無定河流域1961～2012年水沙變化歸因分析

金 朝，李君軼

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

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無定河流域1961～2012年水沙變化歸因分析

金 朝，李君軼

(陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

為探究在氣候變化和人類活動共同影響下的水沙變化問題，基于無定河流域1961～2012年的水文氣象數據及水土保持措施數據，分析了流域徑流泥沙的變化，并定量分解了氣候變化及人類活動對流域徑流泥沙影響的貢獻率。結果表明：1961～2012年無定河流域徑流量、輸沙量均顯著減小；徑流量和泥沙量的突變分別發生在1986年和1978年。根據彈性系數法和敏感性分析法得出人類活動對徑流減少的貢獻率分別為78.75% 和 79.02%，氣候變化的貢獻率分別為21.25% 和20.98%。根據累積量斜率變化率方法得出人類活動與氣候變化對輸沙量減少的貢獻率分別為87.78%和12.22%。

徑流量；輸沙量；定量分析；無定河

無定河是黃土高原一條典型的含沙量高的河流[1]，其徑流量及泥沙量對黃河流域的水文循環影響重大。近年來，大量研究表明無定河流域的徑流泥沙正在急劇減少[2-3]，水土保持及氣候變化被視為徑流減少的主要原因。然而，在諸多研究中很難得到一般性的結論，并且對“水-沙-植被-壩地-氣候”的關系描述較少[4-5]。例如，Li等[3]指出1972～1997年期間無定河流域水土保持措施對徑流減少的貢獻率達87%；Zhang等[6]認為水土保持與氣候變化對徑流減少的貢獻率不相上下；錢云平等[7]認為該區域水利水保工程的減水減沙作用大；而師長興等[8]則認為坡面措施效益期長，攔沙效率高。此外，旨在改善生態退化的退耕還林還草工程也影響著區域水資源。

無定河流域一直是國家水土保持治理的重點區域，隨著水土保持綜合治理程度的不斷提高，流域的徑流量和泥沙量逐漸減少，這一現象受到研究者的關注。本文利用M-K檢驗、Pettitt法對1961～2012年流域徑流量、輸沙量進行了趨勢性分析和變點分析，并通過彈性系數法、累積量斜率變化率方法分離了氣候變化和人類活動對徑流泥沙的影響，這有助于識別引起徑流泥沙改變的主要因子，對流域水資源規劃和調控以及水災害的防控有著重要意義。

1　數據來源與研究方法

1.1研究區概況

無定河(108°18′～111°54′ E，37°14′～39°35′ N)發源于陜西省靖邊、定邊、吳旗三縣交界的白于山，由西向東經清澗縣河口村匯入黃河，是黃河中游河口至龍門區間最大的支流，干流總長491 km，流域面積大約為30260 km2(圖1)。流域地處毛烏素沙漠南緣及黃土高原北部地區，屬于溫帶大陸性干旱半干旱季風氣候區，年平均溫度在7.9～11.2 ℃，年降水量在350～500 mm之間，暴雨集中，土質松散，地表覆被少，侵蝕強烈，年均徑流量15.3億m3，年均輸沙量超過2億t，隨著不斷加劇的人類活動，使得水土流失日趨嚴重，是黃土高原地區土壤侵蝕率最高的流域[9]。

圖1　無定河流域研究區概況

1.2數據來源

主要數據來源及處理方法：(1)氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/)提供的1961～2012年逐日降雨，求得年累積降雨量，并采用ArcMap 10.2中的Kriging法進行插值得到年降雨量。用由FAO提供的彭曼公式計算逐日潛在蒸散量(E0)，累積得到年潛在蒸散量。(2)流域出口控制站白家川水文站1961～2012年徑流數據來源于水文年鑒，對于少量缺測的數據則采用插補法獲取。(3)淤地壩數據來自陜西省水保局。(4)1982～2012年逐月NDVI數據來自GIMMS數據集，由美國國家海洋和大氣管理局NOAA/AVHRR(Global Inventory Modelling and Mapping Studies，GIMMS)提供，其空間分辨率為8 km，時間分辨率15 d。月NDVI是通過最大值合成法(Maximum value composite，MVC)計算得到的；年NDVI為月NDVI的平均值。區域中NDVI>0.1視為植被覆蓋區域。

1.3分析方法

1.3.1趨勢分析及突變點檢測Mann-Kendall[10]檢驗是一種非參數檢驗法，其優點是統計測試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，被廣泛應用于檢測非正態分布的水文氣象等要素序列的變化趨勢，本研究將其用于對降雨、E0及徑流泥沙變化趨勢的檢測。Pettitt[11]非參數檢驗法可以確定存在趨勢性變化的有序數據的突變點，被廣泛用于水文氣象要素的突變點分析，本研究將其用于檢測徑流量、輸沙量的突變點。

1.3.2彈性系數法對徑流變化的定量分析采用基于Budyko假設理論的彈性系數法。彈性系數法是基于Budyko框架的一種廣泛應用于估算氣候變化對水文的影響的方法[12]。本文中，使用的Choudhury-Yang公式如下：

(1)

其中，E為平均年實際蒸散量，P為平均年降雨量，E0是平均年潛在蒸散量，n值表示流域特征的影響。

根據長時期的流域水量平衡方程，流域儲水量的變化量可視為零，則

R=P-E

(2)

其中，R為平均年徑流量。

Xu等[13]根據Schaake和Yang將彈性方程改為：

(3)

(4)

(5)

其中，εP、εE0、εn分別表示降雨、潛在蒸散發及地形特征對徑流的彈性系數。

從而計算出分別受氣候變化及人類活動影響的徑流變化，即：

(6)

(7)

1.3.3累積量斜率變化率法累積量斜率變化率比較法[14]假設累積輸沙量(億m3/年)-年份間線性關系式的斜率在拐點前后兩個時期分別為SSb和SSa；年累積降水量(mm/年)-年份間線性關系式的斜率在拐點前后兩個時期分別為SPb和SPa，則累積輸沙量斜率變化率RSS(%)為：

RSS=100×(Ssa-Ssb)/Ssb=100×(Ssa/Ssb-1)

(8)

累積降水量斜率變化率RSP(%) 為：

Rsp=100×(Spa-Spb)/Spb=100×(Spa/Spb-1)

(9)

式中，RSS、RSP為正數表示斜率增大；為負數表示斜率減小。

降水量變化對徑流量變化的貢獻率CP(%)可以表示為：

Cp=100×Rsp/Rss=100×(Spa/Spb-1)/(Ssa/Ssb-1)

(10)

氣溫變化導致蒸發量變化從而可以引起徑流量變化，如果用CE0表示流域內累積蒸散總量-年份之間線性關系的斜率變化率 (%)，則人類活動對徑流量變化的貢獻率(CH，%)可以表示為：

CH=100-Cp-CE0

(11)

2　結果與分析

2.1水文序列變化趨勢及突變點

表1為無定河流域不同年代4個水文氣象要素的特征值，其年均降水量376.25mm，年均徑流量10.67億m3，年均輸沙量0.90億t。年代際降水量在20世紀60年代最大，之后小幅波動。E0持續浮動變化。徑流量在60年代最大，之后逐漸減少。流域輸沙量在60年代最大，之后大幅減少，90年代小幅度增加，之后繼續減少。

表1　不同年代水文要素的特征值

無定河流域1961～2012年降水量、徑流深、輸沙量、E0的年際變化如圖2。徑流變化劇烈，而降水和E0變化較平緩。根據M-K檢驗可知：徑流深、輸沙量下降趨勢顯著(P<0.001)，下降率分別達0.4 mm/年、0.02億t /年；降水量和E0無顯著變化趨勢。

根據Pettitt突變點檢測(圖3)可知：在95%置信度水平下，徑流深和輸沙量分別在1986和1978年發生突變，臨界年前后平均徑流深分別為40.18、28.86 mm，輸沙量分別為1.59億t、0.54億t。突變點前稱之為基準期，突變點后稱之為變化期，對比基準期，徑流深、輸沙量在變化期分別下降了11.33 mm、1.06億t，變化率分別為-28%、-66%。參考徑流深的突變年份，降水量及E0在變化期分別下降了8.79、5.58 mm，變化率分別為-2%、-0.5%。

2.2徑流變化歸因分析

使用彈性系數法得到氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率分別為21.25%、78.75%(表2)。氣候變化中，E0的貢獻率所占比例較小，而降水的貢獻率占主導。此外，徑流與降雨呈正相關，而與E0呈負相關。通過該分離方法可知，人類活動是徑流變化的主要原因。

表2　氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率

2.3泥沙變化歸因分析

采用累積量斜率變化率比較法對泥沙變化進行分析。由輸沙量的突變點(1978年)可以將輸沙量、降水量及E0的變化劃分為兩個時期：A：1961～1978年；B：1979～2012年。對兩時期各累積要素與年份(圖4)分別擬合出如式(12)～式(17)所示的關系式，其中x為年份，Y為累積輸沙量(億t /年)、累積降雨量(mm/年)及累積E0(mm/年)，下標代表不同時期。

YAS= -3086.09 + 1.58xAE

(12)

式中，R2= 0.96，P< 0.0001。

YBS=-1181.46 + 0.61xBE

(13)

式中，R2= 0.97，P< 0.0001。

YAP= -751549 + 383.49xAE

(14)

式中，R2= 0.99，SD= 0.516，P< 0.0001。

YBP= -714175 + 364.6xBE

(15)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

YAE0= 1156.2xAE

(16)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

YBE0=1129.6xBE

(17)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

圖2　徑流、輸沙量、降水量、E0的年際變化

圖3　基于Pettitt方法的徑流、輸沙量突變點檢測

圖4　累積輸沙量、累積降水量和累積E0與年份的關系

據表3可知，累積輸沙量-年份線性關系式的斜率減少0.97億t/年，變化率為-61.39%。同時期累積降水量-年份線性關系式的斜率減少19.89 mm/年，變化率為-5.17%；累積E0-年份線性關系式的斜率減少26.60 mm/年，變化率為-2.30%。根據公式(10)和公式(11)的計算結果可知，降水量對輸沙量減小的貢獻率為8.46%，E0對輸沙量減小的貢獻率為3.76%，故而人類活動對輸沙量減小的貢獻率為87.78%。因此，人類活動也是輸沙量減小的主要原因。

表3　各時段累積輸沙量、累積降水量、累積E0斜率及變化率

3　討論

3.1工程措施對徑流泥沙的影響

從20世紀70年代開始，無定河流域的水土保持措施日益加強，并對下墊面產生了復雜而深刻的影響[15]。從1960～2000s流域實施的工程措施(圖5)可以看出：淤地壩總量在1960～1980s迅猛增加，1980s后減小，截至2000年現存壩地2821座。庫容量的變化與壩地總數的變化趨勢一致。淤地壩可在短時期內有效控制洪水、攔截泥沙[2]，但是淤地壩庫容有限，隨時間的推移，壩內淤積的泥沙數量增多，造成大量淤地壩后期的堵塞和失效，其攔水減沙的作用下降。流域壩地庫容量由1960s的22.84億m3增加至1980s的78.06億m3，進入2000s減少至31.60億m3。因此水土保持措施中的工程措施仍需深入研究，確定合理的水土保持方針。

3.2生物措施對徑流泥沙的影響

盡管工程措施在減流減沙方面作用顯著，但生物措施也不可忽略。造林和種草是主要的生物措施。無定河流域各年代NDVI均呈上升趨勢(圖6)，由于1999年后退耕還林還草(GFG)工程的實施，2000s NDVI有明顯的上升趨勢，特別是在流域的東南部。

林地的吸水、蓄水與透水能力良好，根系龐大，因而能夠固持土壤，使斜坡保持穩定，而且大量的林草枯枝落葉物具有很強的抗蝕特性，能夠增加土壤入滲量，延緩地表徑流形成的時間；此外地被物增加了土壤有機質，改善了土壤結構，增強了土壤穩定性[16]。草灌等低地植物能迅速形成郁閉，切實保護地表，減輕雨滴的擊濺破壞作用，增加地表糙率，減緩徑流流速，提高土壤抗沖能力[17]，因此林草地的減水減沙作用十分明顯。此外，由于復雜的生態環境，徑流泥沙減少也可能受植被面積及措施實施的時間長度的影響。因此，生物措施在不同的年代對徑流的影響也不同。

圖5　無定河不同年代淤地壩數據

圖6　無定河各年代植被空間變化趨勢

3.3生態環境響應

水土保持措施影響著生態環境，這些措施可以極大地提高生態服務功能以及環境的恢復力[18]。隨著植被覆蓋的增加，大量的無效水資源將被農產品、森林、草本等有效利用。在黃土高原，一些降雨量向土層下滲，調節徑流[19]，提高降雨的使用率，且緩沖了雨水侵蝕。盡管無定河的徑流呈下降趨勢，但糧食產量和作物面積在增加，原因之一便是淤地壩措施的加強，增加了作物種植面積，同時具有較高的農田生產力。因此，盡管水土保持措施在一定程度上使徑流減少，但帶來了農業和生態方面的利益，節約了土地和水資源。同時，伴隨著徑流的減少，其輸沙量亦降低，減輕了下游泥沙淤積和地面懸河的壓力[20]。

總之，水土資源對經濟發展和人類生存極為重要，而徑流泥沙減少是一種持續性的現象。干旱半干旱區的經濟和生態可持續發展主要依靠于水土資源的利用。由于無定河位于干旱半干旱區，我們發現徑流泥沙減少、植被及作物增加，這在生態意義上帶來了多種生態利益。同時，這有助于我們理解水土保持措施的作用，分析水文變化情況。但這些機制如何互相聯系，如何變化，仍需要更進一步的研究。

4　結論

本文主要研究了氣候變化和人類活動對無定河流域徑流泥沙變化的影響。基于徑流突變點，本文將研究時間段分為基準期(1961～1986年)和變化期(1987～2012年)。E0和降水量無顯著減小趨勢，而徑流在變化期減少了28%。輸沙量在1978年發生突變，變化期相對于基準期減少了66%。人類活動與氣候變化對徑流減少的貢獻率分別為78.75%、21.25%，對輸沙量減少的貢獻率分別為87.78%、12.22%。大面積的植被種植及淤地壩建設改變了下墊面特征、水資源分布等，使得徑流減少、泥沙被攔截，人類活動是無定河流域徑流泥沙減少的主要原因。

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(責任編輯：許晶晶)

Analysis of Driving Factors for Runoff and Sediment Variations during 1961～2012 in Wuding River Basin

JIN Zhao, LI Jun-yi

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

To explore the runoff and sediment load changes under the common impacts of climate change and human activities, based on the hydrological and meteorological data and the soil and water conservation measures data in the Wuding River basin during 1961～2012, we analyzed the runoff and sediment load changes in this basin, and quantitatively decomposed the contribution rate of climate change and human activities to runoff and sediment load changes. The results showed that both the runoff and the sediment load in the Wuding River basin exhibited an obvious decreasing trend from 1961 to 2012, and their sudden changing point appeared in 1986 and 1978, respectively. According to elasticity coefficient analysis and sensitivity analysis, the contribution rate of human activities to runoff reduction was 78.75% and 79.02%, respectively, and that of climate change to runoff reduction was 21.25% and 20.98%, respectively. According to the slope change rate of cumulative amount, the contribution rate of human activities and climate change to sediment load reduction was 87.78% and 12.22%, respectively.

Runoff; Sediment load; Quantitative analysis; Wuding River basin

2016-03-15

黃土高原生態系統與環境變化考察項目(2014FY210100)。

金朝(1989─)，男，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向為資源開發與GIS。

P333

A

1001-8581(2016)09-0079-06