晏安平，劉 剛，曹林順

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010）

0 引言

近年來，黃河上中游區(qū)徑流和輸沙發(fā)生顯著變化，下降趨勢(shì)明顯[1~2]。準(zhǔn)確判斷水沙變化特征和趨勢(shì)、定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)黃河流域水沙變化的影響程度已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一[3~6]。趙廣舉等[4]、黨素珍等[5]、龔珺夫等[6]分別對(duì)皇甫川、涇河上游和延河流域的研究結(jié)果表明，人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流和泥沙減少的貢獻(xiàn)率有所不同，但人類活動(dòng)影響居于主導(dǎo)地位。北洛河是黃河中游重要的多砂粗砂區(qū)和暴雨洪水的主要源頭，也是全國(guó)最早實(shí)施退耕還林試點(diǎn)的地區(qū)之一，其水沙變化引起了許多學(xué)者的關(guān)注。陳玫君[7]等分析了降水變化和人類活動(dòng)對(duì)北洛河上游1971年~2014的年徑流變化的影響程度，指出以水土保持合理和退耕還林措施為主的人類活動(dòng)是徑流變化的主導(dǎo)因素。蔣觀滔[8]定量分析了北洛河上游降水量、徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)，認(rèn)為1971年~2010年降水量并未發(fā)生顯著的趨勢(shì)性變化的前提下，徑流量和輸沙量呈顯著減少趨勢(shì)，植被的減沙作用明顯大于減水作用。以上研究表明，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響因地而異。因此，在特定流域開展針對(duì)性研究，對(duì)有效分析、合理利用區(qū)域水資源具有重要意義[7]。本文以北洛河上游的周河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析志丹水文站1964年~2010年來的水沙變化特征和驅(qū)動(dòng)因素。

1 研究區(qū)概況

周河是北洛河一級(jí)支流，發(fā)源于靖邊縣周家嘴，在志丹縣西南側(cè)注入北洛河。周河全長(zhǎng)85 km，集水面積1334 km2，平均比降3.71‰，流域?qū)冱S土梁峁溝壑區(qū)，水土流失強(qiáng)烈。周河流域所處的北洛河上游，集水面積僅占北洛河流域的15.5%，但多年平均徑流量和輸沙量卻占到全流域的14.1%和59.1%，是北洛河的主要產(chǎn)水、產(chǎn)沙區(qū)[9]。本研究的周河流域指志丹水文站以上流域。研究區(qū)域?yàn)榘敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候干旱，雨量偏小，且年內(nèi)分布極不均勻，7月~9月的降水占到全年的60%以上，極易引發(fā)洪水災(zāi)害。地形主要為黃土丘陵，質(zhì)地疏松，地形崎嶇，水土流失嚴(yán)重，是黃河中游產(chǎn)、輸沙模數(shù)較高的地區(qū)。自1999年退耕還林工程實(shí)施以來，周河流域所在的志丹縣植被明顯恢復(fù)，林草覆蓋面積增長(zhǎng)迅速，次生植被（以落葉闊葉林和灌木草叢為主）逐漸形成和恢復(fù)[10]，水土流失得到有效遏制，生態(tài)環(huán)境不斷改善。

2 資料與方法

2.1 資料來源

水文序列數(shù)據(jù)均來自黃河水文年鑒（黃河水利委員會(huì)編纂）。降水等氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共享網(wǎng)和黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心，采用KRIGING方法進(jìn)行差值，并在使用過程中進(jìn)行核對(duì)和檢查。水文站概況見表1。

表1 水文站概況

2.2 研究方法

2.2.1 水沙變化趨勢(shì)和突變分析

為了避免單一方法的不準(zhǔn)確性，水沙變化趨勢(shì)采用多年滑動(dòng)平均法[11]，并采用Mann-Kendall（M-K）[12]趨勢(shì)檢驗(yàn)法和線性趨勢(shì)估計(jì)法[13]進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。同時(shí)采用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)[14]和Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)法[12]綜合分析確定徑流和輸沙變化的突變時(shí)間。

2.2.2 人類活動(dòng)和氣候因素影響評(píng)價(jià)

趙廣舉[4]利用水文分析法對(duì)黃土高原不同流域水沙變化貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，認(rèn)為結(jié)果可靠。因此本研究選擇水文分析法對(duì)周河流域水沙變化的影響因素進(jìn)行分離和分析。

水文分析法認(rèn)為，自然狀態(tài)下的特定流域，如果下墊面的條件保持穩(wěn)定，一定降水條件下的徑流量和輸沙量應(yīng)該是一定的。或者可以說，如果下墊面的條件發(fā)生變化，那么相同降水條件下的徑流和輸沙可能會(huì)產(chǎn)生變化。根據(jù)以上原理，以徑流為例，利用基準(zhǔn)期的實(shí)測(cè)資料，建立降雨與徑流之間回歸方程

式中：Q1為基準(zhǔn)期的徑流量，P1為基準(zhǔn)期的降水量；a、b為回歸系數(shù)。

利用方程（1），通過變化期的降水量P2和徑流量Q2，即可計(jì)算出氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響

式中：ΔQh和ΔQp分別為人類活動(dòng)和降水對(duì)徑流的貢獻(xiàn)，mm；為變化期的模擬徑流量，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 水沙變化特征

3.1.1 水沙變化主要趨勢(shì)

近50年來，周河流域的年徑流深均表現(xiàn)出減少趨勢(shì)。圖1反映了周河流域1964年~2010年間流域徑流深年際變化規(guī)律。周河流域年徑流擬合線斜率為-0.59，年際變化曲線呈現(xiàn)出波動(dòng)起伏和不均勻性，呈現(xiàn)多峰形式，其峰值出現(xiàn)在1977年、1985年和1994年。強(qiáng)降雨過程是峰值的出現(xiàn)的主要原因。結(jié)合M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)及一元線性回歸檢驗(yàn)可知（見表1），周河流域年徑流M-K檢驗(yàn)Z值為-3.64，且|Z|>1.96，說明流域徑流在研究時(shí)段內(nèi)在給定的顯著性水平上（0.01或0.05）都表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)。一元線性回歸檢驗(yàn)的結(jié)果與M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果一致，再次驗(yàn)證徑流明顯減少的趨勢(shì)。

圖1 流域徑流年際變化趨勢(shì)

圖2 輸沙量年際變化趨勢(shì)

周流域年輸沙量的年際變化趨勢(shì)與年徑流深的年際變化趨勢(shì)較為一致，也呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，擬合線斜率-0.003（見圖2）。流域研究時(shí)段內(nèi)輸沙量年際變化呈多峰曲線，其峰值出現(xiàn)在1966年、1973年、1977年、1985年和1994年，這主要與區(qū)域特大暴雨的發(fā)生有關(guān)。暴雨一方面剝蝕地表，增大土壤侵蝕，另一方面導(dǎo)致徑流增大，徑流攜沙能力增強(qiáng)，從而出現(xiàn)輸沙的急劇變化。結(jié)合M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)及一元線性回歸檢驗(yàn)可知（見表2），周河流域輸沙量M-K檢驗(yàn)Z值為-4.58，且|Z|>1.96，說明流域輸沙量在研究時(shí)段內(nèi)在給定的顯著性水平上（0.01或0.05）表現(xiàn)出顯著的減少趨勢(shì)，并與一元線性回歸檢驗(yàn)的結(jié)果一致。

表2 流域徑流深和輸沙量年際變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 水沙變化的突變特征

為了確定水沙變化的突變時(shí)間，應(yīng)用M-K法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)和Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)法綜合進(jìn)行判別。由于3種方法的檢測(cè)結(jié)果不一定一致，故以2種方法以上的檢測(cè)結(jié)果相同來確定突變點(diǎn)。退耕還林（草）工程實(shí)施可以引起徑流和輸沙的急劇變化。如表3所列，流域水沙變化的突變發(fā)生在退耕還林工程實(shí)施之后，其中徑流突變可以確定發(fā)生在2003年，發(fā)生在退耕還林工程實(shí)施后4年。而輸沙量的突變時(shí)間難以確定，三種檢測(cè)方法結(jié)果分別為2001年（M-K法）、2003年（滑動(dòng)T檢驗(yàn)）和1996年（Pettitt法）。參考地理位置臨近、自然氣候條件相似、人類活動(dòng)方式基本相同的北洛河河源區(qū)（吳起水文站以上）徑流和輸沙突變時(shí)間一致的研究成果[8]，綜合判斷周河流域輸沙量突變時(shí)間為2003年。徑流和輸沙的突變時(shí)間一致，說明徑流和輸沙變異存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 流域徑流量及輸沙量序列突變檢測(cè)結(jié)果

3.2 以退耕還林為主的人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響

3.2.1 退耕還林對(duì)水沙變化的影響分析

1999年國(guó)家啟動(dòng)實(shí)施了退耕還林工程。因此，以1999年為節(jié)點(diǎn)，將徑流和輸沙序列劃分為退耕前期和退耕后期（見表4）。可以看出，周河流域的降水量、徑流深、輸沙量均呈現(xiàn)降低的變化，退耕后期降水量、徑流深、輸沙量分別為421.42 mm、21.34 mm、179.37萬(wàn)t，較退耕前期分別減少28.79 mm、21.12 mm和892.4萬(wàn)t。在年降雨量降低6.4%的情況下，徑流深和輸沙量分別減少了49.98%和83.26%?？梢耘袛?，退耕還林引起的生態(tài)植被變化是影響流域水沙變化的主導(dǎo)因素。需要注意的是，雖然變化的趨勢(shì)一致，但輸沙量變化幅度超過徑流變化幅度。這可能是因?yàn)橛俚貕蔚雀黜?xiàng)水保措施對(duì)徑流輸沙進(jìn)行了有效攔截以及植被對(duì)攔水率和攔沙率的不同而造成的[8]。此外，徑流減少也是導(dǎo)致輸沙量降低的重要影響原因。

表4 退耕還林前后降水和水沙變化統(tǒng)計(jì)

3.2.2 氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)水沙變化影響的定量分析

退耕還林工程實(shí)施之后的效果存在一定的延遲，因此周河流域徑流和輸沙年際變化趨勢(shì)的突變時(shí)間發(fā)生在2003年。以突變時(shí)間點(diǎn)作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可以將徑流和輸沙序列劃分為突變前期和突變后期（見表5）。在突變后期，流域的降雨量、徑流深、輸沙量較突變前期均呈現(xiàn)減少的變化，年均降雨量、徑流深和輸沙量較突變前期分別降低了30.64 mm、24.62 mm和927.47萬(wàn)t。利用水文分析法估算降雨變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流深和輸沙量的影響，見表5。降雨因素導(dǎo)致徑流深減少3.16 mm，貢獻(xiàn)了變化總量的12.84%，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)了87.16%；降雨因素對(duì)流域輸沙量減少量為96.60萬(wàn)t，貢獻(xiàn)僅為10.42%，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)為89.58%，人類活動(dòng)對(duì)周河徑流和輸沙量減少發(fā)揮著主導(dǎo)作用。

表5 人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)周河流域徑流和輸沙的影響

4 討論

多數(shù)研究認(rèn)為，森林面積的減少會(huì)導(dǎo)致徑流的增加和土壤侵蝕量的降低[15~16]。自退耕還林工程實(shí)施以來，北洛河上游的植被覆蓋度迅速增加，土地利用發(fā)生顯著變化[17]。由于缺少流域土地利用變化數(shù)據(jù)，本研究以周河流域內(nèi)志丹縣退耕還林以來的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表6）[18~20]。可以看出，志丹縣耕地面積在退耕還林之后呈急劇減少趨勢(shì)，減少56.48%（1997年~2014年）。減少的耕地主要轉(zhuǎn)化成林地，故林地面積增加15.29×105hm2，面積百分比提高了111.6%。林地面積的增加，不僅改變降水分配，提高地表粗糙度，而且可以影響流域蒸散發(fā)，從而進(jìn)一步影響流域產(chǎn)匯流過程和徑流輸沙能力，最終導(dǎo)致周河流域的徑流和輸沙同時(shí)出現(xiàn)下降的變化。人類活動(dòng)對(duì)周河流域突變之后的徑流和輸沙變化影響基本相同，其中對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)為87.16%，對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)為89.58%，這與劉二佳等[17]對(duì)北洛河上游1963年~2009年徑流和輸沙變化影響因素的研究結(jié)論基本一致，但與蔣觀滔等[8]研究成果存在差異（人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率為29.2%）。這可能是由于數(shù)據(jù)系列的長(zhǎng)短、尺度不同造成的，也與數(shù)據(jù)處理和分析方法不同等原因有很大關(guān)系。

周河流域?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂騾^(qū)，降雨稀少且主要集中在夏季。本研究對(duì)流域年尺度的徑流和輸沙變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析，但在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，分析流域在月尺度以及汛期、非汛期的水沙變化規(guī)律以及對(duì)年水沙變化的影響和貢獻(xiàn)值更有指導(dǎo)意義，還需要進(jìn)一步研究。任何方法都有自身的局限性和適用性，選取多種方法互相驗(yàn)證，并分析各種方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，從而選定適合不同流域類型、氣候條件和人類活動(dòng)方式的研究方法是以后研究的重點(diǎn)。此外，退耕還林（草）對(duì)流域水沙變化的產(chǎn)生著重要影響，但是在現(xiàn)實(shí)中，城鎮(zhèn)化發(fā)展、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化推進(jìn)對(duì)水沙變化也發(fā)揮著重要作用，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，用水需求迅速增加導(dǎo)致的徑流減少也是不可忽視的影響因素，需要綜合考慮分析。

表6 志丹縣土地利用變化分類面積統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論和建議

本文分析了北洛河上游退耕還林區(qū)周河流域的水沙變化趨勢(shì)，并分別以退耕還林工程實(shí)施時(shí)間（1999年）和水沙突變時(shí)間為節(jié)點(diǎn)，比較了節(jié)點(diǎn)前后的徑流和輸沙系列變化主要特征，定量判別了人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響作用，主要得出以下結(jié)論。

（1）含沙量一定的條件下，徑流與輸沙之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。周河流域的年徑流和輸沙變化也符合以上規(guī)律，表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，且輸沙與徑流突變時(shí)間一致，發(fā)生在2003年。受流域形狀、地形地貌、產(chǎn)流面積以及降水的不均勻性等多種因素影響，流域水沙年際變化曲線呈現(xiàn)波動(dòng)起伏和不均勻性。

（2）退耕還林之后，流域的徑流深降低了49.74%，輸沙量的減少程度更大也更為明顯，降低83.26%。對(duì)突變之后的流域徑流和輸沙變化影響分析表明，人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水沙作用效果基本一致。退耕還林為主的人類活動(dòng)是周河流域徑流和輸沙變化的主導(dǎo)因素，對(duì)徑流變化和輸沙變化的貢獻(xiàn)分別為87.16%和89.58%。