涇河長(zhǎng)系列水沙變化規(guī)律與歸因研究

吳小宏， 劉 招， 李 強(qiáng)， 孫剛峰， 李雯晴

(1.涇惠渠灌溉管理局， 陜西 三原 713800； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 水與發(fā)展研究院， 陜西 西安 710054； 3.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710054； 4.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

涇河作為黃河的二級(jí)支流，流經(jīng)黃土高原高強(qiáng)度水土侵蝕區(qū)[1]，以其徑流的高泥沙含量而聞名，20世紀(jì)中期向渭河匯入的多年平均泥沙量約為3×108t。隨著70年代后黃河流域水土保持工作的大力開(kāi)展，涇河流域內(nèi)的水土流失情況在一定程度上有所緩解，水沙關(guān)系也發(fā)生了較大變化[2]。天然徑流量的明顯減少必然影響到沿岸水資源的取用，水沙關(guān)系的改變也直接影響到水資源的利用效率[3]，給涇河流域乃至下游的渭河水資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

黃土高原水土流失及河道水沙問(wèn)題不僅是水文學(xué)科的重要問(wèn)題，還關(guān)系到生態(tài)、環(huán)境和工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注。長(zhǎng)期以來(lái)，諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)涇河徑流水沙進(jìn)行了大量的研究，并取得了眾多有價(jià)值的成果[4-7]。這其中不乏對(duì)涇河水沙變化特征[8-9]、水沙時(shí)間序列變異[10]、水沙豐枯遭遇[11]等方面問(wèn)題的探究，采用的方法亦十分多樣，有R/S時(shí)間序列分析、Copula函數(shù)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、有序聚類(lèi)和雙累積曲線法等等。劉招等[12]利用滑動(dòng)平均、Tenant等方法分析涇河來(lái)水形勢(shì)，結(jié)果表明：涇河流域的張家山站實(shí)測(cè)年徑流量呈現(xiàn)出明顯遞減趨勢(shì)，多年平均實(shí)測(cè)徑流量從20世紀(jì)60年代的17.15×108m3下降到近10年來(lái)的9.95×108m3，實(shí)測(cè)徑流距平最小達(dá)到-29.6%[12]。然而，涇河以及眾多流經(jīng)黃土高原的河流的水沙減少是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，其持續(xù)變化背后的相關(guān)成因機(jī)制仍不清楚，有關(guān)涇河徑流的減少與水沙關(guān)系的改變機(jī)理、影響因素、水沙時(shí)間序列變異及未來(lái)趨勢(shì)等問(wèn)題仍亟待深入開(kāi)展。

本文基于涇河控制站長(zhǎng)系列水文泥沙數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合趨勢(shì)分析、突變檢驗(yàn)及流域水文模擬等方法，探討基于不同土地利用和氣候情景下的河道水沙響應(yīng)。通過(guò)建立SWAT水文模型，設(shè)定不同情境，定量評(píng)估氣候和土地利用變化以及人類(lèi)直接取水?dāng)r沙活動(dòng)對(duì)于流域徑流泥沙變化的貢獻(xiàn)，以求為流域的水土流失治理和水資源規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 涇河流域概況

涇河發(fā)源于寧夏六盤(pán)山東麓，是黃河一級(jí)支流渭河的最大支流。涇河全長(zhǎng)455.1 km，流域面積為4.54×104km2，其中水土流失面積達(dá)到3.32×104km2，占流域總面積的73.14%。流域內(nèi)有多種地貌類(lèi)型，地形變化明顯，由西北到東南地勢(shì)逐漸降低。流域北部為黃土丘陵溝壑，中部和南部為黃土塬，西部為六盤(pán)山土石山區(qū)，東部為子午嶺黃土丘陵區(qū)，其中黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)分別占流域總面積的41.3%和39.7%，這兩種類(lèi)型區(qū)的水土流失最為嚴(yán)重[8]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)庫(kù)建立

本文數(shù)據(jù)來(lái)源為涇河下游張家山站實(shí)測(cè)1970-2017年徑流泥沙資料。研究分別采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、Pettit法、距平累積曲線法和Copula等方法，對(duì)涇河徑流泥沙的年內(nèi)、年際的變化規(guī)律及其突變性、周期性及水沙豐枯遭遇進(jìn)行分析。

為進(jìn)一步研究涇河流域水沙變化的驅(qū)動(dòng)因素，研究應(yīng)用SWAT建立分布式水文模型，對(duì)流域水沙情況進(jìn)行分情境模擬。SWAT即水土評(píng)估工具(Soil and Water Assessment Tool)，是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局開(kāi)發(fā)的分布式水文模型，其主要優(yōu)勢(shì)就是能夠模擬和預(yù)測(cè)徑流和泥沙負(fù)荷等，目前已得到廣泛的應(yīng)用及認(rèn)可[13-17]。本文建立SWAT模型所用數(shù)據(jù)庫(kù)的資料為90 m分辨率數(shù)字地形圖、1990-2015年3期土地利用圖(1990、2000、2015年土地利用圖比例尺為1:100萬(wàn))、HWSD土壤數(shù)據(jù)集、1970-2016年主要站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)、1970-2017年張家山站徑流泥沙數(shù)據(jù)等(http://www.gscloud.cn/)。

研究從地理空間數(shù)據(jù)云獲取涇河流域1990、2000、2015年土地利用數(shù)據(jù)圖以及土壤數(shù)據(jù)圖，其中土地利用根據(jù)全國(guó)土地利用現(xiàn)狀一級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(第二次全國(guó)土地調(diào)查)進(jìn)行重新分類(lèi)。氣象數(shù)據(jù)庫(kù)則是基于涇河流域內(nèi)4個(gè)氣象站(西峰、崆峒、長(zhǎng)武、環(huán)縣)的逐日資料進(jìn)行建立，其中SWAT模型中的天氣生成器所需參數(shù)通過(guò)pcpSTAT及dew2軟件計(jì)算得到。

2.3 涇河水沙長(zhǎng)系列變化規(guī)律

研究表明，年徑流量與年輸沙量的多年均值分別為11.85×108m3和1.76×108t，徑流泥沙在20世紀(jì)90年代中期同時(shí)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，圖1為涇河1970-2017年間水沙情勢(shì)。

涇河輸沙量的年內(nèi)不均勻系數(shù)維持在0.4～0.9之間，長(zhǎng)系列上不均勻系數(shù)表現(xiàn)為不顯著上升趨勢(shì)，表明多年輸沙量的年內(nèi)分配集中且趨勢(shì)維持。徑流量的不均勻系數(shù)在0.1～0.5之間，且長(zhǎng)系列上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明相對(duì)于泥沙輸移的極端集中，徑流的年內(nèi)分配相對(duì)平均。

圖1 1970-2017年涇河流域徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)序列

涇河流域年徑流量和輸沙量突變檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2的檢驗(yàn)結(jié)果表明，在20世紀(jì)90年代中期(1996年)水沙同時(shí)出現(xiàn)突變，突變前后徑流量和輸沙量多年均值分別為13.38×108m3、2.34×108t和10.21×108m3、1.17×108t。

為探討涇河長(zhǎng)系列來(lái)水來(lái)沙之間的豐枯遭遇情況，研究選用Copula函數(shù)來(lái)描述兩變量間的聯(lián)合分布。Copula函數(shù)是用來(lái)表述多維變量聯(lián)合概率分布的有效工具，在水資源領(lǐng)域有大量應(yīng)用。根據(jù)水文序列變異分析，以1996年為界，分別得到1970-1995年及1996-2017年水沙聯(lián)合分布函數(shù)如公式(1)、(2)：

F(X,Y)(x,y)=C(u,v)

=exp{-[(-lnu)1.6582+(-lnv)1.6582]1/1.6582}

(1)

F(X,Y)(x,y)=C(u,v)

=(u-0.686+v-0.686-1)-1/0.686

(2)

式中：F(X，Y)(x，y)為水沙聯(lián)合分布函數(shù)；u為涇河年徑流量(108m3)邊緣分布；v為涇河年輸沙量(108t)邊緣分布。

圖3為涇河水文序列突變前后水沙聯(lián)合分布概率等值線。由圖3可以看出，1970-1995年的概率分布較為均勻，而1996-2017年的概率分布出現(xiàn)集中現(xiàn)象，突變后，水沙豐枯同步概率下降，異步概率上升至51.58%。同時(shí)，突變后70%的以下的等值線越加密集，說(shuō)明由于氣象變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，水文設(shè)計(jì)頻率所對(duì)應(yīng)的徑流泥沙量出現(xiàn)了變化，而這必然會(huì)對(duì)按過(guò)去工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建立的水利工程造成一定的影響。

圖2 涇河流域年徑流量和輸沙量突變檢測(cè)結(jié)果

圖3 涇河水文序列突變前后水沙聯(lián)合分布概率等值線

2.4 模型模擬與參數(shù)率定、結(jié)果驗(yàn)證

地區(qū)差異造成SWAT模型并不能合理模擬每一個(gè)流域，所以還需對(duì)模型進(jìn)行率定和評(píng)判。本文選取張家山站1970-1979年為模型預(yù)熱、參數(shù)率定期，然后以1980-1989年數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。敏感性分析選用SWAT-CUP中的LH-OAT敏感性分析方法，模擬結(jié)果精度采用決定系數(shù)R2、Nash-Suttclife效率系數(shù)NS、相對(duì)偏差百分比PBIAS來(lái)評(píng)判，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 SWAT模擬結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

率定期(1973-1979年)和驗(yàn)證期(1980-1989年)徑流量及輸沙量的模擬值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖4。根據(jù)SWAT-CUP軟件評(píng)判結(jié)果，率定期的徑流量模擬結(jié)果的決定系數(shù)、Nash-Suttclife效率系數(shù)和相對(duì)偏差百分比分別為0.81、0.79及0.5%，而輸沙量為0.71、0.68及-14%；驗(yàn)證期則分別為0.78、0.72、15%和0.74、0.64、10%，可以看出評(píng)價(jià)結(jié)果皆在可信范圍內(nèi)。結(jié)合圖4可以看出，雖然由于DEM的分辨率、土地利用圖的分類(lèi)、數(shù)據(jù)庫(kù)疊加帶來(lái)的誤差等因素[18-20]使得模型對(duì)于徑流量和輸沙量極端年份的模擬有些出入，但總體上可以較好模擬出涇河流域多年徑流泥沙變化。

圖4 率定期(1973-1979年)和驗(yàn)證期(1980-1989年)徑流量及輸沙量的模擬值與實(shí)測(cè)值

3 情境模擬結(jié)果分析

3.1 流域徑流泥沙對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

為研究不同土地利用條件下河川徑流及泥沙情況，對(duì)建立的模型分別輸入3個(gè)時(shí)期的土地利用條件進(jìn)行模擬。表2為不同土地利用條件下涇河流域的水沙模擬結(jié)果，由表2可見(jiàn)，2000年土地利用條件下的徑流量、輸沙量最大，而2015年土地利用條件下的徑流量、輸沙量最小。其中在1990-2000年之間，雖然耕地減少43 km2，但同時(shí)草地增長(zhǎng)了131 km2，且林地減少了161 km2，使得整體上涇河流域的保水抗蝕的能力減弱，因此導(dǎo)致2000年土地利用條件下徑流量增加了0.009×108m3，輸沙量增加了0.006×108t；在2000-2015年間，由于耕地繼續(xù)減少了364 km2，而林地大幅增加了409 km2，草地減少136 km2，使得涇河流域的保水抗蝕能力相比1990-2000年間大幅度提升，2015年土地利用條件下徑流量減少了0.141×108m3，輸沙量減少了0.102×108t，二者減少量為同一數(shù)量級(jí)。

表2 不同土地利用條件下涇河流域水沙模擬

3.2 流域徑流泥沙對(duì)氣候變化的響應(yīng)

同樣，設(shè)定不同的氣候情境，模擬氣候條件變化時(shí)徑流及泥沙變化的情況。表3為不同氣象條件的模擬結(jié)果，由表3可知，在相同土地利用條件下，1980-2016年間，涇河流域平均年降水量下降了7.64 mm，氣溫上升了0.41°，蒸散發(fā)上升46.37 mm，這使得在1996-2016年間徑流量比1980-1995年的徑流量減少了0.74×108m3，輸沙量比1980-1995年的輸沙量減少了0.056×108t。結(jié)合土地利用變化下的徑流泥沙變化幅度可以看出，在土地利用變化條件下，輸沙量相比徑流量變幅更大，而在氣象變化條件下，徑流量變幅比輸沙量大一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明徑流對(duì)于氣象變化的響應(yīng)較為敏感，而泥沙相對(duì)并不敏感。在1980-1995年和1996-2016年2個(gè)時(shí)期，降水、氣溫、徑流量和輸沙量的年際波動(dòng)變化不大。

表3 不同氣候條件下涇河流域水沙模擬

4 歸因分析與討論

4.1 氣候與土地利用變化

分析氣候和土地利用變化因素對(duì)徑流泥沙減少的貢獻(xiàn)，如表4所示，以1996年為分界點(diǎn)，實(shí)測(cè)徑流與泥沙在1980-2016年間，分別減少了3.49×108m3和0.92×108t。僅考慮土地利用變化的條件下，徑流泥沙分別減少0.141×108m3和0.102×108t，其貢獻(xiàn)率約為4.04%和11.08%；僅考慮氣候變化的條件下，徑流和泥沙的減少量為0.74×108m3和0.056×108t，貢獻(xiàn)率約為21.20%和6.08%。

這表明氣象條件和土地利用變化對(duì)徑流泥沙減少有一定影響，但并不是主要因素，其減少的主要驅(qū)動(dòng)因素很可能是其它人類(lèi)活動(dòng)的直接影響，例如人類(lèi)直接引水灌溉、工廠傍河用水以及人工淤地壩攔沙等。

表4 流域徑流泥沙變化貢獻(xiàn)分析

4.2 人類(lèi)活動(dòng)用水變化

根據(jù)《黃河流域水文特征值統(tǒng)計(jì)(涇洛渭區(qū))》等相關(guān)資料，統(tǒng)計(jì)得2005-2017年上游甘肅省涇河流域出入境水量和張家山實(shí)測(cè)徑流對(duì)比見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，較為穩(wěn)定的多年入境水量以及出境水量和張家山的實(shí)測(cè)徑流量較為一致。統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期張家山以上涇河流域人類(lèi)用水總耗水量，涇河流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)所消耗的水量從20世紀(jì)50年代的0.73×108m3增加到目前的3.87×108m3，并且從20世紀(jì)90年代以后增長(zhǎng)速度加快。由于涇河徑流量的減少，耗水量占據(jù)實(shí)測(cè)徑流的比例從20世紀(jì)70年代7.28%上升到2017年的40.69%。相比90年代，張家山以上流域的總耗水量多年均值又增長(zhǎng)了2.12×108m3，占據(jù)徑流減少量的60.74%，如表5所示。耗水量的持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)于涇河出口徑流量的減少有著重要影響。

圖5 2005-2017年甘肅省境內(nèi)涇河流域出入境水量及張家山實(shí)測(cè)徑流量

表5 張家山以上流域不同年代總耗水量

4.3 淤地壩工程

在治理黃河泥沙的措施中，除退耕還林還草外，淤地壩也占據(jù)重要地位。本節(jié)根據(jù)李景宗等[21]統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，除去已淤滿的淤地壩，對(duì)還具有攔沙作用的淤地壩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表6。

表6 涇河流域內(nèi)淤地壩多年攔沙情況

截至2011年，涇河流域還發(fā)揮作用的骨干淤地壩為432座，中小型為811座，骨干壩中已淤庫(kù)容占據(jù)總庫(kù)容的25.4%，表明未來(lái)涇河流域的大多數(shù)淤地壩還將繼續(xù)發(fā)揮攔沙作用。而淤地壩年均攔沙量為0.117×108t，占據(jù)減少量的12.71%，考慮到已淤滿的淤地壩并未計(jì)算在內(nèi)，實(shí)際的攔沙量會(huì)更多。并且由于淤地壩對(duì)于控制面積內(nèi)的溝床下切、溝坡滑塌的現(xiàn)象有一定抑制作用，淤地壩對(duì)于涇河泥沙的減少同樣有著重要的影響。

5 結(jié) 論

涇河作為流經(jīng)黃土高原黃河的二級(jí)支流，其來(lái)水來(lái)沙變化關(guān)系到沿岸居民及工農(nóng)業(yè)用水安全，歷來(lái)備受關(guān)注。論文基于涇河長(zhǎng)系列水沙資料，對(duì)過(guò)去幾十年來(lái)涇河水沙過(guò)程、人類(lèi)活動(dòng)、氣候變化等因素進(jìn)行探究分析，通過(guò)分布式水文模擬，分不同情境對(duì)流域水沙過(guò)程進(jìn)行了模擬分析和研究，主要結(jié)論如下：

(1)涇河流域來(lái)水來(lái)沙在20世紀(jì)90年代中期同時(shí)出現(xiàn)突變，突變前后徑流量和輸沙量多年均值分別為13.38×108m3、2.34×108t和10.21×108m3、1.17×108t；徑流泥沙序列突變后，水沙豐枯同步概率下降，異步概率上升至51.58%。

(2)僅考慮土地利用變化的條件下，徑流泥沙分別減少0.141×108m3和0.102×108t，其貢獻(xiàn)率約為4.04%和11.08%；僅考慮氣候變化的條件下，徑流和泥沙的減少量為0.74×108m3和0.056×108t，貢獻(xiàn)率約為21.20%和6.08%。表明氣象條件和土地利用變化對(duì)徑流泥沙減少有一定影響，但并不是主要因素。

(3)涇河河道水的取用量從20世紀(jì)90年代以后快速增長(zhǎng)。水資源利用率從20世紀(jì)70年代7.28%上升到2017年的40.69%，總耗水量又增長(zhǎng)了2.12×108m3，研究認(rèn)為地表水資源取用占到徑流減少量的60%以上。