氣候變化和人類活動對丹江流域泥沙變化影響的定量分析

達 興,岳大鵬,梁 偉,李 莎

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710062)

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氣候變化和人類活動對丹江流域泥沙變化影響的定量分析

達 興,岳大鵬*,梁 偉,李 莎

(陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安 710062)

以丹江流域9個氣象臺站的降水資料和荊紫關水文站實測的徑流、泥沙數(shù)據(jù)為基礎，運用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法、Pettitt變點檢測法分析了丹江流域1980～2009年的徑流量、輸沙量和降雨量的變化趨勢,檢測了輸沙量的突變點，并使用水文分析法定量分離了氣候變化和人類活動對流域輸沙量的影響。結果表明:丹江流域徑流量、輸沙量均顯著下降，降雨量有不顯著的下降趨勢；輸沙量在1989年發(fā)生突變，與基準期1980～1989年相比，丹江流域1990～2009年的徑流量、輸沙量以及降雨量分別減少了57%、57%和11%。輸沙量和徑流量相關性較高(R2=0.47)，而與降雨量的相關性相對較低(R2=0.28)，降雨對輸沙量的直接作用較小。氣候變化對丹江流域的輸沙量的變化起主導作用(60%)，但人類活動的作用仍不可忽視(40%)。

丹江；泥沙變化；Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法；Pettitt變點檢測法；水文分析法

近幾十年來，受氣候變化和人類活動的影響，河川流量與輸沙量發(fā)生了顯著的變化，直接影響了流域水資源的配置、開發(fā)與利用，同時對流域地貌演變、海洋海岸生態(tài)系統(tǒng)及全球生物地球化學循環(huán)產生了重要影響[1-2]。目前，國際上許多河流如埃及尼羅河[3]、美國科羅拉多河[4]、中國長江[5]與黃河[6]等，因受氣候變化和人類活動影響，徑流量和輸沙量發(fā)生了顯著變化，導致河流地貌、河口、三角洲及其近岸環(huán)境發(fā)生重大變化。因此，氣候變化和人類活動影響下的水沙變化研究已成為水科學界的研究熱點之一[2-7]。

丹江是南水北調中線工程的重要水源地，流域水質的好壞直接關系到南水北調中線工程水質安全。從20世紀60年代開始，丹江進行了一系列水利設施建設，但仍存在水土流失現(xiàn)象，導致含有大量有害化學成分的泥沙進入江河、水庫，污染水體，影響南水北調中線工程的水質安全。因此，研究該區(qū)域泥沙的變化特征及其驅動因子對保證南水北調中線水源地上游的水質水量、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、促進經濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[8-10]。近年來，許多學者在丹江流域開展了一系列的研究工作[11-12]，但主要集中在南水北調中線工程對長江流域的水文生態(tài)影響，以及簡單的水文要素變化分析，在定量區(qū)分氣候變化和人類活動對丹江泥沙變化方面的研究比較少見。本研究采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法、Pettitt變點檢測法對丹江流域1980～2009年的降雨量、徑流量和輸沙量進行了分析，并定量分離了氣候變化和人類活動對泥沙變化的貢獻率，以期為該流域以及南水北調工程的水資源管理提供科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

丹江發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，途徑陜西省的商州、丹鳳、商南縣，河南省的淅川縣后匯入湖北丹江口水庫(圖1)。干流全長443 km，流域總面積16812 km2。地形呈現(xiàn)出西北高、東南低的山地峽谷狀特點，流域內森林覆蓋率較好。流域多年平均降雨量為831.84 mm，受氣候和地形的影響，降水年內分布極不均勻，且多呈暴雨形式，常常會造成陡漲陡落、洪峰高、歷時短的大洪水，對下游及漢江防洪安全影響較大。中上游為暴雨多發(fā)區(qū)，河谷及附近川道為少雨區(qū)。受季節(jié)性氣候變化的影響，徑流的年內分配極不均勻，徑流年際變化大，枯水期河水主要靠地下水補給，流量小而穩(wěn)定，洪水期流量變化較大，流域多年平均徑流量為12.23億m3，多年平均輸沙量為302.01萬t[13]。

圖1　流域位置及水文氣象站分布

2　數(shù)據(jù)和方法

2.1數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)。根據(jù)丹江流域氣象站點分布，選用資料較完整的2個氣象站以及相鄰的7個站點1980～2009年的年降雨量資料，以保證空間布點的均勻性和流域邊界附近等值線的正確延伸；對于數(shù)據(jù)缺失的站點及年份采用反距離權重(IDW)插值的方式進行延展。1980～2009年丹江流域荊紫關水文站的徑流量及輸沙量數(shù)據(jù)來源于黃河和長江水利委員會的水資源公報[14]。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法的優(yōu)點是統(tǒng)計測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，因此，它被廣泛應用于檢測非正態(tài)分布的水文氣象等要素的序列變化趨勢[15-16]。在Mann-Kendall檢驗中，原假設H0為時間序列數(shù)據(jù)(xk,xj,…,xn)是n個獨立的、隨機分布的樣本；對于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布式是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S的計算公式如下：

(1)

(2)

式中S為正態(tài)分布，其均值點為0，Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量Z通過下式計算：

(3)

2.2.2Pettitt突變點檢測法Pettitt變點檢測方法[17]是基于非參數(shù)檢測一個水文時間序列突變點的方法，其物理意義清晰[18]，計算較簡便，可以明確突變發(fā)生的時間，較好地識別水文時間序列分布的突變點，在變點檢測方面應用較多[19-21]。該方法基于Mann-Whitney的統(tǒng)計函數(shù)Ut,N，認為兩個樣本(x1,…,xt)和(xt+1,…,xN)均來自同一序列分布。對于連續(xù)的序列，Ut，N由下列公式計算[22-23]：

(4)

(5)

檢驗統(tǒng)計量計算了第1個樣本序列值超過第2個樣本序列值的次數(shù)。

(6)

(7)

2.2.3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[24]。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)計相關關系，即某一特定流域，若下墊面條件保持不變，則在一定的降水條件下產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生的徑流量和輸沙量就可能不同。根據(jù)上述原理，利用基準期(1980～1989)的實測水文氣象資料，通過多元回歸分析，建立累積降雨與累積泥沙關系的回歸方程[25]：

Sref=aPref+b

(8)

其中:Sref和Pref分別為基準期的累積年輸沙量和降水量；a和b為回歸系數(shù)。通過變化期(1990～2009)的降水量和輸沙量得到的回歸方程即可計算人類活動對輸沙量的影響：

Sh=Sfit-Schange

(9)

其中:

Snon=aPnchange+b

(10)

Sfit=aPchange+b

(11)

Sp=Snon-Sfit

(12)

式中: Sfit、Schange、Snon分別為變化期的模擬累積泥沙量、實際累積泥沙量、降雨不變時變化期的累積泥沙量(萬t)；Pchange、Pnchange分別為累積降雨量、降雨不變時變化期的累計降雨量(mm)；Sp和Sh分別為降雨和人類活動對泥沙的貢獻(萬t)。

3　結果分析

3.1徑流、泥沙及降雨的變化特征

丹江流域的多年平均徑流量為12.23億m3，且年際變化較大，變異系數(shù)為0.72。由于該區(qū)域為土石山區(qū)，河谷兩側有土狀堆積物分布，加之人類經濟活動較多，使得丹江成為含沙量較多的河流，多年平均輸沙量為302.01萬t，變異系數(shù)為1.27。丹江流域降雨充沛，多年平均降雨量為785.78mm，但降雨量年際變化較小，變異系數(shù)為0.16(圖2、表1)。與基準期1980～1989年相比，丹江流域1990～2009年的徑流量、輸沙量及降雨量分別減少了57%、57%和11%(表1)。

表1　丹江流域要素的統(tǒng)計特征

Mann-Kendall趨勢分析結果表明：丹江流域的徑流量和輸沙量呈顯著下降趨勢(P<0.001，P<0.05)，平均每年分別減少0.54億m3和9.81萬t，30年來共減少16.2億m3和294.3萬t。降雨量的變化率為-3.41 mm/年，但變化趨勢不明顯(表2)。Pettitt變點檢驗法發(fā)現(xiàn)丹江流域的輸沙量在1989年發(fā)生了突變，且通過了0.1的顯著性水平(圖2-d)。

表2　丹江流域Mann-Kendall檢驗結果

注: “*”和“**”表示的顯著性水平分別為0.05和0.001；“ns”表示變化趨勢不顯著。

3.2徑流量、降雨量與輸沙量的相關分析

徑流是泥沙輸移的主要動力來源，其大小對流域輸沙量的影響十分關鍵，而徑流量的大小又受流域降雨的控制，從而降雨間接影響輸沙量，同時降雨的特征參數(shù)如雨量、雨強等通過達到沉積物搬運的臨界值來直接影響輸沙量，因此，流域的泥沙-徑流-降雨之間存在復雜的作用機制，明晰它們之間的相互關系對流域水資源管理以及生態(tài)建設有重要的指導意義。丹江流域徑流量、降雨量與輸沙量的相關關系如圖3所示。

從圖3-a擬合的輸沙量與徑流量的關系看出：輸沙量與徑流量間的決定系數(shù)R2達到0.47，而圖3-b輸沙量與降雨量間的決定系數(shù)R2為0.28。這表明：徑流量對輸沙量變化的影響比重較大，對流域輸沙量進行研究時，輸沙量和徑流量關系尤為重要；而降雨直接影響輸沙量部分的作用比較小，這主要是由于降雨對輸沙量的影響方式是間接的，主要通過影響徑流量、潛在蒸散、植被覆蓋等各種水文氣象要素來影響流域輸沙量。

3.3流域泥沙變化歸因分析

輸沙量受氣候和人類活動的共同影響。采用水文法計算人類活動與氣候變化對泥沙變化的貢獻率，采用輸沙量-降雨雙累積法，構建輸沙量與降雨的關系。丹江流域累積輸沙量與累積降雨呈現(xiàn)一次線性關系y=0.6608x-196.84，方程的決定系數(shù)達到了0.98以上，并且通過了0.001的顯著性檢驗。根據(jù)兩階段各要素值分離氣候變化與人類活動對泥沙變化的貢獻率[26]，結果見表3。

圖2　1980～2009年各要素的變化趨勢

圖3　徑流量、降雨量與輸沙量的相關分析

項目降雨人類活動輸沙量/萬t166.3110.91貢獻率/%6040

根據(jù)計算的結果可以看出：丹江流域輸沙量變化主要是氣候變化所導致，氣候變化所引起的輸沙量變化占60%，即166.36萬t的泥沙減少是由氣候變化引起的；但人類活動的作用不可忽視，人類活動的貢獻率占40%，即110.91萬t的泥沙減少由人類活動引起。

氣候變化導致降雨量和降雨特征發(fā)生顯著變化，降雨的特征會影響徑流量，而地表徑流在匯流過程中會攜沙，從而降雨特征能夠直接或間接地影響流域輸沙量。在短時間尺度內，水沙關系受氣候變化影響有限，它與人類活動造成的流域下墊面輸沙環(huán)境的變化亦有關。丹江流域所涉及的人類活動包括城市居民取水、工業(yè)用水以及農業(yè)灌溉。此外，為了確保南水北調中線水源地水質，該地區(qū)進行了一系列水利工程建設、退耕還林還草以及流域治理措施，從而攔沙、減污。據(jù)有關資料，目前，丹江流域建設有中型水庫1座、小型水庫19座，總庫容量12588.4萬m3[13]。水庫通過攔水進而攔沙，從而減少流域輸沙量。與此同時，丹江流域在1999～2009年間，退耕還林還草的面積整體呈上升趨勢，每年增加0.21 km2(圖4)。林地有良好的吸水、蓄水與透水能力，有龐大的根系，能夠固持土壤，使斜坡保持穩(wěn)定，且大量的林草枯枝落葉物具有很強的抗蝕特性，增加了土壤的入滲量，延緩地表徑流形成的時間；此外地被物增加了土壤有機質含量，改善了土壤結構，增強了土壤穩(wěn)定性[27]。草灌等低地植物能迅速形成郁閉，切實保護地表，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[28]，因此林草地的減水減沙作用十分明顯。

4　結論

丹江流域輸沙量、徑流量均顯著下降，降雨量有不顯著下降的趨勢，且輸沙量、徑流量的年際波動較大。輸沙量在1989年發(fā)生突變，與基準期1980～1989年相比，丹江流域1990～2009年的徑流量、輸沙量以及降雨量分別減少了57%、57%和11%。

丹江流域輸沙量和徑流量較相關，決定系數(shù)R2達到0.47；而輸沙量與降雨的相關性較低，決定系數(shù)為0.28，降雨對輸沙量的直接影響十分微弱，即降雨主要通過影響徑流量、潛在蒸散量、植被覆蓋等來間接影響丹江流域輸沙量。

圖4　丹江流域退耕還林還草面積

利用水文法分離人類活動與氣候變化對丹江流域輸沙量變化的貢獻率發(fā)現(xiàn)，雖然丹江流域氣候變化對輸沙量的變化起主導作用(60%)，但人類活動的作用不可忽視(40%)。

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(責任編輯：許晶晶)

Quantitative Analysis of Impacts of Climate Change and Human Activities on Sediment Discharge in Danjiang River Basin

DA Xing, YUE Da-peng*, LIANG Wei, LI Sha

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

Based on the precipitation data at 9 weather stations of the Danjiang River basin and the observed runoff and sediment discharge data in Jingziguan Hydrological Station, the author applied Mann-Kendall nonparametric trend test and Pettitt test to analyze the variation trends of runoff, sediment discharge and precipitation from 1980 to 2009 in the Danjiang River basin, detected the abrupt point of sediment discharge, and used hydrological analysis method to quantitatively separate the impact of climate change and human activities on the sediment discharge in this basin. The significant decreasing trend of both runoff and sediment discharge in the Danjiang River basin was detected, and precipitation displayed a non-significant declining trend. The abrupt point of sediment discharge was found in the year 1989, and the runoff, sediment discharge and precipitation in this basin during 1990～2009 were decreased respectively by 57%, 57% and 11% as compared with those during 1980～1989. The sediment discharge showed a relatively high correlation with the runoff (R2=0.47), while a relatively low correlation with the precipitation (R2=0.28), which means that the direct effect of precipitation on sediment discharge is small. Climate change was the dominant factor (60%) resulting in the sediment discharge variation in the Danjiang River basin, but the effect of human activities (40%) on it could not be ignored.

Danjiang; Sediment discharge variation; Mann-Kendall nonparametric trend test; Pettitt test; Hydrological analysis

2016-04-26

國家自然科學基金 (41390464、41401027)；國家重點實驗室水科學與工程開放研究基金項目 (sklhse-2014-A-01)；國家

自然科學基金項目(41071012)；陜西省煤油氣水土流失補償項目“陜西能源開發(fā)項目水土流失監(jiān)測技術研究及信息系統(tǒng)建設”。

達興(1990─)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事氣候變化水文效應、水土流失的研究。*通訊作者：岳大鵬。

P333

A

1001-8581(2016)09-0102-05