基于相似年降水的人類活動對延河水沙變化影響

王群星 ，李 銳，2 ，王 飛，2，高 鵬，2

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌712100;2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100)

氣候變化和人類活動是影響河流水沙變化的主導因素[1]，如何定量評價人類活動的影響是目前地學研究的熱點和難點。按照評價原理不同，現有的流域水沙研究方法可分為對比分析和模擬分析兩大類[2]。時序對比分析法以同一流域為研究對象，以實測資料為基礎，分析實行水土流失治理前后的水沙變化特征，但是嚴格地講，治理前后不同時期降水等因素的影響是完全不同的，在分析時應該消除其影響[3]。對中大流域，模擬分析法是目前最常用的分析方法，該方法基于對降水產流產沙基本規律的分析，建立有一定精度的治理前流域產流產沙模型，然后將水土流失治理后期的降水等代入，還原計算得到相當于治理前的產流產沙量，再與治理后的實測水沙量比較求得水土保持措施對水沙的影響量。但是由于這兩類傳統方法所依據的基準期(治理前后的臨界年份)確定時主觀因素較多，而且以年份劃分水沙變化時段時降水量并沒有相應的階段性，難以體現出時段內的降水量變化，從而極大地影響了評價結果[4]。

在黃土高原水蝕區，降水是徑流的來源和侵蝕產沙的動力。延河流域年內降水高度集中，其6—9月的汛期降水量和徑流量分別占年總量的75%和73%以上[5]。通過比較相似年降水條件下河流水沙變化特征，可以判別類型多樣而且變化復雜的人類活動對水沙變化的影響。本文通過選擇年、汛期降水量和年內降水過程均相似的年降水條件相似時段組，比較產流和產沙前提條件一致條件下徑流量和輸沙量的變化，直接推算出人類活動對延河水沙變化的影響，從而減少人為主觀劃分時段對評價結果的影響，客觀區分以降水量為代表的自然因素與人類活動對河流水沙變化的影響大小與方向。

1 研究流域、資料與方法

1.1 流域概況

延河是黃河中游的一級支流，發源于陜西省靖邊縣天賜灣鄉的周山，由西北向東南，流經靖邊縣、安塞縣、寶塔區、延川縣和延長縣5個區縣的50個鄉鎮，在延長縣南河溝鄉涼水岸附近匯入黃河。延河全長284.3 km，河道平均比降為3.29‰，主要支流有杏子河、西川、蟠龍川和南川等。

延河流域地處北亞熱帶半干旱地區，位于36°23′—37°17′N ，108°45′—110°28′E 之間，流域總面積7 725 km2，多年平均降水量為504.8 mm，年平均氣溫9℃。流域內黃土丘陵溝壑面積占全流域的90%，其中延長以上為黃土梁峁狀丘陵溝谷區，安塞—延長之間沿河一帶河流階地發育，延長以下為黃土寬梁殘塬溝谷區，流域出口處為黃土覆蓋石質丘陵溝谷區，黃綿土占總土地面積的85%以上。

延河甘谷驛水文站為控制站。甘谷驛水文站位于陜西省延安市寶塔區甘谷驛鎮(109°48′E，36°42′N)，控制面積 5 891 km2，占延河流域總面積的76.3%。

1.2 資料與方法

本研究采用1952—2001年50 a的延河甘谷驛水文站逐月徑流量、輸沙量實測值和流域逐月降水量實測資料。

按照時序對比分析方法[6]，相似降水條件分析包括降水量相似年組和降水過程相似年組的確定。降水量相似年組的確定主要考慮汛期和年降水量，根據汛期降水量差異小于4%和年降水量差異小于7%這2個指標選取降水量相似年組。

在確定降水過程相似年組時，本研究未考慮次降水動能特征，通過分析降水量相似年組內兩組逐月降水量數據的相關系數，確定兩組降水過程的相似程度。由于同一相似年組內兩組數據的和大致相等(年降水量相似)，當兩組數據相關系數越接近1，則2組降水過程越相似。由于地學問題的復雜性，本文把12個月降水量數據相關系數≥0.398 1的2組降水過程作為一個降水條件相似年組。

每個相似年組中兩個特征值(徑流量和輸沙量)的變化用晚些時段特征值較早些時段特征值的變化百分比表示。當變化趨勢為正值時，表示隨著時間推移，產流系數和輸沙量增加;反之表示產流系數和輸沙量減少[6]。

在分析不同年組特征時，根據降水條件相似年的特征逐步比較，提出在相似年比較結果下的階段性。由于土地利用變化對降水產流產沙逐漸過渡影響，因此分段時可以認為在接近的年份(年差≤3 a)土地利用變化對降水產流產沙的影響沒有差異。

2 結果分析

2.1 降水量、徑流量和輸沙量變化特征

延河甘谷驛水文站基本水文泥沙變化與統計特征值見表1—2和圖1。

從1952—2001年的50 a中，流域平均年降水量504.8 mm ，河流平均年徑流量2.12×108m3，平均年輸沙量4.65×107t。從極值差、變異系數看，延河各水文要素年際變化較大。

圖1 延河逐年降水與水沙變化

延河流域各年代之間平均年降水量差異較大(見表2)，各年代內年降水量差值也較大，最大值在285.7～492.5 mm之間，Cv值也高達 0.230～0.269，可見年降水量沒有相應的階段性，以年代劃分水沙變化時段難以體現出時段內的降水量變化。傳統的水沙研究方法是以年代劃分水沙變化時段，從而極大影響了評價結果[4]。

表1 延河流域水文泥沙特征統計

表2 延河流域各年代年降水特征統計

2.2 相似年降水條件下水沙變化特征

相似降水年組內的年降水條件的差異很小，可認為產流和產沙的前提條件基本一致。在此基礎上比較分析不同的相似年組(表3—4)，無相似降水的年份與最接近的相似年組合并，將延河水沙變化分段(表5)。由于是根據相似降水年組分段，所以各時段不能包括所有年份。根據各時段相似降水年組水沙變化特點，直接推算人類活動對延河水沙變化的影響。

相似年降水條件下，人類活動造成延河水沙變化差異顯著。從時段Ⅰ到時段Ⅱ的2個相似年組徑流量和輸沙量都呈減少趨勢(組1—2)，1972年比1957年年和汛期徑流量分別減少16.11%和32.60%，輸沙量分別減少53.98%和54.36%;比1960年年和汛期徑流量分別減少19.95%和32.43%，輸沙量分別減少40.18%和40.68%。

從時段Ⅰ到時段Ⅲ的3個相似年組徑流量和輸沙量都呈減少趨勢(組3—5)，年和汛期徑流量平均分別減少 29.77%和 46.29%，輸沙量分別減少73.46%和73.46%。

表3 延河流域年降水條件相似年份年均水沙變化

表4 延河流域年降水條件相似年份汛期水沙變化

表5 延河流域水沙變化階段

從時段Ⅰ到時段Ⅳ的2個相似年組徑流量和輸沙量都呈增加趨勢(組6—7)，1989年比1955年年和汛期徑流量分別增加73.23%和90.29%，輸沙量分別增加173.93%和173.78%;1988年比1963年年和汛期徑流量分別增加70.21%和105.28%，輸沙量分別增加150.21%和149.98%。

從時段Ⅱ到時段Ⅲ的相似年組(組8)徑流量呈減少趨勢，1984年比1977年年和汛期徑流量分別減少46.38%和60.49%，輸沙量均減少85.69%。

從時段Ⅱ到時段Ⅳ的2個相似年組徑流量和輸沙量都呈增加趨勢(組9—10)，1996年比1969年年和汛期徑流量分別增加2.84%和18.03%，輸沙量均增加5.16%;比 1973年年和汛期徑流量分別增加22.21%和 34.58%，輸沙量分別增加 98.71%和99.43%。

3 結果討論

3.1 降水條件相似時段組

在以往研究中以下幾個因素會對評價結果的準確性產生巨大的影響。(1)基準期的確定。因為推算人類活動影響下水文要素時序的顯著轉折點時，基礎數據和統計分析方法的選擇都會影響分析判斷的結果，且基準期流域觀測站點對降水量和降水強度的觀測和記錄很難保證降水產流產沙模型的要求。朱恒峰等[5]以汛期降水、徑流數據建立模型，最大限度地充分利用各汛期季節性雨量站點數據，減弱黃土高原地區降水、徑流變化幅度巨大的干擾，反映了人類活動對研究區汛期徑流的影響，但是卻無法估算人類活動對流域水沙在年甚至多年時間尺度上的影響程度。(2)在不同階段暴雨的多少和強度的大小是不同的，因而產沙量也是不同的。由于降水產沙模型多是用暴雨多，強度大的20世紀50—60年代為基準期的雨沙資料建立起來的，因此存在系數、指數偏大的問題[7]。(3)分段主要以自然時間為主[9-11]，但氣象水文要素并沒有以年代為周期的階段性[8-9]。王飛等[4]據河流含沙量將水沙變化過程分段，較好地反映了不同徑流和泥沙量的時段持續性特征，但不同時段的降水量差別較大，從而影響了不同治理時段徑流量和輸沙量計算的準確性。(4)一個流域可能包括很多的侵蝕類型區。在相同的流域面平均降水量情況下，不同侵蝕類型區會產生不同的徑流量和輸沙量。因此，公式計算的數值和實際產流產沙量有一定的差距[10]。

本研究通過選擇年和汛期的降水量和年內降水過程均相似的降水條件相似年組，分析相似年降水條件下延河年和汛期的水沙變化特征，直接推算人類活動對延河水沙變化的影響。

3.2 人類活動對延河年和汛期水沙變化的影響

降水因素和人類活動改變土地利用所引起的地表景觀格局的變化往往是影響流域水沙關系的主導因素[1]。因此在本研究中，人類活動成為引起相似降水條件下延河徑流量和輸沙量變化的主導因素。

研究表明，在相似年降水條件下人類活動造成的延河時段Ⅱ較時段Ⅰ年徑流量平均減少幅度18.03%，與冉大川等[11]的研究結果接近，小于王飛等[4]的研究結果;汛期徑流量平均減少幅度32.52%，與朱恒峰等[5]的研究結果接近，小于王飛等[4]的研究結果;年輸沙量平均減少幅度47.08%，大于冉大川等[11]的研究結果，小于王飛等[4]的研究結果;汛期輸沙量平均減少幅度47.52%，與王飛等[4]的研究結果接近。

時段Ⅲ較時段Ⅰ年徑流量平均減少幅度29.77%，與冉大川等[11]的研究結果接近，大于王飛等[4]的研究結果;汛期徑流量平均減少幅度46.29%，大于王飛等[4]、朱恒峰等[5]的研究結果;年和汛期輸沙量平均減少幅度都達到73.46%，大于其它研究結果。

時段Ⅳ較時段Ⅰ年徑流量平均增加幅度71.72%，與冉大川等[15]、王飛等[4]的研究結果差異較大，但變化趨勢與李淼等[16]對黃土高原溝壑區楊家溝小流域的研究結果相同;汛期徑流量平均增加幅度97.79%，與其它研究結果差異較大;年輸沙量平均增加幅度162.07%，與冉大川等[11]、王飛等[4]的研究結果差異較大，但變化趨勢與許炯心[17]研究結果相同;汛期輸沙量平均增加幅度161.88%，變化趨勢與王飛等1987—1996年延河流域汛期[4]和許炯心黃河中游河龍區間[13]的研究結果相同。

3.3 人類活動對延河徑流量和輸沙量變化影響的差異性

在相似年降水條件下人類活動對徑流和泥沙影響比例不同，尹國康統計分析結果表明，同一時期人類活動對徑流的影響幅度大于對輸沙量的影響[18];冉大川等[11]、王飛等[4]研究認為，同期人類活動對泥沙量的影響大于對徑流量的影響。研究表明在相似年降水條件下，同期人類活動造成年和汛期輸沙量的平均變化幅度分別為徑流量的3倍和2倍。

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