淤地壩和植被變化對渭河流域水沙情勢的影響

鞠 琴，王 堯，王 哲，高慧濱，郝振純，王 維

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.長江保護與綠色發展研究院，江蘇 南京 210098；3.海河水利委員會水文局，天津 300170)

氣候變化、人類活動和水文循環三者之間的相互干預和影響是當今科學研究的一個重要命題。基于長序列水文資料的統計分析作為研究氣候變化與人類活動對徑流影響的基礎方法，已經應用到國內外眾多流域[1]。在我國黃河流域中游地區，氣候變化和人類活動對徑流影響的相關研究表明，人類活動比氣候變化對徑流減少的貢獻更大[2]。

渭河是黃河流域面積最大、來水來沙量最多的一級支流，研究其水文要素的變化可以為定性定量分析氣候變化和人類活動對水文過程的影響、探討適應性對策等提供重要參考。應用Mann-Kendall法或聚類分析法，結合線性回歸法驗證和比較，徐宗學等[3]認為渭河流域內降水、徑流總體呈減少趨勢；左德鵬等[4]進一步用敏感性系數法估算了各因素對徑流變化的貢獻，認為徑流對降水變化最敏感；候欽磊等[5]認為在影響徑流變化的因素中，人類活動影響大于降水影響，同時R/S分析結果表明徑流的遞減趨勢將會持續。從空間上看，通過分析上、中、下游代表水文站的徑流年內分配，楊美臨等[6]認為流域下游徑流的年內不均勻性和變化幅度都大于上游，Zhao[7]分別分析了5個子流域徑流的變化趨勢，結果表明流域西部的徑流減少趨勢最顯著，與降水的空間變化一致。

已有研究多側重對徑流變化分析，探討其與氣象因子變化趨勢的一致性，反映水文循環對氣候變化的響應，或是定量分析減水減沙量來驗證水土保持工程的有效性，缺乏對水沙變化趨勢的綜合討論和原因分析。本文以1965年～2016年的最新序列資料為基礎，綜合分析了水沙的時空變化趨勢及其與植被覆蓋變化和水土保持工程建設的關系，既可驗證時間序列延長后水文要素的變化趨勢是否發生改變，也為已有研究的趨勢預測結果提供了檢驗與參考。

1 研究區域概況

渭河流域咸陽站以上區域(以下簡稱“渭河流域”)(見圖1)，面積46 827 km2，多年平均降水深566.6 mm；降水主要集中在中游南部地區，空間分布由西北向東南遞增，中心從春到冬逐漸東移。流域整體屬資源型缺水地區，水旱災害頻繁、洪澇災害嚴重[8]。

圖1 渭河流域概況

2 資料與方法

2.1 資料

以渭河流域66個雨量站和7個水文站的長序列降水、流量和含沙量資料為基礎，結合NDVI圖幅資料和淤地壩調查數據，計算了流域面平均雨量、徑流量、輸沙量和植被覆蓋度等要素。其中，流域出口控制站咸陽站的徑流量和輸沙量序列為1965年～2016年；北道、天水、武山、秦安、甘谷和社棠站的水沙同期資料為2004年～2014年；降水量同期序列為1979年～2014年；GIMMS NDVI的半月合成數據集時間序列為1982年～2015年，空間分辨率0.083°×0.083°，來自美國國家航天局(https:∥ecocast.arc.nasa.govdatapub/gimms/3g.v1/)。

本文將時間序列按年代劃分為5個時段，分別是：1965年～1969年、1970年～1979年、1980年～1989年、1990年～1999年及2000年后(2000年～2016年)。

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

Mann-Kendall法(以下簡稱“M-K”法)適用于平穩的獨立隨機同分布序列。

2.2.2 Pettitt突變檢驗

Pettitt法是一種對存在趨勢變化序列進行突變檢驗的非參數方法。該法使用Mann-Whitney的統計量Ut，N來檢驗要素的均值變化，從而確定突變時間。當Ut，N達到最大值并通過顯著性檢驗時，認為該點是顯著變異點[10]。

2.2.3 基于R/S的Hurst系數法

Hurst系數是一種判斷時間序列屬于隨機游走還是有偏過程并定量表征其持續性的指標。最常用的計算方法是R/S分析法[11]，即將極差R與標準差S的比值定義為重標極差，將多組重標極差值應用最小二乘法回歸分析，得到Hurst系數的近似值h。當h=0.5時，表明時間序列隨機游走，未來趨勢無法確定；當0≤h<0.5時，序列未來變化趨勢與現在相反；當0.5

2.2.4 小波分析

小波是一種長度有限且均值為0的特殊波形，通過小波變換和小波方差可以揭示時間序列的周期性，符合水文水資源系統的時變性特征，在水文學中有廣泛的應用。應用小波分析方法的重要前提是選擇合適的基小波函數ψ(t)。本文選取Morlet連續復小波變換來分析徑流的多時間尺度特征[13]，通過小波方差圖分析序列中不同尺度周期震蕩的相對強度，進一步得出序列存在的主周期。

2.2.5 植被覆蓋度估算方法

本文獲取的GIMMS NDVI 3g原始數據為全球范圍的netCDF文件，經過格式轉換、投影變換、裁剪等預處理后得到研究區范圍的NDVI柵格數據集。

應用最大值合成法，將多幅圖像中各柵格的最大像元值作為結果，得到逐年NDVI數據。此方法可以消除大氣中云、太陽高度角、水汽和氣溶膠等因素的影響[14]。

最后根據像元二分模型，使用NDVI計算植被覆蓋度[15]

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

3 分析與結果

3.1 徑流量和輸沙量的年際變化

1965年～2016年間，渭河流域徑流量年際波動較大(見圖2)，年徑流量最大值可達77.22億m3，最小值為52.79億m3，多年平均年徑流量為34.26億m3，變化率為-0.58億m3/a。徑流量經歷了增長—下降—增長的過程，總體呈下降趨勢。流域輸沙量顯著減少(見圖3)，多年平均輸沙量為0.81億t，變化率為-0.4億t/10 a，其中汛期多年平均輸沙量為0.78億t，占年輸沙量的92.9%，與年輸沙量的變化趨勢一致。從圖2和圖3徑流量和輸沙量各年代的趨勢線可以看出，20世紀90年代斜率最大，變化最顯著。

圖2 徑流量年際變化

圖3 輸沙量年際變化

3.1.1 年際變化趨勢

對徑流序列進行M-K趨勢檢驗，結果如表1所示。|Z|>2.58，通過了α=0.01的顯著性檢驗，徑流減少的趨勢極顯著。從UF曲線(見圖4)可以看出，年徑流量在20世紀60年代末期有不顯著的增加趨勢；自1970年之后呈下降趨勢；90年代中期之后，UF曲線超過顯著性水平線，下降趨勢極顯著。

表1 徑流量、輸沙量各項檢驗結果

圖4 徑流量和輸沙量的UFUB曲線

進一步對徑流序列的減少趨勢進行持續性檢驗，計算得到Hurst系數值h=0.8971，表明序列具有很強的正持續性，渭河流域的年徑流量將持續減少。Pettitt突變檢驗結果表明流域徑流減少的突變時間為1993年。

同理，輸沙量的M-K結果(見表1)也通過了顯著性檢驗，減少趨勢極顯著。流域輸沙量從20世紀70年代開始持續減少，自90年代開始以極顯著的水平減少。輸沙量變化的正持續性比徑流量更強，流域輸沙量將持續減少。輸沙量的突變時間為1994年，與徑流的突變同期。結合水沙的各項檢驗結果可以得到，流域自20世紀70年代至今減水減沙明顯，水沙的減少趨勢具有很強的持續性，90年代是水沙突變和劇變的時期。

從小波分析的結果來看，年徑流序列存在3個較為明顯的峰值，依次對應11、7 a和4 a的主周期，其中11 a左右的周期震蕩最強，是年徑流變化的第一主周期，7 a左右和4 a左右的周期震蕩相當。在實部等值線圖(見圖5)中，11 a左右的時間尺度有明顯的“枯—豐”周期震蕩，在1965年～1967年、1971年～1974年、1979年～1982年、1987年～1990年、1995年～1999年各時段為負相位，年徑流偏枯；在1968年～1970年、1975年～1978年、1983年～1986年、1991年～1994年各時段為正相位，年徑流偏豐。11 a左右的周期在1965年～2000年左右非常穩定，4～7 a的周期在1980年～2014年左右比較穩定。

圖5 年徑流小波方差及實部示意

3.1.2 年代間變化趨勢

從各年代來看，流域20世紀60年代的徑流量沒有明顯變化趨勢，70年代至90年代的徑流量都呈減少趨勢，減水率依次增大，90年代減水趨勢較顯著，2000年后徑流量呈上升趨勢，以0.53億m3/a的變化率逐漸增加；通過比較各年代間的極值比和變差系數可以看出，流域徑流年際變化的不均勻程度總體在增加。其中，20世紀90年代的極值比和變差系數最大，徑流年際變化最劇烈；與徑流量相比，流域輸沙量在各年代的變化略有不同；70年代輸沙量沒有明顯的變化趨勢，但年際間變化較劇烈，其他年代的輸沙量呈減少趨勢，且顯著程度隨時間增加；90年代和2000年后減沙趨勢顯著，通過了α=0.05的顯著性檢驗，年際變化不均勻程度也更大，見表2。

表2 20世紀各年代徑流量、輸沙量特性

3.2 徑流量和輸沙量的年內分配

為了進一步分析渭河流域內徑流量的變化情況，選取干流上的武山站和北道站作為對比，對渭河流域2004年～2014年的徑流年內分配進行分析。

從渭河流域武山、北道、咸陽3個水文站不同時段月均徑流量變化圖(見圖6)可以看出，三站的徑流量主要集中在5月～10月份，約占全年徑流的75%，年內分配表現為“三峰型”，咸陽站的峰值出現在5月、7月、9月，武山和北道站的峰值出現在5月、7月、10月。

圖6 咸陽站、武山站、北道站徑流量年內分配情況

而輸沙量則主要集中在6月～8月，為“單峰型”，峰值出現在6月～7月。結合流域降水量的年內分布可知，輸沙量比徑流量更集中，沙峰較洪峰提前，與降水的年內分布特點一致(見圖7)。暴雨徑流是渭河泥沙產生的主要原因，在暴雨月份，含沙量達到最大，輸沙量出現極值，但流量和載沙量的極值并非同時出現，因而水沙錯峰，同時，由于有匯流時間，洪峰比暴雨發生時間稍晚，呈現出先雨峰和沙峰，后洪峰的規律。

圖7 咸陽站徑流量、輸沙量年內變化

3.3 徑流量和輸沙量的空間分布

本文另取流域中天水、武山、秦安、甘谷、社棠5個水文站2004年～2014年的同期泥沙資料，進一步分析渭河流域泥沙的空間分布。

各站的水沙特性如表3所示，天水站以上區域以2.1%的面積產生了4.6%的泥沙和1.9%的徑流，社棠站以上區域以3.9%的面積產生了7.8%的泥沙和4.3%的徑流，甘谷站控制區域以5.2%的面積產生了24.4%的泥沙和0.7%的徑流，武山站控制區域以17.0%的面積產生了41.6%的泥沙和12.2%的徑流，秦安站控制區域以20.7%的面積產生了24.8%的泥沙和4.5%的徑流。

表3 渭河流域各水文站水沙特性統計

可以看到，渭河流域2004年～2014年間的水沙主要來自武山和秦安站以上流域，即渭河上游和北岸一級支流葫蘆河。從輸沙模數來看，甘谷站輸沙模數最大，其控制面積內散渡河流域水土流失嚴重，河道輸沙能力大；從徑流模數來看，中游社棠站及流域出口的咸陽站徑流模數較大，流域整體徑流模數變化較大，極值的變化幅度從甘谷站的0.817萬m3/km2到社棠站的6.88萬m3/km2。

3.4 水沙關系

從不同時期降水徑流關系圖8a和水沙關系圖8b可以看出，各年代的降水徑流關系和水沙關系都發生了很大變化，相關點隨年代遞進整體向下偏移，相同降水量條件下，20世紀80年代產生的徑流最多，2000年后產生的徑流最少；相同徑流條件下的輸沙量也在不斷減少。降水徑流雙累積曲線(見圖8c)呈明顯的3段變化，轉折點分別是20世紀90年代初和21世紀初，3段曲線的斜率從小到大依次是：20世紀80年代、2000年以后、20世紀90年代，表明徑流對降水的響應依次減弱，人類活動的影響依次增強。其中，90年代人類活動對降水徑流關系影響最大可能與該時期水土保持措施面積最大有關。水沙雙累積曲線(見圖8d)也有明顯的3段，依次向徑流軸偏轉，斜率減小，輸沙量遞減，轉折點出現在20世紀70年代末和21世紀初。

圖8 渭河流域降水-徑流關系和徑流-輸沙關系及雙累積曲線

3.5 原因及討論

水土保持工程建設是人類活動干預流域水循環的一個重要方面，渭河流域是我國最早開展水土保持工作的地區之一，退耕還林還草和淤地壩建設作為水土保持的重要代表性工程，對流域水沙情勢的變化有一定影響。

渭河流域1982年～2015年如圖9所示，M-K趨勢檢驗結果為Z=2.372，整體呈顯著增加趨勢。從圖9中還可以看出增加趨勢有明顯的分段變化，故結合退耕還林政策實施時間，以1999年為界分段檢驗，得到2000年前Z=0.227，流域植被覆蓋度略有增加，進入21世紀后Z=3.827，增加趨勢極顯著，流域植被覆蓋度整體得到明顯改善，退耕還林作用顯著。

圖9 渭河流域植被覆蓋度年際變化

結合前文水沙變化趨勢，總體來看，植被覆蓋度與水沙變化呈負相關，從各年代來看，除了2000年后植被覆蓋度與徑流變化呈正相關，其他都為負相關。

從空間分布來看，渭河流域的植被覆蓋度整體呈東多西少，南多北少，中下游地區覆蓋度最高。圖10分別給出了1982年、2000年、2015年的覆蓋度空間分布，平均植被覆蓋度分別是48.44%、50.69%和67.10%。20世紀80年代和90年代期間中游地區蓋度略有增加，2000年后中上游地區植被覆蓋度顯著恢復，流域內蓋度超過80%的面積也有所擴大。

圖10 渭河流域植被覆蓋度空間分布

根據渭河流域截至2015年的淤地壩調查資料，咸陽站以上范圍包括的甘肅、寧夏、陜西三省各年代建設淤地壩數量分布如圖11所示，2000年后建成淤地壩的數量最多；寧夏境內淤地壩數量最多，甘肅次之，陜西境內的主要建成于2000年后。

圖11 渭河流域20世紀各年代及2000年淤地壩建設情況

由于水土流失問題嚴重，關于我國黃河流域水沙對水土保持建設的響應已有眾多研究成果。相關分析表明，土地利用/覆被變化對流域水沙過程有很強的調控作用，對徑流減少的影響程度超過50%[16]，渭河干流中下游年徑流對退耕還草響應明顯，干流徑流減少程度大于支流[17]；淤地壩的減水減沙作用在水土保持措施中占主導地位，但呈衰減趨勢，渭河流域20世紀90年代水土保持措施面積最大，水沙減少量最大[18]。

本文對渭河流域水沙變化的分析結果與水土保持工作的開展和已有的研究結論基本一致；但2000年后蓋度與徑流呈正相關關系，這與多數研究中徑流隨蓋度增加而減少的結果略有不同，而是和徑流量與植被覆蓋度相關性較弱[19]有關，也可能與近年來淤地壩減水作用的減弱有關。水沙變化是多種因素復合影響的結果，本文僅以植被覆蓋度為指標簡要分析了徑流和土地覆被變化的關系，代表性較弱，若要深入分析水沙變化的驅動因子，還需用其他相關性更高的植被因子做進一步檢驗，同時分離量化不同因素對水沙減少的貢獻率，以便進一步探討影響機理。

總的來說，土地覆被變化在一定程度上改變了流域下墊面條件，在與淤地壩等水土保持工程建設為代表的人類活動綜合影響之下，渭河流域的水沙明顯減少，水土保持作用顯著。

4 結 論

(1)渭河流域1965年～2016年間徑流量和輸沙量下降趨勢極顯著，減水減沙趨勢有很強的持續性；徑流量和輸沙量的突變點分別出現在1993和1994年；20世紀90年代的減水減沙趨勢十分顯著，水沙年際變化大；徑流有3個主周期，分別為11、7 a和4a左右。

(2)流域徑流量主要集中在5月～10月份，年內分配表現為“3峰型”；輸沙量為“單峰型”，主要集中在6月～8月，比徑流量更集中，沙峰較洪峰提前；流域水沙主要來自武山和秦安站以上流域，流域整體徑流模數變化較大。

(3)降水徑流關系的轉折點為20世紀90年代初和21世紀初，徑流對降水的響應逐漸減弱；水沙關系的轉折點出現在20世紀70年代末和21世紀初，輸沙量遞減。

(4)流域植被覆蓋度總體增加趨勢顯著，進入21世紀增加趨勢極顯著；空間分布東多西少，南多北少，中上游地區植被恢復顯著；植被覆蓋度總體與水沙變化呈負相關，2000年后植被覆蓋度與徑流變化呈正相關。