氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)祖厲河輸沙量變化的影響分析

崔 亮

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)祖厲河輸沙量變化的影響分析

崔 亮

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

輸沙量；變化規(guī)律；氣候變化；人類活動(dòng)；祖厲河

根據(jù)祖厲河干流代表水文站會(huì)寧、郭城驛、靖遠(yuǎn)1955—2012年的降水、輸沙量資料，分析了祖厲河輸沙量變化規(guī)律，以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)祖厲河輸沙量變化的影響。結(jié)果表明，1955—2012年祖厲河輸沙量顯著減少并仍呈減少趨勢(shì)，氣候變化對(duì)輸沙量減少的影響很小，人類活動(dòng)起主導(dǎo)作用，2000年以來人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的影響呈減弱趨勢(shì)。

祖厲河是黃河上游著名的高含沙支流，發(fā)源于甘肅省會(huì)寧縣南部，向北流經(jīng)會(huì)寧縣、靖遠(yuǎn)縣入黃河，主河長(zhǎng)219 km，流域面積10 680 km2，主要支流有關(guān)川河、西鞏河等，流域水系站點(diǎn)分布見圖1。祖厲河流域地處隴西黃土高原，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，由南向北氣溫遞增、降水遞減，徑流量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在6—9月份。地貌形態(tài)為黃土丘陵和殘?jiān)瑵裣菪渣S土層較厚，植被稀疏，地表沖刷嚴(yán)重，河流泥沙含量大，水質(zhì)苦咸[1]。選取祖厲河干流會(huì)寧、郭城驛、靖遠(yuǎn)3個(gè)水文站1955—2012年泥沙資料，分析祖厲河輸沙量變化規(guī)律，以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的影響，對(duì)流域水土流失治理和生態(tài)建設(shè)等具有重要意義。

圖1 祖厲河流域水系站點(diǎn)分布

1 輸沙量變化分析

1.1 泥沙特征及來源

根據(jù)靖遠(yuǎn)水文站的泥沙資料，多年平均含沙量365 kg/m3，多年平均輸沙量4 509萬t，平均輸沙模數(shù)4 235 t/(km2·a)，實(shí)測(cè)最大斷面平均含沙量1 120 kg/m3(1995年5月31日)，年最大輸沙量1.8億t(1959年)，年最小輸沙量672萬t(2008年)。

依據(jù)平均輸沙模數(shù)計(jì)算祖厲河進(jìn)入黃河的多年平均輸沙量為4 523萬t，占甘肅黃河流域輸沙總量的12.9%，是黃河上游重要的產(chǎn)沙河流。將祖厲河從上游至下游依次分為會(huì)寧以上、會(huì)寧—郭城驛、郭城驛—靖遠(yuǎn)3個(gè)區(qū)間，分別計(jì)算區(qū)間產(chǎn)沙、占靖遠(yuǎn)站輸沙量比例、區(qū)間輸沙模數(shù)，見表1。可以看出，祖厲河流域產(chǎn)沙量大，侵蝕作用十分強(qiáng)烈，其中會(huì)寧以上、郭城驛—靖遠(yuǎn)區(qū)間輸沙模數(shù)比較接近，會(huì)寧—郭城驛區(qū)間輸沙模數(shù)略高，水土流失更加嚴(yán)重。泥沙的主要來源是降水對(duì)流域坡面的沖刷和洪水對(duì)河道兩岸的侵蝕。

1.2 輸沙量年內(nèi)變化分析

輸沙量的年內(nèi)變化，可以通過年內(nèi)分配百分比、年內(nèi)分配過程線、不均勻系數(shù)及集中程度等來反映[2-3]。繪制祖厲河各代表站月平均輸沙量年內(nèi)分配過程線如圖2所示。祖厲河多年月平均輸沙量呈高度集中分布，集中于6—9月，其中會(huì)寧水文站6—9 月平均輸沙量占全年平均輸沙量的94.4%，郭城驛水文站占96.0%，靖遠(yuǎn)水文站占97.1%。

表1 祖厲河代表站泥沙特征

圖2 多年月平均輸沙量年內(nèi)分配過程

選取靖遠(yuǎn)水文站，計(jì)算不同年代輸沙量的不均勻系數(shù)、集中度、集中期，結(jié)果列于表2?？梢钥闯?，各年代不均勻系數(shù)在1.44～1.72之間，集中度在0.81～0.88之間，最大值主要出現(xiàn)在8月上旬。說明祖厲河輸沙量年內(nèi)分布極為不均，最大月輸沙量出現(xiàn)在8月上旬。

表2 靖遠(yuǎn)站輸沙量年內(nèi)分配指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

1.3 輸沙量演變規(guī)律分析

(1)年際變化規(guī)律。繪制祖厲河各代表水文站實(shí)測(cè)輸沙過程線、差積曲線如圖3、4所示。可以看出，祖厲河各代表水文站實(shí)測(cè)輸沙過程線變化基本一致，1970年以前呈遞增趨勢(shì)，從1970年開始穩(wěn)中有減，2000年以來遞減速度加快。2000年以前平均輸沙模數(shù)為5 200 t/(km2·a)[4-5]，2012年輸沙模數(shù)減少到4 235 t/(km2·a)，年輸沙量減少了1 030萬t，這是修

圖3 代表水文站實(shí)測(cè)輸沙量過程線

圖4 代表水文站實(shí)測(cè)輸沙量差積曲線

建河堤加固防洪工程減輕河道兩岸侵蝕、水土保持綜合治理及攔蓄工程攔截泥沙等綜合作用的結(jié)果。

(2)輸沙量突變分析。通過對(duì)各站輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，綜合判斷系列資料的突變情況，若統(tǒng)計(jì)量大于臨界值T(α/2)，則表明α=0.05的顯著水平下突變顯著。以突變點(diǎn)為界，分別計(jì)算突變前后的均值及跳躍量，計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明，祖厲河會(huì)寧、郭城驛、靖遠(yuǎn)3個(gè)水文站輸沙量均發(fā)生顯著突變，突變點(diǎn)分別為1978、1996、1964年，突變后比突變前輸沙量分別減少了362萬、1 950萬、4 938萬t/a。

表3 代表水文站輸沙量突變計(jì)算結(jié)果

(3)輸沙量變化趨勢(shì)分析?？驳聽栔却蜗嚓P(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢(shì)相關(guān)等統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[6]是分析水文氣象數(shù)據(jù)的有效方法，當(dāng)給定顯著水平α后，查得對(duì)應(yīng)的臨界值，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量小于臨界值時(shí)則趨勢(shì)不顯著，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量大于臨界值時(shí)則趨勢(shì)顯著。建立各站輸沙量(Y)與年份(X)的趨勢(shì)方程，應(yīng)用以上方法進(jìn)行趨勢(shì)分析，綜合判斷趨勢(shì)變化情況，分析結(jié)果見表4?？梢钥闯觯鎱柡痈闪?個(gè)水文站輸沙量均呈顯著減少趨勢(shì)，其中下游靖遠(yuǎn)站輸沙量減少的速率最大。

2 氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的影響分析

2.1 綜合影響效應(yīng)

以靖遠(yuǎn)站輸沙量序列的突變點(diǎn)為分界點(diǎn)， 對(duì)實(shí)測(cè)輸沙量序列進(jìn)行還原， 并建立如下關(guān)系模型：Ws=124.06W0.518，其中Ws為年輸沙量、W為年徑流量。

表4 代表水文站輸沙量趨勢(shì)分析

根據(jù)模型計(jì)算模擬過程的輸沙量，即為還原的不受人類活動(dòng)和氣候變化影響的河流輸沙量，將不同年代模擬年輸沙量與實(shí)測(cè)年輸沙量進(jìn)行比較，見圖5、表5。從圖5、表5可以看出，靖遠(yuǎn)站各年代輸沙量實(shí)測(cè)值均小于模型輸出值，且2000年以后相差較大，說明在人類活動(dòng)和氣候變化共同影響下祖厲河輸沙量呈減少趨勢(shì)，2000年以后減少劇烈。

圖5 祖厲河年輸沙量實(shí)測(cè)值與模型輸出值對(duì)比

年代實(shí)測(cè)年平均輸沙量(萬t)模擬年平均輸沙量(萬t)差值(萬t)占模擬年平均輸沙量比例(%)20世紀(jì)70年代以前73279964-2637-26．520世紀(jì)70年代44447865-3421-43．520世紀(jì)80年代39207919-3999-50．520世紀(jì)90年代42138014-3801-47．42000年以來17056382-4678-73．3全系列45098157-3647-44．7

2.2 定量影響分析

降水是地表產(chǎn)沙的動(dòng)力條件，對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙有直接影響。以降水為氣候變化影響代表因素，建立數(shù)學(xué)模型，可以定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的影響[7]。選取靖遠(yuǎn)水文站年降水長(zhǎng)系列資料進(jìn)行分析，為了消除降水的影響，令E=Ws/P，其中E為侵蝕率(t/mm)、Ws為輸沙量(萬t)、P為降水量(mm)。

以上分析結(jié)果表明，20世紀(jì)80年代氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為4.3%和95.7%，90年代分別為 0.8%和99.2%，2001—2010年分別為13.0%和87.0%，說明氣候?qū)ψ鎱柡幽嗌匙兓挠绊懞苄?，?0世紀(jì)80年代以來人類活動(dòng)對(duì)泥沙的影響一直起主導(dǎo)作用。 1981—2010年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)祖厲河輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為11.0%和89.0%。2000年以來人類活動(dòng)對(duì)祖厲河泥沙減少的影響呈減弱趨勢(shì)。

表6 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)祖厲河輸沙量影響程度計(jì)算結(jié)果(靖遠(yuǎn)站)

3 結(jié) 論

通過以上分析，1955—2012年祖厲河輸沙量的變化，以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化影響的結(jié)果如下：

(1)輸沙量顯著減少。祖厲河多年平均輸沙量為4 523萬t，從1970年開始穩(wěn)中有減，2000年以后遞減速度加快，2012年輸沙量比2000年減少了1 030萬t。

(2)輸沙量發(fā)生突變。會(huì)寧、郭城驛、靖遠(yuǎn)3個(gè)水文站輸沙量均發(fā)生顯著突變，突變點(diǎn)分別為1978、1996、1964年，突變后比突變前輸沙量分別減少了362萬、1 950萬、4 938萬t/a。

(3)在氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下祖厲河輸沙量呈減少趨勢(shì)。氣候變化對(duì)祖厲河輸沙量減少的影響很小，人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減少起主導(dǎo)作用。2000年以來人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的影響呈減弱趨勢(shì)。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2017)02-0035-04

崔亮(1982—)，男，陜西鳳翔縣人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水文分析計(jì)算工作。

2016-09-20