黃土高原涇河流域氣候和土地利用變化對徑流產沙的影響

鄭培龍, 李云霞, 趙 陽, 張曉明, 寇馨月, 徐曉捂

(1.北京水保生態工程咨詢有限公司, 北京 100053; 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司,北京 300222; 3.中國水利水電科學研究院, 北京 100048; 4.北京林業大學, 北京 100083)

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黃土高原涇河流域氣候和土地利用變化對徑流產沙的影響

鄭培龍1, 李云霞2, 趙 陽3, 張曉明3, 寇馨月4, 徐曉捂4

(1.北京水保生態工程咨詢有限公司, 北京 100053; 2.中水北方勘測設計研究有限責任公司,北京 300222; 3.中國水利水電科學研究院, 北京 100048; 4.北京林業大學, 北京 100083)

研究黃土高原流域水沙對氣候和土地利用變化的響應機理，對生態調控決策制定及區域水土保持措施優化配置具有重要意義。以黃土高原涇河流域為研究對象，采用Mann-Kendall檢驗、累積距平和雙累積曲線等方法，定量分析了流域近40年降水、徑流和輸沙的演變規律及土地利用變化特征，探討了流域氣候和土地利用變化對流域水沙量的影響。結果表明：(1) 涇河流域徑流深和輸沙模數年際均呈顯著下降趨勢，在20世紀80，90年代尤為明顯；(2) 涇河流域土地利用結構發生了重大變化，具體表現為坡耕地向梯田的轉換、耕地向林地草地的轉換和沙地裸地向草地灌叢的轉換；(3) 人類活動影響下的土地利用變化對徑流泥沙貢獻率分別為82.90%，94.10%，氣候因素影響很小。

徑流泥沙; 土地利用變化; 突變; 涇河流域

近幾十年來，在氣候和土地利用變化的共同影響下，黃河流域的水沙量發生了明顯變化[1]。但徑流量、輸沙量和含沙量變化不一致，徑流量和輸沙量顯著降低，含沙量卻變化不明顯，汛期含沙量甚至還偏高[2]。目前，我國各流域水沙動態變化對氣候和土地利用變化響應的研究工作已成為環境、地理和生態等科學的研究熱點。王光謙等[3]認為人類活動是黃河流域土地利用和覆蓋變化的主要驅動力，程磊等[4]對渭河流域20年間的土地利用時空變化進行研究，同樣得出人類活動是渭河流域土地利用變化的主要驅動力的結論。但由于不同流域的研究尺度和研究方法存在相當大的差別，從而造成了研究結果的不同。劉昌明等[5]研究認為區域的降水變化是引起黃河上游流域徑流變化的主要原因，而黃河中游流域則人類活動影響更為顯著，因此兩者對水沙動態變化的影響程度是因地而異的。因此，由以上研究結果可知，土地覆被變化是一個復雜的過程，需要將人為和自然因素合并討論。

本文采用累積距平分析、Mann-Kendall趨勢檢驗和雙累積曲線等方法，定量分析涇河流域近50年降水、徑流和輸沙的演變規律及研究區土地利用變化特征，探討流域氣候和土地利用變化對流域水沙動態變化的影響。旨在揭示涇河流域水沙動態變化對土地利用變化的響應機理，為黃土高原地區土地利用生態調控、水土保持措施的優化配置提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

涇河是渭河的第一大支流，水系發達，干流長約455 km，流經面積45 421 km2。流域地處黃土高原中部，地勢西北高東南低，地貌類型主要有黃土高原溝壑、丘陵溝壑、丘陵林、階地和土石丘陵。屬大陸季風性氣候，各區域四季溫差明顯，年平均氣溫9℃左右。流域是半濕潤半干旱過渡區，徑流主要來自降雨。年平均降水量550 mm，降水量由南向北遞減，年際變化大，夏季量大多暴雨，冬季干旱少雨有霜或降雪。主要土壤類型為黃土和灰褐土，土質疏松，易水土流失。地植被為溫帶森林草原過渡類型，分布不均勻。流域西北部多為退化荒草地，草地質量較低。東南部多為山地植被，類型多樣且覆蓋率較高。

1.2 數據處理

1.2.1 數據采集 涇河流域徑流泥沙數據(1971—2010年)來自涇河流域出口水文控制站——張家山水文站；降水數據(1971—2010年)來自于流域內的11個水文站點：洪德站、賈橋站、慶陽站、雨落坪站、袁家庵站、洪河站、巴家嘴站、毛家河站、涇川站、蘆村河站和張家山站，考慮到流域水文站點較少，流域面降水量采用泰森多邊形法計算求得。涇河流域土地利用數據主要來源于區域專題研究資料、流域所述行政區社會經濟統計數據年鑒和相關出版文獻資料[6-10]，研究時段主要包括：1986年、1995年和2000年3個時段。

1.2.2 研究方法

(1) Mann-Kendall檢驗。Mann-Kendall突變檢驗法[11]是檢驗氣候突變，不易受少數異常值干擾的方法。具有n個樣本量的時間序列x，構造一個秩序列Sk，它是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。

(1)

(2)

在時間序列隨機獨立的假設下，定義統計量：

(3)

式中：UF1=0；E(sk)，var(sk)——累計數sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨立，且有相同連續分布時，通過下式計算：

(4)

UFk為標準正態分布，是按時間序列x順序計算出的統計量序列，按時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復上述過程，同時使得UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。繪制UFk和UBk序列曲線，若兩曲線相交且交點在置信區間之內，則此交點可認為是突變點。

(2) 累積距平曲線。累積距平法可顯現水文要素年際變化的階段性特征。該方法先計算每年的水文要素距平，然后按年序累加，得到距平累積序列。采用累積距平法判斷徑流量和輸沙量的序列突變年份。該方法是由曲線直觀判斷離散數據點變化趨勢的一種非線性統計方法[12]。

時間序列X(x1，x2，…，xn)，其在某一時刻t的累積距平為：

(5)

根據距平有正有負的特點，當距平累積持續增大時，表明該時段內水文要素值大于平均值；當距平累積持續不變，表明該時段水文要素值等于平均值；當距平累積持續減小時，表明時段內水文要素值小于平均值。

(3) 雙累積曲線法。雙累積曲線法是進行時間序列分析的一種常用方法[13]，它的基本原理是兩個變量按同一時間長度逐步累加，一個變量作為橫坐標，另一個變量作為縱坐標，降水與徑流的雙累積曲線是可以揭示徑流是否有趨勢性變化的一種常用方法。對于正常的水文年份，如果不受外界影響，徑流量累積值雖有波動，但沒有系統偏離，降水與徑流的雙累積曲線應該是一條直線；如果流域下墊面發生了改變，則降水與徑流雙累積曲線會發生明顯的轉折。

(4) 以氣候和土地利用變化對泥沙影響分析為例，本研究以降雨—輸沙量雙累積曲線為依據，以曲線的轉折點為劃分的基準期和措施期，以此來評估人類活動下的土地利用變化對輸沙量的影響。

經回歸分析求得累積年降雨量與累積年輸沙量的線性相關方程，將流域治理后不同時段的累積年降雨量值分別代入方程中，求得累積年輸沙量，然后與同期實測值比較，即得減沙效應。計算公式如下:

(6)

式中：R1——利用累積年降雨量—累積年輸沙量的線性相關方程計算出的年輸沙量；R2——流域治理后的實測年輸沙量。

通過建立基準期降雨—輸沙關系，用以計算措施期預期自然輸沙量，將其與基準期平均輸沙量相比得到降雨變化對輸沙的影響量，將其與實際觀測輸沙量對比，得到人類活動影響量[14]：

ΔS=QS2-QS1=ΔS1+ΔS2

(7)

(8)

(9)

2 結果與分析

2.1 流域降水及水沙過程年際變化規律

由圖1可知，涇河流域降水呈現出下降趨勢。從5年滑動平均趨勢線可看出涇河流域20世紀90年代前降水量無明顯的趨勢性變化，但1991—2001年降水量下降顯著，2003年之后開始回升。涇河平均年徑流深較小，其中最大和最小徑流深分別為51.03，13.96 mm。從線性趨勢線的走勢來看，涇河年徑流深逐年下降。涇河的最大輸沙模數發生在1973年，最小輸沙模數發生在1972年，均為早期的研究時期，且輸沙模數的年際變化很大。從5年滑動平均趨勢線可看出，雖然年際間存在波動變化，但從70年代開始輸沙模數有了明顯下降。泥沙量的減少主要是由于流域徑流近些年急劇下降造成的。涇河的水沙動態變化基本同步。

2.2 流域水沙過程突變分析

由圖2可知，徑流深的年際變化特征十分明顯，呈現先增大后減小的趨勢。涇河流域突變點發生在1985年，發生第一次突變前累積距平值呈增加趨勢，此階段徑流數據大于平均值。之后在1996年出現突變拐點，80—90年代中期累積距平值由上升變為急劇下降變化，說明進入徑流偏小的階段，這與90年代降水的減少有明顯關系。輸沙模數累積矩平變化與徑流的變化基本相一致。涇河流域輸沙模數在1996年發生第一次突變，其前后累積距平值為顯著上升和顯著下降的趨勢，說明輸沙模數由偏高階段轉為偏低階段，這與徑流的變化有明顯相關性。

圖1 涇河水文要素變化趨勢

圖2 涇河流域的徑流量和輸沙量的突變特征

2.3 流域土地利用變化

從表1可以看出，涇河流域1986—1995年林地、草地和水域3種土地利用類型面積略有減少，相應的耕地、城鎮用地和未利用地面積略有增加。然而，1995—2000年林地、草地和水域逐漸恢復接近原來的面積，耕地和未利用地減少，城鎮用地繼續增加。可見，涇河流域土地利用類型在兩個時期內發生著由生態型向人工型轉化，再由人工型恢復到生態型的循環。

表1 涇河流域土地利用面積變化

2.4 土地利用變化對水沙過程的定量影響

降雨—徑流量、降雨量—輸沙量的雙累積曲線的斜率代表單位降水所產生的徑流量和輸沙量。在自然狀態下，降雨與徑流輸沙量的關系應該是一定的。如果流域下墊面發生了改變，則其雙累積曲線斜率會發生明顯的轉折。當曲線發生轉折時，說明下墊面受人類活動影響改變，從而影響了徑流輸沙。從圖3—4可以看出，在各流域降水—徑流、降雨量—輸沙量的雙累積曲線圖中存在轉折點。由此可見流域徑流對降水變化響應劃分為基準期和變化期。第一次突變前的時期，相對于突變后的時期可看作為徑流輸沙的自然基準期，流域下墊面產流產沙受降雨外的其他條件影響極弱。我們可以發現各流域的變化期降水—徑流、降雨量—輸沙量的雙累積曲線圖的斜率均較上一時段減小，說明其為顯著下降階段，下墊面受人類活動影響顯著。并且，各流域受影響程度有差異，各階段擬合方程的判定系數大部分都大于0.95，擬合度高。

圖3 不同時段降雨量-徑流量雙累積曲線

根據研究流域降水—徑流、降水—輸沙的雙累積曲線在研究系列的變化趨勢及突變點，對流域徑流輸沙研究時間序列進行了階段劃分。并分別計算了研究流域氣候變化和土地利用變化對流域徑流輸沙的定量影響。

由表2—3可知，涇河流域人類活動因素對流域徑流影響貢獻率為82.90%，是氣候貢獻率的4.85倍；涇河流域人類活動因素對流域輸沙量影響貢獻率為94.10%，氣候貢獻率僅為5.90%。人類活動因素是研究流域徑流發生變異的主要驅動因素，土地利用變化是主要的人類活動表現。雖然氣候對流域徑流變化產生影響，但影響貢獻率均較小。

圖4 不同時間段降雨量-輸沙量雙累積曲線

表2 線性回歸方程擬合

3 結論與討論

(1) 涇河流域降水、徑流輸沙均呈減少趨勢，且徑流輸沙減小趨勢更為明顯。徑流突變時間為1985年和1996年，與降雨變化有關；輸沙突變時間為1996年。

(2) 涇河流域主要土地利用類型為林地、草地和耕地。主要變化是坡耕地向梯田的轉換、耕地向林地、草地的轉換和沙地、裸地向草地、灌叢的轉換。

(3) 土地利用變化是涇河流域徑流輸沙發生變異的主要驅動因素，貢獻率均大于80%；而降水影響貢獻率則較小。但較之人類活動對徑流影響而言，人類活動對流域輸沙量的影響較大。

表3 涇河流域徑流輸沙量對氣候和土地利用變化的響應

引起了區域氣候變化的因子主要有降水、溫度、輻射、濕度、風速等，它們綜合作用于氣候影響下的環境。但由于數據采集獲取等有限，時間序列長度的溫度影響不夠強烈，本研究氣候變化主要指降水變化，這對研究結果的準確性有一定影響，條件允許的情況下應當加強影響生態水文過程的其他氣候因子的分析。

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Effects of Climate Variation and Land Use Change on Runoff in Jinghe Basin of the Loess Plateau

ZHENG Peilong1, LI Yunxia2, ZHAO Yang3, ZHANG Xiaoming3, KOU Xinyue4, XU Xiaowu4

(1.BeijingWaterConservationEcologicalEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Beijing100053,China; 2.NorthernInvestigationofChinaWaterResources,DesignandResearchCo.,Ltd.,TianJin300222,China; 3.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100048,China; 4.BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

In the Loess Plateau, study on the response mechanism of runoff and sediment to land use change is of great importance for ecological regulation decision-making and the optimal allocation of soil and water conservation measures. Therefore, based on Jinghe Basin in the Loess Plateau as the research example, the Mann-Kendall test, accumulative-annual anomaly and double mass analysis were used to quantitatively examine the precipitation, runoff and sediment change and the characteristics of land use change in nearly 40 years, then the influences of the climate and land use change on runoff and sediment were discussed. Results showed that: (1) trends of annual precipitation of Jinghe Basin were different and not obvious; annual runoff depth and sediment transport modulus of the five watersheds showed the significant decline, especially in the 1980s—1990s; (2) it turned out that land use structure greatly changed in recent decades; major changes were the conversions of slope land to terrace, cultivated land to forestland and grassland, sandy bare land to grassland and thickets; (3) the influence of human activities on runoff and sediment contribution rates were 82.90% and 94.10%, respectively, the impacts of climate factors were very slight.

runoff and sediment; land use change; extreme characteristic; Jinghe Basin

2014-09-03

2014-10-08

國家自然科學基金(51379008，41501041);流域水循環模擬與調控國家重點實驗室自主研究課題(泥ZY1304,2014QN04)

鄭培龍(1976—),男,山西盂縣人,碩士,工程師,研究方向為水土保持。E-mail:zhengpeilong1122@163.com

趙陽(1986—),男,河北棗強人,博士,工程師,主要從事水土保持研究。E-mail:zhaoyang1224@163.com

S157; P333

1005-3409(2015)05-0020-05