馬 靜，顧志剛，孫 一，屈 博

(1.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003)

氣候變化和人類活動是影響河川徑流規(guī)律變化的關(guān)鍵因子[1]。降雨量是氣候變化的主要表征形式，降雨通過改變降雨時空分布來改變流域徑流；人類活動通過改變下墊面條件促使產(chǎn)匯流過程發(fā)生改變[2]。近年來，隨著氣候變化和人類活動影響的加劇，自2000年以來，禿尾河流域高家川水文站入黃水沙量明顯減少，表明流域水沙情勢已明顯改變[3-7]。因此，通過分析水沙變化特征，探究水沙銳減成因，對于流域綜合治理具有重要意義。國內(nèi)學(xué)者針對禿尾河流域水沙問題已開展了大量研究。李占斌[8]等基于流域?qū)崪y降雨、洪水和泥沙資料，全面系統(tǒng)分析了洪水泥沙特性，研究流域泥沙產(chǎn)沙主要來源，并闡釋了流域高含沙水流產(chǎn)沙機(jī)理。高亞軍等[9]分析了高家川站徑流變化特征，通過建立降雨～徑流量之間的多元線性回歸模型，表明人類活動是流域徑流減少的主要因素。趙信峰等[10]采用小波分析法研究流域水沙變化振動周期，并采用多種相關(guān)統(tǒng)計分析方法確定了年徑流量和年輸沙量序列發(fā)生突變的年份。已往的研究采用多種統(tǒng)計分析方法分析了徑流、泥沙特性或水沙序列的變化規(guī)律，但對于水沙變化影響因素的定量分析方面研究相對較少。因此，本文研究分析流域近56 a歷年降雨量、徑流量和輸沙量不同時段的變化情況和演變特征，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法與滑動t檢驗(yàn)法分析并確定了徑流量序列和輸沙量序列發(fā)生突變的年份，利用雙累積曲線模型計算了人類活動的減水減沙值，以期為流域合理開發(fā)治理和水資源優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

禿尾河流域位于黃河頭道拐-龍門區(qū)間右岸，是黃河一級支流，河道全長約139.6 km，流域面積約3 290 km2，高家川水文站為流域出口控制水文站，河道平均比降約為0.387%。流域地處鄂爾多斯盆地東部，其上、中游屬于風(fēng)沙區(qū)，是流域基流產(chǎn)區(qū)，下游(高家堡水文站以下區(qū)域)屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，也是流域大洪水和粗泥沙的主要產(chǎn)區(qū)[11,12]。流域位置及水文站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 禿尾河流域位置及水文站點(diǎn)分布示意圖Fig.1 The location of Tuwei river and distribution of hydrological stations

近年來，隨著坡面措施、溝道治理、淤地壩、退耕還林等流域水土保持工程措施的實(shí)施，流域水土流失現(xiàn)象得到改善，流域來沙量減少顯著；另外，隨著流域內(nèi)能源化工工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)需水量急劇增加，水利工程如水庫、橡膠壩蓄水工程大量修建，流域徑流量銳減。

1.2 數(shù)據(jù)來源

高家堡水文站位于上游風(fēng)沙區(qū)，高家川水文站位于下游入黃口附近。本次研究的水沙數(shù)據(jù)，主要來自高家川站1956-2011年實(shí)測水沙整編數(shù)據(jù)。流域降雨量數(shù)據(jù)主要采用公草灣、狗家灘、圪丑溝等3座雨量站和高家川、高家堡實(shí)測降雨量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

2 研究方法

2.1 變異點(diǎn)分析法

目前，Mann-Kendall檢驗(yàn)法、R/S分析法和滑動t檢驗(yàn)法等是國內(nèi)外常用的時間序列突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法[13]，但R/S分析法易受樣本尺度大小的干擾，可能會產(chǎn)生估算誤差[14]。因此，本文擬采用Mann-Kendall法(簡稱“M-K檢驗(yàn)法”)和滑動t法等2種方法，來分析確定水、沙序列趨勢突變的時間點(diǎn)。

滑動t法在把既定時間序列劃分為2個等長子序列的基礎(chǔ)上，分別計算其對應(yīng)均值，并比較其差異程度，從而來確定序列是否發(fā)生突變。在有一定信度水平t的條件下，滿足使統(tǒng)計量T最大化的點(diǎn)，均為可能的突變點(diǎn)[15,16]。

M-K法由于不要求所分析數(shù)據(jù)服從某一概率分布，且定量化程度高，被廣泛應(yīng)用于非正態(tài)時間序列的分析中[17]。該檢驗(yàn)法通過建立趨勢方程，來反映序列變化趨勢，并通過繪制UF和UB2條曲線在一定信度水平α的交叉點(diǎn)，來判定序列的突變點(diǎn)[18]。

2.2 水沙變化驅(qū)動因素模型

通常情況下，氣候變化和人類活動的共同作用是造成流域水沙變化的主要驅(qū)動力。本文暫不考慮氣溫、蒸散發(fā)等影響因子，僅將降雨量作為氣候變化的表征因子。禿尾河流域在開展較大規(guī)模水土保持措施和用水量急劇增加之前，由于受人類活動影響較小(即下墊面變化較小時期)，可基本視為天然時期[19]，這一時期的水沙變化主要驅(qū)動因素為降雨量。分別建立降雨量與徑流量、輸沙量的雙累積曲線，根據(jù)分析曲線是否出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)且偏移，來判斷是否出現(xiàn)人類活動對流域水沙產(chǎn)生影響。

根據(jù)確定的水沙序列突變時間點(diǎn)，將時間序列劃分為基準(zhǔn)期和變化期，并以此建立降雨量與徑流量、輸沙量的雙累積曲線，分別得到基準(zhǔn)期和變化期的降雨與水、沙擬合回歸方程∑Ri= ∑Pi+a和∑Si=∑Pi+b。式中：Pi為降雨量序列；Ri為徑流量序列；Si為輸沙量序列。分別將變化期的降水量代入基準(zhǔn)期擬合方程，還原得到天然條件下的徑流量和輸沙量。還原計算后與實(shí)際水、沙量的差值即為氣候變化和人類活動因素引起的水、沙實(shí)際減少量。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨、徑流、泥沙特征與變化趨勢

表1為流域不同時期降雨量特征值。由表1可知，流域多年平均降雨量為391 mm，降雨序列變差系數(shù)Cv為0.292。20世紀(jì)50年代流域降水最多，多年均值為513 mm；60年代減少至441 mm，下降幅度為15.4%，且變差系數(shù)最大(0.401)，說明該時段年際差異大；70、80年代較60年代降雨量均值略有下降，分別為375和353 mm；90年代年均降水量為330 mm，2000年以后，降雨量均值增至404 mm。

由降雨量逐年變化過程可以看出(見圖2)：年降雨量下降趨勢不明顯，且在1970年以后，年降雨量相對穩(wěn)定，5 a滑動平均曲線基本在多年平均值(391 mm)上下波動。

流域降水年內(nèi)分配不均勻系數(shù)C為1.104，即季節(jié)分配不均勻。降雨多集中在汛期6-9月份，占多年平均降雨量均值的76.4%。汛期降雨主要集中在7月和8月，主要以高強(qiáng)度暴雨或大雨的形式發(fā)生，多年均值為209.9 mm，占多年降雨量均值的51.8%。降雨量年內(nèi)分配情況見圖3。

表1 禿尾河流域不同時期降雨量特征值Tab.1 The characteristics of the precipitation discharge in the Tuwei River basin in various decades

圖2 1956-2011年禿尾河流域年降雨量變化過程Fig.2 Precipitation in the Tuwei River basin during 1956-2011

圖3 禿尾河流域降雨量年內(nèi)分配Fig.3 The month average of the precipitation discharge

高家川站多年徑流量均值為3.261 億m3，變差系數(shù)Cv為0.282。20世紀(jì)50年代年均徑流量為4.236 億m3，60年代增至4.327 億m3，70年代以來，流域徑流量逐漸減少，2000-2011年年均徑流量為2.105 億m3，與1956-1969年均值相比減少了51.0%。汛期(7-10月)徑流量均值為1.230 億m3，占多年平均值的37.7%，其中7-8月份主汛期，徑流量均值為0.74 億m3，占年均徑流量的22.6%。高家川站不同時期徑流量特征見表2。

表2 高家川站不同時期徑流量特征值Tab.2 The characteristics of the runoff discharge in the Tuwei River basin in various decades

高家川站多年輸沙量均值為0.162 億t，變差系數(shù)Cv為1.141。20世紀(jì)50年代年均輸沙量為0.405 億t，60年代、70年代年均輸沙量基本持平，分別為0.260、0.234 億t，20世紀(jì)80年代和90年代年輸沙量較前期減少了50%，2000年以來，年均輸沙量銳減至0.019 億t，與1956-1969年均值相比減少了93.6%。汛期輸沙量為0.148 億m3，占年均輸沙量的91.6%，其中7-8月份，輸沙量高達(dá)83.5%，從側(cè)面反映出禿尾河流域主要為暴雨產(chǎn)沙。高家川站不同時期輸沙量特征見表3。

表3 高家川站不同時期輸沙量特征值Tab.3 The characteristics of the sediment discharge in the Tuwei River basin in various decades

3.2 水沙序列突變分析

采用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法分析流域年徑流量和年輸沙量趨勢特征，并利用滑動t檢驗(yàn)法共同確定水沙變異點(diǎn)。

(1)M-K檢驗(yàn)分析。對高家川站年徑流量、輸沙量序列分別進(jìn)行M-K趨勢檢驗(yàn)得出：年徑流量統(tǒng)計值U=-16.16，表明年徑流量序列呈下降趨勢，在α=0.05的顯著水平下，序列有一個突變點(diǎn)(1976年)；年輸沙量統(tǒng)計值U=-10.81，表明年輸沙量序列同樣呈下降趨勢，在α=0.05的顯著水平下，輸沙量出現(xiàn)3個可能突變點(diǎn)(1983年、1984年和1996年)。水沙序列突變檢驗(yàn)結(jié)果分別見圖4和圖5。

圖4 年徑流量序列Mann-Kendall突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Mann-Kendall singularity detection of the runoff series

圖5 年輸沙量序列Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Mann-Kendall singularity detection of the sediment series

(2)滑動t檢驗(yàn)分析。對禿尾河流域徑流量序列進(jìn)行滑動t檢驗(yàn)，結(jié)果得出：徑流量序列除在1976年和1998年2個年份的統(tǒng)計量大于Tα外，其他年份基本在α=0.01的顯著性水平內(nèi)，說明徑流量序列變異年份可能為1976年和1998年。對輸沙量序列進(jìn)行滑動t檢驗(yàn)的結(jié)果表明：輸沙量序列除在1995年和1996年的統(tǒng)計量大于Tα外，其他年份均在α=0.01的顯著水平內(nèi)，說明輸沙量序列發(fā)生變異的年份可能為1995年和1996年。年徑流量、年輸沙量序列突變檢驗(yàn)結(jié)果分別見圖6和圖7。

圖6 年徑流量序列滑動t突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Sliding-t detecting of the runoff series

圖7 年輸沙量序列滑動t突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Sliding-t detecting of the sediment series

由M-K趨勢檢驗(yàn)可知：年徑流量和輸沙量呈顯著下降的趨勢。結(jié)合M-K突變分析與滑動t檢驗(yàn)結(jié)果，對水沙序列可能的變異點(diǎn)進(jìn)行分析剔除，最終確定1976年為年徑流量序列變異年份，年輸沙量序列變異年份在1996年，輸沙量突變年份滯后于徑流量。水、沙序列突變檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 流域徑流、輸沙序列突變檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 the results of abrupt change tests of the runoff series and sediment series

3.3 驅(qū)動因素分析

根據(jù)突變檢驗(yàn)分析結(jié)果，將水沙序列分別劃分為基準(zhǔn)期和變化期，分別建立降雨與徑流量、輸沙量雙累積曲線模型。流域水沙突變發(fā)生之前(即為基準(zhǔn)期)，流域水沙變化主要受降雨影響，或受人類活動影響并不顯著；在水、沙突變后(即為變化期)，隨著人類活動的增加，累積曲線將出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線斜率發(fā)生變化。分別以1956-1976年和1956-1996年為流域徑流量、輸沙量基準(zhǔn)期，1977-2011年和1997-2011年為徑流量、輸沙量變化期，繪制降雨～徑流和降雨～輸沙雙累積曲線圖，分別得到基準(zhǔn)期降雨量～徑流量和降雨量～輸沙量擬合方程：∑YR=0.011 ∑XP-4.691 2、∑YS=0.000 5 ∑XP+0.697 3，相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.996 3、R2=0.953 4；變化期降雨量～徑流量和降雨量～輸沙量擬合方程：∑YR=0.007 3 ∑XP+27.765、∑YS=0.000 1 ∑XP+7.806 8，相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.992 0、R2=0.918 6。XP為降雨量，mm；YR為徑流量，億m3；YS為輸沙量，億t。降雨量與徑流量、輸沙量雙累積曲線分別見圖8和圖9。

圖8 高家川站降雨量～徑流量雙累積曲線Fig.8 Rainfall-runoff double mass curve

圖9 降雨量～輸沙量雙累積曲線Fig.9 Rainfall-sediment double mass curve

分別將變化期實(shí)測降雨量代入擬合方程，得出變化期內(nèi)還原的徑流量和輸沙量，并與實(shí)測水沙量對比可知：流域?qū)嶋H徑流量比基準(zhǔn)期徑流量減少了49.45 億m3，占總徑流量的35.94%；實(shí)際輸沙量比基準(zhǔn)期輸沙量減少了3.07 億t，占總輸沙量的86.42%。

氣候變化和人類活動是水沙變化主要影響因素。由于流域降雨量下降趨勢不明顯，因此，認(rèn)為其對水沙減少的影響不顯著，人類活動是流域水沙減少的主要因素。由表5分析得出：人類活動對泥沙減少的影響大于其對徑流的影響，人類活動的減水率為35.94%，減沙率為86.42%。人類活動對徑流和泥沙的影響結(jié)果見表5。

表5 人類活動對徑流量、輸沙量的影響Tab.5 Results of impact of human activities on runoff and sediment

20世紀(jì)70年代以來，禿尾河流域水利開發(fā)程度逐漸提高，截止2011年，流域共建成水庫6座，總庫容838 萬m3；修建骨干壩53座，控制流域面積153.87 km2。另外，為了治理水土流失，流域陸續(xù)開展一系列退耕還林還草措施和治溝治坡等工程措施。1990年以后，隨著區(qū)域能源化工工業(yè)的發(fā)展，大量修建蓄水工程，加強(qiáng)對水資源的開發(fā)利用，這些人為措施或工程在一定程度上改變了流域下墊面條件，攔蓄截留大量徑流和泥沙，對流域產(chǎn)匯流和泥沙輸移產(chǎn)生了明顯的影響，造成流域入黃水沙量銳減。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)分析了流域降雨量、徑流量和輸沙量序列變化特征及規(guī)律，并基于水沙序列突變分析結(jié)果，建立了降雨與水、沙雙累積曲線擬合方程，結(jié)果表明：

(1)流域年降雨量總體下降趨勢不明顯，1970年以后，年降雨量相對穩(wěn)定，5 a滑動平均曲線基本圍繞在多年平均值(391 mm)上下波動。

(2)流域年徑流量和輸沙量年際起伏變化明顯，呈逐漸減少趨勢。2000年以后，流域水沙銳減，年均徑流量和年均輸沙量分別較1956-1960年減少了51.0%和93.6%。

(3)流域年徑流量、年輸沙量分別在1976年和1996年發(fā)生突變。在不考慮溫度、蒸散發(fā)和雨強(qiáng)等影響因素條件下，人類活動是影響徑流和輸沙量銳減的主要因素。

(4)人類活動引起徑流量減少約49.45 億m3，占總徑流量的35.94%；輸沙量減少約3.07 億t，占總輸沙量的86.42%。