黃河中游窟野河流域水沙關系變化特征及其成因分析

劉 強, 蔡學婭, 劉君怡, 王 姣, 李愷怡, 張倩倩, 尉飛鴻, 穆興民

(1.天水師范學院 資源與環(huán)境工程學院, 甘肅 天水 741000; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

氣候變化和人類活動一直以來都是影響流域下墊面的主要因素[1]，使流域內(nèi)的水沙關系發(fā)生明顯變化[2]，是判定河流流域健康甚至于生態(tài)平衡的重要指標[3]。近年來受氣候變化以及黃河流域實施退耕還林還草工程[4]、修建水庫、修建淤地壩和引水引沙等工程措施的影響[5]，使得黃河流域水沙關系產(chǎn)生了重大變化[6]，這對黃河全流域的生態(tài)安全和高質量發(fā)展產(chǎn)生重要影響[7-9]。20世紀50年代至今，眾多學者對水沙變化及其驅動因子進行研究，冉大川[10]以黃河中游地區(qū)皇甫川、窟野河、無定河和三川河為研究對象，分析了實施水土保持措施前后河流泥沙粒徑變化，發(fā)現(xiàn)水土保持措施不僅具有減沙作用，而且還具有明顯的“攔粗排細”作用。張佳等[11]根據(jù)1956—2019年黃河支流水沙資料分析了黃河中游各支流變化趨勢，發(fā)現(xiàn)由于人類活動使得黃河中游各支流徑流量和輸沙量均呈顯著減少趨勢，各支流輸沙量由20世紀50年代的13.5億t/a下降到2012年的3.4億t/a。李二輝等[12]通過采用應用Mann-Kendall秩次相關檢驗、流量歷時曲線法和雙累積曲線分析法，對黃河干流陜縣站和河口鎮(zhèn)站1919—2010年徑流量演變過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)人類活動是區(qū)間徑流減少的主要驅動力。劉強等[13]應用水文分析法定量評估了降水變化和人類活動對皇甫川流域徑流量和輸沙量變化的貢獻率，發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)逐年增強的人類活動是促使皇甫川流域徑流和輸沙減少的主要因素。柳莎莎等[14]根據(jù)1956—2019年年的黃河上、中和下流域實測降水量、徑流量和輸沙量的月際和年際序列資料，采用水文法和對比分析法，分析了流域內(nèi)年徑流量和年輸沙量變化趨勢，發(fā)現(xiàn)人類活動對流域年輸沙量減少的貢獻率快速上升，而氣候變化引起的降水減少對流域年輸沙量減少的貢獻率已不足3%。許炯心[15]利用1956—2019年黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水文輸沙和降水資料，采用水文法和對比分析法對水沙變化情勢進行了研究，發(fā)現(xiàn)人類活動已成為影響黃河中游產(chǎn)沙過程的主導因素。趙陽等[16]以1956—2019年水沙實測資料為基礎，采用雙累積曲線等多種統(tǒng)計分析方法，對黃河干流潼關斷面以上主要干流水文站的水沙演變規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)人類活動對黃河中游水沙銳減占據(jù)主導作用，平均貢獻率達到 90%以上。而姚文藝等[17]采用水文分析法對黃河中游水沙變化特征進行分析，得出氣候變化和人類活動對黃河中游輸沙量變化的貢獻率各為50%。目前分析水沙變化特征的評價體系和技術手段還尚不成熟，對區(qū)分氣候變化還是人類活動成為影響流域水沙變化的主導因素還存在著較大爭議[18]。

作為黃河中游主要干流之一的窟野河流域，占黃河流域面積小，僅只是1%，但是每年進入黃河流域的輸沙量卻占到了6%。近幾十年以來，窟野河流域水沙情勢發(fā)生了巨大的變化，無論是流域徑流量還是輸沙量都呈現(xiàn)顯著下降趨勢，特別是從20世紀70年代以后，這種變化尤為明顯[19]。新時期窟野河水沙將如何變化?引起窟野河流域水沙關系變化的內(nèi)在驅動因素是什么？這些問題都會對窟野河乃至黃河全流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和水沙調(diào)控決策產(chǎn)生重要影響?；诖?，研究基于1956—2019年窟野河流域降水量、徑流量、輸沙量等監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用累積距平法、雙累積曲線等方法，分析窟野河流域水沙周期演變特征，探討氣候變化和人類活動對窟野河流域水沙變化的貢獻率，以期為黃河全流域生態(tài)環(huán)境恢復和高質量發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

窟野河位于北緯38°28′—39°52′，東經(jīng)109°00′—110°52′，是黃河中游河龍區(qū)間的第二大支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東勝市八定溝，全長242 km，流域總面積為8 706 km2，流經(jīng)伊金霍洛旗、陜西府谷，在神木市與支流悖牛川交匯后，匯入黃河?？咭昂恿饔虻孛矎碗s多樣，地勢西北高東南低，河道因河流沖刷多形成深度達150 m以上呈樹枝狀分布的溝谷，地表植被稀少，林草覆蓋率低，下墊面條件復雜，兼有荒漠草原、草甸、人工喬灌以及農(nóng)業(yè)等植被，土壤黏粒顆粒含量少，結構松散，侵蝕狀況嚴重，分布具有地域性，東南部為第四紀黃土所覆蓋，中部主要為砂巖和砂礫巖分布區(qū)域，西部主要為沙質土分布區(qū)域。流域氣候類型為北溫帶半干旱大陸季風氣候，多年平均降水量為419 mm，年內(nèi)變化大，最大降水量主要出現(xiàn)在每年的7月和8月，占全年降水量的55%～65%，在空間上呈東南多西北少分布；多年平均氣溫為8.2℃，最高氣溫出現(xiàn)在每年的7月。土地利用類型以耕地、林地、草地為主，耕地主要分布在流域中部和東南部地勢較低的區(qū)域，林地、草地主要分布在流域東南部和西北部地勢較高的區(qū)域。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究用到的主要數(shù)據(jù)有：(1) 水沙數(shù)據(jù)。徑流和輸沙數(shù)據(jù)來自于窟野河流域出口站溫家川水文站1956—2019年徑流和輸沙數(shù)據(jù)，其中1956—2009年月徑流、月輸沙、年徑流和年輸沙數(shù)據(jù)來自黃河泥沙公報，2010—2019年年徑流、年輸沙數(shù)據(jù)來自黃河流域水文年鑒。(2) 降水數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)來自黃河水利委員會榆林水文勘測局溫家川水文站。

2.2 研究方法

2.2.1 累積距平法 累積距平法通過曲線斜率變化分析在一段時間尺度下發(fā)生轉折的年份，曲線拐點即為變量階段性變化的時間點。當水沙只受降水變化影響時，累積曲線應為一條直線；當水沙受到人類活動因素影響時，直線將會發(fā)生偏移。

2.2.2 Morlet的小波分析 小波函數(shù)是指能夠迅速衰減到0的一類函數(shù)[11]，其表達式為：

3 結果與分析

3.1 降水量、徑流量和輸沙量年際變化特征

窟野河流域多年平均降水量為439.53 mm，介于108.40～818.10 mm，變化速率為0.39 mm/a，p>0.1，未達到顯著性水平，說明窟野河降水量從1956年開始呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(圖1A)。

窟野河多年平均徑流量為3.23億 m3，最大值為13.68億m3，出現(xiàn)在1959年，最小值為1.25億 m3，出現(xiàn)在2012年；徑流量年際變差系數(shù)為0.38，屬中等尺度變異，極值比為13.62，其中1956—1969年變差系數(shù)最大，其值為0.45，1980—1989年變差系數(shù)最小，其值為0.26。徑流量減少速度為0.095 3，p<0.05，達到了顯著水平，表明窟野河徑流量從1956年開始呈現(xiàn)出顯著減小趨勢(圖1B和表1)。

窟野河流域多年平均輸沙量為0.75億t，最大值為1.35億t，出現(xiàn)在1959年，最小值為0.000 1億t，出現(xiàn)在2013年。輸沙量年際變差系數(shù)為0.70，屬中等尺度變異，極值比為14.95，其中2009—2019年變差系數(shù)最大，其值為0.83，1970—1979年變差系數(shù)最小，其值為0.53。輸沙量減少速度為0.023 5億t/a，p<0.05，達到了顯著水平，說明輸沙量從1956年開始呈現(xiàn)出顯著減小趨勢(圖1C和表1)。

圖1 窟野河流域降水量、徑流量和輸沙量變化趨勢

表1 窟野河徑流量與輸沙量年際變化特征值

3.2 徑流量和輸沙量階段性變化特征

從圖2可以看出，徑流量和輸沙量累積距平曲線具有明顯階段性特征。1956—1979年累積距平曲線呈上升趨勢，表明窟野河流域為豐水(沙)期；1980—1997年累積距平曲線呈現(xiàn)出相對平緩趨勢，表明窟野河流域為平水(沙)期；1998—2019年累積距平曲線呈下降趨勢，表明窟野河流域為貧水(沙)期。1956—1979年窟野河徑流量和輸沙量累積距平曲線在1979年之前呈逐漸增大的趨勢，而在1979年之后呈相對的平緩趨勢，表明徑流量和輸沙量在1979年發(fā)生了轉折。1997—2019年窟野河徑流量和輸沙量累積距平曲線在1997年之前呈平緩趨勢，1997年之后呈下降的趨勢，表明徑流量和輸沙量在1997年發(fā)生了轉折。綜合分析累積距平曲線變化趨勢，得出徑流量和輸沙量年際變化的轉折年份為1979年和1997年。

圖2 窟野河年徑流量-年輸沙量的累積距平檢驗

3.3 徑流量與輸沙量的Morlet小波分析

取小波系數(shù)的實部，以年份為橫坐標，時間尺度為縱坐標，繪制窟野河流域徑流量與輸沙量小波系數(shù)實部等值線圖。當小波系數(shù)實部為正數(shù)(實線)時，代表豐水(沙)期，即圖中深色區(qū)域；小波系數(shù)為負數(shù)(虛線)時，代表年徑流(輸沙)枯水(沙)期，即圖中淺色區(qū)域；小波系數(shù)實部為0時是轉折點，代表由豐水(沙)→枯水(沙)期或者枯水(沙)期→豐水(沙)。

從圖3可以看出，窟野河流域年徑流量存在35～65 a和15～34 a時間尺度演變規(guī)律，其中在35～65 a時間尺度上窟野河年徑流存在著豐→枯→豐→枯4個交替變化過程，具有全域性，且在整個研究時域上表現(xiàn)穩(wěn)定，對應著年徑流變化的第一主周期41 a。在15～34 a時間尺度上存在著豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯→豐→枯10個交替變化過程，具有全域性，且在整個研究時域上表現(xiàn)穩(wěn)定。14 a以下時間尺度的周期變化比較雜亂，這表明在小尺度周期下徑流量變化頻繁，規(guī)律差。

圖3 徑流量Morlet小波系數(shù)實部等值線

從圖4可以看出，輸沙量演變過程中存在30～65 a，15～29 a和6～14 a共3類時間尺度的周期變化規(guī)律。在30～65 a時間尺度上存在著少沙→多沙→少沙→多沙→少沙5次交替變化過程，具有全域性，且在整個研究時域上表現(xiàn)穩(wěn)定；在15～29 a時間尺度上存在著少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙11次交替變化過程，具有全域性，且在整個研究時域上表現(xiàn)穩(wěn)定；在6～14 a時間尺度上存在著多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙→多沙→少沙20次交替變化過程，具有全域性，且在整個研究時域上表現(xiàn)穩(wěn)定。5 a以下時間尺度的周期變化無規(guī)律，表明輸沙量在小尺度周期下輸沙量變化頻率高，規(guī)律性差。

圖4 輸沙量Morlet小波系數(shù)實部等值線

3.4 氣候變化和人類活動對徑流量和輸沙量影響的定量分析

根據(jù)累積距平檢驗結果，可將徑流量和輸沙量變化分為3個時段：A(1956—1979年)、B(1980—1997年)和C(1998—2019年)。其中，窟野河流域C(1998—2019年)時期徑流量為2.489億m3，比B(1980—1997年)減少2.582億m3，比A(1956—1979年)減少4.859億m3?？咭昂恿饔駽(1998—2019年)平均輸沙量是0.082億t，比B(1980—1997年)減少了0.683億t，比A(1956—1979年)減少量為1.223億t(表2)。

表2 窟野河流域徑流與輸沙的時期變化

從累積降水量-累積徑流量曲線(圖5A)與累積降水量-累積輸沙量曲線(圖5B)可以看出，關系點分布在趨勢線附近，沒有出現(xiàn)明顯的偏離。1956—1979年的分布點在趨勢線下側，表明此時段內(nèi)同降水量下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對較少，這可能與當時在窟野河流域修建梯田、攔沙壩、淤地壩等水土保持工程措施有關。1980—1997年趨勢線斜率增加，分布點在趨勢線的上側，表明在此時段內(nèi)同降水量下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量增多，并多于1956—1979時段，這可能與1956—1979時段內(nèi)的水土保持工程隨時間推移，大部分都發(fā)生了破損或淤滿而失效，攔沙效益下降，而泥沙產(chǎn)量增多有關。1998—2019年的分布點在趨勢線下側，表明此時段內(nèi)同降水量下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對較少，這可能與當時在窟野河流域施行退耕還林(草)等水土保持工程有密切關系[12]。

圖5 累積降水量與徑流量、輸沙量的雙累積曲線

利用雙累積曲線法[13]，繪制累積徑流量與累積輸沙量關系圖(圖6)。根據(jù)曲線斜率變化，可以將受人類活動影響較小的1956—1979年作為基準期，將1980—1997年和1998—2019年的徑流量與輸沙量實測值與基準期實測值之差為各時段的變化量，然后由回歸方程計算得出預測值與實測值之差為降水因素導致的減少量，人類活動所造成的減少量為總的減少量減去降水因素導致的減少量[14]。

1980—1997年徑流量相比于1956—1979年徑流量減少量為2.28億m3，其中降水因素導致的年徑流減少量為0.32億m3，所占比例為14.25%，人類活動因素導致的徑流減少量為1.96億m3，所占比例為85.75%。1998—2019年徑流量相比于1956—1979年徑流量減少量為4.85億m3，降水因素導致的年徑流量減少量為0.43億m3，所占比例為8.76%，人類活動因素導致的徑流減少量為4.42億m3，所占比例為91.24%(表3)。

圖6 累積年徑流量-輸沙量的雙累積曲線

表3 降水與人類活動對徑流量影響的定量分析

1980—1997年輸沙量相對于1956—1979年輸沙量減少量為0.60億m3，其中降水因素導致的輸沙減少量為0.10億t，所占比例為14.22%，人類活動因素導致的徑流減少量為0.50億t，所占比例為85.78%。1998—2019年相對基準期年徑流量減少量為1.23億m3，降水因素導致的年徑流量減少量為0.08億t，所占比例為6.65%，人類活動因素導致的徑流減少量為1.15億t，所占比例為93.35%(表4)。

表4 降水與人類活動對輸沙量影響的定量分析

4 討 論

本文通過運用線性趨勢分析、累積距平法和雙累積曲線法等方法，分析了窟野河流域水沙周期演變特征，得出窟野河流域降水量從1956年開始呈現(xiàn)不顯著增加趨勢，而徑流量與輸沙量卻呈顯著減小趨勢，降水變化與徑流量、輸沙量變化特征不一致，表明造成窟野河流域水沙減少的因素不是氣候變化引起的降水因素。

人類活動是指人們?yōu)榱松嫺淖兊乇硭偷叵滤目臻g分布和水循環(huán)過程而采取的各種活動。窟野河流經(jīng)的區(qū)域主要位于半干旱區(qū)域，這些地區(qū)長期缺水，并隨著流域內(nèi)人口大規(guī)模增加，沿河灌溉以及對地下水集中連片開采，造成窟野河地表徑流迅速減少[20]。20世紀70年代，窟野河流域開始實施了修建水庫、灌渠、池塘等多種水利工程[21]，以及梯田、淤地壩等多種水土保持工程，這些工程措施對流域水沙的減少起到一定作用[22]。20世紀80年代，窟野河流域發(fā)現(xiàn)大量煤炭資源，儲量占到了全國煤炭儲量的20%，當?shù)厝藗冮_始了大量的煤炭開采，其開采量始終呈增加趨勢。隨著煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，改變了下墊面狀況，使地表徑流的排泄方式受到影響，改變了輸沙方式。從20世紀90年代開始，大規(guī)模的煤炭開采受到政府的高度重視，并開始了專項整治措施。此外，窟野河流域大規(guī)模退耕、還林還草等生態(tài)工程建設，增加了植被的固水保土作用，使受到水土保持效益的面積從1%增長到后來的56%[23]，這些人類活動都對流域的水沙減少起到了作用。2000年以來，國家高度重視黃河流域的生態(tài)安全和高質量發(fā)展，加大在窟野河流域生態(tài)保護投入，建成了一定數(shù)量水庫、淤地壩、塘壩和溝渠，并且這些工程和過去的退耕還林還草等工程一起發(fā)揮作用，使得窟野河流域水沙明顯減少。李慧娟等[20]利用窟野河水文年鑒數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗、突變點檢驗等統(tǒng)計方法，分析了窟野河流域1956—2015年徑流量和輸沙量變化，得出氣候變化對徑流量和輸沙量減少的貢獻率分別為18.53%，3.59%，而人類活動對徑流量和輸沙量減少的貢獻率分別為81.47%，96.41%，退耕還林草和煤炭開采為主的人類活動是導致該流域徑流量和輸沙量減少的重要原因。郭巧林等[21]利用窟野河1956—2012年降水和水沙等數(shù)據(jù)，采用線性趨勢分析、滑動平均、累積距平等方法，得出降水對徑流和輸沙變化的影響由1980—1996年的44.85%，45.45%下降到1997—2012年的11.46%，13.54%，而人類活動對對徑流和輸沙的影響由1980—1996年的55.15%，54.55%增加到1997—2012年的88.45%，86.46%，人類活動是導致該流域年徑流量和年輸沙量減少的重要原因。趙溦等[22]利用窟野河1980—2013年水文數(shù)據(jù)，采用雙累積曲線法和Mann-Kendall校驗法，分析了水沙演變的驅動因子，得出氣候變化對徑流和輸沙減少的貢獻率分別為32.3%，42.4%，而人類活動對徑流量和輸沙減少的貢獻率分別為67.7%，57.6%。劉二佳等[23]利用窟野河近50 a徑流和降水數(shù)據(jù)，采用小波分析法和歷時曲線法，分析了氣候變化和人類活動對徑流變化的影響，得出氣候變化對徑流量變化的貢獻率為21.75%，而人類活動對徑流量變化的貢獻率為78.25%。以上相關研究都與本研究結論一致，表明人類活動是窟野河流域年徑流量與年輸沙量減少最主要的原因，而氣候變化引起的降水減少是次要因素。

5 結 論

(1) 窟野河流域多年平均降水量為439.53 mm，變化速率為0.39 mm/a，多年平均徑流量為3.23億m3，減少速率為0.095 3億m3/a。多年平均輸沙量為0.75億t，減少速率為0.023 5億t/a。

(2) 窟野河流域徑流量和輸沙量年際變化的轉折年份為1979年和1997年。

(3) 徑流量存在35～65 a和15～34 a時間尺度變化規(guī)律，輸沙量存在30～65 a，15～29 a和6～14 a時間尺度變化規(guī)律。

(4) 同基準期A(1956—1979年)相比，B時期(1980—1997年)氣候變化對徑流量和輸沙量的貢獻率分別為14.25%，14.22%，而人類活動對徑流量和輸沙量的貢獻率為85.75%，85.78%，C時期(1998—2019年)氣候變化對徑流量和輸沙量的貢獻率分別為8.76%和6.65%，而人類活動對徑流量和輸沙量的貢獻率為91.24%，93.35%，氣候變化是導致窟野河流域水沙趨勢變化的次要原因，而人類活動才是導致窟野河流域水沙變化的主要原因。