涇河水沙關(guān)系變化研究

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.北京市昌平區(qū)水務(wù)局，北京 102200)

黃土高原是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。近年來，黃河流域水沙關(guān)系變化成為流域水文領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。一些研究結(jié)果表明:近70年來黃河流域干流徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，其主要原因是水土保持、水庫運用、生活生產(chǎn)用水等人類活動影響[3]。降水是流域徑流的主要來源，在地形地貌和植被自然演替下，降水-徑流-輸沙會形成相對穩(wěn)定的水文響應(yīng)關(guān)系，但人類活動導(dǎo)致更為復(fù)雜的產(chǎn)匯流機制和產(chǎn)沙機制。解析流域氣候驅(qū)動因子時空變化是認(rèn)識流域水沙關(guān)系變化的基礎(chǔ)，同時研究水土保持措施及其他人類活動也有助于了解流域下墊面變化對流域水沙關(guān)系的影響[4-5]。

1 研究區(qū)域概況

涇河是渭河的最大支流，而渭河是黃河的最大支流。涇河發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)六盤山東麓，于高陵區(qū)崇皇街道辦船張村注入渭河。地形西北高，東南低，地貌主要為黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)。流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量約500mm，年內(nèi)分布不均，夏季降水量約占總降水量的55%。干流全長455.1km，張家山水文站以上集水面積43216km2(見圖1)。流域水土流失嚴(yán)重，多年平均徑流量約為1.5×109m3，產(chǎn)沙量為1.9×108t，是渭河泥沙的主要來源。

圖1 涇河流域示意圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文收集了涇河流域環(huán)縣站、崆峒站、西峰站、長武站4個典型觀測站1960—2017年降水和溫度系列數(shù)據(jù)(來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn)，以及2000—2017年張家口水文站徑流和輸沙數(shù)據(jù)(來源于2000—2017年黃河泥沙公報)，其他時段徑流和輸沙數(shù)據(jù)主要來自出版的文獻資料。

2.2 研究方法

主要采用線性分析和趨勢性檢驗的方法。其中，趨勢性檢驗采用Mann-Kendall檢驗方法，當(dāng)統(tǒng)計變量Z>0時，數(shù)據(jù)序列表現(xiàn)為上升趨勢；Z<0時，為下降趨勢。在給定置信水平時，如果|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即在此置信水平時，該序列表現(xiàn)為顯著性上升趨勢或顯著性下降趨勢。當(dāng)Z的絕對值在大于或等于1.96和2.58時，分別表示通過了置信度95%和99%的顯著性檢驗。

3 結(jié)果分析

3.1 降水和溫度變化

流域內(nèi)環(huán)縣站、崆峒站、西峰站、長武站1960—2017年降水量線性變化結(jié)果見圖2。從圖中可以看出:4個觀測站年降水線性變化量分別為-7.0mm/10a、-6.7mm/10a、-7.3mm/10a、+0.8mm/10a，位于流域中下游的長武站變化值相對較小。年降水量Mann-Kendall檢驗表明(見下表)，環(huán)縣站、崆峒站、西峰站3個觀測站年降水量均呈非顯著性下降趨勢，長武站呈非顯著性上升趨勢。其季節(jié)性檢驗表明，4個測站春季和秋季降水量均呈非顯著性下降趨勢；環(huán)縣站、西峰站、長武站夏季降水量呈非顯著性上升趨勢；冬季降水量均呈上升趨勢，其中崆峒站和西峰站呈顯著性上升趨勢(P<0.1)。

表1 1960—2017年涇河流域降雨和溫度Mann-Kendall檢驗結(jié)果

注*表示通過了置信度為95%的顯著性檢驗；**表示通過了置信度為99%的顯著性檢驗。

圖2 1960—2017年涇河流域主要觀測站年降水的變化

圖3和圖4分別為4個測站年溫度的線性變化和年溫度累計距平。從圖3可以看出，4個觀測站年溫度均呈線性上升趨勢，線性變化量分別為+0.40℃/10a、+0.34℃/10a、+0.45℃/10a、+0.19℃/10a，長武站變化量相對較小。從圖4可以看出，4個觀測站轉(zhuǎn)折點發(fā)生的年份基本一致，崆峒站、西峰站、長武站變化點均在1995年左右，環(huán)縣站相對提前。年溫度Mann-Kendall檢驗表明(見上頁表)，4個觀測站年溫度均呈顯著性上升趨勢(P<0.1)。其季節(jié)性檢驗表明，長武站夏季溫度呈非顯著性下降趨勢；各站其他季節(jié)溫度均呈顯著性上升趨勢(P<0.5)，且除長武秋季溫度外，均通過了置信度為99%的顯著性檢驗。

圖3 1960—2017年涇河流域主要觀測站年溫度的變化

3.2 徑流和輸沙量變化

圖5為涇河1960—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2017年年均徑流系數(shù)、徑流量、輸沙量的變化。從圖中可以看出，流域徑流系數(shù)較小，呈持續(xù)減小趨勢，且下降趨勢較為明顯，尤其是2000—2009年和2010—2017年徑流系數(shù)相對其他時間段明顯偏小。

圖4 1960—2017年涇河流域主要觀測站年溫度累計距平變化

從年徑流量變化來看，流域徑流量呈持續(xù)減少趨勢，1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年3個時段徑流量變化不大，而2000—2009年和2010—2017年徑流量相比其他時段明顯偏小，皆不足1960—1969年的一半。從年輸沙量變化來看，流域輸沙量整體也呈下降趨勢，但2000年以前的各時段變化不大，而2000年以后的2個時段大幅減少。雖然涇河年徑流量與年輸沙量都呈下降趨勢，但二者在6個時段上的相關(guān)關(guān)系并不明顯。

4 研究成果討論

從流域水循環(huán)和水量平衡的角度出發(fā)，降水和蒸發(fā)會對徑流產(chǎn)生直接影響，在不同時空尺度的影響作用是有差異的。從趨勢性結(jié)果可以看出，涇河流域1960—2017年降水量雖然總體呈下降趨勢，但變化不大，且年內(nèi)分布沒有發(fā)生較大變化，如果不考慮其他因素影響，徑流量將呈現(xiàn)微下降趨勢。溫度是影響蒸發(fā)量的主要因素，流域年溫度總體呈顯著性上升趨勢，且降水較為集中的夏季溫度也同樣上升明顯，蒸發(fā)強度將進一步加大，徑流量將隨著溫度的上升、蒸發(fā)的增加而減少。

涇河一直是黃土高原區(qū)域水土流失治理的重點之一，自20世紀(jì)60年代以來開展了大規(guī)模的包括淤地壩、造林、梯田等在內(nèi)的水土保持工作，尤其是1995年以來水土保持面積大幅增加。水土保持措施能有效攔水?dāng)r沙，涵養(yǎng)水源，增加植被覆蓋度，改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件。一些研究表明[6-11]，20世紀(jì)80年代后，涇河流域降水、徑流、泥沙都在減少，人類活動導(dǎo)致的土地利用變化是主要原因，降水的影響程度較小。根據(jù)本文研究成果，涇河徑流量和輸沙量在2000—2009年和2010—2017年2個時段都大幅減少，但徑流量的減少幅度要遠大于降水的變化量，2000—2009年和2010—2017年相對1960—1999年均值變化量為：年均降水量絕對值均在10%以內(nèi)，徑流量分別減少了43.2%和38.6%，輸沙量分別減少了53.1%和74.2%。涇河降水量的變化并不能完全解釋徑流和泥沙變化，結(jié)合已有研究成果，可以看出主要原因是受水土保持等人類活動的影響。

5 結(jié) 語

從涇河流域降水-徑流-輸沙相關(guān)關(guān)系分析可以看出，人類活動驅(qū)使流域徑流-輸沙關(guān)系發(fā)生了較大變化，雖然降水量整體呈微下降趨勢，但是減少量并不大，對于維持區(qū)域水資源持續(xù)供給具有重要作用，但溫度的持續(xù)上升，則帶來不利影響，需要防范枯水年干旱對區(qū)域生活生產(chǎn)的影響。此外，為了更好地刻畫氣候變化和人類活動對徑流及輸沙變化的貢獻，需要進一步采用基于產(chǎn)匯流機理和輸沙機制的分布式水文模型，揭示其對流域降水、蒸散發(fā)、入滲、產(chǎn)匯流及產(chǎn)沙、輸沙等的影響機制。