西漢水流域徑流泥沙演變特征及其歸因研究

吳浪 曹文華 顧朝軍

［關(guān)鍵詞］徑流量；輸沙量；演變特征；歸因分析；西漢水流域

［摘要］自20世紀(jì)90年代開始西漢水流域?qū)嵤┝艘幌盗械乃帘３种卫砉こ?，下墊面發(fā)生了明顯改變，對(duì)流域水沙造成了顯著影響。利用西漢水流域1965—2017年徑流泥沙資料，采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)、Lee-Heghinian突變檢驗(yàn)和雙累積曲線等方法，研究了西漢水近50a水沙演變特征及其原因。結(jié)果表明：近50a西漢水流域降雨量無顯著變化趨勢(shì)，而徑流量和輸沙量分別以0.177億m3/a和50.202萬t/a的速率顯著減少（P<0.05）；徑流量和輸沙量顯著減少的突變點(diǎn)分別在1993年和1990年，這與流域?qū)嵤┧亮魇е卫淼臅r(shí)間相對(duì)應(yīng)；與突變前相比，突變后徑流量減少47.64%，輸沙量減少71.19%；降雨量和人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別約為15%和85%，對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率分別約為10%和90%；人類活動(dòng)引起的下墊面條件變化是西漢水流域水沙減少的主要原因。

［中圖分類號(hào)］S157［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1000－0941（2023）03－0025－05

西漢水屬嘉陵江一級(jí)支流，是嘉陵江流域的主要產(chǎn)沙區(qū)[1-2]。為了控制水土流失，1989年以來嘉陵江流域逐步實(shí)施了規(guī)?；乃亮魇е卫砉こ蘙3]。這些工程的建設(shè)導(dǎo)致地表覆被等下墊面條件發(fā)生了變化，進(jìn)而改變了流域產(chǎn)輸沙條件，影響水沙情勢(shì)。李忠泰[4]研究了西漢水流域1965—2000年徑流泥沙演變特征，發(fā)現(xiàn)徑流量和輸沙量均呈下降趨勢(shì)，且年內(nèi)分配極不均勻；張明波等[2]評(píng)估了西漢水流域1990—1996年水土保持措施的減水減沙作用，發(fā)現(xiàn)水土保持措施多年平均減水率為6.5%，多年平均減沙率為44.6%；王濤等[5]對(duì)西漢水流域1956—2016年降水徑流變化特征的分析表明，降雨呈不顯著減少趨勢(shì)，徑流量呈顯著下降趨勢(shì)，且人類活動(dòng)導(dǎo)致徑流量在1993年發(fā)生突變。黨的十八大以來，國(guó)家提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”，因此加強(qiáng)長(zhǎng)江各干支流域水文情勢(shì)的分析研究工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?？紤]到以往西漢水流域徑流泥沙研究時(shí)間多在2000年以前，且缺乏對(duì)徑流泥沙變化的定量評(píng)估，本研究利用西漢水控制站鐔家壩水文站1965—2017年逐月徑流量和懸移質(zhì)輸沙量（以下簡(jiǎn)稱“輸沙量”）數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)研究了流域徑流泥沙演變特征，量化了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流泥沙變化的影響程度，進(jìn)一步揭示了流域水沙變化原因，以期為流域水土保持生態(tài)建設(shè)提供科技支撐。

1流域概況

西漢水發(fā)源于甘肅省天水市秦州區(qū)的齊壽山，流經(jīng)禮縣、西和縣、成縣、康縣，在陜西省略陽縣匯入嘉陵江，干流長(zhǎng)287km，流域面積10178.0km2（見圖1）。西漢水地處北秦嶺南麓，地勢(shì)西高東低，氣候條件和地質(zhì)地貌南北差異大。上游地區(qū)以黃土丘陵溝壑區(qū)地貌為主，兼有土石山區(qū)，地表多裸露，土壤包括黃褐土及風(fēng)化的褐砂石土，植被覆蓋率相對(duì)較低，水土流失嚴(yán)重；中游地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)到土石山區(qū)過渡地帶，屬切割較輕的黃土梁峁中山區(qū)地貌，是泥石流發(fā)育區(qū)，礫石、砂、黏土廣泛分布于河谷，水流湍急、含沙量高；下游地區(qū)為隴南陰濕山林區(qū)，氣候濕潤(rùn)，降雨充沛[6]，植被覆蓋較好，水土流失相對(duì)較輕。鐔家壩水文站為西漢水下游控制站，控制面積9638km2，位于甘肅省成縣鐔河鄉(xiāng)石榴村，坐標(biāo)東經(jīng)105.75°、北緯33.58°。

2研究資料和研究方法

2.1研究資料

本研究采用的水沙資料為鐔家壩1965—2017年逐月徑流量、輸沙量、流量和輸沙率數(shù)據(jù)；降雨量為西漢水流域禮縣、西和和鐔家壩3個(gè)雨量站1965—2017年逐月數(shù)據(jù)，均來源于《長(zhǎng)江流域水文年鑒》，采用算術(shù)平均值求得流域面平均降雨量。

2.2研究方法

2.2.1時(shí)間序列年際變化趨勢(shì)分析

降雨量、徑流量和輸沙量時(shí)間序列年際變化趨勢(shì)分析采用Mann-Kendall（以下簡(jiǎn)稱“M-K”）趨勢(shì)檢驗(yàn)。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)具有魯棒性特點(diǎn)，不要求數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，通過獲得M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（Z）來判定時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，Z為正（負(fù)）值表示呈上升（下降）趨勢(shì)；|Z|≥1.96和2.58時(shí)，分別表示趨勢(shì)達(dá)到0.05和0.01顯著性水平。M-K法已被廣泛應(yīng)用于氣象水文等時(shí)間序列趨勢(shì)分析，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[7]。

時(shí)間序列突變檢驗(yàn)采用基于貝葉斯理論的Lee-Heghinian法。該方法假定時(shí)間序列xt（t=1，2，…，n）總體為正態(tài)分布，分割點(diǎn)τ的先驗(yàn)分布為均勻分布，以推求可能分割點(diǎn)的后驗(yàn)條件概率密度函數(shù)fx（τ|x1，x2，…，xn），若分割點(diǎn)τ滿足max［f（τ|x1，x2，…，xn）］，1≤τ≤n-1，則該點(diǎn)為最可能的變異點(diǎn)。計(jì)算方法見文獻(xiàn)[8]。

2.2.2水沙變化影響程度評(píng)估

降雨和人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響程度評(píng)估采用雙累積曲線法。雙累積曲線法基于時(shí)間序列突變分析，將水沙突變前作為基準(zhǔn)期，突變后作為變化期?；鶞?zhǔn)期內(nèi)人類活動(dòng)微弱，水沙主要由降雨控制，可以建立徑流量（輸沙量）與降雨量的雙累積線性關(guān)系。將突變年份后的降雨資料代入雙累積曲線建立的回歸方程，獲得徑流量（或輸沙量）理論值。不同時(shí)段理論值之差，即為降雨變化的影響量；同期理論值與實(shí)測(cè)值之差，即為人類活動(dòng)的影響量[9-11]。

3結(jié)果與分析

3.1降雨量、徑流量、輸沙量年際變化

西漢水流域1965—2017年多年平均降雨量、徑流量和輸沙量分別為659.5mm、11.89億m3和1440.95萬t（見表1）。降雨量最大值為1990年的967.2mm，最小值為1969年的414.9mm；徑流量最大值為1984年的31.50億m3，最小值為1997年的2.94億m3；輸沙量最大值為1984年的12000.0萬t，最小值為2016年的29.0萬t。代際間降雨量變化較小，徑流量和輸沙量變化較大；從變差系數(shù)看，輸沙量明顯大于徑流量和降雨量，表明輸沙量波動(dòng)最為劇烈。

西漢水流域1965—2017年降雨量無明顯變化趨勢(shì)，徑流量和輸沙量呈極顯著下降趨勢(shì)（見圖2）。M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明，降雨量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|Z|值為0.233，未達(dá)0.05顯著性水平，同時(shí)徑流量和輸沙量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量|Z|值分別為2.816和4.926，均達(dá)到0.01顯著性水平，徑流量和輸沙量下降速率分別為0.1774億m3/a和50.202萬t/a。

3.2徑流量、輸沙量年際變化突變特征

采用Lee-Heghinian法分別對(duì)徑流量和輸沙量年際變化進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果顯示徑流量和輸沙量分別在1993年和1990年發(fā)生顯著性減少（見圖3）。與突變前相比，突變后徑流量減少了47.64%，輸沙量減少了71.19%，變差系數(shù)則無明顯變化（見表2）。

從突變前后年內(nèi)變化情況看（見圖4），突變后各月平均流量均有所減少，特別是汛期（5—10月）減少明顯，達(dá)47.36%，年內(nèi)分配更加均勻；突變后3—11月平均輸沙率減少明顯，減少了71.18%，其他月份則略微增加，年內(nèi)分配也趨于均勻。

從歷時(shí)曲線看，突變后各頻率下月平均流量、月平均輸沙率變化有所不同，見圖5。以5%、50%和95%頻率分別表示豐水年、平水年和枯水年，計(jì)算發(fā)現(xiàn)突變后流量在5%、50%和95%頻率下分別減少了44.85%、46.12%和34.13%；輸沙率在5%、50%頻率下分別減少了64.10%和70.06%，在95%頻率下則有少量增加（見表3）。

3.3降雨和人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的定量評(píng)價(jià)

氣候條件、地質(zhì)地貌和人為活動(dòng)是影響河川徑流泥沙的主要控制因素[10-11]。濕潤(rùn)地區(qū)氣候條件中以降雨對(duì)徑流、輸沙的影響最大，地質(zhì)地貌條件在無人類干擾下一定時(shí)期內(nèi)相對(duì)不變。人為活動(dòng)主要包括壩庫建設(shè)、水土流失治理、城鄉(xiāng)居民用水、土地利用/覆被變化等[12]。自然條件下，徑流量、輸沙量與降雨量之間具有極顯著（P<0.01）正相關(guān)關(guān)系，但如果下墊面條件改變，那么相同降雨條件下產(chǎn)生的徑流量和輸沙量就會(huì)不同[13]。雙累積曲線中，若流域水沙特性未發(fā)生系統(tǒng)變化，則其與降雨量的雙累積關(guān)系能用線性擬合；若在某點(diǎn)擬合斜率（k）減小，則表示人類活動(dòng)使徑流量（輸沙量）減少，反之則使其增大。1993年和1990年之前，西漢水流域降雨—徑流量和降雨—輸沙量雙累積曲線分別呈現(xiàn)極顯著的線性關(guān)系（P<0.01），表明該時(shí)期內(nèi)徑流量和輸沙量與降雨量變化同步，未受到人為活動(dòng)的過度干擾；降雨—徑流量和降雨—輸沙量雙累積曲線分別在1993年和1990年出現(xiàn)拐點(diǎn)，變化后擬合斜率k變小，說明人類活動(dòng)使流域徑流量和輸沙量均減少，見圖6。

降雨和人類活動(dòng)對(duì)西漢水流域徑流量和輸沙量變化的影響計(jì)算結(jié)果見表4、表5。與基準(zhǔn)期（1965—1992年）相比，突變后（1993—2017年）降雨量減少使徑流量減少1.09億m3，貢獻(xiàn)率為16.52%；人類活動(dòng)使徑流量減少5.51億m3，貢獻(xiàn)率為83.48%。與基準(zhǔn)期（1965—1989年）相比，突變后（1990—2017年）降雨量減少使輸沙量減少169.47萬t，貢獻(xiàn)率為10.31%；人類活動(dòng)使輸沙量減少1474.68萬t，貢獻(xiàn)率為89.69%。結(jié)果表明人類活動(dòng)是西漢水流域徑流量和輸沙量減少的主要原因。

3.4人類活動(dòng)分析

1965—1989年西漢水流域降雨量呈下降傾向，導(dǎo)致徑流量和輸沙量減少，但影響程度低于20%，不是西漢水流域徑流泥沙變化的主要原因。嘉陵江流域自1988年實(shí)施長(zhǎng)江流域水土保持治理工程（以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)治工程”）以來，至1996年底共治理水土流失面積21361km2，占流域內(nèi)水土流失面積的25.8%[1，3]，治理措施包含水土保持工程措施（如坡改梯，土、石壩建設(shè)，截、排水溝，沉沙、蓄水池等）、植物措施（如造林、種草和封禁治理等）和保護(hù)性耕作措施（如橫坡耕作、地膜覆蓋等），使下墊面條件發(fā)生了明顯變化。西漢水流域作為嘉陵江流域主要產(chǎn)沙區(qū)，是長(zhǎng)治工程首批重點(diǎn)治理流域之一[2，5]。1989年以來，通過實(shí)施封禁治理、生態(tài)修復(fù)、植樹種草、退耕還林、坡耕地治理等措施，流域下墊面條件發(fā)生改變，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，起到了顯著的保水保土作用，有效控制了水土流失。與1992年相比，流域歸一化植被指數(shù)增加了14.7%，不同地區(qū)植被覆蓋度均有所增加。擬合突變前后西漢水流域徑流量和輸沙量與降雨量相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步揭示西漢水流域水沙減少的原因（見圖7）。突變前后的擬合方程斜率表征單位降雨條件下流域的徑流量和輸沙量?？梢园l(fā)現(xiàn)，突變后單位降雨條件下徑流量減少了44%，輸沙量減少了53%，這直接導(dǎo)致輸沙量在1990年發(fā)生顯著性減少。由于工程措施如坡改梯對(duì)徑流攔蓄作用較小，而植被恢復(fù)措施的水土保持效益具有滯后性，因此徑流量顯著減少時(shí)間晚于輸沙量。經(jīng)過3a的滯后期，流域植被基本恢復(fù)，林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化，林地截流攔蓄作用增強(qiáng)，植被水土保持效益顯現(xiàn)，導(dǎo)致徑流量在1993年發(fā)生顯著減少。與此同時(shí)，隨著流域內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城鎮(zhèn)人口增加，生活用水、工礦企業(yè)用水量迅速上升，耗水量逐漸增加，勢(shì)必引起流域徑流和泥沙發(fā)生一系列變化。研究結(jié)果顯示，人類活動(dòng)對(duì)西漢水流域徑流量和輸沙量變化的影響程度均在80%以上，人類活動(dòng)是西漢水徑流量和輸沙量變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。值得注意的是，與嘉陵江流域其他支流相比，西漢水徑流系數(shù)和輸沙模數(shù)均較大，這主要與該地區(qū)暴雨頻發(fā)、地質(zhì)條件破碎、土壤抗蝕能力差有關(guān)。同時(shí)，該地區(qū)泥石流和滑坡等重力侵蝕易發(fā)，也是導(dǎo)致河流輸沙量大、降雨—徑流/輸沙相關(guān)性低于其他區(qū)域的主要原因。

4結(jié)論

本研究利用西漢水流域1965—2017年徑流輸沙數(shù)據(jù)，研究了西漢水徑流量和輸沙量演變特征及其影響因素。結(jié)果表明：西漢水徑流量和輸沙量呈極顯著減少趨勢(shì)（P<0.01），徑流量在1993年發(fā)生突變，輸沙量在1990年發(fā)生突變，突變后徑流量和輸沙量年內(nèi)分配趨于均勻；以1965—1992年為基準(zhǔn)期，1993—2017年徑流量減少47.64%，降雨變化對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率為16.52%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少的貢獻(xiàn)率為83.48%；以1965—1989年為基準(zhǔn)期，1990—2017年輸沙量減少71.19%，降雨變化對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率為10.31%，人類的活動(dòng)對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)率為89.69%。

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［作者簡(jiǎn)介］吳浪（1985—），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利工程領(lǐng)域的研究工作；通信作者顧朝軍（1990—），男，江西玉山人，工程師，博士，主要從事水土保持與生態(tài)水文方面的研究工作。［收稿日期］2022-04-26

（責(zé)任編輯李楊楊）

［基金項(xiàng)目］國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42077075）