氣候變化和人類活動對延河流域泥沙影響的定量分析

張君茹+岳大鵬+達興+程金文+賀燕子

摘要：對延河4個子流域1982—2010年的產沙量、降雨量采用Mann-Kendall非參數檢驗法、累積距平法分析其變化趨勢及產沙量突變點，分析汛期和全年產沙量與徑流量的關系，使用水文分析法分離了人類活動和氣候變化對流域產沙量的影響，最終結合景觀指數闡述植被與泥沙的關系。結果表明：①該流域產沙比較集中，主要在6—9月份。研究時段內研究區的產沙量顯著下降（P<0.01），降雨量也呈下降趨勢，并且不同子流域產沙量突變時間不一致，主要集中在1996年。②人類活動對4個子流域產沙量的變化起主導作用，甘谷驛人類活動所占比重最小仍達到69%。③延河各子流域水土流失得到緩解主要是由于草地以及森林面積增加的同時對應破碎度降低、農田面積減少的同時對應破碎度降低。

關鍵詞：延河流域；產沙量變化；Mann-Kendall累積距平法；水文分析法；景觀格局指數

中圖分類號：S157.1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）03-0106-07

AbstractThe sediment yield and rainfall of 4 sub-basins of the Yanhe River Basin from 1981 to 2010 were studied with Mann-Kendall nonparametric tests and cumulative departure method to investigate the change trend and sediment yield mutation point， and the relationship of flood season and annual sediment yield with the runoff volume were analyzed. Then the impacts of human activities and climate change on sediment yield were studied using the hydrological analysis method. Finally， the relationship between vegetation and sediment yield was expounded combining landscape index. The results showed that the sediment yield in the basin was relatively concentrated， which mainly appeared between June and September. The sediment yield showed a significant downward trend （P<0.01） during the research period， and the rainfall presented a non-significant downward trend. The sediment yield mutation points were different in different sub-basins， which mainly concentrated in 1996. Human activities played a leading role on the change of sediment yield in 4 sub-basins. In Ganguyi， the influence proportion of human activity was the minimum， which was still 69%. The release of the waterhe loss and soil erosion in sub-basins of the Yanhe River Basin was mainly due to the increase of grassland and forest area and the lower of fragmentation at the same time， and also the reduce of farmland area and the lower of fragmentation.

KeywordsThe Yanhe River Basin；Change of sediment yield；Mann-Kendall； Cumulative departure method；Hydrologic analysis；Landscape pattern index

近年來，受氣候變化和人類活動的共同影響，河川流量與產沙量發生了顯著變化，從而直接對流域水資源的配置、開發與利用產生影響[1，2]。目前，許多河流受自然因素（主要是降雨）及人類活動（如水壩建設、調水、采沙、植被修復等）影響，流量和產沙量發生了顯著變化[3-5]。因此，自然要素變化和人類活動影響下的水沙變化已成為水科學研究的熱點問題之一。

延河流域位于黃土高原水土流失較嚴重的區域，長期以來由于土地利用不合理，濫墾、濫伐、濫牧，導致水土流失加劇，農業自然資源遭到嚴重破壞，以至造成生態經濟系統失調，水旱災害頻發，給當地群眾生產生活帶來嚴重威脅[5-7]。因此，迫切需要掌握該流域泥沙變化的規律及變化機制，以期為該流域的水資源管理提供科學依據。

如何定量區分人類活動與氣候變化對流域產沙量的影響已成為研究者關注的重點，并取得一定成果[8-10]。目前研究流域泥沙變化的方法可分為兩類：一是基于統計學的水文分析法，該方法簡單易行，但沒有依托的原理，屬于經驗模型；二是基于土壤侵蝕模型RUSLE的貢獻率分離方法，這種方法需要輸入土地利用數據，所得結果表示某一時間相較基準期降雨對產沙量的影響，具有特定性，并不適用于計算某一階段人類活動與氣候變化對泥沙變化的平均貢獻率。上述研究都是將氣候變化與人類活動的貢獻率進行分離，得到人類活動在泥沙變化中起主導作用的結論，并且對人類活動的主要表現方式——水土保持措施進行了闡述。但是人類活動的最終表現形式均是改變下墊面狀況，下墊面狀況的改變能顯著改變水量平衡各要素的對比關系[11]，而下墊面狀況可以借助基于土地利用和土地覆蓋（LUCC）的景觀格局指數來反映[12-14]，但如何定量化地銜接下墊面狀況與產沙量之間的關系前人并未多做討論。

目前關于氣候變化和人類活動對水文水資源影響的研究大多集中在較大尺度的區域，而對中小尺度流域造成的影響研究較少。有關延河流域的景觀格局變化，已有研究者進行了整體研究[15]，但并未細致到以站點為單位的子流域，而各子流域間存在的差異會影響管理決策的制定[16]。本研究基于水文分析，對延河4個子流域的景觀格局進行分析，探討各景觀類型對產沙量的影響。

1研究區概況

延河是黃河右岸、中游區上段的河口鎮至龍門段的一級支流，位于東經108°45′～110°28′、北緯36°23′～37°17′之間，發源于陜西省靖邊縣東南天賜灣鄉周山，由西北向東南流經志丹、安塞、寶塔、延長四縣區，在延長縣南河溝鄉涼水岸附近匯入黃河[17]。其干流總長390.59 km，流域面積5 891 km2，平均坡度為16.4°，平均海拔為1 318 m，河網密度約為4.7 km/km2。流域多年平均降水量為435.64 mm，年平均氣溫9℃，主要災害類型為旱災、霜凍、冰雹及暴雨。延河流域地勢西北高，東南低，主要屬于黃土丘陵溝壑區，占流域總面積的 94.6%，其中：上游屬梁峁丘陵溝壑區，梁多峁少，河床比降大，侵蝕強烈；中部屬峁狀丘陵溝壑區，梁窄而短，峁小而圓，侵蝕小于上游[18]。流域內設有20多處分布比較均勻的雨量站，水文站有上游杏河流域的杏河站（379 km2）、安塞站（1 334 km2）、延水流域延安站（3 208 km2）、棗園站（719 km2）及下游控制斷面甘谷驛站[6 150 km2（1957—1964年）、5 898 km2（1965—1970年）、5 891 km2（1971—1989年）]5個。延河流域水土流失非常嚴重，是黃河泥沙的主要來源之一，含沙濃度高，泥沙年內分布集中，6—9月產沙量占全年產沙量的96.0%以上。

本次研究所選區域包括杏河、安塞、棗園及甘谷驛站，屬于延河中上游的范圍。

2數據來源與處理方法

2.1數據來源

根據流域氣象站點分布，選用資料較完整且相鄰的20個氣象站點1982—2010年的年降雨資料，以保證空間布點的均勻性和流域界附近等值線的正確延伸。對于數據缺失的站點及年份采用反距離權重（IDW）插值的方式進行延展。氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網；選用中國科學院提供的4期（1995、2000、2007、2010年）延河流域土地利用數據；流域徑流量以及泥沙量選用由黃河及長江水利委員會（水資源公報）提供的各水文觀測站1981—2010年逐年實測資料。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall檢驗Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法可用于檢測要素序列變化趨勢[19，20]，其優點是統計測試的樣本不需要服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用于非正態分布的水文氣象等數據。在Mann-Kendall檢驗中，原假設H0為時間序列數據（x1，x2，…，xn），是n個獨立的、隨機分布的樣本；對于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布式是不相同的，檢驗的統計變量S計算公式如下：

2.2.2距平及累計距平法在有序數據系列存在趨勢性變化的前提下，采用累計距平法檢驗其躍變時間[21]。距平是表示氣候變量偏離正常情況最常用的量，一組數據的某一個數xi與x之間的差就是該數據的距平值，即xi-x，氣候變量的一組數據x1，x2，…，xn與其均值的差就構成了距平序列x1-x，x2-x，…，xi-x。

累積距平是一種十分常用的、根據曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于某一序列x某一時刻t的累積距平表示為：

2.2.3水文分析法為區分降水和人類活動對流域水沙變化的影響，本研究借鑒了計算水土保持減水減沙效益的一種方法——水文分析法，簡稱水文法[22]。河川徑流量與輸沙量受降水和下墊面條件控制，在自然狀態下，它們之間具有統計相關關系，即某一特定流域，若下墊面條件保持不變，在一定的降水條件下產生的徑流量和輸沙量基本是一定的；而如果下墊面條件發生了變化，那么在相同的降雨條件下產生的徑流量和輸沙量就可能不同。根據上述原理，利用基準期（1980—1989年）的實測水文氣象資料，通過多元回歸分析，建立累積降雨與累積泥沙關系的回歸方程[23]：

3結果與分析

3.1泥沙、水土保持措施與降水的年際變化分析

通過計算得到延河流域各子流域的年產沙量以及各站點各年汛期的產沙量（圖1）及產沙量的統計特征值（表1）。產沙量、降雨變化趨勢見表2，其中杏河年產沙量下降最顯著（P<0.05）。

采用累積距平法對4個小流域的產沙量進行突變分析，結果（圖2）顯示，杏河、棗園、安塞以及甘谷驛的突變點分別取1996、1989、2002、1996年。

分析原因可能與大規模的退耕還林還草工程有關。

3.2流域景觀格局的變化

將四期（1995、2000、2007及2010年）土地利用分類柵格數據導入到Fragstats 4.0 中，計算獲得各景觀格局指標CA（斑塊類型總面積）、PLAND（斑塊類型所占景觀面積比例）和NP（斑塊數量）。

從圖3可以看出，研究時段內，4個小流域未利用地面積2007年大幅減少，2010年略有回升，而建設用地面積有所增加，2010年增加明顯。杏河2000年后草地面積逐漸增加，森林面積逐漸減少，農田面積波動；棗園草地面積2007年增加明顯，2010年略有減少，森林面積減少，農田面積減少；安塞的草地面積增加較明顯，森林面積波動，農田面積2010年下降明顯；甘谷驛草地面積波動，森林面積增加，農田面積1995年后明顯減少。

NP一定程度上反映了斑塊類型的破碎程度。由圖3可見，研究時段內安塞和杏河景觀類型斑塊總數至2007年明顯減少，表明破碎化程度明顯降低；甘谷驛斑塊總數2010年明顯增加，表明破碎化程度升高；棗園斑塊總數處于波動狀態。分析各斑塊類型的斑塊數可以看出，4個小流域建設用地斑塊數增加，這與建設用地面積增加相關，并且城鎮居民區主要呈帶狀或點狀分布，多被河流和道路等分割。農田的斑塊數整體呈下降趨勢，表明研究區耕地分布相對集中且面積廣布。安塞、杏河以及棗園草地斑塊數量整體減少，可能

A、B、C、D、E、F、G分別指建設用地、未利用地、農田、森林、草地、水體、總體。

由于該區域近年來人為規劃對景觀格局干擾加強，使一些建設用地斑塊合并，造成總數的減少；甘谷驛草地斑塊數量2010年明顯增加，可能由于該區域近年來退耕還林等人為規劃對其景觀格局干擾加強，同時與其面積減少也有關。

3.3各小流域泥沙變化歸因分析

采用水文分析法[22]根據公式（6—9）對各小流域的泥沙變化原因進行分析，采用產沙量—降雨量雙累積法，構建產沙量與降雨的關系。對泥沙—降雨雙累積擬合的線性方程進行驗證，結果顯示4個小流域累積泥沙與累積降雨的關系均呈一次線性關系，且方程的決定系數均達到0.92以上（P<0.001），方程均通過驗證。

4個小流域在第二階段（突變時間以后）的泥沙變化主要是由人類活動導致的。人類活動對泥沙減少的貢獻率，杏河達到90.8%，棗園為80.2%。安塞第二階段降雨量雖有少量增加且平均值高于第一階段，但產沙量依舊減少，導致人類活動對泥沙減少的貢獻率達到103.2%。甘谷驛人類活動的貢獻率相較其他3個小流域最低，為69.2%，但仍占主導地位（表3）。

4討論

4.1氣候變化與人類活動對延河流域產沙的影響

氣候變化會引起降雨量和降雨特征發生顯著變化，進而影響地表徑流，從而直接或間接地影響流域產沙量[10]。饒素秋等[24]發現20世紀80 年代以后，黃河中游的暴雨強度減弱，產沙量也隨之減少。可見，氣候變化能導致流域內水資源分配發生變化，從而影響流域的產沙情況。但在短時間尺度內，水沙關系受氣候變化的影響有限，更多地與人類活動造成的流域下墊面輸沙環境的變化有關，如在黃土高原進行的退耕還林還草的生態措施以及淤地壩、梯田建設等工程措施能明顯影響黃河流域的產沙量。

4.2流域景觀格局變化

林地吸水、蓄水與透水能力好，且龐大的根系與土壤形成生物凝聚力，能夠固持土壤，產生抗滑力，使斜坡保持穩定；另外，地被物還能增加土壤有機質，改善土壤結構，增強土壤穩定性[25]。草灌等低地植物能迅速形成郁閉，切實保護地表，減輕雨滴擊濺的破壞作用，增加地表糙率，減緩徑流流速，提高土壤抗沖能力，減沙作用十分明顯[26]。耕地則通過農作物種植形成地面覆蓋，增加土壤中的根系量，從而提高固持耕層土壤的能力；但長期的農事操作也易造成土壤結構疏松，因此，也是比較容易形成侵蝕產沙的區域。黃土高原耕地的坡改梯工程改變了坡面微地形，降低了地表徑流流速，表現出了穩定的較強的減沙能力[27]。建設用地主要通過人類活動，如人為進行的截流、分流，達到減水減沙的作用。

5結論

（1）1982—2010年間，延河流域的產沙量顯著下降，降雨亦有下降趨勢，并且產沙主要集中在6—9月份。產沙量突變年份主要集中在1996前后13年間。

（2）通過水文法分離人類活動與氣候變化對產沙量的貢獻發現，4個子流域人類活動對產沙量的變化起主導作用，甘谷驛人類活動的影響所占比重最小，仍達到69%。安塞由于第二階段的降雨量平均值大于第一階段，對產沙量減少的貢獻率為負值，導致人類活動的貢獻率達到103.2%。

（3）延河各子流域主要是由于大量人類活動導致草地面積增加同時破碎度降低、農田面積減少同時破碎度降低而使水土流失得到緩解；甘谷驛雖然草地面積變動不大且破碎度增加，但因森林面積及斑塊數量增加、農田面積減少及破碎度降低，水土流失情況也得到了一定程度的緩解。

（4）延河流域四個主要流域中，杏河主要由于草地面積增加同時破碎度降低而緩解了水土流失；棗園和安塞則由于大量人類活動導致草地面積增加同時對應破碎度降低、農田面積減少同時破碎度降低而使水土流失得到緩解；甘谷驛草地面積變化不大且破碎度增加，理論上會使水土流失加劇，但森林面積及其斑塊數的增加，以及農田面積的減少，對該流域的水土流失起到了一定的積極保護作用。

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