渭河流域水沙時空變化及其對人類活動的響應

徐瑞瑞　高鵬　穆興民　柴雪柯　顧朝軍

摘 要：基于渭河流域32個水文站近60 a水沙數據，采用Mann-Kendall趨勢檢驗、Pettitt突變檢驗、雙累計曲線等方法分析了渭河流域不同區間水沙變化特征及驅動因素。結果表明：渭河流域62.5%（50%）區間徑流量（輸沙量）呈顯著減少的趨勢，34.36%（42.86%）區間徑流量（輸沙量）無顯著變化趨勢，僅3.12%的區間徑流量和輸沙量呈顯著增加趨勢;渭河徑流量和輸沙量的突變年份集中在20世紀80年代末、90年代初;涇河徑流量和輸沙量的突變年份集中在20世紀90年代;北洛河徑流量和輸沙量在21世紀初發生突變;以渭河控制站（頭站和華縣站）水沙之和為基礎量化的人類活動和降雨量對渭河徑流量減少的貢獻率分別為84.86%和15.14%，對輸沙量減少的貢獻率為92.54%和7.46%;退耕還林（草）工程、淤地壩建設、水庫攔蓄等是渭河徑流量和輸沙量變化的主要原因。

關鍵詞：渭河流域;徑流量;輸沙量;水土保持;人類活動

中圖分類號：P333?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.003

Dynamic of Streamflow and Sediment Load and Its Response to Human Activities in the Weihe River Basin

XU Ruirui1， GAO Peng1，2， MU Xingmin1，2， CHAI Xueke3， GU Chaojun4

（1.Institute of Soil and Water Conservation， Northwest A & F University， Yangling 712100， China; 2.Institute of Soil

and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources， Yangling 712100， China;

3.Station of Management and Protection of Dongshan Forest Area， Taiyuan 030032， China; 4.Yangtze River Basin

Soil and Water Conservation Monitoring Center Station， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Abstract： This study systematically analyzed the change of streamflow and sediment load and the impact of human activitiesto the Weihe River basin based on the date from 32 hydrological stations with Mann-Kendall test， double mass curve method and Pettitt test. The results show that annual streamflow and sediment load has significant decreasing trends in 62.5% and 50% areas of the Weihe River and only 3.12% areas has significant increasing trends， others without significant trend. Change points of streamflow and sediment load are concentrated between 1980s and 1990s in 25%-28% areas of the Weihe River， while 12%-16% areas of the Jinghe River mainly are appeared in the 1990s and 6.25% areas of Beiluo River are occurred in 2000s. Meanwhile， both streamflow modulus and sediment load modulus exhibit a decreasing tendency. Double mass curve reveals that human activities contribute 84.86% for the reduction of streamflow and 92.54% for the sediment load. Therefore， human activities are the dominant factors for streamflow and sediment reduction in the Weihe River basin.

Key words： Weihe River basin; runoff; sediment discharge; soil and water conservation; human activities

自20世紀50年代以來，受氣候變化和人類活動的影響，河川水文情勢發生了顯著變化[1-2]。渭河作為黃河的最大支流，被陜西人譽為“母親河”，其流域水生態環境變化影響著整個區域農業經濟、洪旱災害和水資源利用。近年來，受自然和人為因素的影響，渭河流域水資源分布不均，上中游水土流失嚴重，下游泥沙大量淤積，水沙問題嚴重[3]，加上洪水災害頻發（如“92·8”“96·7”“03·8”“03·10”等洪水）[4-5]，嚴重影響了當地人民的生產生活及自然、經濟和社會的發展[6]。因此，關于渭河流域水沙變化的研究已成為當前的熱點。

為揭示渭河流域水沙的演變規律，我國學者開展了大量研究，如冉大川等[7]利用渭河流域1970—1996年的徑流泥沙資料，分析了流域水沙時空演變;胡安焱等[8]利用降雨、水利水保措施等資料分析了渭河流域近50 a來水沙變化規律，并探討了降水和人類活動對流域水沙的影響;任立良等[9]采用標準化徑流指數剖析了渭河流域自1991年以來年徑流量顯著減小的影響因素;焦菊英等[10]采用“水文-地貌法”分析了渭河流域侵蝕產沙強度的區域分異特征。這些研究主要通過個別站點闡述了渭河流域的水沙變化特征和影響因素（降雨、氣候、水土保持措施、水庫等），主要關注徑流量和泥沙量，缺乏對整個渭河流域水沙特征的分析，難以全面深入理解渭河流域徑流泥沙變化格局及變化的主控因素。本文利用渭河流域32個水文站的資料，系統研究了渭河流域不同區間的水沙變化特征，以期全面認識流域水沙變化規律及其驅動因素，為區域水資源管理、生產發展、生態文明建設提供科學參考。

1 流域概況

渭河發源于鳥鼠山，流經陜、甘、寧3個省區，于陜西潼關附近匯入黃河[11]。流域總面積為134 766 km2，干流全長為818 km，流域屬于大陸性季風氣候區，降水主要集中在夏季且雨強較大，對地表侵蝕嚴重。渭河支流較多，涇河和洛河是北岸支流中最大的兩條，流域面積分別為4.54萬、2.69萬km2。渭河流域年均降水量為400～800 mm，年均蒸發量為1 000～2 000 mm。流域多年平均徑流量為95億m3，多年平均輸沙量為4.58億t。整個流域水沙異源，主要產水區為林家村、張家山和華縣區間，主要產沙區為涇河和林家村以上[12]。流域內及周邊氣象站、水文站分布見圖1。

2 數據與方法

2.1 數 據

選用渭河流域內32個具有代表性的水文站點，將流域劃分為32個不同的區間（見表1）。區間徑流輸沙量等于下游水文站實測水沙量減去上游水文站實測水沙量，某個水文站上游無水文站時，該水文站實測值即為該區間水沙量。數據年限為1958—2013年，均來源于《中國河流泥沙公報》和《黃河流域水文年鑒》等。降雨資料選用渭河流域及周邊24個氣象站1958—2013年逐日和逐年的降雨資料（見表2），來源于中國國家氣象數據共享服務網（http：//data.cma.gov.cn）。

2.2 分析方法

2.2.1 趨勢檢驗

主要采用Mann-Kendall（簡稱MK）秩次相關檢驗方法[13-14]對長時間的水沙序列進行趨勢性分析[15-16]。通過該法計算得檢驗統計量Z，若Z值為正則說明序列呈現增大趨勢，若Z為負則說明序列呈現減小趨勢，0.05和0.01顯著性水平下的Z值分別為±1.96和±2.58。

2.2.2 突變檢驗

采用Pettitt突變檢驗法[17]來診斷水沙的突變年份，該方法是檢驗時間序列均值發生突變的統計方法，既能判斷突變點的位置及數量，也能判斷突變點是否具有統計意義上的顯著水平，在變點檢測中有較多的應用。通過該方法找到突變點位置，再通過突變點顯著性水平計算出P值，P值越接近1，突變點的趨勢越顯著。

2.2.3 雙累計曲線法

雙累計曲線能直觀、簡單地分析兩個變量之間的一致性或長期趨勢性變化[18-19]，已被廣泛應用于診斷流域水沙關系變異情況。該法通過兩個累計變量之間擬合直線斜率的偏離程度來判斷人類活動對流域水沙的影響程度，若斜率偏離明顯，則說明人類活動對流域水沙變化有著顯著的影響，斜率顯著變化的點對應水沙關系發生顯著變化的時間[20]。

3 結果與分析

3.1 渭河流域徑流量、輸沙量變化的基本特征

3.1.1 渭河流域徑流量、輸沙量年代際變化

華縣站和頭站為渭河流域和北洛河的把口站，兩個站徑流量和輸沙量的變化一定程度上能代表整個流域水沙的變化。分析整個流域不同年代的水沙特征（見表3）可知：渭河流域徑流量和輸沙量年代際變化趨勢基本一致，均呈波動下降的趨勢，但輸沙量的波動幅度明顯大于徑流量的。華縣站多年平均徑流量為64.74億m3，最大年徑流量為187.60億m3（1964年），最小年徑流量為16.83億m3（1997年）;輸沙量與徑流量變化趨勢一致但變幅更大，多年平均輸沙量為2.67億t，最大年輸沙量為10.60億t （1964年），最小值為0.41億t（2012年）。頭站多年平均徑流量為7.09億m3，最大年徑流量20.15億m3 （1964年），最小年徑流量為3.09億m3 （1974年）;輸沙量的變化幅度也大于徑流量的，最大年輸沙量為2.63億t（1994年），最小年輸沙量為0.01億t（2009年）。年代際內，流域的面降水量在20世紀60年代最大，為592.69 mm，90年代最小，為491.27 mm，年代際變化幅度不大。

3.1.2 渭河流域徑流量、輸沙量年際變化

渭河流域水文要素年際變化見圖2。20世紀60年代以來渭河流域控制站點（華縣、頭和張家山）的徑流量和輸沙量均呈減小趨勢，華縣、頭、張家山的平均年徑流量分別為64.74億、7.09億、15.67億m3，平均年輸沙量為2.67億、0.57億、0.20億t。年徑流量呈顯著減小趨勢，尤其是20世紀70年代初徑流量減少幅度較大，相比于60年代，華縣減少38.24%、張家山減少19.57%、頭站減小39.92%，這與黃河中游地區近年來降雨量的減少有直接關系。其中，涇河張家山站的徑流量減小最為顯著，從21.67億m3（1960—1969年）減小到9.28億m3（2000—2009年），減小57.17%。與徑流量變化情況基本一致，各站年輸沙量主要在20世紀70年代初呈顯著減小趨勢，從60年代到90年代，各站輸沙量的減幅均在50%以上，其中，北洛河頭站平均年輸沙量的減小最顯著，由60年代的1.00億t減小到2000—2009年的0.14億t，減小86%。輸沙量的減小主要是20世紀70年代末和80年代初實施的大規模水土保持措施導致的，如退耕還林（草）、梯田和淤地壩等，顯著減小了坡面土壤侵蝕量，降低了輸沙能力，進一步使得河道的輸沙量減小[21]。

3.2 不同區間徑流量和輸沙量的趨勢特征

3.2.1 徑流量變化的趨勢性特征

圖3為渭河流域32個區間徑流量時序變化的MK統計分析與檢驗結果，由圖3可知：除渭12和洛6區間外，渭河流域93.8%的區間徑流量呈顯著減小趨勢;除渭8、渭14區間呈非顯著性減小趨勢外，其余區間徑流量均呈顯著減小趨勢，尤以渭3區間減少最為顯著（Z值為-6.71）;涇河的涇1、涇2、涇3、涇4、涇10、涇11區間徑流量減少比較顯著，尤其是涇1區間變化最為顯著（Z值為-6.84）;北洛河的洛1、洛2區間徑流量減少比較顯著。

3.2.2 輸沙量變化的趨勢性特征

圖4為不同區間輸沙量變化的MK統計檢驗結果，由圖4可知：除渭7、渭8、渭12和洛4區間輸沙量呈增大趨勢外，渭河流域87.5%的區間輸沙量均呈顯著性減小趨勢。除渭河的渭9、渭10區間呈非顯著性減小趨勢外，其余區間的輸沙量均呈顯著性減小趨勢，尤其是渭3區間減少幅度最為顯著（Z值為-7.32）;涇河的涇1、涇2、涇3、涇4區間和北洛河的洛1、洛2、洛6區間的輸沙量也呈顯著減小趨勢。

3.3 不同區間徑流量和輸沙量的突變特征

對渭河流域不同區間的年徑流量和輸沙量進行對比分析，結果見表4。渭河大部分區間徑流量和輸沙量的突變年份主要集中在20世紀80年代末和90年代初;涇河部分區間徑流量和輸沙量出現突變，且突變年份主要集中在20世紀90年代;北洛河只有部分區間徑流量和輸沙量發生突變，且突變主要發生在20世紀90年代末和21世紀初。

3.4 渭河流域徑流模數和輸沙模數的時空變化

渭河流域不同年代的徑流模數變化差異顯著（見圖5，圖中RDM1～RDM4為不同時段的徑流模數）。20世紀70年代，徑流模數>20萬m3/（km2·a）的強來水區主要分布在渭7、渭9、渭10、渭14;而渭8和洛7區間徑流模數<1.0萬m3/（km2·a），為耗水區。80年代，整個流域的徑流模數有所增大，可能與該時段的降雨變化有關，徑流模數>20萬m3/（km2·a）的強來水區未發生改變，但渭5、渭6區間的徑流模數也比較大，為12萬～20萬m3/（km2·a），該時段未出現徑流模數<1萬m3/（km2·a）的區域。90年代，徑流模數大范圍減小，由圖5可知徑流模數>20萬m3/（km2·a）的強來水區面積明顯減小，徑流模數為1.0萬～2.5萬m3/（km2·a）的產水區大幅增大。21世紀初，部分區域徑流模數有所增大，其中渭9、渭10、渭11區域徑流模數>20萬m3/（km2·a），為主要產水區。而洛7區域的徑流模數<1.0萬m3/（km2·a），為耗水區。

渭河流域不同年代的輸沙模數（SDM）差異顯著（見圖6）。20世紀70年代，流域輸沙模數>8 000 t/（km2·a）的主要產沙中心為洛1、洛2和涇2區間，輸沙模數呈現從南到北逐漸增大的趨勢。80年代，整個流域的輸沙模數呈減小趨勢。90年代，渭河流域輸沙模數有所增大，且產沙區域變動較大，該時期輸沙模數>8 000 t/（km2·a）的區域為洛1、洛2、洛3、涇5、涇7、涇8區間。從上游至下游，渭河干流和涇河的輸沙模數呈先減小后增大的趨勢，而北洛河輸沙模數呈減小趨勢。21世紀初，渭河流域輸沙模數大幅減小，除了涇5和涇7區間外，其余區間輸沙模數<5 000 t/（km2·a）。不同時段內渭河流域下游的部分區間輸沙模數都處于負值，且20世紀90年代后處于負值的區間增多，輸沙模數處于負值表明下游輸沙量小于上游輸沙量，即該區間處于泥沙淤積狀態。研究表明，三門峽水庫修建后河道內大量泥沙被攔截，渭河下游處于淤積狀態[2]。90年代淤積區域達到最大，可能是降雨減少、河道輸沙能力降低導致區間輸沙模數減小。

綜上可知，渭河流域不同時段的徑流和輸沙模數呈現動態分布。1970—2013年，從上游到下游，渭河干流和北洛河徑流模數呈先增大后減小的趨勢，涇河呈增大趨勢;整個流域徑流模數>12萬m3/（km2·a）的強來水區面積明顯減小。渭河流域的輸沙模數在不同的年代呈明顯的動態變化，從1970—2013年，整個流域的輸沙模數從南到北呈減小趨勢，表明流域侵蝕有所減弱。

3.5 渭河流域水沙變化對人類活動和降雨量的響應

渭河和北洛河把口站（華縣和頭）的徑流量—降雨量、輸沙量—降雨量的雙累計曲線見圖7，曲線斜率分別代表單位降雨產生的徑流量和輸沙量。流域下墊面不變時，雙累計曲線的斜率不變，若雙累計曲線斜率發生變化，則表明流域的下墊面狀況發生了明顯變化，人類活動對流域水沙的影響增大。渭河流域徑流量和輸沙量與降雨量雙累計曲線分別在1993年和1996年出現了拐點，且拐點后的曲線擬合斜率均減小，說明人類活動使得流域的水沙量減小。將突變后的降雨資料代入突變前的回歸方程中，即得徑流量和輸沙量的理論值。不同時段理論值之差為降水的影響量，突變后的理論值與實際水沙值之差為人類活動的影響量。

3.6 降雨和人類活動對流域水沙的影響

對降雨量—徑流量、降雨量—輸沙量的雙累計曲線進行模擬回歸分析，結果分別見表5和表6。突變年份之后，實測累計徑流量減小39.72%，實測累計輸沙量減小60.90%。降雨量、人類活動對徑流量和輸沙量變化的貢獻率分別為15.14%、84.86%和7.46%、92.54%。由此可以得出：人類活動對徑流量和輸沙量減少的貢獻率遠大于降水的，說明人類活動在流域水沙的減少上占主導作用。

流域水沙變化與人類活動有著密切的關系。一方面，人口增長和城鎮化導致流域土地利用變化顯著，進而對流域水沙產生重要影響。20世紀八九十年代，流域人口數量增加導致人們對耕地和建筑用地的需求增加，90年代后期，隨著退耕還林（草）措施的實施，流域內草地、耕地和建筑用地發生了較大變化，耕地面積大量減少，林地面積大量增加，使得流域內的徑流和泥沙在90年代有所減小[22]。20世紀后期，隨著區域內經濟發展和城鎮化，耕地和建筑用地面積分別增加453、679 km2[23]。不同程度的土地利用變化都對流域水沙變化產生了影響，且21世紀00年代土地利用變化對徑流的影響程度大于20世紀90年代[24]。另一方面，改革開放后，渭河流域經濟增長迅速，工農業生產及生活用水增加。據統計，渭河流域90年代以前平均年耗水量為27.93億m3，90年代平均年耗水量增加至42.63億m3，耗水量增加了52.6%，增加的耗水量主要來自地下水的過度開采，導致地表徑流也受到影響，流域年入黃水量減少了8.64億m3[25]。截至1996年底，渭河上中游地區有效灌溉面積達80 547 hm2（其中引水灌區占54.9%），中型灌區33處，其中引水灌區22處;下游萬畝（15畝=1 hm2）以上灌區達99處，總有效灌溉面積590 886 hm2（其中引水灌區占50%左右），其中河道引水灌區50處。工農業生產用水的增加進一步使得流域內的徑流減少，引水灌溉導致的間接引沙使得流域輸沙量減小[26]。

20世紀70年代黃土高原開始實施大范圍的水土保持措施，淤地壩作為一種重要的攔水攔沙措施，在渭河流域水沙變化中也發揮了重要作用。截至1996年年底，渭河流域內已建成2 336座淤地壩，相對20世紀70年代，90年代的流域輸沙量減少866.56萬t。另外，水庫及梯田的修建也使得流域內的水沙受到了明顯影響，80年代水利工程平均每年減沙2 836萬t，減少徑流22.7億m3，梯田、造林等減沙1 744萬t，減少徑流1.311億m3[27]。進入21世紀后整個流域的降雨量增加，但是徑流量卻依然減少，這與當時流域內實施的一系列水土保持措施和政策有關，1999年退耕還林政策的開始實施以及2005年《渭河流域重點治理規劃》的正式批復實施，均使得流域內的水土保持生態建設加強，水沙量進一步減少。另外，由于部分造林等水土保持措施對流域內水沙的控制有一定的滯后效應，因此部分區間到了21世紀水沙量才出現明顯的改變[28]。

4 結 論

（1）渭河流域93.8%的區間徑流量呈顯著性減小趨勢，87.5%的區間輸沙量呈顯著性減小趨勢，渭河徑流量和輸沙量的突變主要發生在20世紀80年代末和90年代初;涇河區間徑流量和輸沙量的突變主要發生在20世紀90年代;北洛河徑流量和輸沙量的突變主要發生在21世紀初。

（2）渭河流域不同年代徑流和輸沙模數呈現動態分布，1970—2013年，渭河干流和北洛河徑流模數呈先增大后減小的趨勢，涇河呈增大趨勢;整個流域的輸沙模數從南到北呈逐年減小趨勢。

（3）雙累計曲線法表明人類活動對渭河流域水沙有著顯著影響，且影響量大于降雨對水沙的影響。人類活動對徑流變化的貢獻率達84.86%，對輸沙量變化的貢獻率高達92.54%;降雨對徑流量的影響為15.14%，對輸沙的影響為7.46%。

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【責任編輯 翟戌亮】

收稿日期：2019-02-27

基金項目：國家科技基礎性工作專項（2014FY210120）;國家重點研發計劃項目（2016YFC0501707）;國家自然科學基金資助項目（41371277）

作者簡介：徐瑞瑞（1994—），女，甘肅臨夏人，碩士研究生，研究方向為流域生態水文和水土保持

通信作者：高鵬（1976—），男，陜西扶風人，研究員，博士，博士生導師，主要從事流域生態水文和水土保持研究工作

E-mail：gaopeng@ms.iswc.ac.cn