1957-2016年祖厲河上游降水與水沙變化趨勢(shì)

趙秀蘭, 周 蕊, 張 富, 胡彥婷, 李曉雅, 包炳琛, 蔣承洋

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 蘭州 730070; 2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所, 蘭州 730000)

徑流、輸沙是河川徑流重要的水文特征[1]，是衡量區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)。隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響加劇，陸地水文循環(huán)的時(shí)空格局也發(fā)生了改變。在自然狀態(tài)下，降水是半干旱黃土區(qū)水資源的主要來(lái)源，對(duì)河川徑流具有重要影響。徑流作為水蝕的動(dòng)力，其大小與輸沙變化具有密切的關(guān)系。對(duì)降水與徑流、輸沙變化趨勢(shì)及特征的研究，是做好水資源管理及流域生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)性工作。

21世紀(jì)以來(lái)，受氣候變化及人類活動(dòng)的影響，黃河水沙特性發(fā)生巨大的變化，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響[2-3]，水沙變化原因及規(guī)律成為研究熱點(diǎn)。趙陽(yáng)等[4]對(duì)黃河流域水沙變化研究表明，在1950—2016年期間徑流量和輸沙量均呈顯著減少趨勢(shì)，徑流量和輸沙量的突變點(diǎn)分別發(fā)生在1981年、1999年，突變后減幅分別為17.93%～40.79%和46.74%。孫洋洋[5]、李二輝[6]等對(duì)黃河上中游徑流量變化進(jìn)行了分析，表明徑流量在1919—2013年呈明顯的枯(1919—1932年)—豐(1933—1985年)—枯(1986—2013年)的階段性變化，且在1985年以后呈顯著減少趨勢(shì)。趙廣舉等[7]對(duì)黃河中游1950—2009年水沙變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明徑流量和輸沙量均呈減少趨勢(shì)，且在1970年之后減少顯著。潘彬等[8]對(duì)黃河下游徑流量變化研究表明，1962—2012年降水量和徑流量呈減少趨勢(shì)，降水減少趨勢(shì)并不顯著，降水量、徑流量突變時(shí)間分別為1964年和1979年；降水量和人為因素對(duì)徑流影響作用分別達(dá)到32%和68%。王蕊等[9]對(duì)黃河上游湟水河小南川流域氣候和土地利用變化對(duì)水沙運(yùn)移關(guān)系的研究表明1963—2013年降水量逐漸增加，徑流量和輸沙量逐漸減少。Zhang等[10]對(duì)祖厲河流域1955—2013年降水量、徑流量和輸沙量變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明降水量、徑流量和輸沙量均逐年減少，降水量和徑流量在1995年出現(xiàn)突變點(diǎn)，輸沙量在2000年出現(xiàn)突變點(diǎn)。以上研究表明，區(qū)域尺度不同，不同時(shí)段水沙變化規(guī)律也不相同。同時(shí)研究多在較大尺度區(qū)域，而對(duì)于中小尺度區(qū)域水沙變化規(guī)律及周期變化特征研究較少。本研究基于祖厲河上游會(huì)寧水文站實(shí)測(cè)徑流量、輸沙量資料及雨量站降水資料，采用M-K突變檢驗(yàn)和小波分析方法，對(duì)降水量、徑流量和輸沙量的變化特征、周期分布規(guī)律進(jìn)行研究，以期為中小尺度區(qū)域合理開(kāi)發(fā)保護(hù)流域水資源、水土流失治理及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

祖厲河是黃河一級(jí)支流，位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，總面積10 653 km2。在黃河上游面積超過(guò)1萬(wàn)km2的6條支流中，祖厲河年均徑流量1.086億m3，泥沙量為5 320萬(wàn)t，分別占入黃徑流量、輸沙量的1.60%，39.6%，是黃河上游泥沙的主要來(lái)源。研究區(qū)位于祖厲河上游甘肅省會(huì)寧縣南部，地理位置為104°56′—105°23′E，35°22′—35°47′N，包括會(huì)寧、通渭兩縣的中川、新添、太平、華家?guī)X(祖厲河的發(fā)源地)等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總流域面積983.86 km2(圖1)。研究區(qū)丘陵起伏，溝壑縱橫，地形破碎，地表被黃土覆蓋，地勢(shì)由南向北走向，平均海拔在2 025 m。氣候?qū)侔敫珊祬^(qū)，年均氣溫7.9℃，最高氣溫37.5℃，最低氣溫-26.5℃，降水較少且分布不平衡，年均降水量為406.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 800 mm。土壤主要是黃綿土、灰鈣土和灰褐土為主，局部低洼地分布少量鹽堿土。自然植被主要以冰草、針茅、蒿類等草本植物為主，糧食作物主要有小麥、馬鈴薯、玉米等。干旱是區(qū)域內(nèi)主要的自然災(zāi)害，也伴有霜凍、冰雹、洪災(zāi)、病蟲(chóng)害等。土地利用類型以耕地、草地和灌木林地為主。據(jù)會(huì)寧水文站1957—2016年觀測(cè)資料，研究區(qū)年均徑流量為1 227.4萬(wàn)m3，年均輸沙量為367.6萬(wàn)t。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 本研究采用甘肅省水文水資源局提供的1957—2016年會(huì)寧水文站逐月徑流量、輸沙量及10個(gè)雨量站的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2.2 研究方法 使用泰森多邊形法對(duì)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算平均降水量，通過(guò)Excel軟件對(duì)徑流量、輸沙量原始資料進(jìn)行整理。采用M-K趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)法[11]，對(duì)研究區(qū)1957—2016年降水量、徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)及突變進(jìn)行研究；選取Morlet小波分析方法對(duì)降水量、徑流量及輸沙量時(shí)間尺度演變特性進(jìn)行分析[12-14]，進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到小波系數(shù)的實(shí)部、方差信息，并對(duì)變化的主周期通過(guò)小波方差進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算平均周期；利用SPSS 20軟件，通過(guò)線性回歸及曲線估計(jì)方法，分析降水量、水土保持措施量與徑流量、輸沙量相互間的關(guān)系，建立關(guān)系式。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量、徑流量及輸沙量變化特征

2.1.1 降水量變化特征分析 根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)60 a(1957—2016年)年均降水量為406.4 mm，其中1967年的降水量最大(607.2 mm)，1982年降水量最小(243.9 mm)，兩者相差363.3 mm，最大降水量是最小降水量的2.49倍。1957—2016年降水量變化趨勢(shì)分析表明，年降水量略有降低的趨勢(shì)，但總體未達(dá)到顯著水平(p>0.05)(圖2A)。

圖2 降水量變化和M-K檢驗(yàn)

由圖2B可以看出，在1957—1974年(18 a)降水量有明顯增加趨勢(shì)，平均降水量414.50 mm，其中1963—1968年(6 a)UFk值達(dá)到顯著水平(p<0.05)，平均降水量499.20 mm；1975—1990年(16 a)平均降水量410.13 mm，在均值附近波動(dòng)；1991—2016年(26 a)，降水量呈減少趨勢(shì)，平均降水量398.51 mm；1975—2016年降雨量無(wú)顯著變化(p>0.05)。

2.1.2 徑流量、輸沙量變化特征

(1) 徑流量變化趨勢(shì)分析。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究期年均徑流量為1 227.4萬(wàn)m3，年徑流量總體出現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3A)。

其中1959年的徑流量最大(4 549.0萬(wàn)m3)，2016年徑流量最小(3.0萬(wàn)m3)，最大年徑流量是最小年徑流量的1 516倍。

圖3 年徑流量變化和M-K檢驗(yàn)

由圖3B可知，在1957—1974年(18 a)徑流量呈增加趨勢(shì)，平均徑流量2 131萬(wàn)m3；在1975—1999年(26 a)徑流量呈減少趨勢(shì)，其中1993—1999年(7 a)達(dá)到顯著水平(p<0.05)，平均徑流量772萬(wàn)m3；在2000—2016年(17 a)，徑流量呈顯著減少趨勢(shì)(p<0.05)，平均徑流量417萬(wàn)m3；同時(shí)UFk與UBk兩條曲線在2000年出現(xiàn)了交點(diǎn)，說(shuō)明突變點(diǎn)出現(xiàn)在2000年。

(2) 輸沙量變化趨勢(shì)分析。年輸沙量變化趨勢(shì)與徑流量相似，總體出現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)(圖4A)。研究期年均輸沙量為367.6萬(wàn)t，其中1973年的輸沙量最大(1 614.5萬(wàn)t)，2016年輸沙量最小(1.3萬(wàn)t)，最大年輸沙量是最小年的1 238倍。年際間輸沙量存在較為明顯的波動(dòng)。

由圖4B可看出，在1957—1974年(18 a)輸沙量呈增加趨勢(shì)，平均輸沙量619.9萬(wàn)t；在1975—2002年(28 a)輸沙量呈減少趨勢(shì)，其中1996—2002年(7 a)輸沙量達(dá)到顯著水平(p<0.05)，平均輸沙量180.5萬(wàn)t；在2003—2016年(14 a)輸沙量呈顯著減少趨勢(shì)(p<0.05)，平均輸沙量123.3萬(wàn)t；同時(shí)UFk與UBk兩條曲線的相交于2003點(diǎn)，說(shuō)明突變點(diǎn)出現(xiàn)在2003年。

2.2 降水量、徑流量和輸沙量周期變化特征分析

2.2.1 降水量周期變化特征

(1) 時(shí)間尺度周期性分析。由圖5A可知，年降水量存在3種尺度的周期變化：4～8 a，11～15 a和16～32 a，其中16～32 a和4～8 a周期內(nèi)的“豐—枯”交替變化較明顯，貫穿整個(gè)時(shí)間序列。

小尺度4～8 a的周期性變化，主要以“枯—豐”周期變換為主，出現(xiàn)了13次震蕩；中尺度11～15 a的周期性變化在1990年以前表現(xiàn)較明顯，出現(xiàn)“豐—枯”交替的4次振蕩；而大尺度16～32 a周期中，降水量出現(xiàn)“枯—豐”交替的4次震蕩，突變特性明顯，且從圖5A還可以看出，整個(gè)大尺度的周期變化占據(jù)了整個(gè)時(shí)間序列且狀態(tài)比較穩(wěn)定，具有全域性。

圖4 年輸沙量變化和M-K檢驗(yàn)

注：圖中黑色粗實(shí)線是小波系數(shù)零點(diǎn)等值線，代表突變線；細(xì)實(shí)線是小波系數(shù)正值等值線，圖中淺色區(qū)域，代表降水量和徑流量偏豐(輸沙量多沙期)；虛線是小波系數(shù)負(fù)值等值線，圖中深色區(qū)域，代表降水量和徑流量偏枯(輸沙量少沙期)。

圖5 年降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線、小波方差和小波周期

(2) 不同周期變化分析。圖5B中存在4個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)5 a，8 a，22 a，27 a時(shí)間尺度，其中，27 a的周期振幅最大，為降水序列變化的第一主周期，則22 a，8 a，5 a為第2，3，4主周期。由圖5C可知，降水序列在27 a時(shí)間尺度下，經(jīng)歷約3個(gè)波動(dòng)周期，其平均變化周期約為18 a；降水量“枯—豐”的轉(zhuǎn)變點(diǎn)在1963年、1981年和1999年。從周期變化可以預(yù)測(cè)降水量在27 a時(shí)間尺度(2017年左右)將由枯轉(zhuǎn)豐。在22 a時(shí)間尺度下，約經(jīng)歷4個(gè)波動(dòng)周期，其平均變化周期約為13 a。從變化趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)降水量在22 a時(shí)間尺度(2028年左右)將由枯轉(zhuǎn)豐。降水序列在8 a和5 a時(shí)間尺度下，分別經(jīng)歷12個(gè)和18個(gè)周期波動(dòng)，其平均變化周期分別約為5 a和3 a。從變化趨勢(shì)來(lái)看，預(yù)測(cè)在8 a時(shí)間尺度下，2020年左右降水量由枯轉(zhuǎn)豐，而5 a時(shí)間尺度下，2019年降水量由枯轉(zhuǎn)豐。

2.2.2 徑流量周期變化特征

(1) 時(shí)間尺度周期性分析。從圖6A可以看出，年徑流量存在3種尺度的周期變化：3～7 a，8～12 a和14～32 a，這3種尺度下徑流量在整個(gè)時(shí)間序列豐、枯水期交替變化明顯。小尺度3～7 a 的周期性變化主要在1957—2010年表現(xiàn)得較為活躍，存在“枯—豐”交替的周期性變化。8～11 a尺度上的周期性變化主要在1957—2005年變化明顯，存在“枯—豐”交替的8次震蕩；在1985—2005年，14～24 a時(shí)間尺度上，徑流量呈現(xiàn)“枯—豐—枯”的狀態(tài)，但在14～32 a的尺度上來(lái)說(shuō)，是處于枯水期；而大尺度14～32 a來(lái)看，隨著時(shí)間序列的變化，徑流表現(xiàn)出了“枯—豐”交替的3次震蕩，具有明顯的突變性，具體時(shí)間為1957—1966年為枯水期，1966—1975年為豐水期，1975—1984年為枯水期，1984—1993年為豐水期，1993—2002年為枯水期，2002—2012年為豐水期，2012—2016年為枯水期，整個(gè)大尺度的周期變化占據(jù)了整個(gè)時(shí)間序列且狀態(tài)比較穩(wěn)定，具有全域性。

圖6 年徑流量小波系數(shù)實(shí)部等值線、小波方差和小波周期

(2) 不同周期變化分析。圖6B中有3個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)4 a，9 a，27 a時(shí)間尺度，其中，4 a的周期振蕩最強(qiáng)，為徑流序列變化的第一主周期，則27 a，9 a為第2、3主周期。由圖6C可知，在27 a時(shí)間尺度下，徑流序列經(jīng)歷約3個(gè)波動(dòng)周期，其平均變化周期約為18 a，徑流量“枯—豐”的轉(zhuǎn)變點(diǎn)在1965年、1982年和2003年。1969年處于27 a尺度下的偏豐極大值處。從周期變化可以預(yù)測(cè)徑流量在27 a時(shí)間尺度(2021年左右)將由枯變豐；徑流量在9 a和4 a時(shí)間尺度下，分別經(jīng)歷10個(gè)和22個(gè)周期波動(dòng)，其平均變化的周期分別約為6 a和3 a。從變化周期預(yù)測(cè)在9 a時(shí)間尺度下，2020年左右的徑流量由枯變?yōu)樨S，而4 a時(shí)間尺度下，2018年左右的徑流量由枯轉(zhuǎn)豐。

2.2.3 輸沙量周期變化特征

(1) 時(shí)間尺度周期性分析。年輸沙量存在3種尺度的周期變化：3～7 a，8～12 a和14～32 a，這3種尺度下輸沙量在整個(gè)時(shí)間序列多、少沙期交替變化明顯(圖7A)。在小尺度3～7 a的周期，主要在1957—2003年表現(xiàn)得較為活躍，存在“多—少”交替的周期性變化。8～11 a尺度上的周期變化主要在1957—1997年變化明顯，存在“少—多”交替變化的7次震蕩；在1972—1990年、14～24 a時(shí)間尺度上，輸沙量呈現(xiàn)“少—多—少”的狀態(tài)，但在14～32 a的尺度上來(lái)說(shuō)，是處于少沙期；而大尺度14～32 a來(lái)看，隨著時(shí)間序列的變化，輸沙量表現(xiàn)出了“少—多”交替變化的3次震蕩，存在明顯的突變特性，具體時(shí)間為1957—1966年為少沙期，1966—1976年為多沙期，1976—1987年為少沙期，1987—1997年為多沙期，1996—2005年為少沙期，2005—2013年為多沙期，2013—2016年為少沙期，整個(gè)大尺度的周期變化占據(jù)了整個(gè)時(shí)間序列且狀態(tài)比較穩(wěn)定，具有全域性。

圖7 年輸沙量小波系數(shù)實(shí)部等值線、小波方差和小波周期

(2) 不同周期變化分析。圖7B中有4個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)4 a，6 a，8 a，27 a時(shí)間尺度，其中，6 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為輸沙序列變化的第一主周期，則4 a，8 a，27 a為第2、3、4主周期。由圖7C可知，在27 a時(shí)間尺度下，輸沙序列經(jīng)歷約3個(gè)波動(dòng)周期，其平均變化周期約為18 a；輸沙量“少—多”的轉(zhuǎn)變點(diǎn)在1968年、1987年和2005年。從周期變化可以預(yù)測(cè)輸沙量在27 a時(shí)間尺度(2021年左右)將由少變多；在8 a的時(shí)間尺度下，輸沙量經(jīng)歷12個(gè)周期波動(dòng)；輸沙量在6 a和4 a尺度下，分別經(jīng)歷15個(gè)和22個(gè)周期波動(dòng)，其平均變化周期分別約為4 a和3 a。從變化周期來(lái)看，6 a和3 a時(shí)間尺度下，預(yù)測(cè)輸沙量在6 a時(shí)間尺度下，2020年左右由少變多，而3 a時(shí)間尺度下，2018年左右輸沙量由少變多。

對(duì)年降水量、徑流量和輸沙量比較可知，盡管徑流量、輸沙量和降水量的周期變化并不完全一致，但很相似，存在包含和部分包含的關(guān)系，如降水量的16～32 a的時(shí)間尺度包含于徑流量和輸沙量的大尺度14～32 a中，但徑流量和輸沙量的3～7 a和降水的4～8 a小尺度與只是部分包含。而徑流量和輸沙量的變化周期尺度一致，具有同步性。同時(shí)，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是降水量還是徑流量、輸沙量，都有一個(gè)大尺度下的豐水期(多沙期)或者枯水期(少沙期)，存在小尺度下的豐—枯水期(多—少沙期)嵌套的現(xiàn)象，小尺度下的降水量和輸沙量、徑流量轉(zhuǎn)變點(diǎn)要多于大尺度，且不同尺度下的轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)間及個(gè)數(shù)都不相同。

2.3 影響水沙量變化的主要因素

2.3.1 降水量與徑流量、輸沙量的關(guān)系 影響徑流量、輸沙量的主要因素是降雨和以水土保持措施為主的人類活動(dòng)[15]。按照時(shí)間周期將降水量與徑流量、輸沙量的時(shí)間序列劃分為4個(gè)時(shí)間段，第Ⅰ時(shí)段1957—1974年，第Ⅱ時(shí)段1975—1992年，第Ⅲ時(shí)段1993—2010年和第Ⅳ時(shí)段2011—2016年。不同時(shí)段降水量、徑流量和輸沙量平均值見(jiàn)表1。由回歸分析可知(表2)，在第Ⅰ時(shí)段徑流量、輸沙量對(duì)降水量變化響應(yīng)強(qiáng)烈，趨勢(shì)協(xié)同性強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)較高，降水量和徑流量達(dá)到顯著水平(p<0.05)，降水量對(duì)徑流量的決定系數(shù)R2為0.482，降水量和輸沙量未達(dá)到顯著水平(p>0.05)，降水量對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2為0.385，平均徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)分別為2.17萬(wàn)m3/(km2·a)和0.63萬(wàn)t/(km2·a)；第Ⅱ時(shí)段徑流量、輸沙量對(duì)降水量變化響應(yīng)減弱，趨勢(shì)協(xié)同性弱化，相關(guān)系數(shù)降低，降水量和徑流量達(dá)到顯著水平(p<0.05)，降水量對(duì)徑流量的決定系數(shù)R2為0.398，降水量和輸沙量未達(dá)到顯著水平(p>0.05)，降水量對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2為0.293，平均徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)分別為1.29萬(wàn)m3/(km2·a)和0.39萬(wàn)t/(km2·a)；第Ⅲ時(shí)段徑流量、輸沙量對(duì)降水變化的響應(yīng)迅速衰減，趨勢(shì)協(xié)同異化，降水量與徑流量、輸沙量均未達(dá)到顯著水平(p>0.05)，降水量對(duì)徑流量、輸沙量的決定系數(shù)R2分別達(dá)到為0.114，0.012，平均徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)分別為0.65萬(wàn)m3/(km2·a)和0.21萬(wàn)t/(km2·a)；說(shuō)明在1957—2010年隨時(shí)間延長(zhǎng)，降雨對(duì)徑流量和輸沙量的影響逐漸降低；與其相比，徑流量與輸沙量相關(guān)關(guān)系趨勢(shì)協(xié)同性強(qiáng)，略有減弱，但不明顯，徑流量對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2分別為0.920，0.874，0.860，均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

表1 不同時(shí)段年降水量、徑流量和輸沙量平均值

注：第Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ時(shí)段為18 a的完整周期，第Ⅳ時(shí)段是6 a的不完整周期。

表2 不同時(shí)段年降水量與徑流量、輸沙量相關(guān)關(guān)系

注：x1為降水量；y1為徑流量；y2為輸沙量；*為p<0.05；**為p<0.01。R為相關(guān)系數(shù)；R2為貢獻(xiàn)系數(shù)；F為方差檢驗(yàn)值，Sig.為顯著性檢驗(yàn)值。

2.3.2 水土保持措施與徑流量、輸沙量的關(guān)系 根據(jù)祖厲河流域水利水土保持措施對(duì)入黃水沙變化的影響及發(fā)展趨勢(shì)研究(1957—1989年)[15]、甘肅省水土保持綜合治理措施效益研究(1979—2012年)[16]及甘肅省水土保持年報(bào)資料(2013—2016年)會(huì)寧縣歷年水土保持措施保存面積資料，采用按比例分?jǐn)偡?，按照研究區(qū)面積占會(huì)寧縣的比例，計(jì)算得到歷年研究區(qū)水土保持措施面積。研究區(qū)按照水土流失治理速率，大體上可分為1957—1984年、1985—2000年和2001—2016年3個(gè)階段(圖8A)。1957—1984年為分散零星治理階段，治理速度小、措施比較單一，主要措施以造林和梯田為主體，至1984年底水土保持措施面積達(dá)到1.09萬(wàn)hm2，其中梯田面積增加到0.53萬(wàn)hm2，造林面積增加到0.30萬(wàn)hm2，種草面積增加到0.14萬(wàn)hm2；1985—2000年以小流域?yàn)閱卧C合治理階段，這個(gè)時(shí)期實(shí)施的國(guó)家級(jí)、省級(jí)梯田建設(shè)工程、小流域治理項(xiàng)目較多，治理速度加快、措施質(zhì)量提高，至2000年底水土保持措施面積達(dá)到4.01萬(wàn)hm2，其中梯田面積由0.53萬(wàn)hm2增加到1.23萬(wàn)hm2，造林面積由0.30萬(wàn)hm2增加到1.16萬(wàn)hm2，種草面積由0.14萬(wàn)hm2增加到1.25萬(wàn)hm2；2001—2016年，為穩(wěn)定提高時(shí)期，此階段除實(shí)施梯田、小流域綜合治理項(xiàng)目外，開(kāi)展了大規(guī)模退耕還林(草)工程，至2016年底水土保持措施面積達(dá)到5.93萬(wàn)hm2，其中梯田面積由1.23萬(wàn)hm2增加到2.33萬(wàn)hm2，造林由1.16萬(wàn)hm2增加到1.51萬(wàn)hm2，種草面積由1.25萬(wàn)hm2增加到1.51萬(wàn)hm2，水土流失治理程度達(dá)到60.31%。

圖8 水土保持措施量(A)和徑流量、輸沙量變化(B)

由圖8B可以看出，隨著水土保持措施量的逐漸增加，徑流量和輸沙量呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)。由回歸分析可知(表3)，在1957—1984年，徑流量、輸沙量對(duì)水土保持措施量變化響應(yīng)不強(qiáng)烈，都未達(dá)到顯著水平(p>0.05)，水土保持措施量對(duì)徑流量的決定系數(shù)R2為0.076，對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2為0.027。在1985—2000年，徑流量對(duì)水土保持措施量變化響應(yīng)強(qiáng)烈，達(dá)到顯著水平(p<0.05)，水土保持措施量對(duì)徑流量的決定系數(shù)R2為0.309，對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2為0.115。在2001—2016年，徑流量、輸沙量對(duì)水土保持措施量變化響應(yīng)增強(qiáng)，分別達(dá)到極顯著水平(p<0.01)和顯著水平(p<0.05)，水土保持措施量對(duì)徑流量的決定系數(shù)R2為0.390，對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2為0.352。平均徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)分別由1957—1984年1.90萬(wàn)m3/(km2·a)和0.56萬(wàn)t/(km2·a)，減少為2001—2016年0.42萬(wàn)m3/(km2·a)和0.13萬(wàn)t/(km2·a)。說(shuō)明水土保持措施對(duì)徑流量和輸沙量的影響逐漸增大，隨著水土保持治理措施增加，水土流失量迅速下降。

表3 不同時(shí)段水土保持措施量和徑流量、輸沙量相關(guān)關(guān)系

注：x2為水土保持措施量。

3 討 論

研究區(qū)與祖厲河流域相比，其上游(研究區(qū))降水量、徑流量和輸沙量變化趨勢(shì)，與韓通[17]、張富[11]等對(duì)祖厲河流域1957—2006年及1955—2013年的研究結(jié)果一致，但祖厲河流域降水量呈顯著減少趨勢(shì)，在上游地區(qū)這種趨勢(shì)沒(méi)有達(dá)到顯著水平；而徑流量、輸沙量均顯示了相同的顯著減少的變化趨勢(shì)，但祖厲河流域徑流量、輸沙量的突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在1995年和2000年但上游分別出現(xiàn)在2000年和2003年，分別滯后了5 a和3 a。黃維東[18]在對(duì)祖厲河流域水沙變化研究中發(fā)現(xiàn)，降水對(duì)水沙減少量影響是30%，人類活動(dòng)影響占70%。劉淑燕[19]、李宜坪[20]等對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持措施對(duì)徑流輸沙的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明增加水土保持措施可有效的減少流域內(nèi)徑流輸沙量，水沙關(guān)系受降水量、降水強(qiáng)度和土地利用變化的顯著影響，并說(shuō)明坡改梯是引起水沙變化的主要原因，坡面工程措施增加了地表形態(tài)。本研究中，降水對(duì)徑流的決定系數(shù)R2由0.482減為0.114，水土保持措施量對(duì)徑流量的決定系數(shù)R2為由0.076增為0.390；降水量對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2由0.385減為0.012，水土保持措施量對(duì)輸沙量的決定系數(shù)R2由0.027增為0.352，表明隨著時(shí)間推移，水土保持治理措施的增加和治理程度的提高，對(duì)水沙變化的影響由降水量變?yōu)橐运帘３种卫泶胧橹鞯娜祟惢顒?dòng)。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)年降水量呈現(xiàn)波動(dòng)的不明顯減少趨勢(shì)，年際存在明顯的“豐—枯”周期性變化。最大年降水量是最小年降水量的2.5倍；年降水量存在3種尺度的周期變化，分別是4～8 a，11～15 a和16～32 a，有5 a，8 a，22 a，27 a4個(gè)變化主周期，存在3 a，5 a，13 a，18 a平均變化周期。在18 a平均周期下，預(yù)測(cè)降水量將由枯轉(zhuǎn)豐。

(2) 徑流量、輸沙量呈現(xiàn)相似的波動(dòng)減少趨勢(shì)，年際存在明顯的“豐—枯(多—少)”周期性變化。最大年徑流量是最小年徑流量的1 516倍，最大年輸沙量是最小年輸沙量的1 238倍；同時(shí)徑流量和輸沙量分別在2000年和2003年出現(xiàn)突變點(diǎn)。年徑流量和輸沙存在3種相同尺度的周期變化，為3～7 a，8～12 a和14～32 a，徑流量有4 a，9 a，27 a變化主周期，存在3 a，6 a，18 a平均變化周期；而輸沙量有4 a，6 a，8 a，27 a變化主周期，存在3 a，4 a，5 a，18 a平均變化周期。在18 a平均周期下，預(yù)測(cè)徑流在2021年左右將由枯變豐，輸沙在2021年將由少變多。在平均周期為18 a的3個(gè)周期下，徑流、輸沙量對(duì)降水量變化響應(yīng)的趨勢(shì)協(xié)同性由強(qiáng)逐漸減弱，降水量對(duì)徑流量的相關(guān)系數(shù)R由0.69減小為0.34，水土保持措施量對(duì)徑流量的相關(guān)系數(shù)R為由0.28增為0.62；降水量對(duì)輸沙量的相關(guān)系數(shù)R由0.62減小為0.11，水土保持措施量對(duì)輸沙量的相關(guān)系數(shù)R由0.16增為0.59，說(shuō)明對(duì)水沙變化的主要影響因素已由降水轉(zhuǎn)變?yōu)槿藶榛顒?dòng)。本文對(duì)降水量、徑流量和輸沙量都是以年為時(shí)間尺度進(jìn)行研究，對(duì)于年內(nèi)的變化和水土保持措施以外的人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響還需進(jìn)一步研究。