氣候變化和人類活動對灞河流域輸沙量影響的定量評估

夏 偉周維博何慶龍李文溢

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054;

2.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710054)

我國很多學(xué)者對我國各大流域的水沙特性及其影響因素也作了大量研究。劉成等[6]對我國主要入海河流水沙變化的分析表明,我國最主要的10條河流下游站1997—2006年輸沙量的平均值低于多年平均值的一半。姚文藝等[7]綜合利用水文法、水保法和數(shù)學(xué)模型法等多種方法對黃河流域1997—2006年的水沙變化情勢進(jìn)行了研究,結(jié)果表明黃河實(shí)測輸沙量較1970年以前年均減小11郾80億t,其中人類活動的減沙作用與降雨的影響基本相當(dāng)。史紅玲等[8]研究了淮河流域水沙變化趨勢及其成因,表明淮河流域來沙量呈現(xiàn)顯著減小的趨勢,發(fā)生突變的年份在1973—1975年之間。

目前,已有學(xué)者對灞河流域水沙特性進(jìn)行了研究。趙建春等[9]對灞河流域水沙特性的研究表明,1985年后的來沙量基本保持在較小的水平;魏炳乾等[10]認(rèn)為灞河流域的水沙量自20世紀(jì)70年代以后呈減小趨勢,其中20世紀(jì)90年代減小十分顯著,人類活動和氣候變化是灞河水沙量減小的主要因素。為研究各因素對灞河流域水沙量減小的影響程度,采用累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)[11鄄15]對氣候變化和人類活動在灞河流域輸沙量變化中的相對貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析評估。

1 研究區(qū)概況

灞河系渭河的一級支流,發(fā)源于秦嶺北麓藍(lán)田縣灞源鄉(xiāng)麻家坡以北,位于東經(jīng) 109毅00憶~109毅47憶,北緯 33毅50憶~34毅27憶,流經(jīng)西安市灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū),于高陵區(qū)匯入渭河,全長104 km,流域總面積為2581km2,主要支流有浐河、清河、道溝峪等。灞河上游河道比降較大,平均為0郾9%;中游為平原彎曲型河道,平均比降為0郾235%;下游河道比較緩,平均比降為0郾158%。灞河流域的基本情況如圖1所示。

圖1 灞河流域

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

馬渡王水文站設(shè)立于1952年6月,位于浐河匯入灞河的入?yún)R口附近,距離渭河口30km,是灞河下游干流控制站,控制流域面積1601km2。馬渡王水文站觀測資料系統(tǒng)全面、時(shí)間序列較長,因此選用該水文站1960—2012年的實(shí)測水沙數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析法

小波分析[16]屬于時(shí)頻分析的一種,它能夠清晰地揭示出隱藏在時(shí)間序列中不同的變化周期,充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢,且能對系統(tǒng)在未來的變化趨勢作定性分析。其基本思想是:用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù),因此,小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵,它是指具有震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù),即小波函數(shù)追(t)沂L2(R)且滿足:

式中:追a,b(t)為子小波;a為尺度因子,反映小波的周期長度;b為平移因子,反映時(shí)間上的平移。

2.2.2 累積距平法

累積距平法[17鄄18]是一種由曲線直觀判斷離散數(shù)據(jù)點(diǎn)變化趨勢的統(tǒng)計(jì)方法,通過先計(jì)算每年輸沙量的距平值,然后按照時(shí)間序列逐年累加,從而得到累積距平值隨時(shí)間的變化趨勢。如果輸沙量累積距平曲線上升,則輸沙量為逐年增加的趨勢;反之,輸沙量為逐年減小的趨勢,趨勢的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

2.2.3 累積量斜率變化率比較法

由王隨繼等[11]提出的SCRCQ方法以客觀年份作為自變量,以各因子的累積量作為因變量,因累積量在一定程度上消除了實(shí)測數(shù)據(jù)年際變化的影響,使年份與累積量之間具有非常高的相關(guān)性,為進(jìn)一步進(jìn)行定量分析創(chuàng)造了條件,并避免了采用常用的多元回歸法進(jìn)行定量分析時(shí)的人為因素的影響。其基本公式為式中追(t)為基小波函數(shù)。選用Morlet小波函數(shù)作為基小波函數(shù),它可通過對基小波函數(shù)在尺度的伸縮和時(shí)間軸上的平移構(gòu)成一族函數(shù)系:

式中:RS為累積輸沙量斜率變化率;KSa、KSb分別為累積輸沙量-年份線性關(guān)系式在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率,萬t/a;RP為累積降水量斜率變化率;KPb、KPa分別為累積降水量年份線性關(guān)系式在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率,mm/a;RE為累積蒸散發(fā)量斜率變化率;KEb、KEa分別為累積蒸散發(fā)量年份線性關(guān)系式在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率,mm/a。

根據(jù)SCRCQ方法,降水、蒸散發(fā)、人類活動對輸沙量的貢獻(xiàn)率CP、CE、CH分別為

式中:CT為氣溫對輸沙量的影響;CC為氣象條件的變化引起的天然植被的變化對輸沙量的影響。

由于氣溫主要是通過影響蒸散發(fā)進(jìn)而影響輸沙量,所以不考慮氣溫對輸沙量的影響。氣候條件的變化引起的天然植被的變化會影響產(chǎn)沙量,進(jìn)而影響輸沙量,而天然植被的變化主要是受人類活動的影響,可不考慮氣象條件的變化引起的天然植被的變化對輸沙量的影響。根據(jù)魏炳乾等[8]對灞河流域水沙特性的研究,蒸散發(fā)對輸沙量的影響很小,式(8)可以簡化為

3 研究結(jié)果與分析

3.1 年輸沙量、年降水量及汛期降水量變化特征

1960—2012年灞河流域年輸沙量、年降水量及汛期降水量的年際變化過程如圖2所示。由圖2可知,1960—2012年多年平均輸沙量為182郾86萬t,年輸沙量呈減小的趨勢,減小的速率為6郾150萬t/a;1960—2012年多年平均降水量為616郾31 mm,年降水量呈減小的趨勢,減小的速率為1郾761 mm/a;1960—2012年多年平均汛期(7—9月)降水量為292郾73 mm,占多年平均降水量的47郾5%,汛期降水量呈減小的趨勢,減小的速率為0郾221 2 mm/a。灞河流域年輸沙量小波分析時(shí)頻分布如圖3所示,可以看出,年輸沙量存在3~7 a、13~18 a和40~45 a 3類尺度的周期,其中第一主周期為15 a左右,在13~18a尺度上存在豐枯交替準(zhǔn)3次震蕩,且該尺度的周期變化在整個(gè)分析階段非常穩(wěn)定,具有全域性。

圖2 1960—2012年灞河流域年輸沙量、年降水量及汛期降水量的年際變化

圖3 灞河流域年輸沙量小波分析時(shí)頻分布

3.2 年輸沙量突變分析及階段劃分

采用累積距平法計(jì)算1960—2012年灞河流域年輸沙量突變年份,得灞河流域年輸沙量累積距平曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出,年輸沙量累積距平曲線在1960—1987年表現(xiàn)為上升趨勢,而在1988—2012年表現(xiàn)為下降趨勢,在1988年發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,可確定1988年為年輸沙量的突變年份。由圖4(b)可以看出,年輸沙量累積距平曲線表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢,其突變年份為2002年。

圖4 灞河流域年輸沙量累積距平曲線

通過流域調(diào)查發(fā)現(xiàn),灞河流域在20世紀(jì)80年代以前,受人類活動的影響相對較小,灞河流域年輸沙量變化主要是受氣候變化的影響,因此,可以將1960—1987年這一階段看作基準(zhǔn)期;在20世紀(jì)90年代以來,人類活動對灞河流域年輸沙量變化的影響逐漸加大,灞河流域年輸沙量除了受氣候變化的影響,在一定程度上還受到人類活動的影響。

3.3 突變年份分割時(shí)期的年輸沙量及年降水量與年份之間的關(guān)系

根據(jù)灞河流域年輸沙量的兩個(gè)突變年份,將研究時(shí)間分為 1960—1987年、1988—2001年和2002—2012年3個(gè)時(shí)期,分別記為A、B和C。灞河流域累積輸沙量,累積降水量與年份之間的關(guān)系如圖5所示,圖中還給出了擬合關(guān)系式,各擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R均大于0郾969,通過了顯著性水平為0郾01的Pearson顯著性檢驗(yàn)。

圖5 灞河流域累積輸沙量、累積降水量與年份之間的關(guān)系

3.4 年降水量和人類活動對年輸沙量變化的貢獻(xiàn)率

根據(jù)SCRCQ方法,在基準(zhǔn)期內(nèi),輸沙量主要受自然因子(降水)的影響,受人類活動的影響較小;在變異期內(nèi),輸沙量主要受自然因子(降水)和人類活動二者的綜合影響。

由圖5(a)擬合關(guān)系式可得,累積輸沙量-年份線性關(guān)系式在A、B和C時(shí)期的斜率分別為228萬t/a,76郾53萬t/a和101郾3萬t/a;B時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小了151郾47萬t/a,減小率為66郾43%;C時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小了126郾7萬t/a,減小率為55郾57%;C時(shí)期與 B時(shí)期相比,斜率增大了24郾77 萬 t/a,增大率為32郾37%。

由圖5(b)擬合關(guān)系式可得累積降水量-年份線性關(guān)系式在A、B和C時(shí)期的斜率分別為638郾2 mm/a,513郾9 mm/a和589郾8 mm/a;B時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小124郾3 mm/a,減小率為19郾48%;C時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小48郾4 mm/a,減小率為7郾58%;C時(shí)期與B時(shí)期相比,斜率增大75郾9 mm/a,增大率為 14郾77%。

根據(jù)式(6)~(9),可以計(jì)算得到B時(shí)期與A時(shí)期相比,降水量的減小對輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為12郾22%,人類活動對輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為87郾78%;C時(shí)期與A時(shí)期相比時(shí),降水量的減小對輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為6郾56%,人類活動對輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為93郾44%;C時(shí)期與B時(shí)期相比,降水量的增大對輸沙量增大的貢獻(xiàn)率為0郾53%,人類活動對輸沙量增大的貢獻(xiàn)率為99郾47%,降水量對輸沙量的影響很小,可以忽略不計(jì),即輸沙量增大完全受人類活動的影響。

3.5 年輸沙量減小的原因分析

灞河流域年輸沙量減小的原因有自然因素(降水量減小和降水強(qiáng)度減小)和非自然因素(水庫攔沙、水土保持、人工采砂和土地利用類型的變化)[18]。

a.自然因素。由于灞河流域降水量的減小,會減小雨水對地面的沖刷,減少土壤的流失,從而使得灞河流域年輸沙量在一定程度上有所減小;同時(shí),由于灞河流域汛期降水強(qiáng)度的減小,也在一定程度上減少產(chǎn)沙量,從而使灞河流域年輸沙量有所減小。

b.非自然因素。自20世紀(jì)80年代以來,人類活動對灞河流域年輸沙量減小的影響越來越大,主要表現(xiàn)在:淤在灞河流域建了很多水庫(如紅旗水庫),流域內(nèi)侵蝕的泥沙大量淤積在水庫內(nèi),使得下游年輸沙量減小[19];于灞河流域于1997年開始實(shí)施攔河造湖工程,在灞河上規(guī)劃建造10座橡膠壩,形成水面面積12萬m2,另外在灞河生態(tài)區(qū)上游布置大片生態(tài)水系涵養(yǎng)綠地,沿河道兩岸布置帶狀公園和防護(hù)綠地,在一定程度上遏制了水土流失,使灞河流域年輸沙量亦隨之減小[19];盂隨著西安市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,以及大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),在灞河流域存在大量的引水采砂作業(yè),這也是灞河流域年輸沙量減小的一個(gè)重要原因;榆隨著大西安城市建設(shè),灞河流域內(nèi)修建了大量住宅和道路,土壤裸露面積減小,這使土壤流失有所減小,從而使灞河流域年輸沙量有所減小。

4 結(jié) 論

a.自1960年以來,灞河流域年輸沙量一直呈減小趨勢,減小速率為6郾150萬t/a;年輸沙量存在3~7 a、13~18 a和40~45 a 3類尺度的周期,其中第一主周期為15 a左右;灞河流域年降水量也一直呈減小趨勢,減小速率為1郾761 mm/a。

b.采用累積距平方法確定了灞河流域年輸沙量在1988年和2002年前后發(fā)生突變。3個(gè)時(shí)期累積輸沙量和累積降水量與年份之間的關(guān)系較好,相關(guān)系數(shù)均大于 0郾969,且通過了 0郾01的顯著性檢驗(yàn)。

c.采用累積量斜率變化率比較方法分析了降水量和人類活動在灞河流域輸沙量減小中的相對貢獻(xiàn)率,B時(shí)期與A時(shí)期相比時(shí),降水量和人類活動在灞河流域輸沙量減小中的相對貢獻(xiàn)率分別為12郾22%和87郾78%;C時(shí)期與A時(shí)期相比時(shí),降水量和人類活動在灞河流域輸沙量減小中的相對貢獻(xiàn)率分別為6郾56%和93郾44%;C時(shí)期與B時(shí)期相比時(shí),降水量和人類活動在灞河流域輸沙量增加中的相對貢獻(xiàn)率分別為0郾53%和99郾47%。由此可見,人類活動是影響灞河流域輸沙量變化的主要因素。

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