窟野河流域徑流變化及人類活動(dòng)對(duì)其的影響率

郭巧玲，陳新華，劉培旺，方海軍

徑流受氣候、地貌、土壤、植被等自然條件以及人類活動(dòng)的耦合作用，其演變過(guò)程既表現(xiàn)出確定性的規(guī)律，同時(shí)也有強(qiáng)烈的隨機(jī)性［1］。隨著全球變暖和人類活動(dòng)影響的加劇，河川徑流發(fā)生了顯著的時(shí)空變化，直接影響了流域水資源的配置、開發(fā)與利用，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程［2］。窟野河流域隨著黃河沿岸能源化工基地建設(shè)步伐的加快，該流域徑流過(guò)程發(fā)生了巨大變化，水資源供需矛盾日益突出，流域甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的斷流現(xiàn)象。而以往的研究工作，主要集中在窟野河產(chǎn)沙特性［3－4］和洪水特征的分析［5－6］，較少涉及徑流變化及人類活動(dòng)影響的研究，僅有趙曉坤等［7］分析了1954—1993年間的徑流量變化。因此，很有必要對(duì)窟野河近年來(lái)的徑流變化及人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，深入認(rèn)識(shí)窟野河徑流演化規(guī)律和人類活動(dòng)影響程度，為流域水資源合理開發(fā)利用提供依據(jù)，同時(shí)為黃河中游治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

窟野河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟東勝市，從神木縣石圪臺(tái)進(jìn)入陜西省境內(nèi)，于陜西省神木縣賀家川鄉(xiāng)沙峁頭村匯入黃河，干流全長(zhǎng)241.8km，流域面積8 706km2。支流餑牛川與干流的交匯口以上為烏蘭木倫河，交匯口以下稱窟野河［7］。流域地處黃河中游干旱、半干旱地區(qū)，多年平均氣溫7.9℃，平均降水量410mm左右，無(wú)霜期280d。受大陸性季風(fēng)影響，春季干旱少雨、夏季多有暴雨、秋季降霜早凍、冬季嚴(yán)寒稀雪。流域地形、地貌可分為風(fēng)沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)兩大類，窟野河神木以上位于毛烏素沙漠的南緣，屬風(fēng)沙區(qū)，地勢(shì)平坦，地表大部分為沙層覆蓋，區(qū)內(nèi)沙丘連綿，灘地、海子星羅棋布；神木以下為黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)丘陵起伏，溝壑縱橫，地形破碎，黃土土質(zhì)疏松，植被稀少［3］。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

窟野河流域現(xiàn)有王道恒塔、新廟、神木、溫家川等4個(gè)基本水文站。其中，溫家川是窟野河流域的出口控制站。本研究以王道恒塔站和溫家川站為代表，選用王道恒塔站1960—2010年和溫家川站1953—2010年逐月實(shí)測(cè)徑流資料和2個(gè)水文站1960—2010的降水觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)來(lái)自黃河流域水文年鑒。

所用的研究方法包括累積距平法，滑動(dòng)平均法，Mann—Kendall法，R／S 分析法等［8－14］。

3 徑流變化分析

3.1 徑流年際變化特征分析

變差系數(shù)Cv和年極值比常用來(lái)反映河流徑流年際變化的總體特征。從表1可知，王道恒塔站歷年最大徑流量5.25×108m3，最小徑流量3.80×107m3，多年均值為1.73×108m3，徑流年際極值比為13.82，變差系數(shù)1.33。溫家川站歷年最大徑流量1.37×109m3，最小徑流量1.25×108m3，多年均值為5.31×108m3，徑流年際極值比為10.97，變差系數(shù)0.57。各站點(diǎn)的徑流年際極值比和變差系數(shù)都比較大，說(shuō)明窟野河徑流豐枯變化比較劇烈，而且徑流年際極值比和變差系數(shù)從上游至下游呈減小的趨勢(shì)。

表2顯示了窟野河2水文站自20世紀(jì)60年代以來(lái)的年代際平均徑流量。由表2可以看出，2個(gè)水文站的年代際平均徑流量始終處于減少狀態(tài)。對(duì)于王道恒塔站，徑流減少幅度持續(xù)增加。21世紀(jì)初平均年徑流量是多年均值的38%，僅為20世紀(jì)60年代平均年徑流量的26%。就溫家川站而言，21世紀(jì)初的徑流量減少幅度最大，其徑流量是多年均值的30%，僅為20世紀(jì)60年代平均年徑流量的23%。

表1 窟野河徑流量年際變化特征 108 m3

表2 窟野河各水文站年代際平均徑流量 108 m3

3.2 徑流變化趨勢(shì)分析

圖1為窟野河2個(gè)水文站的年徑流量變化趨勢(shì)。由圖1可以看出，近幾十年來(lái)2個(gè)水文站的年徑流量均表現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，王道恒塔站線性趨勢(shì)系數(shù)為－0.045，溫家川站線性趨勢(shì)系數(shù)為－0.125。為了更明顯地分析徑流量年際變化的階段，分別繪制了王道恒塔水文站1960—2010年和溫家川水文站1953—2010年天然徑流量累積距平曲線（圖2）。由圖2可以看出，王道恒塔站1960—1985年，徑流量基本處于上升趨勢(shì)；1986—1995年該站徑流量出現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)；1996—2010年，徑流量下降幅度顯著增大。溫家川站1953—1979年，徑流量基本處于上升趨勢(shì)；1980—1997年，徑流量出現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)；1998—2010年，徑流量下降幅度顯著增大。2站都是在20世紀(jì)末出現(xiàn)徑流量大幅減少的現(xiàn)象。

圖1 窟野河各水文站年徑流量變化趨勢(shì)

圖2 窟野河流域年徑流累積距平曲線

采用R／S分析法對(duì)窟野河2個(gè)水文站的年徑流量序列進(jìn)行分析來(lái)說(shuō)明徑流量序列未來(lái)的變化趨勢(shì)。由分析結(jié)果可知，王道恒塔和溫家川2個(gè)水文站的Hurst指數(shù)（H）分別為0.853和0.803，H 值均大于0.5，說(shuō)明2個(gè)水文站未來(lái)的年徑流變化趨勢(shì)與過(guò)去相同，呈持續(xù)遞減的特征。若氣候變化和人類活動(dòng)依然按照現(xiàn)在的趨勢(shì)發(fā)展，窟野河年徑流量將繼續(xù)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

3.3 徑流變化突變點(diǎn)分析

利用M—K突變檢測(cè)方法對(duì)流域徑流序列進(jìn)行突變分析。分析結(jié)果表明，在0.05顯著性水平下，王道恒塔站1985年之前，UF值絕大多數(shù)大于零，說(shuō)明在該時(shí)段徑流量呈增加趨勢(shì)；1985—1995年，UF值均小于零，說(shuō)明在該段時(shí)間徑流量呈減少趨勢(shì)；UF與UB曲線交叉點(diǎn)發(fā)生在1995年，且交點(diǎn)超過(guò)信度線，說(shuō)明1995年是其徑流突變開始年份，出現(xiàn)了徑流量的大幅顯著下降。對(duì)于溫家川站，1983年之前，UF值絕大多數(shù)大于零，說(shuō)明在該時(shí)段徑流量呈增加趨勢(shì)；1983—1998年，UF值均小于零，說(shuō)明在該段時(shí)間徑流量呈減少趨勢(shì)；UF與UB曲線交叉點(diǎn)發(fā)生在1998年，且交點(diǎn)超過(guò)信度線，說(shuō)明1998年是其徑流突變的開始年份，徑流量出現(xiàn)顯著下降。

4 徑流變化影響率計(jì)算

4.1 徑流變化影響率計(jì)算方法

雙累積曲線法是進(jìn)行時(shí)間序列分析的一種常用方法。其基本思想是兩個(gè)變量按同一時(shí)間長(zhǎng)度逐步累加，一個(gè)變量作為橫坐標(biāo)，另一個(gè)變量作為縱坐標(biāo)，其拐點(diǎn)可作為分析變量階段性變化的依據(jù)［15］。當(dāng)只有降水的變化而無(wú)其它因素影響時(shí)，雙累積曲線應(yīng)為一直線；當(dāng)受到人類活動(dòng)等其他因素影響時(shí)，曲線將會(huì)發(fā)生偏移，可根據(jù)雙累積曲線發(fā)生偏移的年代確定下墊面受人類活動(dòng)影響的劇烈程度。因此，降水—徑流雙累積曲線可以揭示人類活動(dòng)對(duì)徑流影響的階段性變化。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3是利用1960—2010年的同期降水、徑流量資料建立的王道恒塔站和溫家川站降水—徑流雙累積曲線，曲線分別在1968和1971年發(fā)生偏移，因此，可以確定1960—1967年和1960—1970年分別為王道恒塔站和溫家川站的基準(zhǔn)期，并以此將兩個(gè)水文站徑流序列劃分為幾個(gè)階段（表3）。對(duì)基準(zhǔn)期累積降水量和累積徑流進(jìn)行回歸分析，建立基準(zhǔn)期內(nèi)累計(jì)年降水量∑P和累積年徑流量∑R序列的相關(guān)方程，其方程為：

依據(jù)基準(zhǔn)期內(nèi)兩個(gè)水文站年降水和年徑流資料，建立基準(zhǔn)期內(nèi)的降水序列和徑流序列的相關(guān)方程，其方程為：

根據(jù)年降水量與年徑流量的相關(guān)方程可得2站不同時(shí)段的理論平均徑流量，將其作為天然徑流量的近似值?；鶞?zhǔn)期實(shí)測(cè)值與各時(shí)段計(jì)算值的差值即為此時(shí)段降水變化對(duì)徑流變化的影響值；基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)值與各時(shí)段實(shí)測(cè)值的差值減去降水變化的影響值即為人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響值；影響值與總減少值的百分比即為影響率。由表3可知，1968—2010年王道恒塔站降水對(duì)徑流量的影響率為－3.03%，是因?yàn)樵摃r(shí)期的降水量相對(duì)于基準(zhǔn)期有所增加，導(dǎo)致降水影響差值為負(fù)；但是，該時(shí)期徑流量總減少量占其實(shí)測(cè)徑流量的55.8%，主要是人類活動(dòng)導(dǎo)致流域徑流量減少。對(duì)比不同階段，各階段人類活動(dòng)和降水對(duì)徑流的影響程度亦不同。1968—1978年和1985—1996年2個(gè)階段，由于降水量相對(duì)于基準(zhǔn)期有所增加，導(dǎo)致降水影響差值為負(fù)。1997—2010年，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響率達(dá)到80.48%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)降水的影響。對(duì)于溫家川站，1971—2010年人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響率是81.92%，是降水對(duì)徑流量減少的影響率的4倍多，說(shuō)明人類活動(dòng)是導(dǎo)致流域徑流量減少的主要原因。對(duì)比不同階段，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響率基本處于增加趨勢(shì)，到1997—2010年，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響率高達(dá)93.62%。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，2個(gè)水文站徑流量都出現(xiàn)了顯著減少的現(xiàn)象，且導(dǎo)致徑流量減少的主要原因都是人類活動(dòng)的影響。

在窟野河流域，改變徑流的人類活動(dòng)方式以礦產(chǎn)資源開采和水土保持措施為主。水土保持措施主要包括梯田建設(shè)、造林、種草和修筑淤地壩等。根據(jù)趙曉坤等［7］調(diào)查，20世紀(jì)70—80年代，梯田、壩地、造林和種草等水土保持措施的蓄水量分別達(dá)到1.19×107m3和2.54×107m3，80年代窟野河流域水保措施減水量約為1.60×108m3［6］，水土保持措施發(fā)揮了較大的減水作用。20世紀(jì)90年代以來(lái)，煤炭大規(guī)模開采等人類工程活動(dòng)成為徑流量減少的主要因素之一。1991年窟野河流域原煤產(chǎn)量為6.26×106t，2011年窟野河原煤產(chǎn)量為1.73×108t，為1991年的27.59倍。煤炭開采破壞了水資源形成與儲(chǔ)存環(huán)境及排泄途徑和方式，水資源的產(chǎn)、匯、補(bǔ)、徑、排等發(fā)生變化，直接表現(xiàn)為地表徑流減少，根據(jù)蔣曉輝等［16］研究成果，窟野河流域開采噸煤對(duì)徑流的影響大約為5.27m3。

圖3 窟野河流域水文站降水－徑流雙累積曲線

表3 降水和人類活動(dòng)對(duì)窟野河徑流影響

5 結(jié)論

（1）近50a來(lái)，窟野河徑流年際變化表現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，尤其自20世紀(jì)末以來(lái)，呈現(xiàn)出顯著減少的趨勢(shì)。王道恒塔站徑流突變年份為1995年，溫家川站徑流突變年份為1998年。

（2）在現(xiàn)有氣候變化和人類活動(dòng)保持不變的狀況下，窟野河徑流量的遞減趨勢(shì)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)持續(xù)。

（3）導(dǎo)致窟野河徑流量減少的主要原因是人類活動(dòng)，其次是降水。不同歷史階段，人類活動(dòng)的劇烈程度不同，對(duì)徑流量減少的影響亦不同。影響最劇烈的階段為1997—2010年，該階段人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響率在2個(gè)水文站分別高達(dá)80.48%和93.62%。

（4）氣候變化是河川徑流變化的重要原因之一。由于資料所限，本研究在氣候要素中，僅考慮了降水，今后還應(yīng)進(jìn)一步研究蒸發(fā)、氣溫等對(duì)徑流的影響。

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