系數(shù)法對(duì)徑流變化的定量分析采用基于Budyko假設(shè)理論的彈性系數(shù)法。彈性系數(shù)法是基于Budyko框架的一種廣泛應(yīng)用于估算氣候變化對(duì)水文的影響的方法[12]。本文中，使用的Choudhury-Yang公式如下：

(1)

其中，E為平均年實(shí)際蒸散量，P為平均年降雨量，E0是平均年潛在蒸散量，n值表示流域特征的影響。

根據(jù)長(zhǎng)時(shí)期的流域水量平衡方程，流域儲(chǔ)水量的變化量可視為零，則

R=P-E

(2)

其中，R為平均年徑流量。

Xu等[13]根據(jù)Schaake和Yang將彈性方程改為：

(3)

(4)

(5)

其中，εP、εE0、εn分別表示降雨、潛在蒸散發(fā)及地形特征對(duì)徑流的彈性系數(shù)。

從而計(jì)算出分別受氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)影響的徑流變化，即：

(6)

(7)

1.3.3累積量斜率變化率法累積量斜率變化率比較法[14]假設(shè)累積輸沙量(億m3/年)-年份間線(xiàn)性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期分別為SSb和SSa；年累積降水量(mm/年)-年份間線(xiàn)性關(guān)系式的斜率在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期分別為SPb和SPa，則累積輸沙量斜率變化率RSS(%)為：

RSS=100×(Ssa-Ssb)/Ssb=100×(Ssa/Ssb-1)

(8)

累積降水量斜率變化率RSP(%) 為：

Rsp=100×(Spa-Spb)/Spb=100×(Spa/Spb-1)

(9)

式中，RSS、RSP為正數(shù)表示斜率增大；為負(fù)數(shù)表示斜率減小。

降水量變化對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率CP(%)可以表示為：

Cp=100×Rsp/Rss=100×(Spa/Spb-1)/(Ssa/Ssb-1)

(10)

氣溫變化導(dǎo)致蒸發(fā)量變化從而可以引起徑流量變化，如果用CE0表示流域內(nèi)累積蒸散總量-年份之間線(xiàn)性關(guān)系的斜率變化率 (%)，則人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率(CH，%)可以表示為：

CH=100-Cp-CE0

(11)

2　結(jié)果與分析

2.1水文序列變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)

表1為無(wú)定河流域不同年代4個(gè)水文氣象要素的特征值，其年均降水量376.25mm，年均徑流量10.67億m3，年均輸沙量0.90億t。年代際降水量在20世紀(jì)60年代最大，之后小幅波動(dòng)。E0持續(xù)浮動(dòng)變化。徑流量在60年代最大，之后逐漸減少。流域輸沙量在60年代最大，之后大幅減少，90年代小幅度增加，之后繼續(xù)減少。

表1　不同年代水文要素的特征值

無(wú)定河流域1961～2012年降水量、徑流深、輸沙量、E0的年際變化如圖2。徑流變化劇烈，而降水和E0變化較平緩。根據(jù)M-K檢驗(yàn)可知：徑流深、輸沙量下降趨勢(shì)顯著(P<0.001)，下降率分別達(dá)0.4 mm/年、0.02億t /年；降水量和E0無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

根據(jù)Pettitt突變點(diǎn)檢測(cè)(圖3)可知：在95%置信度水平下，徑流深和輸沙量分別在1986和1978年發(fā)生突變，臨界年前后平均徑流深分別為40.18、28.86 mm，輸沙量分別為1.59億t、0.54億t。突變點(diǎn)前稱(chēng)之為基準(zhǔn)期，突變點(diǎn)后稱(chēng)之為變化期，對(duì)比基準(zhǔn)期，徑流深、輸沙量在變化期分別下降了11.33 mm、1.06億t，變化率分別為-28%、-66%。參考徑流深的突變年份，降水量及E0在變化期分別下降了8.79、5.58 mm，變化率分別為-2%、-0.5%。

2.2徑流變化歸因分析

使用彈性系數(shù)法得到氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為21.25%、78.75%(表2)。氣候變化中，E0的貢獻(xiàn)率所占比例較小，而降水的貢獻(xiàn)率占主導(dǎo)。此外，徑流與降雨呈正相關(guān)，而與E0呈負(fù)相關(guān)。通過(guò)該分離方法可知，人類(lèi)活動(dòng)是徑流變化的主要原因。

表2　氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率

2.3泥沙變化歸因分析

采用累積量斜率變化率比較法對(duì)泥沙變化進(jìn)行分析。由輸沙量的突變點(diǎn)(1978年)可以將輸沙量、降水量及E0的變化劃分為兩個(gè)時(shí)期：A：1961～1978年；B：1979～2012年。對(duì)兩時(shí)期各累積要素與年份(圖4)分別擬合出如式(12)～式(17)所示的關(guān)系式，其中x為年份，Y為累積輸沙量(億t /年)、累積降雨量(mm/年)及累積E0(mm/年)，下標(biāo)代表不同時(shí)期。

YAS= -3086.09 + 1.58xAE

(12)

式中，R2= 0.96，P< 0.0001。

YBS=-1181.46 + 0.61xBE

(13)

式中，R2= 0.97，P< 0.0001。

YAP= -751549 + 383.49xAE

(14)

式中，R2= 0.99，SD= 0.516，P< 0.0001。

YBP= -714175 + 364.6xBE

(15)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

YAE0= 1156.2xAE

(16)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

YBE0=1129.6xBE

(17)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

圖2　徑流、輸沙量、降水量、E0的年際變化

圖3　基于Pettitt方法的徑流、輸沙量突變點(diǎn)檢測(cè)

圖4　累積輸沙量、累積降水量和累積E0與年份的關(guān)系

據(jù)表3可知，累積輸沙量-年份線(xiàn)性關(guān)系式的斜率減少0.97億t/年，變化率為-61.39%。同時(shí)期累積降水量-年份線(xiàn)性關(guān)系式的斜率減少19.89 mm/年，變化率為-5.17%；累積E0-年份線(xiàn)性關(guān)系式的斜率減少26.60 mm/年，變化率為-2.30%。根據(jù)公式(10)和公式(11)的計(jì)算結(jié)果可知，降水量對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為8.46%，E0對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為3.76%，故而人類(lèi)活動(dòng)對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為87.78%。因此，人類(lèi)活動(dòng)也是輸沙量減小的主要原因。

表3　各時(shí)段累積輸沙量、累積降水量、累積E0斜率及變化率

3　討論

3.1工程措施對(duì)徑流泥沙的影響

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，無(wú)定河流域的水土保持措施日益加強(qiáng)，并對(duì)下墊面產(chǎn)生了復(fù)雜而深刻的影響[15]。從1960～2000s流域?qū)嵤┑墓こ檀胧?圖5)可以看出：淤地壩總量在1960～1980s迅猛增加，1980s后減小，截至2000年現(xiàn)存壩地2821座。庫(kù)容量的變化與壩地總數(shù)的變化趨勢(shì)一致。淤地壩可在短時(shí)期內(nèi)有效控制洪水、攔截泥沙[2]，但是淤地壩庫(kù)容有限，隨時(shí)間的推移，壩內(nèi)淤積的泥沙數(shù)量增多，造成大量淤地壩后期的堵塞和失效，其攔水減沙的作用下降。流域壩地庫(kù)容量由1960s的22.84億m3增加至1980s的78.06億m3，進(jìn)入2000s減少至31.60億m3。因此水土保持措施中的工程措施仍需深入研究，確定合理的水土保持方針。

3.2生物措施對(duì)徑流泥沙的影響

盡管工程措施在減流減沙方面作用顯著，但生物措施也不可忽略。造林和種草是主要的生物措施。無(wú)定河流域各年代NDVI均呈上升趨勢(shì)(圖6)，由于1999年后退耕還林還草(GFG)工程的實(shí)施，2000s NDVI有明顯的上升趨勢(shì)，特別是在流域的東南部。

林地的吸水、蓄水與透水能力良好，根系龐大，因而能夠固持土壤，使斜坡保持穩(wěn)定，而且大量的林草枯枝落葉物具有很強(qiáng)的抗蝕特性，能夠增加土壤入滲量，延緩地表徑流形成的時(shí)間；此外地被物增加了土壤有機(jī)質(zhì)，改善了土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土壤穩(wěn)定性[16]。草灌等低地植物能迅速形成郁閉，切實(shí)保護(hù)地表，減輕雨滴的擊濺破壞作用，增加地表糙率，減緩徑流流速，提高土壤抗沖能力[17]，因此林草地的減水減沙作用十分明顯。此外，由于復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境，徑流泥沙減少也可能受植被面積及措施實(shí)施的時(shí)間長(zhǎng)度的影響。因此，生物措施在不同的年代對(duì)徑流的影響也不同。

圖5　無(wú)定河不同年代淤地壩數(shù)據(jù)

圖6　無(wú)定河各年代植被空間變化趨勢(shì)

3.3生態(tài)環(huán)境響應(yīng)

水土保持措施影響著生態(tài)環(huán)境，這些措施可以極大地提高生態(tài)服務(wù)功能以及環(huán)境的恢復(fù)力[18]。隨著植被覆蓋的增加，大量的無(wú)效水資源將被農(nóng)產(chǎn)品、森林、草本等有效利用。在黃土高原，一些降雨量向土層下滲，調(diào)節(jié)徑流[19]，提高降雨的使用率，且緩沖了雨水侵蝕。盡管無(wú)定河的徑流呈下降趨勢(shì)，但糧食產(chǎn)量和作物面積在增加，原因之一便是淤地壩措施的加強(qiáng)，增加了作物種植面積，同時(shí)具有較高的農(nóng)田生產(chǎn)力。因此，盡管水土保持措施在一定程度上使徑流減少，但帶來(lái)了農(nóng)業(yè)和生態(tài)方面的利益，節(jié)約了土地和水資源。同時(shí)，伴隨著徑流的減少，其輸沙量亦降低，減輕了下游泥沙淤積和地面懸河的壓力[20]。

總之，水土資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)生存極為重要，而徑流泥沙減少是一種持續(xù)性的現(xiàn)象。干旱半干旱區(qū)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展主要依靠于水土資源的利用。由于無(wú)定河位于干旱半干旱區(qū)，我們發(fā)現(xiàn)徑流泥沙減少、植被及作物增加，這在生態(tài)意義上帶來(lái)了多種生態(tài)利益。同時(shí)，這有助于我們理解水土保持措施的作用，分析水文變化情況。但這些機(jī)制如何互相聯(lián)系，如何變化，仍需要更進(jìn)一步的研究。

4　結(jié)論

本文主要研究了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)無(wú)定河流域徑流泥沙變化的影響?；趶搅魍蛔凕c(diǎn)，本文將研究時(shí)間段分為基準(zhǔn)期(1961～1986年)和變化期(1987～2012年)。E0和降水量無(wú)顯著減小趨勢(shì)，而徑流在變化期減少了28%。輸沙量在1978年發(fā)生突變，變化期相對(duì)于基準(zhǔn)期減少了66%。人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為78.75%、21.25%，對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為87.78%、12.22%。大面積的植被種植及淤地壩建設(shè)改變了下墊面特征、水資源分布等，使得徑流減少、泥沙被攔截，人類(lèi)活動(dòng)是無(wú)定河流域徑流泥沙減少的主要原因。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Analysis of Driving Factors for Runoff and Sediment Variations during 1961～2012 in Wuding River Basin

JIN Zhao, LI Jun-yi

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

To explore the runoff and sediment load changes under the common impacts of climate change and human activities, based on the hydrological and meteorological data and the soil and water conservation measures data in the Wuding River basin during 1961～2012, we analyzed the runoff and sediment load changes in this basin, and quantitatively decomposed the contribution rate of climate change and human activities to runoff and sediment load changes. The results showed that both the runoff and the sediment load in the Wuding River basin exhibited an obvious decreasing trend from 1961 to 2012, and their sudden changing point appeared in 1986 and 1978, respectively. According to elasticity coefficient analysis and sensitivity analysis, the contribution rate of human activities to runoff reduction was 78.75% and 79.02%, respectively, and that of climate change to runoff reduction was 21.25% and 20.98%, respectively. According to the slope change rate of cumulative amount, the contribution rate of human activities and climate change to sediment load reduction was 87.78% and 12.22%, respectively.

Runoff; Sediment load; Quantitative analysis; Wuding River basin

2016-03-15

黃土高原生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境變化考察項(xiàng)目(2014FY210100)。

金朝(1989─)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橘Y源開(kāi)發(fā)與GIS。

P333

A

1001-8581(2016)09-0079-06