黃土高原典型流域水沙變化歸因對比分析

蔣凱鑫，于坤霞，曹文洪，張曉明，李　鵬，孫　倩，劉　昱

黃土高原典型流域水沙變化歸因對比分析

蔣凱鑫1,2，于坤霞1,2※，曹文洪3，張曉明3，李鵬1,2，孫倩1,2，劉昱1,2

（1. 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048；2. 西安理工大學旱區(qū)生態(tài)水文與災害防治國家林業(yè)局重點實驗室，西安 710048；3. 中國水利水電科學研究院泥沙所流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048）

近幾十年來，黃河中游黃土高原地區(qū)水沙變化顯著。眾多學者以該地區(qū)典型流域無定河開展了大量研究，但局限于方法的突破而忽視了方法間的對比分析。為此，該研究采用雙累積曲線法、水文法、彈性系數(shù)法和水保法對無定河流域1957—2010年水沙變化進行歸因對比分析。結果表明：無定河流域年降水量未發(fā)生顯著變化，年潛在蒸散發(fā)、年徑流量和年輸沙量呈顯著減少趨勢且突變年份依次為1982、1971、1971年。徑流歸因對比分析表明，水文法與彈性系數(shù)法結果較為接近，水保法人類活動貢獻率偏?。惠斏硽w因對比分析表明，水保法與其他3種方法結果一致。歸因分析表明，人類活動是流域水沙變化的主控因素且逐年增強，人類活動中對徑流變化起主導作用的是灌溉引水和造林；對輸沙變化起主導作用的是淤地壩和造林。淤地壩的淤滿或失效對流域水保措施減水減沙效益影響較大。因此，未來無定河流域的治理應繼續(xù)落實退耕還林還草政策，并加強淤地壩等工程措施的布局優(yōu)化和后期維護。

徑流；流域；輸沙；黃土高原；無定河；歸因對比分析

0 引 言

黃土高原是中國水土流失的重災區(qū)，也是中國生態(tài)建設治理的重點區(qū)域[1-2]。近幾十年來，氣候變化、日益頻繁發(fā)生的極端降雨事件[3]及愈加強烈的人類活動[4]，使得黃土高原地區(qū)徑流、輸沙發(fā)生了顯著變化[5]。黃土高原作為黃河流域的主要組成部分[6]，貢獻了入黃泥沙的近90%[7]，自20世紀70年代以來治理后，減沙幅度最大的區(qū)域主要分布在該地區(qū)以無定河為中心的極強烈侵蝕區(qū)和汾河流域的大部分地區(qū)[8]。因此諸多學者以無定河流域為例開展水沙變化研究。張鑫等[9]應用重標度極差分析法對無定河流域分析發(fā)現(xiàn)趙石窯站和白家川站的徑流量與輸沙量具有繼續(xù)下降的趨勢，人類活動是引起這種變化的主要原因。Liang等[10]基于Budyko的彈性系數(shù)法和分解法量化了無定河流域徑流對氣候變化和人類活動的響應，結果表明徑流變異性對人類活動最敏感，人類活動貢獻率為65%。孫倩等[11]對黃河中游多沙粗沙區(qū)典型流域徑流與輸沙量分析表明，徑流量和輸沙量均有顯著減少趨勢，人類活動對無定河流域徑流減少、輸沙減少的貢獻率分別為75.5%、79.8%。Han等[12]通過收集無定河流域水文氣象數(shù)據(jù)，將其劃分為5個時期，結果表明，水保措施對降雨-徑流-輸沙關系的變化起著重要的作用，且不同時期具體發(fā)揮作用的水保措施存在差異。

既有研究的水文要素資料序列及來源站點不一致等造成劃分時段不同、分析結果存在差異。同時關于方法間計算結果對比及各種方法適用性的研究較少。為此本研究統(tǒng)一劃分時期，采用不同的貢獻率計算方法，分析對比不同影響因素對流域徑流輸沙變化的貢獻率，討論不同貢獻率計算方法的適用性，以期為黃河中游黃土高原地區(qū)急劇變化的水沙關系提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

無定河是黃河中游一級支流，是陜北榆林地區(qū)最大的河流[13]。無定河發(fā)源于陜北定邊、吳起、靖邊三縣交界的白于山北麓，流經(jīng)靖邊、橫山、米脂、綏德、清澗，最終匯入黃河。無定河流域干流全長491.1 km，總面積30 261 km2，河道平均比降1.97‰，把口站白家川水文站集水面積為29 662 km2，占流域面積的98.02%。由于流域內惡劣的自然條件和人類活動，其土壤侵蝕速率是黃土高原地區(qū)最高的[14]。無定河流域位置見圖1。

圖1 無定河流域位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

1957—2010年白家川水文站年徑流量、年輸沙量及流域內雨量站的點年降水量資料均來自于《黃河流域水文年鑒》。無定河流域面降水量通過泰森多邊形法求得。流域年潛在蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自于陜西省水文局。流域梯田、造林、種草、壩地及封禁治理等面積來自《榆林市水土保持統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析

本研究采用Mann-Kendall趨勢檢驗、線性趨勢檢驗、滑動平均法及Pettitt突變點檢驗對無定河流域1957—2010年的年降水量、年潛在蒸發(fā)量、年徑流量及年輸沙量進行趨勢分析和突變點檢驗。

1.3.2 歸因分析

1）雙累積曲線法

雙累積曲線法是將突變年份前的時段作為研究流域的基準期，即認為此時段人類活動可忽略；突變年份之后作為研究期，即認為此時段流域的徑流、輸沙受到了氣候變化和人類活動的共同作用。將研究期降雨數(shù)據(jù)代入基準期建立的降雨-徑流、降雨-輸沙關系，進而獲得研究期無人類活動下的徑流、輸沙模擬值，其與研究期徑流、輸沙實測值的差值作為人類活動對水沙變化的影響。

2）水文法

水文法是通過對流域基準期的降雨-徑流、降雨-輸沙關系進行回歸分析優(yōu)選，參數(shù)率定，模型確定，然后計算出流域大規(guī)模開展水土流失治理時期的徑流輸沙模擬值，扣除實測值，獲得流域水利水保措施的減水減沙效益。無定河流域常見水文法模型[15-18]見表 1所示。

為了優(yōu)選出相對最佳的模型，本研究選取納什效率系數(shù)（nash-sutcliffe efficiency，NSE）和相對誤差（relative error，RE）作為評價指標進行模型評價。

表1 無定河常見水文法模型

注：指徑流模擬值；指輸沙模擬值；P指年降水量；P指汛期（6—9月）降雨量；7+8指7—8月降雨量；6+9指6月和9月降雨量；、、為模型參數(shù)；下同。

Note:refers to simulated value of runoff;refers to simulated value of sediment transport; Prefers to the annual precipitation; Prefers to precipitation during flood season;7+8refers to precipitation from July to August;6+9refers to precipitation in June and September;,andrefer to the model parameters; the same below.

3）彈性系數(shù)法

彈性系數(shù)定義為因變量變化率與自變量變化率的比值，它被認為是徑流對其他變量（如降水、潛在蒸散發(fā)）敏感性的有效指標[19]。假設研究流域地形和土壤在研究時段內不發(fā)生變化，則在長時段內，徑流（或輸沙）的變化量可表示為：

式中D表示徑流（或輸沙）的總變化量；DQ和DQ分別表示氣候變化和人類活動導致的徑流（或輸沙）變化量。

氣候變化對徑流（或輸沙）變化量的影響量為：

式中和分別為年降水量和年潛在蒸散發(fā)量對年徑流量的彈性系數(shù)；D和D0分別為降水和潛在蒸散發(fā)的變化。

① 計算徑流貢獻率的彈性系數(shù)

本研究徑流貢獻率的降水彈性系數(shù)采用Sankarasubramanian等[20]通過實測水文氣象序列得到的。()函數(shù)采用Zhang等[21]的公式。

式中表示干燥系數(shù)，即年潛在蒸散發(fā)與年降水的比值；表示一個地區(qū)植被覆被條件的參數(shù)，本研究通過繪制0/&/相關圖，與Zhang等[21]繪制的0/&/圖進行比較，求得=2.0。

② 計算輸沙貢獻率的彈性系數(shù)

為了消除流域面積對徑流和輸沙關系的影響，本研究對流域徑流、輸沙均除以流域面積，即擬合徑流深和輸沙模數(shù)的關系：

輸沙公式推導具體如下：

4）水保法

本研究采用的水保法為指標法，即核實流域內各水利水保措施面積等，確定不同地貌類型區(qū)不同條件、時期下各措施減水減沙指標，分項計算，逐項累加，得到流域水利水保措施的減水減沙量。參考水利部第一期黃河水沙變化基金項目研究成果[18,22-24]，確定流域各項水利水保措施減水減沙指標，見表2。采用無定河流域2011年水利普查的骨干壩數(shù)據(jù)、2009年淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)等[25]分析計算無定河流域截至2010年底流域內淤地壩實際攔沙總量，按不同年份淤地壩控制面積、產沙降雨指標權系數(shù)分配的方法，反推不同時期淤地壩攔沙量。流域灌溉定額參考《陜西省水資源利用》取5 940 m3/hm2，灌溉水回歸系數(shù)取15%，灌溉引水平均含沙量據(jù)調查取10 kg/m3。

表2 無定河流域水保措施減水減沙效益

2 結果與分析

2.1 趨勢與變點分析

對無定河流域年降水量、年潛在蒸散發(fā)、年徑流量和年輸沙量進行趨勢分析，見圖2。結果表明無定河流域的年降水量（圖2a）變化趨緩，其5a滑動平均值在系列均值附近波動；而流域年潛在蒸散發(fā)（圖2b）、年徑流量（圖2c）和年輸沙量（圖2d）均呈明顯減少趨勢。

本研究進一步采用M-K檢驗、Pettitt檢驗分別進行系列一致性分析和突變分析，結果見表3。結果表明：年降水量呈不顯著增加趨勢，年潛在蒸散發(fā)、年徑流量及年輸沙量均呈極顯著減少趨勢；年潛在蒸散發(fā)突變年份為1982年，年徑流量和年輸沙量的突變年份均為1971年。上述分析結果與牟夏等[26]、任宗萍等[27]分析結果一致。

2.2 水文法模型優(yōu)選

不同水文法模型擬合結果見表4。徑流方面，除模型1以外的3個水文法模型納什效率系數(shù)NSE和相對誤差RE基本一致；輸沙方面，模型1、2、3的NSE和RE基本一致，而模型4表現(xiàn)相對較好。綜合來看，模型4的NSE更接近于1且RE更小，即模擬效果相對更好，故本研究采用模型4代表水文法對無定河流域水沙變化進行歸因分析。

圖2 無定河流域水文要素年際變化曲線

表3 無定河流域水文要素M-K檢驗與Pettitt檢驗計算結果

注：、分別表示M-K檢驗、Pettitt檢驗統(tǒng)計量；***為99.9%置信水平。

Note:andvalue represent Mann-Kendall test and Pettitt test statistics respectively. *** is 99.9% confidence level.

表4 無定河水文法模型參數(shù)率定及優(yōu)選

2.3 歸因對比分析

在無定河流域內，分別采用彈性系數(shù)法、雙累積曲線法、水文法和水保法計算氣候變化和人類活動對流域徑流輸沙變化的貢獻率，其中基準期為1957—1971年。結果見表5?？傮w來看，在無定河流域，人類活動為徑流輸沙變化的主導因素，其對輸沙減少的作用較對徑流減少的作用大。人類活動中灌溉引水和造林對流域徑流變化起主導作用；淤地壩和造林對流域輸沙變化起主導作用。淤地壩對流域徑流減少的效益較小，但對流域輸沙量的減少占據(jù)了主導作用，貢獻率達43.3%。

徑流方面，雙累積曲線法、水文法、彈性系數(shù)法的計算結果較為一致，水保法對人類活動的計算結果相對偏??；輸沙方面，4種方法的結果均表現(xiàn)出人類活動占據(jù)主導作用，具體為雙累積曲線法與彈性系數(shù)法的計算結果較為一致，水文法和水保法的計算結果較為一致。

表5 無定河流域年徑流輸沙變化歸因分析

進一步對無定河流域內各時期氣候變化和人類活動對水沙變化的影響進行分析，見圖3。人類活動對流域徑流、輸沙變化的貢獻率（圖3b、圖3d）明顯較氣候變化對徑流、輸沙變化的貢獻率（圖3a、圖3c）大，且總體來看人類活動對徑流、輸沙變化的貢獻率呈增加的趨勢。人類活動對徑流、輸沙的貢獻率在1990年左右出現(xiàn)一低谷，同時該低谷對徑流的影響（圖3b）較對輸沙的影響（圖3d）大，即與對輸沙的影響相比，人類活動對徑流的影響進一步減弱。

圖3 無定河流域水沙變化不同方法對比分析

3 討 論

本研究雙累積曲線法僅考慮年降水量單一自變量，并將其與徑流輸沙間的關系概化為線性，這在水保措施少、治理標準低、大雨產大沙特征明顯的基準期有較好的適用性[28]，但并未考慮黃土高原場次降雨中產流產沙的侵蝕性降雨[29]、降雨年內分布與基準相比發(fā)生的變化[30]及坡面、溝道治理措施的持續(xù)開展和減水減沙作用的滯后顯現(xiàn)，即存在年降水量之外的因素對徑流、輸沙產生著不可忽視的作用，或造成計算結果中人類活動對水沙變化的貢獻率計算偏小。為提高突變后研究期模擬值的準確發(fā)生，一種是在降雨-徑流、降雨-輸沙關系中引入一個反映年內降雨分配的參數(shù)，使關系式的物理意義更加清晰，如本研究中采用的水文法；另一種是從流域內長時段水量平衡原理出發(fā)，考慮各水沙變化潛在影響因素并計算相關貢獻率，如本研究中采用的彈性系數(shù)法。在降雨-徑流歸因分析結果中，見表5，可發(fā)現(xiàn)水文法和彈性系數(shù)法的結果基本一致，與雙累積曲線法相比結果更為合理。水保法尚無法考慮影響流域徑流輸沙變化的所有因素，如不同措施之間的耦合作用、淤地壩淤積比及其異地減沙作用、流域內極端事件（干旱或暴雨）對水利水保措施的影響、流域內社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的道路建設及取用河沙等。

人類活動對徑流、輸沙貢獻率在1990年左右出現(xiàn)低谷的原因在于流域內20世紀70、80年代修建完成的大部分中小型淤地壩因攔蓄壽命多小于20 a，至1990年左右時已淤滿或已失效[31]，而退耕還林還草政策、淤地壩作為之一的水利部“亮點”工程等尚未出臺實施。而低谷對徑流影響較輸沙大的原因在于淤地壩淤滿之后雖失去了攔蓄泥沙的庫容，但因攔蓄泥沙而抬高的壩地有效增大了溝道過水斷面，使攜帶的泥沙沿程沉降，而徑流則可以越過淤滿的壩頂進入河道。流域內輸沙減少幅度較徑流的大，水利水保措施對下墊面的改變有效減緩或阻止了產匯流的形成，而下滲的徑流又促進了林草措施進一步發(fā)揮作用。

4 結 論

本研究選取黃河中游黃土高原地區(qū)典型流域無定河流域，以其年降水量、年潛在蒸散發(fā)、年輸沙量和年徑流量及水利水保措施為研究對象，通過趨勢突變分析和歸因對比分析，得出不同方法下氣候變化和人類活動對徑流輸沙的貢獻率，結果表明：

1）通過M-K檢驗和Pettitt檢驗得出，無定河流域1957—2010年年降水量呈不顯著增加趨勢；年徑流量和年輸沙量呈顯著減少趨勢，其突變年份均為1971年。

2）不同方法分析結果表明，徑流方面，水文法和彈性系數(shù)法物理意義較雙累積曲線法更為清晰，三者計算結果較水保法更為合理；輸沙方面，4種方法分析結果均為人類活動占據(jù)主導作用，區(qū)別在于對人類活動的水沙變化貢獻率具體大小方面，即水保法和水文法結果較為一致，彈性系數(shù)法和雙累積曲線法結果較為一致。

3）不同徑流輸沙影響因素貢獻率計算方法的結果表明，人類活動占據(jù)主導作用且其作用逐漸增強。水利水保措施對輸沙變化的作用較對徑流變化的強。人類活動中，徑流方面，灌溉引水是一項重要因素；輸沙方面，淤地壩是短期內減少流域輸沙的有效措施，而20世紀集中修建的淤地壩的淤滿或失效在短期內將會削弱水利水保措施的減水減沙效益。長遠來看，流域內持續(xù)開展的退耕還林還草等生態(tài)建設對徑流、輸沙的影響將逐漸發(fā)揮主導作用。

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Attributional comparative analysis of runoff and sediment change in typical basin of Loess Plateau

Jiang Kaixin1,2, Yu Kunxia1,2※, Cao Wenhong3, Zhang Xiaoming3, Li Peng1,2, Sun Qian1,2, Liu Yu1,2

(1.-,,710048,; 2.,,710048,; 3.,,100048,)

In recent decades, the runoff and sediment of the Yellow River middle reaches located in the Loess Plateau have changed significantly. Many scholars have carried out a lot of researches on the Wuding River, a typical basin of the Loess Plateau, but these researches are focused on the breakthrough of methods and ignore the comparative analysis among methods. This study compared the difference of four methods, i.e., double cumulative curve method, hydrological method, elastic coefficient method and soil and water conservation method, to conduct attributional comparative analysis of runoff and sediment change in the Wuding River Basin from 1957 to 2010. Both double cumulative curve method and hydrological method separate the influence of climate change and human activity by substituting the precipitation data in the research period into the precipitation-runoff and precipitation-sediment transport relationships established in the reference period, and the hydrological method takes into account the annual distribution of precipitation. The elastic coefficient method generates runoff and sediment elasticities to quantify the effects of climate change and human activities. The soil and water conservation method refers to determining the runoff and sediment reduction indicators of each measure under different conditions and periods in different geomorphic areas. The results of trend and change point analysis showed that the annual precipitation in the Wuding River Basin has not changed significantly. The annual potential evaporation, annual runoff and annual sediment transport decreased significantly and the year of change point was 1982, 1971 and 1971, respectively. The attributional comparative analysis of runoff showed that the results of hydrological method were close to those of elastic coefficient method, and the contribution rate of human activities of soil and water conservation method was relatively small, and the attributional comparative analysis of sediment transport showed that the results of soil and water conservation method were consistent with those of the other three methods. Attribution analysis results indicated human activities were the dominant factor of runoff and sediment change in the basin, and their effects on runoff and sediment change were increasing year by year. Among different human activities, irrigation water diversion and afforestation played a leading role in runoff change, and check dam and afforestation played a leading role in sediment transport change. The full up or failure of check dam built in the 1970s and 1980s would largely weaken the runoff and sediment reduction benefits of water conservancy and soil conservation measures in the short term. In the long term, the impact of ecological construction, such as returning cultivated land to forestland or grassland, on runoff and sediment transport will gradually play a major role. Therefore, in the future, the governance of the Wuding River Basin should continue to implement the policy of conversion of cropland to forest and grassland, and strengthen the layout optimization and post-maintenance of engineering measures such as check dam.

runoff; watershed; sediment transport; Loess Plateau; Wuding River basin; attributional comparative analysis

蔣凱鑫，于坤霞，曹文洪，張曉明，李鵬，孫倩，劉昱. 黃土高原典型流域水沙變化歸因對比分析[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(4)：143－149. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.017 http://www.tcsae.org

Jiang Kaixin, Yu Kunxia, Cao Wenhong, Zhang Xiaoming, Li Peng, Sun Qian, Liu Yu. Attributional comparative analysis of runoff and sediment change in typical basin of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 143－149. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.017 http://www.tcsae.org

2019-07-08

2019-10-16

國家自然科學基金面上項目（51879281，41877077）；國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0402407）

蔣凱鑫，博士生，主要從事流域侵蝕動力學研究。Email：jiangkaizn@qq.com

于坤霞，博士，副教授，主要從事水文水資源研究。Email：yukunxia@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.017

S157.1

A

1002-6819(2020)-04-0143-07