北洛河流域水沙變化對降雨和土地利用的響應(yīng)

謝 敏，張曉明，趙 陽，王昭艷

（中國水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048）

1 研究背景

自1990年代以來，黃土高原大范圍退耕還林還草、水土保持綜合治理等生態(tài)修復(fù)工程的實施對區(qū)域下墊面產(chǎn)生了極大影響。在氣候暖干化耦合影響下，黃河干流及其支流水沙量及水沙關(guān)系發(fā)生了顯著變化［1-3］。國內(nèi)外學(xué)者就黃河流域徑流泥沙變化主要驅(qū)動因素進(jìn)行了大量研究［4-6］。其中，部分研究認(rèn)為人類活動是黃河流域水沙變化的主要驅(qū)動因素［7-9］，如：王國慶［10］就汾河徑流銳減驅(qū)動因素分析表明，人類活動對汾河徑流減少的貢獻(xiàn)率占64.1%，而氣候要素貢獻(xiàn)率僅占35.9%；楊新［11］明確指出人類活動是無定河流域徑流變化的主要因子。此外，部分學(xué)者認(rèn)為氣候變化是主因。李焯［12］對黃河干流河龍區(qū)間水沙變化的研究則表明，1970年后降水變化對輸沙量減少的影響起到主要作用，貢獻(xiàn)率在42%～60%，人類活動的影響則逐步降低；李春暉［13］的研究同樣表明降水量減少是1990年代早期或中期黃河天然徑流量減少的主要原因；劉昌明等［14］對1956—2000年黃河干流的徑流量分析發(fā)現(xiàn)黃河上游徑流量減少降水貢獻(xiàn)率為75%，而人類活動僅占25%；Miao等［15］通過分析1970—2008年黃河干流水沙變化情況，發(fā)現(xiàn)人類活動和氣候變化對黃河上、中、下游的貢獻(xiàn)比例各不相同。從以上研究可知，人類活動和氣候變化對流域水沙的影響受流域大小、形狀、下墊面情況以及研究時段等不同而有所差異。黃河水沙變化是一個時間上差別大、空間上分異性強(qiáng)的復(fù)雜問題，開展流域水沙變化對氣候和土地利用的響應(yīng)研究對于深刻認(rèn)識黃河水沙銳減成因具有重要意義。

北洛河作為黃河一級支流渭河的主要支流，為多泥沙河流，近年來隨著森林植被逐年向好，流域水沙情勢發(fā)生巨大變化，客觀準(zhǔn)確評估流域水沙銳減成因?qū)τ陬A(yù)判流域未來水沙情勢，調(diào)整流域治理策略具有重要意義。為此，本文以北洛河流域為典型流域，開展流域水沙變化對降雨和土地利用變化的響應(yīng)研究，旨在深刻剖析區(qū)域水沙變化成因，為流域水土資源優(yōu)化管理提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況北洛河發(fā)源于陜西省定邊縣白于山南麓的魏梁山，由大茘縣東南注入渭河，是渭河較大一級支流，屬黃河中游二級支流，總長680 km，流域面積26 900 km2。該流域地處黃河中游地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，地貌類型自上而下主要有黃土丘陵溝壑、高原溝壑、階地和沖積平原。該流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量520 mm，由南向北、由東向西遞減，年內(nèi)分布不均，多集中在7—9月，多以夏季暴雨形式出現(xiàn)，占全年降水量一半，破壞性大，水土流失極為嚴(yán)重。上中游主要土壤類型為風(fēng)沙土、黃綿土、黑鈣土，土壤顆粒結(jié)構(gòu)多孔，易塌陷流失，僅下游的黑壚土和水稻土利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。流域多年來為退耕還林重點區(qū)域，以農(nóng)牧地為主的土地利用結(jié)構(gòu)大量向落葉闊葉生態(tài)和經(jīng)濟(jì)林及灌木草叢轉(zhuǎn)變，增加的林草覆蓋面積多為次生植被區(qū)。

圖1 北洛河流域地理位置

2.2 數(shù)據(jù)來源北洛河流域水文氣象數(shù)據(jù)（1960—2016年）來自于北洛河把口水文站狀頭站。北洛河土地利用數(shù)據(jù)主要基于流域1976、1998和2010年3期遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合流域1∶10000地形圖，選擇高斯-克里格投影，采用二次多項式法幾何校正（校正誤差不超過0.5個像元）對影像進(jìn)行處理，參考2007年《中國土地分類系統(tǒng)》，分析流域3期土地利用狀況［16］。

3 研究方法簡介

3.1 Pettitt突變檢驗Pettitt突變檢驗法是基于非參數(shù)檢驗時間序列突變點檢驗的一種方法［17］。該方法計算較簡單，能夠很好的識別水文時間序列的突變點，在突變點檢驗中應(yīng)用較多。

3.2 雙累積曲線法此方法用于分析兩參數(shù)間的趨勢性變化。雙累計曲線線性增加對應(yīng)的是參數(shù)間趨勢保持不變，反之當(dāng)雙累計曲線出現(xiàn)拐點，則對應(yīng)趨勢發(fā)生改變［18］。

3.3 分離評判法該方法認(rèn)為徑流、泥沙的變化量由降雨和人類活動兩部分因素引起。

本研究以降雨-徑流量/降雨-輸沙量雙累積曲線為依據(jù)，以曲線的轉(zhuǎn)折點劃分基準(zhǔn)期和措施期，以此來反映人類活動對徑流量/輸沙量的影響。

經(jīng)回歸分析求得累積年降雨量與累積年徑流量/累積年輸沙量的線性相關(guān)方程，將流域治理后不同時段的累積年降雨量值分別代入方程中，求得累積年徑流量/累積年輸沙量，然后與同期實測值比較，即得減沙效應(yīng)。計算公式如下：

式中：R1為利用累積降雨量-累積年徑流量/累積年降雨量-累積年輸沙量的線性相關(guān)方程計算出的年徑流量/年輸沙量；R2為流域治理后的實際年徑流量/實測年輸沙量。

通過建立基準(zhǔn)期降雨-徑流/降雨-輸沙關(guān)系，用以計算措施期預(yù)期自然徑流量/自然輸沙量，將其與基準(zhǔn)期平均徑流量/輸沙量相比得到降雨變化對徑流/輸沙的影響量，將其與實際觀測徑流量/輸沙量對比，得到人類活動影響量［19］：

式中：ΔT為流域徑流/輸沙變化總量；QT2是措施期實測徑流量/輸沙量；QT1是基準(zhǔn)期徑流量/輸沙量之差；ΔT1是人類活動的影響量；ΔT2是降雨變化的影響量；Q′T2是措施期計算徑流量/輸沙量。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 流域降水及水沙過程年際變化規(guī)律從圖2（a）中線性趨勢線的走勢中可看出，北洛河流域降水呈現(xiàn)出一定的下降趨勢，但不顯著（P＞0.05）。北洛河年均降水量為486.5 mm，其中最大和最小降水量分別為853.7 mm和243.8 mm。從5a滑動平均趨勢線可看出北洛河流域降水變化不顯著，在1960—1970年下降、在1970—1980年先升后降、在1980年—1990年先升后降。從圖2（b）線性趨勢線的走勢來看，北洛河徑流量呈顯著下降趨勢（P＜0.05），經(jīng)Pettittt突變檢驗可知，徑流量發(fā)生突變年份為1994年，相對于突變前時期徑流量降幅為31.43%。北洛河平均年徑流量為8.24×108m3，其中最大和最小徑流量分別為20.13×108m3和4.04×108m3。從5a滑動平均趨勢線可看出北洛河在20世紀(jì)60—70年代和90年代后徑流量為明顯的下降趨勢。從圖2（c）中可看出北洛河輸沙量同樣呈顯著下降趨勢（P＜0.05），經(jīng)Pettittt突變檢驗可知，輸沙量發(fā)生突變年份為2002年，相對于突變前時期輸沙量降幅為83.53%。北洛河年均輸沙量為0.583×108t，其中最大輸沙量和最小輸沙量分別為2.142×108t和0.008×108t，輸沙量的年際變化很大。從5a滑動平均趨勢線可看出，雖然年際間存在波動變化，但從1970年代開始輸沙量有了明顯下降。

圖2 北洛河流域水文要素變化趨勢

4.2 流域土地利用變化從圖3中可看出，1976年北洛河流域林地、草地、耕地、其他所占比重分別為27%、38%、33%、2%；1998年所占比重分別為29%、37%、32%、2%；2010年所占比重為46%、28%、24%、2%。總體而言，北洛河流域在1976—1998年間土地利用主要類型林地、草地和耕地，并未發(fā)生明顯變化；由于1990年代末退耕還林、水土保持綜合治理等生態(tài)修復(fù)工程的實施，流域下墊面發(fā)生了變化，圖中分析可看出1998—2010年間土地利用發(fā)生明顯變化。具體表現(xiàn)為林地面積增加達(dá)17%，耕地和草地面積各減少約9%。這說明此時段內(nèi)有明顯的土地類型的轉(zhuǎn)移，耕地和草地轉(zhuǎn)化為林地；研究期間水域和未利用地?zé)o明顯變化，城鎮(zhèn)單向逐漸增加。流域水沙銳減與流域土地利用變化規(guī)律在趨勢上有很大吻合度。

圖3 北洛河流域土地利用面積變化

4.3 土地利用變化對水沙過程的定量影響為區(qū)分降雨和人類活動對北洛河流域水沙變化的影響，結(jié)合徑流輸沙Pettitt突變檢驗結(jié)果，用降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線進(jìn)行降雨和人類活動對徑流量和輸沙量貢獻(xiàn)率的模擬回歸分析。降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線的斜率分別代表單位降水所產(chǎn)生的徑流量和輸沙量。自然條件下，降雨與徑流量、降雨與輸沙量的關(guān)系應(yīng)該是一定的。如果流域環(huán)境發(fā)生了變化，則水沙關(guān)系必然發(fā)生變化，降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線斜率會發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折。當(dāng)曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折時，說明下墊面受人類活動影響發(fā)生改變，從而影響徑流量和輸沙量。

從下圖中可看出，北洛河流域降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線圖中存在轉(zhuǎn)折點。據(jù)此可劃分為基準(zhǔn)期和變化期。第一次突變前的時期，相對于突變后的時期可看作為徑流輸沙的天然時段，流域下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙受降雨外的其他條件影響極弱。變化期降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線圖的斜率均較上一時段減小，說明其為顯著下降階段，下墊面受人類活動影響顯著。結(jié)合已有研究，土地利用變化作為人類活動的主要表現(xiàn)形式之一，其變化會通過改變流域下墊面糙度對流域匯流、侵蝕產(chǎn)沙造成影響，進(jìn)而改變流域水沙情勢。結(jié)合上文土地利用變化分析，發(fā)現(xiàn)林草等類型與徑流泥沙變化趨勢相吻合，進(jìn)一步印證林草面積變化在流域調(diào)水保土方面效益顯著。因而本研究以土地利用變化來反映人類活動對徑流泥沙變化量的貢獻(xiàn)率。

圖4 北洛河流域不同時段降雨-徑流量雙累積曲線

圖5 北洛河流域不同時段降雨-輸沙量雙累積曲線

根據(jù)北洛河流域降雨-徑流量、降雨-輸沙量雙累積曲線的變化趨勢及突變點，對流域徑流輸沙研究時間序列進(jìn)行了階段劃分，并分別計算了北洛河流域降雨變化和土地利用變化對流域徑流輸沙的定量影響。

表1 線性回歸方程擬合

表2 北洛河流域徑流輸沙量對降雨和土地利用變化的響應(yīng)

由表1、表2可知，北洛河流域土地利用變化對流域徑流影響貢獻(xiàn)率為76.9%，降雨貢獻(xiàn)率為23.1%；土地利用變化對流域輸沙量影響貢獻(xiàn)率為96.6%，降雨貢獻(xiàn)率僅為3.4%?？傮w而言，土地利用變化是研究流域徑流量、輸沙量變化的主要影響因素。

5 結(jié)論

本文以黃河中游的北洛河流域為研究對象，采用Pettitt突變檢驗法、雙累積曲線以及分離評判等方法，定量分析了流域近60年降水、徑流和輸沙的演變規(guī)律及研究區(qū)土地利用變化特征，探討了流域降雨和土地利用變化對流域水沙量銳減的影響。研究結(jié)論主要歸納如下：

（1）1960—2016年間，北洛河流域降雨隨時間變化總體趨勢不顯著，而徑流量和輸沙量隨時間變化表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，下降幅度分別為31.4%和83.5%，輸沙量減少趨勢尤為顯著。

（2）研究時段內(nèi)，北洛河流域以林地、草地和耕地為景觀基質(zhì)，耕地、草地向林地轉(zhuǎn)化是基本特征。1976—1998年土地利用類型未發(fā)生明顯變化，1998—2010年，土地利用類型表現(xiàn)為林地面積增加達(dá)17.0%，耕地和草地面積各減少約9.0%。

（3）總體而言，土地利用變化是北洛河流域徑流輸沙發(fā)生變異的主要驅(qū)動因素，對徑流泥沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為76.9%和96.6%；而降水影響貢獻(xiàn)率則較小。但較之土地利用變化對徑流影響而言，土地利用變化對流域輸沙量的影響更大。