寧夏清水河流域近60年降水量及入黃沙量變化

李穎曼, 焦 鵬, 張曉華, 楊吉山, 衛(wèi)午毓

(1.寧夏大柳樹(shù)水利樞紐工程前期工作辦公室, 銀川 750001; 2.黃河水利科學(xué)研究院 水利部 黃土高原水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450003; 3.華北水利水電大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 鄭州 450045)

黃河流域的水沙情勢(shì)近年來(lái)發(fā)生了劇烈變化，潼關(guān)水文站年輸沙量由1919—1959年的16億t減少至2010年以來(lái)的1.5億t，減少約90.6%[1]。目前的黃河水沙變化成因研究多聚焦于黃河上中游干流及河龍區(qū)間主要支流，分析降雨和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流、泥沙及水沙關(guān)系的影響[2-6]，但是對(duì)黃河上游典型支流的研究較少涉及。由于黃河具有“水沙異源”這一顯著的空間分異特征，徑流主要來(lái)自上游地區(qū)、泥沙主要來(lái)自中游地區(qū)，因此研究黃河上游主要支流降水特征的變化規(guī)律及其趨勢(shì)，對(duì)揭示黃河水沙變化成因具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

清水河長(zhǎng)320 km，流域面積14 481 km2，流經(jīng)原州區(qū)、海原縣、西吉縣、同心縣、紅寺堡區(qū)、中寧縣、沙坡頭7縣區(qū)，由中寧縣泉眼山(37°29′12.78″N,105°32′30.53″E)匯入黃河。流域地勢(shì)南高北低，地貌以黃土丘陵溝壑區(qū)為主，左岸主要支流有東至河、中河、莧麻河、西河、金雞兒溝、長(zhǎng)沙河等，右岸主要支流有楊達(dá)子溝、大紅溝、雙井子溝、折死溝、洪泉溝等[7](圖1)。清水河流域年降水量由上游的600 mm至下游的200 mm，相差2倍，流域平均降水量349 mm；固原的七營(yíng)、莧麻河以南為400～600 mm的半干旱區(qū)，以北為400～200 mm的干旱區(qū)。

2 材料與方法

2.1 資料來(lái)源與處理

降水量方面，統(tǒng)計(jì)了清水河流域1958—2015年共計(jì)93個(gè)雨量站的逐日降水量，使用泰森多邊形法逐年計(jì)算年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等流域降雨特征值。徑流量與輸沙量使用清水河流域出口控制站泉眼山水文站的實(shí)測(cè)資料。

圖1 清水河流域水系

水土保持措施面積數(shù)據(jù)主要來(lái)自寧夏自治區(qū)的年報(bào)統(tǒng)計(jì)資料及2011年全國(guó)水利普查資料。以2011年第一次全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合清水河典型小流域與樣區(qū)的調(diào)查勘測(cè)、遙感影像解譯、樣區(qū)核查分析和專(zhuān)家咨詢(xún)等多種方法，最終確定1954—2015年清水河流域各項(xiàng)水土保持措施的保存面積。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)及突變檢驗(yàn) Mann-Kendall檢驗(yàn)法是對(duì)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于評(píng)估氣候要素和水文序列趨勢(shì)分析及突變檢測(cè)。

在趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X，原假設(shè)H0表示數(shù)據(jù)集X的數(shù)據(jù)樣本獨(dú)立同分布且無(wú)趨勢(shì)存在，可選假設(shè)H1表示數(shù)據(jù)集X存在一個(gè)單調(diào)趨勢(shì)。對(duì)于Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量Zc，如果-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2，原假設(shè)H0即被接受，反之則H1被接受。傾斜度β能夠量化單調(diào)趨勢(shì)，當(dāng)β>0時(shí)，反映上升的趨勢(shì)，反之則反映下降的趨勢(shì)。

在突變檢測(cè)中，統(tǒng)計(jì)量UFk為時(shí)間序列X按照順序計(jì)算的秩序列標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，對(duì)于給定的顯著性水平α，若|UFk|>Uα，表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。UBk為按照時(shí)間序列X逆序計(jì)算的秩序列標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。若統(tǒng)計(jì)量UFk大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UFk超過(guò)臨界值，表明上升或下降趨勢(shì)顯著，超過(guò)臨界值的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。若UFk和UBk兩條曲線(xiàn)存在交點(diǎn)，且交點(diǎn)位于臨界線(xiàn)之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變開(kāi)始的時(shí)刻，即為突變點(diǎn)。

2.2.2 水文法 “水文分析法”簡(jiǎn)稱(chēng)“水文法”，就是利用基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)的水文泥沙資料，建立降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型，然后將評(píng)價(jià)期的降雨因子代入所建模型，計(jì)算出評(píng)價(jià)期的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，與基準(zhǔn)期的相比，即可評(píng)估出因降雨變化所引起的水沙變化量；再與評(píng)價(jià)期的實(shí)測(cè)水沙量比較，其差值即為水利水土保持綜合治理等人類(lèi)活動(dòng)減少的水量和沙量。

2.2.3 水保法 “水保法”也稱(chēng)“成因分析法”，通過(guò)對(duì)不同地區(qū)水土保持徑流試驗(yàn)小區(qū)觀(guān)測(cè)的水土保持措施減水減沙資料統(tǒng)計(jì)分析，確定各單項(xiàng)措施在單位面積上的減水減沙量，即減水減沙指標(biāo)，并按一定方法進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換后再推到流域面上；再根據(jù)各單項(xiàng)水土保持措施減水減沙指標(biāo)和單項(xiàng)措施面積，二者相乘即得到分項(xiàng)水土保持措施減水減沙量。

筆者相信，以村落民俗志為基礎(chǔ)的鄉(xiāng)村研究，在當(dāng)今中國(guó)重述“亞洲”、重寫(xiě)“世界史”和“全球史”的學(xué)術(shù)熱潮中，不僅沒(méi)有過(guò)時(shí)，而且不可或缺。畢竟，體察中國(guó)國(guó)情，理解中國(guó)道路，提煉中國(guó)話(huà)語(yǔ)，仍要以“在村落里研究”[注][美]克利福德·格爾茨：《文化的解釋》，韓莉譯，譯林出版社，1999年，第29頁(yè)。 的鄉(xiāng)土中國(guó)學(xué)術(shù)實(shí)踐為立足點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化

3.1.1 降水量時(shí)段變化 清水河流域的各降雨特征不同時(shí)段值較多年平均值變化情況見(jiàn)圖2，年降水量、汛期降水量、主汛期降水量在1958—1969年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年等時(shí)段內(nèi)保持同增同減，雨量較多年均值的增大或減小變化趨勢(shì)一致。1970—1979年，年降水量、主汛期降水量較多年均值增大，汛期降水量較多年均值減?。?010—2015年，年降水量、汛期降水量較多年均值增大、主汛期降水量較多年均值減小。就降雨特征參數(shù)的增減幅度而言，汛期降雨量在不同時(shí)段的變化幅度最大。

圖2 年降水量、汛期降水量、主汛期降水量各時(shí)段變化值

3.1.2 降水量趨勢(shì)及突變點(diǎn)檢測(cè) 清水河流域1958—2015年的年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等的Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z和傾斜度β見(jiàn)表1。年降水量、汛期降水量的Z值與β值均為正值，二者均呈增大趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)并不顯著，汛期降水量的增大速率大于年降水量；主汛期降水量的Z值與β值為負(fù)值，呈減小趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)亦不顯著。綜上所述，各降雨特征值均無(wú)顯著的變化趨勢(shì)(顯著性水平α=0.05，|Z0.05|=1.64)。

表1 降水特征值趨勢(shì)檢驗(yàn)

清水河流域1958—2015年的年降水量、汛期降水量、主汛期降水量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)分別見(jiàn)圖3—5。年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等的統(tǒng)計(jì)量UF與UB雖有若干交點(diǎn)，但因UF均未超過(guò)臨界值(1.96)，故三者均無(wú)顯著變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)。

圖3 年降水量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖4 汛期降水量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

3.2 沙量變化與成因分析

3.2.1 沙量變化情況 泉眼山水文站位于清水河流域下游，是入黃控制站，控制面積為14 480 km2，不同時(shí)段年均沙量見(jiàn)圖6。泉眼山站1957—2015年的多年平均沙量為0.248億t，1957—1969年、1990—1999年、2000—2009年這3個(gè)時(shí)期的沙量較長(zhǎng)時(shí)期均值偏多0.5%～79.2%，其中1990—1999年的沙量增幅最大為79.3%；1970—1979年、1980—1989年、2010—2015年這3個(gè)時(shí)期的沙量較長(zhǎng)時(shí)期均值偏少22.8%～64.3%，尤其是2010—2015年減少最多。

圖5 主汛期降水量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖6 泉眼山站不同時(shí)段年均沙量

3.2.2 沙量變化成因 影響入黃沙量變化的主要因素包括氣候、水利工程、水土保持措施和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展4類(lèi)。其中，氣候因素屬自然因素，主要指降水，其余3類(lèi)均為人類(lèi)活動(dòng)因素。本文利用“水文法”能夠定量計(jì)算各時(shí)期降雨變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域沙量的影響，通過(guò)“水保法”能夠求得流域面上各單項(xiàng)水土保持措施的減沙量及減沙貢獻(xiàn)率。由于資料限制，未考慮水利水保工程及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等因素對(duì)于流域沙量的影響。

(1) 降水與人類(lèi)活動(dòng)減沙量。本次建模對(duì)1958—1969年清水河流域各降雨特征值與天然產(chǎn)沙量進(jìn)行相關(guān)分析，按照相關(guān)系數(shù)最大以及相互獨(dú)立的原則，初步篩選出模型因變量，后使用不同類(lèi)型模型進(jìn)行適配，將決定系數(shù)最大的模型確定為該建模系列條件下的最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)而逐年計(jì)算1970—2015年的“天然產(chǎn)沙量”，與1958—1969年基準(zhǔn)期相比，得到各時(shí)段因人類(lèi)活動(dòng)和降雨變化所引起的泥沙減少量。

由相關(guān)矩陣分析知，“天然產(chǎn)沙量”與“主汛期降雨量”的相關(guān)系數(shù)最大為0.939 4，且p值小于0.01，二者的相關(guān)性顯著。因此，建立以“主汛期降雨量”為自變量、以“天然產(chǎn)沙量”為因變量的模型。

(1)

式中：S為天然產(chǎn)沙量(萬(wàn)t)；P7-8為主汛期降雨量(mm)。

使用該模型逐年計(jì)算1970—2015年的天然年產(chǎn)沙量，人類(lèi)活動(dòng)年減沙量為同時(shí)段天然年產(chǎn)沙量與實(shí)測(cè)年輸沙量的差值，降雨年減沙量為基準(zhǔn)期天然年產(chǎn)沙量與基準(zhǔn)期外各時(shí)段天然年產(chǎn)沙量的差值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。其中，1958—1969年的天然年產(chǎn)沙量為還原沙量，引自黃河水沙變化研究資助項(xiàng)目的相關(guān)成果[8]。

表2 清水河各時(shí)段沙量及較基準(zhǔn)期天然沙量減少值

各時(shí)段實(shí)測(cè)年輸沙量、天然年產(chǎn)沙量、人類(lèi)活動(dòng)年減沙量、降雨年減沙量等的變化總體呈波動(dòng)狀態(tài)，無(wú)明顯趨勢(shì)。2000—2009年、2010—2015年的人類(lèi)活動(dòng)年減沙量與基準(zhǔn)期天然年產(chǎn)沙量相比，分別減少了17.1%，47.1%；2000—2009年、2010—2015年的降雨年減沙量與基準(zhǔn)期天然年產(chǎn)沙量相比，分別減少了41.5%，38.2%。2010年以來(lái)，泉眼山站實(shí)測(cè)年輸沙量大幅降低，人類(lèi)活動(dòng)年減沙量大幅增加。

(2) 各項(xiàng)水土保持坡面措施減沙量。隨著清水河流域治理力度的加大，流域面上水土保持措施對(duì)流域沙量的影響逐步增大，“水保法”能夠定量評(píng)估其減沙作用：以1958—2015年的長(zhǎng)系列年汛期降雨量為豐平枯評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)每年汛期降雨量的豐平枯情況和各單項(xiàng)水土保持措施的質(zhì)量等級(jí)選取對(duì)應(yīng)指標(biāo)，各單項(xiàng)水土保持措施不同質(zhì)量等級(jí)的面積按該年的措施質(zhì)量等級(jí)占比進(jìn)行面積估算，將選取的各單項(xiàng)水土保持措施減沙指標(biāo)與對(duì)應(yīng)面積相乘即得該年各單項(xiàng)水土保持措施的減沙量。各單項(xiàng)水土保持措施減沙指標(biāo)根據(jù)“泥沙模數(shù)還原法”推求[9]。

清水河流域不同時(shí)段各項(xiàng)水土保持坡面措施減沙量見(jiàn)表3，各項(xiàng)水土保持坡面措施減沙貢獻(xiàn)率為減沙量與基準(zhǔn)期天然沙量的比值百分?jǐn)?shù)，見(jiàn)表4。流域水土保持措施減沙量隨時(shí)間呈增大趨勢(shì)，2000年以來(lái)的減沙量增幅尤為顯著，2000—2009年、2010—2015年的措施年均減沙量分別為425.86萬(wàn)t，733.77萬(wàn)t，減沙貢獻(xiàn)率分別為7.1%，12.2%。其中，年減沙量在2010—2015年取得最大值，各項(xiàng)措施年均共計(jì)減沙733.77萬(wàn)t，減沙貢獻(xiàn)率達(dá)12.2%；該時(shí)段內(nèi)各項(xiàng)措施的減沙量均取得最大值，其中人工造林減沙量最大，減沙274.03萬(wàn)t，減沙貢獻(xiàn)率為4.5%。

表3 不同時(shí)段水土保持坡面措施年減沙量 萬(wàn)t

表4 不同時(shí)段水土保持坡面措施年減沙貢獻(xiàn)率 %

1958—2015年，清水河流域各時(shí)段的坡面水土保持措施減沙量見(jiàn)圖7。各項(xiàng)坡面水土保持措施的減沙量均隨時(shí)間增大；1999年以前，各項(xiàng)措施減沙量在各時(shí)段內(nèi)的增大趨勢(shì)與速率基本保持一致，措施減沙量由大到小依次為封禁治理、人工林、梯田、人工草；2000年以來(lái)，人工林、封禁治理的減沙量增速明顯高于梯田與人工草，其中人工林減沙量最大，措施減沙量由大到小依次為人工林、封禁治理、梯田、人工草。

(3) 水庫(kù)及淤地壩攔沙量。根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)，截至2012年清水河流域共有水庫(kù)108座，水庫(kù)總庫(kù)容為12.35億m3(表5)。1956—1979年是水庫(kù)建設(shè)最多的時(shí)期，座數(shù)占水庫(kù)總數(shù)的67%，庫(kù)容占水庫(kù)總庫(kù)容的86%。截至2012年清水河流域共有淤地壩302座，淤地壩總庫(kù)容1.23億m3，淤積庫(kù)容0.53億m3。2000年以來(lái)開(kāi)展了大規(guī)模淤地壩建設(shè)，2000—2012年建設(shè)淤地壩261座，數(shù)量與庫(kù)容約占總數(shù)的91%。

圖7 清水河不同時(shí)段各單項(xiàng)坡面水土保持措施減沙量

表5 不同時(shí)期水庫(kù)及淤地壩建設(shè)數(shù)量 座

清水河流域100座水庫(kù)(不包括8座清水庫(kù))中有31座在1974—2012年進(jìn)行過(guò)3～4次淤積量測(cè)量，水庫(kù)淤積量約為3.17億m3。清水河流域于2012年對(duì)302座淤地壩的淤積量開(kāi)展過(guò)1次系統(tǒng)測(cè)量，淤積量為1 742萬(wàn)m3。根據(jù)楊吉山等[10]提出的水庫(kù)與淤地壩攔沙量逐漸推算方法，使用實(shí)測(cè)資料計(jì)算不同時(shí)段的壩庫(kù)年攔沙量，見(jiàn)表6。流域壩庫(kù)攔沙量與水庫(kù)、淤地壩建設(shè)密切相關(guān)，其中水庫(kù)起主要攔沙作用，淤地壩攔沙量自2000年以來(lái)大幅增加。

表6 不同時(shí)期水庫(kù)及淤地壩年攔沙量 萬(wàn)t

4 結(jié) 論

(1) 流域降雨的年內(nèi)分配在不同時(shí)期存在較大差異，汛期降雨量在不同時(shí)期的變化幅度最大。Mann-Kendall趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)表明，1958—2015年，年雨量、汛期雨量、主汛期雨量未發(fā)生顯著變化及突變。

(2) 流域控制站泉眼山站1957—2015年的多年平均沙量為0.248億t，各時(shí)段來(lái)沙量與降雨及人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，其中人類(lèi)活動(dòng)減沙量隨時(shí)間呈先減小后增大的趨勢(shì)。1990—1999年的來(lái)沙量最多，主要由于該時(shí)期降雨量偏大，尤其是汛期雨量為各時(shí)期最大值，故天然產(chǎn)沙量較多，且1980年以后流域水利水保工程及坡面水土保持措施量增幅緩慢，前期壩庫(kù)已嚴(yán)重淤積，攔沙作用有限；2010—2015年的來(lái)沙量最少，主要原因?yàn)檠雌谟炅科。?000年以來(lái)流域開(kāi)展了較大規(guī)模的淤地壩與水土保持坡面措施建設(shè)，同期建成水庫(kù)10余座，溝道工程攔沙及水保坡面措施減沙作用均大幅增加。

(3) 清水河流域自開(kāi)展坡面水土流失治理以來(lái)，治理成效逐漸顯現(xiàn)。2000年以來(lái)，各項(xiàng)坡面水土保持措施減沙量及淤地壩攔沙量均呈較快增大趨勢(shì)，其中人工林與封禁治理的成效尤為顯著。