近50a嘉陵江流域徑流變化特征及影響因素

范利杰，穆興民，2，趙廣舉，2

（1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

流域水文過程一般受自然因素和人類活動的綜合影響，隨著科技的不斷發展，人類影響自然的能力不斷提高，對流域徑流的影響也愈加顯著［1－2］。20世紀90年代，國家對長江上游區域實施長治工程，重點對嘉陵江中下游地區進行了有計劃的水土流失綜合治理［3］，嘉陵江流域的人類活動加劇，引起流域徑流發生一系列的變化。楊忠英［4］對嘉陵江流域徑流量的研究表明，自20世紀90年代以來，嘉陵江流域徑流量銳減，并初步分析其原因為氣候的改變和人類活動的影響。張躍華等［5］對嘉陵江時間序列的分析得出降雨量同徑流量的變化存在明顯的相關性，認同降雨量減少和人類活動增加是流域徑流量發生變化的主要原因。張明波等［6］對嘉陵江支流西漢水流域進行了研究，利用水文分析法建立降雨—徑流回歸模型，通過計算得出20世紀90年代以來，水土保持措施減水明顯，7a平均減水效率達30%左右，并且在20世紀90年代初減水不明顯，而到1995，1996年減水達1倍以上。雖然已有大量研究［7－9］對嘉陵江流域徑流泥沙變化作了很多分析，但對影響徑流量變化因子的定量化研究相對較少，而定量化研究對流域的綜合治理與水資源的調控有重要意義。本文利用嘉陵江流域4個水文站的徑流資料，分析其變化趨勢及突變年份，建立降雨—徑流雙累積關系，分析降雨和人類活動對減少徑流量的影響，并分別計算其影響程度。

1 流域概況

嘉陵江源頭，歷來有東、西兩源之說。習慣上以東源為正源，西源稱為西漢水。東源起自陜西省鳳縣西北涼水泉溝，西源起自甘肅省天水市平南川。兩源南流，至陜西省略陽白水江鎮相會［10］，流經陜西、甘肅、四川3省，于重慶市匯入長江，干流全長1 120km，流域面積約1.60×105km2，屬于典型的樹枝狀水系。流域以河源至四川省廣元為上游，流經陜西、甘肅、四川3省的鳳縣、兩黨、徽縣、略陽、寧強、廣元等縣市境內；以廣元—合川段為中游，流經廣元、蒼溪、南部、蓬安、南充、武勝、合川等縣市境內；以合川—重慶段為下游，于重慶市的朝天門匯入長江［11］。

嘉陵江流域的地貌類型復雜多樣，地層以中生界侏羅系紅色巖層分布最廣。土壤類型主要有黃壤土、紫色土、水稻土、沖積土、潮土和紅壤等。流域大部分地區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，雨水充沛，年內降水主要集中在5—10月，其中7—9月降水量可占全年的50%以上，年降水量在略陽以上山區約600～800mm，中下游丘陵區約1 000mm，多年平均徑流量約7.00×1010m3。由于復雜的地貌類型、充沛的降水和易侵蝕的土壤等自然環境及強烈的農業生產活動，嘉陵江上游地區是長江流域的主產沙區之一，而嘉陵江中下游地區則是長江流域的重點土壤侵蝕地區之一［12］。

2 資料及研究方法

2.1 資料

本文采用數據來源于嘉陵江流域部分控制水文站。降雨采用嘉陵江流域12個雨量站的年降雨數據，采用算術平均法計算出流域面降雨量，降雨資料時段為1960—2009年。徑流數據取自武勝站、亭子口站、武都站和北碚站4站，武勝站、亭子口站和武都站數據時段均為1960—2000年，北碚站為1960—2008年。

2.2 研究方法

（1）Mann—Kendall（簡寫為“M—K”）非參數秩次相關檢驗法被廣泛應用氣候和水文序列的趨勢性分析。該統計檢驗方法的優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量，計算比較簡單。本文利用Kundzewicz等［13］研發的Hydrospect軟件進行年降雨及年徑流量變化趨勢分析［14］。用Mann—Kendall非參數秩次相關檢驗法作突變點檢驗，其原理如下：

式中：x1，x2，…，xn——隨機事件序列；mi——第i個樣本xi大于xj（2≤j≤i）的累計數；UF——統計量；E（tk），var（tk）——累計數tk的均值和方差。在原序列隨機獨立的前提下，給定一顯著水平，顯著水平組成一個信度區間，所有UF組成一條曲線，將此法引入時間序列數據的反序列中得到另一條曲線UB，當UF和UB這2條曲線交叉點位于信度區間內時，則交叉點被認為是突變點［15］。

（2）累積濾波器法能充分反映時間序列定性的變化趨勢［16］，其原理為：

式中：S——累積平均值；Ri——水文時間系列值；ˉR——水文時間系列的平均值；k——序列長度。

本文對流域降雨及部分站點徑流資料采用M—K突變點檢驗檢測流域年徑流量的突變年份，采用M—K趨勢檢驗結合累積濾波器法分析流域年徑流量的趨勢變化。利用降雨—徑流雙累積曲線對措施期徑流計算模擬，從中分離出人類活動和降雨對徑流減少的影響程度。

3 結果與分析

3.1 流域徑流量年際及年內分配

對嘉陵江流域4個控制水文站1960—2000年徑流量資料進行統計分析，結果如表1所示。由表1可知，流域20世紀60年代和80年代徑流量較多，而70年代和90年代徑流量較少，其中90年代年均徑流量相對于其他年代減少較多，且從80年代到90年代的減少幅度較大。

表1 嘉陵江流域年際平均徑流分配統計 108 m3

流域徑流量年內分配因受降雨、下墊面及植被等影響差異較大，由表2可知，流域年內徑流量主要集中在7—9月，占全年徑流量的百分比均在50%以上。

3.2 流域徑流趨勢分析

采用累積平均濾波器法對各個站點徑流資料進行處理，結果如圖1—2所示。由圖1—2可知，4站的年徑流量均有減小的趨勢，其中北碚站從1965—1972年徑流減少比較明顯，之后的30a中1990—2000年減少比較明顯，亭子口站和武勝站則是1965—1980和1990—2000年這2個時間段減少比較明顯，武都站是1968—1975年和1995—2000年減少比較明顯。降雨的累積平均曲線整體沒有明顯的減少趨勢，但由其過程線和趨勢線知存在減少趨勢，但其趨勢線的斜率絕對值較小，減少趨勢并不明顯。經M—K趨勢檢驗得出4站的年徑流量的減少趨勢均顯著，而年降雨量則不顯著。檢驗結果如表3所示。

表2 嘉陵江流域年內分配統計 108 m3

圖1 嘉陵江4站年徑流累積平均值曲線

圖2 嘉陵江4站年徑流降雨累計平均值曲線和降雨過程線

表3 嘉陵江流域徑流及降雨變化趨勢

3.3 徑流突變點分析

4站Mann—Kendall突變點檢驗結果如圖3所示，其置信區間為0.01水平。由圖3可知，北碚站的UF和UB交叉點位于置信區間內，年份為1991年，即自1991年北碚站的年徑流量發生突變；同理可知亭子口突變點年份為1971，1972，1991和1992年；武都站突變點年份為1991和1993年；武勝站突變點年份為1971，1972和1993年。1992年前后，嘉陵江流域由于政策原因致使人類活動加劇，引起流域下墊面及植被覆蓋等自然因素發生改變，氣候因素及人類活動共同導致年徑流量時間序列值的突變。

3.4 降雨階段性分析

4站的徑流量均有顯著的減少趨勢，而降雨量減少趨勢并不顯著，因降雨量的年際變化較為復雜。為進一步了解降雨對徑流的影響，需對降雨進行階段性分析。

由圖4降雨5a滑動平均曲線及降雨累積距平曲線可知：1960—1968，1972—1975及1979—1985年的累計距平值呈持續上升狀態，為豐水期；1968—1972，1975—1979及1993—2002年累積距平值呈持續下降狀態，為枯水期；而1985—1993年累積距平值變化波動不大，為平水期。20世紀80年代以后，降雨于1993年開始持續性減少，而經M—K檢驗，4站的徑流突變點年份均發生在1992年附近。

圖3 4個水文站年徑流突變點檢驗

圖4 嘉陵江流域降雨年際變化分析

3.5 影響因素的定量分析

3.5.1 累積回歸方程的建立 經分析流域4站點的

突變點年均在1990，1991，1992，1993年，雖年徑流量在這些年份發生了突變，但由于國家自1989年對嘉陵江流域進行了大規模的水土流失綜合治理，整個流域的人類活動較1989年以前有所增加，而在1989年以前流域內人類活動均相對較少，且多為自發進行，人類活動影響相對較少，因此，可近似將1989年以前的嘉陵江流域看作是天然的。對1989年以前的年降雨及年徑流數據作逐年累積，對累積數據進行回歸分析，建立回歸方程。本文累積降雨—累積徑流回歸方程采用Excel的加載宏中的回歸分析來建立及檢驗，以北碚站為例進行敘述。

北碚站降雨—徑流雙累積曲線如圖5所示。圖5中基準期和基準期后的累積曲線的斜率發生了一定程度的改變，基準期之后的曲線斜率變小，說明徑流相對于降雨有了減少趨勢。

圖5 北碚站降雨－徑流雙累積曲線

在Excel中利用加載宏中的回歸分析將1989年以前的累積降雨及累積徑流量帶入進行回歸分析，得出相關系數平方R2＝0.999，由此得出北碚站臨界年份以前的回歸方程為：

式中：∑R——累積徑流量；∑P——累積降雨量。用相同方法求出武勝站、亭子口站、武都站的累積回歸方程分別為：

武勝站：

亭子口站：

武都站：

3.5.2 人類活動和降雨對流域徑流量影響的提取

利用上述回歸方程對各個站點的累積徑流量進行模擬，其方法為：設基準期為T1—T2時期，上述方程為針對T1—T2時間段的累計回歸線性方程，然后將整個時間序列的累計降雨量帶入回歸模型，得出整個時間序列的累計徑流量的預測值。此時求T3—T4時期的平均年徑流量，用T4時刻的累積值減去T3時刻的累計值，得到T3—T4時期的累積值∑R，然后用∑R除以T3—T4期間的總年數得出T3—T4時期平均年徑流量［17］。

對4站進行回歸預測及統計計算得出結果如表4所示。

表4 各站降雨及人類活動對徑流影響計算結果

由4站點的趨勢分析可知，年徑流量的總體變化趨勢是減少的，并且減少趨勢顯著，在年均徑流量減少的部分中，人類活動和降雨的貢獻率分別是多少可以用上述方法求得。由于武都、亭子口、武勝3站只有2000年以前的徑流資料，無法計算2000年以后降雨和人類活動對減少徑流量的貢獻度。由表4可看出，2000年以前，4站中只有武都站人類活動對減少徑流量的影響程度較高，達到了62.50%，其余3站人類活動和降雨對減少徑流的影響程度基本持平，而2000年以后的北碚站中，人類活動對徑流減少的影響達到了69.90%，在減水效果中起到主導作用。

嘉陵江流域自1989年實施長治工程以來，流域內先后50個縣市區開展了水土保持重點治理。從1989—1996年，流域內實施各種水保措施累計治理水土流失面積2.14×104km2，治理程度25.8%。其中坡改梯治理17.49hm2，水保林治理5.34×105hm2，經果林治理2.27×105hm2，種草治理9.64×104hm2，封禁治理5.86×105hm2，保土耕作治理5.19×105hm2。小型水利水保工程方面，修塘堰70 793座，谷坊3 828座，攔沙壩908座，蓄水池94 998口，排灌渠22 787.11km，截水溝9 678.68km，沉沙池1 567 756個［18］。由上述資料可看出，在政策實施以來，嘉陵江流域的人類活動程度加劇，引起流域下墊面的地形、地貌、植被覆蓋等發生了改變，增加了水利工程的建設，對流域水資源的分配做了調整，這些措施在治理水土流失中起到了至關重要的作用，而在減水方面也作出了不少的貢獻。

4 結論

（1）通過對嘉陵江流域降雨及徑流資料的研究發現，嘉陵江流域面上降雨年際間變化呈減少趨勢，經Mann—Kendall趨勢檢驗得出雖有減小趨勢，但并不顯著。由對降雨階段性分析可知，進入90年代以來，年降雨量急劇下降，這對徑流量的減少起到了一定的作用。對嘉陵江流域4個控制水文站的徑流資料進行檢驗得知4站年徑流量均存在減少趨勢，并且趨勢顯著，這說明除了降雨以外，人類活動對流域年徑流量變化存在一定程度的影響。

（2）通過對年降雨及年徑流資料進行雙累積回歸分析建立累積回歸方程，分別計算出人類活動和降雨對減少徑流量的影響程度，結果表明2000年以前各個站點的降雨和人類活動對減少徑流量的貢獻程度基本持平，只有武都站的資料顯示水土保持措施對減少徑流的影響程度稍大，為62.5%。而2000年之后只有北碚站的徑流資料，通過計算得出北碚站人類活動對減少的徑流量影響程度達到69.9%，可見2000年之后北碚站控制區域內，人類活動對減少徑流量的貢獻率有所增加。

（3）流域產流量是自然條件和人類活動共同作用的結果，本文通過對嘉陵江流域降水及部分控制水文站徑流資料的研究發現，2000年之前嘉陵江流域降雨及人類活動對減少徑流量的影響程度基本相當，而2000年之后，由流域把口站北碚站的數據分析可知，人類活動在減少徑流中起主導作用。

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