皇甫川流域1955-2013年水沙變化趨勢與周期特征

魏艷紅, 焦菊英,2

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 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)

皇甫川流域1955-2013年水沙變化趨勢與周期特征

魏艷紅1, 焦菊英1,2

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 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)

為揭示黃河流域重要的產沙支流皇甫川在新時期水沙如何變化，采用Mann-Kendall檢驗、Pettitt檢驗及Morlet小波變換，分析了皇甫川流域1955—2013年水沙變化的趨勢、突變和周期變化特征。結果表明：在99%顯著性水平下，皇甫川流域的年徑流量和輸沙量均呈顯著減少趨勢，且徑流量的減少大于輸沙量的減少，進入21世紀以來，水沙年際變異更為顯著；徑流量、輸沙量序列一級突變點均發生在1984年，二級突變點有所不同，年輸沙量序列突變時間(2003年)晚于年徑流量序列突變的時間(1998年)；水沙演化過程中均存在4個尺度的周期變化，分別為22～32，13～21，7～12，3～6 a和23～32，13～22，7～12，3～6 a；在徑流量和輸沙量整體減少的趨勢下，2011—2020年徑流量將處于相對偏豐階段，而輸沙量在2013—2018年將處于相對偏多沙時期。研究表明，皇甫川流域徑流量和輸沙量的減少是氣候的暖干化和漸強的人類活動綜合作用的結果，而大規模的水土保持措施是水沙減少的重要影響因素。

水沙變化; 周期變化; Mann-Kendall趨勢檢驗; Pettitt突變檢驗; Morlet小波變換

黃河中游河口鎮—龍門區間(簡稱河龍區間)流域面積11.4萬km2，占黃河流域總面積的15.1%，產流量不足全流域的14%，但產沙量卻占到60%以上[1]。其中位于河龍區間、涇河支流馬蓮河上游和北洛河上游的多沙粗沙區，面積7.86萬km2，是黃河主要的產沙區[2]。黃河多沙粗沙區的一級支流皇甫川，流域面積0.32萬km2，其多年平均(1970—1995年)粗沙量占到河龍區間粗沙量的14.8%[3]。因此，皇甫川不僅是黃河泥沙的重要來源支流之一，也是水土保持治理的重點區域之一。目前，關于該流域的研究主要集中于水沙變化[3-5]、土壤侵蝕[6-7]、水土保持[8-9]和土地利用變化[7,10-11]等方面。隨著氣候變化和人類活動的影響，皇甫川流域徑流與輸沙在多年變化中均呈明顯減少趨勢[4,12]，尤其在20世紀80年代之后，減少更加顯著[5]。人類活動對該流域水沙變化的貢獻占主導因素，約為70%，而降水所占比例為30%左右[5]。其中皇甫川流域水土保持措施減沙量占黃河下游減淤量的16%[3]，這對黃河下游水沙情勢的改變具有重要指示意義。同時，近年來黃河水沙的新變化再次成為人們關注的焦點，潼關站年均徑流量和輸沙量已由20世紀70年代前的441.7億m3，16億t分別銳減到2000—2010年的215.3億m3，3.03億t。那么，作為黃河流域重要的產沙支流皇甫川，在新時期水沙如何變化，將對以后黃河流域的治理開發和黃土高原水土保持措施的合理配置提供參考價值。因此本文以皇甫川流域為例，對其近60 a來的水沙變化特點、變化趨勢和周期變化特征進行分析，旨在為流域未來水資源的開發利用和管理以及黃河干流水沙銳減的原因提供指導作用和理論依據。

1 研究區概況

皇甫川(110°20′-111°15′E，39°12′-39°59′N)位于黃土高原與荒漠草原的過渡地帶，是黃河中游右岸的一級支流，流經內蒙古自治區準格爾旗，在陜西省府谷縣巴兔坪匯入黃河，干流長137 km，流域面積3 246 km2。皇甫川流域出口的皇甫水文站控制面積3 175 km2，1954年開始監測。皇甫川流域水系主要由干流納林川和支流十里長川組成。該流域由于地勢高差較大和暴雨侵蝕強烈使得流域水系充分發育，加之人為水土流失的加速，形成了梁峁窄小、溝壑眾多、地形破碎的丘陵溝壑地貌[13]。流域地處內陸，屬大陸性季風氣候，年平均氣溫9.1℃；降水的年際和年內變率大，年內降水集中于6—9月，占全年的80%以上[14]。由于氣候變化和人類砍伐，該流域天然疏林及灌木草原基本消失，原生草地植被因清末以來農墾的擴張被人工植被或次生草地植被所代替[15]。皇甫川流域是典型的農牧交錯帶，土地利用形成了以草地為主、耕地和林地零星分布以及侵蝕溝網嵌套的格局[10]。皇甫川流域土壤主要以砒砂巖、風沙土和黃土為母質，土壤侵蝕類型可劃分為砒砂巖丘陵溝壑區、黃土丘陵溝壑區和沙化黃土丘陵溝壑區3類，其中砒砂巖丘陵溝壑區是黃河粗泥沙的主要來源地之一[16]。

2 數據與方法

2.1 數據獲取

根據皇甫川流域皇甫水文站1955—2013年的徑流泥沙數據，分析皇甫川流域水沙變化趨勢與周期變化特征。其中1955—1989年資料來源于黃河流域水文年鑒，1990—2013年的資料來源于黃河泥沙公報。

2.2 研究方法

應用變差系數(Cv)與年際極值比來說明水沙年際變化特征。變差系數Cv可反映徑流、輸沙年內變化的不均勻性，Cv<0.1表示相對穩定，0.1≤Cv≤1表示中度變異，Cv>1表示變異強烈[17]。Mann-Kendall趨勢檢驗Z值為正表示增加趨勢，為負表示減少趨勢。|Z|≥1.28，1.64，2.32時表示分別通過了置信度為90%，95%，99%顯著性檢驗。

長時間序列水文要素變化趨勢的分析采用FAO推薦的Mann-Kendall檢驗。水沙突變點分析應用Pettitt非參數檢驗方法，首先找出整個時間序列(1955—2013年)的一級突變點，然后根據一級突變點將時間序列劃分為前后兩個時段，再分別對前后時段樣本做Pettitt檢驗，得出二級突變點，進而計算出各時段的所有突變點，直到各序列均沒有突變點出現。

應用Morlet小波變換來分析皇甫川流域不同時間尺度下徑流和輸沙的周期變化、分布特征及未來變化趨勢。小波系數實部等值線圖，橫坐標為時間，縱坐標為時間尺度，等值線為小波系數實部值，正值代表豐水期或多沙期，用實線繪出，“H”表示；負值表示枯水期或少沙期，用虛線繪出，“L”表示。

3 結果與分析

3.1 皇甫川流域水沙變化趨勢分析

近60 a來，皇甫川流域徑流量和輸沙量變化線性趨勢和特征如圖1，表1所示。年徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，1955—2013年徑流量和輸沙量平均值分別為1.229億m3，0.391億t；除60年代外，其余各年代徑流量和輸沙量呈逐年代減少趨勢，分別由1955—1959年的最大值2.169億m3，0.742億t減少至2000—2013年的最小值0.367億m3，0.086億t。

圖1皇甫川流域1955-2013年徑流量和輸沙量變化趨勢

皇甫川1955—2013年徑流和輸沙變差系數和極值比分別為0.82，1.03，120.11，295.85，表明皇甫川流域徑流量和輸沙量年際變異較大。徑流變差系數在1955—1999年基本穩定，Cv值范圍為0.59～0.63；2000—2013年Cv值增大到0.93，表明進入21世紀以來徑流分布極不均勻。除70，80年代外，徑流極值比在1955—2013年持續增大，表明年際變化也越來越大。輸沙變差系數除70年代基本接近外，其余均大于同期徑流變差系數，1955—1999年Cv值為0.61～0.90，2000—2013年Cv值達到最大值1.11，該時段輸沙變異強烈。輸沙極值比呈增大—減小—增大趨勢，年際變化反復且不均勻。進入21世紀以來，水沙年際變異顯著。

表1 皇甫川徑流輸沙年際變化特征值

注：Cv表示變差系數，K表示極值比。

在99%顯著性水平下，徑流量和輸沙量Z值均為負數，由此可知皇甫川流域的年徑流量(Z=-5.01)和年輸沙量(Z=-4.55)均呈顯著減少趨勢，Sen′s斜率值(β)表明徑流量(β=-0.03)的減少大于輸沙量(β=-0.01)的減少(表2)。

表2 皇甫川流域徑流量和輸沙量趨勢分析

3.2 皇甫川流域水沙突變特征

從圖2—3中可以看出，皇甫川流域1955—2013年徑流量和輸沙量一級突變點均出現在1984年，顯著性水平為0.05。以一級突變點1984年為界，將整個研究時段劃分為前后兩個階段，第一階段(1955—1984年)徑流量和輸沙量序列均沒有發生突變；第二階段(1985—2013年)，在0.05顯著性水平下，徑流量突變點在1998年，而輸沙量突變點在2003年。由此可知，皇甫川流域水沙序列一級突變點均出現在1984年，二級突變點有所不同，輸沙量序列突變時間(2003年)晚于徑流量序列突變的時間(1998年)。

圖2皇甫川流域徑流量Pettitt檢驗

3.3 皇甫川流域水沙周期變化特征

從圖4A可以看出，皇甫川流域徑流演化過程中存在多時間尺度特征，從上往下出現了22～32，13～21，7～12，3～6 a共4個尺度的周期變化。對應于圖5A徑流小波方差圖中的4個較為明顯的峰值，從大到小分別是29，15，4，9 a的時間尺度，是徑流演化過程中存在的主周期。

圖3皇甫川流域輸沙量Pettitt檢驗

在22～32 a尺度上，出現了豐—枯交替的準3次震蕩，尺度中心在整個時段上約是以29 a為中心的周期變化，對應著徑流小波方差第一峰值29 a時間尺度，是徑流變化的第一主周期。在13～21 a尺度上，出現了豐—枯交替的準6次震蕩，尺度中心在整個時段上是約以15 a為中心的周期變化，第二峰值15 a時間尺度對應著第二主周期。在7～12 a尺度上，出現了枯—豐交替的準8次震蕩，僅在90年代中期前表現為約以9 a為尺度中心的周期變化，第四峰值9 a時間尺度對應著第四主周期。在3～6 a尺度上，僅在80年代中期前表現為約以4 a為尺度中心的周期變化，第三峰值4 a時間尺度對應著第三主周期。

根據徑流小波方差檢驗的結果，繪制了徑流第一主周期趨勢圖(圖6A)。在第一主周期29 a尺度上，年徑流變化的平均周期為10.5 a左右，在1955—1964年、1974—1983年和1993—2001年處于豐水期，而在1965—1973年、1984—1992年和2002—2010年處于枯水期。

輸沙演變過程中也存在著23～32，13～22，7～12，3～6 a共4個尺度的周期變化(圖4B)。其中，具有全域性的23～32 a和13～22 a時間尺度，分別出現了豐—枯交替的準3次和準5次震蕩，尺度中心在整個時段上分別是約以28 a和16 a為中心的周期變化，依次對應著第四和第一主周期(圖5B)。具有局部性的7～12 a和3～6 a尺度，分別僅在90年代中期前和80年代中期前是約以10 a和4 a為中心的周期變化，依次對應著第三和第二主周期。圖6B中第一主周期16 a尺度上，年輸沙變化的平均周期約為6.5 a左右，在1955—1961年、1967—1972年、1978—1982年、1988—1992年和1999—2006年處于多沙期，而在1962—1966年、1973—1977年、1983—1987年、1993—1998年和2007—2012年處于少沙期。

圖4皇甫川流域1955-2013年水沙小波系數實部等值線

總體而言，上述4個尺度的周期波動控制著流域水沙在整個時間域內的變化特征。前兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現非常穩定，具有全域性，后兩個尺度的周期變化在80，90年代中期前局部穩定。通過分析皇甫川流域水沙第一主周期趨勢圖，可知在徑流量和輸沙量整體減少的趨勢下，2011—2020年徑流量將處于相對偏豐階段，輸沙量在2013—2018年將處于相對偏多沙時期。隨時間的推移，水沙小波系數波動振幅減小，徑流量和輸沙量周期變化趨于不明顯，說明今后一段時期內水沙進一步減少的趨勢仍將繼續。

圖5皇甫川流域1955-2013年水沙小波方差

圖6皇甫川流域1955-2013年水沙第一主周期趨勢

4 討 論

4.1 氣候變化對皇甫川水沙變化的影響

皇甫川流域地處溫帶半干旱區，生態環境脆弱，對氣候變化十分敏感。研究表明皇甫川流域年降雨有下降趨勢，但下降趨勢不明顯，而年均氣溫顯著上升，近40 a來升高了0.4℃，是影響徑流量減少的主要氣候因子[13,18-19]。可見，皇甫川流域氣候的暖干化趨勢明顯，這將對流域水沙的演變趨勢產生重要影響。趙廣舉等[5]的研究表明，皇甫川降水量變化對徑流量的貢獻率為25.8%，對輸沙量的貢獻率為32.3%；類似的，王隨繼等[20]的研究明確了降水量變化對皇甫川徑流減少的相對貢獻率在1980—1997年為36.43%，在1998—2008年為16.81%。另外，其他一些相關研究應用水文法計算了不同年代降雨量減少對水沙變化的影響。其中，王金花等[8]的研究表明皇甫川流域降雨量變化占減沙量的比例在1970—1979年、1980—1989年、1990—1996年和1997—2006年分別為33.3%，85.8%，4.3%和44.1%。而王正文等[21]的研究分析了降雨量變化對徑流量和輸沙量的影響，減水減沙比在80年代和90年代分別為：51.6%，31.0%和40.7%，46.0%。以上各研究表明皇甫川流域氣候的暖干化是水沙減少的重要原因。

4.2 人類活動對皇甫川水沙變化的影響

皇甫川是黃河中游的一條多沙粗沙支流，20世紀50年代治理初期，流域僅建成淤地壩3座，淤積庫容83萬m3；70年代后被列為重點治理流域之一，建成淤地壩80座，淤積庫容3 102萬m3，壩地發展較快(表3)；1983年被列入全國八片水土保持重點治理區之一，開展綜合治理[9]，第一期工程治理重點小流域46條，林草面積快速增加，流域的水土保持綜合治理是水沙一級突變點產生的主要影響因素之一，也是3～6 a尺度周期變化在80年代中期前表現穩定的重要原因。第二期工程于1993年開始實施，重點治理了32條小流域，各類水保措施面積平穩增加，至1997年底流域治理度已達28.2%[22]，二期治理導致了流域徑流的二級突變，使得7～12 a尺度周期變化在90年代中期前表現穩定；隨著2003年淤地壩作為水利“亮點”工程，加之前期二期工程治理的顯著成效，兩者共同作用下引起了流域輸沙二級突變的發生。表3為2009年淤地壩安全大檢查皇甫川流域淤地壩建設發展的基本情況，截至2008年底，皇甫川流域共建淤地壩507座，總庫容4.38億m3，淤積庫容1.44億m3。王向東等[23]的研究表明，皇甫川長灘流域及皇甫區間進入70年代以來，水土保持工程起了較高的減水減沙作用。從1987—2011年，皇甫川流域土地利用變化劇烈，土地利用類型以草地和灌叢為主，建設用地、林地面積逐漸增加，水體面積逐漸減少[24]。自80年代以來，皇甫川流域淤地壩建設的快速發展以及林灌草措施的大力跟進，這些都在很大程度上改變著流域的水沙狀況。王隨繼等[20]的研究表明人類活動對皇甫川流域徑流量減少的相對貢獻率在1980—1997年和1998—2008年分別為63.57%，83.19%。同樣的，趙廣舉等[5]的研究則分析了皇甫川流域人類活動對徑流量和輸沙量減少的貢獻率分別為74.2%，67.7%。以上研究均表明人類活動已經成為皇甫川流域徑流量和輸沙量減少的主要原因。

表3 皇甫川流域不同時期淤地壩的建設與發展

5 結 論

(1) 在99%顯著性水平下，皇甫川流域的年徑流量(Z=-5.01)和年輸沙量(Z=-4.55)均呈顯著減少趨勢，且徑流量的減少大于輸沙量的減少。

(2) 皇甫川1955—2013年徑流和輸沙變差系數和極值比分別為0.82，1.03，120.11，295.85，表明皇甫川流域徑流和輸沙年際變化較大。

(3) 皇甫川流域徑流、輸沙序列一級突變點均發生在1984年，而二級突變點有所不同，分別是1998年和2003年。

(4) 徑流、輸沙演化過程中均存在4個尺度的周期變化，分別為22～32，13～21，7～12，3～6 a和23～32，13～22，7～12，3～6 a。徑流和輸沙第一主周期分別為29 a和16 a時間尺度；年徑流和輸沙變化的平均周期分別為10.5 a和6.5 a左右；在徑流量和輸沙量整體減少的趨勢下，2011—2020年徑流量將處于相對偏豐階段，而輸沙量在2013—2018年將處于相對偏多沙時期。

(5) 皇甫川流域徑流量和輸沙量的減少是氣候的暖干化和漸強的人類活動綜合作用的結果，而大規模的水土保持措施是水沙減少的重要影響因素。

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VariationTendencyandPeriodicCharacteristicsofStreamflowandSedimentDischargeinHuangfuchuanWatershedfrom1955to2013

WEI Yanhong1, JIAO Juying1,2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To reveal how streamflow and sediment discharge change in the new period of importance producing sediment of Huangfuchuan Watershed, the tributary of Yellow River. The Mann-Kendall test, Pettitt′s test and wavelet transform were applied to detect the trends, abrupt changes and periodical variation of streamflow and sediment discharge from 1955 to 2013 in the Huangfuchuan Watershed. The results showed that significant reductions in both streamflow (Z=-5.01) and sediment discharge (Z=-4.55) were detected with a significance level of 99%, as well as the reduction of streamflow (β=-0.03) was greater than sediment discharge (β=-0.01). Especially in the 21st century, the interannual variability of streamflow and sediment discharge was more significant. The first abrupt change points of both annual streamflow and sediment discharge appeared in 1984, while the second abrupt change points of these were not in the same year, for sediment discharge in 2003 later than streamflow in 1998. The periodic variation of streamflow and sediment discharge had four scales, there were 22～32 years, 13～21 years, 7～12 years, 3～6 years scales and 23～32 years, 13～22 years, 7～12 years, 3～6 years scales. As the amounts of streamflow and sediment discharge reducing as a whole, the streamflow would be in the wet period in 2011—2020, while the sediment discharge would be in the high sediment in 2013—2018. The research results showed that the decrease in the streamflow and sediment discharge in Huangfuchuan Watershed was the result of the combination with warming and drying climate and intensive human activities. However, a series of large-scale soil and water conservation measures were the vital factors leading to significant reduction in streamflow and sediment discharge in Huangfuchuan Watershed.

variation in streamflow and sediment discharge; periodical variation; Mann-Kendall trend test; Pettitt abrupt change test; Morlet wavelet transform

2016-05-17

：2016-06-23

中國科學院重點部署項目“黃土高原及周邊沙地近代生態環境的演變與可持續性”子課題“不同區域典型支流水沙變化對壩庫工程的響應”(KZZD-EW-04-03-04)

魏艷紅(1988—),女,甘肅白銀人,博士研究生,研究方向為流域水文過程與水土保持。E-mail:yhweigo@163.com

焦菊英(1965—),女,陜西寶雞人,博士,研究員,主要從事流域侵蝕產沙、土壤侵蝕與植被關系及水土保持效益評價研究。E-mail:jyjiao@ms.iswc.ac.cn

P343.1;P332.4;P332.5

：A

：1005-3409(2017)03-0001-06