寧 珍, 高光耀, 傅伯杰

(1.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

河口—龍門區(qū)間(簡稱河龍區(qū)間)位于黃河中游晉陜峽谷段，區(qū)間內(nèi)植被稀疏、暴雨密集、土壤質(zhì)地疏松，導(dǎo)致了嚴(yán)重的水土流失問題[1]。河龍區(qū)間面積占黃河流域總面積的15%，貢獻(xiàn)了三門峽以上黃河泥沙量的90%[2]。流域產(chǎn)沙量主要取決于降雨和人類活動(dòng)的影響[3]。自20世紀(jì)50年代以來，為了控制水土流失和土地退化，黃河中游實(shí)施了大規(guī)模的梯田、造林、壩地等水土保持措施，1999年更是啟動(dòng)了退耕還林還草大型生態(tài)修復(fù)工程[4]。此外， 20世紀(jì)50年代以來，河龍地區(qū)氣候呈現(xiàn)暖干化趨勢(即潛在蒸散發(fā)增加，降水量減少)[5]。在降雨減少和人類活動(dòng)的共同作用下，近60 a來河龍區(qū)間產(chǎn)沙量發(fā)生了顯著變化，平均每年減少3.3%[6]。Zhang等[7]指出，氣候干旱、工程措施和植被增加共同作用導(dǎo)致了1950—2008年黃土高原的產(chǎn)沙量顯著減少。高海東等[8]以河龍區(qū)間為研究對(duì)象，認(rèn)為植被恢復(fù)是2000—2017年輸沙量減少的主要原因。胡春宏等[9]以黃河中游為研究區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在極端降雨事件中，實(shí)施水土保持措施的地區(qū)比未實(shí)施地區(qū)的輸沙模數(shù)減少了75%。王飛等[10]發(fā)現(xiàn)在不同時(shí)期，人類活動(dòng)對(duì)延河流域水沙變化的影響程度有一定差異。

分析黃河中游河龍區(qū)間泥沙變化的特征和原因，不僅對(duì)黃河可持續(xù)管理至關(guān)重要，也可以為多沙粗沙區(qū)水土流失的治理提供參考[11]。目前的研究對(duì)黃河泥沙變化規(guī)律和影響因素等方面已有全面的闡述，但對(duì)各因素作用大小仍缺乏定量的研究[12]。另外，多數(shù)研究以河龍區(qū)間整體為研究對(duì)象，忽略了不同子流域間的對(duì)比分析。因此，本文選取河龍區(qū)間的15個(gè)流域，分析1961—2017年輸沙模數(shù)的變化趨勢和突變時(shí)間，定量區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙模數(shù)的影響，為黃河治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

河龍區(qū)間位于黃河中游上段(圖1)，地處北洛河以東，呂梁山以西，在東經(jīng)108°02′—112°44′，北緯35°40′—40°34′之間，集水面積約11.2萬km2。區(qū)域內(nèi)地勢北高南低，地貌類型以黃土丘陵溝壑區(qū)、風(fēng)沙區(qū)和基巖出露區(qū)為主，其中黃土丘陵溝壑區(qū)占流域總面積的60%以上。河龍區(qū)間屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫2.2°～15℃，年均降水量310～610 mm。區(qū)域內(nèi)降雨時(shí)空分布極不均勻，空間上由東南向西北遞減，東南部年平均降雨量達(dá)590 mm，西北部年平均降雨量僅為300 mm[13]，年內(nèi)降雨集中在6—9月，占全年總降雨的60%以上。作為國家水土保持工作的重點(diǎn)地區(qū)，截至2006年底，河龍區(qū)間水保措施累計(jì)治理面積達(dá)418萬hm2，為1959年的18倍[14]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

輸沙量數(shù)據(jù)由水利部黃河水利委員會(huì)發(fā)布的黃河流域水文資料獲得，輸沙模數(shù)根據(jù)輸沙量數(shù)據(jù)計(jì)算而得，數(shù)據(jù)時(shí)間為1961—2017年。

降水?dāng)?shù)據(jù)由中國氣象科技數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)獲得，該數(shù)據(jù)基于國家級(jí)臺(tái)站(基本、基準(zhǔn)和一般站)的降水月值資料，由薄盤樣條法進(jìn)行空間插值生成，空間分辨率為0.5°×0.5°。各流域的數(shù)據(jù)使用ArcGIS軟件進(jìn)行剪裁和計(jì)算。

水土保持措施數(shù)據(jù)來自冉大川[15]和姚文藝等[16]文獻(xiàn)。

圖1 河龍區(qū)間流域、水文站及氣象站點(diǎn)位置

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendal非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法是判斷時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢的重要方法[17]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水文、氣象等時(shí)間序列的趨勢性分析[18]。與參數(shù)法相比，該方法不考慮樣本序列的分布特征，且檢驗(yàn)結(jié)果不受序列中少數(shù)異常值和中斷點(diǎn)的干擾，因而得到了廣泛的應(yīng)用[19]。對(duì)于給定的時(shí)間序列X(x1,x2,…,xn)，統(tǒng)計(jì)量S定義如下：

(1)

式中:xj和xi表示第j和i年的樣本值,且j>i:

(2)

統(tǒng)計(jì)量S近似正態(tài)分布，方差為：

(3)

標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量為：

(4)

若|Z| > 1.96，則在0.05顯著性水平下拒絕無趨勢的原假設(shè)。當(dāng)Z為正值時(shí)，表示上升趨勢，當(dāng)Z為負(fù)值時(shí)，表示下降趨勢。

趨勢度β的公式為：

(5)

β大于0時(shí)表示序列呈上升趨勢，β小于0時(shí)表示序列呈下降趨勢。

2.2.2 Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)法 Pettitt檢驗(yàn)是目前廣泛用于檢測水文序列突變點(diǎn)的非參數(shù)方法[20]。對(duì)于給定的時(shí)間序列X(x1,x2,…,xn)，劃分為x1,x2,…,xt和xt+1,xt+2,…,xn兩部分，統(tǒng)計(jì)量Ut，n計(jì)算如下：

Ut,n=Ut-1,n+Vt,n

(6)

(7)

式中:t=2,…,n；sgn()函數(shù)與Mann-Kendall檢驗(yàn)中相同。突變點(diǎn)為|Ut,n|最大處:

Kn=max|Ut,n|

(8)

判斷顯著性水平的統(tǒng)計(jì)量p定義為：

(9)

2.2.3 輸沙變化歸因分析 使用“水文法”定量區(qū)分降雨減少和人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)。該方法可以用于確定不同時(shí)期水文時(shí)間序列的差異。根據(jù)各個(gè)流域的突變時(shí)間，將突變時(shí)間以前的輸沙模數(shù)序列劃分為基準(zhǔn)期，突變時(shí)間后的時(shí)段為受到人類活動(dòng)影響較多的措施期。首先建立基準(zhǔn)期內(nèi)降雨與輸沙之間的回歸方程，然后用此方程估計(jì)措施期的產(chǎn)沙量，實(shí)測值與擬合值之間的差值代表人類活動(dòng)造成的影響，其余的部分由降雨變化造成。公式如下：

SSY1=f(P1)

(10)

SSY'2=f(P2)

(11)

(12)

(13)

Rustomji等發(fā)現(xiàn)黃土高原流域年輸沙模數(shù)的平方根與年降水量呈線性相關(guān)[21]。本研究中用此來描述降雨—輸沙的關(guān)系：

(14)

3 結(jié)果與分析

3.1 輸沙序列趨勢分析

對(duì)1961—2017年15個(gè)流域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究區(qū)內(nèi)各流域的年平均輸沙模數(shù)差異較大(表1)，范圍在730.84～11 132.60 t/km2之間，相差15倍以上，15個(gè)流域的平均值為6 064.66 t/km2。MK分析結(jié)果顯示15個(gè)流域的年平均輸沙模數(shù)都存在顯著的下降趨勢，下降幅度在-20.74～347.26 t/(km2·a)之間。

表1 1961-2017年各流域輸沙模數(shù)的年平均值及MK趨勢分析

3.2 輸沙序列突變點(diǎn)檢驗(yàn)

使用Pettitt檢驗(yàn)法對(duì)15個(gè)流域年輸沙模數(shù)突變時(shí)間和顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2，研究區(qū)各流域突變時(shí)間主要集中在80，90年代。

表2 輸沙模數(shù)序列Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)率

定量區(qū)分降雨變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙減少的貢獻(xiàn)，基準(zhǔn)期各流域輸沙模數(shù)的平方根和降雨量之間的線性回歸方程見表3，回歸方程的決定系數(shù)在0.53～0.72之間。降水變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙模數(shù)減少的貢獻(xiàn)率見圖2。

平均來看，降水和人類活動(dòng)對(duì)輸沙模數(shù)減少的貢獻(xiàn)率分別為37.92%和62.08%。在云巖河流域和湫水河流域，降水對(duì)輸沙模數(shù)減少的貢獻(xiàn)率大于50%，在其余流域，人類活動(dòng)是導(dǎo)致輸沙模數(shù)減少的主要因素。位于研究區(qū)中部的部分流域中，人類活動(dòng)對(duì)輸沙模數(shù)減少的貢獻(xiàn)率較高，如清澗河流域和三川河流域，人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率均大于80%。

表3 輸沙模數(shù)的平方根與降雨量之間的線性回歸方程

圖2 降水和人類活動(dòng)對(duì)輸沙減少的貢獻(xiàn)率

3.4 水土保持措施對(duì)輸沙的影響

自20世紀(jì)50年代以來，黃土高原采取了一系列水土保持措施，包括梯田、壩地等工程措施和造林種草等生物措施[22]。淤地壩是黃土高原地區(qū)防治水土流失的主要工程措施，在蓄水?dāng)r沙方面發(fā)揮了顯著作用，河龍區(qū)間部分流域淤地壩的多年平均減沙效益可達(dá)40%以上[23]。退耕還林還草工程實(shí)施后，黃土高原植被覆蓋度從1999年的31.6%迅速增加到2013年的59.6%[24]，植被覆蓋能削弱降水對(duì)地表的濺蝕和沖刷，被認(rèn)為是減少侵蝕最有效的措施之一[25]。

圖3為研究區(qū)60年代以來水土保持措施統(tǒng)計(jì)。20世紀(jì)80年代之前各項(xiàng)措施的實(shí)施速度較慢，但在80年代之后顯著加快，水土保持措施的急劇增加可能是流域輸沙減少的主要原因。1959—2006年，水土保持措施總面積占比由1.28%增加到42.4%，其中造林的增幅最高，由1959年的0.75%增至2006年的29.99%，尤其在90年代后，隨著國家水土保持生態(tài)建設(shè)和退耕還林還草等政策的實(shí)施，區(qū)間內(nèi)造林和種草的面積大幅提升。至2006年，研究區(qū)總水土保持治理度達(dá)39.75%，研究區(qū)內(nèi)面積最大的水土保持措施為造林，面積為2.01萬km2，占所有措施總面積的70.92%，種草、梯田和壩地依次占16.14%，11.48%和1.82%。

圖3 水土保持措施面積比例變化

使用15個(gè)流域的年代際產(chǎn)沙系數(shù)與水土保持措施面積占流域總面積的百分比做線性回歸分析，來分析土保持措施對(duì)流域產(chǎn)沙的影響，公式如下：

(15)

表4 年代際產(chǎn)沙系數(shù)與水保措施總面積占流域總面積比值的回歸分析

各流域年代際產(chǎn)沙系數(shù)隨水土保持措施占比面積增大而下降，共有9個(gè)流域通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，決定系數(shù)R2范圍在0.78～0.99之間。共有5個(gè)流域(皇甫川、窟野河、禿尾河、佳蘆河和無定河)的決定系數(shù)大于0.9，這些流域集中在研究區(qū)西北側(cè)。與東南側(cè)流域相比，研究區(qū)西北側(cè)流域的產(chǎn)沙系數(shù)與水土保持措施面積占比的相關(guān)性更強(qiáng)，水土保持措施在減緩流域產(chǎn)沙方面發(fā)揮了更大的作用。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)不同流域間年平均輸沙模數(shù)差異較大，相差15倍以上。在1961—2017年，所有流域的輸沙模數(shù)都呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，下降幅度最高可達(dá)-347.26 t/(km2·a)。

(2) 研究區(qū)各流域突變時(shí)間主要集中在80，90年代，以突變年份劃分基準(zhǔn)期和措施期，降水變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙模數(shù)減少的平均貢獻(xiàn)率分別為37.92%和62.08%，多數(shù)流域中人類活動(dòng)起到主要作用。

(3) 1959—2006年，水土保持措施面積占比由1.28%增加到42.4%。迅速增加的水土保持措施有效減緩了流域產(chǎn)沙，尤其在研究區(qū)西北側(cè)，流域年代際產(chǎn)沙系數(shù)與水土保持措施面積占比相關(guān)性較強(qiáng)，流域的產(chǎn)沙系數(shù)隨水土保持措施占比的增加而下降。