傅彥超, 王友勝, 楊 志, 劉 暢, 張曉明,魏天興, 辛 艷, 馬文濤, 解 剛, 任正龑

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京100083; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100048; 3.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)總站， 銀川750002)

黃河流域是水土保持和流域泥沙研究的重點(diǎn)區(qū)域，存在水土流失、泥沙淤積和洪水威脅等問(wèn)題。特別是近幾十年來(lái)，黃河流域氣溫升高、極端事件及自然災(zāi)害頻發(fā)和徑流減少等，是中國(guó)生態(tài)安全保障和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)地區(qū)[1-2]?？嗨邮菍幭木硟?nèi)重要的黃河一級(jí)支流，流域內(nèi)蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)大沙多，河流含沙量高，是重要的生態(tài)敏感區(qū)[3]。流域下游為沖積平原，黏土礫石含量較高，上游為干旱草原區(qū)，植被稀疏，且地勢(shì)較高，發(fā)生土壤侵蝕之后極易沿河而下匯入黃河干流。不少研究指出[4-6]，位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)的黃河干支流輸沙量均有大幅減少，在黃河中游產(chǎn)沙區(qū)人類活動(dòng)是輸沙量減少的主控因素[7]。在黃河寧夏段，上游來(lái)水來(lái)沙條件的變化是造成寧夏河段河道淤積的原因[8]。但目前氣候變化及人類活動(dòng)對(duì)寧夏干旱區(qū)域水沙變化的影響尚不明晰。因此，探究苦水河流域的水沙變化對(duì)明晰流域內(nèi)水沙輸移特征和探究寧夏干旱區(qū)水土保持理論具有重要意義。

水沙序列是通過(guò)水文站實(shí)際測(cè)量得到的徑流及輸沙非平穩(wěn)時(shí)間序列[9]，針對(duì)流域徑流、輸沙數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析，可以探究徑流泥沙在時(shí)間尺度上的變化特征和變化趨勢(shì)。水沙序列的特征可以采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，來(lái)檢測(cè)流域徑流輸沙在特定時(shí)間段內(nèi)的變化趨勢(shì)以及對(duì)變化過(guò)程中突變點(diǎn)的檢測(cè)[9-10]。也有學(xué)者開(kāi)展了徑流、輸沙集中度研究[11]，該概念最早被用來(lái)研究年內(nèi)降水的分配情況[12]，后也有應(yīng)用在徑流、泥沙相關(guān)研究當(dāng)中[13-14]。水沙關(guān)系曲線(sediment rating curve，SRC)是研究流域輸沙變化的常用工具，用以表達(dá)徑流量和輸沙量的內(nèi)在關(guān)系，區(qū)域內(nèi)水文循環(huán)和泥沙輸移可以通過(guò)水沙關(guān)系曲線的變化來(lái)進(jìn)一步表達(dá)[15]。水沙關(guān)系曲線有多種形式，包括線性函數(shù)、冪函數(shù)、分段函數(shù)等，以冪函數(shù)最為常見(jiàn)[16-17]。冪函數(shù)水沙關(guān)系滿足表達(dá)式SSC=aQb(SSC為泥沙濃度，Q為流量)，參數(shù)a，b能夠反映河流的輸沙能力強(qiáng)弱和外界環(huán)境對(duì)其影響[18]。許多研究發(fā)現(xiàn)[19-20]，在歷時(shí)短、降雨強(qiáng)的洪水事件下，河流輸沙和徑流會(huì)發(fā)生遲滯現(xiàn)象，洪水場(chǎng)次下的水沙關(guān)系曲線會(huì)呈現(xiàn)出不同環(huán)路曲線(SSC-Q)類型，這可以用來(lái)分析河流的輸沙狀況和水沙協(xié)調(diào)關(guān)系。

本研究以苦水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于1989—2019年郭家橋水文站長(zhǎng)時(shí)間序列降水及水沙數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)分析近30年苦水河流域水沙變化情勢(shì)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間水沙關(guān)系曲線及其參數(shù)做趨勢(shì)分析，并在洪水條件下分析水沙關(guān)系曲線的滯回特征?；陔p累積曲線法、集中度分析和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等統(tǒng)計(jì)方法，識(shí)別苦水河流域水沙變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，在氣候和人類活動(dòng)的影響下，探討其對(duì)苦水河流域水沙變化的貢獻(xiàn)率，研究旨為提高對(duì)苦水河流域水沙變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)要素的理解，并為未來(lái)寧夏干旱區(qū)優(yōu)化水土保持措施提供參考。

1 研究區(qū)概況

苦水河為寧夏境內(nèi)黃河第二大一級(jí)支流，位于寧夏回族自治區(qū)中東部，源于甘肅省環(huán)縣甜水堡鎮(zhèn)，向北經(jīng)寧夏吳忠市鹽池縣、同心縣、利通區(qū)、紅寺堡區(qū)、靈武市5個(gè)縣(市、區(qū))，于靈武市新華橋鎮(zhèn)華一村匯入黃河，主河道全長(zhǎng)223.8 km。流域位于北緯37°03′—38°05′，東經(jīng)106°02°—107°15′，寧夏境內(nèi)流域面積4 942 km2，占苦水河流域總面積的94.7%[21]。流域水系主要有苦水河、甜水河、沙溝、小河4條水系。流域地處騰格里沙漠與毛烏素沙地的交匯處，地貌類型多為風(fēng)沙丘陵。流域內(nèi)降雨稀少，多發(fā)歷時(shí)短，強(qiáng)度大的降雨，多年平均降水量248 mm[3]。流域年平均氣溫處于上升趨勢(shì)，蒸發(fā)強(qiáng)烈。土壤類型以淡灰鈣土、黃棉土和風(fēng)沙土為主，有機(jī)質(zhì)含量低，土質(zhì)疏松。流域內(nèi)植被類型屬于荒漠草原植被，植被種類少，種群結(jié)構(gòu)單一，植被覆蓋度低[22]。自2000年，寧夏開(kāi)始實(shí)施退耕還林還草工程，對(duì)南部風(fēng)沙區(qū)的沙漠化土地進(jìn)行重點(diǎn)治理，并且采取封山禁牧的一系列措施使水土流失和土地沙化問(wèn)題得到緩解。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1989—2019年逐日徑流量、輸沙量取自苦水河流域水文控制站——郭家橋水文站，降雨數(shù)據(jù)來(lái)自吳忠氣象站。郭家橋水文站控制面積5 216 km2，年平均徑流量0.933 8億m3。土地利用遙感數(shù)據(jù)從PIE-engine遙感與地理信息云服務(wù)平臺(tái)獲取，產(chǎn)品為中國(guó)30 m年度覆蓋數(shù)據(jù)(annual China Land Cover Dataset, CLCD)，該數(shù)據(jù)基于5463個(gè)獨(dú)立參考樣本，產(chǎn)品總體精度為79.31%。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)分析 利用Mann-Kendall(下文簡(jiǎn)稱M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)的方法對(duì)郭家橋水文站1989—2019年的徑流、輸沙數(shù)據(jù)做趨勢(shì)性分析。M-K檢驗(yàn)法對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)具有良好的識(shí)別能力，在檢驗(yàn)氣候和水文要素的變化趨勢(shì)上應(yīng)用廣泛。該方法不要求數(shù)據(jù)遵循特定的分布，同時(shí)個(gè)別異常值的干擾對(duì)結(jié)果影響不大，因此，可以相對(duì)客觀地反映出長(zhǎng)時(shí)間水文時(shí)間序列變化情況[23]。也可以進(jìn)一步用此方法檢驗(yàn)徑流泥沙量時(shí)間序列的突變情況。具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[24]。

2.2.2 集中度分析 將集中度指數(shù)[25]應(yīng)用于流域內(nèi)徑流和輸沙時(shí)間序列，來(lái)分析年內(nèi)徑流、輸沙的集中情況，集中度指數(shù)可以用來(lái)表達(dá)日降雨對(duì)年內(nèi)總降水的貢獻(xiàn)程度。計(jì)算步驟：首先將年徑流量標(biāo)準(zhǔn)化，之后按照等級(jí)劃分(0～0.000 9，0.001～0.009，0.01～0.09，0.1～0.9)，然后在逐個(gè)徑流等級(jí)下計(jì)算出發(fā)生天數(shù)和徑流量之和，并計(jì)算各個(gè)徑流等級(jí)內(nèi)的累積徑流量百分比(Y，%)和累積徑流天數(shù)的百分比(X，%)，用同樣的方法計(jì)算輸沙量的年內(nèi)集中度CI。其中Y，X符合以下的洛倫茲曲線分布:

Y=aXebX

可以通過(guò)最小二乘法進(jìn)行計(jì)算a和b的值，

兩個(gè)常數(shù)被確定后，洛倫茲曲線在0到100之間的定積分就是曲線下的面積S可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

最后計(jì)算面積S占總面積的百分比得到計(jì)算年份的集中度CI:

通過(guò)上述步驟得到的集中度介于0～1，靠近1則說(shuō)明代表年徑流、輸沙量集中分布于一段時(shí)間內(nèi)，反之，靠近0則代表年徑流和輸沙量分布較為分散[9]。

2.2.3 水沙關(guān)系曲線及其參數(shù) 水沙關(guān)系曲線常用來(lái)描述徑流和泥沙之間的關(guān)系，是基于水文站實(shí)測(cè)徑流和泥沙數(shù)據(jù)的一種經(jīng)驗(yàn)回歸關(guān)系[26]，在各種回歸關(guān)系中，冪函數(shù)關(guān)系最為常見(jiàn)[27]，流量(Q)滿足在一定參數(shù)下對(duì)懸移質(zhì)泥沙輸沙率(SSC)的函數(shù)。表達(dá)形式為:

SSC=aQb

式中:a為系數(shù),b為指數(shù)。a和b的值表示沙源供應(yīng)情況和水流影響下的泥沙輸移的變化情況[28]。有學(xué)者對(duì)SRC函數(shù)關(guān)系中的參數(shù)a,b賦予了一定的實(shí)際意義并被廣泛應(yīng)用于水沙關(guān)系的研究中。系數(shù)a代表了流域內(nèi)的侵蝕嚴(yán)重程度,反映了流域泥沙的可侵蝕性,系數(shù)a越大表明越易被侵蝕,同時(shí),系數(shù)a的變化容易受到外界環(huán)境和人為活動(dòng)干擾的影響;指數(shù)b與河流本身的性質(zhì)有關(guān),受河床形態(tài)、水流速度、水沙配比的影響,代表了河流自身的侵蝕能力,其值越大表明隨流量的增加含沙量或輸沙率增加的越快[29-30]。

2.2.4 貢獻(xiàn)度分析 流域水沙情勢(shì)變化主要受到氣候變化和人類活動(dòng)的影響[31]，為分析這兩種因素對(duì)苦水河流域的影響貢獻(xiàn)度，采用雙累計(jì)曲線法定量計(jì)算。雙累計(jì)曲線法常用于水文氣象要素的趨勢(shì)變化分析，用于判斷人為擾動(dòng)是否造成了流域要素的趨勢(shì)性變化[32]。將逐年累計(jì)降雨量和徑流量分別與逐年累計(jì)降水在徑流、輸沙突變前后建立線性回歸直線，如果二者斜率差別較大，則說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)徑流輸沙變化的貢獻(xiàn)度較高。并通過(guò)計(jì)算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析近30年間的土地利用變化情況，進(jìn)一步判斷人類活動(dòng)的主要作用形式。

3 結(jié)果與分析

3.1 水沙序列的時(shí)間變化

3.1.1 年際尺度特征 苦水河流域1989—2019年均降雨198.10 mm，年均徑流量14.16×107m3，年輸沙量5.83×106t，降雨少，輸沙量大。為探究其在年際尺度上變化趨勢(shì)。對(duì)苦水河郭家橋水文站1989—2019年徑流、泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，見(jiàn)圖1，徑流和泥沙的變化趨勢(shì)相近，徑流量大的年份往往伴隨著高輸沙量，但在2012—2019年徑流量上升的過(guò)程中，輸沙量并未顯著提高，說(shuō)明流域“大水大沙”的情況有所改善。進(jìn)一步，對(duì)年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析，結(jié)果顯示在近30年間，苦水河流域年徑流量和輸沙量均有減少的趨勢(shì)。

進(jìn)一步對(duì)苦水河近30年水沙數(shù)據(jù)做 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)。研究時(shí)段內(nèi)，苦水河徑流量(p<0.1)和輸沙量(p<0.05)銳減趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。為判斷年徑流和輸沙數(shù)據(jù)變化拐點(diǎn)，對(duì)徑流輸沙數(shù)據(jù)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，年徑流時(shí)間序列Z值為-1.67，年輸沙時(shí)間序列Z值為-3.37，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，年徑流量在2002年發(fā)生減少突變，而年輸沙量減少突變?cè)?004年發(fā)生。以突變點(diǎn)為時(shí)間劃分節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之前的時(shí)間段為基準(zhǔn)時(shí)期，節(jié)點(diǎn)之后的時(shí)間段為變化時(shí)期，進(jìn)一步結(jié)合徑流輸沙量的突變點(diǎn)將郭家橋水文站水沙序列做時(shí)間段劃分，見(jiàn)表1。郭家橋水文站變化期較基準(zhǔn)期年徑流及年輸沙量分別減少10.16%和87.26%。此結(jié)果表明，在1989—2019年，年徑流量并沒(méi)有大幅減少，與M-K檢驗(yàn)結(jié)果減少趨勢(shì)不顯著相一致，但年輸沙量卻有明顯的減少趨勢(shì)。該結(jié)果為進(jìn)一步判斷氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)苦水河流域水沙情勢(shì)變化的影響提供了研究基礎(chǔ)。

圖1 1989-2019年徑流輸沙年際變化

表1 苦水河流域徑流泥沙時(shí)間序列分析

3.1.2 月際尺度特征 對(duì)1989—2019年每個(gè)月的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)用做統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖2，利用箱線圖分析徑流和輸沙的年內(nèi)分配情況。結(jié)果顯示，近30 a總徑流量為4.45×109m3，總輸沙量為1.93×108t，徑流量和輸沙量的年內(nèi)分配比較集中，每年的5—8月為豐水期，豐水期徑流量3.04×109m3，占總量的68.36%，同時(shí)這一期間也伴隨著大量的泥沙輸移，豐水期4個(gè)月內(nèi)的輸沙量為1.75×108t，占到總量的90.49%。每年的12月至3月為枯水期，輸沙量為0.18×108t，占比為9.51%，輸沙量較低。

3.1.3 日際尺度特征 為分析年徑流量和年輸沙量在日尺度上的分配情況，引入集中度指數(shù)(concentration index)。集中度指數(shù)最早應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，用來(lái)表征貧富差距，近些年來(lái)，有研究人員將這一指標(biāo)應(yīng)用到年內(nèi)降雨在日尺度上的集中度上。本文擬采用這一概念來(lái)分析年徑流和泥沙的分布情況。首先，用洛倫茲曲線擬合1989年郭家橋水文站的累計(jì)徑流百分比和累計(jì)天數(shù)百分比數(shù)據(jù)，并驗(yàn)其擬合優(yōu)度，發(fā)現(xiàn)決定系數(shù)R2為0.927 8，說(shuō)明擬合效果較好。統(tǒng)計(jì)后續(xù)年份，發(fā)現(xiàn)決定系數(shù)均在0.9以上。

圖2 徑流、輸沙的年內(nèi)分配情況

1989—2019年徑流和輸沙集中度見(jiàn)圖3，年徑流集中度均小于年輸沙集中度，年徑流集中度均值為0.53，年輸沙集中度均值為0.911。徑流集中度指數(shù)的變化趨勢(shì)采用M-K檢驗(yàn)法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)徑流和輸沙集中度指數(shù)的Z值分別是-4.22和-2.59，p值均小于0.01，均有顯著下降趨勢(shì)(p<0.01)，說(shuō)明徑流和輸沙在年內(nèi)的分布均有趨向于均勻的趨勢(shì)，但輸沙集中度仍然維持在較高的水平。

圖3 年徑流、輸沙集中度分布

觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近30年輸沙量CI值的最大值發(fā)生于1997年，CI值達(dá)到0.99，并且在1999年、2001年CI值也達(dá)到了0.98，表明在這些年份苦水河流域在某一時(shí)間段輸沙量比較集中。在1997年(圖4)，7月30-7月31日僅兩天的輸沙量就達(dá)到年內(nèi)總輸沙量的74.08%。盡管苦水河流域近30 a輸沙量大幅減少并且集中度指數(shù)有顯著的(p<0.01)下降趨勢(shì)，但其值仍舊較高，這表明苦水河流域內(nèi)極端產(chǎn)沙事件頻發(fā)，需要對(duì)流域洪水事件提高重視，防范未來(lái)洪水下的產(chǎn)沙事件。

為進(jìn)一步分析降雨對(duì)輸沙量的影響，在集中度不同的年份下選取降雨量大于10 mm、大于20 mm的降雨頻次和日輸沙量選取大于前5%(21 772.8 t)的輸沙頻次，旨在分析強(qiáng)降雨下的輸沙情況。由表3看出，高集中度的年份在降雨發(fā)生頻率上均高于低集中度年份。在強(qiáng)降雨(>10 mm、>20 mm)事件上則更加顯著，例如在輸沙集中度較高的2010年發(fā)生6次大于10 mm降雨事件，而在輸沙集中度較低2011年則沒(méi)有發(fā)生大于10 mm降雨事件；在輸沙集中度較高的2002年發(fā)生4次大于10 mm降雨事件，而在輸沙集中度較低2005年則僅發(fā)生1次大于10 mm降雨事件。在強(qiáng)降水場(chǎng)次多的年份其輸沙量較大的天數(shù)也增多，表明強(qiáng)降雨事件對(duì)極端產(chǎn)沙事件具有顯著的影響。

圖4 1997年逐日輸沙量分布

表2 極端產(chǎn)沙年份的強(qiáng)降雨頻數(shù)

3.2 水沙關(guān)系的時(shí)間變化

3.2.1 水沙關(guān)系曲線及參數(shù) 擬合1989—2019年徑流量和輸沙量(圖5)，符合冪函數(shù)分布且其擬合效果較好，決定系數(shù)R2為0.67。在水沙關(guān)系曲線的參數(shù)中，參數(shù)a值為5.48×10-6，參數(shù)b值為4.24。

圖5 年徑流量-年輸沙量的水沙關(guān)系

為進(jìn)一步探究參數(shù)a和b在近30年的變化趨勢(shì)和規(guī)律，按照公式(6)將其逐年擬合計(jì)算參數(shù)a和b。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，a總體均值為9.07×10-5，在1989—2003年、2004—2019時(shí)間段內(nèi)的均值分別為1.17×10-4，6.63×10-5；b總體均值為2.65，在1989—2003年、2004—2019時(shí)間段內(nèi)的均值分別為2.61，2.70。然后對(duì)a和b的時(shí)間序列做M-K檢驗(yàn)，序列a對(duì)應(yīng)的Z值為-3.355 9，p值為0.000 8(<0.01)，說(shuō)明近30年來(lái)，a值有顯著下降的趨勢(shì)，表明說(shuō)明流域內(nèi)侵蝕強(qiáng)度降低，泥沙可蝕性降低。由于系數(shù)a受到人類活動(dòng)的影響較大，表明近30年間大規(guī)模的生態(tài)修復(fù)工程和退耕還林工程(2000年)發(fā)揮了較大的作用，人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙的影響加大;序列b對(duì)應(yīng)的Z值為1.02，p值為0.307 8(>0.1)，b值呈上升趨勢(shì)但并不顯著，說(shuō)明河流本身的能量增加并不顯著、河流的輸沙能力和輸沙特性變化不大。

圖6 1989-2019年參數(shù)a和b的變化趨勢(shì)

3.2.2 SSC-Q環(huán)路曲線 懸浮泥沙運(yùn)移是一個(gè)與降雨特征、徑流流量和泥沙可用性相關(guān)的復(fù)雜過(guò)程，受到水文和地貌過(guò)程時(shí)空異質(zhì)性的顯著影響[33]。懸浮泥沙濃度和流量(SSC-Q)滯后類形可用于解釋懸浮泥沙動(dòng)力學(xué)。滯后環(huán)的形狀包括線性、順時(shí)針形、逆時(shí)針形、正8字形、逆8字形、線性環(huán)路和復(fù)雜形，同時(shí)有助于確定排水系統(tǒng)內(nèi)單個(gè)事件的沉積物可用性和沉積物源的近似空間分布[34-35]。

分析苦水河流域23場(chǎng)典型洪水過(guò)程，發(fā)現(xiàn)以下5種SSC-Q滯后曲線類型：正“8”字形、逆“8”字形、順時(shí)針形、逆時(shí)針形和線形環(huán)路(圖7)。逆時(shí)針滯回環(huán)路表示漲水期含沙量大于落水期含沙量，含沙量早于徑流量達(dá)到峰值，此時(shí)泥沙物源比較豐富且主要來(lái)源于流域上游；相反的，順時(shí)針滯回環(huán)路通常表示漲水期含沙量小于落水期含沙量，徑流量早于含沙量達(dá)到峰值，說(shuō)明泥沙補(bǔ)給不充分，泥沙主要來(lái)自于水文站附近[36]；逆“8”字形表示洪水過(guò)程中，滯回環(huán)路在徑流量較低時(shí)表現(xiàn)為逆時(shí)針，同時(shí)在徑流量較大時(shí)表現(xiàn)為順時(shí)針，代表了短而急促的泥沙；正“8”字形與逆“8”字相反，代表了平緩且長(zhǎng)久的泥沙；線形環(huán)路代表含沙量和徑流量的輸移時(shí)間和變化比例同步。

圖7 5種 SSC-Q環(huán)路類型及其水沙趨勢(shì)

統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段26場(chǎng)典型洪水事件中5種環(huán)路類型的發(fā)生頻率，結(jié)果見(jiàn)表3。近30年，順時(shí)針滯回類型大于逆時(shí)針滯回類型。分階段來(lái)看，2002年之后順時(shí)針滯回類型的發(fā)生頻率進(jìn)一步增加。這表明苦水河流域的河流泥沙補(bǔ)給程度降低。同時(shí)，在2002年之前的時(shí)間段出現(xiàn)一次逆“8”形環(huán)路曲線，而在2002年之后的時(shí)間段出現(xiàn)正“8”形環(huán)路曲線，說(shuō)明河流由短而急促的輸沙模式漸漸轉(zhuǎn)向平緩長(zhǎng)久的輸沙模式，進(jìn)一步驗(yàn)證了近30年來(lái)苦水河輸沙能力減弱，泥沙傳播速率降低的特點(diǎn)。

表3 不同時(shí)間段水沙滯回類型頻率

3.2.3 水沙變化的驅(qū)動(dòng)因素 為進(jìn)一步探究苦水河流域水沙減少的驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)合年徑流量與年輸沙量時(shí)間序列變化突變點(diǎn)，采用雙累積曲線法分別分析氣候條件和人類活動(dòng)對(duì)苦水河流域水沙變化的影響(表4)。

表4 降雨與人類活動(dòng)對(duì)徑流和泥沙減少的貢獻(xiàn)率

由圖8看出，在2002年前后，擬合累計(jì)泥沙曲線的直線斜率明顯變小，由0.061變化至0.006。而在2004年前后，擬合累計(jì)徑流曲線的直線斜率并未發(fā)生明顯的變化，由0.085減小至0.059。

圖8 人類活動(dòng)對(duì)徑流和輸沙變化的影響

結(jié)果表明：人類活動(dòng)是苦水河的水沙減少的主要因素。徑流變化百分比為23.49%，其中氣候變化貢獻(xiàn)率為26.35%，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率達(dá)73.65%；輸沙變化百分比為87.26%，其中氣候變化貢獻(xiàn)率為4.33%，人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率達(dá)95.67%。輸沙變化相較于徑流變化受人類活動(dòng)的影響較大。

為進(jìn)一步分析人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的作用機(jī)制，基于landsat遙感數(shù)據(jù)分析苦水河流域近30年的土地利用變化情況。通過(guò)分析1990年、2019年苦水河流域土地利用類型可知，草地是流域內(nèi)優(yōu)勢(shì)土地利用類型，占流域內(nèi)面積80%以上，其次為農(nóng)田，占比為0.14%。采用疊加分析的方法分析近30年苦水河流域土地利用類型的變化情況，從空間上看，發(fā)生土地利用類型變化主要聚集在西部、北部、東南部，表明苦水河上、下游均發(fā)生了變化，且從變化面積和強(qiáng)度上看，下游(西北部)大于上游(南部)(圖9)。

圖9 1990-2019年土地利用類型的變化情況

流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣表5表明：建設(shè)用地、林地、農(nóng)田和水域面積增加，相應(yīng)地，草地和荒地面積減少。1990—2019年，在總共407.80 km2農(nóng)田中，有229.97 km2轉(zhuǎn)化為草地，0.29 km2轉(zhuǎn)化為林地，轉(zhuǎn)化區(qū)域集中在流域上游；同時(shí)有519.45 km2由草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，轉(zhuǎn)化區(qū)域集中在流域下游；上游有146.38 km2荒地轉(zhuǎn)化為草地；建設(shè)用地和水域的增加集中在流域中部，位于暖泉湖周邊。

綜合上述分析，在發(fā)生土地利用類型變化的區(qū)域在空間上具有明顯的集聚效應(yīng)，土地利用類型的變化主要集中在南部山區(qū)和西北部沿黃河平原。用地類型的變化主要是草地、農(nóng)田和荒地之間的轉(zhuǎn)化。南部山區(qū)土層淺薄，土壤貧瘠且水資源匱乏，不適合大面積耕作，而退耕還草可以有效地防風(fēng)固沙，減少水土流失。而在水土條件較好的流域下游，增加耕種面積可以維持耕地的平衡，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。這種土地利用情況的轉(zhuǎn)變促使苦水河流域水沙格局發(fā)生變化，特別是南部山區(qū)大面積的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸厥沟每嗨恿饔蛏嫌蝸?lái)沙進(jìn)一步減少，這與前述苦水河流域輸沙量減少相吻合。

表5 1990-2019年苦水河流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

4 結(jié) 論

(1) 苦水河年輸沙量顯著減少，年徑流量有減少趨勢(shì)但并不顯著。輸沙量和徑流量分別在2002年和2004年發(fā)生減少突變，突變點(diǎn)前后變化量分別為10.16%和87.26%。年徑流和泥沙集中在5—8月，且從日尺度上看，輸沙集中度很高，需要防范汛期洪水引發(fā)的極端產(chǎn)沙事件。

(2) 通過(guò)分析水沙關(guān)系曲線，參數(shù)a有顯著下降的趨勢(shì)，表明流域內(nèi)侵蝕程度降低，參數(shù)b有不顯著的上升趨勢(shì)，說(shuō)明河流自身的輸沙特性變化不大。洪水場(chǎng)次下的水沙關(guān)系呈現(xiàn)出以下5種環(huán)路曲線類型：順時(shí)針、逆時(shí)針、正“8”字、逆 “8”字、線性。順時(shí)針和正“8”字滯回類型增加，表明河流泥沙補(bǔ)給程度降低，輸沙能力減弱，并由短而急促的輸沙模式漸漸轉(zhuǎn)向平緩長(zhǎng)久的輸沙模式。

(3) 近30 a苦水河流域內(nèi)徑流量和輸沙量的減少，人類活動(dòng)都是首要驅(qū)動(dòng)因素，貢獻(xiàn)度分別達(dá)到73.65%和95.67%。南部山區(qū)大范圍的農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸赜行Ы档土丝嗨恿饔蛏嫌蝸?lái)沙量，退耕還草措施對(duì)促進(jìn)水土保持、協(xié)調(diào)水沙關(guān)系具有積極意義。