郭城驛流域水沙演變對降水和水保措施的響應(yīng)

周蕊 張富 李曉雅 靳峰 胡彥婷 趙秀蘭

摘?要：為了解半干旱黃土區(qū)降水量、徑流量和輸沙量的演變規(guī)律，給當(dāng)?shù)厮帘３止ぷ魈峁├碚撝С趾图夹g(shù)指導(dǎo)，以郭城驛流域?yàn)檠芯繉ο螅捎锰┥噙呅畏ㄓ?jì)算流域面平均降水量，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析年降水量、年徑流量、年輸沙量的變化趨勢，采用Morlet小波分析年降水量、年徑流量和年輸沙量的變化周期，采用多元功效函數(shù)（冪函數(shù)）模型對年徑流量、年輸沙量與年降水量、流域治理程度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明：1957—2016年郭城驛流域年降水量存在16～32 a、6～16 a和3～6 a等3種時(shí)間尺度的周期性變化，研究時(shí)段內(nèi)整體上呈不顯著減少趨勢;年徑流量和輸沙量均存在16～32 a、6～12 a和3～6 a等3種時(shí)間尺度的周期性變化，研究時(shí)段內(nèi)整體上均呈顯著減少趨勢，年輸沙量減幅大于年徑流量減幅;年徑流量、年輸沙量隨年降水量的增加而增加，隨治理程度的提高而減小，年徑流量、年輸沙量與年降水量、流域治理程度成較好的冪函數(shù)關(guān)系，在年降水量減少趨勢不顯著的情況下年徑流量和輸沙量顯著減少的主要原因是流域治理程度大幅度提高，尤其與連臺化梯田建設(shè)、造林種草密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：降水量;徑流量;輸沙量;水土保持措施;治理程度;水沙演變;郭城驛流域

中圖分類號：P333;S157.2?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.022

Abstract： In order to understand the climate change trend （precipitation） and the process and mechanism of runoff and transportation of sediments in the Guochengyi watershed which is located in the semi-arid loess northern China and provide theoretical support and technical guidance for local soil and water conservation work， this study was aimed with the following objectives. In order to calculate the average rainfall of the basin area， Tyson polygon method was used. In addition， in order to find the climate change trend （annual precipitation） and analyze the annual runoff and annual sediment transport， Mann-Kendall test method was used in this study. Moreover， to estimate the dynamic cycle of rainfall， runoff and sediment transport annually， Morlet wavelet analysis was performed. Furthermore， regression analysis was done in order to check the multivariate function i.e. the relationship between runoff and sediment transportation annually with annual precipitation and treatment degree of river basin. The results show that the long-term annual precipitation in Guochengyi watershed from 1957 to 2016 has periodic changes in three-time scales of 16-32 a， 6-16 a and 3-6 a respectively. There is no significant reduction trend in the whole study period. The annual runoff and sediment transport have notably periodic changes in three-time scales of 16-32 a， 6-12 a and 3-6 a respectively. The consequences show that during the study period， the annual sediment discharge decreases significantly on the whole and the decrease of annual sediment discharge is greater than that of annual runoff. Additionally， the annual runoff and annual sediment transport increase with the increase of annual precipitation and decrease with the increase of control degree. The annual runoff and annual sediment transport have a strong relationship with annual rainfall and watershed treatment degree. The main reason for the noticeably reduction of annual runoff and sediment transport under the condition of non-significant annual precipitation reduction is that the degree of watershed management is greatly improved， especially closely related to the construction of terraced fields and afforestation and grass planting.

Key words： precipitation; runoff; sediment transport; soil and water conservation measures; treatment control; runoff and sediment evolution; Guochengyi watershed

半干旱區(qū)河流水沙與降水密切相關(guān)[1-4]。黃河以水少沙多而著稱，在自然和人類活動的作用下，黃河干流徑流量、輸沙量顯著減少[5-6]。在徑流量和輸沙量的量化分析中，不少學(xué)者認(rèn)為人類活動對徑流量、輸沙量變化的貢獻(xiàn)率呈增大趨勢，是影響徑流量、輸沙量變化的主要驅(qū)動因子[7-14]。筆者對郭城驛流域水沙變化與降水和水土保持措施的關(guān)系進(jìn)行了研究，以期為半干旱黃土區(qū)水利水土保持工作等提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1?研究區(qū)概況

研究區(qū)為郭城驛水文站控制的祖厲河中上游地區(qū)，流域總面積5 469 km2，涉及甘肅省定西市安定區(qū)和通渭縣、白銀市會寧縣以及寧夏固原市西吉縣、中衛(wèi)市海原縣。研究區(qū)土壤有灰鈣土、黃綿土、黑壚土、紅土、灰褐土5種類型，氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)型氣候，氣候干燥、干旱少雨，多年平均降水量僅358.4 mm且時(shí)空分布不均。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重（主要是水力侵蝕及重力侵蝕）[15]，制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。研究區(qū)設(shè)有郭城驛、會寧2個(gè)水文站，研究區(qū)及周邊布設(shè)有16個(gè)雨量站，水文站、雨量站分布及年降水量等值線見圖1。

2?數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1?數(shù)據(jù)來源

研究采用的主要數(shù)據(jù)：1957—2016年16個(gè)雨量站及2個(gè)水文站的日降水量數(shù)據(jù)，郭城驛水文站日徑流量、日輸沙量數(shù)據(jù)，由甘肅省及定西市水文水資源局提供;1979—2016年研究區(qū)水土保持措施數(shù)據(jù)，來源于甘肅省水土保持綜合治理效益研究課題組。

2.2?研究方法

鑒于泰森多邊形法在計(jì)算面平均降水量中應(yīng)用較為廣泛[16-18]，本研究采用該方法計(jì)算研究區(qū)面平均降水量。采用Mann[19]和Kendall[20]提出的Mann-Kendall檢驗(yàn)法（M-K檢驗(yàn)）分析研究區(qū)年降水量、年徑流量、年輸沙量的變化趨勢，確定突變發(fā)生的年份。鑒于Morlet小波分析法在水文水資源學(xué)等研究領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已基本成熟[21-23]，本研究采用Matlab軟件進(jìn)行Morlet小波分析，將年降水量、年徑流量、年輸沙量時(shí)間序列中的周期性特征展現(xiàn)出來。采用多元功效函數(shù)（冪函數(shù)）模型對年徑流量、年輸沙量與年降水量、流域治理程度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。

3?結(jié)果與分析

3.1?降水變化特征分析

3.1.1?降水年內(nèi)、年際變化特征

研究區(qū)降水量具有較明顯的季節(jié)性和周期性變化規(guī)律，年內(nèi)主要集中在汛期（多年平均汛期降水量為280.9 mm，占全年降水量的78.4%）[24]，而非汛期降水量較小。由圖2可以看出，在研究時(shí)段內(nèi)年降水量最大值（646.2 mm）出現(xiàn)在1964年、最小值（209.2 mm）出現(xiàn)在1982年，年降水量與汛期降水量變化趨勢基本一致，即整體呈不顯著減小趨勢。由圖3（其中UFk、UBk分別表示年降水量正序統(tǒng)計(jì)量、逆序統(tǒng)計(jì)量）可以看出：1957—1998年統(tǒng)計(jì)量UFk為正值，說明該時(shí)段年降水量呈增加趨勢;1999—2016年統(tǒng)計(jì)量UFk為負(fù)值，說明該時(shí)段年降水量呈減少趨勢;UFk曲線與UBk曲線于1999年相交，表明1999年可能是降水量突變年份。

3.1.2?年降水量變化小波分析

年降水量小波系數(shù)實(shí)部等值線見圖4（圖中：粗實(shí)線是小波系數(shù)為零的等值線，表示降水量多少的突變線;細(xì)實(shí)線是小波系數(shù)為正值的等值線，表示處于豐水期;細(xì)虛線是小波系數(shù)為負(fù)值的等值線，表示處于枯水期），其反映了1957—2016年年降水量的時(shí)頻變化尺度，即年降水量存在16～32 a、6～16 a、3～6 a等3種時(shí)間尺度的周期性變化。

3.2?徑流泥沙變化特征分析

3.2.1?徑流泥沙年內(nèi)、年際變化特征

徑流量、輸沙量年內(nèi)分布具有明顯的季節(jié)性（見圖5），多年平均6—9月徑流量占全年的75.1%、輸沙量占全年的92.0%。由圖6可知，徑流量、輸沙量年際波動較大，年徑流量最大值出現(xiàn)在1959年（1.89億m3）、最小值出現(xiàn)在2014年（0.06億m3），年輸沙量最大值出現(xiàn)在1959年（1.13億t）、最小值出現(xiàn)在2014年（0.01億t），研究期年徑流量與年輸沙量變化趨勢基本一致，整體上呈遞減趨勢。

年徑流量、輸沙量突變性的M-K檢驗(yàn)見圖7（其中：UF′k、UB′k分別表示年徑流量正序統(tǒng)計(jì)量、逆序統(tǒng)計(jì)量，UF″k、UB″k分別表示年輸沙量正序統(tǒng)計(jì)量、逆序統(tǒng)計(jì)量），可以看出：1957—1968年統(tǒng)計(jì)量UF′k為正值，說明該時(shí)段年徑流量呈增加趨勢;1969—2016年統(tǒng)計(jì)量UF′k為負(fù)值，說明該時(shí)段年徑流量呈減少趨勢;1957—1967年統(tǒng)計(jì)量UF″k為正值，說明該時(shí)段年輸沙量呈增加趨勢;1968—2016年統(tǒng)計(jì)量UF″k為負(fù)值，說明該時(shí)段年輸沙量呈減少趨勢;UF′k曲線與UB′k曲線的交點(diǎn)和UF″k曲線與UB″k曲線的交點(diǎn)均為2007年左右，表明年徑流量、年輸沙量突變開始年份均為2007年。

3.2.2?徑流泥沙變化小波分析

年徑流量小波系數(shù)實(shí)部等值線見圖8，可以看出年徑流量存在16～32 a、6～12 a 和3～6 a等3種尺度的周期性變化;年輸沙量小波系數(shù)實(shí)部等值線見圖9，可以看出年輸沙量也存在16～32 a、6～12 a和3～6 a等3種尺度的周期性變化。

3.3?水沙演變與降水量、治理程度的關(guān)系

3.3.1?水土保持措施及治理程度的變化情況

1957—2016年研究區(qū)徑流量、輸沙量均呈減少趨勢。水沙變化因素有氣候和人類活動兩類，就人類活動而言，新中國成立后特別是改革開放以來實(shí)施的水土保持工程及退耕還林還草工程，攔蓄了大量徑流和泥沙，對水沙變化的影響比氣候變化的影響更顯著[25]。

由圖10可以看出，1979—2016年流域內(nèi)各項(xiàng)坡面水土保持措施強(qiáng)度不斷提高;由圖11可以看出，研究區(qū)水土保持治理程度逐年提高，其中1979年為7.38%、2006年為50.26%、2016年為62.81%。

以水沙突變開始年份2007年為界，將治理期（1979—2016年）分為前（1979—2006年）、后（2007—2016年）兩個(gè)時(shí)段，突變前后各項(xiàng)坡面治理措施對治理程度的貢獻(xiàn)見圖12。1979—2006年平均治理程度為26.75%，其中梯田、人工種草、水土保持林的貢獻(xiàn)分別為9.97%、8.20%、7.77%，其他2項(xiàng)措施的貢獻(xiàn)均不足0.50%，說明該時(shí)段水沙減少主要受梯田建設(shè)和造林種草的影響;2007—2016年平均治理程度為57.54%，其中梯田、水土保持林、人工種草的貢獻(xiàn)分別為22.84%、16.78%、15.27%，說明此時(shí)段徑流泥沙的減少與連臺化的梯田建設(shè)、造林種草密切相關(guān)。

3.3.2?相關(guān)性回歸分析

年徑流量、年輸沙量隨年降水量的增加而增加，隨治理程度的提高而減小。采用不同時(shí)長的滑動平均值進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果表明年徑流量、年輸沙量與年降水量、流域治理程度成較好的冪函數(shù)關(guān)系，見表1。由表1可知：滑動平均時(shí)長由1 a延長至15 a時(shí)，年徑流量回歸方程的決定系數(shù)R2由0.408提高到0.914，年輸沙量回歸方程的決定系數(shù)R2由0.393提高到0.832;滑動平均時(shí)長為1 a和15 a時(shí)年徑流量與年降水量、治理程度的相關(guān)性高于年輸沙量的，滑動平均時(shí)長為3 a和5 a的則相反;年徑流量回歸方程中年降水量、治理程度指數(shù)的絕對值大都小于年輸沙量回歸方程中的，表明年降水量、治理程度對輸沙量的影響大于對徑流量的影響。

分析表明，1957—2016年研究區(qū)年降水量、徑流量和輸沙量均呈減少趨勢，在年降水量減少趨勢不顯著的情況下年徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢，治理程度的大幅度提高是年徑流量、輸沙量減少的主要原因。

4?結(jié)?論

1957—2016年郭城驛流域年降水量存在16～32 a、6～16 a和3～6 a等3種時(shí)間尺度的周期性變化，研究時(shí)段內(nèi)整體上呈不顯著減少趨勢;年徑流量和輸沙量均存在16～32 a、6～12 a和3～6 a等3種時(shí)間尺度的周期性變化，研究時(shí)段內(nèi)整體上均呈顯著減少趨勢，年輸沙量減幅大于年徑流量減幅，突變開始年份均為2007年。年徑流量、年輸沙量隨年降水量的增大而增大，隨治理程度的提高而減小，年徑流量、年輸沙量與年降水量、流域治理程度成較好的冪函數(shù)關(guān)系;在年降水量減少趨勢不顯著的情況下，年徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢的主要原因是流域治理程度的大幅度提高，尤其與連臺化梯田建設(shè)、造林種草密切相關(guān)。

本文僅基于不同時(shí)間尺度進(jìn)行了郭城驛流域水沙變化分析，還需進(jìn)一步進(jìn)行水沙空間變化研究，以更加全面地認(rèn)識該流域水沙變化情況。

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