無定河流域不同地貌區徑流變化歸因分析

任宗萍,馬勇勇,王友勝,謝夢瑤,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, 西安 710048 2 中國水利水電科學研究院, 北京 100038

黃土高原水土流失嚴重,新中國成立以來,先后開展了淤地壩建設、小流域綜合治理、退耕還林(草)工程等一系列的水土流失治理措施[1- 2]。研究表明黃土高原一系列的水土流失治理措施顯著減少了流域的侵蝕產沙量,同時也在一定程度上使得黃河流域年徑流量有所下降[3-4]。黃河潼關水文站徑流量由多年平均426億m3銳減到近年來的231億m3[3]。黃河上游和中游年徑流量分別從1919—1985年的251億m3和168億m3減少為1985—2010年的159億m3和78億m3[4]。徑流變化引起流域水文水資源系統的變化,對流域水資源的開發利用產生了深遠影響[5-7]。因此,研究流域徑流演變規律及其驅動力因子有助于深刻認識水循環過程及變化特征,同時也為流域水資源利用和生態環境建設提供科學依據。

無定河是黃河的一級支流,流域位于毛烏素沙地南緣和黃土高原北部地區,是黃河中游典型的風水兩相復合侵蝕區[8],也是黃土高原水土保持措施實施的重點區域。全流域按地貌和水土流失類型可分為河源澗地區、風沙區和丘陵溝壑區(圖1)。其中西部河源澗地區(占流域面積12.2%)和東南部丘陵溝壑區(占流域面積34.3%)均為厚層黃土覆蓋,以水蝕過程為主。東南丘陵區侵蝕強烈,年輸沙量超過流域總輸沙量的70%；西北部風沙區(占流域面積54.3%)以風力侵蝕為主,侵蝕模數較小,年輸沙量不足流域總輸沙量的6%[9]。目前,國內學者就無定河徑流變化、周期特征及影響因素等雖然已有相關研究[10-13]。然而,針對流域不同地貌類型區徑流變化及形成原因的分區研究十分有限[14-15]。由于下墊面條件的不同,西北部風沙區和東南部丘陵溝壑區的流域具有明顯不同的徑流來源和產流機制[14]。因此,對不同地貌類型區徑流變化趨勢及其影響因素的探討對于揭示全流域水沙演變規律及其形成原因具有重要意義[15]。本文通過收集無定河及其典型支流海流兔河(風沙區)和大理河(丘陵區)出口控制水文站白家川、韓家峁和綏德站1960—2012年的降水量、蒸散量和徑流量等氣象水文資料,利用Mann-Kendall(MK)非參數檢驗和啟發式分割算法分析無定河干流及其不同地貌區支流徑流量變化特征及其差異,采用彈性系數法探討影響流域徑流量變化的主要因素及其貢獻率,并利用Hurst指數法預測流域干流及不同地貌區支流徑流量變化趨勢,以期為無定河流域不同地貌區水資源管理和生態環境建設提供科學依據。

1 研究區域概況

無定河流域發源于陜西省定邊縣白于山北麓,干流全長491.0 km,流域面積30261 km2。流域出口控制站為白家川水文站,控制流域面積為29662 km2。無定河流域屬于溫帶大陸性干旱半干旱季風氣候類型,多年平均降水量為387.8 mm,平均年徑流深36.3 mm。流域水土流失面積23137 km2,平均侵蝕模數6090 t km-2a-1,是黃河粗泥沙的主要來源區之一[15]。無定河流域自1950年開展水土流失治理工作以來,治理范圍日益廣泛。20世紀50—60年代為起步階段,此階段治理范圍不大,初步完成治理面積2153 km2；20世紀70—80年代為初具規模的治理階段,此階段主要進行了溝道治理,修建了大量淤地壩,共建成淤地壩5929座,占現有淤地壩總數的51.1%。80年代開始,無定河成為國家重點治理區,開始了大范圍的治理工作,截至1996年,區內共退耕還林還草6734 km2,修建梯田966 km2,修成淤地壩11710座,建成庫容100萬m3以上水庫74座,總庫容14.9億m3,總治理面積8364 km2,占全流域水土流失面積的36.4%[15]。

海流兔河和大理河分別為無定河位于西北部風沙區和東南部黃土丘陵區的一級支流(圖1)。其中海流兔河流域主要土壤類型為風沙土,干流長約80 km,流域面積2600 km2,出口控制站韓家峁水文站控制流域面積2452 km2,多年平均降水量367 mm,年均潛在蒸散量1233 mm,年徑流量0.85億m3；大理河流域主要土壤類型為黃綿土,干流長170 km,流域面積3906 km2,出口控制站綏德水文站控制流域面積3893 km2,多年平均降水量443 mm,年均潛在蒸散量1199 mm,年徑流量1.4億m3。截止2010年風沙區海流兔河流域林草面積約為1800km2；大理河流域林草面積為2300 km2,梯田面積為185km2,淤地壩約270多座[15]。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法及數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 Mann-Kendall非參數檢驗

Mann-Kendall(MK)檢驗被廣泛應用于降水、徑流和水質等水文氣象序列的趨勢變化分析[16-18],基于MK檢驗的統計值Z值和P值來反應變化趨勢。當Z大于0表示該序列呈現增加趨勢,Z小于0表示序列呈現減少的趨勢,而P大于0.05表示該序列增加或者減少不顯著,而P小于0.05表示增加或者減少趨勢顯著。本文基于MK檢驗分析年降水、潛在蒸散發和年徑流量的變化趨勢。

2.1.2 啟發式分割算法

某一時間序列X(t)由N個點組成,從左到右分別計算每分個點左邊和右邊部分的平均值分別為μ1(i)和μ2(i)及標準差分別是s1(i)和s2(i),則i點合并偏差SD(i)可表示為：

(1)

式中,N1、N2分別表示i點左邊與右邊部分的點數。用t檢驗的統計值T(i)量化i點左右均值的差異：

(2)

式中,T值越大,則說明該點左右兩邊兩子序列的差異越明顯。計算T中最大值Tmax所對應的統計顯著性P(Tmax),其計算公式如下：

(3)

由蒙特卡洛模擬可得：n=4.19lnN-11.54且δ=0.40。其中,N表示序列的長度,v=N-2,Ix(a,b)是不完全函數。預先設定一個臨界值P0(P0可取0.05—0.95),當P(Tmax)≥P0,則在該點處將此序列分割成左右兩個均值差異較大的子序列,否則不進行分割。對新的兩個子序列不斷進行迭代并重復以上操作,直到子序列的長度小于l0(l0的取值則不應小于25)時便停止對其分割[19]。

2.1.3 徑流變化歸因分析

假定流域多年蓄水量變化忽略不計,基于Choudhury-Yang公式和流域水熱耦合平衡方程[20-22],利用彈性系數法將流域徑流變化分解為降水量影響,潛在蒸散發影響以及下墊面變化等人類活動的影響。

2.1.4 重標度極差分析法

Hurst指數是一種時間序列的統計方法[23],可以用來定量表征序列的持續性。基本原理為：對一個時間序列Xt,t=1,2,…,n。對于任意正整數τ≥1,構造一個均值序列τ,其累積離差Y(t,τ)的具體算法為：

(4)

(5)

Hurst發現用標準差S除極差R建立一個無量綱比率,滿足關系式:

(6)

式中,α為常數,H為Hurst指數。對于不同的H,意味著序列有不同的趨勢變化：當H=0.5時,表明序列是完全獨立的,即序列是一個隨機過程；當0≤H<0.5時,意味著未來的變化狀況與過去相反,即反持續性,H值越接近0,反持續性越強；反之,1≥H>0.5時,意味著未來的變化狀況與過去一致,即持續性,H越接近1,接續性越強。Hurst指數能很好的揭示出時間序列中持續性或者反持續性的大小,由此總結了Hurst指數分級表持續性和反持續性都分為5級(表1)[24]。

表1 Hurst指數分級表

2.2 數據來源

1960—2012年白家川、綏德水文站、韓家峁的年徑流量均來自黃河流域水文年鑒。無定河流域面降水量由16個雨量站(李家河、丁家溝、曹家岔、青陽岔、趙石窯、孟家灣、曹坪、韓家峁、補浪河、羊羔山、靖邊、趙石畔、橫山、澗峪岔、綏德、白家川)算術平均法求得；大理河流域面降水量由綏德、曹坪、李家河、青陽岔4個雨量站算術平均法求得；海流兔河流域由韓家峁、補浪河2個雨量站算術平均法求得。

氣象數據為橫山站、榆林站、綏德站1960—2012年的逐日氣象資料包括最高氣溫,最低氣溫、平均氣溫、相對濕度、風速、日照時數,來自于中國氣象科學數據共享服務網。潛在蒸散發量通過Penman-Monteith公式計算得到,無定河流域潛在蒸散發量為三站的算術平均求得,大理河流域為綏德站,海流兔河流域為橫山站。由于各流域面積不同,徑流量差異較大,為便于比較,本文采用徑流深(徑流量/流域面積)反映流域徑流量變化趨勢。

3 結果分析

3.1 降水量、蒸散量和徑流量變化特征分析

無定河及其支流大理河和海流兔河流域1960—2012平均年降水量分別為387.7,442.6 mm和367.4 mm,位于黃土丘陵區的大理河流域較風沙區的海流兔河流域年均降水量高75.2 mm。三條流域年均降水量均在1960s年代和2000s年代高于其他時段(圖2),但其降水量變化的MK檢驗無顯著趨勢(P>0.05)(表 2)。

無定河、大理河和海流兔河三條流域1960—2012平均年蒸散量分別為1195.5,1199.2 mm和1233.3 mm,大理河流域年均蒸散量較海流兔河低34.1 mm。無定河和大理河流域年蒸散量呈增加趨勢,這種增加在1990s年代和2000s年代增強(圖2)。大理河流域年蒸散量MK檢驗結果在P<0.01水平顯著,無定河流域年蒸散量MK檢驗結果在P<0.1水平顯著(表 2)。相比之下,海流兔河流域年平均蒸散量在1970s—1990s年代呈增加趨勢,但2000s年代流域年平均蒸散量有所下降。總體上,海流兔河1960—2012年平均蒸散量的MK檢驗不顯著(表 2)。

無定河、大理河和海流兔河三條流域1960—2012平均年徑流深分別為36.3,35.5 mm和3.4 mm,大理河流域年均徑流深較海流兔河高31.1 mm。3條流域年徑流深變化的MK檢驗均呈極顯著趨勢(P<0.01)(表 2)。其中,無定河流域從1960s年代到2000s年代年徑流深呈連續下降趨勢；大理河年徑流深在1970s和1980s持續下降,但在1990s年代有所回升,隨后在2000s年代再次下降；海流兔河年徑流深在1970s至1990s年代持續下降,但在2000s年代后有所回升。此外,位于黃土丘陵區的大理河流域徑流深年際變化較風沙區的海流兔河大。

圖2 1960—2012年無定河、大理河和海流兔河流域降水量、蒸散量和徑流深變化Fig.2 Changes of annual precipitation, potential evaporation and runoff in the Wuding River, Dali River and Hailiutu River during 1960—2012

Table 2 Mann-Kendall test of annual precipitation, potential evaporation and runoff in the Wuding River, Dali River and Hailiutu River during 1960—2012

流域Basin降水量Annual precipitation蒸散量Potential evaporation徑流量RunoffZPZPZP無定河0.560.571.760.08-7.030.00大理河0.350.733.210.00-2.970.00海流兔河0.730.470.100.92-5.040.00

3.2 徑流突變點及變化歸因分析

無定河流域徑流變化突變點在1979年和1996年,海流兔河流域徑流變化突變點在1971年和1990年,而大理河流域徑流變化突變點在1971年(圖3)。根據突變點將無定河流域徑流序列分為3個時期,1960—1979年為基準期,1980—1996年和1997—2012年為研究期。為方便對比,將大理河和海流兔河流域徑流序列也分為3個時期,1960—1970年為基準期,1971—1990年和1991—2012年為研究期。與基準期相比,無定河流域1980—1996年研究期徑流深減少了30.5%；1997—2012年徑流深減少了46.4%。相比基準期,在1972—1990年大理河流域徑流深的減少量為29.2%,大于海流兔河流域的20.5%；而在1991—2012年,大理河流域的徑流深變化量為31.6%,小于海流兔河流域的38.6%(表3)。

采用彈性系數法對三條流域兩個研究期的徑流變化進行歸因分析(表3)。無定河流域1980—1996年的徑流深減少了14.5 mm,人類活動影響占主要作用,貢獻率為66.8%；其次為降水量,占到減少總量的30.3%；蒸散量變化僅占減少總量的2.8%；1997—2012年徑流深減少了22.2 mm,其中人類活動導致徑流量減少98.2%,降水量增加使得徑流總量增加1.7 mm,蒸散發導致的徑流減少量占9.5%。大理河流域徑流深在1972—1990年減少了13.6 mm,在1991—2012年減少了14.7 mm,兩個時期減少量相差不大；而且兩個時期人類活動影響造成的徑流量的減少占到50%左右,也相差不大；但是氣候變化對徑流量的影響中,1972—1990年,降水的減少對徑流下降的貢獻占到47.9%,蒸發變化貢獻不足1%；在1991—2012年,降水和蒸發變化分別貢獻了21.8%和29.0%。海流兔河徑流深在1972—1990年減少了0.9 mm,在1991—2012年減少了1.7 mm,是1972—1990年減少的一倍。分析兩個時期徑流減少歸因發現,1972—1990年,降水量占到了33.3%,蒸散量占到22.2%,而人類活動占到了44.4%；而1991—2012年,人類活動的影響是造成徑流減少的主要原因,占到82.4%,氣候變化中蒸散量貢獻為17.6%,由于該時期平均降水量與基準期一樣,降水對徑流減少的貢獻為0。

表3 1960—2012年無定河、大理河和海流兔河徑流變化歸因分析

圖3 1960—2012年無定河、大理河和海流兔河徑流變化啟發式分割檢驗Fig.3 Heuristic segmentation test of flow discharge in the Wuding River, Dali River and Hailiutu River during 1960—2012

3.3 基于Hurst指數的徑流量未來趨勢分析

無定河、大理河和海流兔河流域年降水量、蒸散量、徑流量序列的長期相關性特征為持續性,H值大于0.5,未來的變化與過去的變化趨勢一致(表4)。3個流域年降水變化趨勢的持續性強度都較弱；無定河和海流兔河流域蒸散量增加趨勢的持續性強度也較弱,但是大理河流域的蒸散量增加趨勢的持續性較強；無定河流域徑流量減少趨勢持續性最強,海流兔河流域徑流量減少趨勢的持續性較強,而大理河流域徑流量減少趨勢持續性較弱(表4)。

表4 水文氣象要素年值序列Hurst指數

4 討論

黃土丘陵區的河流是無定河流域侵蝕產沙的主要源區,也是水土保持措施實施的重點區域。人類活動對黃土丘陵區的大理河流域1972—1990年和1991—2012年兩個時期徑流減少的貢獻率分別為48.6%和51.7%(表3),研究表明梯田、林地、草地和壩地建設等水土保持治理措施是流域侵蝕產沙減少的主要原因,也是導致流域徑流減少的重要原因。大理河流域的水土流失治理始于1960s年代,流域水土保持措施面積在1970s和1980s年代快速增加,尤其是壩地面積在1970s年代較1960s年代增加了2倍多(表5)[25]。對大理河流域3條典型支流不同年代淤地壩數量統計發現,流域85%以上淤地壩修建于1970s年代(表6)。截止到2002年,大理河流域共有淤地壩3100余座,控制70%的流域面積。與1960s年代相比,僅壩庫攔蓄作用導致大理河年徑流量下降800萬m3,約占流域徑流量的10%[26]。高海東等[27]闡述了淤地壩對徑流過程的影響機理,指出隨著壩地的淤積,溝道形狀由原來的V型溝道逐漸演變為U型溝道,其比降降低,過流斷面面積變大；淤地壩作為障礙性節點,顯著削弱了流域的洪峰流量。因此,1970s年代大規模水土保持治理措施,尤其是淤地壩建設顯著減少了大理河流域侵蝕產沙,也在一定程度上減少了流域徑流量,成為大理河徑流量在1971年出現拐點的重要原因。另外,由于1970s—1980s年代建設的淤地壩攔蓄壽命大部分小于20年,隨著淤地壩的淤滿,其攔蓄作用下降,導致大理河年徑流量在1990s年代有所回升。在相同干旱指數情況下,林草覆蓋率越大,流域產水越少[28]。植被恢復對黃河徑流減少的貢獻達26%[29]。2000s年后,國家退耕還林還草政策實施,大理河流域水土保持建設達到新的高潮,使得流域年徑流量在2000s年代再次出現下降。此外,大理河流域20世紀90年代后期蒸散量開始顯著增加(圖2),也加劇了流域徑流量的下降。

表5 大理河流域1960—2002年水土保持措施保存面積[25]

與大理河流域相比,位于風沙區的海流兔河流域水土流失微弱,水土保持措施很少,流域內并無淤地壩分布(圖1)。然而,海流兔河流域第一個徑流突變點也發生在1971年,人類活動對海流兔河1972—1990年和1991—2012年兩個時期徑流減少的貢獻率分別為44.4%和82.4%。據統計,海流兔河流域目前共有10座較大型水利工程,主要用于農田灌溉。其中,在1970s年代和1990s年代先后修建4座,而在1980s年代和2000s年代各有1座(表7)[30]。壩庫的修建年代與海流兔河徑流變化的兩個拐點1971和1990基本一致,表明流域內過度的農田灌溉用水的增加可能是引起徑流減少的主要原因。此外,海流兔河徑流量在2000s年代有所回升,其原因一方面與流域2000s年代降水量增加,蒸散量下降有關(圖2)；另一方面也與流域退耕還林還草后農地面積下降,灌溉需水減少有關。

無定河干流及其支流大理河和海流兔河徑流未來仍然呈減少趨勢,流域水資源利用形勢日趨嚴峻。歸因分析表明,人類活動是引起無定河流域20年來徑流減少的主要原因。未來迫切需要從流域社會、經濟和生態環境可持續發展的角度制定水資源利用規劃,開展節水型流域建設,加強雨水、工業用水、農業用水和生活用水資源的循環高效利用。其中,在大理河流域要優化現有植被建設布局,利用鄉土樹、草種逐步替代耗水高、生長差的植被類型,減少流域蒸散發,減緩徑流下降。在海流兔河流域要適當控制農田灌溉面積,提高農田灌溉用水效率,在必要情況下增加退耕還林(草)面積,減少灌溉用水的同時提高流域水源涵養能力。

表6 大理河流域三條典型支流不同年代淤地壩保存數量

表7 海流兔河流域水利工程建設時間及用途[30]

5 主要結論

本研究發現1960—2012年無定河及其不同地貌區典型支流海流兔河和大理河年徑流量均發生顯著下降趨勢,但其在不同年代變化略有差異。其中,位于黃土丘陵區的大理河年徑流量在1960s—1980s持續下降,但在1990s年代有所回升,2000s年代再次下降；而風沙區的海流兔河年徑流量下降一直持續到1990s年代,在2000s年代有所回升。盡管大理河和海流兔河徑流突變點均出現在1971年,但不同地貌區流域徑流下降的原因有所不同。在黃土丘陵區,大規模的水土保持治理措施,尤其是淤地壩建設等人類活動是大理河徑流量在1971年出現拐點的重要原因；而在風沙區,過度的農田灌溉用水增加是引起海流兔河徑流變化的主要原因。Hurst指數表明,未來無定河流域及其不同地貌區支流海流兔河和大理河年徑流量均持續下降。