黃河中游極端降雨對(duì)輸沙量影響的時(shí)序分析

周才鈺　何毅　穆興民　李朋飛

摘要：黃河中游是黃河泥沙的主要來(lái)源區(qū)，極端降雨是區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙及河流輸沙的主要?jiǎng)恿?。基于黃河中游河潼區(qū)間1958-2016年26站逐日降雨數(shù)據(jù)及河口鎮(zhèn)和潼關(guān)水文站的輸沙量數(shù)據(jù)，采用回歸分析、雙累積曲線(xiàn)等方法，研究了極端降雨指標(biāo)的變化趨勢(shì)及對(duì)輸沙量的影響。結(jié)果表明：①極端降雨指標(biāo)總體呈降低趨勢(shì)，但多數(shù)指標(biāo)的下降趨勢(shì)未達(dá)到顯著性水平。②輸沙量在1979年和1999年發(fā)生突變。1979年之前對(duì)輸沙量影響最大的是最大ld降雨量，影響最小的是汛期降雨量：1980-1999年對(duì)河流輸沙量影響最大的是主汛期降雨量，影響最小的是暴雨量;2000-2016年對(duì)河流輸沙量貢獻(xiàn)率最大的是大雨量，最小的是暴雨量。③極端降雨對(duì)輸沙量的影響在1958-1979年最大，1980-1999年次之，2000年之后輸沙量受人類(lèi)活動(dòng)的影響大于極端降雨的影響。

關(guān)鍵詞：時(shí)間序列;輸沙量;極端降雨;河口鎮(zhèn)一潼關(guān)區(qū)間;黃河中游

中圖分類(lèi)號(hào)：P333;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.03.002

以氣候變暖為典型特征的全球氣候變化正影響著生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)[1]，極端氣候事件逐漸成為氣象和水文研究的熱點(diǎn)。極端降雨頻發(fā)是氣候變暖影響較大的后果之一，其對(duì)土壤的侵蝕和破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般降雨[2]。Comino J R等[3]研究發(fā)現(xiàn)，極端降雨在土壤侵蝕中起關(guān)鍵作用，且絕大多數(shù)的水土流失通常只來(lái)自于少數(shù)幾場(chǎng)極端降雨事件：Buendia C等4]在地中海地區(qū)的研究結(jié)果表明，當(dāng)研究區(qū)極端降雨發(fā)生變化時(shí)，河流輸沙量會(huì)顯著降低或增加：鐘科元等[5]分析了松花江流域極端降雨對(duì)河流輸沙量的影響，發(fā)現(xiàn)該流域輸沙量與極端降雨指標(biāo)存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（顯著性水平P

黃河中游河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間（簡(jiǎn)稱(chēng)河潼區(qū)間）位于水土流失嚴(yán)重的黃土高原，該區(qū)間年產(chǎn)水量不足黃河總徑流量的40%，年輸沙量則占黃河年均輸沙量的90%[7]。自20世紀(jì)70年代末以來(lái)，河潼區(qū)間的輸沙量發(fā)生了顯著變化[8]，1958-1979年多年平均輸沙量為13.49億t，1980-2016年為4.82億t，其中2000-2016年為2.07億t。目前，關(guān)于黃河中游降雨對(duì)河流輸沙的影響研究較多[9-10]，但鮮有極端降雨事件的時(shí)間序列分析及其影響河流輸沙的報(bào)道?；诖?，本文選取河潼區(qū)間26個(gè)氣象站點(diǎn)1958-2016年的逐日降雨數(shù)據(jù)以及河口鎮(zhèn)和潼關(guān)水文站的輸沙量數(shù)據(jù)，選擇多個(gè)極端降雨指標(biāo)，探究河潼區(qū)間極端降雨的時(shí)間變化規(guī)律及不同的極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的影響程度，以期為黃河中游水土保持生態(tài)建設(shè)提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

河潼區(qū)間屬溫帶干旱半干旱地區(qū)，年降雨量少且多集中于7-8月。區(qū)間內(nèi)支流絕大部分流經(jīng)黃土丘陵溝壑區(qū)，是黃河泥沙特別是粗泥沙的主要來(lái)源區(qū)[11]。區(qū)域流域面積為29萬(wàn)km2，僅占黃河流域面積的38%[12]。區(qū)間所在地理位置及氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

河潼區(qū)間26個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（ http：//data.cma.cn），皆為河潼區(qū)間建站時(shí)間比較長(zhǎng)的站點(diǎn)，去除了華山、六盤(pán)山等高山站點(diǎn)。在這些降雨數(shù)據(jù)中存在少量的數(shù)據(jù)缺失情況，本文根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺失值的處理：①若缺測(cè)數(shù)據(jù)只有某一天，則利用臨近10 d內(nèi)的數(shù)據(jù)取均值進(jìn)行插補(bǔ)：②若缺測(cè)數(shù)據(jù)是連續(xù)的若干天，則采用該站點(diǎn)相鄰氣象站利用多元線(xiàn)性回歸進(jìn)行插補(bǔ)[8]。

輸沙量數(shù)據(jù)來(lái)源于泥沙公報(bào)，選取了河口鎮(zhèn)和潼關(guān)兩個(gè)水文站1958-2016年的區(qū)間來(lái)沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 泰森多邊形法

泰森多邊形法是對(duì)離散的采樣點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域化的主要方法[13，可根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來(lái)計(jì)算流域（或區(qū)域）面平均降雨量[14]。本文根據(jù)氣象站所在位置，將河潼區(qū)間劃分為26個(gè)單元，每個(gè)單元包含一個(gè)氣象站，一個(gè)站的降雨量就代表該站所在單元的降雨量。計(jì)算出該氣象站的面積占總研究區(qū)面積的比例作為該氣象站的權(quán)重，用各站降雨量與該站權(quán)重相乘后累加，所得的值即為該區(qū)域的面降雨量。

2.2.2 雙累積曲線(xiàn)法

雙累積曲線(xiàn)常用于檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)之間關(guān)系的一致性及其變化趨勢(shì)[15-18]。本文利用雙累積曲線(xiàn)研究極端降雨指標(biāo)和河流輸沙量之間的關(guān)系，將研究區(qū)1958-2016年各年的極端降雨指標(biāo)作為橫坐標(biāo)，將累計(jì)輸沙量作為縱坐標(biāo)。若水沙關(guān)系不變，則雙累積曲線(xiàn)應(yīng)大致呈直線(xiàn)：若輸沙量發(fā)生變化，則雙累積曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)突變點(diǎn)并發(fā)生偏移[19]。曲線(xiàn)發(fā)生偏移后，求出輸沙量理論值（不發(fā)生突變），其與實(shí)際輸沙量之差即為輸沙量的偏移值。利用輸沙量偏移值占實(shí)際輸沙量的比例，可求出不同的極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率，以此判斷極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的影響。

2.2.3 極端降雨指標(biāo)的選取

本文選取8個(gè)極端降雨指標(biāo)（見(jiàn)表1），參考?xì)夂蜃兓O(jiān)測(cè)與極端氣候事件指數(shù)專(zhuān)家組（ Expert Team onClimate Change Detection and Indices， ETCCDI）[20]選取了R95pTOT、SDH、RXlday、RX5day 4個(gè)指標(biāo)，另外，選擇了大雨量（日降雨量>25 mm）、暴雨量（日降雨量>50 mm）、汛期降雨量和主汛期降雨量4個(gè)指標(biāo)。2.2.4趨勢(shì)分析

Mann-Kendall（簡(jiǎn)稱(chēng)MK）方法是由世界氣象組織推薦的用于時(shí)間序列分析的方法，被廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)水文氣象資料的變化趨勢(shì)[9]。MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z值若為正，則表示序列呈增大趨勢(shì)，為負(fù)則呈減小趨勢(shì)。顯著性水平為0.05時(shí)檢驗(yàn)臨界值為±1.96，顯著性水平為0.01時(shí)檢驗(yàn) 臨界值為±2.58。本文運(yùn)用MK方法分析極端降雨指標(biāo)序列和輸沙量的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 年際極端降雨指標(biāo)變化

河潼區(qū)間極端降雨指標(biāo)大多未表現(xiàn)出顯著增大或減小趨勢(shì)（見(jiàn)圖2，*表示趨勢(shì)顯著）。在研究時(shí)段內(nèi)，僅主汛期降雨量和降雨強(qiáng)度兩個(gè)極端降雨指標(biāo)呈顯著下降趨勢(shì)（P<0.05），其他極端降雨指標(biāo)下降趨勢(shì)不顯著。通過(guò)變差系數(shù)C_v值分析各極端降雨指標(biāo)的波動(dòng)程度可以發(fā)現(xiàn)，暴雨量年際波動(dòng)最大，降雨強(qiáng)度年際波動(dòng)最小。

3.2 年代際極端降雨指標(biāo)變化

各年代極端降雨指標(biāo)見(jiàn)表2，其極值比及變差系數(shù)見(jiàn)表3。分析可知：①各年代極端降雨指標(biāo)絕大多數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，并在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)最小值，2000年之后又開(kāi)始增大。②20世紀(jì)80年代極端降雨指標(biāo)的極值比最大，60年代極值比差異較小，表明1980-1989年極端降雨指標(biāo)在各站點(diǎn)間空間差別較大，1960-1969年分布較為均勻。各指標(biāo)中，變化最大的是大雨量和暴雨量，表明這兩個(gè)指標(biāo)在研究時(shí)段內(nèi)各站點(diǎn)間的空間差別較大：降雨強(qiáng)度變化最小，說(shuō)明降雨強(qiáng)度在研究時(shí)段內(nèi)各站點(diǎn)間分布更均勻。③20世紀(jì)90年代C_v值波動(dòng)幅度較大，其次是20世紀(jì)70年代，2000年后C_v值波動(dòng)幅度較小，表明各極端降雨指標(biāo)在1990-1999年和1970-1979年年代際差別較大，在2000-2016年穩(wěn)定。在8個(gè)指標(biāo)中，大雨量和暴雨量波動(dòng)幅度較大，表明這兩個(gè)指標(biāo)的年代際差別較大。

3.3 極端降雨對(duì)河流輸沙量的影響

3.3.1 輸沙量的動(dòng)態(tài)變化

1958-2016年間，河潼區(qū)間輸沙量年際波動(dòng)明顯（見(jiàn)圖3），整體呈明顯下降趨勢(shì)，MK統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值Z=-7.069（ P

3.3.2 極端降雨指標(biāo)與輸沙量的雙累積曲線(xiàn)

1958-2016年累計(jì)輸沙量與8個(gè)極端降雨指標(biāo)累計(jì)值的變化趨勢(shì)基本相同（見(jiàn)圖4），即1958-1978年呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，1979年發(fā)生第一次突變，1999年發(fā)生第二次突變，2000年之后輸沙量明顯減小。因此，可以通過(guò)分析1958-2016年、1958-1979年、1980-1999年和2000-2016年4個(gè)時(shí)期輸沙量的變化分析極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的影響。4個(gè)時(shí)期極端降雨指標(biāo)和輸沙量的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。結(jié)果表明：①1958-2016年、1958-1979年和1980-1999年3個(gè)時(shí)期內(nèi)，除個(gè)別指標(biāo)外，其余極端降雨指標(biāo)與輸沙量存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（P<0.01），2000-2016年各極端降雨指標(biāo)與輸沙量關(guān)系均不顯著：②1958-1979年，對(duì)研究區(qū)河流輸沙量影響最大的極端降雨指標(biāo)是最大ld降雨量，最小的是汛期降雨量，第一次突變之后，主汛期降雨量與河流輸沙量的相關(guān)性最強(qiáng)，暴雨量的相關(guān)性最弱。

3.3.3 極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率

通過(guò)上述分析可知，研究區(qū)各極端降雨指標(biāo)與河流輸沙量的雙累積曲線(xiàn)在1979年和1999年發(fā)生突變，這與前人8.21-22對(duì)該區(qū)域的研究結(jié)果一致。由于2000-2016年極端降雨指標(biāo)與河流輸沙量的關(guān)系不顯著，因此可通過(guò)雙累積曲線(xiàn)分析2000-2016年各極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的影響，即2000-2016年極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表5）。結(jié)果顯示：①2000-2016年間極端降雨指標(biāo)對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率為31.48% -41.48%：②第二次突變后，對(duì)輸沙量貢獻(xiàn)率最大的極端降雨指標(biāo)為大雨量，暴雨量對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率最小。

4 討論

分析結(jié)果表明，極端降雨對(duì)輸沙量的影響存在明顯的階段性?；鶞?zhǔn)期（即1958-1979年）和第一次突變后極端降雨與輸沙量存在極顯著的相關(guān)性，第二次突變后輸沙量顯著減小。同時(shí)，第二次突變后（2000-2016年）極端降雨對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率為31.48% -41.48%，即極端降雨對(duì)輸沙量的影響小于50%，說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)在這一階段對(duì)輸沙量的變化起主要作用。這也表明輸沙量變化是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果，這與高鵬等[7，21]的研究結(jié)果一致。

人類(lèi)活動(dòng)影響主要包括兩個(gè)方面：①20世紀(jì)70年代，黃土高原一系列生態(tài)建設(shè)T程如退耕還林（草）T程、植樹(shù)造林等[23-24]，改變了侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程;②黃河中上游修建水庫(kù)、淤地壩等水土保持工程不僅減少了來(lái)沙量，而且減少了徑流量，水流減小，挾帶泥沙能力減弱，造成中游泥沙量減少。因此，基準(zhǔn)期雙累積曲線(xiàn)基本呈一條直線(xiàn)：第一次突變后，流域生態(tài)T程正處于建設(shè)之中，雙累積曲線(xiàn)略有波動(dòng);在第二次突變之后，流域內(nèi)生態(tài)建設(shè)工程和水保T程已經(jīng)落成，改變了徑流產(chǎn)生與匯集的下墊面條件，在一定程度上減少了流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量[25]，也減少了進(jìn)入河流的徑流輸沙量，因此這一階段雙累積曲線(xiàn)發(fā)生了較大程度的波動(dòng)。5結(jié)論

（1） 1958-2016年極端降雨指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)。除主汛期降雨量和降雨強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)外（P<0.05），其他指標(biāo)的下降趨勢(shì)未達(dá)到顯著性水平。

（2）河潼區(qū)間各極端降雨指標(biāo)與河流輸沙量的雙累積曲線(xiàn)均在1979年和1999年發(fā)生突變。1958-1979年對(duì)河流輸沙量影響最大的為最大1 d降雨量，最小的為汛期降雨量：1980-1999年對(duì)河流輸沙量影響最大的為主汛期降雨量，影響最小的是暴雨量：2000-2016年對(duì)河流輸沙量貢獻(xiàn)率最大的為大雨量，最小的為暴雨量。

（3）不同階段極端降雨對(duì)輸沙量的影響程度不同?；鶞?zhǔn)期（1958-1979年）影響最大，1980-1999年次之，2000年之后河流輸沙量受人類(lèi)活動(dòng)的影響大于極端降雨的影響。

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