寧夏清水河流域水沙變化特點分析

馬進國，鄭艷爽，張曉華，豐 青，彭 紅

(1.寧夏固原市水土保持工作站，寧夏 固原 756000；2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

寧夏回族自治區(qū)氣候干旱，水資源不足，黃河及其在寧夏區(qū)的支流是當?shù)厮Y源的主要來源。寧夏區(qū)的入黃支流清水河是多泥沙河流，造成該段黃河來沙較多，沖淤變化劇烈。隨著黃河流域水文氣象變化和水利水保建設(shè)的發(fā)展，黃河水沙情勢在不斷變化；作為黃河上游泥沙重要來源的寧夏區(qū)內(nèi)的黃河支流清水河來水來沙也發(fā)生了顯著改變，其變化特征和趨勢關(guān)系到本區(qū)以及黃河上游水資源利用布局和河段開發(fā)方式。近期對寧夏段黃河干流水沙研究相對較多，寧夏段有水沙異源、水沙量大幅減少、水沙量年際變化較大等特點[1-3]，但是對寧夏段黃河支流的水沙變化特點及原因的研究相對較少。搞清清水河水沙變化特征及其原因具有十分重要意義，可為黃河上游寧夏河段的治理建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 資料與研究方法

清水河是寧夏境內(nèi)直接入?yún)R黃河最大的一級支流，流域面積為14 481 km2（其中寧夏境內(nèi)面積為13 511 km2，甘肅境內(nèi)面積為970 km2，見圖1），流域平均降水量349 mm，整個流域水文具有水少沙多、水土流失嚴重和水質(zhì)差的特點，具有半干旱、干旱區(qū)河流特征[4]。

清水河流域上建有固原、韓府灣、泉眼山3 個水文站，其中固原水文站位于上游，控制面積為210 km2，韓府灣水文站設(shè)在中游，控制面積為4 935 km2，泉眼山水文站設(shè)在清水河流域下游，是入黃控制站，控制面積為14 481 km2。因各站建站時間不同，收集到的資料系列長度不等，本次研究各站資料采用系列長度分別為：固原站，1966—2015 年；韓府灣站，1959—2015 年；泉眼山水文站，1957—2015 年。

Mann-Kendall 檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可分析時間序列資料的變化趨勢和突變點[5-6]。與參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法相比，此方法不需要樣本遵從一定的分布，也基本不受少數(shù)異常值的干擾影響，而且計算簡單，近年來此法被眾多學者應用于水文氣象等非正態(tài)分布序列趨勢分析中[7]。Mann-Kendall突變檢驗的統(tǒng)計量構(gòu)造秩序列：

式 中： rij為 第i 個 樣 本 xi大于 xj的 累 積 數(shù)，當xi?xj>0 時， rij=1；當時 rij=0。

Sk的數(shù)學期望和方差為：

圖1 清水河流域Fig.1 Qingshuihe River basin

式中：n 為序列容量。統(tǒng)計量UFk服從標準正態(tài)分布，若UFk為正，表明系列具有上升或增加的趨勢，若UFk為負，則表明系列具有下降或減小的趨勢。通常取顯著水平α=0.05，相應的檢驗臨界值UFα=1.96。如果|UFk|>|UFα|，表明序列的增長或減少趨勢是顯著的，超過臨界值的范圍確定為出現(xiàn)顯著突變的時間區(qū)域。把以上方法應用到反序列中，重復上述計算過程，并使計算值乘以“?1”，得出UBk。若UFk和UFα兩條曲線存在交點，且交點位于臨界線之間，則交點對應的時刻為突變開始的時刻，即為突變點[8-9]。時間序列中的突變是序列從一種穩(wěn)定狀態(tài)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的飛躍，也是從一個統(tǒng)計特性到另一個統(tǒng)計特性的急劇變化[10]。

2 清水河流域水沙變化特點

清水河流域具有水量少、含沙量高、水沙年際變化懸殊等特點，來水來沙主要集中在汛期，近期清水河流域水沙都呈減少趨勢，將各站水沙按不同時段、年際年內(nèi)時間尺度作具體分析。

2.1 各站不同時段水沙量變化特點

按照不同年代尺度將各站劃分成1969 年以前、1970—1979 年、1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2010 年、2010—2015 年6 個時段，點繪清水河流域各水文站不同時段水沙量變化過程（圖2），水沙量時段上整體呈減小趨勢，2000 年以后減少更為突出，但各站不同時段變化特點又有所不同。

固原水文站的多年平均（1966—2015 年）水沙量分別為0.081 億m3和0.003 3 億t，與長時段相比，年均水量在1966—1969 年、1970—1979 年兩時段分別偏多226.1%和8.6%；而其他時段偏少5.8%～58.8%，2010—2015 年偏少最多，達到58.8%。各站年均沙量在1966—1969 年、1970—1979 年、1990—1999 年這3 個時段內(nèi)有所偏多，偏多范圍為23.2%～131.8%；而其他3 個時段偏少范圍為8.5%～94.1%，尤其2010—2015 年偏少最多，達到94.1%。

韓府灣水文站多年平均（1959—2015 年）水沙量分別為0.627 億m3和0.126 1 億t，與長時段相比，該站年均水量僅在1959—1969 年這一時段內(nèi)水量偏多，達到了117.8%；其他5 個時段偏少范圍為3.0%～65.7%，尤其是2010—2015 時段內(nèi)偏少最多，為65.7%。沙量在1959—1969 年和1990—1999 年兩個時段分別偏多20.9%和79.3%；其余時段偏少范圍為7.7%～80.0%，其中2010—2015 年偏少最多，為80.0%。

圖2 不同時段年均水沙量Fig.2 Average annual runoff and sediment load in different periods

泉眼山站多年平均（1957—2015 年）水沙量分別為1.118 億m3和0.248 億t，與多年均值相比，泉眼山站在1957—1969 年、1990—1999 年和2010—2015 年均水量均偏多，偏多范圍在6.2%～26.8%，其中2010—2015 年偏多6.2%。而在1970—1979 年、1980—1989 年和2000—2009 年3 個時段內(nèi)水量偏少，偏少范圍為0.4%～33.5%。與長時段相比，年均沙量在1957—1969 年、1990—1999 年和2000—2009 年偏多，偏多范圍在0.5%～79.2%，其中1990—1999 年這一時段內(nèi)的沙量較豐，增幅最大為79.3%；而在1970—1979 年、1980—1989 年和2010—2015 年這3 個時段內(nèi)偏少，偏少范圍為22.8%～64.3%，尤其是2010—2015 年減少最多，達到64.3%。

2.2 各站年際間水沙變化特點

清水河泉眼山站年際間水沙量變化起伏較大，豐枯懸殊。泉眼山站的最小年水量發(fā)生在1960 年，為0.175 億m3，最大年水量發(fā)生在1964 年，水量達到3.916 億m3（為最小值的22.4 倍）；年沙量的差別更大，最大年來沙量為1.221 億t（1958 年），最小年來沙量僅為0.000 8 億t（1960 年），相差1 000 多倍。固原站、韓府灣站年際水沙與泉眼山站具有相同的特點，經(jīng)統(tǒng)計可知固原站最大年水量發(fā)生在1966 年，達到0.404 億m3，最小年水量發(fā)生在2009 年，為0.001 億m3，相差403 倍；固原站最大年來沙量為0.024 億t（1973 年），最小年來沙量為2007 年的0.000 002 億t，相差10 000 多倍。韓府灣站最大年來水量為3.105 億m3（1966 年），最小年來水量為0.085 億t（2011 年），相差35.5 倍；最大年來沙量為0.684 億t（1995 年），最小年來沙量為0.001 億t（2011 年），相差683 倍。

2.3 水沙年內(nèi)分配特點

通過點繪清水河流域典型站逐年汛期、年水沙量變化過程（圖3）可見，清水河流域水沙量主要集中在汛期。長時期各站汛期水沙量占年水沙量的比例分別為58.5%～65.6%和85.6%～89.4%，沙量在汛期的集中程度遠高于水量，而非汛期水沙量相對較少。

圖3 清水河泉眼山站逐年汛期和年水沙量變化Fig.3 Runoff and sediment variations at Quanyanshan hydrometric station of Qingshuihe in flood seasons and the whole year

具體分析各站不同時期年內(nèi)水沙量分配情況。固原站汛期水量占年水量比例在2000 年以前約53.8%～66.3%，2000 年之后下降到52.2%；固原站汛期沙量占年沙量比例在1989 年前3 個時段比例為75.7%～88.7%，1990—1999 年汛期沙量與年沙量的比例增加到92.4%，2000 年之后減少到60%左右。韓府灣水文站在1989 年前的3 個時段內(nèi)汛期水量占年水量的比例在52.7%～63.1%，而到1990—1999 年和2000—2009 年兩個時段時，其比例增加到78.8%和71.1%，到2010—2015 年有所下降，為55.0%；韓府灣水文站的各時段汛期沙量與年沙量的比例為77.5%～93.2%。泉眼山水文站汛期水量占年水量比例在2000 年以前為66.1%～72.4%，在2000—2009年下降到54.4%，到2010—2015 年進一步下降到45.3。泉眼山水文站汛期沙量占年沙量比例為79.4%～93.1%。

3 清水河流域水沙突變診斷

3.1 清水河水沙突變點

確定清水河流域水沙變化的突變點是分析流域水沙變化規(guī)律的基礎(chǔ)，也是流域治理的技術(shù)參考依據(jù)[10]。采用Mann-Kendall 法對清水河流域固原、韓府灣、泉眼山各站年徑流量、年輸沙量進行分析，得出各站水沙變化的突變年份，各站MK 突變檢驗曲線見圖4。

清水河流域各站年徑流量、輸沙量突變明顯，但突變時間存在差異，并且水沙并不完全同步；固原站年徑流量、年輸沙量UFk和UBk兩條曲線分別在1995 和2002 年存在交點（圖4），因此固原站年徑流量、年輸沙量的突變年份分別為1995 和2002 年；同樣韓府灣站年徑流量、年輸沙沙量的突變年份為1997 和2010 年。泉眼山站水文站年徑流量Mann-Kendall 突變檢驗圖上UFk和UBk兩條曲線上存在3 個交點，即1992 年、2003 年和2012 年，由于2012 年之后的資料系列相對較短，所以認為1992 和2003 年是清水河年徑流量的突變年份，同樣年輸沙量在2008 年發(fā)生突變。

圖4 清水河流域各站年徑流量、年輸沙量Mann-Kendall 突變檢驗Fig.4 Mann Kendall mutation test of annual runoff and sediment load at hydrometric stations in Qingshui River

3.2 突變前后水沙的變化特征

統(tǒng)計清水河各站年徑流量、年輸沙量突變前后水沙量（表1），與突變之前的時段相比，固原和韓府灣兩站年徑流量、年輸沙量都呈明顯減小的趨勢，并且沙量減幅明顯大于水量減幅。

表1 各水文站突變年份前后不同時段水沙量值Tab.1 Runoff and sediment before and after the change-year of hydrologic stations

從突變點前后水沙量年內(nèi)分配來看，各站水沙量主要集中在汛期，各站水量占年水量的比例為47.5%～69.7%，各站汛期沙量占年沙量比例為63.3%～89.4%，沙量在汛期的集中程度高于水量。

4 水沙變化原因分析

影響流域產(chǎn)流及產(chǎn)沙的因素可分為自然因素和人為因素。在流域上修建水庫、引水、水土保持治理措施等對水沙量都有一定的影響，都會引起水沙關(guān)系的突變。針對清水河流域徑流量和輸沙量變化原因進行以下4 方面初步分析。

4.1 降雨

清水河流域降雨的變化直接影響著徑流量的變化。清水河流域1958—2015 年年均降雨量為362 mm，其中 1958—1969 年、1970—1979 年的年均降雨量分別為367 和364 mm，與多年平均值相近； 1980—1989 年、2000—2009 年的年均降雨量分別為347 和338 mm，小于多年平均降雨量；1990—1999 年、2010—2015 年的各年降雨量大于多年平均值，分別為379 和386 mm，降雨直接影響產(chǎn)流和輸沙。

與泉眼山站的徑流量和輸沙量過程對比可見，降雨直接影響著產(chǎn)流和輸沙，基本上隨著降雨的增大，各時期水沙量也相對較大，如1990—1999 年；但又不是完全對應，尤其是沙量，如2010—2015 年，在降雨量偏大的情況下，沙量卻是各時期中最小，這說明其他因素影響加大，超過了降雨的影響。

4.2 坡面水土保持措施

清水河流域長時期堅持進行水土保持治理，尤其1999 年實施退耕還林還草工程以來，坡面措施的Ⅰ、Ⅱ級比例達到80%以上，坡面措施實施后，經(jīng)過一段時間才會發(fā)揮較大作用，這與沙量突變點在2010 年前后在時間上相吻合，因此水土保持治理的加速實施是近期沙量減少的主要原因。

4.3 水庫運用

清水河流域水庫大部分修建于1979 年以前，且以攔泥庫為主，因此水庫的攔沙作用較大。清水河沒有建設(shè)大型水庫，中型水庫更集中于1960 年前修建，如長山頭水庫1960 年8 月建成運用，到1964 年滾水壩頂以下5 700 萬m3庫容就全部淤滿了。因此清水河水庫的攔沙作用主要集中于1979 年以前，而該時期其他水利和水保措施力度都不大，沙量的減少主要是水庫的作用。

4.4 淤地壩建設(shè)

淤地壩是水土流失治理的重要措施，起到較大的減沙減蝕作用。2000 年以后，清水河流域大規(guī)模建設(shè)的淤地壩占到總壩數(shù)的88%，因此清水河流域淤地壩對流域減沙作用主要發(fā)生在2000 年之后。但是考慮到2000 年后水保措施治理加速、流域產(chǎn)沙強度降低，淤地壩的攔沙量可能受此影響不會很大。

5 結(jié) 語

（1）與長時期相比，清水河流域上各站近期水沙量變化稍有不同，固原和韓府灣水文站水沙在2010—2015 年呈減少趨勢，水量減幅為58.8%和65.7%，沙量減幅達到94.1%和80%。而泉眼山站水量在2010—2015 年有所增加，增幅為6.2%，沙量有所減少，減幅為64.3%。

（2）清水河流域各站長時期水沙量主要集中在汛期，汛期水量占年水量的比例為58.5%～65.6%，汛期沙量占年沙量的比例為85.6%～89.4%。但是隨著時間變化，汛期水量占年水量的比例逐漸有所降低，到2010—2015 年汛期水量占年水量比例僅有45.3%～55%；汛期沙量占年沙量比例除了固原站外，仍維持在80%以上。

（3）采用Mann-Kendall 研究方法分析得出，清水河流域各站年水沙量均有突變，固原站年徑流量和年輸沙量的突變年份分別為1995 和2002 年；相應地，韓府灣站為1997 和2010 年，泉眼山站水量突變年份為1992 和2003 年，沙量突變年份為2008 年。

（4）初步分析了降雨、坡面水土保持措施、水庫運用、淤地壩建設(shè)等因素對清水河流域來水來沙的影響，各因素對近期沙量的減少都有一定的作用，但各影響因素具體貢獻率有待于進一步開展研究。