近60年汾河中上游水沙變化趨勢及其驅(qū)動(dòng)因素

張 凱, 魯克新,, 李 鵬,, 李占斌,, 時(shí) 鵬,, 楊殊桐

(1.西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048;2.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048)

近90 a來，黃河干流多年平均徑流量由559億m3(花園口站)減少至492億m3，多年平均輸沙量由16億t(潼關(guān)站)減少至2.74億t。歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的淤地壩、梯田和退耕還林還草等多種水土保持措施的實(shí)施有效地減少了黃土高原區(qū)域坡面和溝道的徑流和輸沙[1-4]。氣候變化與人類活動(dòng)的雙重作用使得徑流規(guī)律和泥沙輸移發(fā)生了明顯變化[5-6]。氣候變化主要包括太陽輻射、降雨作用、地表風(fēng)速等，人類活動(dòng)主要包括水庫建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水土保持等因素。

汾河是黃河左岸第一大支流，占黃河中游流域面積的11.6%。近年來，由于劇烈的人類活動(dòng)和氣候變化，汾河流域的降水、徑流和輸沙發(fā)生了明顯變化[7]。自20世紀(jì)70年代以來，汾河入黃徑流量持續(xù)減少，部分時(shí)間出現(xiàn)斷流現(xiàn)象[8]。王國慶等[9]使用SIMHYD降水徑流模型對汾河流域的天然月徑流過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)是汾河流域徑流減少的主要因素；胡彩虹等[10]分析了近年來水土保持措施和氣候變化對汾河水庫入庫徑流貢獻(xiàn)的定量變化，發(fā)現(xiàn)水土保持措施的實(shí)施致使徑流深減少24.8 mm，貢獻(xiàn)率為87.1%；顏時(shí)延等[11]探究了汾河水庫對于汾河流域徑流變化的影響，得出人類活動(dòng)對徑流減少的貢獻(xiàn)率為84.48%；張國棟等[12]研究了汾河上游土地利用變化對徑流的影響，發(fā)現(xiàn)汾河上游林草地面積呈增加趨勢，而徑流量呈現(xiàn)下降趨勢。以上學(xué)者主要研究汾河上游和整體流域的降雨徑流關(guān)系，對于汾河中上游的水沙變化趨勢及其驅(qū)動(dòng)因素的研究鮮有報(bào)導(dǎo)。因此，為了科學(xué)管理汾河中上游水資源和合理保護(hù)水環(huán)境健康，明確汾河中上游徑流泥沙變化趨勢及其驅(qū)動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率是很有必要的。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河發(fā)源于山西省西北部寧武縣境內(nèi)管涔山脈，干流由北向南依次流經(jīng)忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運(yùn)城6個(gè)地級(jí)市后，并于萬榮縣匯入黃河，全長713 km，流域面積3.97萬km2[7]。本研究的研究區(qū)域?yàn)榉诤又猩嫌瘟饔?，地理位置為東經(jīng)111°21′51″—113°32′27″，北緯36°48′15″—38°58′55″(圖1)。流域控制水文站為義棠站，控制斷面以上河道全長340.6 km，流域面積2.37萬km2，占汾河流域總面積的60%。研究區(qū)屬于干旱半干旱溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫為10.0℃，多年平均降水量為485 mm，6—10月汛期降雨量約占全年降水量的79%，多年平均徑流深為20 mm，多年平均輸沙模數(shù)為201.3 t/(km2·a)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究收集和整理汾河中上游流域包括義棠站在內(nèi)的13個(gè)水文站1963—2016年歷年年降水量系列資料，其中包括干流7個(gè)站點(diǎn)(靜樂站、汾河水庫站、寨上站、蘭村站、太原站、汾河二壩站和義棠站)，各支流共6個(gè)站點(diǎn)，各測站分布如圖1所示。另外，收集到汾河上游控制水文站——蘭村站和義棠站1963—2016年歷年年徑流量系列和年輸沙量系列資料。以上數(shù)據(jù)來自于《黃河流域水文年鑒》和國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn)。汾河中上游流域歷年年降水量根據(jù)各測站實(shí)測年降水量資料使用ArcGIS 10.1平臺(tái)中的泰森多邊形法計(jì)算求得。

圖1 研究區(qū)域地理位置

1.3 研究方法

對于長系列的年徑流量和年輸沙量資料，需要根據(jù)時(shí)間特性分析其變化趨勢，從而研究相關(guān)因素與其變化趨勢的關(guān)系。趨勢分析的常用方法包括滑動(dòng)平均法[13]、Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法[14]等，突變點(diǎn)分析常用方法包括有序聚類法、雙累計(jì)曲線法、均值差異T檢驗(yàn)法[15]、Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗(yàn)法[14]和Pettitt檢驗(yàn)法[16]等。上述方法在檢驗(yàn)單一水文要素變化過程方面均具有良好的應(yīng)用性。其中，Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法和突變檢驗(yàn)法(以下均簡稱M-K檢驗(yàn)法)是世界氣象組織推薦使用的一種檢驗(yàn)方法，具有計(jì)算簡單、不受少量異常值的影響、結(jié)果直觀明顯等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用M-K檢驗(yàn)法對汾河中上游流域年徑流量和年輸沙量序列進(jìn)行趨勢和突變分析，具體公式及計(jì)算思路見參考文獻(xiàn)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年徑流量和年輸沙量趨勢分析

汾河中上游流域蘭村站和義棠站不同年代多年平均降水量、年徑流量和年輸沙量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。蘭村站和義棠站在1963—2016年各年代多年平均降水量呈現(xiàn)先減少后增大趨勢，而不同年代多年平均徑流量和多年平均輸沙量均呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢。

表1 不同年代汾河中上游水文站各水文要素多年平均值

汾河中上游蘭村站和義棠站年徑流量和年輸沙量序列的M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果見表2。54 a以來，除了義棠站年徑流量減少趨勢(p<0.05)不明顯外，蘭村站的年徑流量與年輸沙量以及義棠站的年輸沙量均呈極顯著下降趨勢(p<0.01)。

2.2 年徑流量和年輸沙量突變分析

汾河中上游蘭村站和義棠站年徑流量和年輸沙量序列的MK突變檢驗(yàn)結(jié)果見圖2。汾河中上游年徑流量突變年份在1981年附近，年輸沙量突變年份在1980年附近，突變年份均在顯著水平(p<0.05)之內(nèi)。

表2 汾河中上游年徑流量和輸沙量MK趨勢檢驗(yàn)

圖2 蘭村站和義棠站年徑流量和年輸沙量M-K突變檢驗(yàn)

從圖3A，3C可以看出，蘭村站和義棠站的多年平均徑流量分別由突變前的5.17億m3，7.37億m3減少至2.14億m3，3.25億m3，分別減少了59%，56%，減少速率分別為0.11億m3/a，0.15億m3/a。從圖3B，3D可以看出，汾河中上游蘭村站和義棠站多年平均輸沙量分別由突變前的1 068.7萬t，1 392.6萬t減少至122.1萬t，167.2萬t，分別減少了89%，88%，減少速率分別為35.06萬t/a，45.38萬t/a。在長序列中，年徑流量和年輸沙量均發(fā)生了跳躍式的突變，且年輸沙量減少速率大于年徑流量減少速率，因此年輸沙量受影響因子比年徑流量更加敏感。不難看出，汾河中游(義棠站)年徑流量和年輸沙量的減少速率均大于汾河上游(蘭村站)。

2.3 氣候變化與人類活動(dòng)對汾河中上游水沙變化的影響

本研究采用雙累積曲線法[17]量化氣候變化和人類活動(dòng)對汾河中上游水沙變化的影響，并分別采用義棠站年降水量和年徑流量累積值、年降水量和年輸沙量累積值計(jì)算突變年份以后氣候變化和人類活動(dòng)對汾河中上游水沙變化的貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果見表3。相比于1963—1980年、1981—2016年氣候變化和人類活動(dòng)對于汾河中上游年徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為29%,71%。相比于1963—1979年、1980—2016年氣候變化和人類活動(dòng)對于汾河中上游年輸沙量變化的貢獻(xiàn)率分別為22%,78%。

2.4 徑流變化的成因分析

2.4.1 降水和氣溫 根據(jù)前述分析結(jié)果，按照確定的突變年份，本研究將汾河中上游年徑流量序列可以分為1963—1980年和1981—2016年兩個(gè)序列。選擇流域控制站義棠站1963—1980年降雨徑流數(shù)據(jù)，由圖4A可以看出，1963—1980年，義棠站控制斷面以上流域的年降水量與年徑流量之間存在較高的相關(guān)性；由圖4B可以看出，1963—2016年，義棠站控制斷面以上流域的的年徑流量隨著年降水量的減少而減少；年降水量、年徑流量總體上分別減少了6%，56%，年徑流量的減少幅度大于年降水量，因此影響年徑流量變化的因素不止是年降水量。

圖3 蘭村站和義棠站年徑流量和年輸沙量年際變化

表3 氣候變化和人類活動(dòng)對汾河中上游水沙變化的影響

圖4 義棠站年降水量-年徑流量關(guān)系

在自然條件下，氣溫是影響流域蒸發(fā)的主要因素之一。根據(jù)以往研究成果，1960—2001年期間黃河流域的多年平均氣溫上升了大約1℃[18-19]，而黃河流域大部分地區(qū)的蒸發(fā)量卻表現(xiàn)出下降趨勢，其主要原因可能是流域內(nèi)大量修建的水庫顯著增大了地表水水面面積[20-21]。部分學(xué)者研究指出，由氣溫等氣象因子的變化所造成的汾河流域蒸發(fā)量的減少，使得1980—2012年期間的汾河多年平均入黃徑流量增加了0.21億m3[22]。因此，氣溫不是汾河流域年徑流量減少的直接原因。

2.4.2 水庫建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì) 據(jù)調(diào)查，汾河中上游流域建有汾河水庫、汾河二庫、文峪河水庫三座大型水庫。汾河水庫于1960年投入運(yùn)營，總庫容7.21億m3，主要用于防洪蓄水和工業(yè)供水；汾河二庫于2000年投入運(yùn)營，總庫容1.33億m3，主要以防洪為主，兼顧城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉；文峪河水庫位于汾河的一級(jí)支流文峪河上，總庫容1.13億m3，1961年開始攔洪蓄水，1970年正式竣工，主要以防洪為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電。上述3座大型水庫的總庫容為9.67億m3，是汾河中上游流域多年平均徑流量4.63億m3(義棠站)的2.09倍。因此，這60 a間，水庫建設(shè)的總庫容截留了大約兩個(gè)正常水利年的徑流量。根據(jù)相關(guān)資料，1979—2007年期間，山西省國內(nèi)生產(chǎn)總值年均增長10.1%，這3座大型水庫的建設(shè)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展而引起的生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水以及生態(tài)用水需求提供了重要保障，從而調(diào)節(jié)了徑流變化，使得徑流量日益減少。這一成因分析與姚文藝等[23]在黃河流域研究的龍羊峽、劉家峽水庫運(yùn)用對其下游河道徑流量形成很強(qiáng)的干擾作用相類似。至此，本研究認(rèn)為，水庫的建設(shè)加速了徑流減少的趨勢。

2.5 影響輸沙量變化的原因

2.5.1 徑流量 徑流量是影響輸沙量大小的主要因素之一，通常認(rèn)為年徑流量和年輸沙量之間存在下列冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系[14]：

W=kQα

(1)

式中：W為年輸沙量；Q為徑流量；k為系數(shù)；α為冪指數(shù)。

從圖5可以看出，1980年以前的義棠站年輸沙量與年徑流量之間存在密切的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.87。從圖3C可以看出，與1980年以前的多年平均徑流量相比，1980年以后的義棠站多年平均徑流量明顯減少，而年徑流量的減少造成徑流挾沙能力也相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致1980年以后的義棠站的年輸沙量顯著減少，因此年徑流量減少是汾河中上游年輸沙量減少的主要因素之一。從圖5中可以看出，1981年以后的義棠站年輸沙量與年徑流量之間的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)僅為0.41，說明1981年以后義棠站年輸沙量與年徑流量之間不再滿足冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，其原因有待進(jìn)一步探究。

2.5.2 汛期降雨量 一年之中，發(fā)生大規(guī)模輸沙的主要情況在汛期時(shí)期，汛期強(qiáng)降雨可以剝離并沖刷坡面土壤顆粒和有機(jī)質(zhì)[24]。因此，汛期降雨的變化也是影響泥沙產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)一步分析汛期降雨量的變化對于研究產(chǎn)流時(shí)期的產(chǎn)沙過程具有重要意義。

圖5 突變年份前后義棠站年徑流量-年輸沙量散點(diǎn)圖

由圖6可以看出，本長序列研究階段汛期降雨總體呈現(xiàn)出平緩的減少趨勢，1963—2016年，汛期降雨量總體減少了5.4%。從表4可以看出，從20世紀(jì)80年代開始，汛期降雨除了6月份，其他月份和汛期降雨量均出現(xiàn)減少的趨勢，尤其是在多年平均降雨最多的7月和8月，減少率最大。汛期降雨量的減少必將導(dǎo)致汛期徑流量、汛期水力侵蝕量的減少，從而造成年輸沙總量的減少。

圖6 1963-2016年汾河中上游流域汛期降雨量變化

表4 不同時(shí)期流域汛期降雨量變化

2.5.3 水土保持措施及水庫建設(shè) 許多研究表明，各類水土保持措施與水庫的攔洪淤沙作用是近年來汾河流域輸沙量減少的主要原因。1983—1996年期間山西省水土保持工作主要以小流域?yàn)閱卧瑢?shí)施工程措施與生物措施相結(jié)合的流域水土流失綜合治理，并大力實(shí)施退耕還林還草工程各類水土保持工程措施、林草措施，顯著減少了流域的侵蝕量和河道輸沙量。另外，自1980年以來，汾河中上游流域開展了大規(guī)模的淤地壩工程建設(shè)工作。從圖7可以看出，1980—2010年期間汾河中上游流域的骨干壩和中型壩已淤庫容呈現(xiàn)顯著增長趨勢，截至2010年底汾河中上游流域的淤地壩總淤積量達(dá)到了5 852萬t，是義棠站多年平均輸沙量的9.6倍，因此淤地壩建設(shè)在汾河中上游流域年輸沙量減少方面起到了至關(guān)重要的作用。

另外，汾河水庫、汾河二庫、文峪河水庫三座大型水庫的蓄水?dāng)r沙作用也是汾河中上游年輸沙量減少的主要原因之一。根據(jù)近20 a的實(shí)測水文觀測資料，由于汾河二庫的建成與運(yùn)營，導(dǎo)致河道內(nèi)輸沙量直接變?yōu)?。

圖7 1980-2010年流域淤地壩已淤庫容累積過程

3 結(jié) 論

(1) 1963—2016年汾河中上游流域年徑流量和年輸沙量呈現(xiàn)減少趨勢，除了義棠站年徑流量減少趨勢不顯著以外，蘭村站年徑流量和年輸沙量以及義棠站年輸沙量均呈現(xiàn)極顯著的減少趨勢。

(2) 1963—2016年汾河中上游流域年徑流量和年輸沙量的突變年份分別為1981年和1980年。蘭村站和義棠站的多年平均徑流量由突變年份前的5.17億m3，7.37億m3分別減少至2.14億m3，3.25億m3，分別減少了59%，56%；蘭村站和義棠站的多年平均輸沙量由突變年份前的1 068.7萬t，1 392.6萬t分別減少至122.1萬t，167.2萬t，分別減少了89%，88%。

(3) 氣候變化和人類活動(dòng)對汾河中上游流域年徑流量變化的貢獻(xiàn)率分別為29%，71%，而對年輸沙量變化的貢獻(xiàn)率分別為22%，78%。

近年來，人類活動(dòng)已從影響流域徑流量和輸沙量變化的次要因素逐漸成為主要因素。進(jìn)一步研究變化環(huán)境下徑流量和輸沙量之間的對應(yīng)關(guān)系并科學(xué)量化各種人類活動(dòng)對于徑流量和輸沙量的變化的貢獻(xiàn)率，對于流域的水資源合理開發(fā)利用、水環(huán)境有效管理與保護(hù)以及水土保持工作宏觀科學(xué)規(guī)劃具有極其重要的意義。