時 璐， 汪清旭

(青海省水文水資源局勘測局， 青海 西寧 810001)

泥沙是指在土壤侵蝕過程中，隨水流輸移和沉積的土體、礦物巖石等固體顆粒。對流域而言，河流泥沙不僅反映水土流失狀況，還是流域內降水、徑流、土壤、地形地貌植被等流域特性的體現(xiàn)。

湟水谷地是青海省工農(nóng)業(yè)發(fā)展基地，農(nóng)業(yè)資源優(yōu)越，流域面積1.61 km2,僅占青海全省面積的2.2%，耕地面積卻相當于全省的56%，并養(yǎng)育了全省人口的61%，但湟水流域水土流失嚴重，這與高原地區(qū)氣候特征、生態(tài)環(huán)境和人類活動有非常大的關系。湟水谷地屬黃土高原山地區(qū)，地表植被條件差，受水力侵蝕嚴重，大量黃土受到降水侵蝕匯流到河流中，造成河道淤積，過洪斷面減小，給河道防洪帶來很大壓力，也嚴重影響到沿岸人民生活和工農(nóng)業(yè)發(fā)展，因此研究泥沙的演變特征具有重要的意義。掌握河流的水沙特性可以為合理有效地開發(fā)和利用湟水流域水土資源提供服務以及對水資源利用的有效調控提供依據(jù)[1-5]。

1 流域概況

湟水河又名西寧河，指流經(jīng)西寧城北的黃河重要支流。位于中國青海省東部。發(fā)源于海晏縣包呼圖山。東南流經(jīng)西寧市，到甘肅省蘭州市西面的達家川入黃河。河長349 km，由于流域有不同的巖性與構造區(qū)，因而發(fā)育成峽谷和盆地形態(tài)。湟水河兩側溝壑發(fā)育，支流較多，水系發(fā)育，呈樹枝狀和羽狀。

民和水文站系湟水主要控制站，位于東經(jīng)102°48′，北緯36°20′，集水面積15 342 km2，水文站控制流域內河道平均比降5.3‰，是青海省境內湟水干流上最后一個控制站(見圖1)，其徑流量、輸沙量通常用于作為研究青海境內湟水徑流量、輸沙量以及進入甘肅的徑流量和輸沙量的重要依據(jù)。本文通過對民和站1956年—2013年的徑流泥沙資料分析湟水的泥沙演變特征。

20世紀90年代以來，由于氣候變暖，使冰川面積減小、雪線上抬，極端天氣出現(xiàn)頻繁，對于本就脆弱的高原生態(tài)環(huán)境而言無疑是雪上加霜，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡化，直接影響了全省的糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展[6]。

探究民和站徑流泥沙演變特征了解湟水流域(不包含大通河流域)徑流泥沙變化趨勢，為湟水流域的水資源開發(fā)利用、農(nóng)業(yè)工業(yè)發(fā)展和防洪抗旱提供依據(jù)。

2 研究方法

本文中對徑流量和輸沙量的趨勢分析和突變分析采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計方法(M-K)[7-12]。M-K能夠檢驗出水文序列是否具有趨勢和突變，并且判斷出趨勢是否明顯和檢查出序列突變的時間點。

趨勢分析[11]：假設時間序列(X1，X2……Xn)，定義統(tǒng)計量S：

(1)

其中sign為符號函數(shù)。當Xi-Xj小于、等于或大于零時，sign(Xi-Xj)分別為-1、0、1。S為正態(tài)分布，其均值為0。

方差：

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(2)

檢驗值：

(3)

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2,則原假設H0是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。

突變分析[12]：設輸沙序列X1，X2……Xn，S表示第i個樣本Xi>Xj的累計數(shù)，定義統(tǒng)計量：

(4)

在時間序列隨機獨立的假定下，S的均值和方差分別為：

1≤k≤n

(5)

將S標準化：

(6)

給定顯著性水平α，若UF(k)的絕對值大于Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。所有UF(k)可組成一條曲線。將此方法引用到反序列以同樣的方法計算UB(k)得到一條曲線，兩條曲線的交點位于置信線之間，則此點可能就是突變點的開始。Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗在數(shù)據(jù)趨勢檢測中極為有用，其特點表現(xiàn)為：(1) 無需對數(shù)據(jù)系列進行特定的分布檢驗，對于極端值也可參與趨勢檢驗；(2) 允許系列有缺失值；(3) 主要分析相對數(shù)量級而不是數(shù)字本身，這使得微量值或低于檢測范圍的值也可以參與分析；(4) 在時間序列分析中，無需指定是否是線性趨勢[13]。

3 泥沙演變特征

3.1 水沙的年際變化

徑流量和輸沙量的年際變化幅度一般通過離勢系數(shù)Cv和絕對比率K來反映[14]。Cv值反映水文要素整體序列的離散程度，Cv值越大，離散度越大，說明年際變化越劇烈；反之亦然。Cv值越小，說明水沙的年際變化小這種情況有利于流域內水沙資源的利用[15]；K值體現(xiàn)水文要素的年際絕對變化，K值越大，年際變化幅度越大。

將整個時間序列分成三部分進行分析1956年—1979年、1980年—1999年、2000年—2013年各序列水文特征值見表1。

表1 各水文要素的水文特征值

通過表1可知在全部時間序列中輸沙量年際變化劇烈，Cv值達到0.89，在1980年后Cv降低到0.43，從整個系列來看輸沙量的年際變化趨于穩(wěn)定且均值不斷減少；徑流量的年際變化一直很穩(wěn)定，總體Cv不超過0.26，到21世紀后Cv大幅度減??；通過輸沙模數(shù)可得1979年前流域內水土流失嚴重，自2000年以來輸沙模數(shù)明顯減小。

3.2 水沙的趨勢和突變分析

3.2.1 水沙趨勢分析

根據(jù)對民和站1956年—2013年的實測資料進行M-K分析結果見表2。

表2 M-K統(tǒng)計量

由表2可得輸沙量時間序列通過置信水平為99%的趨勢檢驗，表現(xiàn)為明顯的下降趨勢；徑流量與降水量變化趨勢一致，呈上升趨勢但都沒有通過90%的顯著性檢驗，所以徑流量與降水量有不顯著的上升趨勢。輸沙量最大出現(xiàn)年份與降水量最大同年都為1961年，值分別為5 640萬t和570.5 mm，年徑流量最大值34.47億m3，出現(xiàn)在1989年；最小值年徑流量與面平均降水量都為1991年分別為12.65億m3和267.6 mm，年輸沙量最小值為138萬t在2005年出現(xiàn)。

3.2.2 水沙突變分析

使用M-K突變分析得出圖2、圖3、圖4。

通過分析圖2可得：1956年—1962年不顯著的上升趨勢，1963年—1997年不顯著的下降趨勢，1998年—2013年顯著的下降趨勢，與趨勢分析結果一致；圖中兩條曲線的交點從1997年—1999年，說明這是突變開始的范圍。

從圖2、圖3和圖4中分析可以得出結論見表3。

從表3可以得出徑流、泥沙和降水的變化趨勢和突變時間點，但此時我們還需要確認突變現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為豐枯年際變化而產(chǎn)生，而不是單純的氣象突變。

表3 M-K檢驗結論表

本文使用均值差異T檢驗的方法確定突變現(xiàn)象[16]。定義樣本長度為N的序列的突變指數(shù)為：

(7)

式中：X1和S1基準年前的時段M1的平均值和標準差；X2和S2為基準年后時段面M2的平均值和標準差。

定義統(tǒng)計量：

(8)

式中：M1和M2分別為前后兩段序列的樣本長度；SP為聯(lián)合樣本差即：

(9)

式中：S1和S2分別為前后兩個時段序列的方差。該統(tǒng)計量τ給出一定的顯著水平，如τ>τα則在α的顯著水平上基準點兩側有明顯差異，取這一區(qū)間中最大Ij的年份作為突發(fā)時間點。

對1996年—1999年進行均值T檢驗，結果見表4。

表4 各項T檢驗統(tǒng)計表

通過表4中的各統(tǒng)計量得年輸沙量有明顯的突變點位突變指數(shù)最大的一年為1999年，年徑流量和面平均降水量雖然在Kendall趨勢檢驗中表現(xiàn)出有不同時間段上升下降的趨勢但在T檢驗中沒有通過突變檢驗。年徑流量和面降水量的突變只是氣候因素引起的。

4 水沙關系

將全部時間序列分為三部分1956年—1979年、1980年—1999年、2000年—1013年，分別繪出三個階段和全部系列的相關圖見圖5，并繪制1956—2013系列降水徑流雙累積關系線圖見圖6。

由圖5可得，在1956年—1979年之間輸沙與徑流的關系較好線性相關系數(shù)達0.78，也就是說沙隨水走，水多沙多，水少沙少，而1980年以后線性關系越來越差，且輸沙與徑流的關系由正比趨勢逐漸向反比轉變，徑流量和輸沙量的相關關系由0.78變?yōu)?.17，在降水與徑流關系保持一致的狀態(tài)下，說明了人類活動對流域內產(chǎn)沙影響很大，我們在進行分析或應用時需要將徑流和輸沙分別計算。

5 結果與分析

在進行了水沙年際變化和水沙趨勢分析得出：

(1) 降水量與徑流量相關性較好，說明河流的主要補給來源還是降水；降水流量年際變化Cv值較小分別為0.16和0.21，表明流域氣候條件比較穩(wěn)定，年際變化較小。在氣候條件變化較小的環(huán)境下，輸沙量在整個時間序列中變化劇烈，且與徑流量關系較差，說明人類活動是造成輸沙量減少的主要因素。

(2) 從民和站觀測的輸沙量來分析得湟水的輸沙量隨時間序列有顯著的下降趨勢且在1999年有明顯的突變，從水沙相關性來分析近十年水沙相關性較差且輸沙量明顯減小，可能與長期的河道治理和水土保持工作有關，但也可能與上游修建水庫和水電站及小型的私人河砂開采有關。