罕臺(tái)川流域水沙演變過程及驅(qū)動(dòng)因素分析

劉 璐，郭月峰，姚云峰，祁 偉，2，劉曉宇，楊 燕

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)站，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020）

罕臺(tái)川為黃河內(nèi)蒙古段十大孔兌（孔兌即山洪溝）之一，其生態(tài)環(huán)境惡劣，水土流失嚴(yán)重，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，防洪形勢(shì)嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，山洪泥沙容易形成沙壩，堵塞黃河［1-2］，是主要的水土流失治理區(qū)域。

十大孔兌是位于黃河上游寧蒙河段的10條季節(jié)性支流，其由南向北并列匯入黃河，在暴雨的作用下極易形成高含沙洪水，造成黃河上游三湖河口至頭道拐段的淤積［3］。目前針對(duì)十大孔兌典型流域西柳溝的研究較多，許炯心［4］對(duì)十大孔兌侵蝕產(chǎn)沙的時(shí)空變化及成因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)流域輸沙量集中于大雨大沙年份，產(chǎn)沙模數(shù)具有明顯的空間分異特征，其變化過程主要是由暴雨特征的差異與流域下墊面的變化引起的；劉韜等［5］、王平等［6］、Qin等［7］主要從十大孔兌暴雨洪水產(chǎn)沙輸沙關(guān)系、黃河上游孔兌高含沙洪水特點(diǎn)與沖淤特性、西柳溝流域暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系、內(nèi)蒙古河段沖淤演變過程對(duì)水沙的響應(yīng)等方面進(jìn)行水沙相關(guān)特性分析研究；李璇［8］、張建等［9］分別對(duì)西柳溝流域水沙流失特點(diǎn)及治理措施、十大孔兌水沙特性及治理措施進(jìn)行了探討研究；冉大川等［10］、劉通等［11］分別對(duì)西柳溝流域水沙變化進(jìn)行成因分析，結(jié)果表明人類活動(dòng)與降水影響權(quán)重之比為0.45∶0.55，人類活動(dòng)特別是水土保持和退耕還林還草，是影響該流域徑流泥沙過程變化的主要因素；斯琴等［12］對(duì)罕臺(tái)川流域進(jìn)行水沙變化規(guī)律研究后發(fā)現(xiàn)該流域徑流與輸沙關(guān)系密切，且二者變化趨勢(shì)基本一致。流域水沙變化是全球共同關(guān)注的問題［13-14］，而氣候變化和人類活動(dòng)交互影響下的流域水沙變化是全球泥沙研究的前沿和難點(diǎn)［15］。

鑒于此，基于罕臺(tái)川流域水文資料，研究流域水沙關(guān)系，揭示水沙變化規(guī)律，分析流域水沙減少量以及降水和人類活動(dòng)對(duì)流域水沙變化的貢獻(xiàn)率，以此掌握流域內(nèi)水土流失綜合治理等人類活動(dòng)對(duì)水沙及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響作用，為黃河流域水土流失有效治理提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

罕臺(tái)川干流全長90.4 km，流域面積1 030 km2；水土流失嚴(yán)重［12］，多年平均侵蝕模數(shù)為8 500 t/（km2·a），多年平均徑流量為1 185萬m3，多年平均輸沙量為158萬t；屬于干旱大陸性氣候區(qū)，氣候干燥、風(fēng)大沙多，多年平均降水量為312.9 mm，由南向北逐漸減少，其中風(fēng)沙區(qū)雨量最少，年均200 mm左右。罕臺(tái)川上游為丘陵溝壑區(qū)，是泥沙的主要來源區(qū)，其地表抗蝕能力極差，且植被覆蓋度低，荒坡上優(yōu)勢(shì)植物群落為羊草和針茅，人工種植樹種主要有檸條和沙棘等；中游為風(fēng)沙區(qū)，主要受風(fēng)蝕影響，流動(dòng)沙丘活動(dòng)頻繁，主要植物有油蒿和沙竹；下游為沖積平原區(qū)，溝道坡降變緩，河床淤積嚴(yán)重。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

本次分析利用罕臺(tái)川流域1981—2017年的水文資料。流域水文資料（年徑流量、年輸沙量）來源于鄂爾多斯市達(dá)拉特旗水文站；1983年無實(shí)測(cè)水文資料，采用雙累積曲線法插補(bǔ)得到。流域降水?dāng)?shù)據(jù)來源于水文站以及罕臺(tái)廟、青達(dá)門和耳字壕3個(gè)雨量站。流域水土保持綜合治理資料來自野外實(shí)地調(diào)查、達(dá)拉特旗年報(bào)數(shù)據(jù)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯市水土保持局以及第一次全國水利普查公報(bào)。

1.3 研究方法

采用SAS軟件INSIGHT模塊對(duì)年徑流量和輸沙量進(jìn)行置信橢圓相關(guān)分析，使之落入設(shè)定置信水平區(qū)域，若變量相關(guān)則置信橢圓呈扁長狀，若變量不相關(guān)則置信橢圓呈圓形，變量相關(guān)程度與置信橢圓長半軸的長度成正比，置信橢圓可直觀反映變量相關(guān)程度。

累積距平法［16］是將要素值與其多年平均值的偏差進(jìn)行累積，可以直觀而準(zhǔn)確地表達(dá)罕臺(tái)川流域水沙階段性變化特征?；瑒?dòng)平均法［17］基于水文序列逐年增減新舊數(shù)值并作均值處理，得出新的水文時(shí)間序列，這樣可以消除偶然變動(dòng)因素，體現(xiàn)其變化趨勢(shì)。雙累積曲線法［18-19］可用于分析水文要素的趨勢(shì)性變化及變化強(qiáng)度，本文采用該方法分析罕臺(tái)川流域人類活動(dòng)是否對(duì)徑流、輸沙造成影響及其貢獻(xiàn)率。

繪制罕臺(tái)川流域降水量、輸沙量及徑流量雙累積曲線，將轉(zhuǎn)折變化前視為天然期，轉(zhuǎn)折變化后視為變化期。建立天然期降水量、輸沙量與徑流量關(guān)系曲線擬合模型，從而計(jì)算出變化期年輸沙量和年徑流量模擬值，再利用以下公式計(jì)算降水量及人類活動(dòng)對(duì)流域輸沙量、徑流量變化的貢獻(xiàn)率。

式中:ΔW水（s、w）、ΔW人（s、w）分別為降水及人類活動(dòng)影響輸沙量、徑流量所產(chǎn)生的變化量；R1（s、w）實(shí)測(cè)、R2（s、w）實(shí)測(cè)分別為天然期及變化期輸沙量、徑流量實(shí)測(cè)值，其中s、w分別表示輸沙量、徑流量；R2（s、w）模擬為變化期輸沙量、徑流量模擬值；C水（s、w）、C人（s、w）分別為降水及人類活動(dòng)對(duì)流域輸沙量、徑流量變化的貢獻(xiàn)率。

在數(shù)據(jù)處理過程中利用Excel、SAS9.0、SPSS以及Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、差異顯著性分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域水沙演變過程分析

2.1.1 水沙相關(guān)關(guān)系分析

對(duì)罕臺(tái)川流域輸沙量與徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。由表1可知各時(shí)段輸沙量與徑流量高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.8，對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P值均小于0.05，達(dá)到顯著相關(guān)。

表1 罕臺(tái)川流域輸沙量與徑流量相關(guān)性分析結(jié)果

由徑流量與輸沙量相關(guān)關(guān)系的置信橢圓（見圖1）可以看出，罕臺(tái)川流域1981—2017年輸沙量與徑流量相關(guān)性置信橢圓呈較扁長狀，其中在2000—2009年、2010—2017年輸沙量與徑流量相關(guān)性置信橢圓呈極扁長狀，表明罕臺(tái)川流域徑流量與輸沙量之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖1 罕臺(tái)川流域輸沙量與徑流量相關(guān)性置信橢圓

2.1.2 水沙年際變化分析

選取1981—2017年罕臺(tái)川流域水沙資料進(jìn)行年際變化情況分析，見表2。由表2可知，1981—2017年徑流量及輸沙量變差系數(shù)分別為1.173、2.434，說明近40 a來罕臺(tái)川流域徑流量和輸沙量年際差異顯著，且輸沙量的年際變化程度大于徑流量的。

表2 主要水文要素統(tǒng)計(jì)特征值

1981—1989年罕臺(tái)川流域多年平均徑流量和輸沙量均最大，徑流量和輸沙量以及降水量的變差系數(shù)分別為1.078、1.750、0.284，表明這一期間各水文要素變化顯著、分布不集中，產(chǎn)生的大量徑流和泥沙主要受降水因素的影響。從總體來看，降水量多年變化呈波動(dòng)狀，變差系數(shù)變化幅度較小，但徑流量與輸沙量變差系數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，徑流量和輸沙量的多年平均值逐年代減小，且近些年在降水量增加的情況下對(duì)降水的響應(yīng)趨于遲緩。

2.1.3 水沙變化趨勢(shì)分析

由圖2～圖4可見，罕臺(tái)川流域年輸沙量和年徑流量均有波動(dòng)，年徑流量變化幅度更加明顯。從水沙滑動(dòng)平均變化曲線可以看出自1998年開始徑流量和輸沙量總體呈下降趨勢(shì)，其中輸沙量下降趨勢(shì)更加顯著。與徑流輸沙變化趨勢(shì)不同，總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，多年平均降水量為317.6 mm。

水沙變化表現(xiàn)為3個(gè)階段（見圖4）:①1981—1993年，徑流量和輸沙量處于明顯波動(dòng)狀態(tài)，其中1989年徑流量與輸沙量呈驟升趨勢(shì)與該年雨量強(qiáng)度大有關(guān)；②1994—1998年，徑流量和輸沙量處于上升趨勢(shì)，可能與同期降水量較大有關(guān)；③1998—2017年，罕臺(tái)川徑流量及輸沙量持續(xù)顯著下降。

圖2 罕臺(tái)川流域年徑流量和輸沙量累積距平變化情況

圖3 罕臺(tái)川流域年降水量波動(dòng)變化趨勢(shì)

圖4 罕臺(tái)川流域年輸沙量、徑流量波動(dòng)變化趨勢(shì)

2.2 流域水沙變化驅(qū)動(dòng)因素分析

2.2.1 徑流量、輸沙量趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的確定

罕臺(tái)川流域徑流量及輸沙量都分別于1989年、1998年發(fā)生明顯的趨勢(shì)性變化（見圖5）。1989年趨勢(shì)性變化主要是因?yàn)樵撃攴莅l(fā)生暴雨。1998年趨勢(shì)性變化主要是因?yàn)樵摿饔蛴?0世紀(jì)90年代開始建設(shè)骨干壩、開展水土流失綜合治理等，人類活動(dòng)對(duì)流域徑流量、輸沙量變化發(fā)揮了作用，且該時(shí)段降水量未有明顯的波動(dòng)變化。因此，以1981—1997年為天然期，以1998—2017年為變化期。

圖5 罕臺(tái)川流域輸沙量和徑流量與降水量雙累積趨勢(shì)變化

2.2.2 降水產(chǎn)流產(chǎn)沙擬合函數(shù)的建立

基于Excel軟件將罕臺(tái)川流域天然期徑流量、輸沙量的累積值分別與年降水量的累積值進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的擬合函數(shù)，并對(duì)擬合函數(shù)進(jìn)行F顯著性檢驗(yàn)。將罕臺(tái)川流域1981—2017年降水量的累積值分別代入輸沙、徑流擬合函數(shù)，計(jì)算得到該流域1981—2017年累積年徑流量、累積年輸沙量的模擬值。

降水產(chǎn)沙擬合函數(shù)為

式中:S為累積輸沙量，萬t；X為累積降水量，mm。

該擬合函數(shù)在P＜0.001的顯著性水平上通過F檢驗(yàn)，說明該函數(shù)可靠性強(qiáng)，達(dá)到極顯著相關(guān)，可作為計(jì)算模擬值依據(jù)。

降水產(chǎn)流擬合函數(shù)為

式中:W為累積徑流量，萬m3。

該擬合函數(shù)在P＜0.001的顯著性水平上通過F檢驗(yàn)，說明該函數(shù)可靠性強(qiáng)，達(dá)到極顯著相關(guān)，可作為計(jì)算模擬值依據(jù)。

基于產(chǎn)流產(chǎn)沙擬合函數(shù)，分別計(jì)算罕臺(tái)川流域1981—2017年（缺1983年實(shí)測(cè)資料）累積年徑流量及累積年輸沙量，再與1998—2017年（變化期）累積年徑流量及累積年輸沙量實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較（見圖6）。1981—1997年（天然期）徑流量及輸沙量的模擬值與同期實(shí)測(cè)值基本吻合，而1998—2017年徑流量及輸沙量模擬值均大于實(shí)測(cè)值，且輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值差異程度大于徑流量差異程度。

圖6 罕臺(tái)川流域年徑流量和輸沙量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.2.3 降水與人類活動(dòng)對(duì)水沙變化貢獻(xiàn)率分析

降水及人類活動(dòng)對(duì)水沙變化貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果見表3、表4。1998—2017年（變化期）罕臺(tái)川流域年均減水568萬m3，減少率為43.73%，其中降水對(duì)徑流量減少過程發(fā)揮36.09%的抑制作用，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少過程發(fā)揮136.09%的促進(jìn)作用；1998—2017年（變化期）罕臺(tái)川流域年均減沙222萬t，減少率為80.73%，其中降水對(duì)輸沙量減少過程發(fā)揮6.30%的抑制作用，人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減少過程發(fā)揮106.30%的促進(jìn)作用。罕臺(tái)川流域減沙效果大于減水效果，且其中水土流失綜合治理等人類活動(dòng)為引起1998—2017年徑流量、輸沙量變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

表3 徑流量與輸沙量實(shí)測(cè)值與模擬值計(jì)算結(jié)果

表4 1998—2017年降水及人類活動(dòng)對(duì)水沙變化貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）罕臺(tái)川流域徑流量和輸沙量年際間變化極為顯著，輸沙量的年際變化程度大于徑流量的；1981—2017年輸沙量與徑流量高度相關(guān)，水沙相關(guān)系數(shù)R2均大于0.8（P＜0.05），達(dá)到顯著性水平。

（2）罕臺(tái)川流域自20世紀(jì)90年代開始實(shí)施水保措施以來輸沙量和徑流量呈下降趨勢(shì)，在降水量呈上升趨勢(shì)時(shí)徑流量和輸沙量對(duì)降水的響應(yīng)趨于遲緩。

（3）降水及人類活動(dòng)對(duì)水沙變化貢獻(xiàn)率的計(jì)算結(jié)果表明，該流域減沙效果大于減水效果，降水對(duì)水沙減少過程發(fā)揮抑制作用，人類活動(dòng)對(duì)水沙減少過程發(fā)揮促進(jìn)作用；水土流失綜合治理等人類活動(dòng)是引起1998—2017年徑流量、輸沙量減少的主要驅(qū)動(dòng)因素，罕臺(tái)川流域自20世紀(jì)90年代以來水土流失綜合治理取得顯著成效。