潛水上游年輸沙量Mann-Kendall突變分析

張理華,尹 劍

安慶師范學院資源環境學院，安徽安慶，246000

潛水上游年輸沙量Mann-Kendall突變分析

張理華,尹 劍

安慶師范學院資源環境學院，安徽安慶，246000

以大別山南坡潛水水系的年輸沙量作為流域水土流失的替代指標，研究水土流失特征。潛水年徑流量與輸沙量年際波動很大，且有正相關性。暴雨型降水是大別山南坡水土流失的主導因素。1998年后，潛水年輸沙量顯著性下降，水土流失逐步得到控制。結合實地調查，提出了水土保持策略與措施。

大別山南坡；水土流失；潛水；輸沙量；Mann-Kendall

我國亞熱帶季風區低山丘陵區普遍存在比較嚴重的水土流失，即使森林覆蓋率達到50%以上也難遏制，因此相關的水土保持研究很多[1-6]。安徽省將大別山區潛山等6縣列為水土流失重點整治區。選取大別山南坡潛水流域年輸沙量作為水土流失的替代指標，分析其變化特征，結合實地調查，探討水土流失規律和水土保持策略與措施，對亞熱帶季風區的水土保持有參考意義。

1 研究區域概況

潛水屬皖河上游三大支流之一。流域位于大別山南坡，面積1326 km2。區域海拔平均在1000 m左右，最高峰多枝尖是大別山主峰之一，海拔1721 m，如圖1所示。大別山區相對高差大，坡度多在30°～40°，最陡可達70°，河谷深切。山間河漫灘和階地狹小，多為農耕區。

圖1 潛水水系略圖

大別山南坡地勢由西北向東南下降。潛水流域呈東北-西南走向，如圖1所示。這里屬北亞熱帶季風氣候，冬冷夏熱，多年平均氣溫為16.5℃；多年平均降水量為1440 mm、蒸發量為894 mm，降水集中于夏季，雨量豐沛。

潛水流域年徑流深749 mm，徑流系數高。徑流量隨降水波動大，坡陡流急，侵蝕力強，加之地表風化程度深，易受流水侵蝕、剝蝕，導致水土流失難以根治。20世紀70年代開始植樹造林、封山育林，區域森林覆蓋率已達到60%以上，安徽省將其列為水源涵養林區并受到保護。但林相較單一，生態系統比較脆弱。理論上潛水流域的水土流失總量與其輸沙量高度相關。輸沙量可以作為衡量流域內水土流失狀況的重要指標。

2 研究材料及分析

水土流失過程復雜，降水強度、地面坡度、風化殼及巖性、植被覆蓋等因素都會施加重要影響。水土流失量很難直接獲得。選取潛山水文站年輸沙量作為潛水流域水土流失的替代指標。通過輸沙量變化，分析水土流失的動態特征及其原因?？紤]到徑流量與輸沙量的相關性，以年徑流量作為輔助指標。

提取潛山水文站(控制流域面積984 km2，占全流域面積的74.2%)1965-2010年年徑流量與年輸沙量數據，編制圖2。

統計潛山水文站46年數據，平均年徑流量為8.13×108m3，平均年輸沙量為34.63×104t。圖2中曲線波動顯示以下特征。

第一，年徑流量與輸沙量年際波動劇烈。46年間，年徑流量極大值(1991年，17.05×108m3)與極小值(1978年，3.13×108m3)相差4倍多；年輸沙量極大值(1969年，280.06×104t)與極小值(2006年，0.604×104t)相差462倍多。徑流量的年際變化大反映降水的年際變化特征，而輸沙量的年際變化遠遠高于徑流量的年際變化，這可能與降水強度有關，即降水多的年份多暴雨。

圖2 潛山水文站1965-2010年年徑流量與輸沙量

第二，年徑流量與輸沙量有正相關性。年輸沙量曲線的波動與年徑流量曲線有相對的一致性。年徑流量大的年份，輸沙量也大，反之亦然。徑流量極大值出現的年份，如1969年，輸沙量也出現極值。

分析上述特征認為，徑流量大的年份，降水量大，降水強度也較大。強降水導致強侵蝕—搬運作用。結合大別山南坡多暴雨的氣候特征，推測暴雨是當前水土流失的主導因素。

第三，20世紀90年代以后，輸沙量有下降趨勢。2000年以后，潛水年徑流量波動幅度相對于此前變??；年輸沙量下降，低于46年的平均值，且比此前穩定，而此前低于均值的年份則很少。總體上反映水土流失量已下降。

3 Mann-Kendall 突變檢驗

3.1 Mann-Kendall方法

在時間序列隨機獨立的假定下，對于某一統計數據的時間序列x2，x3，…，xn有累計數列為Sk[8]。計算統計量：

(1)

其中，E(Sk)和var(Sk)分別表示Sk的均值與方差。

按時間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1重復上述過程，獲得統計變量UBk(k=n，n-1，…，1)，同時使：

UBk=-UFk

(2)

將UBk與UFk繪制成曲線，如果兩條曲線出現交點，且該點處的U值滿足|U|<1.96，則認為該點為序列的突變點，檢驗置信水平α=0.05。

Mann-Kendall方法通常用于氣候、水文要素變化等方面的研究[9]。本文嘗試用于河流輸沙量變化方面的研究，探討潛水流域46年輸沙量變化的特征。

3.2 潛水年輸沙量突變檢驗

運用M-K法對1965-2010年潛水流域年輸沙量序列作突變分析，繪制突變曲線圖3。由UF和UB曲線可知，2條曲線的交叉點有1個，出現在1998年，且在95%的置信區域內部。因此，突變年份為1998年。

圖3 潛水流域46年輸沙量突變判別曲線圖

突變分析證實，20世紀90年代后期輸沙量逐漸下降，至1998年，年輸沙量發生突變，下降速度加快，降至多年平均值以下，表明潛水流域水土流失有顯著性改善。

4 調查實證

潛水流域1954～2004年平均降水量(研究區域7個監測站的算術平均值)1494 mm，多年平均徑流量8.13×108m3。潛水上游是大別山區暴雨中心地段，4-5月即有洪水發生，但峰量均不大；6-7月暴雨集中，為洪水發生的主要季節。多年平均24小時暴雨量為125 mm。由于山坡陡峻、河谷幽深，洪水陡漲陡落，且歷時一般1～3天。洪水過程具有流速大、沖刷力大、含沙量大以及破壞力大，漲得快、落得快、歷時短等特征。

潛水流域水土流失主要是水力侵蝕作用，陡巖和河岸有重力侵蝕，以面蝕為主，也有部分溝蝕。崩塌、泥石流常伴隨暴雨洪水災害發生。侵蝕總量大，但顯見度低，潛在危害大。巖層風化強烈也是重要的原因之一。

實地調查表明，大別山區20世紀70年代開始治理水土流失，主攻方向是植樹造林，逐步提高了森林覆蓋率，但水土保持效果不明顯。森林建群種以馬尾松、杉、櫟為主，多為純林。油桐、油茶、烏桕、漆樹等經濟林木在低山丘陵區廣泛分布[1]。至1998年，山區生態平衡逐漸恢復，水土流失現象顯著改善。森林植被對水土保持的貢獻開始顯現。隨著森林覆蓋水平的提高，水土保持工作重點轉向封山育林和工程措施，如修梯田、擋土石墻、山洪排導溝等。目前，潛水流域仍然是水土流失的重點整治區，水土流失面積320 km2，侵蝕模數2000～4000 t/km2。結合以往的研究和實地調查認為[1]，暴雨型降水是當前水土流失的主導因素，暴雨侵蝕及其形成的短期山洪沖蝕尚未有效控制。

5 結論與建議

潛水流域的輸沙量年際波動劇烈，年徑流量與輸沙量有正相關性，水土流失現象在1998年發生突變。1998年以前，潛水流域輸沙量無明顯變化，水土保持工作的效果不明顯。1998年以后，潛水的輸沙量顯著性下降，水土流失逐步得到控制，年徑流量波動幅度下降。暴雨型降水是水土流失的主導因素。

當前，潛水流域以致大別山區，水土保持必須直接針對暴雨過程。暴雨雖然無法控制，降低其危害是可以達到的。建議：第一，以闊葉樹種取代針葉樹種，形成針闊混交林，培育多層次森林結構(包括經濟林和園地)，保護林下草被；第二，調整農田耕作制度，避免6-7月份暴雨期的土壤裸露，減少同期農田作業。第三，建設護坡、護溝、梯田、攔沙壩等水土保持工程；第四，禁止暴雨期挖掘性工程施工。

[1]張理華，張群，周葆華．安徽資源環境[M]．合肥：合肥工業大學出版社，2010

[2]周峰．東大河小流域綜合治理的實踐與思考[J].中國水土保持,2011(2):52-53

[3]張文普,趙小蓉,王昌全,等．五官小流域綜合治理措施及效益分析[J] .水土保持通報,2010,30(1)：195-198

[4]宋潔．土石山區生態清潔型小流域治理模式研究[J].水土保持,2011(16):54-58

[5]張新玉，楊元輝．我國水土保持小流域綜合治理模式研究[J].中國水利,2011(12):58-61

[6]LiHua Zhang,Bin Zhou.Investigation and Strategy Study of Soil and Water Conservation in the south of Dabie Mountains. Advance Journal of Food Science and Technology,2014，6(7)：895-899

[7]史志剛.皖西大別山區水土流失特征及其綜合防治研究[J].水土保持研究,2012,19(5):39-42

[8]Song X,Zhang J,AghaKouchak A,et al．Rapid urbanization and changes in trends and spatio-temporal charac?teristics of precipitation in the Beijing metropolitan area[J]．Journal of Geophysical Research: Atmosphere,2014,119(19):11250-11271

[9]張璐,周躍．Mann-Kendall 檢驗及其在河流懸沙濃度時間序列分析中的運用[J]．新疆環境保護，2007,29(3):19-22

(責任編輯：劉小陽)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.026

2016-08-28

安徽省自然科學基金項目“安慶沿江濕地生態系統調查、保護與利用”(07021011)；安徽省高校人文社會科學重點項目(SK2015A382)。

張理華(1957-)，安徽宿松人，教授，主要研究方向：區域資源開發。

P333.5

A

1673-2006(2016)12-0088-03