劉惠英, 魯向暉, 張平倉, 張長偉, 趙建民, 白 樺

(1.南昌工程學院 水利與生態(tài)學院, 江西 南昌330099; 2.長江科學院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430012)

三峽庫區(qū)香溪河流域水沙關系變化及其驅動因素

劉惠英1, 魯向暉1, 張平倉2, 張長偉2, 趙建民1, 白 樺1

(1.南昌工程學院 水利與生態(tài)學院, 江西 南昌330099; 2.長江科學院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430012)

[目的] 分析降水量及水土保持措施等人類活動對流域水沙關系的響應，為水土保持措施效益評價提供科學依據(jù)。[方法] 以香溪河流域興山站輸沙量數(shù)據(jù)為基礎，采用Mann—Kendall趨勢檢驗、線性回歸、水文頻率曲線及雙累積曲線等方法，分析了1973—2010年香溪河流域面降雨量、徑流量和輸沙量變化，并進一步量化分析了流域水沙變化極其驅動因素。[結果] 香溪河流域年降水量,年徑流量和年輸沙量均呈下降趨勢,年降水量和年徑流量變化趨勢不顯著，但年輸沙量減少趨勢顯著；年輸沙顯著減少開始的年份是1994年，流域徑流量開始減少的年份是1991年。[結論] 水土保持等人類活動是香溪河流域水沙變化的主要驅動因素。

水沙關系; 香溪河流域; 人類活動; 三峽水庫區(qū)間

水沙變化是影響河流生態(tài)環(huán)境的最活躍的因素之一，對河道沖淤、水質、生物等都會產(chǎn)生直接影響，并進一步影響人類對水資源利用。泥沙是影響三峽工程成敗的關鍵因素，備受學術界和公眾的重視。三峽庫區(qū)支流是入庫泥沙及非點源污染物重要來源地之一，并且與水庫蓄水調度關系密切，對水庫淤積和水質都有直接的影響[1-2]。香溪河流域是三峽壩區(qū)的第一條長江一級支流，具有一定的典型性和代表性，自1989年以來，流域內開展了一系列的水土保持治理工作，包括“長治”工程、“天?！惫こ碳巴烁€林草工程，使流域下墊面以及產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律發(fā)生階段性變化[3-5]。因此，對香溪河流域泥水沙輸移特征變化及驅動因素進行深入分析，對于揭示三峽水庫區(qū)間土壤侵蝕產(chǎn)沙機制、影響因素和變化趨勢，水土保持治理成效，減緩庫區(qū)泥沙淤積，延長水庫使用壽命具有重大的實際意義。為了深刻認識這些問題，本研究基于水文統(tǒng)計，對香溪河流域1974—2010年的降水、徑流和輸沙變化及相關關系進行分析，并對其驅動因素進行分析。本研究不僅對該區(qū)水土流失治理、水土保持效益評價具有重要意義，同時可為三峽水庫區(qū)間流域水沙銳減研究提供一定的理論支持。

1 研究區(qū)概況

香溪河流域地處長江流域上游，發(fā)源于神農(nóng)架南麓，系長江三峽大壩壩區(qū)第1條支流，位于湖北省西北部，流域總面積3183 km2，其中神農(nóng)架林區(qū)865 km2，興山縣2 106 km2，秭歸縣212 km2，自然落差1540 m。興山境內流長78 km，秭歸境內流11.1 km，為峽谷型河流。由北向南縱貫興山縣全境，至游家河入秭歸縣后又匯屈平河之水，于香溪鎮(zhèn)東注入長江，匯長江之水流入西陵峽，下泄至三峽大壩[6]。流域內興山水文站位于香溪河畔的興山縣高陽鎮(zhèn)。流域土地資源短缺，因多年盲目墾荒、毀林造田、亂砍濫伐，20世紀80年代末森林植被破壞嚴重，土壤、巖石裸露加劇，造成水土流失，大量泥沙入河，為了防治水土流失，保障三峽工程正常運行，1989年起，香溪河流域開展了一系列水土保持治理。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

興山水文站地理位置為東徑110°45′，北緯31°13′，為Ⅱ類精度國家重要站。該站徑流監(jiān)測始于1958年、泥沙始于1974年、降雨監(jiān)測目前現(xiàn)存完整資料始于1935年，降雨量連續(xù)觀測日始于1951年12月。本文所用降雨、徑流和泥沙數(shù)據(jù)均來自長江水利委員會編撰的水文年鑒。文中所有雨量為流域內10個雨量站按泰森多變形計算所得。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann—Kendall檢驗法 Mann—Kendall趨勢檢驗法是世界氣象組織推薦并己廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法，是由Mann和Kendall提出的。非參數(shù)檢驗亦稱為無分布檢驗，其優(yōu)點是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合用于類型變量和順序變量。廣泛應用于水文和氣象要素時間序列的趨勢變化和突變檢測。詳細方法參照文獻[7-8]。

2.2.2 其他分析方法 采用變差系數(shù)Cv值、極值比K等表征降水量、徑流量及輸沙量的年際變化；采用水文頻率曲線和年降雨量—年輸沙量雙累積曲線反映輸沙量的波動情況。

3 結果與分析

3.1 流域降雨量、徑流量和輸沙量變化的基本特征

徑流、輸沙和流域降水密不可分。在不受人類活動干擾的情況下，流域徑流的大小直接由流域降水決定；同時輸沙的大小也受流域降水的影響。

香溪河流域不同年代的降雨、徑流和輸沙量的統(tǒng)計特征值見表1。流域1974—2010年年均降水量1 109.3 mm，變差系數(shù)為0.15，降水極值比為2.50。年代際間，20世紀80年代降雨為最多，而后呈先減后增趨勢，90年代是研究期降雨最少的時段，較降雨最多時段減少了近20%。

表1 香溪河流域不同年代水文要素特征

香溪河流域多年平均年徑流量為1.10×109m3，變差系數(shù)Cv為0.28，接近降雨變差系數(shù)的2倍，最大年和最小年徑流比3.4，年際間徑流變化懸殊。從年代際特征來看，20世紀80年代流域徑流最大，和降雨特征一致，以后各年代徑流量逐漸減少，在2000年后徑流量達到最少，僅為9.63×108m3/a，比80年代減少37.2%。

香溪河流域多年平均輸沙量為4.69×105t，變差系數(shù)為1.04，遠遠大于降雨和徑流的變化，輸沙極值比達到了221.6，是徑流極值比的65.2倍，是降雨極值比的88.6倍。輸沙大小年代際特征和徑流相近，80年代最大，2000年后最小，但變差系數(shù)變化和均值變化正好相反，2000年后最大，80年代最小。輸沙量的年代際變化和徑流特征一樣，最大出現(xiàn)在1981—1990年，最少時段為2001—2010年，前者均值是后者的6.14倍，同時1981—1990年輸沙量的變差系數(shù)為0.54，為整個時段最小值，而2001—2010年為0.93為最大值，分析認為1981—1990年為穩(wěn)定的高產(chǎn)沙時段，而2001—2010年為低產(chǎn)沙時段，但年際間變化較大。

流域1974—2010年面平均降水量及其變化如圖1所示，降水量整體上呈微弱下降趨勢，平均減少量為2.84 mm/a，對流域降水進行Mann—Kendall秩相關檢驗，統(tǒng)計值Z=-0.90，表明流域降水呈下降趨勢，沒有通過信度為90%的顯著性檢驗，下降不顯著。香溪河流域興山站實測徑流的年變化圖及線形擬合關系見圖1。年徑流整體上為減小趨勢，平均減少量為9.50×106m3/a，Mann—Kendall統(tǒng)計值Z=-1.70，說明隨時間變化流域徑流量呈下降趨勢，但下降趨勢沒有通過95%信度為的顯著性檢驗，只通過了90%信度顯著性檢驗。香溪河流域多年輸沙量變化的線形擬合表明流域年輸沙減少量為1.99×104t/a，年輸沙量的Mann—Kendall統(tǒng)計值Z=-2.28，年輸沙量的減少通過顯著性0.05的水平，流域年輸沙量的減少趨勢顯著。

圖1 香溪河流域1974-2010年實測降水量、徑流量和輸沙量

3.2 流域徑流和輸沙突變點確定

從Mann—Kendall秩檢驗原理可知，統(tǒng)計值UF大于零表示系列有增加趨勢，小于零序列有減小趨勢[7-8]。香溪河流域年徑流從1980—1991年為增大趨勢，1991年后為減少趨勢，從2000年后流域徑流的減少超過了0.05的顯著性水平。從流域年輸沙的M—K檢驗圖上UF曲線值的變化發(fā)現(xiàn)，突變開始發(fā)生的時間是1994年；1979—1994年UF統(tǒng)計值大于零(圖2)，從1995—2010年UF統(tǒng)計值小于零，表明1979—1994時段輸沙量為增加趨勢，從1995—2010為減少趨勢，并且從1983—1989年UF值都大于1.96(0.05顯著性水平)，表明增加趨勢顯著(圖3)；同時2001—2010年M—K統(tǒng)計值均值為-2.68，其絕對值大于了0.01顯著性水平統(tǒng)計值2.58，表明2000年后流域輸沙下降及其顯著。比較徑流和輸沙發(fā)生突變時間，發(fā)現(xiàn)輸沙突變晚于徑流3 a左右，這比流域實施大規(guī)模治理開始時間1989年晚大概5 a左右，與水保措施開始發(fā)揮效益時間一致。

線形擬合及Mann—Kendall檢驗均表明香溪河流域徑流量和輸沙量有不同程度的減少趨勢。為了定量確定香溪河流域徑流和輸沙的突變時間，采用Mann—Kendall突變檢驗法來確定流域徑流和輸沙的突變點。從圖3上UF和UB的交點確定流域輸沙量的突變發(fā)生在1994年，而徑流的突變發(fā)生在1991年(圖2)，輸沙相對于徑流而言突變具有滯后性。但突變并不顯著。

圖2 興山站年徑流的Mann-Kendall突變點檢測

圖3 興山站年輸沙Mann-Kendall突變點檢測

以輸沙量突變年份為界，將這個研究期分為2個時段，比較分析突變年份前后2個時段輸沙量的發(fā)生頻率，在同一頻率下年輸沙量變化，可說明輸沙量的變化趨勢[9]。分別選擇頻率為5%，50%和95%分別表示豐、平、枯3種不同典型年份，對量化分析輸沙的減小和臨界年份之前相比(表2)，按照豐、平、枯順序，輸沙量的減少幅度依次增大，分別是57.33%，73.90%和95.60%。

表2 興山水文站突變年份前后豐、平、少水平年年輸沙量變化

3.3 輸沙量階段性變化及其成因分析

雙積累曲線(DMC)在水文氣象要素一致性及其長期演變趨勢研究中以簡單、直觀、實用而被廣泛應用，是常用的一種用來判斷是否有突變發(fā)生的方法。一般情況下，流域水沙特性如發(fā)生系統(tǒng)變化，在水沙量雙累積關系線上將表現(xiàn)出明顯的轉折，即累積曲線斜率會發(fā)生明顯變化，也由此來判斷其是否受人類活動影響[9-10]。建立香溪河流域降雨—輸沙的雙累積曲線并擬合各時段曲線方程，通過雙累積曲線分析(圖4)發(fā)現(xiàn)，輸沙量存在明顯的階段性特征，通過線形擬合可分為4段，分別是Ⅰ：1974—1978年；Ⅱ：1979—1990年；Ⅲ：1991—2002年；Ⅳ：2003—2010年。各段擬合方程和相關系數(shù)見圖4，各段相關系數(shù)均通過了顯著性檢驗。線形回歸方程的斜率表示在降雨變化一定的情況下相應增加的輸沙量，斜率反映了各時段侵蝕輸沙程度。從4個回歸方程發(fā)現(xiàn)其斜率分別是Ⅰ：220 t/mm，Ⅱ：890 t/mm，Ⅲ：200 t/mm和Ⅳ：140 t/mm。Ⅱ段最大，Ⅳ最小，Ⅰ和Ⅲ接近。

結合流域實際調查，對圖4進行分析：將1974—1978年定為沒有人類活動干擾的本底期，分別將不同時段降水代入本底期降水輸沙關系，得到不同時段在沒有人類活動干擾時的流域輸沙量，不同時段計算輸沙量差值即為降水變化對輸沙的影響量；同期實測值和計算值之間的差即為人類活動干擾輸沙量，人類活動干擾輸沙量與同期計算輸沙量的比值即為人類活動對輸沙的影響效益，各時段實測輸沙量及相對于本底期降水和人類活動對輸沙的影響量見表3。從表中可以發(fā)現(xiàn)相對于本底期，1979—1990段降水量增加，導致流域輸沙量增大的效益僅為7.2%，而人類活動對于流域輸沙的增沙效益達到了276.2%，檢驗結果為顯著。貢獻率超過100%，說明Ⅱ人類活動程度及其強烈，遠遠大于Ⅰ段本底值，這一結果也可以從回歸方程的斜率上得到反映，Ⅱ段斜率時是Ⅰ段的4倍。

圖4 香溪河降水量-輸沙量雙累積曲線表3 香溪河流域興山站各時段年輸沙量變化原因分析(1974-1978為本底期)

時段實測輸沙量/(104t·a-1)計算輸沙量/(104t·a-1)實測年輸沙變化量/(104t·a-1)降水影響量/(104t·a-1)人類活動影響輸沙量/(104t·a-1)人類活動減沙效益/%t檢驗Ⅰ24.6724.670.00000Ⅱ100.0026.5875.331.9173.42276.2顯著 Ⅲ21.2622.20-78.74-4.38-0.94-4.2不顯著Ⅳ19.6224.63-1.642.43-5.01-20.3不顯著

同時發(fā)現(xiàn)，相對于本底期，Ⅲ段及Ⅳ段年人類活動對流域輸沙量的影響是正向的，減沙效益分別4.2%和20.3%，表明經(jīng)過了治理，Ⅲ段和Ⅳ段在本底期基礎上，不僅使流域達到了未破壞的本底期狀況，并且和本底期相比流域健康狀況更加向良性發(fā)展。

為了更進一步研究水土保持措施的效益，將人類活動強烈干擾Ⅱ段定為本底期，分別研究Ⅲ段和Ⅳ段的減少效益(表4)。通過計算，Ⅲ段及Ⅳ段水保措施對水沙關系的貢獻率分別達到了77.9%和80.3%，并且隨時間推移水保措施將會發(fā)揮越來越大的效益，t檢驗結果為顯著。

表4 香溪河流域興山站各時段年輸沙量變化原因分析(1979-1990為本底期)

同理，如果以Ⅲ段為基準，來研究Ⅳ段的人類活動的減少效益，結果為18.9%。

從以上計算可以看出，香溪河流域自20世紀70年代后期開始，一直受到人類活動的強烈擾動。20世紀70年代后期由于國家實施改革開放后，土地承包到戶，當?shù)厝罕娛芾骝屖?，大肆砍伐分得的森林，使流域森林植被大幅度降低，加劇水土流失加劇[3]，80年代興山站實測年輸沙達103.7×104t/a，比70年代年均輸沙增大了154%，輸沙模數(shù)達到546 t/(a·km2)，如果以輸移比0.23[11]來算的話，侵蝕模數(shù)達到了2 374 t/(a·km2)，屬中度侵蝕。流域自1989年開始列入“長治”工程實施計劃，從1989—2006年先后實施了“長治”1期、2期、3期、5期和7期，香溪河流域累計治理面積達646.27 km2，占流域總面積的28.1%，占流域水土流失面積的37%[3-5]；2000年后國家又在該流域實施了天然林保護工程和退耕還林工程；天然林保護工程在2001—2005年人工育林69.03 km2封山造林148.17 km2[4]；退耕還林工程在2002—2004年3 a間就以退耕還林和封山育林措施實施了107.38 km2的治理面積[5]。三大工程在興山縣合計治理面積占興山總面積的46%，這些水土保持措施的實施將流域水土流失治理發(fā)展到了一個新的階段。水土流失治理已使香溪河的侵蝕環(huán)境發(fā)生了顯著的變化，土壤植被狀況好轉，流域的侵蝕輸沙量大幅減少并呈減少態(tài)勢，水土保持漸顯成效。對在控制流域水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面取得了顯著成效。這些都解釋了人類活動對流域徑流泥沙變化的影響。

4 結論與討論

(1) 通過對香溪河流域1974—2010年降水、徑流和泥沙的趨勢檢驗和突變分析可知：流域降水呈緩慢減少趨勢，但沒有超過任何顯著性水平；流域徑流量亦呈下降趨勢，超過0.10顯著性水平檢驗，但沒有通過0.05顯著性檢驗，泥沙減少趨勢顯著，超過了0.05顯著性檢驗：流域年徑流量突變發(fā)生在1991年，年輸沙量突變發(fā)生在1994年；泥沙時間滯后和水保措施一般3～5 a發(fā)揮減沙效益時間一致。

(2) 利用水文的頻率曲線，以輸沙量突變點1994年為界，分別求得在豐、平、枯3個不同水平年下，流域年輸沙減少量為分別是57.33%，73.90%和95.60%，表明經(jīng)過水土保持治理，流域侵蝕狀況得到極大改善。

(3) 雙累積曲線量化研究了香溪河流域年輸沙的變化情況，以1974—1978年作為本底期，80年代濫砍濫伐對流域破壞的貢獻率為276.2%；在突變年份1994年以后，水土保持措施減少貢獻率接近80%。

在諸多研究中[10-12]，均證明人為原因導致的流域徑流輸沙減少的貢獻率已遠遠超過氣候變化的影響。本文對輸沙量變化的分析結果證實了“長治”工程、“天保”工程及退耕還林工程等人類活動對香溪河流域減沙的巨大貢獻作用。同時，本研究顯示，枯水年份水土保持措施的減沙效益較大，達90%以上；而豐水年份相對減沙效益小于60%，說明香溪河流域的水土保持措施質量還需要進一步提高，以應對大的暴雨洪水。

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Variation of Runoff and Sediment Discharge and Its Driving Factors in Xiangxi River Watershed in Three Gorges Reservior Area

LIU Huiying1, LU Xianghui1, ZHANG Pingcang2, ZHANG Changwei2, ZHAO Jianmin1, BAI Hua1

(1.CollegeofWaterConservancyandEcologicalEngineering,NanchangInstituteofTechnology,Nanchang，Jiangxi330099,China; 2.YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan,Hubei430012,China)

[Objective] The objective of this study is to analyze the influences of precipitation and human activities on runoff and sediment load in order to provide basis for the benefits evaluation in soil and water conservation. [Methods] The variations of precipitation，runoff and sediment load during 1974—2010 were analyzed in Xiangxi river watershed, by using Mann—Kendall test， linear regression， hydrological frequency curve and double mass curves. Factors that drive the variation of runoff and sediment discharge were quantified. [Results] There was a slightly declining trend in annual precipitation and annual runoff, while there was a significant decreasing trend(α=0.05) in sediment load. Mutation point analyses revealed that abrupt reduction in annual sediment discharge occurred in 1994, while the rapid reduction in annual runoff happened in 1991. [Conclusion] Human activity is the main factor that drives the changes of runoff and sediment loads.

characteristics of runoff and sediment load; Xiangxi river watershed; human activity; Three Gorges reservior area

2014-07-01

2014-07-26

江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室開放基金“贛江上游水沙時空演變及其對植被恢復的響應”(JXSB201303); 水利部公益性行業(yè)專項(201201048); 水利部公益性行業(yè)專項(201301059)

劉惠英(1973—),女(漢族),陜西省鳳翔縣人,博士研究生,講師,研究方向為坡面土壤侵蝕和流域水體監(jiān)測方面研究。 E-mail:jlfx7401@163.com。

張平倉(1961—),男(漢族),陜西省渭南市人,博士,教授,博士生導師,主要從事土壤侵蝕研究。 E-mail:zhangpc@mail.crsri.cn。

A

1000-288X(2015)05-0017-05

TV148， P333.4