黃土高原周河流域水沙變化特征及其影響因素分析

晏安平，劉 剛，曹林順

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010）

0 引言

近年來，黃河上中游區徑流和輸沙發生顯著變化，下降趨勢明顯[1~2]。準確判斷水沙變化特征和趨勢、定量分析氣候變化和人類活動對黃河流域水沙變化的影響程度已經成為當前研究的熱點之一[3~6]。趙廣舉等[4]、黨素珍等[5]、龔珺夫等[6]分別對皇甫川、涇河上游和延河流域的研究結果表明，人類活動和氣候變化對徑流和泥沙減少的貢獻率有所不同，但人類活動影響居于主導地位。北洛河是黃河中游重要的多砂粗砂區和暴雨洪水的主要源頭，也是全國最早實施退耕還林試點的地區之一，其水沙變化引起了許多學者的關注。陳玫君[7]等分析了降水變化和人類活動對北洛河上游1971年~2014的年徑流變化的影響程度，指出以水土保持合理和退耕還林措施為主的人類活動是徑流變化的主導因素。蔣觀滔[8]定量分析了北洛河上游降水量、徑流量和輸沙量的變化趨勢，認為1971年~2010年降水量并未發生顯著的趨勢性變化的前提下，徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，植被的減沙作用明顯大于減水作用。以上研究表明，氣候變化和人類活動對水沙變化的影響因地而異。因此，在特定流域開展針對性研究，對有效分析、合理利用區域水資源具有重要意義[7]。本文以北洛河上游的周河流域為研究對象，分析志丹水文站1964年~2010年來的水沙變化特征和驅動因素。

1 研究區概況

周河是北洛河一級支流，發源于靖邊縣周家嘴，在志丹縣西南側注入北洛河。周河全長85 km，集水面積1334 km2，平均比降3.71‰，流域屬黃土梁峁溝壑區，水土流失強烈。周河流域所處的北洛河上游，集水面積僅占北洛河流域的15.5%，但多年平均徑流量和輸沙量卻占到全流域的14.1%和59.1%，是北洛河的主要產水、產沙區[9]。本研究的周河流域指志丹水文站以上流域。研究區域為半干旱大陸性季風氣候，氣候干旱，雨量偏小，且年內分布極不均勻，7月~9月的降水占到全年的60%以上，極易引發洪水災害。地形主要為黃土丘陵，質地疏松，地形崎嶇，水土流失嚴重，是黃河中游產、輸沙模數較高的地區。自1999年退耕還林工程實施以來，周河流域所在的志丹縣植被明顯恢復，林草覆蓋面積增長迅速，次生植被（以落葉闊葉林和灌木草叢為主）逐漸形成和恢復[10]，水土流失得到有效遏制，生態環境不斷改善。

2 資料與方法

2.1 資料來源

水文序列數據均來自黃河水文年鑒（黃河水利委員會編纂）。降水等氣象數據來源于中國氣象局數據共享網和黃土高原科學數據中心，采用KRIGING方法進行差值，并在使用過程中進行核對和檢查。水文站概況見表1。

表1 水文站概況

2.2 研究方法

2.2.1 水沙變化趨勢和突變分析

為了避免單一方法的不準確性，水沙變化趨勢采用多年滑動平均法[11]，并采用Mann-Kendall（M-K）[12]趨勢檢驗法和線性趨勢估計法[13]進行比對驗證。同時采用Mann-Kendall（M-K）檢驗、滑動T檢驗[14]和Pettitt非參數檢驗法[12]綜合分析確定徑流和輸沙變化的突變時間。

2.2.2 人類活動和氣候因素影響評價

趙廣舉[4]利用水文分析法對黃土高原不同流域水沙變化貢獻進行分析，認為結果可靠。因此本研究選擇水文分析法對周河流域水沙變化的影響因素進行分離和分析。

水文分析法認為，自然狀態下的特定流域，如果下墊面的條件保持穩定，一定降水條件下的徑流量和輸沙量應該是一定的?；蛘呖梢哉f，如果下墊面的條件發生變化，那么相同降水條件下的徑流和輸沙可能會產生變化。根據以上原理，以徑流為例，利用基準期的實測資料，建立降雨與徑流之間回歸方程

式中：Q1為基準期的徑流量，P1為基準期的降水量；a、b為回歸系數。

利用方程（1），通過變化期的降水量P2和徑流量Q2，即可計算出氣候變化和人類活動對徑流的影響

式中：ΔQh和ΔQp分別為人類活動和降水對徑流的貢獻，mm；為變化期的模擬徑流量，mm。

3 結果與分析

3.1 水沙變化特征

3.1.1 水沙變化主要趨勢

近50年來，周河流域的年徑流深均表現出減少趨勢。圖1反映了周河流域1964年~2010年間流域徑流深年際變化規律。周河流域年徑流擬合線斜率為-0.59，年際變化曲線呈現出波動起伏和不均勻性，呈現多峰形式，其峰值出現在1977年、1985年和1994年。強降雨過程是峰值的出現的主要原因。結合M-K趨勢檢驗及一元線性回歸檢驗可知（見表1），周河流域年徑流M-K檢驗Z值為-3.64，且|Z|>1.96，說明流域徑流在研究時段內在給定的顯著性水平上（0.01或0.05）都表現出顯著的減少趨勢。一元線性回歸檢驗的結果與M-K趨勢檢驗的結果一致，再次驗證徑流明顯減少的趨勢。

圖1 流域徑流年際變化趨勢

圖2 輸沙量年際變化趨勢

周流域年輸沙量的年際變化趨勢與年徑流深的年際變化趨勢較為一致，也呈現出減少趨勢，擬合線斜率-0.003（見圖2）。流域研究時段內輸沙量年際變化呈多峰曲線，其峰值出現在1966年、1973年、1977年、1985年和1994年，這主要與區域特大暴雨的發生有關。暴雨一方面剝蝕地表，增大土壤侵蝕，另一方面導致徑流增大，徑流攜沙能力增強，從而出現輸沙的急劇變化。結合M-K趨勢檢驗及一元線性回歸檢驗可知（見表2），周河流域輸沙量M-K檢驗Z值為-4.58，且|Z|>1.96，說明流域輸沙量在研究時段內在給定的顯著性水平上（0.01或0.05）表現出顯著的減少趨勢，并與一元線性回歸檢驗的結果一致。

表2 流域徑流深和輸沙量年際變化趨勢性檢驗結果

3.1.2 水沙變化的突變特征

為了確定水沙變化的突變時間，應用M-K法、滑動T檢驗和Pettitt非參數檢驗法綜合進行判別。由于3種方法的檢測結果不一定一致，故以2種方法以上的檢測結果相同來確定突變點。退耕還林（草）工程實施可以引起徑流和輸沙的急劇變化。如表3所列，流域水沙變化的突變發生在退耕還林工程實施之后，其中徑流突變可以確定發生在2003年，發生在退耕還林工程實施后4年。而輸沙量的突變時間難以確定，三種檢測方法結果分別為2001年（M-K法）、2003年（滑動T檢驗）和1996年（Pettitt法）。參考地理位置臨近、自然氣候條件相似、人類活動方式基本相同的北洛河河源區（吳起水文站以上）徑流和輸沙突變時間一致的研究成果[8]，綜合判斷周河流域輸沙量突變時間為2003年。徑流和輸沙的突變時間一致，說明徑流和輸沙變異存在顯著正相關關系。

表3 流域徑流量及輸沙量序列突變檢測結果

3.2 以退耕還林為主的人類活動對水沙變化的影響

3.2.1 退耕還林對水沙變化的影響分析

1999年國家啟動實施了退耕還林工程。因此，以1999年為節點，將徑流和輸沙序列劃分為退耕前期和退耕后期（見表4）?？梢钥闯?，周河流域的降水量、徑流深、輸沙量均呈現降低的變化，退耕后期降水量、徑流深、輸沙量分別為421.42 mm、21.34 mm、179.37萬t，較退耕前期分別減少28.79 mm、21.12 mm和892.4萬t。在年降雨量降低6.4%的情況下，徑流深和輸沙量分別減少了49.98%和83.26%。可以判斷，退耕還林引起的生態植被變化是影響流域水沙變化的主導因素。需要注意的是，雖然變化的趨勢一致，但輸沙量變化幅度超過徑流變化幅度。這可能是因為淤地壩等各項水保措施對徑流輸沙進行了有效攔截以及植被對攔水率和攔沙率的不同而造成的[8]。此外，徑流減少也是導致輸沙量降低的重要影響原因。

表4 退耕還林前后降水和水沙變化統計

3.2.2 氣候變化與人類活動對水沙變化影響的定量分析

退耕還林工程實施之后的效果存在一定的延遲，因此周河流域徑流和輸沙年際變化趨勢的突變時間發生在2003年。以突變時間點作為時間節點，可以將徑流和輸沙序列劃分為突變前期和突變后期（見表5）。在突變后期，流域的降雨量、徑流深、輸沙量較突變前期均呈現減少的變化，年均降雨量、徑流深和輸沙量較突變前期分別降低了30.64 mm、24.62 mm和927.47萬t。利用水文分析法估算降雨變化和人類活動對徑流深和輸沙量的影響，見表5。降雨因素導致徑流深減少3.16 mm，貢獻了變化總量的12.84%，人類活動貢獻了87.16%；降雨因素對流域輸沙量減少量為96.60萬t，貢獻僅為10.42%，人類活動貢獻為89.58%，人類活動對周河徑流和輸沙量減少發揮著主導作用。

表5 人類活動和氣候變化對周河流域徑流和輸沙的影響

4 討論

多數研究認為，森林面積的減少會導致徑流的增加和土壤侵蝕量的降低[15~16]。自退耕還林工程實施以來，北洛河上游的植被覆蓋度迅速增加，土地利用發生顯著變化[17]。由于缺少流域土地利用變化數據，本研究以周河流域內志丹縣退耕還林以來的土地利用數據進行統計分析（見表6）[18~20]。可以看出，志丹縣耕地面積在退耕還林之后呈急劇減少趨勢，減少56.48%（1997年~2014年）。減少的耕地主要轉化成林地，故林地面積增加15.29×105hm2，面積百分比提高了111.6%。林地面積的增加，不僅改變降水分配，提高地表粗糙度，而且可以影響流域蒸散發，從而進一步影響流域產匯流過程和徑流輸沙能力，最終導致周河流域的徑流和輸沙同時出現下降的變化。人類活動對周河流域突變之后的徑流和輸沙變化影響基本相同，其中對徑流變化的貢獻為87.16%，對輸沙變化的貢獻為89.58%，這與劉二佳等[17]對北洛河上游1963年~2009年徑流和輸沙變化影響因素的研究結論基本一致，但與蔣觀滔等[8]研究成果存在差異（人類活動對徑流變化的貢獻率為29.2%）。這可能是由于數據系列的長短、尺度不同造成的，也與數據處理和分析方法不同等原因有很大關系。

周河流域屬暖溫帶半干旱氣候區，降雨稀少且主要集中在夏季。本研究對流域年尺度的徑流和輸沙變化規律及影響因素進行分析，但在實際的生產生活中，分析流域在月尺度以及汛期、非汛期的水沙變化規律以及對年水沙變化的影響和貢獻值更有指導意義，還需要進一步研究。任何方法都有自身的局限性和適用性，選取多種方法互相驗證，并分析各種方法優缺點和適用條件，從而選定適合不同流域類型、氣候條件和人類活動方式的研究方法是以后研究的重點。此外，退耕還林（草）對流域水沙變化的產生著重要影響，但是在現實中，城鎮化發展、農業現代化推進對水沙變化也發揮著重要作用，隨著經濟社會快速發展，用水需求迅速增加導致的徑流減少也是不可忽視的影響因素，需要綜合考慮分析。

表6 志丹縣土地利用變化分類面積統計

5 結論和建議

本文分析了北洛河上游退耕還林區周河流域的水沙變化趨勢，并分別以退耕還林工程實施時間（1999年）和水沙突變時間為節點，比較了節點前后的徑流和輸沙系列變化主要特征，定量判別了人類活動對水沙變化的影響作用，主要得出以下結論。

（1）含沙量一定的條件下，徑流與輸沙之間存在顯著正相關關系。周河流域的年徑流和輸沙變化也符合以上規律，表現出明顯的下降趨勢，且輸沙與徑流突變時間一致，發生在2003年。受流域形狀、地形地貌、產流面積以及降水的不均勻性等多種因素影響，流域水沙年際變化曲線呈現波動起伏和不均勻性。

（2）退耕還林之后，流域的徑流深降低了49.74%，輸沙量的減少程度更大也更為明顯，降低83.26%。對突變之后的流域徑流和輸沙變化影響分析表明，人類活動和氣候變化對水沙作用效果基本一致。退耕還林為主的人類活動是周河流域徑流和輸沙變化的主導因素，對徑流變化和輸沙變化的貢獻分別為87.16%和89.58%。