信江流域水沙變化及其對降雨侵蝕力的響應(yīng)

翁學(xué)先

（江西省玉山縣水利局，江西 玉山，334700）

降雨侵蝕力表征降雨對土壤侵蝕的潛在能力，其變化對產(chǎn)輸沙過程具有重要影響[1]。近半個世紀(jì)以來，隨著氣候變暖加快和人類活動加劇，全球有近50%的河流輸沙量和超20%河流的徑流量呈顯著下降趨勢[2]。我國長江80%以上干支流徑流量無明顯年際變化趨勢，而近90%的干支流輸沙量呈顯著下降趨勢[3，4]；黃河大部分干支流徑流量和輸沙量呈顯著的下降趨勢[5，6]。河流水沙變化及其驅(qū)動因素研究已成為全球研究熱點。降雨侵蝕力作為引起水蝕的關(guān)鍵降雨因子，其變化特征及其對河流輸沙量的影響也越來越受到關(guān)注[7]。付金霞等研究了黃河流域河龍區(qū)間1957-2011年降雨侵蝕力與河流輸沙量動態(tài)變化表明，降雨侵蝕力無明顯變化趨勢，而輸沙量呈極顯著下降趨勢，且降雨侵蝕力對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率為20%左右[7]。

信江是匯入鄱陽湖的第三大支流。近幾十年來，氣候變暖和人類活動使得信江流域的水沙特征發(fā)生著明顯的變化，對流域水資源開發(fā)與利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、人類生產(chǎn)生活等造成了一系列影響[8，9]。韓建軍等研究了信江流域徑流量和輸沙量年內(nèi)、年際變化及其驅(qū)動因素表明，徑流量和輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，且年輸沙量在1997年后呈顯著下降趨勢[10]。值得注意的是，雖然信江水沙變化已有研究，但對降雨侵蝕力變化及其對輸沙量的影響研究相對較少，特別是降雨侵蝕力對水沙變化的定量研究缺乏[8-10]。因此，本文研究信江水沙和降雨侵蝕力變化特征，量化了降雨侵蝕力對水沙變化的貢獻(xiàn)率，以期為流域水土流失防治和生態(tài)文明建設(shè)提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

信江發(fā)源于浙贛邊界江西省玉山縣懷玉山南麓，是鄱陽湖流域五大河流之一，位于江西省東北部（東經(jīng)116°19′～118°31′、北緯 27°32′～28°58′），干流自東向西，先后流經(jīng)玉山、廣豐、上饒、鷹潭等共19個市（縣），全長313km，流域面積17 599km2。流域西鄰鄱陽湖，北倚懷玉山脈與饒河毗鄰，南倚武夷山脈與福建省閩江相鄰，東毗浙江省富春江，在余干縣潼口灘分為東西兩大河，東大河在龍口匯入鄱陽湖，西大河在下風(fēng)洲匯入鄱陽湖。流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫17.8℃，極端最高氣溫43.3℃、極端最低氣溫-14.3℃，流域平均濕度78%。流域多年平均年水面蒸發(fā)量750mm，多年平均日照時數(shù)1 800h、無霜期280d，年平均降水量1 800mm，年內(nèi)分配不均，4～9月降水量占全年70%左右，多暴雨。梅港站為信江流域控制水文站，控制面積15 535km2。信江流域廣泛分布第四紀(jì)紅壤，土壤質(zhì)地黏重，孔隙度小，入滲能力差，極易造成降雨徑流侵蝕，導(dǎo)致土壤肥力退化，生態(tài)破壞加劇。信江流域土地利用以耕地、林地和草地為主，該3類土地利用面積占流域面積95%以上[11]。

1.2 資料來源

梅港水文站1960-2014年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)來源于《長江流域水文年鑒》，流域貴溪、玉山、余江、弋陽、廣豐、上饒、資溪等7個氣象站逐日降雨量數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.gov.cn），流域面平均降雨侵蝕力采用7個氣象站算術(shù)平均法計算。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨侵蝕力的計算

降雨侵蝕力計算采用國內(nèi)廣泛應(yīng)用的章文波模型[12]，以日雨量估算半月侵蝕力，其模型結(jié)構(gòu)為：

式中：M為半個月侵蝕力值，MJ·mm/（hm2·h）；k為半月的天數(shù)，d；Dj為半月內(nèi)第j天的日降雨量，mm（日降雨量＞12mm時）；為日雨量＞12mm的日平均降雨量，mm；為日降雨量＞12mm的年平均降雨量，mm。半月時段的劃分以每月第15日為界，前15天作前半月，剩下部分作為下半月，將全年依次劃分為24個時段。

1.3.2 Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗

降雨侵蝕力、徑流量和輸沙量等時間序列變化趨勢采用Mann-Kendall（MK）非參數(shù)檢驗方法分析。MK法被廣泛使用于水文氣象要素時間序列檢驗中，該法的優(yōu)點在于它不需要遵從一定的分布，適用于多種時間序列。MK法檢驗統(tǒng)計量（Zmk）≥±1.96時，表示序列上升（下降）趨勢達(dá) 0.05顯著性水平；（Zmk）≥±2.58時，表示序列上升（下降）趨勢達(dá)0.01極顯著性水平[13]。

1.3.3 雙累積曲線法

降雨侵蝕力對輸沙量變化的影響程度采用雙累積曲線法量化。雙累積曲線法是目前用于水文氣象要素一致性、長期演變趨勢及辨析兩個主控因素作用的最簡單、最直觀、最廣泛的方法[14，15]。該法通過在一個坐標(biāo)系中繪制兩個變量的累積值產(chǎn)生雙累積曲線，若二者的關(guān)系未發(fā)生系統(tǒng)性改變，則雙累積曲線表現(xiàn)為一條直線；若二者關(guān)系發(fā)生系統(tǒng)性改變，則曲線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，拐點對應(yīng)的時間則為水文氣象要素突變的時間。以拐點為界，將拐點年份前定義為基準(zhǔn)期，拐點年份后定義為變化期。對于輸沙量而言，基準(zhǔn)期降雨侵蝕力和輸沙量一致性較好，人類活動較弱，輸沙量主要受降雨侵蝕力影響。通過構(gòu)建基準(zhǔn)期降雨侵蝕力～輸沙量線性方程，將變化期降雨侵蝕力代入該方程可獲得變化期的年輸沙量理論值。不同時段理論值之差，即為降雨侵蝕力對輸沙量變化的影響量；同期理論值與實測值之差，即為人類活動影響量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水沙年際變化

2.1.1 徑流量年際變化

信江年徑流量和年輸沙量年際變化如圖1所示。1960-2014年信江流域多年平均徑流量為179.8×108m3，極值比為4.307（見表1），年徑流量最大值出現(xiàn)在1998年，徑流量高達(dá)344.4×108m3，1963年徑流量最小，為79.96×108m3（見圖1）。徑流量的MK趨勢檢驗統(tǒng)計量（Zmk）為1.205，為正值且＜1.96，表明徑流量年際呈不顯著的上升趨勢，其上升速率為0.701×108m3/a。

表1 信江流域1960-2014年徑流量、輸沙量和降雨侵蝕力特征值

圖1 信江梅港站1960-2014年徑流量年際變化

2.1.2 輸沙量年際變化

1960-2014年信江多年平均輸沙量為198.9×104t，極值比為19.011。年輸沙量MK趨勢檢驗統(tǒng)計量（Zmk）-3.229，為負(fù)值且＜-2.58，表明輸沙量呈顯著的下降趨勢，其下降速率為1.575×104t/a。年輸沙量最大值出現(xiàn)在1973年，高達(dá)500×104t，2007年年輸沙值最小，為26.3×104t（圖2a）。

圖2 信江梅港站1960-2014年輸沙量年際和年代變化

不同年代輸沙量差異明顯（圖2b）。1960-1969年、1970-1979年、1980-1989年和1990-1999年輸沙量分別高出多年平均值25%、31%、9%和10%，2000-2009年低于平均值49%，2010-2014年與平均值接近。與1961-1975年相比，1976-1998年輸沙量急劇下降，1999后下降速率更大。主要原因是1997年信江大坳水庫（庫容2.76億m3）建成，攔截了河道大部分泥沙導(dǎo)致[1]。

2.2 降雨侵蝕力年際變化

信江流域近55年平均降雨侵蝕力為11 270 MJ·mm/（hm2·h），最大值為1998年的21 048.4MJ·mm/（hm2·h），最小值為1963年的5 542MJ·mm/（hm2·h），極值比為3.798（見表1）。降雨侵蝕力MK趨勢檢驗統(tǒng)計量Zmk為1.239，為正值且＜1.96，表明降雨侵蝕力年際呈不顯著的上升趨勢，上升速率為42.978 MJ·mm/（hm2·h·a）（圖 3a）。

不同年代流域降雨侵蝕力差異明顯（圖3b）。2010-2014年降雨侵蝕力最大，高達(dá)13 870.54MJ·mm/（hm2·h），高出多年平均值23%，其次為1990-1999年，年降雨侵蝕力為13 214.86 MJ·mm/（hm2·h），高出多年平均值17%，降雨侵蝕力最低的為1960-1969年，僅為10 279.81 MJ·mm/（hm2·h），低于多年平均值9%，1970-1979年、1980-1989年和2000-2009年降雨侵蝕力低于多年平均值，分別低于4%、8%和8%。

圖3 信江流域1960-2014年降雨侵蝕力年際和年代變化

2.3 輸沙量與降雨侵蝕力關(guān)系

信江流域輸沙量和降雨侵蝕力雙累積曲線見圖4。輸沙量～降雨侵蝕力雙累積曲線在1999年出現(xiàn)拐點，變化前（1961-1998年）線性擬合斜率k值為0.023，變化后（1999年-2014年）擬合k值為0.010，變化后的雙累積擬合斜率k值變小，表明1999年之后輸沙量顯著下降，這與大坳水庫建成時間相吻合。點繪不同時期輸沙量～降雨侵蝕力散點圖，可進(jìn)一步揭示輸沙量變化原因（圖5）。1999年輸沙量與降雨侵蝕力相關(guān)性減弱，表明降雨侵蝕力對輸沙量的作用減弱。不同時期的線性擬合方程表征了單位降雨侵蝕力的產(chǎn)沙能力。1999年之后線性擬合方程斜率減小49.61%，表明單位降雨侵蝕力的產(chǎn)沙能力降低，人類活動是1999年之后輸沙量減少的主要原因。

圖4 輸沙量與降雨侵蝕力雙累積曲線

圖5 不同時期輸沙量與降雨侵蝕力散點圖

以1999年為界，將輸沙量時間序列劃分為基準(zhǔn)期（1961-1998年）和變化期（1999-2014年）。采用雙累積曲線定量評估降雨侵蝕力和人類對輸沙量變化的影響，結(jié)果見表2。與1961-1998年相比，變化期輸沙量年均減少129.5×104t，降雨侵蝕力卻增加145.1 MJ·mm/（hm2·h），表明輸沙量減少全部由人類活動引起。變化期降雨侵蝕力使年均輸沙量增加14.0×104t，但劇烈的人類活動導(dǎo)致年均輸沙量減少143.5×104t，二者綜合作用導(dǎo)致輸沙量減少?？傮w而言，降雨侵蝕力對輸沙量變化的影響程度為10.8%，人類活動對輸沙量變化的影響程度為-110.8%。20世紀(jì)80年代以來，信江流域為發(fā)展農(nóng)田水利，修建水利設(shè)施30余座，總庫容約10億m3，特別是1997年大坳水庫建成，導(dǎo)致河道輸沙量被壩庫工程攔截淤積，下游輸沙量減少，這是引起信江輸沙量減少的主要原因。20世紀(jì)90年代整個鄱陽湖流域范圍內(nèi)開展大規(guī)模的水土保持工程（如“長治”工程、退耕還林草工程等），引起土地利用變化和植被覆蓋度提高，地表產(chǎn)輸沙能力減弱是引起輸沙量減少的另一重要原因。

表2 降雨侵蝕力和人類活動對輸沙量變化的影響

3 結(jié)論

（1）信江流域控制水文站梅港站1960-2014年的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)分析表明，信江流域近55年降雨侵蝕力具有上升傾向，但變化趨勢不顯著。相同時期，信江徑流量呈不顯著的上升趨勢，但輸沙量以1.575×104t/a的速率呈極顯著的下降趨勢（P<0.01）。

（2）信江流域近55年平均降雨侵蝕力為11 270 MJ·mm/（hm2·h），最大值為1998年的21 048.4MJ·mm/（hm2·h），最小值為1963年的5 542MJ·mm/（hm2·h），降雨侵蝕力年際呈不顯著的上升趨勢，其上升速率為42.978MJ·mm/（hm2·h·a）。不同年代流域降雨侵蝕力差異明顯。

（3）輸沙量與降雨侵蝕力雙累積關(guān)系在1999年發(fā)生突變，突變后（1999-2014年）輸沙量相比突變前（1960-1998年）減少54.6%，且單位降雨侵蝕力產(chǎn)沙能力減弱。變化期（1999-2014年）降雨侵蝕力對輸沙量的影響程度為10.8%，人類活動對輸沙量的影響程度為-110.8%，二者綜合作用導(dǎo)致輸沙量減少。水庫建設(shè)和大規(guī)模水土保持措施的實施是信江流域輸沙量減少的主要原因。