范利杰，穆興民，2，趙廣舉，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

流域水文過(guò)程一般受自然因素和人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響，隨著科技的不斷發(fā)展，人類(lèi)影響自然的能力不斷提高，對(duì)流域徑流的影響也愈加顯著［1－2］。20世紀(jì)90年代，國(guó)家對(duì)長(zhǎng)江上游區(qū)域?qū)嵤╅L(zhǎng)治工程，重點(diǎn)對(duì)嘉陵江中下游地區(qū)進(jìn)行了有計(jì)劃的水土流失綜合治理［3］，嘉陵江流域的人類(lèi)活動(dòng)加劇，引起流域徑流發(fā)生一系列的變化。楊忠英［4］對(duì)嘉陵江流域徑流量的研究表明，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，嘉陵江流域徑流量銳減，并初步分析其原因?yàn)闅夂虻母淖兒腿祟?lèi)活動(dòng)的影響。張躍華等［5］對(duì)嘉陵江時(shí)間序列的分析得出降雨量同徑流量的變化存在明顯的相關(guān)性，認(rèn)同降雨量減少和人類(lèi)活動(dòng)增加是流域徑流量發(fā)生變化的主要原因。張明波等［6］對(duì)嘉陵江支流西漢水流域進(jìn)行了研究，利用水文分析法建立降雨—徑流回歸模型，通過(guò)計(jì)算得出20世紀(jì)90年代以來(lái)，水土保持措施減水明顯，7a平均減水效率達(dá)30%左右，并且在20世紀(jì)90年代初減水不明顯，而到1995，1996年減水達(dá)1倍以上。雖然已有大量研究［7－9］對(duì)嘉陵江流域徑流泥沙變化作了很多分析，但對(duì)影響徑流量變化因子的定量化研究相對(duì)較少，而定量化研究對(duì)流域的綜合治理與水資源的調(diào)控有重要意義。本文利用嘉陵江流域4個(gè)水文站的徑流資料，分析其變化趨勢(shì)及突變年份，建立降雨—徑流雙累積關(guān)系，分析降雨和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少?gòu)搅髁康挠绊?，并分別計(jì)算其影響程度。

1 流域概況

嘉陵江源頭，歷來(lái)有東、西兩源之說(shuō)。習(xí)慣上以東源為正源，西源稱(chēng)為西漢水。東源起自陜西省鳳縣西北涼水泉溝，西源起自甘肅省天水市平南川。兩源南流，至陜西省略陽(yáng)白水江鎮(zhèn)相會(huì)［10］，流經(jīng)陜西、甘肅、四川3省，于重慶市匯入長(zhǎng)江，干流全長(zhǎng)1 120km，流域面積約1.60×105km2，屬于典型的樹(shù)枝狀水系。流域以河源至四川省廣元為上游，流經(jīng)陜西、甘肅、四川3省的鳳縣、兩黨、徽縣、略陽(yáng)、寧強(qiáng)、廣元等縣市境內(nèi)；以廣元—合川段為中游，流經(jīng)廣元、蒼溪、南部、蓬安、南充、武勝、合川等縣市境內(nèi)；以合川—重慶段為下游，于重慶市的朝天門(mén)匯入長(zhǎng)江［11］。

嘉陵江流域的地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣，地層以中生界侏羅系紅色巖層分布最廣。土壤類(lèi)型主要有黃壤土、紫色土、水稻土、沖積土、潮土和紅壤等。流域大部分地區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，雨水充沛，年內(nèi)降水主要集中在5—10月，其中7—9月降水量可占全年的50%以上，年降水量在略陽(yáng)以上山區(qū)約600～800mm，中下游丘陵區(qū)約1 000mm，多年平均徑流量約7.00×1010m3。由于復(fù)雜的地貌類(lèi)型、充沛的降水和易侵蝕的土壤等自然環(huán)境及強(qiáng)烈的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，嘉陵江上游地區(qū)是長(zhǎng)江流域的主產(chǎn)沙區(qū)之一，而嘉陵江中下游地區(qū)則是長(zhǎng)江流域的重點(diǎn)土壤侵蝕地區(qū)之一［12］。

2 資料及研究方法

2.1 資料

本文采用數(shù)據(jù)來(lái)源于嘉陵江流域部分控制水文站。降雨采用嘉陵江流域12個(gè)雨量站的年降雨數(shù)據(jù)，采用算術(shù)平均法計(jì)算出流域面降雨量，降雨資料時(shí)段為1960—2009年。徑流數(shù)據(jù)取自武勝站、亭子口站、武都站和北碚站4站，武勝站、亭子口站和武都站數(shù)據(jù)時(shí)段均為1960—2000年，北碚站為1960—2008年。

2.2 研究方法

（1）Mann—Kendall（簡(jiǎn)寫(xiě)為“M—K”）非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法被廣泛應(yīng)用氣候和水文序列的趨勢(shì)性分析。該統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受異常值的干擾，適用于類(lèi)型變量和順序變量，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。本文利用Kundzewicz等［13］研發(fā)的Hydrospect軟件進(jìn)行年降雨及年徑流量變化趨勢(shì)分析［14］。用Mann—Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法作突變點(diǎn)檢驗(yàn)，其原理如下：

式中：x1，x2，…，xn——隨機(jī)事件序列；mi——第i個(gè)樣本xi大于xj（2≤j≤i）的累計(jì)數(shù)；UF——統(tǒng)計(jì)量；E（tk），var（tk）——累計(jì)數(shù)tk的均值和方差。在原序列隨機(jī)獨(dú)立的前提下，給定一顯著水平，顯著水平組成一個(gè)信度區(qū)間，所有UF組成一條曲線，將此法引入時(shí)間序列數(shù)據(jù)的反序列中得到另一條曲線UB，當(dāng)UF和UB這2條曲線交叉點(diǎn)位于信度區(qū)間內(nèi)時(shí)，則交叉點(diǎn)被認(rèn)為是突變點(diǎn)［15］。

（2）累積濾波器法能充分反映時(shí)間序列定性的變化趨勢(shì)［16］，其原理為：

式中：S——累積平均值；Ri——水文時(shí)間系列值；ˉR——水文時(shí)間系列的平均值；k——序列長(zhǎng)度。

本文對(duì)流域降雨及部分站點(diǎn)徑流資料采用M—K突變點(diǎn)檢驗(yàn)檢測(cè)流域年徑流量的突變年份，采用M—K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)合累積濾波器法分析流域年徑流量的趨勢(shì)變化。利用降雨—徑流雙累積曲線對(duì)措施期徑流計(jì)算模擬，從中分離出人類(lèi)活動(dòng)和降雨對(duì)徑流減少的影響程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域徑流量年際及年內(nèi)分配

對(duì)嘉陵江流域4個(gè)控制水文站1960—2000年徑流量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，流域20世紀(jì)60年代和80年代徑流量較多，而70年代和90年代徑流量較少，其中90年代年均徑流量相對(duì)于其他年代減少較多，且從80年代到90年代的減少幅度較大。

表1 嘉陵江流域年際平均徑流分配統(tǒng)計(jì) 108 m3

流域徑流量年內(nèi)分配因受降雨、下墊面及植被等影響差異較大，由表2可知，流域年內(nèi)徑流量主要集中在7—9月，占全年徑流量的百分比均在50%以上。

3.2 流域徑流趨勢(shì)分析

采用累積平均濾波器法對(duì)各個(gè)站點(diǎn)徑流資料進(jìn)行處理，結(jié)果如圖1—2所示。由圖1—2可知，4站的年徑流量均有減小的趨勢(shì)，其中北碚站從1965—1972年徑流減少比較明顯，之后的30a中1990—2000年減少比較明顯，亭子口站和武勝站則是1965—1980和1990—2000年這2個(gè)時(shí)間段減少比較明顯，武都站是1968—1975年和1995—2000年減少比較明顯。降雨的累積平均曲線整體沒(méi)有明顯的減少趨勢(shì)，但由其過(guò)程線和趨勢(shì)線知存在減少趨勢(shì)，但其趨勢(shì)線的斜率絕對(duì)值較小，減少趨勢(shì)并不明顯。經(jīng)M—K趨勢(shì)檢驗(yàn)得出4站的年徑流量的減少趨勢(shì)均顯著，而年降雨量則不顯著。檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 嘉陵江流域年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì) 108 m3

圖1 嘉陵江4站年徑流累積平均值曲線

圖2 嘉陵江4站年徑流降雨累計(jì)平均值曲線和降雨過(guò)程線

表3 嘉陵江流域徑流及降雨變化趨勢(shì)

3.3 徑流突變點(diǎn)分析

4站Mann—Kendall突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其置信區(qū)間為0.01水平。由圖3可知，北碚站的UF和UB交叉點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi)，年份為1991年，即自1991年北碚站的年徑流量發(fā)生突變；同理可知亭子口突變點(diǎn)年份為1971，1972，1991和1992年；武都站突變點(diǎn)年份為1991和1993年；武勝站突變點(diǎn)年份為1971，1972和1993年。1992年前后，嘉陵江流域由于政策原因致使人類(lèi)活動(dòng)加劇，引起流域下墊面及植被覆蓋等自然因素發(fā)生改變，氣候因素及人類(lèi)活動(dòng)共同導(dǎo)致年徑流量時(shí)間序列值的突變。

3.4 降雨階段性分析

4站的徑流量均有顯著的減少趨勢(shì)，而降雨量減少趨勢(shì)并不顯著，因降雨量的年際變化較為復(fù)雜。為進(jìn)一步了解降雨對(duì)徑流的影響，需對(duì)降雨進(jìn)行階段性分析。

由圖4降雨5a滑動(dòng)平均曲線及降雨累積距平曲線可知：1960—1968，1972—1975及1979—1985年的累計(jì)距平值呈持續(xù)上升狀態(tài)，為豐水期；1968—1972，1975—1979及1993—2002年累積距平值呈持續(xù)下降狀態(tài)，為枯水期；而1985—1993年累積距平值變化波動(dòng)不大，為平水期。20世紀(jì)80年代以后，降雨于1993年開(kāi)始持續(xù)性減少，而經(jīng)M—K檢驗(yàn)，4站的徑流突變點(diǎn)年份均發(fā)生在1992年附近。

圖3 4個(gè)水文站年徑流突變點(diǎn)檢驗(yàn)

圖4 嘉陵江流域降雨年際變化分析

3.5 影響因素的定量分析

3.5.1 累積回歸方程的建立 經(jīng)分析流域4站點(diǎn)的

突變點(diǎn)年均在1990，1991，1992，1993年，雖年徑流量在這些年份發(fā)生了突變，但由于國(guó)家自1989年對(duì)嘉陵江流域進(jìn)行了大規(guī)模的水土流失綜合治理，整個(gè)流域的人類(lèi)活動(dòng)較1989年以前有所增加，而在1989年以前流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)均相對(duì)較少，且多為自發(fā)進(jìn)行，人類(lèi)活動(dòng)影響相對(duì)較少，因此，可近似將1989年以前的嘉陵江流域看作是天然的。對(duì)1989年以前的年降雨及年徑流數(shù)據(jù)作逐年累積，對(duì)累積數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立回歸方程。本文累積降雨—累積徑流回歸方程采用Excel的加載宏中的回歸分析來(lái)建立及檢驗(yàn)，以北碚站為例進(jìn)行敘述。

北碚站降雨—徑流雙累積曲線如圖5所示。圖5中基準(zhǔn)期和基準(zhǔn)期后的累積曲線的斜率發(fā)生了一定程度的改變，基準(zhǔn)期之后的曲線斜率變小，說(shuō)明徑流相對(duì)于降雨有了減少趨勢(shì)。

圖5 北碚站降雨－徑流雙累積曲線

在Excel中利用加載宏中的回歸分析將1989年以前的累積降雨及累積徑流量帶入進(jìn)行回歸分析，得出相關(guān)系數(shù)平方R2＝0.999，由此得出北碚站臨界年份以前的回歸方程為：

式中：∑R——累積徑流量；∑P——累積降雨量。用相同方法求出武勝站、亭子口站、武都站的累積回歸方程分別為：

武勝站：

亭子口站：

武都站：

3.5.2 人類(lèi)活動(dòng)和降雨對(duì)流域徑流量影響的提取

利用上述回歸方程對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的累積徑流量進(jìn)行模擬，其方法為：設(shè)基準(zhǔn)期為T(mén)1—T2時(shí)期，上述方程為針對(duì)T1—T2時(shí)間段的累計(jì)回歸線性方程，然后將整個(gè)時(shí)間序列的累計(jì)降雨量帶入回歸模型，得出整個(gè)時(shí)間序列的累計(jì)徑流量的預(yù)測(cè)值。此時(shí)求T3—T4時(shí)期的平均年徑流量，用T4時(shí)刻的累積值減去T3時(shí)刻的累計(jì)值，得到T3—T4時(shí)期的累積值∑R，然后用∑R除以T3—T4期間的總年數(shù)得出T3—T4時(shí)期平均年徑流量［17］。

對(duì)4站進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)及統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出結(jié)果如表4所示。

表4 各站降雨及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響計(jì)算結(jié)果

由4站點(diǎn)的趨勢(shì)分析可知，年徑流量的總體變化趨勢(shì)是減少的，并且減少趨勢(shì)顯著，在年均徑流量減少的部分中，人類(lèi)活動(dòng)和降雨的貢獻(xiàn)率分別是多少可以用上述方法求得。由于武都、亭子口、武勝3站只有2000年以前的徑流資料，無(wú)法計(jì)算2000年以后降雨和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少?gòu)搅髁康呢暙I(xiàn)度。由表4可看出，2000年以前，4站中只有武都站人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少?gòu)搅髁康挠绊懗潭容^高，達(dá)到了62.50%，其余3站人類(lèi)活動(dòng)和降雨對(duì)減少?gòu)搅鞯挠绊懗潭然境制?，?000年以后的北碚站中，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流減少的影響達(dá)到了69.90%，在減水效果中起到主導(dǎo)作用。

嘉陵江流域自1989年實(shí)施長(zhǎng)治工程以來(lái)，流域內(nèi)先后50個(gè)縣市區(qū)開(kāi)展了水土保持重點(diǎn)治理。從1989—1996年，流域內(nèi)實(shí)施各種水保措施累計(jì)治理水土流失面積2.14×104km2，治理程度25.8%。其中坡改梯治理17.49hm2，水保林治理5.34×105hm2，經(jīng)果林治理2.27×105hm2，種草治理9.64×104hm2，封禁治理5.86×105hm2，保土耕作治理5.19×105hm2。小型水利水保工程方面，修塘堰70 793座，谷坊3 828座，攔沙壩908座，蓄水池94 998口，排灌渠22 787.11km，截水溝9 678.68km，沉沙池1 567 756個(gè)［18］。由上述資料可看出，在政策實(shí)施以來(lái)，嘉陵江流域的人類(lèi)活動(dòng)程度加劇，引起流域下墊面的地形、地貌、植被覆蓋等發(fā)生了改變，增加了水利工程的建設(shè)，對(duì)流域水資源的分配做了調(diào)整，這些措施在治理水土流失中起到了至關(guān)重要的作用，而在減水方面也作出了不少的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)嘉陵江流域降雨及徑流資料的研究發(fā)現(xiàn)，嘉陵江流域面上降雨年際間變化呈減少趨勢(shì)，經(jīng)Mann—Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)得出雖有減小趨勢(shì)，但并不顯著。由對(duì)降雨階段性分析可知，進(jìn)入90年代以來(lái)，年降雨量急劇下降，這對(duì)徑流量的減少起到了一定的作用。對(duì)嘉陵江流域4個(gè)控制水文站的徑流資料進(jìn)行檢驗(yàn)得知4站年徑流量均存在減少趨勢(shì)，并且趨勢(shì)顯著，這說(shuō)明除了降雨以外，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域年徑流量變化存在一定程度的影響。

（2）通過(guò)對(duì)年降雨及年徑流資料進(jìn)行雙累積回歸分析建立累積回歸方程，分別計(jì)算出人類(lèi)活動(dòng)和降雨對(duì)減少?gòu)搅髁康挠绊懗潭?，結(jié)果表明2000年以前各個(gè)站點(diǎn)的降雨和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少?gòu)搅髁康呢暙I(xiàn)程度基本持平，只有武都站的資料顯示水土保持措施對(duì)減少?gòu)搅鞯挠绊懗潭壬源?，?2.5%。而2000年之后只有北碚站的徑流資料，通過(guò)計(jì)算得出北碚站人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少的徑流量影響程度達(dá)到69.9%，可見(jiàn)2000年之后北碚站控制區(qū)域內(nèi)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少?gòu)搅髁康呢暙I(xiàn)率有所增加。

（3）流域產(chǎn)流量是自然條件和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果，本文通過(guò)對(duì)嘉陵江流域降水及部分控制水文站徑流資料的研究發(fā)現(xiàn)，2000年之前嘉陵江流域降雨及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)減少?gòu)搅髁康挠绊懗潭然鞠喈?dāng)，而2000年之后，由流域把口站北碚站的數(shù)據(jù)分析可知，人類(lèi)活動(dòng)在減少?gòu)搅髦衅鹬鲗?dǎo)作用。

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