謝 敏，張曉明，趙 陽(yáng)，王昭艷

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048）

1 研究背景

自1990年代以來(lái)，黃土高原大范圍退耕還林還草、水土保持綜合治理等生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施對(duì)區(qū)域下墊面產(chǎn)生了極大影響。在氣候暖干化耦合影響下，黃河干流及其支流水沙量及水沙關(guān)系發(fā)生了顯著變化［1-3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就黃河流域徑流泥沙變化主要驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了大量研究［4-6］。其中，部分研究認(rèn)為人類活動(dòng)是黃河流域水沙變化的主要驅(qū)動(dòng)因素［7-9］，如：王國(guó)慶［10］就汾河徑流銳減驅(qū)動(dòng)因素分析表明，人類活動(dòng)對(duì)汾河徑流減少的貢獻(xiàn)率占64.1%，而氣候要素貢獻(xiàn)率僅占35.9%；楊新［11］明確指出人類活動(dòng)是無(wú)定河流域徑流變化的主要因子。此外，部分學(xué)者認(rèn)為氣候變化是主因。李焯［12］對(duì)黃河干流河龍區(qū)間水沙變化的研究則表明，1970年后降水變化對(duì)輸沙量減少的影響起到主要作用，貢獻(xiàn)率在42%～60%，人類活動(dòng)的影響則逐步降低；李春暉［13］的研究同樣表明降水量減少是1990年代早期或中期黃河天然徑流量減少的主要原因；劉昌明等［14］對(duì)1956—2000年黃河干流的徑流量分析發(fā)現(xiàn)黃河上游徑流量減少降水貢獻(xiàn)率為75%，而人類活動(dòng)僅占25%；Miao等［15］通過分析1970—2008年黃河干流水沙變化情況，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)黃河上、中、下游的貢獻(xiàn)比例各不相同。從以上研究可知，人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域水沙的影響受流域大小、形狀、下墊面情況以及研究時(shí)段等不同而有所差異。黃河水沙變化是一個(gè)時(shí)間上差別大、空間上分異性強(qiáng)的復(fù)雜問題，開展流域水沙變化對(duì)氣候和土地利用的響應(yīng)研究對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)黃河水沙銳減成因具有重要意義。

北洛河作為黃河一級(jí)支流渭河的主要支流，為多泥沙河流，近年來(lái)隨著森林植被逐年向好，流域水沙情勢(shì)發(fā)生巨大變化，客觀準(zhǔn)確評(píng)估流域水沙銳減成因?qū)τ陬A(yù)判流域未來(lái)水沙情勢(shì)，調(diào)整流域治理策略具有重要意義。為此，本文以北洛河流域?yàn)榈湫土饔颍_展流域水沙變化對(duì)降雨和土地利用變化的響應(yīng)研究，旨在深刻剖析區(qū)域水沙變化成因，為流域水土資源優(yōu)化管理提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況北洛河發(fā)源于陜西省定邊縣白于山南麓的魏梁山，由大茘縣東南注入渭河，是渭河較大一級(jí)支流，屬黃河中游二級(jí)支流，總長(zhǎng)680 km，流域面積26 900 km2。該流域地處黃河中游地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，地貌類型自上而下主要有黃土丘陵溝壑、高原溝壑、階地和沖積平原。該流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量520 mm，由南向北、由東向西遞減，年內(nèi)分布不均，多集中在7—9月，多以夏季暴雨形式出現(xiàn)，占全年降水量一半，破壞性大，水土流失極為嚴(yán)重。上中游主要土壤類型為風(fēng)沙土、黃綿土、黑鈣土，土壤顆粒結(jié)構(gòu)多孔，易塌陷流失，僅下游的黑壚土和水稻土利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。流域多年來(lái)為退耕還林重點(diǎn)區(qū)域，以農(nóng)牧地為主的土地利用結(jié)構(gòu)大量向落葉闊葉生態(tài)和經(jīng)濟(jì)林及灌木草叢轉(zhuǎn)變，增加的林草覆蓋面積多為次生植被區(qū)。

圖1 北洛河流域地理位置

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源北洛河流域水文氣象數(shù)據(jù)（1960—2016年）來(lái)自于北洛河把口水文站狀頭站。北洛河土地利用數(shù)據(jù)主要基于流域1976、1998和2010年3期遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合流域1∶10000地形圖，選擇高斯-克里格投影，采用二次多項(xiàng)式法幾何校正（校正誤差不超過0.5個(gè)像元）對(duì)影像進(jìn)行處理，參考2007年《中國(guó)土地分類系統(tǒng)》，分析流域3期土地利用狀況［16］。

3 研究方法簡(jiǎn)介

3.1 Pettitt突變檢驗(yàn)Pettitt突變檢驗(yàn)法是基于非參數(shù)檢驗(yàn)時(shí)間序列突變點(diǎn)檢驗(yàn)的一種方法［17］。該方法計(jì)算較簡(jiǎn)單，能夠很好的識(shí)別水文時(shí)間序列的突變點(diǎn)，在突變點(diǎn)檢驗(yàn)中應(yīng)用較多。

3.2 雙累積曲線法此方法用于分析兩參數(shù)間的趨勢(shì)性變化。雙累計(jì)曲線線性增加對(duì)應(yīng)的是參數(shù)間趨勢(shì)保持不變，反之當(dāng)雙累計(jì)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)趨勢(shì)發(fā)生改變［18］。

3.3 分離評(píng)判法該方法認(rèn)為徑流、泥沙的變化量由降雨和人類活動(dòng)兩部分因素引起。

本研究以降雨-徑流量/降雨-輸沙量雙累積曲線為依據(jù)，以曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)劃分基準(zhǔn)期和措施期，以此來(lái)反映人類活動(dòng)對(duì)徑流量/輸沙量的影響。

經(jīng)回歸分析求得累積年降雨量與累積年徑流量/累積年輸沙量的線性相關(guān)方程，將流域治理后不同時(shí)段的累積年降雨量值分別代入方程中，求得累積年徑流量/累積年輸沙量，然后與同期實(shí)測(cè)值比較，即得減沙效應(yīng)。計(jì)算公式如下：

式中：R1為利用累積降雨量-累積年徑流量/累積年降雨量-累積年輸沙量的線性相關(guān)方程計(jì)算出的年徑流量/年輸沙量；R2為流域治理后的實(shí)際年徑流量/實(shí)測(cè)年輸沙量。

通過建立基準(zhǔn)期降雨-徑流/降雨-輸沙關(guān)系，用以計(jì)算措施期預(yù)期自然徑流量/自然輸沙量，將其與基準(zhǔn)期平均徑流量/輸沙量相比得到降雨變化對(duì)徑流/輸沙的影響量，將其與實(shí)際觀測(cè)徑流量/輸沙量對(duì)比，得到人類活動(dòng)影響量［19］：

式中：ΔT為流域徑流/輸沙變化總量；QT2是措施期實(shí)測(cè)徑流量/輸沙量；QT1是基準(zhǔn)期徑流量/輸沙量之差；ΔT1是人類活動(dòng)的影響量；ΔT2是降雨變化的影響量；Q′T2是措施期計(jì)算徑流量/輸沙量。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 流域降水及水沙過程年際變化規(guī)律從圖2（a）中線性趨勢(shì)線的走勢(shì)中可看出，北洛河流域降水呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，但不顯著（P＞0.05）。北洛河年均降水量為486.5 mm，其中最大和最小降水量分別為853.7 mm和243.8 mm。從5a滑動(dòng)平均趨勢(shì)線可看出北洛河流域降水變化不顯著，在1960—1970年下降、在1970—1980年先升后降、在1980年—1990年先升后降。從圖2（b）線性趨勢(shì)線的走勢(shì)來(lái)看，北洛河徑流量呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），經(jīng)Pettittt突變檢驗(yàn)可知，徑流量發(fā)生突變年份為1994年，相對(duì)于突變前時(shí)期徑流量降幅為31.43%。北洛河平均年徑流量為8.24×108m3，其中最大和最小徑流量分別為20.13×108m3和4.04×108m3。從5a滑動(dòng)平均趨勢(shì)線可看出北洛河在20世紀(jì)60—70年代和90年代后徑流量為明顯的下降趨勢(shì)。從圖2（c）中可看出北洛河輸沙量同樣呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），經(jīng)Pettittt突變檢驗(yàn)可知，輸沙量發(fā)生突變年份為2002年，相對(duì)于突變前時(shí)期輸沙量降幅為83.53%。北洛河年均輸沙量為0.583×108t，其中最大輸沙量和最小輸沙量分別為2.142×108t和0.008×108t，輸沙量的年際變化很大。從5a滑動(dòng)平均趨勢(shì)線可看出，雖然年際間存在波動(dòng)變化，但從1970年代開始輸沙量有了明顯下降。

圖2 北洛河流域水文要素變化趨勢(shì)

4.2 流域土地利用變化從圖3中可看出，1976年北洛河流域林地、草地、耕地、其他所占比重分別為27%、38%、33%、2%；1998年所占比重分別為29%、37%、32%、2%；2010年所占比重為46%、28%、24%、2%?？傮w而言，北洛河流域在1976—1998年間土地利用主要類型林地、草地和耕地，并未發(fā)生明顯變化；由于1990年代末退耕還林、水土保持綜合治理等生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，流域下墊面發(fā)生了變化，圖中分析可看出1998—2010年間土地利用發(fā)生明顯變化。具體表現(xiàn)為林地面積增加達(dá)17%，耕地和草地面積各減少約9%。這說(shuō)明此時(shí)段內(nèi)有明顯的土地類型的轉(zhuǎn)移，耕地和草地轉(zhuǎn)化為林地；研究期間水域和未利用地?zé)o明顯變化，城鎮(zhèn)單向逐漸增加。流域水沙銳減與流域土地利用變化規(guī)律在趨勢(shì)上有很大吻合度。

圖3 北洛河流域土地利用面積變化

4.3 土地利用變化對(duì)水沙過程的定量影響為區(qū)分降雨和人類活動(dòng)對(duì)北洛河流域水沙變化的影響，結(jié)合徑流輸沙Pettitt突變檢驗(yàn)結(jié)果，用降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線進(jìn)行降雨和人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量貢獻(xiàn)率的模擬回歸分析。降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線的斜率分別代表單位降水所產(chǎn)生的徑流量和輸沙量。自然條件下，降雨與徑流量、降雨與輸沙量的關(guān)系應(yīng)該是一定的。如果流域環(huán)境發(fā)生了變化，則水沙關(guān)系必然發(fā)生變化，降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線斜率會(huì)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折。當(dāng)曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)，說(shuō)明下墊面受人類活動(dòng)影響發(fā)生改變，從而影響徑流量和輸沙量。

從下圖中可看出，北洛河流域降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線圖中存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。據(jù)此可劃分為基準(zhǔn)期和變化期。第一次突變前的時(shí)期，相對(duì)于突變后的時(shí)期可看作為徑流輸沙的天然時(shí)段，流域下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙受降雨外的其他條件影響極弱。變化期降雨-徑流量、降雨-輸沙量的雙累積曲線圖的斜率均較上一時(shí)段減小，說(shuō)明其為顯著下降階段，下墊面受人類活動(dòng)影響顯著。結(jié)合已有研究，土地利用變化作為人類活動(dòng)的主要表現(xiàn)形式之一，其變化會(huì)通過改變流域下墊面糙度對(duì)流域匯流、侵蝕產(chǎn)沙造成影響，進(jìn)而改變流域水沙情勢(shì)。結(jié)合上文土地利用變化分析，發(fā)現(xiàn)林草等類型與徑流泥沙變化趨勢(shì)相吻合，進(jìn)一步印證林草面積變化在流域調(diào)水保土方面效益顯著。因而本研究以土地利用變化來(lái)反映人類活動(dòng)對(duì)徑流泥沙變化量的貢獻(xiàn)率。

圖4 北洛河流域不同時(shí)段降雨-徑流量雙累積曲線

圖5 北洛河流域不同時(shí)段降雨-輸沙量雙累積曲線

根據(jù)北洛河流域降雨-徑流量、降雨-輸沙量雙累積曲線的變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)，對(duì)流域徑流輸沙研究時(shí)間序列進(jìn)行了階段劃分，并分別計(jì)算了北洛河流域降雨變化和土地利用變化對(duì)流域徑流輸沙的定量影響。

表1 線性回歸方程擬合

表2 北洛河流域徑流輸沙量對(duì)降雨和土地利用變化的響應(yīng)

由表1、表2可知，北洛河流域土地利用變化對(duì)流域徑流影響貢獻(xiàn)率為76.9%，降雨貢獻(xiàn)率為23.1%；土地利用變化對(duì)流域輸沙量影響貢獻(xiàn)率為96.6%，降雨貢獻(xiàn)率僅為3.4%。總體而言，土地利用變化是研究流域徑流量、輸沙量變化的主要影響因素。

5 結(jié)論

本文以黃河中游的北洛河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Pettitt突變檢驗(yàn)法、雙累積曲線以及分離評(píng)判等方法，定量分析了流域近60年降水、徑流和輸沙的演變規(guī)律及研究區(qū)土地利用變化特征，探討了流域降雨和土地利用變化對(duì)流域水沙量銳減的影響。研究結(jié)論主要?dú)w納如下：

（1）1960—2016年間，北洛河流域降雨隨時(shí)間變化總體趨勢(shì)不顯著，而徑流量和輸沙量隨時(shí)間變化表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)，下降幅度分別為31.4%和83.5%，輸沙量減少趨勢(shì)尤為顯著。

（2）研究時(shí)段內(nèi)，北洛河流域以林地、草地和耕地為景觀基質(zhì)，耕地、草地向林地轉(zhuǎn)化是基本特征。1976—1998年土地利用類型未發(fā)生明顯變化，1998—2010年，土地利用類型表現(xiàn)為林地面積增加達(dá)17.0%，耕地和草地面積各減少約9.0%。

（3）總體而言，土地利用變化是北洛河流域徑流輸沙發(fā)生變異的主要驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)徑流泥沙量減少的貢獻(xiàn)率分別為76.9%和96.6%；而降水影響貢獻(xiàn)率則較小。但較之土地利用變化對(duì)徑流影響而言，土地利用變化對(duì)流域輸沙量的影響更大。