王群星 ，李 銳，2 ，王 飛，2，高 鵬，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌712100)

氣候變化和人類活動(dòng)是影響河流水沙變化的主導(dǎo)因素[1]，如何定量評(píng)價(jià)人類活動(dòng)的影響是目前地學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。按照評(píng)價(jià)原理不同，現(xiàn)有的流域水沙研究方法可分為對(duì)比分析和模擬分析兩大類[2]。時(shí)序?qū)Ρ确治龇ㄒ酝涣饔驗(yàn)檠芯繉?duì)象，以實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，分析實(shí)行水土流失治理前后的水沙變化特征，但是嚴(yán)格地講，治理前后不同時(shí)期降水等因素的影響是完全不同的，在分析時(shí)應(yīng)該消除其影響[3]。對(duì)中大流域，模擬分析法是目前最常用的分析方法，該方法基于對(duì)降水產(chǎn)流產(chǎn)沙基本規(guī)律的分析，建立有一定精度的治理前流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模型，然后將水土流失治理后期的降水等代入，還原計(jì)算得到相當(dāng)于治理前的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，再與治理后的實(shí)測(cè)水沙量比較求得水土保持措施對(duì)水沙的影響量。但是由于這兩類傳統(tǒng)方法所依據(jù)的基準(zhǔn)期(治理前后的臨界年份)確定時(shí)主觀因素較多，而且以年份劃分水沙變化時(shí)段時(shí)降水量并沒有相應(yīng)的階段性，難以體現(xiàn)出時(shí)段內(nèi)的降水量變化，從而極大地影響了評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。

在黃土高原水蝕區(qū)，降水是徑流的來(lái)源和侵蝕產(chǎn)沙的動(dòng)力。延河流域年內(nèi)降水高度集中，其6—9月的汛期降水量和徑流量分別占年總量的75%和73%以上[5]。通過比較相似年降水條件下河流水沙變化特征，可以判別類型多樣而且變化復(fù)雜的人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響。本文通過選擇年、汛期降水量和年內(nèi)降水過程均相似的年降水條件相似時(shí)段組，比較產(chǎn)流和產(chǎn)沙前提條件一致條件下徑流量和輸沙量的變化，直接推算出人類活動(dòng)對(duì)延河水沙變化的影響，從而減少人為主觀劃分時(shí)段對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，客觀區(qū)分以降水量為代表的自然因素與人類活動(dòng)對(duì)河流水沙變化的影響大小與方向。

1 研究流域、資料與方法

1.1 流域概況

延河是黃河中游的一級(jí)支流，發(fā)源于陜西省靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)的周山，由西北向東南，流經(jīng)靖邊縣、安塞縣、寶塔區(qū)、延川縣和延長(zhǎng)縣5個(gè)區(qū)縣的50個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在延長(zhǎng)縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近匯入黃河。延河全長(zhǎng)284.3 km，河道平均比降為3.29‰，主要支流有杏子河、西川、蟠龍川和南川等。

延河流域地處北亞熱帶半干旱地區(qū)，位于36°23′—37°17′N ，108°45′—110°28′E 之間，流域總面積7 725 km2，多年平均降水量為504.8 mm，年平均氣溫9℃。流域內(nèi)黃土丘陵溝壑面積占全流域的90%，其中延長(zhǎng)以上為黃土梁峁?fàn)钋鹆隃瞎葏^(qū)，安塞—延長(zhǎng)之間沿河一帶河流階地發(fā)育，延長(zhǎng)以下為黃土寬梁殘塬溝谷區(qū)，流域出口處為黃土覆蓋石質(zhì)丘陵溝谷區(qū)，黃綿土占總土地面積的85%以上。

延河甘谷驛水文站為控制站。甘谷驛水文站位于陜西省延安市寶塔區(qū)甘谷驛鎮(zhèn)(109°48′E，36°42′N)，控制面積 5 891 km2，占延河流域總面積的76.3%。

1.2 資料與方法

本研究采用1952—2001年50 a的延河甘谷驛水文站逐月徑流量、輸沙量實(shí)測(cè)值和流域逐月降水量實(shí)測(cè)資料。

按照時(shí)序?qū)Ρ确治龇椒╗6]，相似降水條件分析包括降水量相似年組和降水過程相似年組的確定。降水量相似年組的確定主要考慮汛期和年降水量，根據(jù)汛期降水量差異小于4%和年降水量差異小于7%這2個(gè)指標(biāo)選取降水量相似年組。

在確定降水過程相似年組時(shí)，本研究未考慮次降水動(dòng)能特征，通過分析降水量相似年組內(nèi)兩組逐月降水量數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，確定兩組降水過程的相似程度。由于同一相似年組內(nèi)兩組數(shù)據(jù)的和大致相等(年降水量相似)，當(dāng)兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)越接近1，則2組降水過程越相似。由于地學(xué)問題的復(fù)雜性，本文把12個(gè)月降水量數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)≥0.398 1的2組降水過程作為一個(gè)降水條件相似年組。

每個(gè)相似年組中兩個(gè)特征值(徑流量和輸沙量)的變化用晚些時(shí)段特征值較早些時(shí)段特征值的變化百分比表示。當(dāng)變化趨勢(shì)為正值時(shí)，表示隨著時(shí)間推移，產(chǎn)流系數(shù)和輸沙量增加;反之表示產(chǎn)流系數(shù)和輸沙量減少[6]。

在分析不同年組特征時(shí)，根據(jù)降水條件相似年的特征逐步比較，提出在相似年比較結(jié)果下的階段性。由于土地利用變化對(duì)降水產(chǎn)流產(chǎn)沙逐漸過渡影響，因此分段時(shí)可以認(rèn)為在接近的年份(年差≤3 a)土地利用變化對(duì)降水產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響沒有差異。

2 結(jié)果分析

2.1 降水量、徑流量和輸沙量變化特征

延河甘谷驛水文站基本水文泥沙變化與統(tǒng)計(jì)特征值見表1—2和圖1。

從1952—2001年的50 a中，流域平均年降水量504.8 mm ，河流平均年徑流量2.12×108m3，平均年輸沙量4.65×107t。從極值差、變異系數(shù)看，延河各水文要素年際變化較大。

圖1 延河逐年降水與水沙變化

延河流域各年代之間平均年降水量差異較大(見表2)，各年代內(nèi)年降水量差值也較大，最大值在285.7～492.5 mm之間，Cv值也高達(dá) 0.230～0.269，可見年降水量沒有相應(yīng)的階段性，以年代劃分水沙變化時(shí)段難以體現(xiàn)出時(shí)段內(nèi)的降水量變化。傳統(tǒng)的水沙研究方法是以年代劃分水沙變化時(shí)段，從而極大影響了評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。

表1 延河流域水文泥沙特征統(tǒng)計(jì)

表2 延河流域各年代年降水特征統(tǒng)計(jì)

2.2 相似年降水條件下水沙變化特征

相似降水年組內(nèi)的年降水條件的差異很小，可認(rèn)為產(chǎn)流和產(chǎn)沙的前提條件基本一致。在此基礎(chǔ)上比較分析不同的相似年組(表3—4)，無(wú)相似降水的年份與最接近的相似年組合并，將延河水沙變化分段(表5)。由于是根據(jù)相似降水年組分段，所以各時(shí)段不能包括所有年份。根據(jù)各時(shí)段相似降水年組水沙變化特點(diǎn)，直接推算人類活動(dòng)對(duì)延河水沙變化的影響。

相似年降水條件下，人類活動(dòng)造成延河水沙變化差異顯著。從時(shí)段Ⅰ到時(shí)段Ⅱ的2個(gè)相似年組徑流量和輸沙量都呈減少趨勢(shì)(組1—2)，1972年比1957年年和汛期徑流量分別減少16.11%和32.60%，輸沙量分別減少53.98%和54.36%;比1960年年和汛期徑流量分別減少19.95%和32.43%，輸沙量分別減少40.18%和40.68%。

從時(shí)段Ⅰ到時(shí)段Ⅲ的3個(gè)相似年組徑流量和輸沙量都呈減少趨勢(shì)(組3—5)，年和汛期徑流量平均分別減少 29.77%和 46.29%，輸沙量分別減少73.46%和73.46%。

表3 延河流域年降水條件相似年份年均水沙變化

表4 延河流域年降水條件相似年份汛期水沙變化

表5 延河流域水沙變化階段

從時(shí)段Ⅰ到時(shí)段Ⅳ的2個(gè)相似年組徑流量和輸沙量都呈增加趨勢(shì)(組6—7)，1989年比1955年年和汛期徑流量分別增加73.23%和90.29%，輸沙量分別增加173.93%和173.78%;1988年比1963年年和汛期徑流量分別增加70.21%和105.28%，輸沙量分別增加150.21%和149.98%。

從時(shí)段Ⅱ到時(shí)段Ⅲ的相似年組(組8)徑流量呈減少趨勢(shì)，1984年比1977年年和汛期徑流量分別減少46.38%和60.49%，輸沙量均減少85.69%。

從時(shí)段Ⅱ到時(shí)段Ⅳ的2個(gè)相似年組徑流量和輸沙量都呈增加趨勢(shì)(組9—10)，1996年比1969年年和汛期徑流量分別增加2.84%和18.03%，輸沙量均增加5.16%;比 1973年年和汛期徑流量分別增加22.21%和 34.58%，輸沙量分別增加 98.71%和99.43%。

3 結(jié)果討論

3.1 降水條件相似時(shí)段組

在以往研究中以下幾個(gè)因素會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生巨大的影響。(1)基準(zhǔn)期的確定。因?yàn)橥扑闳祟惢顒?dòng)影響下水文要素時(shí)序的顯著轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析方法的選擇都會(huì)影響分析判斷的結(jié)果，且基準(zhǔn)期流域觀測(cè)站點(diǎn)對(duì)降水量和降水強(qiáng)度的觀測(cè)和記錄很難保證降水產(chǎn)流產(chǎn)沙模型的要求。朱恒峰等[5]以汛期降水、徑流數(shù)據(jù)建立模型，最大限度地充分利用各汛期季節(jié)性雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)，減弱黃土高原地區(qū)降水、徑流變化幅度巨大的干擾，反映了人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)汛期徑流的影響，但是卻無(wú)法估算人類活動(dòng)對(duì)流域水沙在年甚至多年時(shí)間尺度上的影響程度。(2)在不同階段暴雨的多少和強(qiáng)度的大小是不同的，因而產(chǎn)沙量也是不同的。由于降水產(chǎn)沙模型多是用暴雨多，強(qiáng)度大的20世紀(jì)50—60年代為基準(zhǔn)期的雨沙資料建立起來(lái)的，因此存在系數(shù)、指數(shù)偏大的問題[7]。(3)分段主要以自然時(shí)間為主[9-11]，但氣象水文要素并沒有以年代為周期的階段性[8-9]。王飛等[4]據(jù)河流含沙量將水沙變化過程分段，較好地反映了不同徑流和泥沙量的時(shí)段持續(xù)性特征，但不同時(shí)段的降水量差別較大，從而影響了不同治理時(shí)段徑流量和輸沙量計(jì)算的準(zhǔn)確性。(4)一個(gè)流域可能包括很多的侵蝕類型區(qū)。在相同的流域面平均降水量情況下，不同侵蝕類型區(qū)會(huì)產(chǎn)生不同的徑流量和輸沙量。因此，公式計(jì)算的數(shù)值和實(shí)際產(chǎn)流產(chǎn)沙量有一定的差距[10]。

本研究通過選擇年和汛期的降水量和年內(nèi)降水過程均相似的降水條件相似年組，分析相似年降水條件下延河年和汛期的水沙變化特征，直接推算人類活動(dòng)對(duì)延河水沙變化的影響。

3.2 人類活動(dòng)對(duì)延河年和汛期水沙變化的影響

降水因素和人類活動(dòng)改變土地利用所引起的地表景觀格局的變化往往是影響流域水沙關(guān)系的主導(dǎo)因素[1]。因此在本研究中，人類活動(dòng)成為引起相似降水條件下延河徑流量和輸沙量變化的主導(dǎo)因素。

研究表明，在相似年降水條件下人類活動(dòng)造成的延河時(shí)段Ⅱ較時(shí)段Ⅰ年徑流量平均減少幅度18.03%，與冉大川等[11]的研究結(jié)果接近，小于王飛等[4]的研究結(jié)果;汛期徑流量平均減少幅度32.52%，與朱恒峰等[5]的研究結(jié)果接近，小于王飛等[4]的研究結(jié)果;年輸沙量平均減少幅度47.08%，大于冉大川等[11]的研究結(jié)果，小于王飛等[4]的研究結(jié)果;汛期輸沙量平均減少幅度47.52%，與王飛等[4]的研究結(jié)果接近。

時(shí)段Ⅲ較時(shí)段Ⅰ年徑流量平均減少幅度29.77%，與冉大川等[11]的研究結(jié)果接近，大于王飛等[4]的研究結(jié)果;汛期徑流量平均減少幅度46.29%，大于王飛等[4]、朱恒峰等[5]的研究結(jié)果;年和汛期輸沙量平均減少幅度都達(dá)到73.46%，大于其它研究結(jié)果。

時(shí)段Ⅳ較時(shí)段Ⅰ年徑流量平均增加幅度71.72%，與冉大川等[15]、王飛等[4]的研究結(jié)果差異較大，但變化趨勢(shì)與李淼等[16]對(duì)黃土高原溝壑區(qū)楊家溝小流域的研究結(jié)果相同;汛期徑流量平均增加幅度97.79%，與其它研究結(jié)果差異較大;年輸沙量平均增加幅度162.07%，與冉大川等[11]、王飛等[4]的研究結(jié)果差異較大，但變化趨勢(shì)與許炯心[17]研究結(jié)果相同;汛期輸沙量平均增加幅度161.88%，變化趨勢(shì)與王飛等1987—1996年延河流域汛期[4]和許炯心黃河中游河龍區(qū)間[13]的研究結(jié)果相同。

3.3 人類活動(dòng)對(duì)延河徑流量和輸沙量變化影響的差異性

在相似年降水條件下人類活動(dòng)對(duì)徑流和泥沙影響比例不同，尹國(guó)康統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，同一時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響幅度大于對(duì)輸沙量的影響[18];冉大川等[11]、王飛等[4]研究認(rèn)為，同期人類活動(dòng)對(duì)泥沙量的影響大于對(duì)徑流量的影響。研究表明在相似年降水條件下，同期人類活動(dòng)造成年和汛期輸沙量的平均變化幅度分別為徑流量的3倍和2倍。

[1] 朱顯漠.黃土高原水蝕的主要類型及其相關(guān)因素[J].水土保持通報(bào)，1981，1(3):1-9.

[2] 穆興民，王飛，李靖，等.水土保持措施對(duì)河川徑流影響的評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展[J].水土保持通報(bào)，2004，24(3):73-78.

[3] 穆興民，王文龍.水利水保工程對(duì)佳蘆河流域暴雨洪水影響分析[J].水土保持通報(bào)，2000，20(7):24-27.

[4] 王飛，穆興民，焦菊英，等.基于含沙量分段的人類活動(dòng)對(duì)延河水沙變化的影響分析[J].泥沙研究，2007(4):8-13.

[5] 朱恒峰，趙文武，康慕誼，等.水土保持地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)汛期徑流影響的估算[J].水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(3):400-406.

[6] 穆興民.黃土高原水土保持對(duì)河川徑流及土壤水文的影響[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2002.

[7] 王飛，穆興民，李銳，等.相似性降水條件下北洛河水沙變化特征[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2008，19(6):36-40.

[8] 張攀，姚文藝，冉大川.水土保持綜合治理的水沙響應(yīng)研究方法改進(jìn)探討[J].水土保持研究，2008，15(2):174-176.

[9] 穆興民，李靖，王飛，等.基于水土保持的流域降水—徑流統(tǒng)計(jì)模型及其應(yīng)用.水利學(xué)報(bào)，2004(5):122-128.

[10] 段喜明，吳普特，陳曉兵，等.水土保持和氣候波動(dòng)對(duì)三川河水沙變化的影響[J].人民黃河，2006，28(5):53-55.

[11] 王國(guó)慶，張建云，賀瑞敏.環(huán)境變化對(duì)黃河中游汾河徑流情勢(shì)的影響研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(6):853-858.

[12] 許炯心.人類活動(dòng)對(duì)黃河河川徑流的影響[J].水科學(xué)進(jìn)展，2007，18(5):649-655.

[13] 徐東霞，章光新，尹雄銳.近50年嫩江流域徑流變化及影響因素分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20(3):416-421.

[14] 常丹東，王禮先.水土保持對(duì)黃河年徑流量影響研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2005(2):37-61.

[15] 冉大川，柳林旺，趙力儀，等.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持與水沙變化[M].鄭州:黃河水利出版社，2000.

[16] 李淼，宋孝玉，沈冰，等.人類活動(dòng)對(duì)黃土溝壑區(qū)小流域水沙影響的研究[J].水土保持通報(bào)，2005，25(5):20-23.

[17] 許炯心.黃河中游多沙粗沙區(qū)水土保持減沙的近期趨勢(shì)及其成因[J].泥沙研究，2004(2):5-10.

[18] 尹國(guó)康.黃河中游粗沙多沙區(qū)水沙變化原因分析[J].地理學(xué)報(bào)，1998，53(2):174-182.