楊超弈，陳 旻，張陵蕾，李 嘉，張耀文

（1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065；2.四川城市職業(yè)學(xué)院建筑工程系，成都610110）

0 引言

雅魯藏布江（以下簡(jiǎn)稱“雅江”）是我國(guó)最大的高原河流，也是世界上海拔最高的大河之一，蘊(yùn)藏9 000 多萬(wàn)kW 的水能資源，僅次于長(zhǎng)江［1］，中游地區(qū)更是處于集西藏政治、經(jīng)濟(jì)、文化于一體的中心地帶。然而雅江流域中游地區(qū)水土流失嚴(yán)重，流失面積約占流域面積的21.21%［2］，這是造成雅江內(nèi)泥沙含量較高的主要原因，已有研究表明流域內(nèi)年輸沙量比黃河源多6.59%［3］，給下游水資源利用和生態(tài)保護(hù)帶來(lái)了不確定性，因此在雅江中游開(kāi)展泥沙輸運(yùn)的研究事關(guān)重大。

河流中懸移質(zhì)泥沙含量通常占泥沙總量的90%［4］，其輸移過(guò)程與土地覆蓋、流域水文密切相關(guān)，通常被用作衡量流域內(nèi)土地退化及水土流失的重要指標(biāo)［5］。此外懸移質(zhì)也是河流中生源物質(zhì)的主要輸運(yùn)載體之一，是維系河流生態(tài)過(guò)程的重要因子，因此關(guān)于懸移質(zhì)變化的研究一直廣受水利工程、生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域的關(guān)注。目前，文安邦［6］等人發(fā)現(xiàn)了雅江在20世紀(jì)60-90年代懸移質(zhì)輸沙量呈現(xiàn)先減小后增大規(guī)律，張凡［7］等人則探究了懸移質(zhì)輸沙量在空間的變化規(guī)律，但受限地理環(huán)境等因素影響，完整懸移質(zhì)輸沙率資料難以獲取，在流域并未開(kāi)展更多深入的研究。而輸沙率多時(shí)間尺度下的豐枯變化及年內(nèi)分配方式將在不同程度上影響著水資源的開(kāi)發(fā)利用和水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，量化氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙率趨勢(shì)變化的影響程度可為水利設(shè)施發(fā)展提供參考，因此在其他水電開(kāi)發(fā)程度較大的流域上已有相關(guān)的研究開(kāi)展，如郭文獻(xiàn)［8］等采用小波分析探究長(zhǎng)江中游輸沙率在多時(shí)間尺度下的變化規(guī)律，郭彥［9］等人采用集中度和集中期的方法研究黃河內(nèi)蒙古河段輸沙率年內(nèi)分配的不均勻性，孫倩［10］等采用累積量斜率變化率比較法量化了黃河中游降雨、人類活動(dòng)對(duì)輸沙率趨勢(shì)變化影響的貢獻(xiàn)程度。

目前，黨中央關(guān)于制定“十四五”規(guī)劃和二〇三五遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議中已經(jīng)明確指出將在雅江進(jìn)行水電開(kāi)發(fā)，然而因?yàn)檠沤饔騼?nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，為尋求合理的開(kāi)發(fā)方式和運(yùn)行方案，闡明雅江在天然狀態(tài)下的輸沙過(guò)程作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的參考基準(zhǔn)十分必要。2000年后西藏迎來(lái)跨越式發(fā)展的“黃金時(shí)期”［11］，人均GDP 在20年間翻了近三番，相對(duì)而言在此之前雅江流域人類活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，尤其是河流中的水力連通關(guān)系基本保持為天然狀態(tài)，因此這一時(shí)期內(nèi)的河流過(guò)程具有較為顯著的基線參考價(jià)值。

綜上所述，本文基于雅江奴各沙、羊村、奴下水文站的1956-2000年懸移質(zhì)輸沙率（以下簡(jiǎn)稱“輸沙率”）、流量逐月數(shù)據(jù)，通過(guò)建立水沙關(guān)系曲線插補(bǔ)缺測(cè)數(shù)據(jù)，采用Morlet小波分析方法探究輸沙率序列多時(shí)間尺度下豐枯變化規(guī)律，采用集中度和集中期方法分析輸沙率在年內(nèi)分配的不均勻性，采用累積距平法和累積量斜率變化率比較法分析輸沙率變化趨勢(shì)和影響因素對(duì)趨勢(shì)變化的貢獻(xiàn)程度，以期為未來(lái)流域內(nèi)開(kāi)展水土保持工作、水資源開(kāi)發(fā)管理和河流水生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域概況

雅江位于西藏自治區(qū)境內(nèi)，地處北緯28°05′～31°16′，東經(jīng)82°50′～96°40′，發(fā)源于西藏西南部喜馬拉雅山北麓的杰馬央宗冰川，在西藏境內(nèi)全長(zhǎng)2 057 km，流域面積24.048 萬(wàn)km2，分為上、中、下游三段。其中，中游段為里孜至米林縣派鎮(zhèn)段，該段地處溫暖半干旱高原寬谷區(qū)段，該地區(qū)因地勢(shì)平坦，土壤肥力較高，為西藏農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)。中游段河長(zhǎng)約1 340 km，均勻分布著奴各沙、羊村、奴下水文監(jiān)測(cè)站。雅江中游河段水文站分布圖見(jiàn)圖1。

圖1 雅魯藏布江中游水文站分布圖Fig.1 Distribution of the hydrological stations in the middle reaches of Yarlung Zangbo River basin.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

輸沙率、流量數(shù)據(jù)均來(lái)源于《藏滇國(guó)際河流水文資料》，其測(cè)量方法嚴(yán)格遵循水文部門的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則。但受地理位置、技術(shù)條件、水文站搬遷等因素影響，在部分年、月存在缺測(cè)，缺測(cè)率約30%。研究［12］發(fā)現(xiàn)由流量與輸沙率擬合的水沙關(guān)系曲線多呈QS=aQb冪函數(shù)形式，其中Qs為懸移質(zhì)泥沙輸沙率，kg/s；Q為流量，m3/s；a為系數(shù)、b為指數(shù)；劉家富［13］等人用水沙關(guān)系曲線對(duì)羊村站輸沙率資料進(jìn)行修正。為后文研究需要，本文采用水沙關(guān)系曲線將2000年以前缺測(cè)輸沙率進(jìn)行插補(bǔ)。

1.3 研究方法

1.3.1 小波分析

小波分析是一種研究非平穩(wěn)隨機(jī)時(shí)間序列的有效方法，而泥沙序列一般是非平穩(wěn)的離散等間距序列，具有周期性［14］，因此，小波分析方法適用于泥沙序列的分析研究［15］。

對(duì)于給定的能量有限信號(hào)f(t) ∈L2(R)，其連續(xù)小波變換為：

式中：Wf(a，b)為小波變換系數(shù)；f(t)為一個(gè)信號(hào)或平方可積函數(shù)；a為伸縮尺度；b為平移參數(shù)。

Morlet 小波函數(shù)是常用的復(fù)值小波，其特點(diǎn)是具有良好的時(shí)、頻域局部性［16］，因此在本研究中采用Morlet小波。其小波函數(shù)為：

式中：ω0為常數(shù)；i為虛數(shù)。

將時(shí)間域上關(guān)于時(shí)間尺度a的所有小波系數(shù)的平方進(jìn)行積分，得到小波方差：

小波方差隨時(shí)間尺度的變化過(guò)程稱為小波方差圖，能反映時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨尺度的分布情況，通過(guò)小波方差圖中的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度，可以確定水文序列的主要周期，橫坐標(biāo)表示時(shí)間尺度，縱坐標(biāo)是小波方差，小波方差越大，對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度下水文序列波動(dòng)越大，該尺度即為序列變化的主周期。

1.3.2 集中度與集中期法

集中度反映了輸沙率在年內(nèi)的集中程度，集中期反映了一年中最大輸沙率出現(xiàn)的時(shí)間［17，18］。計(jì)算公式如下：

式中：RCDyear是輸沙率集中度；RCPyear是輸沙率集中期；Rx，Ry分別是12 個(gè)月的分量之和所構(gòu)成的水平、垂直分量；ri是第i月的輸沙率；θi是第i月輸沙率的矢量角度。RCDyear越大表示輸沙率分配越不均勻，各月份包含及代表的角度值見(jiàn)表1。

表1 RCPyear各月份包含和代表值Tab.1 The contains value and representative value of monthly RCPyear

1.3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析可用來(lái)判斷不同序列之間的聯(lián)系的緊密性［19］，在本文中將用來(lái)分析降雨量、徑流量對(duì)含沙量的影響。

灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式：

式中：γ0i為灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)；ξ0i(k)為點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)。

把公式計(jì)算的各個(gè)水文要素進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度系數(shù)越大表征自變量與因變量的相關(guān)性越密切。

1.3.4 累積距平法

累積距平法是一種判斷水文序列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢(shì)變化的方法［20］，若累積距平曲線上升（下降），表示水文序列逐年增加（減?。€上由上升趨勢(shì)變?yōu)橄陆第厔?shì)的點(diǎn)看作突變點(diǎn)，對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為突變年份，具體公式見(jiàn)下：

式中：LPi為第i年的距平累積值；Ri為第i年的輸沙率；-R為輸沙率的多年平均。

1.3.5 累積量斜率變化率比較法

該方法由王隨繼等［21］人提出，在量化自然因素和人類活動(dòng)對(duì)輸沙率趨勢(shì)變化影響的貢獻(xiàn)程度研究上廣泛應(yīng)用，以年份為自變量，以累積輸沙率及累積降雨量為因變量，自然因素中?？紤]僅有降雨量影響輸沙率的趨勢(shì)變化，基本公式見(jiàn)下：

式中：RS為累積輸沙率斜率變化率，kg/（s·a）；KSb、KSa為累積輸沙率-年份線性關(guān)系式在突變點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率，kg/（s·a）；RP為累積降雨量斜率變化率，mm/a；KPb、KPa分別為累積降雨量-年份線性關(guān)系式在突變點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率，mm/a；CP、CH分別為降雨量、人類活動(dòng)對(duì)輸沙率趨勢(shì)變化的貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)插補(bǔ)可靠性分析

根據(jù)奴各沙、羊村、奴下站多年月均流量和輸沙率資料，點(diǎn)繪出流量與輸沙率的關(guān)系圖見(jiàn)圖2。

圖2 流量與輸沙率關(guān)系圖Fig.2 The relationship of flow and sediment transport rates

從空間分布來(lái)說(shuō)，從奴各沙站往奴下站，系數(shù)a值先增大后減小，指數(shù)b值先減小后增大。研究表明，a、b具有實(shí)際的意義，a反映的是流域產(chǎn)沙特性，與水土保持情況及人類活動(dòng)有關(guān)［22，23］。自上往下，3 個(gè)站點(diǎn)控制段林地面積依次為1.73 萬(wàn)、0.87萬(wàn)、3.07 萬(wàn)hm2；20年間由林地轉(zhuǎn)化為建筑用地面積依次為300、1 650、150 hm2［24-26］，林地面積由小及大為：羊村＜奴各沙＜奴下，轉(zhuǎn)化的面積由大及小為：羊村＞奴各沙＞奴下；因此對(duì)應(yīng)系數(shù)a的大?。貉虼澹九魃常九?。

指數(shù)b則反映了河流對(duì)于泥沙的搬運(yùn)能力［22，23］，搬運(yùn)能力通常與流速有關(guān)。雖然由上至下從奴各沙到羊村，受支流匯入和降雨影響，流量沿程增加，但由于羊村地處寬谷地帶最寬處（寬約3 km），平均流速僅0.95 m/s，而奴下平均流速為1.05 m/s，奴各沙平均流速為1.44 m/s，即流速由大到小為：奴各沙＞奴下＞羊村，因此對(duì)應(yīng)于奴各沙站的輸沙能力最強(qiáng)，奴下站次之，羊村站相對(duì)最弱。

從水沙關(guān)系曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合狀況來(lái)看，羊村站表現(xiàn)為高流量處點(diǎn)比較分散，原因可能跟河床條件有關(guān)，奴各沙站、奴下站處河床由沙卵石、卵石組成，河床條件均較穩(wěn)定，因此曲線擬合系數(shù)R2均大于0.94；而羊村站河床為沙夾卵石，河床不大穩(wěn)定，沖淤變化較大。因此相較奴各沙站、奴下站，羊村站在高流量和高輸沙率區(qū)間表現(xiàn)出相對(duì)離散特性。

綜上所述，水沙關(guān)系曲線中系數(shù)與指數(shù)大小關(guān)系與實(shí)際情況相符，且擬合R2值均大于0.85，因此通過(guò)水沙關(guān)系曲線對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)的插補(bǔ)具有合理性。

2.2 輸沙率序列周期性分析

采用Morlet 小波變換對(duì)輸沙率序列分析，結(jié)果見(jiàn)圖3，可以看出3個(gè)水文站輸沙率序列存在多時(shí)間尺度的變化周期。奴各沙站輸沙率序列分別存在3～7、8～12、13～24、25～32 a 四類時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，除8～12 a 外的三類時(shí)間尺度的周期變化明顯，在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)分布均勻；而8～12 a 的時(shí)間尺度僅在1956-1974年和1990-2000年間分布。同理羊村站輸沙率序列分別存在3～7、8～12、13～23、25～32 a 四類時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，除8～12 a 外的三類時(shí)間尺度的周期變化明顯且具有全域性；8～12 a 的時(shí)間尺度僅在1956-1970年和1995-2000年間分布。奴下站輸沙率序列分別存在4～7、8～12、13～23、25～32 a 四類時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，且均具有全域性。

圖3 輸沙率小波等值線圖Fig.3 Wavelet coefficients of sediment transport rates

3 個(gè)水文站輸沙率小波方差曲線見(jiàn)圖4?？梢钥闯龃嬖谒奶幟黠@的峰值，第一大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為19 a，第二大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是26 a，第三大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是10 a，第四大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是6 a，對(duì)應(yīng)輸沙率第一主周期為19 a，第二主周期為26 a，第三主周期為10 a，第四主周期為6 a。

圖4 輸沙率小波方差圖Fig.4 Wavelet variance of sediment transport rates

根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，繪制出了控制段流域內(nèi)輸沙率變化的主周期小波變換系數(shù)圖，結(jié)果見(jiàn)圖5。以奴各沙站為例，可以看出輸沙率在19 a的時(shí)間尺度下經(jīng)歷了3個(gè)低～高～低的交替循環(huán)，在26 a 的時(shí)間尺度下經(jīng)歷兩個(gè)低～高～低的交替循環(huán)，在10 和6 a 的時(shí)間尺度下則經(jīng)歷更多的交替循環(huán)，羊村站和奴下站同理。在2000年末，3個(gè)水文站的19、26 a的特征時(shí)間尺度的小波系數(shù)為正值，因此流域在2000年后一段時(shí)間內(nèi)存在一個(gè)多沙期，而這與Li［27］等人得出的“雅江中游2000年后的一段時(shí)間內(nèi)將經(jīng)歷多徑流期”相吻合。

圖5 輸沙率小波系數(shù)實(shí)部過(guò)程圖Fig.5 Wavelet coefficients at different scales of sediment transport rates

綜上所述可知，雅魯藏布江流域中游的輸沙率主要存在四個(gè)時(shí)間尺度的變化周期，第一和第二主周期分別為19 和26 a，屬于較長(zhǎng)的變化周期，而第三和第四主周期分別為10 第6 a，為雅江輸沙率變化的主要短周期。

輸沙率出現(xiàn)周期變化可能受到太陽(yáng)活動(dòng)和氣候事件的影響。太陽(yáng)活動(dòng)主要是通過(guò)輻射向地球傳遞熱能，由于垂向和緯向上熱能收支的差異，造成了不同區(qū)域海表溫度和氣壓的不同，因此出現(xiàn)了大氣環(huán)流現(xiàn)象和各類氣候事件［28］，而這些氣候事件將通過(guò)影響大氣環(huán)流的方式來(lái)影響水汽的輸送，最終對(duì)各地降雨造成影響。降水主要從兩方面影響輸沙率：一方面通過(guò)對(duì)土壤的侵蝕作用從陸地?cái)y沙進(jìn)入河流中，另一方面通過(guò)改變徑流進(jìn)而影響泥沙輸移的變化，因此太陽(yáng)活動(dòng)和氣候事件可以看作是輸沙變化的遙相關(guān)因子，太陽(yáng)活動(dòng)與輸沙關(guān)系見(jiàn)圖6。對(duì)于雅江流域而言，已有研究［29-31］表明降雨量對(duì)ENSO 事件、北極濤動(dòng)有一定響應(yīng)，具體表現(xiàn)為：ENSO 事件通過(guò)加強(qiáng)（抑制）沃克環(huán)流，削弱（增強(qiáng)）南亞夏季風(fēng)，最終減少（增加）了從孟加拉灣輸送到西藏的水汽；類似地，當(dāng)北極濤動(dòng)的作用加強(qiáng)時(shí)，此時(shí)東亞大槽強(qiáng)度、西伯利亞高壓、高原季風(fēng)作用減弱，利于西南暖濕氣流的加強(qiáng)，因此雅江降水出現(xiàn)6～10 的周期振蕩［32］，這可能是受ENSO 的4～10 a 周期、北極濤動(dòng)11 a 周期和太陽(yáng)黑子活動(dòng)平均11.07年周期的影響［33-35］。同樣與之相符的是雅江的徑流過(guò)程也存在4～6 和8～10 a 的周期變化［36］。雅江輸沙率6 和10 a的變化周期基本與ENSO 和太陽(yáng)活動(dòng)的變化周期一致，因此可以認(rèn)為全球性的氣候事件在一定程度上影響著雅江中游輸沙率的周期變化。

圖6 太陽(yáng)活動(dòng)與輸沙關(guān)系示意圖Fig.6 The relationship of solar activity and sediment transport

2.3 輸沙率序列年內(nèi)分配不均勻性分析

采用集中度和集中期法對(duì)輸沙率序列分析，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)年輸沙率對(duì)應(yīng)的角度，可以看出奴各沙站年內(nèi)最大輸沙率主要集中出現(xiàn)在8月，集中度對(duì)應(yīng)的數(shù)值基本呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，說(shuō)明其最大輸沙率對(duì)應(yīng)的月份保持不變，僅在日期上先向前移動(dòng)、后向后移動(dòng)；羊村站和奴下站輸沙率集中期在7月、8月交替出現(xiàn)，1961-1970、1971-1980年期間，羊村站與奴下站輸沙率集中期均出現(xiàn)在7月。奴下站還在1991-2000年期間集中期出現(xiàn)在7月，其余時(shí)期集中期均發(fā)生在8月。從表1 可知，8月對(duì)應(yīng)的角度為195°～225°，而奴各沙站、羊村站和奴下站發(fā)生在7月的集中期對(duì)應(yīng)的數(shù)值與195°非常接近，說(shuō)明集中期主要發(fā)生在7月末，接近8月。這與張小俠［37，38］等發(fā)現(xiàn)“6-8月的雨季降水占年總降水量的51%～80%，最大流量一般發(fā)生在7月或8月”相吻合。

表2 輸沙率集中度與集中期Tab.2 Concentration frequency and concentration period of sediment transport rates

從奴各沙站到奴下站，集中期對(duì)應(yīng)的數(shù)值在減小，說(shuō)明從上游到下游，最大輸沙率在日尺度上有向前出現(xiàn)的趨勢(shì)，但在季節(jié)尺度上無(wú)明顯向前或向后偏移的趨勢(shì)；同時(shí)集中度也呈下降趨勢(shì)，輸沙率的集中程度沿程逐漸減弱，表明輸沙率在年內(nèi)分配上逐漸表現(xiàn)出均勻化。為探究輸沙率在沿水流方向下降的原因，采用集中度計(jì)算方法對(duì)奴各沙、羊村、奴下站的降雨量和徑流量序列進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出降雨量沿順?biāo)鞣较蚣卸冉档停鴱搅髁繘](méi)有明顯變化。降雨集中度下降的原因與水汽運(yùn)動(dòng)有關(guān)，雅江夏季降雨的水汽主要來(lái)源于印度洋的暖濕氣流，受西南季風(fēng)影響，水汽輸送軌跡溯布拉馬普特拉河而上后，經(jīng)雅江下游向北移動(dòng)，最后再在雅江大峽彎折往西北［39］，因此在雅江中游研究區(qū)域內(nèi)，水汽依次到達(dá)奴下、羊村、奴各沙水文站，奴下的雨季開(kāi)始的時(shí)間依次早于羊村、奴各沙水文站，據(jù)研究［40］表明雅江雨季的開(kāi)始是下游早于上游約1～2個(gè)月，而雅江雨季的結(jié)束是下游晚于上游，這就造成降雨時(shí)期自上而下變長(zhǎng)，降雨時(shí)期越長(zhǎng)，降雨量在年內(nèi)分配相對(duì)更均勻，因此沿河流方向，集中度大小為：奴各沙＞羊村＞奴下。而三個(gè)站點(diǎn)徑流集中度沒(méi)有明顯變化，原因可能跟流域集水面積有關(guān)，奴各沙、羊村、奴下水文站的集水面積分別為10.637 8 萬(wàn)、15.319 1 萬(wàn)、18.984 3 萬(wàn)km2，集水面積越大，使得水體滯留時(shí)間變長(zhǎng)，由降雨形成徑流過(guò)程的調(diào)節(jié)作用就更強(qiáng)。雖然降雨的集中度在逐漸減小，但流域自上而下集水面積在增大，導(dǎo)致3個(gè)站點(diǎn)徑流量的集中度并未出現(xiàn)明顯變化［41，42］。因此可以推測(cè)輸沙率在順?biāo)鞣较蛳陆蹈涤暧嘘P(guān)。水力侵蝕是雅江泥沙的主要來(lái)源方式［6］，降雨、徑流作為流域產(chǎn)沙的重要水力因子，也在一定程度上影響著河流中泥沙含量，通過(guò)計(jì)算含沙量和降雨量、徑流量的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見(jiàn)表3，同一個(gè)站點(diǎn)內(nèi)，降雨量與含沙量的關(guān)聯(lián)度系數(shù)均大于徑流量與含沙量的關(guān)聯(lián)度系數(shù)，說(shuō)明降雨對(duì)含沙量的影響更大。降雨量在年內(nèi)分配得不均勻，導(dǎo)致河流含沙量的分配不均勻，進(jìn)而影響輸沙率的不均勻性。因此，可以初步判定雅江中游輸沙率的集中度沿河流方向下降是因?yàn)榻涤炅考卸妊睾酉陆怠?/p>

表3 降雨量、徑流量集中度和灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)Tab.3 Concentration degree of precipitation、runoff and grey incidence coefficient

在長(zhǎng)江八大支流之一的贛江流域上，水沙集中度基本吻合，最大輸沙率出現(xiàn)在6月，與其雨季4-6月發(fā)生時(shí)間基本一致。受到水庫(kù)修建運(yùn)行影響，從20世紀(jì)60年代到70年代輸沙率的集中度降低了16%［43］，但最大輸沙率發(fā)生的時(shí)間在月尺度上基本上沒(méi)變化，可見(jiàn)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行對(duì)于集中度具有明顯的改變作用，而集中期基本受氣候影響。雅江干流在2000年前無(wú)水庫(kù)工程的修建，因此輸沙率的集中度、集中期主要受氣候控制，而流域內(nèi)輸沙率的集中度、集中期受水庫(kù)調(diào)節(jié)作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.4 降雨、人類活動(dòng)對(duì)輸沙率的影響

根據(jù)式（8）計(jì)算出1956-2000年輸沙率累積距平的年際變化，結(jié)果見(jiàn)圖7。奴各沙、羊村、奴下站的輸沙率累積距平值均在1964年前呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，1964年后呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，即發(fā)生突變的年份為1964年。據(jù)此，可以將雅江中游流域輸沙率的變化分為兩個(gè)時(shí)期：1956-1964年為基準(zhǔn)期，輸沙率變化主要受降雨影響；1965-2000年為變化期，該時(shí)期輸沙率的變化受到降雨和人類活動(dòng)的影響。

圖7 輸沙率累積距平圖Fig.7 Cumulative anomaly of sediment transport rates

各站點(diǎn)擬合關(guān)系情況見(jiàn)表4，從表4 中可以看出擬合的R2均大于0.9，且通過(guò)了顯著性水平為0.01的Pearson顯著性檢驗(yàn)。奴各沙輸沙率在基準(zhǔn)期、變化期的斜率分別為571.9、262.3 kg/（s·a），變化期與基準(zhǔn)期相比，斜率減小了309.6 kg/（s·a），減小率為54.14%，而降水量在基準(zhǔn)期、變化期的斜率分別為45.33、35.85 mm/a，變化期與基準(zhǔn)期相比斜率減小了9.48 kg/（s·a），減小率為20.91%，因此可以得到奴各沙站降水量的減小對(duì)輸沙率減小的貢獻(xiàn)率為38.62%，人類活動(dòng)對(duì)輸沙率減小的貢獻(xiàn)率為61.38%。羊村站、奴下站同理結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯? 個(gè)站點(diǎn)人類活動(dòng)對(duì)于輸沙率減小的貢獻(xiàn)率均大于降雨變化的影響。雅江中游是農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的地區(qū)，該區(qū)農(nóng)田面積占自治區(qū)農(nóng)田總面積的60%以上［44］，據(jù)記載［45］，60年代耕地面積為21.25 萬(wàn)hm2，到20世紀(jì)90年代已達(dá)23.65萬(wàn)hm2，在30年間增長(zhǎng)了2.4萬(wàn)hm2，為農(nóng)業(yè)灌溉的需要，灌溉設(shè)施建設(shè)在60年代以后快速發(fā)展，60年代僅25 條千hm2、4 條萬(wàn)hm2水渠、4 座水塘在建，到80年代對(duì)應(yīng)設(shè)施建設(shè)分別達(dá)66 條、10 條、16 座，數(shù)量上分別是60年代的2.64 倍、2.5 倍、4 倍。耕地面積的增加將會(huì)引發(fā)灌溉設(shè)施的興建，這在一定程度上消耗水資源，間接影響輸沙率的減小。而奴下站中人類活動(dòng)的影響對(duì)輸沙率減小的貢獻(xiàn)率超過(guò)100%，主要是因?yàn)榻涤甑淖兓厔?shì)是增加，而輸沙率的變化趨勢(shì)為減小，因此由降雨增加引起的輸沙率減小的貢獻(xiàn)率為-38.15%，而正是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)的作用，導(dǎo)致輸沙率減小，因此人類活動(dòng)對(duì)輸沙率減小的貢獻(xiàn)率為138.15%，超過(guò)100%。

表4 輸沙率-年份、降雨量-年份擬合關(guān)系Tab.4 The fitting relationship sediment transport rate-year，precipitation-year

表5 降雨和人類活動(dòng)對(duì)輸沙率影響的分析結(jié)果Tab.5 Analysis of the effects of precipitation and human activities on sediment transport rates

3 結(jié)論

本文首先建立了雅魯藏布江奴各沙、羊村、奴下水文站輸沙率-流量的冪函數(shù)關(guān)系，對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，而后采用小波分析、集中度和集中期法、累積距平法、累積量斜率變化率比較法對(duì)雅江中游1956-2000年共45年的懸移質(zhì)輸沙率過(guò)程進(jìn)行周期性分析、不均勻性分析、量化降雨和人類活動(dòng)對(duì)輸沙率趨勢(shì)變化分析。結(jié)果表明：

（1）雅魯藏布江中游輸沙序列存在4 類時(shí)間尺度的變化特性，河段內(nèi)主周期變化基本一致，第一主周期為19 a，第二主周期為26 a，第三主周期為10 a，第四主周期為6 a，輸沙率的短周期變化與太陽(yáng)活動(dòng)、氣候事件周期變化存在響應(yīng)關(guān)系。

（2）雅江中游輸沙率整體表現(xiàn)出較強(qiáng)的年內(nèi)分配不均勻性，奴各沙站最大輸沙率主要發(fā)生在8月，羊村站和奴下站的輸沙率主要發(fā)生在7、8月。集中度在年代間變化不大，但呈現(xiàn)出從上往下游逐漸均勻化的規(guī)律，從奴各沙到奴下依次為0.83、0.77、0.74，這主要由于降水在局部區(qū)域之間差異影響含沙量的不均勻性造成。

（3）雅江中游輸沙率在1956-2000年呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)，在1964年突變，由降雨影響導(dǎo)致輸沙率減小的貢獻(xiàn)率分別為：38.62%、41.04%、-38.15%，由人類活動(dòng)影響導(dǎo)致輸沙率減小的貢獻(xiàn)率分別為：61.38%、58.96%、138.15%。□