西柳溝流域水沙關系及變化趨勢

劉璐 郭月峰 姚云峰 祁偉 劉曉宇 楊燕 王賀

摘要：根據西柳溝流域水沙特點，利用該流域54年的實測年徑流量及年輸沙量資料，采用相關系數分析法、5年滑動平均法、雙累積曲線法，結合流域降水量分析西柳溝流域水沙相關關系及變化趨勢。結果表明：（1）西柳溝流域降水量與徑流量呈顯著的正相關關系，降水量與泥沙相關性變異較大;1964—1979年輸沙量與徑流量呈顯著相關關系，其他不同時段輸沙量與徑流量均呈極顯著相關關系;（2）西柳溝流域1964—2017年水沙變化趨勢基本對應，輸沙量下降趨勢明顯，輸沙量突變年份為1989年和1998年，徑流量突變年份為1989年和2003年。進一步分析表明，西柳溝流域徑流量主要受到降水的影響，徑流量與輸沙量在水土保持措施下對降雨的響應呈減少狀態(tài)。

關鍵詞：輸沙量;徑流量;降水量;水沙關系;5年滑動平均法;雙累積曲線法

中圖分類號：S157?文獻標志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0269-05

河流系統(tǒng)為易受到外界影響且處于波動狀態(tài)的自然系統(tǒng)[1-3]。其中河流水沙變化是反映河流系統(tǒng)變化的關鍵因素，其主要受到降水量、河勢穩(wěn)定、河道演變、水土保持措施等氣候變化與人類活動的影響[4-6];此外河流水沙關系能表現出河流徑流量和輸沙量的匹配程度，不同類型水沙關系的河流，有著不同的泥沙沉積特征[7]。眾多學者基于水沙變化特征對流域開展研究，這對揭示河流泥沙時空變化規(guī)律和來源，分析河流泥沙沉積特征和優(yōu)化河道整治措施有重要作用[8]。賈運崗基于滑動平均法及MK（Mann-Kenddall）檢驗法對沂河流域進行水沙變化趨勢研究，結果表明該流域多年徑流量與輸沙量在一定水平下，均呈明顯下降趨勢[9];楊敏等通過分析1951—2015年洞庭湖水沙變化特征，得出洞庭湖水沙均呈下降趨勢，水沙序列存在突變現象[10];劉希勝基于水文站實測資料對湟水干流進行水沙演變過程及相互關系的研究后發(fā)現，湟水干流多年平均輸沙量與徑流量存在年內分配不均衡且變化趨勢不一致等特點[11]。李洋洋等利用水文站實測資料，采用雙累積曲線法等多種方法分析了灞河流域水沙變化特征，發(fā)現該流域水沙總體呈下降趨勢且具有多尺度特征，但年內分布極不均勻且變化尺度不一致[12]。本文針對西柳溝流域1964—2017年水沙資料，從降水量、徑流量、泥沙量三者關系入手，運用相關分析、5年滑動平均及雙累積曲線研究方法，分析西柳溝流域54年水沙關系及其變化趨勢，研究該流域降雨對徑流和泥沙產生的影響，揭示流域水沙特點，從而為該地區(qū)水土流失治理及生態(tài)環(huán)境保護提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

西柳溝為十大孔兌典型流域之一，發(fā)源于鄂爾多斯市東勝區(qū)，經庫布齊沙漠后匯入黃河[13]，流域全長106.5 km，流域面積1 356.3 km2，范圍為 109°24′～110°45′E，39°47′～40°30′N，該流域具有典型的干旱大陸性季風氣候，氣候干燥，風大沙多，多年平均降水量為305.9 mm，76%的降水集中在6—9月份，蒸發(fā)量為2 149.2～2 234.2 mm，是降水量的7倍多。西柳溝流域最大洪峰量為 6 940 m3/s，最大含沙量為1 550 kg/m3，最大輸沙量為4.75×107 t/年。西柳溝地形南高北低，海拔高度在1 000～1 500 m之間，相對高差500 m左右。流域內的地貌主要為丘陵區(qū)、庫布其沙漠風沙區(qū)以及沿河平原區(qū)。丘陵區(qū)地面支離破碎，土壤侵蝕劇烈，以水力侵蝕和重力侵蝕為主，多年平均侵蝕模數為8 500 t/（km2·年），土壤主要為栗鈣土，該區(qū)優(yōu)勢植物為百里香和針茅[14]。風沙區(qū)為庫布其沙漠中段，以風蝕為主，多年平均侵蝕模數為 10 000 t/（km2·年），其土層較厚，有機質含量極低，主要植物有油蒿、沙竹等。

2 材料與方法

2.1 資料數據

本次分析利用西柳溝流域1964—2017年水文資料。其中逐年徑流、逐年輸沙數據來源于鄂爾多斯水土保持龍頭拐水文站實測資料;逐年、逐月降水量數據來源于柴登毫、高頭窖和龍頭拐3個雨量站實測資料。

2.2 研究方法

2.2.1 采用相關分析法分析水沙關系 對不同時段徑流量和輸沙量之間的相關關系進行定量描述，并進行顯著性檢驗，從而揭示要素間相互關系的密切程度。

2.2.2 采用5年滑動平均法[15-16]分析水沙趨勢 滑動曲線可更直接準確地表達水文時間序列下降雨、徑流、輸沙的變化趨勢。

2.2.3 采用雙累積曲線法分析水沙突變 雙累積曲線法由美國學者Merriam于1937年提出[17-18]，其曲線斜率用于反映參數變量的一致性及變化趨勢，若斜率發(fā)生突變，即表明參數變量對應的累積值發(fā)生變化，則斜率突變點所對應的時間即為徑流、輸沙變量趨勢發(fā)生突變的年份，因此采用雙累積曲線法分析西柳溝水沙突變年份，從而研究水沙變化機制。

3 結果與分析

3.1 水沙關系分析

3.1.1 降雨與徑流輸沙關系分析 降雨量是河流水沙變化的重要影響因素之一，對西柳溝流域的輸沙量、徑流量分別與降水量進行相關關系分析。由圖1、表1可知，在不同時段降水量與徑流量均呈正相關關系，除1980—1989年、2010—2017年降水量與徑流量呈中低度相關之外，其他不同時段均呈高度相關，而且保持較好的同步性。在此劃分時段下，降水量與泥沙量的相關性變異較大，總體相關性較差，基于相等降水量條件下，輸沙量呈逐漸減少趨勢。基于平均降水量，西柳溝流域1964—1979年年均輸沙量約為4.08×106 t，1980—1999年年均輸沙量約為 6.63×106 t，2000—2017年年均輸沙量約為1.02×106 t，可以看出在降水量相同的條件下，西柳溝輸沙量在21世紀初呈明顯下降趨勢。因此，降水量的波動是徑流量年際變化的主要影響因素，而輸沙量在21世紀初的明顯減少主要與水土保持等人類活動密切相關。

3.1.2 不同年代徑流量與輸沙量相關分析 分別對西柳溝流域1964—2017年、1964—1979年、1980—1999年和2000—2017年4個不同時段進行徑流量和輸沙量相關關系分析，并進行顯著性檢驗。由置信橢圓（圖2）及相關系數（表1）可以看出，1980—1999年輸沙量與徑流量關系最為密切，相關系數達到最大值，為0.835 9，其置信橢圓呈極扁長狀，（置信橢圓長短軸之比與變量相關程度成正比），1964—1979時段下輸沙量與徑流量呈中度相關，顯著性水平P值小于0.05，呈顯著相關，其置信橢圓基本呈圓狀。其他不同時段輸沙量與徑流量呈極顯著相關關系，輸沙量與徑流量置信橢圓呈扁長狀，P值均小于0.000 1。西柳溝流域總水文時間序列下（1964—2017年）徑流量與輸沙量相關系數為0.687 0，該時段數據集中分布在橢圓內部，說明輸沙量與徑流量關系未出現系統(tǒng)偏離。由此通過54年水沙資料的統(tǒng)計特征分析可以看出，西柳溝流域徑流量與輸沙量之間存在顯著或極顯著正相關關系。

3.2 水沙變化趨勢分析

3.2.1 降水量、徑流量及輸沙量變化分析 基于1964—2017年西柳溝流域實測水文資料分析降水量、徑流量及輸沙量變化趨勢。對流域徑流量和輸沙量取5年進行滑動平均，使序列對水沙變化趨勢分析的影響得以弱化，結果如圖3所示。輸沙量及徑流量在年際間變化過程中均有波動，年徑流量變化幅度更加明顯，但水沙總體變化基本趨于一致，二者均呈明顯的下降趨勢。其中輸沙量下降趨勢更加明顯。流域多年平均徑流量為2.65×107 m3，多年平均輸沙量為 4.00×106 t。流域徑流量和輸沙量年際差異極大，西柳溝流域年徑流量處于2.98×106 m3～8.56×107 m3之間，最大值（1989年）約為最小值（2008年）的29倍。年輸沙量在0.01×104～4.75×107 t之間，最大值（1989年）約為最小值（2011年）的365 384倍。2000—2017年均徑流量為1.74×107 m3，分別比1964—1979年和1980—1999年減少了46.61%和41.48%。2000—2017年均輸沙量為1.02×106 t，分別比1964—1979年和1980—1999年減少了74.88%和84.54%。

由表2可知，西柳溝流域在1964—1979年期間，多年平均徑流量及降水量分別達到最大值，其變差系數分別為0.509和0.333，此階段降水量多年平均值及變差系數均達到最大值，表明這期間產生的大量徑流主要受降雨因素的影響。從總體變化趨勢來看，各時段降水量呈波動狀，其變差系數變化幅度較小，但徑流量與輸沙量變差系數總體呈上升趨勢，在2000—2017年期間，多年平均徑流量和輸沙量分別達到最小值，且其變差系數分別處于最大值，分別為0.998和2.160，由于此階段降水量并無顯著變化，說明徑流量與輸沙量受到水土保持等人類活動的影響，對降雨的響應趨于遲緩狀態(tài)。說明54年西柳溝流域水沙年際變化具有明顯差異，且近些年輸沙量年際減小程度大于徑流量。

3.2.2 降水量、輸沙量及徑流量突變趨勢分析 累積水沙關系曲線出現明顯轉折，說明水沙發(fā)生了趨勢性變化，由西柳溝流域輸沙量、徑流量雙累積曲線（圖4）可以看出，輸沙量于1989年和1998年發(fā)生趨勢性突變，徑流量于1989和2003年發(fā)生轉變，因此徑流量按時間序列可分為三個階段：1964—1988年、1989—2002年和2003—2017年，輸沙量變化可分為1964—1988年、1989—1997年和1998—2017年3個階段。徑流量和輸沙量在第1階段基本呈同步變化趨勢，兩者均有較強的線性相關關系，擬合效果較好。均于1989年發(fā)生趨勢性突變，且該流域于1989年發(fā)生特大級別暴雨，說明該階段是由于降水量的顯著變化所引起的突變現象。

累積徑流量曲線基本呈一條直線，于2003年再次發(fā)生轉折變化，徑流量第2階段曲線斜率變化相對平穩(wěn)，徑流量和降水量較第1階段相關關系更加密切，由此可以看出徑流量的變化受到了降水量的影響。第2階段累積輸沙量變化顯著，于1998年再次發(fā)生趨勢突變，輸沙量第2階段曲線斜率呈增大狀，發(fā)生劇烈轉折變化，且輸沙與降雨關系減弱，由此可以看出西柳溝流域水沙變化規(guī)律的復雜性。徑流量與輸沙量在第3階段期間與降水量的關系無顯著變化，且該階段期間斜率變化均呈減少狀態(tài)，由此可以看出，該階段發(fā)生的趨勢性轉變主要受到水土保持措施等人類活動的影響。

3 討論

河流徑流量與輸沙量的變化是流域內氣候變化與人類活動共同作用的結果[19-20]。本研究表明，西柳溝流域徑流量主要受到降水量變化的影響，且降水量與徑流量呈顯著的正相關關系，基于水土保持措施的開展，輸沙量有顯著改善，徑流量在水土保持措施的制約下對降水量的響應處于遲緩狀態(tài)。西柳溝流域自1986年先后開展了黃土高原水土保持世行貸款項目、骨干壩工程、沙棘示范區(qū)治理、水土保持綜合治理等項目。截至2015年，西柳溝流域上、中游丘陵風沙區(qū)林草措施總面積731.93 km2，骨干壩92座，控制面積442.11 km2，總庫容1.01×108 m3，攔沙庫容5.41×107 m3，水土保持治理度55.74%，大規(guī)模水土保持措施的實施使西柳溝流域下墊面情況發(fā)生變化，改善該流域土壤侵蝕情況，使西柳溝流域徑流量及輸沙量呈明顯下降趨勢。

此外，對流域進行水沙關系及變化趨勢分析時，應考慮流域降雨產流產沙的復雜性，應對汛期降水量以及最大一日降水量與徑流量、輸沙量的相關關系進行分析研究，更進一步地探索流域徑流量與輸沙量對降雨的響應機制。且應結合水保法，基于水土保持林草措施和生態(tài)修復封禁治理等具體單項措施指標，定量分析流域水沙變化對其響應作用，從而為有效治理區(qū)域水土流失提供科學依據，具有重要意義及科學價值。

4 結論

通過分析西柳溝流域降水量與徑流量、輸沙量的相關關系，結果表明，降水量與徑流量呈顯著的正相關關系，降水量與泥沙相關性變異程度較大，且基于平均降水量之下，不同時期的輸沙量均呈下降趨勢。西柳溝流域徑流量和輸沙量年際間變化極為明顯，多年分配不均勻，輸沙量的年際變化程度大于徑流量;1964—1979年輸沙量與徑流量屬于中度相關，各分段年輸沙量與年徑流量屬于高度正相關，水沙相關系數P值均小于0.001，達到極顯著性水平。輸沙量和徑流量在年際間變化過程中均有波動，但水沙變化基本趨于一致，均呈下降趨勢。輸沙量-徑流量雙累積曲線，輸沙量分別在1989年和1998年發(fā)生轉折，徑流量分別在1989年、2003年發(fā)生轉折，表明西柳溝流域水沙變化規(guī)律的復雜性。

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