西柳溝流域水沙關(guān)系及變化趨勢

劉璐 郭月峰 姚云峰 祁偉 劉曉宇 楊燕 王賀

摘要：根據(jù)西柳溝流域水沙特點，利用該流域54年的實測年徑流量及年輸沙量資料，采用相關(guān)系數(shù)分析法、5年滑動平均法、雙累積曲線法，結(jié)合流域降水量分析西柳溝流域水沙相關(guān)關(guān)系及變化趨勢。結(jié)果表明：（1）西柳溝流域降水量與徑流量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，降水量與泥沙相關(guān)性變異較大;1964—1979年輸沙量與徑流量呈顯著相關(guān)關(guān)系，其他不同時段輸沙量與徑流量均呈極顯著相關(guān)關(guān)系;（2）西柳溝流域1964—2017年水沙變化趨勢基本對應(yīng)，輸沙量下降趨勢明顯，輸沙量突變年份為1989年和1998年，徑流量突變年份為1989年和2003年。進一步分析表明，西柳溝流域徑流量主要受到降水的影響，徑流量與輸沙量在水土保持措施下對降雨的響應(yīng)呈減少狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：輸沙量;徑流量;降水量;水沙關(guān)系;5年滑動平均法;雙累積曲線法

中圖分類號：S157?文獻標志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0269-05

河流系統(tǒng)為易受到外界影響且處于波動狀態(tài)的自然系統(tǒng)[1-3]。其中河流水沙變化是反映河流系統(tǒng)變化的關(guān)鍵因素，其主要受到降水量、河勢穩(wěn)定、河道演變、水土保持措施等氣候變化與人類活動的影響[4-6];此外河流水沙關(guān)系能表現(xiàn)出河流徑流量和輸沙量的匹配程度，不同類型水沙關(guān)系的河流，有著不同的泥沙沉積特征[7]。眾多學者基于水沙變化特征對流域開展研究，這對揭示河流泥沙時空變化規(guī)律和來源，分析河流泥沙沉積特征和優(yōu)化河道整治措施有重要作用[8]。賈運崗基于滑動平均法及MK（Mann-Kenddall）檢驗法對沂河流域進行水沙變化趨勢研究，結(jié)果表明該流域多年徑流量與輸沙量在一定水平下，均呈明顯下降趨勢[9];楊敏等通過分析1951—2015年洞庭湖水沙變化特征，得出洞庭湖水沙均呈下降趨勢，水沙序列存在突變現(xiàn)象[10];劉希勝基于水文站實測資料對湟水干流進行水沙演變過程及相互關(guān)系的研究后發(fā)現(xiàn)，湟水干流多年平均輸沙量與徑流量存在年內(nèi)分配不均衡且變化趨勢不一致等特點[11]。李洋洋等利用水文站實測資料，采用雙累積曲線法等多種方法分析了灞河流域水沙變化特征，發(fā)現(xiàn)該流域水沙總體呈下降趨勢且具有多尺度特征，但年內(nèi)分布極不均勻且變化尺度不一致[12]。本文針對西柳溝流域1964—2017年水沙資料，從降水量、徑流量、泥沙量三者關(guān)系入手，運用相關(guān)分析、5年滑動平均及雙累積曲線研究方法，分析西柳溝流域54年水沙關(guān)系及其變化趨勢，研究該流域降雨對徑流和泥沙產(chǎn)生的影響，揭示流域水沙特點，從而為該地區(qū)水土流失治理及生態(tài)環(huán)境保護提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

西柳溝為十大孔兌典型流域之一，發(fā)源于鄂爾多斯市東勝區(qū)，經(jīng)庫布齊沙漠后匯入黃河[13]，流域全長106.5 km，流域面積1 356.3 km2，范圍為 109°24′～110°45′E，39°47′～40°30′N，該流域具有典型的干旱大陸性季風氣候，氣候干燥，風大沙多，多年平均降水量為305.9 mm，76%的降水集中在6—9月份，蒸發(fā)量為2 149.2～2 234.2 mm，是降水量的7倍多。西柳溝流域最大洪峰量為 6 940 m3/s，最大含沙量為1 550 kg/m3，最大輸沙量為4.75×107 t/年。西柳溝地形南高北低，海拔高度在1 000～1 500 m之間，相對高差500 m左右。流域內(nèi)的地貌主要為丘陵區(qū)、庫布其沙漠風沙區(qū)以及沿河平原區(qū)。丘陵區(qū)地面支離破碎，土壤侵蝕劇烈，以水力侵蝕和重力侵蝕為主，多年平均侵蝕模數(shù)為8 500 t/（km2·年），土壤主要為栗鈣土，該區(qū)優(yōu)勢植物為百里香和針茅[14]。風沙區(qū)為庫布其沙漠中段，以風蝕為主，多年平均侵蝕模數(shù)為 10 000 t/（km2·年），其土層較厚，有機質(zhì)含量極低，主要植物有油蒿、沙竹等。

2 材料與方法

2.1 資料數(shù)據(jù)

本次分析利用西柳溝流域1964—2017年水文資料。其中逐年徑流、逐年輸沙數(shù)據(jù)來源于鄂爾多斯水土保持龍頭拐水文站實測資料;逐年、逐月降水量數(shù)據(jù)來源于柴登毫、高頭窖和龍頭拐3個雨量站實測資料。

2.2 研究方法

2.2.1 采用相關(guān)分析法分析水沙關(guān)系 對不同時段徑流量和輸沙量之間的相關(guān)關(guān)系進行定量描述，并進行顯著性檢驗，從而揭示要素間相互關(guān)系的密切程度。

2.2.2 采用5年滑動平均法[15-16]分析水沙趨勢 滑動曲線可更直接準確地表達水文時間序列下降雨、徑流、輸沙的變化趨勢。

2.2.3 采用雙累積曲線法分析水沙突變 雙累積曲線法由美國學者Merriam于1937年提出[17-18]，其曲線斜率用于反映參數(shù)變量的一致性及變化趨勢，若斜率發(fā)生突變，即表明參數(shù)變量對應(yīng)的累積值發(fā)生變化，則斜率突變點所對應(yīng)的時間即為徑流、輸沙變量趨勢發(fā)生突變的年份，因此采用雙累積曲線法分析西柳溝水沙突變年份，從而研究水沙變化機制。

3 結(jié)果與分析

3.1 水沙關(guān)系分析

3.1.1 降雨與徑流輸沙關(guān)系分析 降雨量是河流水沙變化的重要影響因素之一，對西柳溝流域的輸沙量、徑流量分別與降水量進行相關(guān)關(guān)系分析。由圖1、表1可知，在不同時段降水量與徑流量均呈正相關(guān)關(guān)系，除1980—1989年、2010—2017年降水量與徑流量呈中低度相關(guān)之外，其他不同時段均呈高度相關(guān)，而且保持較好的同步性。在此劃分時段下，降水量與泥沙量的相關(guān)性變異較大，總體相關(guān)性較差，基于相等降水量條件下，輸沙量呈逐漸減少趨勢?；谄骄邓?，西柳溝流域1964—1979年年均輸沙量約為4.08×106 t，1980—1999年年均輸沙量約為 6.63×106 t，2000—2017年年均輸沙量約為1.02×106 t，可以看出在降水量相同的條件下，西柳溝輸沙量在21世紀初呈明顯下降趨勢。因此，降水量的波動是徑流量年際變化的主要影響因素，而輸沙量在21世紀初的明顯減少主要與水土保持等人類活動密切相關(guān)。

3.1.2 不同年代徑流量與輸沙量相關(guān)分析 分別對西柳溝流域1964—2017年、1964—1979年、1980—1999年和2000—2017年4個不同時段進行徑流量和輸沙量相關(guān)關(guān)系分析，并進行顯著性檢驗。由置信橢圓（圖2）及相關(guān)系數(shù)（表1）可以看出，1980—1999年輸沙量與徑流量關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)達到最大值，為0.835 9，其置信橢圓呈極扁長狀，（置信橢圓長短軸之比與變量相關(guān)程度成正比），1964—1979時段下輸沙量與徑流量呈中度相關(guān)，顯著性水平P值小于0.05，呈顯著相關(guān)，其置信橢圓基本呈圓狀。其他不同時段輸沙量與徑流量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，輸沙量與徑流量置信橢圓呈扁長狀，P值均小于0.000 1。西柳溝流域總水文時間序列下（1964—2017年）徑流量與輸沙量相關(guān)系數(shù)為0.687 0，該時段數(shù)據(jù)集中分布在橢圓內(nèi)部，說明輸沙量與徑流量關(guān)系未出現(xiàn)系統(tǒng)偏離。由此通過54年水沙資料的統(tǒng)計特征分析可以看出，西柳溝流域徑流量與輸沙量之間存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3.2 水沙變化趨勢分析

3.2.1 降水量、徑流量及輸沙量變化分析 基于1964—2017年西柳溝流域?qū)崪y水文資料分析降水量、徑流量及輸沙量變化趨勢。對流域徑流量和輸沙量取5年進行滑動平均，使序列對水沙變化趨勢分析的影響得以弱化，結(jié)果如圖3所示。輸沙量及徑流量在年際間變化過程中均有波動，年徑流量變化幅度更加明顯，但水沙總體變化基本趨于一致，二者均呈明顯的下降趨勢。其中輸沙量下降趨勢更加明顯。流域多年平均徑流量為2.65×107 m3，多年平均輸沙量為 4.00×106 t。流域徑流量和輸沙量年際差異極大，西柳溝流域年徑流量處于2.98×106 m3～8.56×107 m3之間，最大值（1989年）約為最小值（2008年）的29倍。年輸沙量在0.01×104～4.75×107 t之間，最大值（1989年）約為最小值（2011年）的365 384倍。2000—2017年均徑流量為1.74×107 m3，分別比1964—1979年和1980—1999年減少了46.61%和41.48%。2000—2017年均輸沙量為1.02×106 t，分別比1964—1979年和1980—1999年減少了74.88%和84.54%。

由表2可知，西柳溝流域在1964—1979年期間，多年平均徑流量及降水量分別達到最大值，其變差系數(shù)分別為0.509和0.333，此階段降水量多年平均值及變差系數(shù)均達到最大值，表明這期間產(chǎn)生的大量徑流主要受降雨因素的影響。從總體變化趨勢來看，各時段降水量呈波動狀，其變差系數(shù)變化幅度較小，但徑流量與輸沙量變差系數(shù)總體呈上升趨勢，在2000—2017年期間，多年平均徑流量和輸沙量分別達到最小值，且其變差系數(shù)分別處于最大值，分別為0.998和2.160，由于此階段降水量并無顯著變化，說明徑流量與輸沙量受到水土保持等人類活動的影響，對降雨的響應(yīng)趨于遲緩狀態(tài)。說明54年西柳溝流域水沙年際變化具有明顯差異，且近些年輸沙量年際減小程度大于徑流量。

3.2.2 降水量、輸沙量及徑流量突變趨勢分析 累積水沙關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，說明水沙發(fā)生了趨勢性變化，由西柳溝流域輸沙量、徑流量雙累積曲線（圖4）可以看出，輸沙量于1989年和1998年發(fā)生趨勢性突變，徑流量于1989和2003年發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此徑流量按時間序列可分為三個階段：1964—1988年、1989—2002年和2003—2017年，輸沙量變化可分為1964—1988年、1989—1997年和1998—2017年3個階段。徑流量和輸沙量在第1階段基本呈同步變化趨勢，兩者均有較強的線性相關(guān)關(guān)系，擬合效果較好。均于1989年發(fā)生趨勢性突變，且該流域于1989年發(fā)生特大級別暴雨，說明該階段是由于降水量的顯著變化所引起的突變現(xiàn)象。

累積徑流量曲線基本呈一條直線，于2003年再次發(fā)生轉(zhuǎn)折變化，徑流量第2階段曲線斜率變化相對平穩(wěn)，徑流量和降水量較第1階段相關(guān)關(guān)系更加密切，由此可以看出徑流量的變化受到了降水量的影響。第2階段累積輸沙量變化顯著，于1998年再次發(fā)生趨勢突變，輸沙量第2階段曲線斜率呈增大狀，發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)折變化，且輸沙與降雨關(guān)系減弱，由此可以看出西柳溝流域水沙變化規(guī)律的復雜性。徑流量與輸沙量在第3階段期間與降水量的關(guān)系無顯著變化，且該階段期間斜率變化均呈減少狀態(tài)，由此可以看出，該階段發(fā)生的趨勢性轉(zhuǎn)變主要受到水土保持措施等人類活動的影響。

3 討論

河流徑流量與輸沙量的變化是流域內(nèi)氣候變化與人類活動共同作用的結(jié)果[19-20]。本研究表明，西柳溝流域徑流量主要受到降水量變化的影響，且降水量與徑流量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，基于水土保持措施的開展，輸沙量有顯著改善，徑流量在水土保持措施的制約下對降水量的響應(yīng)處于遲緩狀態(tài)。西柳溝流域自1986年先后開展了黃土高原水土保持世行貸款項目、骨干壩工程、沙棘示范區(qū)治理、水土保持綜合治理等項目。截至2015年，西柳溝流域上、中游丘陵風沙區(qū)林草措施總面積731.93 km2，骨干壩92座，控制面積442.11 km2，總庫容1.01×108 m3，攔沙庫容5.41×107 m3，水土保持治理度55.74%，大規(guī)模水土保持措施的實施使西柳溝流域下墊面情況發(fā)生變化，改善該流域土壤侵蝕情況，使西柳溝流域徑流量及輸沙量呈明顯下降趨勢。

此外，對流域進行水沙關(guān)系及變化趨勢分析時，應(yīng)考慮流域降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的復雜性，應(yīng)對汛期降水量以及最大一日降水量與徑流量、輸沙量的相關(guān)關(guān)系進行分析研究，更進一步地探索流域徑流量與輸沙量對降雨的響應(yīng)機制。且應(yīng)結(jié)合水保法，基于水土保持林草措施和生態(tài)修復封禁治理等具體單項措施指標，定量分析流域水沙變化對其響應(yīng)作用，從而為有效治理區(qū)域水土流失提供科學依據(jù)，具有重要意義及科學價值。

4 結(jié)論

通過分析西柳溝流域降水量與徑流量、輸沙量的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，降水量與徑流量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，降水量與泥沙相關(guān)性變異程度較大，且基于平均降水量之下，不同時期的輸沙量均呈下降趨勢。西柳溝流域徑流量和輸沙量年際間變化極為明顯，多年分配不均勻，輸沙量的年際變化程度大于徑流量;1964—1979年輸沙量與徑流量屬于中度相關(guān)，各分段年輸沙量與年徑流量屬于高度正相關(guān)，水沙相關(guān)系數(shù)P值均小于0.001，達到極顯著性水平。輸沙量和徑流量在年際間變化過程中均有波動，但水沙變化基本趨于一致，均呈下降趨勢。輸沙量-徑流量雙累積曲線，輸沙量分別在1989年和1998年發(fā)生轉(zhuǎn)折，徑流量分別在1989年、2003年發(fā)生轉(zhuǎn)折，表明西柳溝流域水沙變化規(guī)律的復雜性。

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