烏蘭木倫河1960-2015年水沙周期性分析

任宗萍, 謝夢瑤, 馬勇勇, 李 鵬

(1.西安理工大學, 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048)

徑流和泥沙是表征河流系統的重要水文要素，水沙變化趨勢及其周期特征是河流系統研究的重要內容[1-2]。受氣候變化和人類活動的共同影響，國際上許多大河流域(如埃及尼羅河、美國科羅拉多河)徑流量和輸沙量在過去幾十年來發生了顯著變化[3-4]。在我國，黃河流域徑流量和輸沙量的變化尤為突出[5-6]。黃河潼關水文站徑流量和輸沙量已由多年平均約400億m3，16億t銳減到近年來的200億m3，1億t左右[6]。河流水沙變化對流域水資源開發利用，水環境保護、流域地貌演變、海洋海岸帶生態系統等將會產生一系列重要影響[7]。研究河流水沙變化趨勢及其周期特征對于準確預測流域徑流和輸沙特征，科學合理地管理水資源具有重要的理論和現實意義。

烏蘭木倫河位于黃土高原和毛烏素沙漠過渡帶，是黃河流域窟野河的一級支流。該區是黃河流域土壤侵蝕最為嚴重的地區和黃河粗泥沙的主要產區之一，對黃河下游河道淤積有嚴重影響[8]。同時，烏蘭木倫河流域蘊藏著豐富的煤炭資源，流域內分布著我國已探明儲量的最大煤田——神府東勝煤田。隨著煤田的大規模開發，流域內生產生活用水快速增加，對流域生態環境及水文過程均產生顯著影響。已有研究表明，烏蘭木倫河流域徑流量從20世紀80年代開始出現明顯下降趨勢，2000年以后下降趨勢更為顯著[9-10]。進一步研究發現，降雨和氣溫等自然因素對流域徑流量下降的貢獻為10%～20%，煤炭開采等人類活動的貢獻達80%～90%[11]。然而上述工作并沒有對流域徑流量變化周期進行研究，也沒有涉及流域輸沙量的變化。因此，本文采用Mann-Kendall檢驗、Pettitt檢驗和小波分析等方法分析烏蘭木倫河流域1960—2015年徑流量和輸沙量的變化趨勢，揭示其周期變化特征，為流域未來水資源優化配置和開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

烏蘭木倫河發源于內蒙古，流經伊金霍洛旗，在下游王道恒塔處與悖牛川河匯合后稱為窟野河，進入陜西境界后流經神木縣注入黃河。流域全長138 km，面積3 857 km2。研究區海拔1 150～1 524 m，中、西部為坡梁起伏的鄂爾多斯高原地貌，東部為晉陜黃土高原北緣的丘陵溝壑地貌。該區屬大陸性季風氣候，多年平均降水量357 mm，平均氣溫6.2℃。流域地帶性植被自東南向西北由典型草原向荒漠草原過渡，典型草原以針茅、百里香等植物類型為主，荒漠草原以沙米、沙蒿等植物為建群種[12]。近幾十年來流域植被蓋度總體呈現上升趨勢，沙地和低蓋度植被面積大幅減少，中高蓋度植被面積大幅增加[13]。

烏蘭木倫河流域從1985年開始進行煤炭資源開發，開采量在100萬t，1993—1998年開采量突破千萬t。從2000年之后，煤炭產量呈現指數增長，2012年，煤炭產量達到2.7億t，占全國煤炭產量的7.3%，是我國目前開發建設項目強度較大的流域[10]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文利用烏蘭木倫河流域王道恒塔水文站1960—2015年的徑流和泥沙數據，分析烏蘭木倫河流域近60 a來水沙變化趨勢與周期特征。其中1960—1990年、2006—2015年徑流泥沙資料來源于黃河流域水文年鑒，1991—2005年的徑流輸沙資料來源于榆林水文手冊。降水量數據為1960—2010年王道恒塔、神木站，1977—2010年石圪臺、大柳塔、劉家溝、孫家岔、張家村，1978—1990年和2006—2010年高家塔、大卡鉗溝、全和常、布爾臺，由于雨量站某些年份存在缺失，因此采用算術平均法求得全流域降水量。

2.2 研究方法

(1) 水文序列非參數檢驗。采用Mann-Kendall檢驗烏蘭木倫河流域降雨量、徑流量和輸沙量的變化趨勢；基于Pettitt非參數檢驗方法進行突變點分析[3]。

(2) 小波分析方法。小波分析的基本原理是假設φ(t)為平方可積的實數空間，即φ(t)∈L2(R)，其傅里葉變化為ψ(ω)滿足條件：

(1)

則φ(t)為小波母函數，小波函數φ(t)經伸縮和平移后，得到連續小波序列為

(2)

式中：a為伸縮因子；b為平移因子。

由于Morlet小波與降水、徑流時間序列的波形較為接近，在時頻域局部性都較好[14]，所以本文選擇Morlet小波對烏蘭木倫河降水和徑流進行小波分析。Morlet小波函數的表達式為：

φ(t)=eiw0te-t2/2

(3)

式中：ω0為常數；i為虛數。小波方差反映了波動隨著時間的分布，可用來確定時間序列各種擾動的相對強度，對應峰值處的尺度為該序列的主周期。因此可以通過小波方差圖來確定降水、徑流序列中的主周期。小波方差的函數表達式為：

(4)

3 結果與分析

3.1 烏蘭木倫河降水特性分析

烏蘭木倫河流域1960—2015年平均降雨量為377.6 mm，流域降雨量總體呈現出豐—枯—豐的變化趨勢(圖1)。利用Mann-kendall趨勢變點進行降雨序列的趨勢性檢驗，得到Z=1.19，未通過置信度95%的顯著性檢驗，表明流域1960—2015年降雨量無顯著的變化趨勢。

選擇Morlet連續復小波函數，對烏蘭木倫河流域降水序列進行周期性分析，發現流域年降水量存在35～42 a，20～25 a，8～10 a和2～4 a共4個尺度的周期變化。其中，在35～42 a的尺度上出現了豐枯豐交替，在20～25 a的時間周期尺度上，豐枯交替也比較明顯且比較穩定；但是在5～10 a時間尺度上，1960—1980年降水周期特征比較明顯，而2～4 a尺度上的周期特征在1950—1960年比較明顯。基于年降水小波方差圖(圖2)，對應的峰值分別為40，24，8，3 a。這些不同的周期共同控制著烏蘭木倫河流域降雨的“豐—枯”特征。

圖1 烏蘭木倫河流域1960-2015年降雨量變化特征

圖2 烏蘭木倫河年降水小波系數、小波方差

3.2 烏蘭木倫河水沙趨勢分析

烏蘭木倫河流域徑流量在1960—2015年呈階梯狀下降趨勢，流域60，70年代年均徑流量分別為2.5億m3，2.4億m3，80，90年代年均徑流量分別為1.9億m3，1.4億m3，2000—2015年均徑流量為0.7億m3(表1)。基于Mann-Kendall趨勢分析，烏蘭木倫河流域年徑流的變化趨勢Z=-5.62，|Z|>1.96，通過置信度99%的顯著性檢驗，表明烏蘭木倫河流域徑流呈顯著下降趨勢。基于Pettitt非參數方法檢驗，得到烏蘭木倫河徑流序列的突變點在1996年(圖3)。以1996年為界，1960—1996年和1997—2015年流域年均徑流量分別為2.12億m3，0.76億m3，與1960—1996年相比，流域徑流量下降64.1%；1997—2015年流域年徑流量的標準差為0.2，年際徑流變化幅度明顯變小。

圖3 烏蘭木倫河年徑流量和輸沙量的Pettitt非參數檢驗

烏蘭木倫河流域1960—2015年平均輸沙量為1 771.5億t。與徑流量相似，流域輸沙量也呈現階梯狀下降趨勢，其下降趨勢更加劇烈。流域年均輸沙量在60—70年代約為3 000 萬t；80—90年代快速下降到2 000 萬t以下，2000年以后下降到100萬t以下，2008年以后下降至不足10萬t(表1)。基于Mann-Kendall趨勢分析，烏蘭木倫河流域年輸沙量的變化趨勢Z=-5.56，|Z|>1.96，通過置信度99%的顯著性檢驗，表明烏蘭木倫河流域輸沙量呈顯著下降趨勢。基于Pettitt非參數方法檢驗，得到烏蘭木倫河輸沙量變化的突變點也在1996年。以1996年為界，1960—1996年和1997—2015年流域年均輸沙量分別為2 659.8萬t和41.7萬t，與1960—1996年相比，流域年輸沙量下降高達98.4%。

表1 烏蘭木倫河徑流泥沙特征表

3.3 烏蘭木倫河水沙變化周期特征

進一步分析徑流輸沙的周期規律，對年徑流和年輸沙進行小波周期分析。得到烏蘭木倫河年徑流量存在2～4 a，8～10 a，15～17 a共3個尺度的周期(圖4)，徑流過程存在多周期的時間特征，而且徑流的周期在整個時段并不穩定，只是在60年代到80年代相對穩定。從小波系數實部圖和小波系數方差圖得到烏蘭木倫河枯水年多于豐水年，在56 a的時間序列上，主周期為16 a左右，更長時間尺度的周期，需要進一步增加時間序列。

從年輸沙小波系數圖可以得出(圖5)，年輸沙量的周期與徑流量周期相似，在2～4 a，5～8 a，8～10 a，15～17 a存在4個周期；不同尺度的周期只是在60年代到80年代相對穩定，而且主周期也未形成，周期的時間特征與徑流周期特征幾乎一致，說明烏蘭木倫河流域水沙相關性很大，泥沙特征很大程度上受到徑流序列演變特征的影響。與降水的周期相比，徑流輸沙周期在小的周期上與降雨的相似。

圖4 烏蘭木倫河年徑流小波系數、小波方差

圖5 烏蘭木倫河年輸沙量小波系數、小波方差

4 討 論

4.1 烏蘭木倫河水沙變化歸因分析

烏蘭木倫河1960—2015年徑流量和輸沙量均呈顯著下降趨勢，且下降具有明顯的階段性特征，這與黃河中游干流及主要支流水沙變化趨勢基本一致[3,6]。自20世紀50年代，黃河水沙急劇減少，黃河潼關站1960—1986年平均徑流量和輸沙量分別為402.3億m3，12.1億t，1987—1999年徑流量和輸沙量分別為261.4億m3，8.1億t，2000—2012年徑流量和輸沙量分別為229.0億m3，2.8億t[5]。

盡管烏蘭木倫河徑流量和輸沙量從1980年代以后發生明顯下降趨勢，但流域年徑流量和輸沙量下降的突變點均發生在1996年(圖3)。與1960—1996年相比，1997—2015年流域徑流量和輸沙量分別下降達64.1%和98.4%。這一突變時間與窟野河年徑流量發生突變時間一致[15-16]。20世紀90年代大規模的煤炭開采被認為是烏蘭木倫河徑流減少的主要原因[15,17]。烏蘭木倫河流域1985—1992年煤炭開采處于較低水平，年產能不足100萬t，從1990年代后期開始，流域內煤炭產能呈指數式增長，2012年煤炭產能達2.7億t[10]。由于煤炭資源大規模開采，造成采礦區地表塌陷，導致地表水大量滲漏，引起河川徑流量減少，進而輸沙量下降[17]。張思鋒等研究認為，人類活動導致烏蘭木倫河流域徑流量下降89.5%，其中，采煤活動對徑流量下降的貢獻占77.3%。在采煤活動中，由煤炭開采導致的地表塌陷占52.5%，礦井疏排水占24.8%。除煤炭開采外，盡管流域降雨量近幾十年來無明顯變化，但雨強持續減小，尤其是2000年以后降雨強度持續偏小，中小雨強有利于降雨就地入滲，減小地表徑流；長期無連續高強度降雨，使得流域產流系數減小[18]。另外，流域最近幾十年來植被蓋度明顯增加[13]，從1986—2008年中高蓋度植被面積比例由15.9%增加到40.7%，植被覆蓋結構進一步優化，高覆蓋度面積增加，低覆蓋度面積下降[19]，植被蓋度的增加也有利于減少水土流失，進而減少流域徑流量和輸沙量。

4.2 烏蘭木倫河水沙變化周期特征

烏蘭木倫河流域徑流量和輸沙量變化分別存在15～17 a，8～10 a，2～4 a和15～17 a，8～10 a，5～8 a，2～4 a不同尺度的周期特征。其中，8～10 a和2～4 a的徑流量和輸沙量變化周期與流域短時間尺度的降雨量變化周期基本一致，反映了流域徑流量和輸沙量在短時間尺度上主要受到降雨量變化的影響。趙廣舉等的研究也發現，黃河中游干流龍門站水沙短周期性振蕩主要是降水季節和年際變化的結果，并且，月流量3～4 a的變化周期與影響我國西部地區降雨的副高脊線位置的準3 a周期具有一致性；而7～9 a的振蕩中心與地極移動振幅變化的7 a周期以及ENSO的周期特征一致。此外，有研究表明太陽活動通過影響降水變化進而對流域徑流產沙影響[20]。烏蘭木倫河流域徑流量和輸沙量8～10 a的周期與太陽黑子11 a左右的活動周期接近，反映了太陽黑子對流域徑流量和輸沙量在8～10 a年尺度上可能有一定的影響。另外，流域水沙變化的長時間尺度周期并未形成，并且徑流周期以及輸沙周期在1990s年代后期也逐漸消失，這可能是因為大規模的人類活動改變了流域水沙變化的自然周期。綜上，烏蘭木倫河流域徑流量和輸沙量的短周期變化主要受降雨、太陽活動等自然因子調控，并受到人類活動的影響，而更長周期的水沙變化特征則有賴于百年以上的水文序列。

5 結 論

(1) 烏蘭木倫河降水量沒有表現出明顯上升或下降趨勢變化，流域降水量存在4個尺度的周期變化，并且在35～42 a和20～25 a的時間尺度上，存在著明顯的豐枯豐交替，且時間周期特征比較穩定。

(2) 烏蘭木倫河徑流量和輸沙量呈梯狀下降趨勢，徑流量在流域60，70年代年均徑流量約為2.5億m3，90年代年均徑流量為1.4億m3，2000年以后年均徑流量為0.7億m3。流域年輸沙量下降趨勢更加劇烈，年均輸沙量在60—70年代約為3 000 萬t；2000年以后下降到100萬t以下，2008年以后下降至不足10萬t。

(3) 徑流量和輸沙量的突變點均在1996年，徑流量存在2～4 a，8～10 a，15～17 a共3個尺度的周期，而輸沙量存在2～4 a，5～8 a，8～10 a，15～17 a共4個周期，徑流周期和輸沙周期特征相似，不同時間尺度的周期并不穩定，在1990s年代后期也逐漸消失。