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程與控制重點(diǎn)實驗室, 鄭州 450003; 3.華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院, 鄭州 450045)

黃河流域的水沙情勢近年來發(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，分析降雨和人類活動對徑流、泥沙及水沙關(guān)系的影響[2-6]，但是對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，徑流主要來自上游地區(qū)、泥沙主要來自中游地區(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，對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、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 資料來源與處理

降水量方面，統(tǒng)計了清水河流域1958—2015年共計93個雨量站的逐日降水量，使用泰森多邊形法逐年計算年降水量、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測資料。

圖1 清水河流域水系

水土保持措施面積數(shù)據(jù)主要來自寧夏自治區(qū)的年報統(tǒng)計資料及2011年全國水利普查資料。以2011年第一次全國水利普查數(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、遙感影像解譯、樣區(qū)核查分析和專家咨詢等多種方法，最終確定1954—2015年清水河流域各項水土保持措施的保存面積。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢及突變檢驗 Mann-Kendall檢驗法是對時間序列的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，被廣泛應(yīng)用于評估氣候要素和水文序列趨勢分析及突變檢測。

在趨勢檢驗中，對于具有n個樣本量的時間序列X，原假設(shè)H0表示數(shù)據(jù)集X的數(shù)據(jù)樣本獨(dú)立同分布且無趨勢存在，可選假設(shè)H1表示數(shù)據(jù)集X存在一個單調(diào)趨勢。對于Mann-Kendall統(tǒng)計量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，當(dāng)β>0時，反映上升的趨勢，反之則反映下降的趨勢。

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

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

2.2.3 水保法 “水保法”也稱“成因分析法”，通過對不同地區(qū)水土保持徑流試驗小區(qū)觀測的水土保持措施減水減沙資料統(tǒng)計分析，確定各單項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)各單項水土保持措施減水減沙指標(biāo)和單項措施面積，二者相乘即得到分項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)今中國重述“亞洲”、重寫“世界史”和“全球史”的學(xué)術(shù)熱潮中，不僅沒有過時，而且不可或缺。畢竟，體察中國國情，理解中國道路，提煉中國話語，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。 的鄉(xiāng)土中國學(xué)術(shù)實踐為立足點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化

3.1.1 降水量時段變化 清水河流域的各降雨特征不同時段值較多年平均值變化情況見圖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??；2010—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、主汛期降水量各時段變化值

3.1.2 降水量趨勢及突變點(diǎn)檢測 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趨勢檢驗統(tǒng)計值Z和傾斜度β見表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，但變化趨勢并不顯著，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，其變化趨勢亦不顯著。綜上所述，各降雨特征值均無顯著的變化趨勢(顯著性水平α=0.05，|Z0.05|=1.64)。

表1 降水特征值趨勢檢驗

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突變檢驗分別見圖3—5。年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等的統(tǒng)計量UF與UB雖有若干交點(diǎn)，但因UF均未超過臨界值(1.96)，故三者均無顯著變化趨勢和突變點(diǎn)。

圖3 年降水量Mann-Kendall突變檢驗

圖4 汛期降水量Mann-Kendall突變檢驗

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，不同時段年均沙量見圖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個時期的沙量較長時期均值偏多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個時期的沙量較長時期均值偏少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

圖6 泉眼山站不同時段年均沙量

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)社會發(fā)展4類。其中，氣候因素屬自然因素，主要指降水，其余3類均為人類活動因素。本文利用“水文法”能夠定量計算各時期降雨變化與人類活動對流域沙量的影響，通過“水保法”能夠求得流域面上各單項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)社會發(fā)展等因素對于流域沙量的影響。

(1) 降水與人類活動減沙量。本次建模對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?zāi)Ｐ停M(jìn)而逐年計算1970—2015年的“天然產(chǎn)沙量”，與1958—1969年基準(zhǔn)期相比，得到各時段因人類活動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t)；P7-8為主汛期降雨量(mm)。

使用該模型逐年計算1970—2015年的天然年產(chǎn)沙量，人類活動年減沙量為同時段天然年產(chǎn)沙量與實測年輸沙量的差值，降雨年減沙量為基準(zhǔn)期天然年產(chǎn)沙量與基準(zhǔn)期外各時段天然年產(chǎn)沙量的差值，計算結(jié)果見表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目的相關(guān)成果[8]。

表2 清水河各時段沙量及較基準(zhǔn)期天然沙量減少值

各時段實測年輸沙量、天然年產(chǎn)沙量、人類活動年減沙量、降雨年減沙量等的變化總體呈波動狀態(tài)，無明顯趨勢。2000—2009年、2010—2015年的人類活動年減沙量與基準(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，泉眼山站實測年輸沙量大幅降低，人類活動年減沙量大幅增加。

(2) 各項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流域沙量的影響逐步增大，“水保法”能夠定量評估其減沙作用：以1958—2015年的長系列年汛期降雨量為豐平枯評判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)每年汛期降雨量的豐平枯情況和各單項水土保持措施的質(zhì)量等級選取對應(yīng)指標(biāo)，各單項水土保持措施不同質(zhì)量等級的面積按該年的措施質(zhì)量等級占比進(jìn)行面積估算，將選取的各單項水土保持措施減沙指標(biāo)與對應(yīng)面積相乘即得該年各單項水土保持措施的減沙量。各單項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]。

清水河流域不同時段各項水土保持坡面措施減沙量見表3，各項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)，見表4。流域水土保持措施減沙量隨時間呈增大趨勢，2000年以來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t，733.77萬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，各項措施年均共計減沙733.77萬t，減沙貢獻(xiàn)率達(dá)12.2%；該時段內(nèi)各項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t，減沙貢獻(xiàn)率為4.5%。

表3 不同時段水土保持坡面措施年減沙量 萬t

表4 不同時段水土保持坡面措施年減沙貢獻(xiàn)率 %

1958—2015年，清水河流域各時段的坡面水土保持措施減沙量見圖7。各項坡面水土保持措施的減沙量均隨時間增大；1999年以前，各項措施減沙量在各時段內(nèi)的增大趨勢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，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) 水庫及淤地壩攔沙量。根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計，截至2012年清水河流域共有水庫108座，水庫總庫容為12.35億m3(表5)。1956—1979年是水庫建設(shè)最多的時期，座數(shù)占水庫總數(shù)的67%，庫容占水庫總庫容的86%。截至2012年清水河流域共有淤地壩302座，淤地壩總庫容1.23億m3，淤積庫容0.53億m3。2000年以來開展了大規(guī)模淤地壩建設(shè)，2000—2012年建設(shè)淤地壩261座，數(shù)量與庫容約占總數(shù)的91%。

圖7 清水河不同時段各單項坡面水土保持措施減沙量

表5 不同時期水庫及淤地壩建設(shè)數(shù)量 座

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

表6 不同時期水庫及淤地壩年攔沙量 萬t

4 結(jié) 論

(1) 流域降雨的年內(nèi)分配在不同時期存在較大差異，汛期降雨量在不同時期的變化幅度最大。Mann-Kendall趨勢及突變檢驗表明，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，各時段來沙量與降雨及人類活動密切相關(guān)，其中人類活動減沙量隨時間呈先減小后增大的趨勢。1990—1999年的來沙量最多，主要由于該時期降雨量偏大，尤其是汛期雨量為各時期最大值，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，前期壩庫已嚴(yán)重淤積，攔沙作用有限；2010—2015年的來沙量最少，主要原因為汛期雨量偏小，自2000年以來流域開展了較大規(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) 清水河流域自開展坡面水土流失治理以來，治理成效逐漸顯現(xiàn)。2000年以來，各項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，其中人工林與封禁治理的成效尤為顯著。