劉 璐，郭月峰，姚云峰，祁 偉，2，劉曉宇，楊 燕

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水土保持監(jiān)測站，內(nèi)蒙古 呼和浩特010020）

罕臺川為黃河內(nèi)蒙古段十大孔兌（孔兌即山洪溝）之一，其生態(tài)環(huán)境惡劣，水土流失嚴(yán)重，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，防洪形勢嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展，山洪泥沙容易形成沙壩，堵塞黃河［1-2］，是主要的水土流失治理區(qū)域。

十大孔兌是位于黃河上游寧蒙河段的10條季節(jié)性支流，其由南向北并列匯入黃河，在暴雨的作用下極易形成高含沙洪水，造成黃河上游三湖河口至頭道拐段的淤積［3］。目前針對十大孔兌典型流域西柳溝的研究較多，許炯心［4］對十大孔兌侵蝕產(chǎn)沙的時空變化及成因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)流域輸沙量集中于大雨大沙年份，產(chǎn)沙模數(shù)具有明顯的空間分異特征，其變化過程主要是由暴雨特征的差異與流域下墊面的變化引起的；劉韜等［5］、王平等［6］、Qin等［7］主要從十大孔兌暴雨洪水產(chǎn)沙輸沙關(guān)系、黃河上游孔兌高含沙洪水特點與沖淤特性、西柳溝流域暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系、內(nèi)蒙古河段沖淤演變過程對水沙的響應(yīng)等方面進(jìn)行水沙相關(guān)特性分析研究；李璇［8］、張建等［9］分別對西柳溝流域水沙流失特點及治理措施、十大孔兌水沙特性及治理措施進(jìn)行了探討研究；冉大川等［10］、劉通等［11］分別對西柳溝流域水沙變化進(jìn)行成因分析，結(jié)果表明人類活動與降水影響權(quán)重之比為0.45∶0.55，人類活動特別是水土保持和退耕還林還草，是影響該流域徑流泥沙過程變化的主要因素；斯琴等［12］對罕臺川流域進(jìn)行水沙變化規(guī)律研究后發(fā)現(xiàn)該流域徑流與輸沙關(guān)系密切，且二者變化趨勢基本一致。流域水沙變化是全球共同關(guān)注的問題［13-14］，而氣候變化和人類活動交互影響下的流域水沙變化是全球泥沙研究的前沿和難點［15］。

鑒于此，基于罕臺川流域水文資料，研究流域水沙關(guān)系，揭示水沙變化規(guī)律，分析流域水沙減少量以及降水和人類活動對流域水沙變化的貢獻(xiàn)率，以此掌握流域內(nèi)水土流失綜合治理等人類活動對水沙及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響作用，為黃河流域水土流失有效治理提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

罕臺川干流全長90.4 km，流域面積1 030 km2；水土流失嚴(yán)重［12］，多年平均侵蝕模數(shù)為8 500 t/（km2·a），多年平均徑流量為1 185萬m3，多年平均輸沙量為158萬t；屬于干旱大陸性氣候區(qū)，氣候干燥、風(fēng)大沙多，多年平均降水量為312.9 mm，由南向北逐漸減少，其中風(fēng)沙區(qū)雨量最少，年均200 mm左右。罕臺川上游為丘陵溝壑區(qū)，是泥沙的主要來源區(qū)，其地表抗蝕能力極差，且植被覆蓋度低，荒坡上優(yōu)勢植物群落為羊草和針茅，人工種植樹種主要有檸條和沙棘等；中游為風(fēng)沙區(qū)，主要受風(fēng)蝕影響，流動沙丘活動頻繁，主要植物有油蒿和沙竹；下游為沖積平原區(qū)，溝道坡降變緩，河床淤積嚴(yán)重。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

本次分析利用罕臺川流域1981—2017年的水文資料。流域水文資料（年徑流量、年輸沙量）來源于鄂爾多斯市達(dá)拉特旗水文站；1983年無實測水文資料，采用雙累積曲線法插補得到。流域降水?dāng)?shù)據(jù)來源于水文站以及罕臺廟、青達(dá)門和耳字壕3個雨量站。流域水土保持綜合治理資料來自野外實地調(diào)查、達(dá)拉特旗年報數(shù)據(jù)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯市水土保持局以及第一次全國水利普查公報。

1.3 研究方法

采用SAS軟件INSIGHT模塊對年徑流量和輸沙量進(jìn)行置信橢圓相關(guān)分析，使之落入設(shè)定置信水平區(qū)域，若變量相關(guān)則置信橢圓呈扁長狀，若變量不相關(guān)則置信橢圓呈圓形，變量相關(guān)程度與置信橢圓長半軸的長度成正比，置信橢圓可直觀反映變量相關(guān)程度。

累積距平法［16］是將要素值與其多年平均值的偏差進(jìn)行累積，可以直觀而準(zhǔn)確地表達(dá)罕臺川流域水沙階段性變化特征?；瑒悠骄ǎ?7］基于水文序列逐年增減新舊數(shù)值并作均值處理，得出新的水文時間序列，這樣可以消除偶然變動因素，體現(xiàn)其變化趨勢。雙累積曲線法［18-19］可用于分析水文要素的趨勢性變化及變化強度，本文采用該方法分析罕臺川流域人類活動是否對徑流、輸沙造成影響及其貢獻(xiàn)率。

繪制罕臺川流域降水量、輸沙量及徑流量雙累積曲線，將轉(zhuǎn)折變化前視為天然期，轉(zhuǎn)折變化后視為變化期。建立天然期降水量、輸沙量與徑流量關(guān)系曲線擬合模型，從而計算出變化期年輸沙量和年徑流量模擬值，再利用以下公式計算降水量及人類活動對流域輸沙量、徑流量變化的貢獻(xiàn)率。

式中:ΔW水（s、w）、ΔW人（s、w）分別為降水及人類活動影響輸沙量、徑流量所產(chǎn)生的變化量；R1（s、w）實測、R2（s、w）實測分別為天然期及變化期輸沙量、徑流量實測值，其中s、w分別表示輸沙量、徑流量；R2（s、w）模擬為變化期輸沙量、徑流量模擬值；C水（s、w）、C人（s、w）分別為降水及人類活動對流域輸沙量、徑流量變化的貢獻(xiàn)率。

在數(shù)據(jù)處理過程中利用Excel、SAS9.0、SPSS以及Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析、差異顯著性分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域水沙演變過程分析

2.1.1 水沙相關(guān)關(guān)系分析

對罕臺川流域輸沙量與徑流量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。由表1可知各時段輸沙量與徑流量高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.8，對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，P值均小于0.05，達(dá)到顯著相關(guān)。

表1 罕臺川流域輸沙量與徑流量相關(guān)性分析結(jié)果

由徑流量與輸沙量相關(guān)關(guān)系的置信橢圓（見圖1）可以看出，罕臺川流域1981—2017年輸沙量與徑流量相關(guān)性置信橢圓呈較扁長狀，其中在2000—2009年、2010—2017年輸沙量與徑流量相關(guān)性置信橢圓呈極扁長狀，表明罕臺川流域徑流量與輸沙量之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖1 罕臺川流域輸沙量與徑流量相關(guān)性置信橢圓

2.1.2 水沙年際變化分析

選取1981—2017年罕臺川流域水沙資料進(jìn)行年際變化情況分析，見表2。由表2可知，1981—2017年徑流量及輸沙量變差系數(shù)分別為1.173、2.434，說明近40 a來罕臺川流域徑流量和輸沙量年際差異顯著，且輸沙量的年際變化程度大于徑流量的。

表2 主要水文要素統(tǒng)計特征值

1981—1989年罕臺川流域多年平均徑流量和輸沙量均最大，徑流量和輸沙量以及降水量的變差系數(shù)分別為1.078、1.750、0.284，表明這一期間各水文要素變化顯著、分布不集中，產(chǎn)生的大量徑流和泥沙主要受降水因素的影響。從總體來看，降水量多年變化呈波動狀，變差系數(shù)變化幅度較小，但徑流量與輸沙量變差系數(shù)總體呈下降趨勢，徑流量和輸沙量的多年平均值逐年代減小，且近些年在降水量增加的情況下對降水的響應(yīng)趨于遲緩。

2.1.3 水沙變化趨勢分析

由圖2～圖4可見，罕臺川流域年輸沙量和年徑流量均有波動，年徑流量變化幅度更加明顯。從水沙滑動平均變化曲線可以看出自1998年開始徑流量和輸沙量總體呈下降趨勢，其中輸沙量下降趨勢更加顯著。與徑流輸沙變化趨勢不同，總體呈波動上升趨勢，多年平均降水量為317.6 mm。

水沙變化表現(xiàn)為3個階段（見圖4）:①1981—1993年，徑流量和輸沙量處于明顯波動狀態(tài)，其中1989年徑流量與輸沙量呈驟升趨勢與該年雨量強度大有關(guān)；②1994—1998年，徑流量和輸沙量處于上升趨勢，可能與同期降水量較大有關(guān)；③1998—2017年，罕臺川徑流量及輸沙量持續(xù)顯著下降。

圖2 罕臺川流域年徑流量和輸沙量累積距平變化情況

圖3 罕臺川流域年降水量波動變化趨勢

圖4 罕臺川流域年輸沙量、徑流量波動變化趨勢

2.2 流域水沙變化驅(qū)動因素分析

2.2.1 徑流量、輸沙量趨勢轉(zhuǎn)折點的確定

罕臺川流域徑流量及輸沙量都分別于1989年、1998年發(fā)生明顯的趨勢性變化（見圖5）。1989年趨勢性變化主要是因為該年份發(fā)生暴雨。1998年趨勢性變化主要是因為該流域于20世紀(jì)90年代開始建設(shè)骨干壩、開展水土流失綜合治理等，人類活動對流域徑流量、輸沙量變化發(fā)揮了作用，且該時段降水量未有明顯的波動變化。因此，以1981—1997年為天然期，以1998—2017年為變化期。

圖5 罕臺川流域輸沙量和徑流量與降水量雙累積趨勢變化

2.2.2 降水產(chǎn)流產(chǎn)沙擬合函數(shù)的建立

基于Excel軟件將罕臺川流域天然期徑流量、輸沙量的累積值分別與年降水量的累積值進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的擬合函數(shù)，并對擬合函數(shù)進(jìn)行F顯著性檢驗。將罕臺川流域1981—2017年降水量的累積值分別代入輸沙、徑流擬合函數(shù)，計算得到該流域1981—2017年累積年徑流量、累積年輸沙量的模擬值。

降水產(chǎn)沙擬合函數(shù)為

式中:S為累積輸沙量，萬t；X為累積降水量，mm。

該擬合函數(shù)在P＜0.001的顯著性水平上通過F檢驗，說明該函數(shù)可靠性強，達(dá)到極顯著相關(guān)，可作為計算模擬值依據(jù)。

降水產(chǎn)流擬合函數(shù)為

式中:W為累積徑流量，萬m3。

該擬合函數(shù)在P＜0.001的顯著性水平上通過F檢驗，說明該函數(shù)可靠性強，達(dá)到極顯著相關(guān)，可作為計算模擬值依據(jù)。

基于產(chǎn)流產(chǎn)沙擬合函數(shù)，分別計算罕臺川流域1981—2017年（缺1983年實測資料）累積年徑流量及累積年輸沙量，再與1998—2017年（變化期）累積年徑流量及累積年輸沙量實測值進(jìn)行比較（見圖6）。1981—1997年（天然期）徑流量及輸沙量的模擬值與同期實測值基本吻合，而1998—2017年徑流量及輸沙量模擬值均大于實測值，且輸沙量模擬值與實測值差異程度大于徑流量差異程度。

圖6 罕臺川流域年徑流量和輸沙量模擬值與實測值對比

2.2.3 降水與人類活動對水沙變化貢獻(xiàn)率分析

降水及人類活動對水沙變化貢獻(xiàn)率計算結(jié)果見表3、表4。1998—2017年（變化期）罕臺川流域年均減水568萬m3，減少率為43.73%，其中降水對徑流量減少過程發(fā)揮36.09%的抑制作用，人類活動對徑流量減少過程發(fā)揮136.09%的促進(jìn)作用；1998—2017年（變化期）罕臺川流域年均減沙222萬t，減少率為80.73%，其中降水對輸沙量減少過程發(fā)揮6.30%的抑制作用，人類活動對輸沙量減少過程發(fā)揮106.30%的促進(jìn)作用。罕臺川流域減沙效果大于減水效果，且其中水土流失綜合治理等人類活動為引起1998—2017年徑流量、輸沙量變化的主要驅(qū)動因素。

表3 徑流量與輸沙量實測值與模擬值計算結(jié)果

表4 1998—2017年降水及人類活動對水沙變化貢獻(xiàn)率計算結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）罕臺川流域徑流量和輸沙量年際間變化極為顯著，輸沙量的年際變化程度大于徑流量的；1981—2017年輸沙量與徑流量高度相關(guān)，水沙相關(guān)系數(shù)R2均大于0.8（P＜0.05），達(dá)到顯著性水平。

（2）罕臺川流域自20世紀(jì)90年代開始實施水保措施以來輸沙量和徑流量呈下降趨勢，在降水量呈上升趨勢時徑流量和輸沙量對降水的響應(yīng)趨于遲緩。

（3）降水及人類活動對水沙變化貢獻(xiàn)率的計算結(jié)果表明，該流域減沙效果大于減水效果，降水對水沙減少過程發(fā)揮抑制作用，人類活動對水沙減少過程發(fā)揮促進(jìn)作用；水土流失綜合治理等人類活動是引起1998—2017年徑流量、輸沙量減少的主要驅(qū)動因素，罕臺川流域自20世紀(jì)90年代以來水土流失綜合治理取得顯著成效。