氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)延河流域泥沙影響的定量分析

張君茹+岳大鵬+達(dá)興+程金文+賀燕子

摘要：對(duì)延河4個(gè)子流域1982—2010年的產(chǎn)沙量、降雨量采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法、累積距平法分析其變化趨勢(shì)及產(chǎn)沙量突變點(diǎn)，分析汛期和全年產(chǎn)沙量與徑流量的關(guān)系，使用水文分析法分離了人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域產(chǎn)沙量的影響，最終結(jié)合景觀指數(shù)闡述植被與泥沙的關(guān)系。結(jié)果表明：①該流域產(chǎn)沙比較集中，主要在6—9月份。研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)的產(chǎn)沙量顯著下降（P<0.01），降雨量也呈下降趨勢(shì)，并且不同子流域產(chǎn)沙量突變時(shí)間不一致，主要集中在1996年。②人類活動(dòng)對(duì)4個(gè)子流域產(chǎn)沙量的變化起主導(dǎo)作用，甘谷驛人類活動(dòng)所占比重最小仍達(dá)到69%。③延河各子流域水土流失得到緩解主要是由于草地以及森林面積增加的同時(shí)對(duì)應(yīng)破碎度降低、農(nóng)田面積減少的同時(shí)對(duì)應(yīng)破碎度降低。

關(guān)鍵詞：延河流域；產(chǎn)沙量變化；Mann-Kendall累積距平法；水文分析法；景觀格局指數(shù)

中圖分類號(hào)：S157.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2017）03-0106-07

AbstractThe sediment yield and rainfall of 4 sub-basins of the Yanhe River Basin from 1981 to 2010 were studied with Mann-Kendall nonparametric tests and cumulative departure method to investigate the change trend and sediment yield mutation point， and the relationship of flood season and annual sediment yield with the runoff volume were analyzed. Then the impacts of human activities and climate change on sediment yield were studied using the hydrological analysis method. Finally， the relationship between vegetation and sediment yield was expounded combining landscape index. The results showed that the sediment yield in the basin was relatively concentrated， which mainly appeared between June and September. The sediment yield showed a significant downward trend （P<0.01） during the research period， and the rainfall presented a non-significant downward trend. The sediment yield mutation points were different in different sub-basins， which mainly concentrated in 1996. Human activities played a leading role on the change of sediment yield in 4 sub-basins. In Ganguyi， the influence proportion of human activity was the minimum， which was still 69%. The release of the waterhe loss and soil erosion in sub-basins of the Yanhe River Basin was mainly due to the increase of grassland and forest area and the lower of fragmentation at the same time， and also the reduce of farmland area and the lower of fragmentation.

KeywordsThe Yanhe River Basin；Change of sediment yield；Mann-Kendall； Cumulative departure method；Hydrologic analysis；Landscape pattern index

近年來，受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響，河川流量與產(chǎn)沙量發(fā)生了顯著變化，從而直接對(duì)流域水資源的配置、開發(fā)與利用產(chǎn)生影響[1，2]。目前，許多河流受自然因素（主要是降雨）及人類活動(dòng)（如水壩建設(shè)、調(diào)水、采沙、植被修復(fù)等）影響，流量和產(chǎn)沙量發(fā)生了顯著變化[3-5]。因此，自然要素變化和人類活動(dòng)影響下的水沙變化已成為水科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一。

延河流域位于黃土高原水土流失較嚴(yán)重的區(qū)域，長(zhǎng)期以來由于土地利用不合理，濫墾、濫伐、濫牧，導(dǎo)致水土流失加劇，農(nóng)業(yè)自然資源遭到嚴(yán)重破壞，以至造成生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)失調(diào)，水旱災(zāi)害頻發(fā)，給當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活帶來嚴(yán)重威脅[5-7]。因此，迫切需要掌握該流域泥沙變化的規(guī)律及變化機(jī)制，以期為該流域的水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

如何定量區(qū)分人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)流域產(chǎn)沙量的影響已成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)，并取得一定成果[8-10]。目前研究流域泥沙變化的方法可分為兩類：一是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的水文分析法，該方法簡(jiǎn)單易行，但沒有依托的原理，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；二是基于土壤侵蝕模型RUSLE的貢獻(xiàn)率分離方法，這種方法需要輸入土地利用數(shù)據(jù)，所得結(jié)果表示某一時(shí)間相較基準(zhǔn)期降雨對(duì)產(chǎn)沙量的影響，具有特定性，并不適用于計(jì)算某一階段人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)泥沙變化的平均貢獻(xiàn)率。上述研究都是將氣候變化與人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分離，得到人類活動(dòng)在泥沙變化中起主導(dǎo)作用的結(jié)論，并且對(duì)人類活動(dòng)的主要表現(xiàn)方式——水土保持措施進(jìn)行了闡述。但是人類活動(dòng)的最終表現(xiàn)形式均是改變下墊面狀況，下墊面狀況的改變能顯著改變水量平衡各要素的對(duì)比關(guān)系[11]，而下墊面狀況可以借助基于土地利用和土地覆蓋（LUCC）的景觀格局指數(shù)來反映[12-14]，但如何定量化地銜接下墊面狀況與產(chǎn)沙量之間的關(guān)系前人并未多做討論。

目前關(guān)于氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文水資源影響的研究大多集中在較大尺度的區(qū)域，而對(duì)中小尺度流域造成的影響研究較少。有關(guān)延河流域的景觀格局變化，已有研究者進(jìn)行了整體研究[15]，但并未細(xì)致到以站點(diǎn)為單位的子流域，而各子流域間存在的差異會(huì)影響管理決策的制定[16]。本研究基于水文分析，對(duì)延河4個(gè)子流域的景觀格局進(jìn)行分析，探討各景觀類型對(duì)產(chǎn)沙量的影響。

1研究區(qū)概況

延河是黃河右岸、中游區(qū)上段的河口鎮(zhèn)至龍門段的一級(jí)支流，位于東經(jīng)108°45′～110°28′、北緯36°23′～37°17′之間，發(fā)源于陜西省靖邊縣東南天賜灣鄉(xiāng)周山，由西北向東南流經(jīng)志丹、安塞、寶塔、延長(zhǎng)四縣區(qū)，在延長(zhǎng)縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近匯入黃河[17]。其干流總長(zhǎng)390.59 km，流域面積5 891 km2，平均坡度為16.4°，平均海拔為1 318 m，河網(wǎng)密度約為4.7 km/km2。流域多年平均降水量為435.64 mm，年平均氣溫9℃，主要災(zāi)害類型為旱災(zāi)、霜凍、冰雹及暴雨。延河流域地勢(shì)西北高，東南低，主要屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，占流域總面積的 94.6%，其中：上游屬梁峁丘陵溝壑區(qū)，梁多峁少，河床比降大，侵蝕強(qiáng)烈；中部屬峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)，梁窄而短，峁小而圓，侵蝕小于上游[18]。流域內(nèi)設(shè)有20多處分布比較均勻的雨量站，水文站有上游杏河流域的杏河站（379 km2）、安塞站（1 334 km2）、延水流域延安站（3 208 km2）、棗園站（719 km2）及下游控制斷面甘谷驛站[6 150 km2（1957—1964年）、5 898 km2（1965—1970年）、5 891 km2（1971—1989年）]5個(gè)。延河流域水土流失非常嚴(yán)重，是黃河泥沙的主要來源之一，含沙濃度高，泥沙年內(nèi)分布集中，6—9月產(chǎn)沙量占全年產(chǎn)沙量的96.0%以上。

本次研究所選區(qū)域包括杏河、安塞、棗園及甘谷驛站，屬于延河中上游的范圍。

2數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.1數(shù)據(jù)來源

根據(jù)流域氣象站點(diǎn)分布，選用資料較完整且相鄰的20個(gè)氣象站點(diǎn)1982—2010年的年降雨資料，以保證空間布點(diǎn)的均勻性和流域界附近等值線的正確延伸。對(duì)于數(shù)據(jù)缺失的站點(diǎn)及年份采用反距離權(quán)重（IDW）插值的方式進(jìn)行延展。氣象資料來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)；選用中國(guó)科學(xué)院提供的4期（1995、2000、2007、2010年）延河流域土地利用數(shù)據(jù)；流域徑流量以及泥沙量選用由黃河及長(zhǎng)江水利委員會(huì)（水資源公報(bào)）提供的各水文觀測(cè)站1981—2010年逐年實(shí)測(cè)資料。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall檢驗(yàn)Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法可用于檢測(cè)要素序列變化趨勢(shì)[19，20]，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，適用于非正態(tài)分布的水文氣象等數(shù)據(jù)。在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn），是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)分布的樣本；對(duì)于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布式是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算公式如下：

2.2.2距平及累計(jì)距平法在有序數(shù)據(jù)系列存在趨勢(shì)性變化的前提下，采用累計(jì)距平法檢驗(yàn)其躍變時(shí)間[21]。距平是表示氣候變量偏離正常情況最常用的量，一組數(shù)據(jù)的某一個(gè)數(shù)xi與x之間的差就是該數(shù)據(jù)的距平值，即xi-x，氣候變量的一組數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn與其均值的差就構(gòu)成了距平序列x1-x，x2-x，…，xi-x。

累積距平是一種十分常用的、根據(jù)曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法。對(duì)于某一序列x某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

2.2.3水文分析法為區(qū)分降水和人類活動(dòng)對(duì)流域水沙變化的影響，本研究借鑒了計(jì)算水土保持減水減沙效益的一種方法——水文分析法，簡(jiǎn)稱水文法[22]。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(jì)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)生的徑流量和輸沙量就可能不同。根據(jù)上述原理，利用基準(zhǔn)期（1980—1989年）的實(shí)測(cè)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(guān)系的回歸方程[23]：

3結(jié)果與分析

3.1泥沙、水土保持措施與降水的年際變化分析

通過計(jì)算得到延河流域各子流域的年產(chǎn)沙量以及各站點(diǎn)各年汛期的產(chǎn)沙量（圖1）及產(chǎn)沙量的統(tǒng)計(jì)特征值（表1）。產(chǎn)沙量、降雨變化趨勢(shì)見表2，其中杏河年產(chǎn)沙量下降最顯著（P<0.05）。

采用累積距平法對(duì)4個(gè)小流域的產(chǎn)沙量進(jìn)行突變分析，結(jié)果（圖2）顯示，杏河、棗園、安塞以及甘谷驛的突變點(diǎn)分別取1996、1989、2002、1996年。

分析原因可能與大規(guī)模的退耕還林還草工程有關(guān)。

3.2流域景觀格局的變化

將四期（1995、2000、2007及2010年）土地利用分類柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Fragstats 4.0 中，計(jì)算獲得各景觀格局指標(biāo)CA（斑塊類型總面積）、PLAND（斑塊類型所占景觀面積比例）和NP（斑塊數(shù)量）。

從圖3可以看出，研究時(shí)段內(nèi)，4個(gè)小流域未利用地面積2007年大幅減少，2010年略有回升，而建設(shè)用地面積有所增加，2010年增加明顯。杏河2000年后草地面積逐漸增加，森林面積逐漸減少，農(nóng)田面積波動(dòng)；棗園草地面積2007年增加明顯，2010年略有減少，森林面積減少，農(nóng)田面積減少；安塞的草地面積增加較明顯，森林面積波動(dòng)，農(nóng)田面積2010年下降明顯；甘谷驛草地面積波動(dòng)，森林面積增加，農(nóng)田面積1995年后明顯減少。

NP一定程度上反映了斑塊類型的破碎程度。由圖3可見，研究時(shí)段內(nèi)安塞和杏河景觀類型斑塊總數(shù)至2007年明顯減少，表明破碎化程度明顯降低；甘谷驛斑塊總數(shù)2010年明顯增加，表明破碎化程度升高；棗園斑塊總數(shù)處于波動(dòng)狀態(tài)。分析各斑塊類型的斑塊數(shù)可以看出，4個(gè)小流域建設(shè)用地斑塊數(shù)增加，這與建設(shè)用地面積增加相關(guān)，并且城鎮(zhèn)居民區(qū)主要呈帶狀或點(diǎn)狀分布，多被河流和道路等分割。農(nóng)田的斑塊數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，表明研究區(qū)耕地分布相對(duì)集中且面積廣布。安塞、杏河以及棗園草地斑塊數(shù)量整體減少，可能

A、B、C、D、E、F、G分別指建設(shè)用地、未利用地、農(nóng)田、森林、草地、水體、總體。

由于該區(qū)域近年來人為規(guī)劃對(duì)景觀格局干擾加強(qiáng)，使一些建設(shè)用地斑塊合并，造成總數(shù)的減少；甘谷驛草地斑塊數(shù)量2010年明顯增加，可能由于該區(qū)域近年來退耕還林等人為規(guī)劃對(duì)其景觀格局干擾加強(qiáng)，同時(shí)與其面積減少也有關(guān)。

3.3各小流域泥沙變化歸因分析

采用水文分析法[22]根據(jù)公式（6—9）對(duì)各小流域的泥沙變化原因進(jìn)行分析，采用產(chǎn)沙量—降雨量雙累積法，構(gòu)建產(chǎn)沙量與降雨的關(guān)系。對(duì)泥沙—降雨雙累積擬合的線性方程進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示4個(gè)小流域累積泥沙與累積降雨的關(guān)系均呈一次線性關(guān)系，且方程的決定系數(shù)均達(dá)到0.92以上（P<0.001），方程均通過驗(yàn)證。

4個(gè)小流域在第二階段（突變時(shí)間以后）的泥沙變化主要是由人類活動(dòng)導(dǎo)致的。人類活動(dòng)對(duì)泥沙減少的貢獻(xiàn)率，杏河達(dá)到90.8%，棗園為80.2%。安塞第二階段降雨量雖有少量增加且平均值高于第一階段，但產(chǎn)沙量依舊減少，導(dǎo)致人類活動(dòng)對(duì)泥沙減少的貢獻(xiàn)率達(dá)到103.2%。甘谷驛人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率相較其他3個(gè)小流域最低，為69.2%，但仍占主導(dǎo)地位（表3）。

4討論

4.1氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)延河流域產(chǎn)沙的影響

氣候變化會(huì)引起降雨量和降雨特征發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響地表徑流，從而直接或間接地影響流域產(chǎn)沙量[10]。饒素秋等[24]發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80 年代以后，黃河中游的暴雨強(qiáng)度減弱，產(chǎn)沙量也隨之減少?？梢?，氣候變化能導(dǎo)致流域內(nèi)水資源分配發(fā)生變化，從而影響流域的產(chǎn)沙情況。但在短時(shí)間尺度內(nèi)，水沙關(guān)系受氣候變化的影響有限，更多地與人類活動(dòng)造成的流域下墊面輸沙環(huán)境的變化有關(guān)，如在黃土高原進(jìn)行的退耕還林還草的生態(tài)措施以及淤地壩、梯田建設(shè)等工程措施能明顯影響黃河流域的產(chǎn)沙量。

4.2流域景觀格局變化

林地吸水、蓄水與透水能力好，且龐大的根系與土壤形成生物凝聚力，能夠固持土壤，產(chǎn)生抗滑力，使斜坡保持穩(wěn)定；另外，地被物還能增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤穩(wěn)定性[25]。草灌等低地植物能迅速形成郁閉，切實(shí)保護(hù)地表，減輕雨滴擊濺的破壞作用，增加地表糙率，減緩徑流流速，提高土壤抗沖能力，減沙作用十分明顯[26]。耕地則通過農(nóng)作物種植形成地面覆蓋，增加土壤中的根系量，從而提高固持耕層土壤的能力；但長(zhǎng)期的農(nóng)事操作也易造成土壤結(jié)構(gòu)疏松，因此，也是比較容易形成侵蝕產(chǎn)沙的區(qū)域。黃土高原耕地的坡改梯工程改變了坡面微地形，降低了地表徑流流速，表現(xiàn)出了穩(wěn)定的較強(qiáng)的減沙能力[27]。建設(shè)用地主要通過人類活動(dòng)，如人為進(jìn)行的截流、分流，達(dá)到減水減沙的作用。

5結(jié)論

（1）1982—2010年間，延河流域的產(chǎn)沙量顯著下降，降雨亦有下降趨勢(shì)，并且產(chǎn)沙主要集中在6—9月份。產(chǎn)沙量突變年份主要集中在1996前后13年間。

（2）通過水文法分離人類活動(dòng)與氣候變化對(duì)產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，4個(gè)子流域人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)沙量的變化起主導(dǎo)作用，甘谷驛人類活動(dòng)的影響所占比重最小，仍達(dá)到69%。安塞由于第二階段的降雨量平均值大于第一階段，對(duì)產(chǎn)沙量減少的貢獻(xiàn)率為負(fù)值，導(dǎo)致人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率達(dá)到103.2%。

（3）延河各子流域主要是由于大量人類活動(dòng)導(dǎo)致草地面積增加同時(shí)破碎度降低、農(nóng)田面積減少同時(shí)破碎度降低而使水土流失得到緩解；甘谷驛雖然草地面積變動(dòng)不大且破碎度增加，但因森林面積及斑塊數(shù)量增加、農(nóng)田面積減少及破碎度降低，水土流失情況也得到了一定程度的緩解。

（4）延河流域四個(gè)主要流域中，杏河主要由于草地面積增加同時(shí)破碎度降低而緩解了水土流失；棗園和安塞則由于大量人類活動(dòng)導(dǎo)致草地面積增加同時(shí)對(duì)應(yīng)破碎度降低、農(nóng)田面積減少同時(shí)破碎度降低而使水土流失得到緩解；甘谷驛草地面積變化不大且破碎度增加，理論上會(huì)使水土流失加劇，但森林面積及其斑塊數(shù)的增加，以及農(nóng)田面積的減少，對(duì)該流域的水土流失起到了一定的積極保護(hù)作用。

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