黃河河龍區間輸沙變化特征及歸因分析

寧 珍, 高光耀, 傅伯杰

(1.中國科學院 生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

河口—龍門區間(簡稱河龍區間)位于黃河中游晉陜峽谷段，區間內植被稀疏、暴雨密集、土壤質地疏松，導致了嚴重的水土流失問題[1]。河龍區間面積占黃河流域總面積的15%，貢獻了三門峽以上黃河泥沙量的90%[2]。流域產沙量主要取決于降雨和人類活動的影響[3]。自20世紀50年代以來，為了控制水土流失和土地退化，黃河中游實施了大規模的梯田、造林、壩地等水土保持措施，1999年更是啟動了退耕還林還草大型生態修復工程[4]。此外， 20世紀50年代以來，河龍地區氣候呈現暖干化趨勢(即潛在蒸散發增加，降水量減少)[5]。在降雨減少和人類活動的共同作用下，近60 a來河龍區間產沙量發生了顯著變化，平均每年減少3.3%[6]。Zhang等[7]指出，氣候干旱、工程措施和植被增加共同作用導致了1950—2008年黃土高原的產沙量顯著減少。高海東等[8]以河龍區間為研究對象，認為植被恢復是2000—2017年輸沙量減少的主要原因。胡春宏等[9]以黃河中游為研究區域，發現在極端降雨事件中，實施水土保持措施的地區比未實施地區的輸沙模數減少了75%。王飛等[10]發現在不同時期，人類活動對延河流域水沙變化的影響程度有一定差異。

分析黃河中游河龍區間泥沙變化的特征和原因，不僅對黃河可持續管理至關重要，也可以為多沙粗沙區水土流失的治理提供參考[11]。目前的研究對黃河泥沙變化規律和影響因素等方面已有全面的闡述，但對各因素作用大小仍缺乏定量的研究[12]。另外，多數研究以河龍區間整體為研究對象，忽略了不同子流域間的對比分析。因此，本文選取河龍區間的15個流域，分析1961—2017年輸沙模數的變化趨勢和突變時間，定量區分氣候變化和人類活動對輸沙模數的影響，為黃河治理提供參考。

1 研究區概況

河龍區間位于黃河中游上段(圖1)，地處北洛河以東，呂梁山以西，在東經108°02′—112°44′，北緯35°40′—40°34′之間，集水面積約11.2萬km2。區域內地勢北高南低，地貌類型以黃土丘陵溝壑區、風沙區和基巖出露區為主，其中黃土丘陵溝壑區占流域總面積的60%以上。河龍區間屬于溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫2.2°～15℃，年均降水量310～610 mm。區域內降雨時空分布極不均勻，空間上由東南向西北遞減，東南部年平均降雨量達590 mm，西北部年平均降雨量僅為300 mm[13]，年內降雨集中在6—9月，占全年總降雨的60%以上。作為國家水土保持工作的重點地區，截至2006年底，河龍區間水保措施累計治理面積達418萬hm2，為1959年的18倍[14]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

輸沙量數據由水利部黃河水利委員會發布的黃河流域水文資料獲得，輸沙模數根據輸沙量數據計算而得，數據時間為1961—2017年。

降水數據由中國氣象科技數據中心(http:∥data.cma.cn/)獲得，該數據基于國家級臺站(基本、基準和一般站)的降水月值資料，由薄盤樣條法進行空間插值生成，空間分辨率為0.5°×0.5°。各流域的數據使用ArcGIS軟件進行剪裁和計算。

水土保持措施數據來自冉大川[15]和姚文藝等[16]文獻。

圖1 河龍區間流域、水文站及氣象站點位置

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendal非參數趨勢檢驗法 Mann-Kendall非參數檢驗法是判斷時間序列數據趨勢的重要方法[17]，現已廣泛應用于水文、氣象等時間序列的趨勢性分析[18]。與參數法相比，該方法不考慮樣本序列的分布特征，且檢驗結果不受序列中少數異常值和中斷點的干擾，因而得到了廣泛的應用[19]。對于給定的時間序列X(x1,x2,…,xn)，統計量S定義如下：

(1)

式中:xj和xi表示第j和i年的樣本值,且j>i:

(2)

統計量S近似正態分布，方差為：

(3)

標準化統計量為：

(4)

若|Z| > 1.96，則在0.05顯著性水平下拒絕無趨勢的原假設。當Z為正值時，表示上升趨勢，當Z為負值時，表示下降趨勢。

趨勢度β的公式為：

(5)

β大于0時表示序列呈上升趨勢，β小于0時表示序列呈下降趨勢。

2.2.2 Pettitt突變點檢驗法 Pettitt檢驗是目前廣泛用于檢測水文序列突變點的非參數方法[20]。對于給定的時間序列X(x1,x2,…,xn)，劃分為x1,x2,…,xt和xt+1,xt+2,…,xn兩部分，統計量Ut，n計算如下：

Ut,n=Ut-1,n+Vt,n

(6)

(7)

式中:t=2,…,n；sgn()函數與Mann-Kendall檢驗中相同。突變點為|Ut,n|最大處:

Kn=max|Ut,n|

(8)

判斷顯著性水平的統計量p定義為：

(9)

2.2.3 輸沙變化歸因分析 使用“水文法”定量區分降雨減少和人類活動對輸沙變化的貢獻。該方法可以用于確定不同時期水文時間序列的差異。根據各個流域的突變時間，將突變時間以前的輸沙模數序列劃分為基準期，突變時間后的時段為受到人類活動影響較多的措施期。首先建立基準期內降雨與輸沙之間的回歸方程，然后用此方程估計措施期的產沙量，實測值與擬合值之間的差值代表人類活動造成的影響，其余的部分由降雨變化造成。公式如下：

SSY1=f(P1)

(10)

SSY'2=f(P2)

(11)

(12)

(13)

Rustomji等發現黃土高原流域年輸沙模數的平方根與年降水量呈線性相關[21]。本研究中用此來描述降雨—輸沙的關系：

(14)

3 結果與分析

3.1 輸沙序列趨勢分析

對1961—2017年15個流域的數據進行分析，研究區內各流域的年平均輸沙模數差異較大(表1)，范圍在730.84～11 132.60 t/km2之間，相差15倍以上，15個流域的平均值為6 064.66 t/km2。MK分析結果顯示15個流域的年平均輸沙模數都存在顯著的下降趨勢，下降幅度在-20.74～347.26 t/(km2·a)之間。

表1 1961-2017年各流域輸沙模數的年平均值及MK趨勢分析

3.2 輸沙序列突變點檢驗

使用Pettitt檢驗法對15個流域年輸沙模數突變時間和顯著性水平進行檢驗，結果見表2，研究區各流域突變時間主要集中在80，90年代。

表2 輸沙模數序列Pettitt突變點檢驗結果

3.3 氣候變化和人類活動對輸沙變化的貢獻率

定量區分降雨變化和人類活動對輸沙減少的貢獻，基準期各流域輸沙模數的平方根和降雨量之間的線性回歸方程見表3，回歸方程的決定系數在0.53～0.72之間。降水變化和人類活動對輸沙模數減少的貢獻率見圖2。

平均來看，降水和人類活動對輸沙模數減少的貢獻率分別為37.92%和62.08%。在云巖河流域和湫水河流域，降水對輸沙模數減少的貢獻率大于50%，在其余流域，人類活動是導致輸沙模數減少的主要因素。位于研究區中部的部分流域中，人類活動對輸沙模數減少的貢獻率較高，如清澗河流域和三川河流域，人類活動的貢獻率均大于80%。

表3 輸沙模數的平方根與降雨量之間的線性回歸方程

圖2 降水和人類活動對輸沙減少的貢獻率

3.4 水土保持措施對輸沙的影響

自20世紀50年代以來，黃土高原采取了一系列水土保持措施，包括梯田、壩地等工程措施和造林種草等生物措施[22]。淤地壩是黃土高原地區防治水土流失的主要工程措施，在蓄水攔沙方面發揮了顯著作用，河龍區間部分流域淤地壩的多年平均減沙效益可達40%以上[23]。退耕還林還草工程實施后，黃土高原植被覆蓋度從1999年的31.6%迅速增加到2013年的59.6%[24]，植被覆蓋能削弱降水對地表的濺蝕和沖刷，被認為是減少侵蝕最有效的措施之一[25]。

圖3為研究區60年代以來水土保持措施統計。20世紀80年代之前各項措施的實施速度較慢，但在80年代之后顯著加快，水土保持措施的急劇增加可能是流域輸沙減少的主要原因。1959—2006年，水土保持措施總面積占比由1.28%增加到42.4%，其中造林的增幅最高，由1959年的0.75%增至2006年的29.99%，尤其在90年代后，隨著國家水土保持生態建設和退耕還林還草等政策的實施，區間內造林和種草的面積大幅提升。至2006年，研究區總水土保持治理度達39.75%，研究區內面積最大的水土保持措施為造林，面積為2.01萬km2，占所有措施總面積的70.92%，種草、梯田和壩地依次占16.14%，11.48%和1.82%。

圖3 水土保持措施面積比例變化

使用15個流域的年代際產沙系數與水土保持措施面積占流域總面積的百分比做線性回歸分析，來分析土保持措施對流域產沙的影響，公式如下：

(15)

表4 年代際產沙系數與水保措施總面積占流域總面積比值的回歸分析

各流域年代際產沙系數隨水土保持措施占比面積增大而下降，共有9個流域通過顯著性檢驗(p<0.05)，決定系數R2范圍在0.78～0.99之間。共有5個流域(皇甫川、窟野河、禿尾河、佳蘆河和無定河)的決定系數大于0.9，這些流域集中在研究區西北側。與東南側流域相比，研究區西北側流域的產沙系數與水土保持措施面積占比的相關性更強，水土保持措施在減緩流域產沙方面發揮了更大的作用。

4 結 論

(1) 研究區不同流域間年平均輸沙模數差異較大，相差15倍以上。在1961—2017年，所有流域的輸沙模數都呈現顯著的下降趨勢，下降幅度最高可達-347.26 t/(km2·a)。

(2) 研究區各流域突變時間主要集中在80，90年代，以突變年份劃分基準期和措施期，降水變化和人類活動對輸沙模數減少的平均貢獻率分別為37.92%和62.08%，多數流域中人類活動起到主要作用。

(3) 1959—2006年，水土保持措施面積占比由1.28%增加到42.4%。迅速增加的水土保持措施有效減緩了流域產沙，尤其在研究區西北側，流域年代際產沙系數與水土保持措施面積占比相關性較強，流域的產沙系數隨水土保持措施占比的增加而下降。