氣候變化和人類活動對祖厲河輸沙量變化的影響分析

崔 亮

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

氣候變化和人類活動對祖厲河輸沙量變化的影響分析

崔 亮

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

輸沙量；變化規律；氣候變化；人類活動；祖厲河

根據祖厲河干流代表水文站會寧、郭城驛、靖遠1955—2012年的降水、輸沙量資料，分析了祖厲河輸沙量變化規律，以及氣候變化和人類活動對祖厲河輸沙量變化的影響。結果表明，1955—2012年祖厲河輸沙量顯著減少并仍呈減少趨勢，氣候變化對輸沙量減少的影響很小，人類活動起主導作用，2000年以來人類活動對輸沙量減少的影響呈減弱趨勢。

祖厲河是黃河上游著名的高含沙支流，發源于甘肅省會寧縣南部，向北流經會寧縣、靖遠縣入黃河，主河長219 km，流域面積10 680 km2，主要支流有關川河、西鞏河等，流域水系站點分布見圖1。祖厲河流域地處隴西黃土高原，屬溫帶半干旱氣候區，由南向北氣溫遞增、降水遞減，徑流量年內分配極不均勻，主要集中在6—9月份。地貌形態為黃土丘陵和殘垣，濕陷性黃土層較厚，植被稀疏，地表沖刷嚴重，河流泥沙含量大，水質苦咸[1]。選取祖厲河干流會寧、郭城驛、靖遠3個水文站1955—2012年泥沙資料，分析祖厲河輸沙量變化規律，以及氣候變化和人類活動對輸沙量變化的影響，對流域水土流失治理和生態建設等具有重要意義。

圖1 祖厲河流域水系站點分布

1 輸沙量變化分析

1.1 泥沙特征及來源

根據靖遠水文站的泥沙資料，多年平均含沙量365 kg/m3，多年平均輸沙量4 509萬t，平均輸沙模數4 235 t/(km2·a)，實測最大斷面平均含沙量1 120 kg/m3(1995年5月31日)，年最大輸沙量1.8億t(1959年)，年最小輸沙量672萬t(2008年)。

依據平均輸沙模數計算祖厲河進入黃河的多年平均輸沙量為4 523萬t，占甘肅黃河流域輸沙總量的12.9%，是黃河上游重要的產沙河流。將祖厲河從上游至下游依次分為會寧以上、會寧—郭城驛、郭城驛—靖遠3個區間，分別計算區間產沙、占靖遠站輸沙量比例、區間輸沙模數，見表1。可以看出，祖厲河流域產沙量大，侵蝕作用十分強烈，其中會寧以上、郭城驛—靖遠區間輸沙模數比較接近，會寧—郭城驛區間輸沙模數略高，水土流失更加嚴重。泥沙的主要來源是降水對流域坡面的沖刷和洪水對河道兩岸的侵蝕。

1.2 輸沙量年內變化分析

輸沙量的年內變化，可以通過年內分配百分比、年內分配過程線、不均勻系數及集中程度等來反映[2-3]。繪制祖厲河各代表站月平均輸沙量年內分配過程線如圖2所示。祖厲河多年月平均輸沙量呈高度集中分布，集中于6—9月，其中會寧水文站6—9 月平均輸沙量占全年平均輸沙量的94.4%，郭城驛水文站占96.0%，靖遠水文站占97.1%。

表1 祖厲河代表站泥沙特征

圖2 多年月平均輸沙量年內分配過程

選取靖遠水文站，計算不同年代輸沙量的不均勻系數、集中度、集中期，結果列于表2。可以看出，各年代不均勻系數在1.44～1.72之間，集中度在0.81～0.88之間，最大值主要出現在8月上旬。說明祖厲河輸沙量年內分布極為不均，最大月輸沙量出現在8月上旬。

表2 靖遠站輸沙量年內分配指標統計

1.3 輸沙量演變規律分析

(1)年際變化規律。繪制祖厲河各代表水文站實測輸沙過程線、差積曲線如圖3、4所示。可以看出，祖厲河各代表水文站實測輸沙過程線變化基本一致，1970年以前呈遞增趨勢，從1970年開始穩中有減，2000年以來遞減速度加快。2000年以前平均輸沙模數為5 200 t/(km2·a)[4-5]，2012年輸沙模數減少到4 235 t/(km2·a)，年輸沙量減少了1 030萬t，這是修

圖3 代表水文站實測輸沙量過程線

圖4 代表水文站實測輸沙量差積曲線

建河堤加固防洪工程減輕河道兩岸侵蝕、水土保持綜合治理及攔蓄工程攔截泥沙等綜合作用的結果。

(2)輸沙量突變分析。通過對各站輸沙量進行統計檢驗，綜合判斷系列資料的突變情況，若統計量大于臨界值T(α/2)，則表明α=0.05的顯著水平下突變顯著。以突變點為界，分別計算突變前后的均值及跳躍量，計算結果見表3。結果表明，祖厲河會寧、郭城驛、靖遠3個水文站輸沙量均發生顯著突變，突變點分別為1978、1996、1964年，突變后比突變前輸沙量分別減少了362萬、1 950萬、4 938萬t/a。

表3 代表水文站輸沙量突變計算結果

(3)輸沙量變化趨勢分析。坎德爾秩次相關、斯波曼秩次相關、線性趨勢相關等統計檢驗方法[6]是分析水文氣象數據的有效方法，當給定顯著水平α后，查得對應的臨界值，當統計量小于臨界值時則趨勢不顯著，當統計量大于臨界值時則趨勢顯著。建立各站輸沙量(Y)與年份(X)的趨勢方程，應用以上方法進行趨勢分析，綜合判斷趨勢變化情況，分析結果見表4。可以看出，祖厲河干流3個水文站輸沙量均呈顯著減少趨勢，其中下游靖遠站輸沙量減少的速率最大。

2 氣候變化及人類活動對輸沙量變化的影響分析

2.1 綜合影響效應

以靖遠站輸沙量序列的突變點為分界點， 對實測輸沙量序列進行還原， 并建立如下關系模型：Ws=124.06W0.518，其中Ws為年輸沙量、W為年徑流量。

表4 代表水文站輸沙量趨勢分析

根據模型計算模擬過程的輸沙量，即為還原的不受人類活動和氣候變化影響的河流輸沙量，將不同年代模擬年輸沙量與實測年輸沙量進行比較，見圖5、表5。從圖5、表5可以看出，靖遠站各年代輸沙量實測值均小于模型輸出值，且2000年以后相差較大，說明在人類活動和氣候變化共同影響下祖厲河輸沙量呈減少趨勢，2000年以后減少劇烈。

圖5 祖厲河年輸沙量實測值與模型輸出值對比

年代實測年平均輸沙量(萬t)模擬年平均輸沙量(萬t)差值(萬t)占模擬年平均輸沙量比例(%)20世紀70年代以前73279964-2637-26．520世紀70年代44447865-3421-43．520世紀80年代39207919-3999-50．520世紀90年代42138014-3801-47．42000年以來17056382-4678-73．3全系列45098157-3647-44．7

2.2 定量影響分析

降水是地表產沙的動力條件，對流域產流產沙有直接影響。以降水為氣候變化影響代表因素，建立數學模型，可以定量分析氣候變化和人類活動對輸沙量變化的影響[7]。選取靖遠水文站年降水長系列資料進行分析，為了消除降水的影響，令E=Ws/P，其中E為侵蝕率(t/mm)、Ws為輸沙量(萬t)、P為降水量(mm)。

以上分析結果表明，20世紀80年代氣候變化和人類活動對輸沙量減少的貢獻率分別為4.3%和95.7%，90年代分別為 0.8%和99.2%，2001—2010年分別為13.0%和87.0%，說明氣候對祖厲河泥沙變化的影響很小，從20世紀80年代以來人類活動對泥沙的影響一直起主導作用。 1981—2010年氣候變化和人類活動對祖厲河輸沙量減少的貢獻率分別為11.0%和89.0%。2000年以來人類活動對祖厲河泥沙減少的影響呈減弱趨勢。

表6 氣候變化和人類活動對祖厲河輸沙量影響程度計算結果(靖遠站)

3 結 論

通過以上分析，1955—2012年祖厲河輸沙量的變化，以及氣候變化和人類活動對輸沙量變化影響的結果如下：

(1)輸沙量顯著減少。祖厲河多年平均輸沙量為4 523萬t，從1970年開始穩中有減，2000年以后遞減速度加快，2012年輸沙量比2000年減少了1 030萬t。

(2)輸沙量發生突變。會寧、郭城驛、靖遠3個水文站輸沙量均發生顯著突變，突變點分別為1978、1996、1964年，突變后比突變前輸沙量分別減少了362萬、1 950萬、4 938萬t/a。

(3)在氣候變化和人類活動共同影響下祖厲河輸沙量呈減少趨勢。氣候變化對祖厲河輸沙量減少的影響很小，人類活動對輸沙量減少起主導作用。2000年以來人類活動對輸沙量減少的影響呈減弱趨勢。

[1] 楊成有,劉進琪.甘肅江河地理名錄[M].蘭州:甘肅人民出版社,2013:299.

[2] 傅開道,何大明,陳武,等.電站建設對瀾滄江-湄公河泥沙年內分配的影響[J].地理學報,2007,62(1):14-21.

[3] 崔亮,陳學林,安冬,等.60年來黑河流域東部子水系中上游徑流量、輸沙量變化特征分析[J].水文,2015,35(1):82-87.

[4] 牛最榮.祖厲河泥沙特性及流域生態環境建設[J].東北水利水電，2002，20(5)：43-44.

[5] 王靜.祖厲河流域泥沙變化規律初探[J].甘肅科學學報,2000,12(2):69-72.

[6] 劉建祥.近30年河龍區間侵蝕產沙時空變化及驅動因子研究[D].北京:中國科學院大學,2013:73-80.

[7] 劉紅英.降水變化和人類活動對北洛河上游水沙特性的影響研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2012:60-63.

(責任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2017)02-0035-04

崔亮(1982—)，男，陜西鳳翔縣人，高級工程師，碩士，主要從事水文分析計算工作。

2016-09-20