汀江流域長汀段水沙變化特征及其影響因素

王 赫，朱秀端，林敬蘭，朱能飛，林根根，蔣芳市，黃炎和，林金石

(1.福建農林大學，福州 350002；2.福建省南平市水土保持中心，福建 南平 353000；3.福建省水土保持試驗站，福州 350001；4.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西 宜春 336000；5.長汀縣水土保持站，福建 長汀 366300)

水土流失是全球最嚴重的環(huán)境問題之一，直接威脅著區(qū)域生態(tài)安全和社會經濟可持續(xù)發(fā)展。我國是世界上水土流失的重災區(qū)，水土流失總面積占全國國土面積的28.6%，其中以黃土高原地區(qū)最為嚴重。而南方紅壤區(qū)因其特殊的自然條件(降雨模式、溫度、土壤屬性、地形因素等)加之人為活動頻繁，水土流失強烈，同樣不容忽視。

水沙過程是地表物質循環(huán)的重要組分，也是直接受到土壤侵蝕影響的環(huán)節(jié)之一。因此，分析流域徑流、輸沙的變化特征，已成為間接研究流域土壤侵蝕的重要手段。國內有關水沙的研究主要集中于黃河流域，且已較為成熟。通常依托長時序的徑流、泥沙數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計方法檢測流域徑流、輸沙的演變趨勢及特征，利用雙累積曲線法、累積斜率變化率法或通過模型假定情景等研究氣候變化和人為活動對水沙變化的貢獻率。大量針對黃河水沙變化的定量演變特征研究及其驅動機制的定性分析取得了較為一致的結論，即黃河的徑流和輸沙主要在中下游呈現(xiàn)出明顯減小趨勢，人為活動則是這種變化的主要驅動力，其中水土保持所起的作用不容忽視。然而，受自然和人為因素影響，南方紅壤區(qū)水土流失狀況與黃土高原地區(qū)存在本質差異，從而直接導致二者河流水沙過程的不同。已有研究發(fā)現(xiàn)，南方流域降雨及徑流未發(fā)生明顯變化，而輸沙呈現(xiàn)顯著的減少趨勢，水利工程、水土保持措施等是引起輸沙減少的主要原因，但由于水沙研究的相對缺乏，對于南方紅壤區(qū)水沙的演變規(guī)律及其驅動機制目前尚未得到較統(tǒng)一的結論。在不斷變化的氣候環(huán)境和復雜的人為活動影響背景下，南方紅壤區(qū)的水沙變化及內在關系有何特征，對降雨和人為活動如何響應，是目前亟待研究和解決的問題。

福建省長汀縣是我國南方紅壤地帶典型的強度土壤侵蝕區(qū)，2000年以來，長汀縣水土流失受到高度重視，開始了持續(xù)、規(guī)范、科學的水土保持工作，成為南方紅壤區(qū)水土流失治理的典范。河流輸沙是區(qū)域水土流失的集中體現(xiàn)，然而，作為南方水土保持的關鍵示范區(qū)，有關長汀區(qū)域水沙演變方面的研究僅進行了初步的變化特征分析，河流水沙關系演變、水沙變化驅動機制及其對區(qū)域水土流失治理的響應等機理性研究則少之又少，導致對于該區(qū)域河流水沙變化與水土流失治理關系的認識遠遠不足，這嚴重限制了長汀地區(qū)乃至南方紅壤區(qū)水土保持措施效益、效果的評價，以及區(qū)域水土流失治理工作的進一步實施和完善。本文基于汀江流域長汀段觀音橋站和上杭站1982—2014年徑流、輸沙數(shù)據(jù)，采用完備集合經驗模態(tài)分解法(CEEMDAN)、Mann-Kendall檢驗法和Pettitt檢驗法確定水沙序列的宏觀變化趨勢及周期性特征，并分析突變前后的水沙關系，探討氣候和人為活動對水沙變化的影響。研究結果對揭示南方紅壤區(qū)的水沙變化特征及其影響因素，探討區(qū)域水土流失治理及流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

汀江為福建省第三大河流，閩西最大河流，全長322 km，發(fā)源于武夷山南段東南部，主干流流經長汀、武平、上杭、永定4縣后流入廣東省。汀江流域面積11 802 km，長汀縣境內河道長153.7 km，控制面積2 602 km，河道坡降1.89‰，水流湍急。長汀段有觀音橋和上杭2個水文站點，觀音橋站位于長汀縣大同鎮(zhèn)黃屋村，距離河口260 m；上杭站位于上杭縣臨城鎮(zhèn)水西村，距離河口112 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置

長汀縣(116°00′45″—116°39′20″E，25°18′40″—26°02′05″N)位于福建省龍巖市西部，總面積3 089.9 km，是長汀段徑流、泥沙的主要來源地。長汀縣屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫19 ℃，年降水量1 500 mm以上，降水主要集中于4—6月?？h域內多山地丘陵，主城區(qū)位于長汀中部，四周環(huán)山，村鎮(zhèn)零星分布。土壤成土母質多以花崗巖為主，因雨量充沛，年內分配不均，導致風化作用強烈，易受侵蝕。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，原生植被存留較少，多數(shù)為人工林和次生林，且以馬尾松為主的針葉林居多。獨特的自然條件加之多年來的人為破壞導致長汀縣一度成為我國南方紅壤區(qū)水土流失最為嚴重的縣域之一，因此，其水土流失治理工作也受到了廣泛的關注。2000年2月，福建省委、省政府將長汀縣水土流失綜合治理列為全省為民辦實事項目之一，此后每年由省級有關部門扶持1 000萬元資金，長汀縣水土流失治理由此步入規(guī)范、科學化治理階段。據(jù)統(tǒng)計，至2018年全縣水土流失面積246.45 km，與1999年相比減少近492 km，水土保持成效突出。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用數(shù)據(jù)為汀江流域長汀段觀音橋站(116°22′41.4″E，25°50′45.1″N)和上杭站(116°25′24.6″E，25°4′40.2″N)2個水文站點的降雨量、徑流量、輸沙率逐月實測數(shù)據(jù)，時間序列為1982年1月至2014年12月。其中觀音橋站位于上游，上杭站位于下游，兩站點間支流大多位于長汀縣境內，僅一條支流由武平縣流入，因此站點間控制區(qū)域主要屬于長汀縣，其水文數(shù)據(jù)與長汀縣生態(tài)環(huán)境和水土流失狀況密切相關。流域平均降雨量按克里金插值法計算得到。長汀縣水土保持措施數(shù)據(jù)來自長汀縣水土保持科教園，時間序列為1983—2014年。

1.3 研究方法

1.3.1 完備集合經驗模態(tài)分解法CEEMDAN 完備集合經驗模態(tài)分解法(CEEMDAN)于2011年由Torres等提出，是一種基于經驗模態(tài)分解法(EMD)的改進算法。EMD為自適應信號時頻分析方法，其原理是將原始信號按層分解，得到一系列頻率不同的本征模函數(shù)分量，并根據(jù)瞬時頻率高低將本征模函數(shù)分量從中分離。與廣泛應用于水文序列周期性分析的小波分析方法相比，EMD算法最大的優(yōu)點是克服了基函數(shù)無適應性問題，但其在分解過程中可能存在模態(tài)混疊、端點效應等缺陷。

CEEMDAN方法在EMD基礎上，解決了模態(tài)混疊問題，是在EMD分解過程中的各個階段添加有限方差約束的多組獨立同分布自適應高斯白噪聲，以實現(xiàn)對非平穩(wěn)原始信號不同頻率成分的提取。對于某一給定的水文時間序列()，()表示均值為0，方差為1的白噪聲，CEEMDAN分解過程為：

(1)在水文序列()中加入白噪聲()，第(=1，2，…，)次的信號表示為：

()=()+()

(1)

(2)對第次加入白噪聲的信號()進行EMD分解并進行次試驗平均，分解第次信號()得到相應的模態(tài)分量IMF，則第一階模態(tài)分量IMF為：

(2)

殘差()為：

()=()-IMF

(3)

(3)在殘差()中加入白噪聲()，進行次試驗，第次的信號表示為：

1()=()+()

(4)

(4)對第次加入白噪聲的信號()進行EMD分解并進行次試驗平均，分解第次信號()得到相應的模態(tài)分量IMF，則第二階模態(tài)分量IMF為：

(5)

殘差()為：

()=()-IMF

(6)

(5)重復(3)、(4)步驟以計算下一階模態(tài)IMF，直到殘差()滿足以下任一條件時終止分解：①無法被EMD進一步分解；②IMF分量滿足相應條件；③局部極值點的數(shù)量小于3個。最終，水文序列()可分解為若干個IMF分量和一個趨勢項(即())：

(7)

1.3.2 Mann-Kendall檢驗和Pettitt突變點檢驗法 長時間的水文序列因受到各種因素影響往往呈現(xiàn)出一定的變化趨勢，同時可能在某一時間節(jié)點上產生不一致性，這一節(jié)點即為水文的突變點。為了確定長時間水文序列的變化趨勢及突變特征，本研究采用非參數(shù)Mann-Kendall 趨勢檢驗法，簡稱M-K法，對汀江流域長汀段1982—2014年降雨、徑流和輸沙序列進行趨勢統(tǒng)計分析，并采用Pettitt突變點檢驗法判斷徑流和輸沙序列是否存在突變年份。

1.3.3 水沙關系模型 含沙量(或輸沙率)與流量擬合得到的曲線被稱為水沙關系曲線(sediment rating curve, SRC)，是了解復雜水沙關系的有效模型，SRC曲線中徑流被認為是自變量，影響流域土壤侵蝕—搬運—沉積的過程。研究發(fā)現(xiàn)，徑流量與含沙量(或輸沙率)通常為冪函數(shù)關系：

SSC=·

(8)

式中：SSC為含沙量(kg/m)；為徑流量(m/s)；參數(shù)為來沙系數(shù)，表示單位流量時的輸沙率，其值越大則單位流量時的輸沙率越大，用以反映水流的輸沙能力；參數(shù)與流域下墊面情況有關。

SRC曲線具有構建簡單、對數(shù)據(jù)分布及大小要求低等特點，可較好地量化流域泥沙輸移過程，因此在水沙關系中應用較為廣泛。

1.3.4 雙累積曲線法 雙累積曲線是一種廣泛應用于估算降雨和人為活動對徑流、輸沙影響的方法，具有簡單、直觀等優(yōu)點。當流域未受到人為活動影響或人為活動的影響有限時，降雨—徑流、降雨—輸沙的雙累積曲線近乎一條直線，當流域受到水利工程、水土保持等人為活動影響較大時，降雨—徑流、降雨—輸沙的雙累積曲線發(fā)生偏折。通常將發(fā)生突變(發(fā)生偏折)前的時段作為基準期，建立累積降雨量與累積徑流或輸沙的線性回歸方程，將突變后的降雨量代入回歸方程中估算未受到人為活動影響的徑流量或輸沙量，從而計算降雨及人為活動對水沙變化的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 徑流與輸沙的年際變化特征

長時序的水沙數(shù)據(jù)包含著復雜的多時間尺度周期性變化特征和宏觀變化趨勢，應用CEEMDAN方法可將1982—2014年觀音橋水文站、上杭水文站徑流量、輸沙率序列分解為不同時間尺度的模態(tài)分量IMF和趨勢項，其中各IMF可反映特定的時間尺度下徑流量和輸沙率的周期性變化以及振幅隨時間的演變過程，則反映了徑流量和輸沙率在1982—2014年間的宏觀變化趨勢，它的上升或下降說明了原始水沙序列的非平穩(wěn)性。

觀音橋站和上杭站徑流量序列分解后均得到3個IMF分量(圖2、圖3)，通過FFT功率譜法計算得到觀音橋站徑流量IMF1、IMF2、IMF3的平均周期分別為2.2，8.25，16.5 a，上杭站徑流量3個IMF的平均周期分別為2.2，16.5，11.0 a。觀音橋站輸沙率序列分解后得到2個IMF分量(圖2)，平均周期分別為3.3，11.0 a，上杭站輸沙率序列分解后得到3個IMF分量(圖3)，平均周期分別為3.3，11.0，33.0 a，2個站點輸沙率的周期性變化基本一致。

圖2 觀音橋站年均徑流量和輸沙率IMF分量

圖3 上杭站年均徑流量和輸沙率IMF分量

因受到降雨和氣候系統(tǒng)的年際變化影響，長汀段上、下游2個站點的徑流和輸沙在短周期變化上基本一致，但隨著周期與振幅的增加，上、下游逐漸顯現(xiàn)出一定差異。河流水沙的周期性特征還受到人為活動的影響，因此長汀段上、下游水沙的周期性差異可能與區(qū)間內頻繁的人為活動相關，而同一水文站徑流和輸沙的周期變化也存在不同步現(xiàn)象，不同影響因素對徑流、輸沙變化的貢獻率不同可能是造成這種現(xiàn)象的主要原因。

從2個站點徑流量、輸沙率序列分解后得到的趨勢項(圖4)中可以看出，1982—2014年期間，上游觀音橋站徑流量趨勢線較平穩(wěn)，無明顯變化幅度，下游上杭站則具有一定的減小趨勢，但在2000年以后趨向于平穩(wěn)狀態(tài)。上游觀音橋站輸沙率于1982—1996年期間緩慢上升，1997—2014年期間逐漸減小，而下游上杭站輸沙率則始終呈現(xiàn)出減小的趨勢，且下降幅度較大。采用M-K法對徑流、輸沙及降雨變化趨勢進行檢驗(表1)結果表明，1982—2014年期間2個站點徑流量、輸沙率及降雨量均呈現(xiàn)出一定的減小趨勢，但僅下游上杭站輸沙率減小明顯，這與CEEMDAN法分解得到的趨勢項結果基本一致。由此可確定在1982—2014年期間，汀江流域長汀段降雨及徑流量呈現(xiàn)出不顯著的減小趨勢，輸沙率則顯著降低(<0.01)，這與長汀段已有的研究結果基本相符。

表1 汀江流域長汀段年徑流量與輸沙率變化趨勢M-K檢驗

圖4 年均徑流及輸沙趨勢項R

2.2 徑流與輸沙突變分析

采用Pettitt突變點檢驗法對觀音橋站和上杭站年徑流量和輸沙率的突變特征(圖5)進行分析，檢驗結果表明，觀音橋站徑流量序列(圖5a)于2000年出現(xiàn)拐點，上杭站徑流量序列(圖5b)于1998年出現(xiàn)拐點，但2個站點徑流量序列的統(tǒng)計值均未達到0.05顯著性水平，說明1982—2014年期間兩站點徑流未發(fā)生顯著突變。2個站點輸沙率序列(圖5c、圖5d)均于2000年出現(xiàn)拐點，其中觀音橋站未達到顯著性水平，上杭站則拐點明顯，且達到0.01顯著性水平，即2000年為下游上杭站輸沙發(fā)生突變的年份。

圖5 長汀段年均徑流量與輸沙率序列Pettitt突變點檢驗

綜合上下游站點徑流和輸沙突變特征可知，長汀段區(qū)間內輸沙狀況在2000年后發(fā)生了顯著突變，王振平采用累積距平法檢驗長汀段徑流量和輸沙率發(fā)生突變的時間也得到相似的結論。從2000年起，福建省委、省政府將治理長汀縣水土流失連續(xù)列入為民辦實事項目，開啟了長汀縣規(guī)?；亮魇е卫淼碾A段，這可能是輸沙狀況發(fā)生突變的根本原因。

2.3 長汀段水沙關系變化分析

流域水沙序列發(fā)生突變往往與水沙關系的變化有關，水沙關系是研究流域水沙的重要內容。為了進一步探討汀江流域長汀段水沙變化原因，根據(jù)2個水文站點徑流與輸沙突變分析結果(觀音橋站水沙未發(fā)生突變，上杭站輸沙率在2000年發(fā)生突變)，分別建立觀音橋站及上杭站突變前后水沙關系曲線SRC進行對比。

由圖6可知，觀音橋站含沙量及上杭站突變前含沙量均主要集中在0～0.2 kg/m，而上杭站突變后含沙量主要集中在0～0.1 kg/m，與前兩者相比突變后徑流含沙量整體下降。SRC曲線表明，觀音橋站與突變前上杭站的水沙關系基本一致，二者SRC曲線的系數(shù)，均較為相近，而突變后上杭站SRC曲線的來沙系數(shù)顯著減小，與前兩者系數(shù)不在同一數(shù)量級。說明突變后長汀段區(qū)間內水沙關系發(fā)生明顯變化，可能是由于區(qū)域侵蝕產沙量大大減少或徑流的輸沙能力顯著降低導致的。

圖6 汀江流域長汀段不同時期含沙量—徑流曲線(SRC)

2.4 長汀段徑流與輸沙影響因素分析

區(qū)域內的水沙關系變化是由該區(qū)域產流、產沙、泥沙搬運及沉積等一系列復雜過程所決定，最終可通過上下游站點徑流和輸沙的變化量進行體現(xiàn)，而影響這些過程的主要因素分為自然因素和人為因素。

上下游站點間降雨—徑流變化量、降雨—輸沙變化量的雙累積曲線(圖7)顯示，二者均在2000年后發(fā)生不同程度的偏移，其中降雨—徑流變化量雙累積曲線的偏移程度較小，而降雨—輸沙變化量的雙累積曲線偏移程度大，趨勢斜率明顯降低，這與徑流與輸沙的Pettitt突變點檢驗結果一致。由此，結合長汀段水沙關系變化分析結果，將汀江流域長汀段徑流、輸沙變化劃分為2個階段：基準期(1982—2000年)，人為活動影響較為有限的時期，該時段內徑流和輸沙主要受到自然因素降雨的影響；變化期(2001—2014年)，出現(xiàn)大規(guī)模的人為活動，如水土保持、水利工程等影響區(qū)域內土壤侵蝕等過程，進而影響徑流和輸沙變化。通過擬合基準期降雨—徑流變化量和降雨-輸沙變化量雙累積曲線方程計算變化期(突變后)累積徑流和輸沙變化量(表2)，與計算累積(1982—2014年)徑流變化量相比，實測累積徑流變化量減少5.14%，而實測累積輸沙變化量則比計算累積輸沙變化量減小27.47%，減少幅度明顯大于累積徑流變化量的減少幅度。

表2 雙累積曲線線性回歸估算

圖7 降雨與徑流、輸沙變化量的雙累積曲線

將變化期的各年降水資料代入雙累積曲線建立的回歸方程，得到計算徑流變化量和輸沙變化量。不同時段計算值的差異，為降水變化的影響；同期計算值與實測值的差異，為人為活動的影響。從表3可以看出，在變化期(2001—2014年)降雨對2個站點徑流變化量的貢獻率在19%～32%，人為活動對徑流變化量的貢獻率在68%～81%，人為活動影響的貢獻率大于降雨的貢獻率；降雨對輸沙變化量的貢獻率在2%～10%，人為活動影響的貢獻率則達到90%～98%，人為活動影響輸沙變化的貢獻率也大于降雨，且在變化期內，人為活動影響的貢獻率有逐漸增大的趨勢。同時，綜合降雨與人為活動對長汀段徑流和輸沙變化量的影響分析發(fā)現(xiàn)，人為活動對于減少輸沙的貢獻大于減少徑流的貢獻，這也進一步對汀江流域長汀段徑流、輸沙變化特征和突變前后水沙關系的變化進行了解釋。

表3 汀江流域長汀段徑流與輸沙影響因素分析

3 討 論

河川的水沙變化是由氣候和人為活動共同作用的結果，然而兩大影響因素在不同時期的貢獻率不同。通常認為，氣候因素的貢獻率不斷降低，人為活動的貢獻率持續(xù)增加。本研究結果表明，2000年以后汀江流域長汀段徑流量和輸沙率均有所減小，且輸沙率減小明顯，其中人為活動對這種變化的貢獻率遠大于氣候因素。

長汀段位于南方紅壤區(qū)，年降雨量大，且多年來未出現(xiàn)明顯的減少趨勢，因此降雨對水沙變化的影響較小。而該區(qū)域受到的人為活動因素中影響最為廣泛的即為2000年以后大規(guī)模的水土流失治理工程。作為南方典型水土流失區(qū)，長汀地區(qū)水土流失具有侵蝕地塊呈點斑狀分布，隱蔽性強，潛在危險性大，崩崗侵蝕劇烈，森林覆蓋率較高，但大量林地結構單一，林下水土流失嚴重等特點。因此，水土流失治理以崩崗綜合治理、侵蝕退化林地治理、坡地果(茶)園綜合治理、坡耕地水土流失綜合治理等模式為主。由圖8可知，2000年以后，長汀縣封禁治理、生態(tài)林草、低效林改造、經果林、坡耕地改造等水土保持措施面積迅速增加，其中以封禁治理最為突出。上述措施主要通過增加地表植被覆蓋率，可攔截降雨、改良土壤和增加入滲，進而降低地表徑流、泥沙，通過坡改梯和坡面蓄水、排水，可有效防止土地退化，減少坡面產流輸沙，最終使流域內侵蝕產沙量減少，這恰好與長汀段自2000年后河流含沙量顯著降低的現(xiàn)象相對應。由此可見，長汀水土流失治理對于該區(qū)域輸沙量銳減起到了關鍵的作用。許多針對南方其他流域水沙變化的研究也得到了相似的結論。但不同水土保持措施防治流域侵蝕產沙的作用機理不同，導致流域水沙對不同水土保持措施體系的響應也不同。由于南方流域水土保持措施的實施情況參差不齊，大多未形成完善的措施體系，且水庫等水利工程星羅棋布，影響因素較多，不利于研究區(qū)域水沙變化與水土流失治理的關系及對其成效的科學評價。長汀水土流失治理具有持續(xù)時間長、措施體系完善等特點，是南方水土保持的典型代表，但該地區(qū)所實施的水土保持措施對當?shù)睾恿鲝搅鬏斏车挠绊懠皟仍跈C制等仍然不明，相關研究需要進一步深入探討。

圖8 1983-2014年長汀縣水土保持措施面積

4 結 論

(1)1982—2014年，年際尺度下汀江流域長汀段降雨和徑流呈現(xiàn)不顯著的減小趨勢，而輸沙率顯著下降，徑流與輸沙的周期性及變化趨勢存在不同步現(xiàn)象。

(2)汀江流域長汀段徑流不存在顯著的突變年份，而輸沙則于2000年發(fā)生明顯突變，突變前徑流含沙量主要集中在0～0.2 kg/m，而突變后含沙量主要在0～0.1 kg/m范圍內?；赟RC曲線分析表明，2000年以后，長汀段進入河道的泥沙量大大減少從而導致突變前后水沙關系發(fā)生變化。

(3)汀江流域長汀段水沙發(fā)生突變后，徑流量和輸沙量均減小，而人為活動是影響徑流和輸沙變化的主要驅動力，其對徑流變化的貢獻率為68%～81%，對輸沙變化的貢獻率為90%～98%。人為活動對輸沙減少的貢獻率明顯大于對徑流減少的貢獻率，其中，以封禁治理、生態(tài)林草等為主的水土保持措施的實施是長汀段徑流、輸沙減少的最重要原因。