劉惠英， 高強(qiáng)

(1.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)學(xué)院，330099，南昌；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，210098，南京；3.長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，430010，武漢)

三峽庫(kù)區(qū)龍河流域水沙關(guān)系驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率分析

劉惠英1， 高強(qiáng)2，3

(1.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)學(xué)院，330099，南昌；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，210098，南京；3.長(zhǎng)江科學(xué)院水土保持研究所，430010，武漢)

為揭示三峽庫(kù)區(qū)輸沙量急劇減小過程中，自然因素和人類活動(dòng)的相對(duì)貢獻(xiàn)率，以庫(kù)區(qū)腹心地帶的龍河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用1963—2010年流域日降雨和年輸沙資料，借助通用土壤流失方程、降雨侵蝕力簡(jiǎn)易模型和Pettitt檢驗(yàn)等方法，計(jì)算流域年降雨量、年降雨侵蝕力和年輸沙量的變化趨勢(shì)和突變，并以降雨侵蝕力為自然因素代表，采用雙累積曲線法分析自然因素和人類活動(dòng)在龍河流域水沙關(guān)系變化中的相對(duì)貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：以1963—1981年為基準(zhǔn)期，在1982—1990年、1991—1999年和2000—2010年3個(gè)時(shí)段，人類活動(dòng)對(duì)龍河流域水沙關(guān)系變化的貢獻(xiàn)率分別為106.5%、78.4%和67.8%；以降雨量作為自然因子時(shí)，1982—1990年、1991—1999年和2000—2010年3個(gè)時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)龍河流域水沙關(guān)系變化的貢獻(xiàn)率則為99.7%、97.1和85.9%。研究表明，水土保持和水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)對(duì)龍河流域輸沙量變化影響顯著，研究結(jié)果對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)流域水土保持效益具有重要的指導(dǎo)意義。

水沙關(guān)系； 龍河流域； 人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率； 降雨侵蝕力； 雙累積曲線

水土流失是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的重大生態(tài)問題之一，是我國(guó)首要的環(huán)境問題。全國(guó)第一次水利普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)土壤侵蝕總面積(水蝕和風(fēng)蝕)294.91萬km2，占國(guó)土面積的31.12%。而土壤流失與產(chǎn)沙的研究是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其不僅受自然因素制約和人類活動(dòng)的干擾，且侵蝕產(chǎn)沙的各個(gè)影響因素之間也存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。

三峽庫(kù)區(qū)支流是庫(kù)區(qū)泥沙及非點(diǎn)源污染物重要來源區(qū)域之一，對(duì)水庫(kù)淤積和水質(zhì)都有直接的影響[1-3]。三峽庫(kù)區(qū)是長(zhǎng)江上游四大重點(diǎn)水土保護(hù)片區(qū)之一，我國(guó)政府已將該區(qū)列為全國(guó)水土流失重點(diǎn)防治區(qū)。龍河流域所處區(qū)域是我國(guó)生物多樣性重要區(qū)域之一。因庫(kù)區(qū)移民以及搬遷對(duì)土地?cái)_動(dòng)強(qiáng)烈，流域內(nèi)水土流失受人類活動(dòng)影響較大，進(jìn)而對(duì)流域水沙關(guān)系產(chǎn)生顯著的影響。自1989年以來，流域內(nèi)相繼實(shí)施了包括“長(zhǎng)江上游水土保持重點(diǎn)防治工程”(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)治工程”)、“天然林資源保護(hù)工程”(簡(jiǎn)稱“天保工程”)及“退耕還林還草工程”，這些工程及水電開發(fā)使流域下墊面以及流域產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律都發(fā)生了顯著的變化[4-10]。以往對(duì)該流域的研究多集中在流域生態(tài)需水、流域生態(tài)健康及安全評(píng)價(jià)等方面，對(duì)流域水沙關(guān)系變化都未涉及[11-13]。查明水沙關(guān)系變化特征、趨勢(shì)以及自然因素和人類活動(dòng)對(duì)流域水沙關(guān)系的影響程度，對(duì)于揭示三峽水庫(kù)區(qū)間土壤侵蝕產(chǎn)沙機(jī)制、影響因素和變化趨勢(shì)、水土流失治理成效、減緩庫(kù)區(qū)泥沙淤積和延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命等方面具有重大而深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。

流域水沙關(guān)系受到自然因素和人類活動(dòng)的雙重影響[4-15]。以往研究[4-9]多針對(duì)長(zhǎng)江上游及其支流的水沙關(guān)系變化及人類活動(dòng)發(fā)揮的作用。在研究流域水沙關(guān)系變化驅(qū)動(dòng)因素時(shí)，研究者多將自然因素的代表定為降雨量[5,14-15]，并直接將降雨量和輸沙量建立聯(lián)系來分析降雨和人類活動(dòng)對(duì)輸沙關(guān)系的影響程度；但從通用土壤流失方程(USLE)來看，土壤流失量與降雨侵蝕力直接有關(guān)而非降雨量。雖然很多研究證明降雨侵蝕力是與降雨量有關(guān)的函數(shù)，但是將降雨量直接作為自然因素代表來分析其對(duì)水沙關(guān)系貢獻(xiàn)率結(jié)果的準(zhǔn)確性須商榷。為深刻認(rèn)識(shí)以上問題，本研究以USLE為研究的理論基礎(chǔ)，借助雙累積曲線法，以降雨侵蝕力為自然因子代表，結(jié)合被廣泛使用的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易模型對(duì)龍河流域1963—2010年的輸沙量變化及自然和人類活動(dòng)對(duì)水沙關(guān)系的影響程度進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

龍河流域(E 107°37′～108°40′，N 29°33′～30°17′)位于三峽庫(kù)區(qū)腹心地帶，是長(zhǎng)江右岸的一級(jí)支流。地勢(shì)總體為西北低而東南高，呈明顯的起伏式下降。流域涉及石柱縣和豐都縣共28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。地形以山地為主，是三峽庫(kù)區(qū)的重點(diǎn)治理區(qū)之一。龍河流域總面積2 910.0 km2，干流長(zhǎng)140.0 km，平均坡降4.8‰。石柱縣境內(nèi)干流長(zhǎng)80.6 km，流域面積1 485.0 km2，多年平均流量28 m3/s。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，季節(jié)變化明顯[10-13]。流域降雨量多年平均值為1 394 mm，暴雨(日降雨量>50 mm)日多集中于5月至9月，次暴雨的歷時(shí)大多在24 h左右，實(shí)測(cè)最大24 h雨量為326.9 mm(悅來場(chǎng)站，1982年7月16日08時(shí)至17日08時(shí))。多年平均氣溫為16.5 ℃，極端最高和最低氣溫分別為40.2 ℃和-4.7 ℃。

流域內(nèi)高海拔區(qū)植被較好，河谷附近植被較差。懸移質(zhì)泥沙主要來自流域內(nèi)大面積表土沖刷，推移質(zhì)則主要來自支溝滑坡與泥石流。流域土地利用類型主要是耕地、林地、草地及建設(shè)用地，所占比例分別為28.0%、38.8%、9.9%和6.7%。流域共有小水庫(kù)、小水電站70多座。近年建設(shè)的藤子溝、萬勝壩、老鴰石和龍地壩4個(gè)大中型水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)到了3.8億m3。流域面積大，河床小，地形地貌、自然地質(zhì)條件復(fù)雜及庫(kù)區(qū)移民安置和城市搬遷等人為土地?cái)_動(dòng)，導(dǎo)致龍河流域的土壤侵蝕加重。流域坡耕地面積占比較大(30%)，受地理?xiàng)l件及河流特性的影響，生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)要素之間失去了平衡。嚴(yán)重的水土流失，使得植被和土壤對(duì)小氣候調(diào)節(jié)的功能被削弱，加劇了自然災(zāi)害的危害。同時(shí)大量的水土泥沙通過龍河間接進(jìn)入長(zhǎng)江生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)長(zhǎng)江流域的生態(tài)系統(tǒng)平衡起到較大的破壞作用。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

石柱水文站位于重慶市石柱縣南賓鎮(zhèn)(E 108°08′，N 30°00′)。自1963年開始進(jìn)行泥沙監(jiān)測(cè)，是三峽庫(kù)區(qū)支流中泥沙監(jiān)測(cè)歷史最長(zhǎng)的站點(diǎn)，具有相當(dāng)重要的典型性和代表性。該站集水面積898 km2，為區(qū)域代表站，屬國(guó)家基本水文站網(wǎng)。石柱水文站以上共有6個(gè)雨量站(圖1和表1)。本文所用降雨和泥沙基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來自長(zhǎng)江水利委員會(huì)編撰的水文年鑒。文中所用降雨量和降雨侵蝕力為流域內(nèi)石柱及以上6個(gè)雨量站按泰森多邊形計(jì)算所得。

圖1 龍河流域地理位置圖Fig.1 Location of the Longhe River watershed

表1 龍河流域雨量站位置信息和年降雨特征

2.2 分析方法

2.2.1 通用土壤流失方程 USLE方程：W=RKLSCP。式中：W為多年平均土壤流失量，t/ha；R、K、L、S、C和P分別為降雨侵蝕力因子、土壤因子、坡長(zhǎng)因子、坡度因子、植被因子和管理因子。該方程雖基于坡面提出，但在實(shí)際中被廣泛的應(yīng)用在流域或者區(qū)域尺度中來估算年土壤流失量。對(duì)方程各影響因子作以下處理：降雨侵蝕力因子R通常隨時(shí)間變化，可看作自然因子代表；K被認(rèn)為和土壤性質(zhì)有關(guān)，隨時(shí)間變化緩慢，可認(rèn)為是定值；L和S一般變化較小，但是因流域內(nèi)各種工程措施如“坡地改梯田”等的影響，會(huì)使其發(fā)生明顯變化，為便于研究，也可將L、S看成定值，兩者的變化可以被歸結(jié)到C、P中去；C和P因受人類活動(dòng)影響較大，劃分成人類活動(dòng)影響因子。據(jù)此，土壤流失量的影響因子可分成自然因子和人類活動(dòng)影響因子2類。令M=KLS，H=CP，則USLE方程可簡(jiǎn)化為：W(t)=MR(t)H(t)，式中t為時(shí)間。繼續(xù)令F=R(t)H(t)，對(duì)W求全微分，

(1)

將式(1)微分化成差分方程

(2)

式中：ΔW、ΔR和ΔH分別為流域在某單位時(shí)段內(nèi)輸沙、降雨侵蝕力和人類活動(dòng)的變化量；降雨和人類活動(dòng)對(duì)流域輸沙變化的貢獻(xiàn)率可分別表示為：

(3)

(4)

式中CR和CH分別為降雨和人類活動(dòng)對(duì)流域輸沙變化的貢獻(xiàn)率。

2.2.2 侵蝕力計(jì)算方法 在計(jì)算R時(shí)，侵蝕性降雨多采用降雨量標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外侵蝕性降雨多取日降雨量12.7 mm/d；在我國(guó)由于研究區(qū)域不同，侵蝕性降雨有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，普遍采用的日侵蝕性降雨為12 mm/d和10 mm/d。為便于成果對(duì)照，本文將侵蝕性日降雨量標(biāo)準(zhǔn)定為12 mm/d。算法采用半月時(shí)段計(jì)算模型[16]來計(jì)算：

(5)

式中:Rk,semi-month為第k個(gè)半月的降雨侵蝕力，MJ·mm/ha·h；Pdk為第k個(gè)半月的侵蝕性日降雨量，mm/d；j為第k個(gè)半月的日數(shù)，j=13，14，15，16；a和b是反映當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞯哪Ｐ蛥?shù)，計(jì)算公式如下：

(6)

a=21.586b-7.189 1。

(7)

式中Pd12和Py12分別為日降雨量≥12 mm的日平均雨量及年平均雨量。

2.2.3 Pettitt突變檢測(cè) Pettitt突變點(diǎn)檢測(cè)方法是Pettitt在1979年提出的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，該方法不僅能夠判斷序列中突變點(diǎn)的位置，還能判斷這些突變點(diǎn)是否在統(tǒng)計(jì)意義上顯著。計(jì)算步驟為：對(duì)于長(zhǎng)度為n的時(shí)間序列{X1，X2，…，Xn}，定義統(tǒng)計(jì)量

(8)

(9)

式中α為顯著性水平。原假設(shè)H0為序列不存在突變點(diǎn)，若滿足K≥Kα則認(rèn)為在顯著性水平α?xí)r檢測(cè)出的突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的[17-18]。

2.2.4 雙累積曲線 雙累積曲線(Double Mass Curve，簡(jiǎn)稱DMC)是目前用于水文氣象要素一致性或長(zhǎng)期演變趨勢(shì)分析中最簡(jiǎn)單、最直觀、最廣泛的方法，最早由學(xué)者M(jìn)erriam于1937年用于美國(guó)Susquehanna流域降雨資料的一致性分析，Langbein對(duì)其做了理論解釋，自1948年一直被美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局所使用[19-21]。我國(guó)學(xué)者對(duì)雙累積曲線的應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題也進(jìn)行了一定的探討，具體做法參照文獻(xiàn)[14，22]。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨量、降雨侵蝕力、徑流量和輸沙量的年變化特征

如圖2所示，龍河流域1963—2010年均降雨量為1 180.0 mm/a，變差系數(shù)為0.17，降雨極值比為2.5。流域多年平均降雨侵蝕力為5 529.9 MJ·mm/(hm2·h·a)，變差系數(shù)為0.34，極值比為5.53，年際間徑流變化懸殊，大于降雨量的極值比和變差系數(shù)。就流域降雨侵蝕力年代特征來看，20世紀(jì)90年代最大，為6 312.5 MJ·mm/(hm2·h·a)，2000年后侵蝕力最小，為4 391.7 MJ·mm/(hm2·h·a)，比90年代減小30.4%。流域多年平均徑流量為6.1億m3，多年變差系數(shù)為0.27，年極大值與極小值的比值接近5。

龍河流域多年平均輸沙量為51.3萬t，變差系數(shù)為1.7，屬于強(qiáng)變異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨、徑流和侵蝕力的變化，輸沙極值比達(dá)到了432.4，分別是侵蝕力極值比的78倍、徑流的89倍和降雨的174倍。輸沙量年代特征中，以20世紀(jì)80年代的均值最大，2000年后的均值最小，前者是后者的9倍；同時(shí)20世紀(jì)80年代年輸沙量的變差系數(shù)為1.3，是整個(gè)時(shí)段的最大值，而20世紀(jì)70年代輸沙量變差系數(shù)為0.5是最小值。

圖2 龍河流域1963—2010年降雨量和輸沙量變化Fig.2 Annual precipitation and sediment at Shizhu station in the Longhe River watershed during 1963—2010

流域降雨、降雨侵蝕力、徑流量的變化趨勢(shì)不明顯，而年輸沙量有明顯的先增大后減小特點(diǎn)。龍河流域是典型的山地流域，山區(qū)植被相對(duì)較好，河流含沙量自上而下逐漸增加。龍河流域懸移質(zhì)含沙量的年內(nèi)變化，主要受降雨和徑流變化影響。流域在1982年輸沙達(dá)482.2萬t，為有記錄以來的最大值；當(dāng)年發(fā)生了70年一遇洪水，年降雨量為1 853 mm； 1982—1984連續(xù)3年產(chǎn)沙量均超過80萬t/a，3年產(chǎn)沙量總和663.7萬t，比1963—1990連續(xù)28年產(chǎn)沙量總和的1/3還多。2000年后尤其是2007年以后，年產(chǎn)沙量減小顯著，2008—2010連續(xù)3年產(chǎn)沙量總和僅為6.3萬t，僅占2001—2010連續(xù)10年產(chǎn)沙量總和的11.3%。

3.2 年降雨、降雨侵蝕力和年輸沙突變分析

對(duì)龍河流域降雨、侵蝕力和輸沙序列進(jìn)行Pettitt檢驗(yàn)(圖3)。依據(jù)檢驗(yàn)方法，流域降雨在1982年，流域降雨侵蝕力在2000年，流域輸沙在1990年均發(fā)生了突變。其中流域輸沙的突變超過了α=0.01顯著性水平，降雨突變超過了α=0.10顯著性水平，年降雨侵蝕力突變的不顯著，故以1982年、1990年和2000年作為分段點(diǎn)。

圖3 龍河流域年降雨量、年降雨侵蝕力和年輸沙量的Pettitt檢驗(yàn)圖Fig.3 Pettitt detection of annual precipitation, rainfall erosivity and sediment load in the Longhe River watershed

一般情況下，流域水沙特性如發(fā)生系統(tǒng)變化，在水沙雙累積關(guān)系線上將表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折，即累積曲線斜率會(huì)發(fā)生明顯變化，據(jù)此判斷其是否受人類活動(dòng)影響[9-10]。本文采用降雨侵蝕力因子作為自然因子的代表，研究龍河流域水沙變化的驅(qū)動(dòng)因子，建立龍河流域降雨侵蝕力—輸沙的雙累積曲線并擬合各時(shí)段曲線方程(圖4)。雙累積曲線表明輸沙量存在明顯的階段性特征，各段線形擬合方程的相關(guān)系數(shù)均通過了顯著性檢驗(yàn)。

圖4 龍河流域年降雨侵蝕力—輸沙量雙累積曲線變化趨勢(shì)及拐點(diǎn)Fig.4 Trend of double cumulative curve of rainfall erosivity-sediment and mutation points of the Longhe River watershed

各時(shí)段累積降雨侵蝕力與累積輸沙量關(guān)系如下：

1963—1981:Y=0.007X-24.0，R2=0.996，P<0.001；

(10)

1982—1990:Y=0.009X+192.8，R2=0.983，P<0.001；

(11)

1991—1999:Y=0.009X+171.8，R2=0.986，P<0.001；

(12)

2000—1010:Y=0.002X+1 719；R2=0.973，P<0.001。

(13)

式中：X為累積降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a)；Y為累積輸沙量，萬t。

3.3 輸沙量變化特征及驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)率計(jì)算

將影響流域產(chǎn)沙量變化的自然因素簡(jiǎn)化為降水導(dǎo)致的降雨侵蝕力，非自然因素歸結(jié)為人類活動(dòng)。人類活動(dòng)的影響有多種方面，包括引水、水庫(kù)和淤地壩攔水、水土保持措施的實(shí)施等。該流域分項(xiàng)水土保持措施的年數(shù)值難以完全收集，此外一些統(tǒng)計(jì)失實(shí)，難以進(jìn)行單項(xiàng)水土保持措施的歸因分析，故這里僅討論人類活動(dòng)的綜合影響在輸沙量變化中的貢獻(xiàn)率。

龍河流域在20世紀(jì)70年代后期雖有人們砍林開荒等擾動(dòng)破壞，但通過比較發(fā)現(xiàn)，在1963—1981年間年輸沙量的變差系數(shù)為0.53，與1963—2010年變差系數(shù)1.7相比小很多；同時(shí)在1963—1972年、1973—1981年、1978—1981和1963—1981年4個(gè)時(shí)段年均輸沙量分別為36.9萬t/a、43.9萬t/a 、38.5萬t/a 和40.2萬t/a，各時(shí)段年輸沙變化均較?。汗式Y(jié)合流域?qū)嶋H，將人類活動(dòng)影響較小的1963—1981年定為基準(zhǔn)期，分別將1982—1990年、

1991—1999年和2000—2010年降雨侵蝕力代入基準(zhǔn)期1963—1981年的降雨侵蝕力輸沙關(guān)系，得到不同時(shí)段在人類活動(dòng)沒有變化時(shí)流域計(jì)算輸沙量。各時(shí)段計(jì)算輸沙量與基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)輸沙量差值即為降雨侵蝕力變化對(duì)流域輸沙的影響量；各時(shí)段實(shí)測(cè)輸沙量與基準(zhǔn)期輸沙量的差值即為各時(shí)段輸沙量的變化量；各時(shí)段輸沙的變化量與降雨侵蝕力對(duì)流域輸沙影響量的差值即為各時(shí)段人類活動(dòng)的影響輸沙量，該值與同期計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之差相等，均為人類活動(dòng)干擾輸沙量。人類活動(dòng)影響輸沙量與同期實(shí)測(cè)輸沙變化量的比值即為人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率。

降雨侵蝕力和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率結(jié)果見表2。1982—1990年時(shí)段年均輸沙量由1963—1981年的40.2萬t/a增大到111.5萬t/a，輸沙量變化為71.3萬t/a。因降雨侵蝕力變化而導(dǎo)致流域輸沙量變化為-4.6萬t/a，因人類活動(dòng)而引起該時(shí)段輸沙的變化量為75.9萬t/a。在1982—1990年時(shí)段，因降雨侵蝕力變化而導(dǎo)致的年輸沙相對(duì)于基準(zhǔn)期是減小的，而年輸沙量相對(duì)于基準(zhǔn)期是增大的，即降雨侵蝕力和輸沙量的變化方向是相反的，表明在該時(shí)段人類活動(dòng)程度極其強(qiáng)烈，人類活動(dòng)導(dǎo)致的流域輸沙增大不僅抵消了侵蝕力減小導(dǎo)致的減沙效益，而且還使流域年輸沙相對(duì)于基準(zhǔn)期增大了188.8%，其對(duì)流域輸沙量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然因素。雖然貢獻(xiàn)率總和為100%，但人類活動(dòng)的表現(xiàn)為增沙，貢獻(xiàn)率為106.5%，降雨侵蝕力表現(xiàn)為減沙，貢獻(xiàn)率為-6.5%。在1991—1999年和2000—2010年時(shí)段，年均輸沙量分別為61.0萬t/a和13.2萬t/a，相對(duì)基準(zhǔn)期，其變化量分別為20.8萬t/a和-27.0萬t/a。在2個(gè)時(shí)段人類活動(dòng)的增沙貢獻(xiàn)率分別為78.4%和67.8%。3個(gè)時(shí)段人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率依次降低，而自然因素貢獻(xiàn)率在增強(qiáng)，表明龍河流域經(jīng)過人類活動(dòng)的破壞、水土保持治理和水利工程建設(shè)，已呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢(shì)，在將來的流域水沙關(guān)系中，自然因素將占據(jù)主導(dǎo)地位。

表2 龍河流域降雨侵蝕力和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率分析

建立累積降雨量—累積輸沙量的雙累積關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，不同時(shí)段降雨和人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率見表3。與表2對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在1991—1999年和2000—2010年，輸沙變化量與降雨影響量、降雨侵蝕力影響量的變化一致；在1982—1990年，因降雨量變化而影響的流域輸沙量是增加的，而降雨侵蝕力導(dǎo)致的流域輸沙量是減小的，2個(gè)指標(biāo)的影響量變化不一致。通過對(duì)流域降雨特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于基準(zhǔn)期，1982—1990年年均降雨量?jī)H增加了0.6%，但侵蝕性降雨在總降雨量中的比重由1963—1981的65.7%減小到64.7%，即降雨總量雖然增加，侵蝕性降雨量所占比重減小，降雨侵蝕力反而減小，導(dǎo)致在以降雨侵蝕力計(jì)算自然因子的貢獻(xiàn)率為負(fù)，而以降雨量計(jì)算自然因子貢獻(xiàn)率為正。

表3 龍河流域降雨和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化貢獻(xiàn)率分析

對(duì)比2個(gè)指標(biāo)在1991—1999年和2000—2010年2個(gè)時(shí)段的計(jì)算結(jié)果，利用降雨量計(jì)算出來的人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率大于采用降雨侵蝕力時(shí)的人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率。與許炯心[4，6]、杜俊等[5]在長(zhǎng)江上游的研究結(jié)果相比，以侵蝕力計(jì)算出來的人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率與之更為接近。

3.4 輸沙量變化成因分析

降雨變化、毀林開荒、水土保持措施實(shí)施、水利工程建設(shè)是影響龍河流域輸沙變化的主要因素。

1)降雨作為影響流域輸沙的動(dòng)力因素，對(duì)流域輸沙量變化有一定的影響，但是從龍河流域的降雨特征變化和對(duì)輸沙的貢獻(xiàn)率來看，其對(duì)流域輸沙的影響有限。

2)1982年流域發(fā)生70年一遇的大洪水，年輸沙量達(dá)482萬t；從1983年開始，當(dāng)?shù)亻_始實(shí)行農(nóng)村家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，加之流域所處的石柱縣改為石柱土家族自治縣，國(guó)家政策的逐步放開，土地承包到戶，當(dāng)?shù)厝罕娛芾骝?qū)使，大肆砍伐分得的森林，使流域森林植被大幅度降低，加劇水土流失[3,5,6,23]。流域1982—1990年比1963—1981年年均輸沙量增大71.3萬t/a，剔除1982年大洪水的影響，1983—1990年的輸沙均值也達(dá)到了65.0萬t/a，比基準(zhǔn)期高61.7%。到20世紀(jì)80年代末期時(shí)，石柱的森林覆蓋率僅為10.97%，達(dá)到了歷史最低值[23]。

3)自1989年開始，石柱縣被國(guó)家列為“長(zhǎng)治工程”重點(diǎn)治理縣，通過“長(zhǎng)治工程”一期、三期和五期、生態(tài)修復(fù)及中央預(yù)算內(nèi)資金項(xiàng)目的實(shí)施，共治理水土流失面積443.86 km2，涉及16條小流域，措施包括坡改梯37.2 km2、水保林101.9 km2、經(jīng)果林51.6 km2、封禁185.6 km2及保土耕作96.0 km2。此外修建了500多口蓄水池、3萬多座沉沙函，整治了300多座堰塘，遏制了水土流失加劇的勢(shì)頭。2000年后龍河流域又先后實(shí)施了“天保工程”一期、二期和“退耕還林工程”， 1991—1999年和2000—2010年2個(gè)時(shí)段年均輸沙量分別為61.0萬t/a和13.2萬t/a，各項(xiàng)工程的水土保持成效顯著。目前流域的林草覆蓋率已增大到48.7%[10]。各項(xiàng)工程為龍河上游的水土流失治理打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

4)流域內(nèi)水利工程較多，自20世紀(jì)80年代龍河上修建了多個(gè)水庫(kù)和水電站，如安子溝水庫(kù)、龍池壩水庫(kù)等。2007年正式蓄水的藤子溝水電站，是龍河梯級(jí)開發(fā)方案中的龍頭骨干工程，對(duì)石柱站輸沙量影響較大。藤子溝水電站正式蓄水后2008—2010年輸沙不足3萬t/a，較前3年下降了85.5%。

4 結(jié)論

1)龍河流域1963—2010年降雨量和輸沙量都呈減小趨勢(shì)。降雨量、降雨侵蝕力和輸沙量突變分別發(fā)生在1982年、2000年和1990年，年降雨突變達(dá)到α=0.10顯著性水平，年輸沙達(dá)到了α=0.01顯著性水平，降雨侵蝕力的突變不顯著。

2)以降雨侵蝕力表征自然因素對(duì)水沙關(guān)系的影響，以1963—1981年為基準(zhǔn)期，在1982—1990年、1991—1999年和2000—2010年3個(gè)時(shí)段，人類活動(dòng)對(duì)龍河流域水沙關(guān)系的貢獻(xiàn)率分別為106.5%、78.4%和67.8%，表明隨著時(shí)間推移，人類活動(dòng)對(duì)流域水沙變化的影響作用逐漸減小。以降雨為自然因子代表時(shí)，1982—1990年、1991—1999年和2000—2010年3個(gè)時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)龍河流域水沙關(guān)系變化的貢獻(xiàn)率分別為99.7%、97.1%和85.9%。這2種方法均顯示人類活動(dòng)在水沙關(guān)系中的主導(dǎo)地位，也均表明了隨著流域水沙關(guān)系的良性運(yùn)行，自然因素的作用在逐步增強(qiáng)。

3)龍河流域水沙關(guān)系變化的原因在于先后經(jīng)歷了“長(zhǎng)治工程”“天保工程”“退耕還林還草工程”及水電開發(fā)工程(2007年藤子溝水電站的建立)，水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等人類活動(dòng)的作用對(duì)該流域輸沙量變化影響顯著，表明隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng)，流域生態(tài)環(huán)境得到改善，水土流失得到治理。研究對(duì)于評(píng)價(jià)水土保持工程效益具有重要的指導(dǎo)意義。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸沙量和降雨侵蝕力變化趨勢(shì)不一致時(shí)，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率超過了100%，對(duì)于采用雙累積曲線來定量評(píng)估自然因素和人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率需要考慮改進(jìn)雙累積曲線的適用條件。

[1] 李鳳清，葉麟，劉瑞秋，等.香溪河流域水體環(huán)境因子研究[J].生態(tài)科學(xué)，2007，26(3)：199-207

[2] 蔡慶華，孫志禹.三峽水庫(kù)水環(huán)境與水生態(tài)研究的進(jìn)展與展望[J].湖泊科學(xué)，2012，24( 2)：169-177

[3] 史德明，楊艷生.三峽庫(kù)周地區(qū)土壤侵蝕對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙來源的影響極其對(duì)策[C]∥長(zhǎng)江三峽工程對(duì)生態(tài)與環(huán)境的的影響及其對(duì)策研究論文集.北京：科學(xué)出版社，1987：498-521

[4] 許炯心.人類活動(dòng)和降水變化對(duì)嘉陵江流域侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].地理科學(xué)，2006，26(4)：432-437

[5] 杜俊，師長(zhǎng)興，張守紅，等.人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江上游近期輸沙變化的影響[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2010，29(1)：15-22

[6] 許炯心.長(zhǎng)江上游干支流近期水沙變化及其與水庫(kù)修建的關(guān)系[J].山地學(xué)報(bào)，2009，27(4)：385-393

[7] 毛紅梅，裴明勝.近期人類活動(dòng)對(duì)嘉陵江流域水沙量影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2002，16(5)：101-104

[8] 許全喜，石國(guó)鈕，陳澤方.長(zhǎng)江上游近期水沙變化特點(diǎn)及其趨勢(shì)分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(4)：20-26

[9] 馬穎，李瓊芳，王鴻杰，等.人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江干流水沙關(guān)系的影響的分析[J].水文，2008，28(2)：38-42

[10] 王成.龍河流域土地利用/覆被變化與土壤侵蝕效應(yīng)評(píng)價(jià)[D] .重慶：西南大學(xué)，2013：11-14

[11] 張國(guó)平.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的龍河流域生態(tài)系統(tǒng)健康研究[D] .重慶：重慶大學(xué)，2006：3-20

[12] 王輝.龍河流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007：9-10

[13] 向力.龍河流域生態(tài)需水量研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006：18-25

[14] 高鵬，穆興民，王飛.近60年贛江水沙變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012(1)：56-59

[15] 徐學(xué)選，高朝俠，趙嬌娜.1956—2009年延河水沙變化特征及其驅(qū)動(dòng)力研究[J].泥沙研究，2012(2)：12-18

[16] 章文波，謝云，劉寶元.利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學(xué)，2002，22(6)：705-711

[17] Pettitt A N. A non-parametric approach to the change point problem [J]. Applied Statistics，1979，28(2)： 126-135

[18] Wan Zawish，Wan Zin，Suhaila Jamaludin，et al. Recent changes in extreme rainfall events in Peninsular Malaysia: 1971-2005[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2010, 99(3-4)： 303-314

[19] Mcrriam C F. A comprehensive study of rainfall on the Susquehanna Valley [J].Trans Amer Geophys Union，1937, 18(2)： 471-476

[20] Searcy J K， Hardison C H. Double-mass curves [J]. US Geological Survey Water Supply Paper，1960：31-65

[21] Ortiz R F. Methods to Identify Change in Background Water Quality Conditions Using Dissolved-Solids Concentrations and Loads as Indicators， Arkansas River and Fountain Creek， in the Vicinity of Pueblo， Colorado[M]. U.S. Department of the Interior and U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report， 2004：1-24

[22] 穆興民，張秀勤，高鵬，等.雙累積曲線方法理論及在水文氣象領(lǐng)域應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J].水文，2010，30(4)：47-51

[23] 金義興，陳卓良，鄭重，等.長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)植被及環(huán)境考察報(bào)告[J].武漢植物學(xué)研究，1984(增刊2):9

(責(zé)任編輯：郭雪芳)

Contribution rate of driving factors on the rainfall-sediment relationship of Longhe River watershed in the Three Gorges Reservoir region

Liu Huiying1， Gao Qiang2，3

(1.College of Hydraulic and Ecological Engineering， Nanchang Institute of Technology，330099，Nanchang，China；2.College of Environrnent，Hohai University，210098， Nanjing， China；3.Yangtze River Scientific Research Institute，430010，Wuhan，China)

In order to elucidate the contribution rate of remarkable decline of sediment load in the Three Gorges Reservoir region, this study took the Longhe River watershed, the center of the Three Gorges Reservoir in the upper Yangtze River basin，as an example, revealed the changing trends and mutation points of annual precipitation, rainfall erosivity and sediment load from 1963 to 2010 with the help of universal soil loss equation, simplified model of rainfall erosivity and Pettitt test. The contribution rate of the human intervention to increasing sediment was analyzed when the rainfall erosivity was taken as the indicator of natural factor in whole period with double cumulative curve method. The result showed that there were some mutation points of annual precipitation in 1982， sediment load in 1990 and rainfall erosivity in 2000, respectively. Using the double accumulative curve based on rainfall erosivity vs. sediment, the whole period was divided into four phases: 1963-1981, 1982-1990, 1991-1999 and 2000-2010. The result also showed that the contribution rates of human activity to increasing sediment in the Long River watershed during 1982-1990 and decreasing sediment during 1991-1999 and 2000-2010 were obtained based on the period of 1963-1981. The contribution rates of the human intervention were 106.5% during 1982-1990, 78.4% during 1991-1999 and 67.8% during 2000-2010, compared to that during 1963-1981. While taking rainfall as the natural factor, the contribution rates of human intervention to increasing sediment in the three periods mentioned above were 99.7%, 97.1% and 85.9% compared with that during 1963-1981. Our research proves that human activities such as conservation of water and soil, and water conservancy project, have a significant impact on rainfall-sediment relationship at the Longhe River watershed. The result is useful in correctly evaluating the benefit of of soil and water conservation measures in the similar watersheds.

rainfall-sediment relationship； Longhe river watershed； contribution rate of human intervention； rainfall erosivity； double cumulative curve

2015-01-15

2015-08-05

項(xiàng)目名稱：國(guó)家科技部重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目“水庫(kù)型流域水質(zhì)安全面源污染特征分析”(2012ZX07503- 002- 03)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于水資源系統(tǒng)演變不確定性的水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”(51309129)；江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金“贛江上游水沙時(shí)空演變及其對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)”(JXSB201303)

劉惠英(1973—)，女，碩士，講師。主要研究方向：坡面土壤侵蝕和流域水體監(jiān)測(cè)。E-mail： huiyingliu@nit.edu.cn.

S157； TV122

A

1672-3007(2015)05-0001-08