張曦澤,楊麗虎**,宋獻方

(1:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,北京 100101)(2:中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049)

氣候變化和人類活動引起的水沙變化是全球河流泥沙研究的前沿和難點[1]。近年來由于人類活動(如水庫建設(shè)、土地利用變化等)以及氣候變化的影響,黃河水沙輸移特性發(fā)生顯著改變,主要表現(xiàn)為水沙年際變化大、震蕩周期顯著[2]。有研究表明,人類活動中大型水庫的建設(shè)對黃沙上游水沙有很強的調(diào)控作用,會導(dǎo)致流域水文情勢發(fā)生很大改變[3-4],對于河流生態(tài)環(huán)境演變[5-6]有深遠的影響。研究表明[7],全球每年有40%的徑流量、25%的入海泥沙量被水庫攔蓄;同時大規(guī)模的城市建設(shè)會導(dǎo)致流域內(nèi)土地利用格局發(fā)生改變,也是造成水沙變化的重要影響因素[8]。氣候變化從多方面影響流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙過程,而降水變化是其影響流域水沙變化過程最直接的因素之一[9]。目前,隨著水利工程設(shè)施、退耕還林還草等工程規(guī)?；瘜嵤?黃河干支流水沙均發(fā)生顯著變化,導(dǎo)致水資源分配不均等矛盾加劇[10]。因此探究黃河上游水沙變化特征及其影響因素具有重要意義。

目前一些學(xué)者對黃河上游的變化特征進行了研究,發(fā)現(xiàn)水庫運行會導(dǎo)致年內(nèi)洪峰流量削減、中枯期流量變大且歷時加長,年內(nèi)總徑流量變化趨于均勻化。水庫調(diào)蓄導(dǎo)致汛期基流下降,也造成黃河上游河道干支流的泥沙淤積[11]。自20世紀(jì)80年代以來,黃河流域的水沙變化均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢[12]。有學(xué)者認(rèn)為人類活動對黃河流域水沙銳減占據(jù)主導(dǎo)作用,徑流量突變與人類活動取水有關(guān),泥沙突變則是由于水庫建設(shè)所引起[12-13],也有學(xué)者認(rèn)為水庫建設(shè)和灌溉引水引沙同時影響了水沙關(guān)系變化[14],還有學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)黃河在不同時期水沙影響因素分別為水利設(shè)施建設(shè)(20世紀(jì)80年代)和植被恢復(fù)(21世紀(jì))[15]。以上研究大多評價黃河水沙年內(nèi)分配特征及變化趨勢,同時定性地考慮其可能的影響因素。同時,黃河流域水沙異源,對于水沙變化研究主要集中于黃河中游多沙粗沙區(qū)[16-17]。對于黃河上游年際間周期性變化以及梯級水庫建設(shè)及土地利用變化對水沙關(guān)系的定量分析研究較少。

因此,本文以黃河上游瑪曲—小川區(qū)間作為研究對象,基于黃河上游干支流水文站數(shù)據(jù),結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù),分析黃河上游干流水沙變化特征及水沙關(guān)系,并探究黃河上游瑪曲-小川段人類活動貢獻率,分別討論梯級水庫建設(shè)及土地利用變化對水沙變化的定量影響,以期為黃河上游水土保持措施及合理規(guī)劃生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)(33°～37°N,99°～105°E)位于黃河上游干流瑪曲段至小川段,流域面積為9.5萬km2(圖1)。流域內(nèi)有5個主要水文站,從上游到下游分別為瑪曲、唐乃亥、貴德、循化、小川水文站;以瑪曲水文站為流域入口,小川水文站為流域出口。流域內(nèi)山勢險峻,峽谷眾多,海拔差異大,處于季風(fēng)影響邊緣區(qū),加之青藏高原的隆起顯著影響大氣環(huán)流,氣候要素的年、季變化大。此外,該區(qū)域濕度小、蒸發(fā)大,年平均降水量為426.2 mm,年蒸發(fā)量超過2500.0 mm[18]。1964-2019年間,瑪曲站、唐乃亥站、貴德站、循化站和小川站多年平均徑流量分別為143.89億、204.8億、204.88億、211.9億和263.15億m3,多年平均輸沙量分別為430.5萬、1237.33萬、1260.26萬、2315.93萬和2188.86萬t。黃河上游年徑流量占全河的54%,但其年來沙量只占全河年來沙量的8%[19]。研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)相對簡單,草地面積占比最大,其次為未利用地和林地,耕地、水域和建設(shè)用地占比較小(附圖Ⅰ)。

圖1 黃河上游干流地理位置示意Fig.1 Location of the upper main stream of the Yellow River

此外,流域內(nèi)已建成的大中型水庫為班多水庫、龍羊峽水庫、拉西瓦水庫、李家峽水庫、公伯峽水庫、積石峽水庫及劉家峽水庫。水庫建成時間、調(diào)節(jié)方式、總庫容及裝機容量如附表Ⅰ所示。

黃河上游干流1964-2019年瑪曲站、唐乃亥站、貴德站、循化站、小川站月尺度徑流量、輸沙量數(shù)據(jù),2008-2019年軍功站、同仁站,2008-2013年大米灘站以及1964-2019年紅旗站的月尺度輸沙量數(shù)據(jù),來源于《黃河流域水文年鑒》。29個國家氣象站的降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do),通過泰森多邊形法計算研究區(qū)內(nèi)的平均降雨量。1980、1990、2000、2010和2020年土地利用數(shù)據(jù)(附圖I)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法

1.2.1 水文序列突變檢驗 水文序列突變檢驗方法眾多,此處選擇4種典型突變檢驗方法進行檢驗,分別是Mann-Kendall突變檢驗法(M-K檢驗)、滑動t檢驗、距平累積曲線和雙累積曲線法。方法具體見附件一[20-27]。

1.2.2 水文序列周期檢驗 小波分析法被用來識別水文氣象序列的周期性,需要對水文氣象序列進行小波變換同時對不同尺度的小波系數(shù)平方進行積分得到小波方差。Morlet小波分析是指用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一函數(shù)或信號,可以同時從時域和頻域2個維度揭示時間序列的局部特征[28]。小波函數(shù)表示具有震蕩性、能夠迅速衰減到0的一類函數(shù)。通過小波變換等運算可以得到小波系數(shù),將小波系數(shù)的平方值在b域上積分就可以得到小波方差[29]。數(shù)據(jù)處理方法為:數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化→邊界效應(yīng)的消除或減小→計算小波系數(shù)→計算復(fù)小波系數(shù)的實部和方差→基于Matlab繪制小波系數(shù)實部等值線圖→繪制小波方差圖。

小波分析結(jié)果圖示為:①小波系數(shù)實部等值線圖,圖中可以看到水文系列在不同時間尺度上的周期性,可以分析未來的趨勢;②小波方差圖,圖中通過水文系列的波動過程得到主要的變化周期;③主周期趨勢圖,通過水文序列的主周期趨勢得到其存在的平均周期以及豐枯期的變化特征[30]。

1.2.3 水沙關(guān)系曲線 水沙關(guān)系曲線被用來分析徑流和輸沙之間的相關(guān)性。該變化曲線是一個冪函數(shù),其公式為:

QS=aQb

(1)

若兩邊取對數(shù),則為:

lgQS=lga+blgQ

(2)

式中,QS為輸沙率(單位時間的泥沙通量),kg/s;Q為流量,m3/s;a和b為擬合系數(shù)。lga與人為活動關(guān)系聯(lián)系密切,并隨時間而變化。lga值越高,流域內(nèi)泥沙所提供的量就增大,能夠攜帶的泥沙變多。b為雙對數(shù)水沙關(guān)系曲線的斜率,b值越高,水流攜帶泥沙的能力越大[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河上游干流降雨、水沙變化趨勢

對黃河上游流域內(nèi)29個氣象站的年平均降雨量和5個水文站的年徑流量和輸沙量進行趨勢分析,結(jié)果表明,流域內(nèi)平均降雨量呈上升趨勢,所有站點的徑流量和輸沙量都呈下降趨勢(圖2、圖3)。流域內(nèi)年平均降雨量增加幅度較小,通過線性擬合曲線的斜率可知,平均降雨量以2.31 mm/a的速度增加。各水文站年徑流量減少變幅較小,各站年徑流量分別以0.334億、0.42億、0.94億、0.97億和1.09億m3/a的速度減少。各站年輸沙量分別以3.08萬、9.80萬、67.37萬、98.05萬和92.38萬t/a的速度減少。貴德站、循化站和小川站年輸沙量變幅較大。

圖2 黃河上游研究區(qū)平均降雨量年際變化Fig.2 Interannual changes of mean precipitation in the upper Yellow River study area

圖3 黃河上游各水文站徑流量、輸沙量年際變化Fig.3 Interannual changes of runoff and sediment transportation at various hydrological stations in the upper Yellow River

2.2 黃河上游干流水沙突變特征

通過M-K檢驗突變結(jié)果發(fā)現(xiàn),瑪曲站徑流量在1987年發(fā)生了突變,輸沙量在1991年發(fā)生了突變。唐乃亥站徑流量在1970、1971、1987年發(fā)生了突變,輸沙量在1995年發(fā)生了突變。貴德站徑流量在1986年發(fā)生了突變,輸沙量在1986年發(fā)生了突變。循化站徑流量在1970、1972、1975、1977、1978、1980-1981、1984年發(fā)生了突變,輸沙量在1986年發(fā)生了突變。小川站徑流量在1984-1985年發(fā)生了突變,輸沙量在2007年發(fā)生了突變(圖4)。

滑動t檢驗結(jié)果表明,瑪曲站徑流量在1990年突破了顯著性水平,輸沙量在1990、1994年突破了顯著性水平。唐乃亥站徑流量在1990、2004年突破了顯著性水平,輸沙量在1989年突破了顯著性水平。貴德站徑流量在1986、1996、2005年突破了顯著性水平,輸沙量在1987年突破了顯著性水平。循化站徑流量在1985、1996、2006年突破了顯著性水平,輸沙量在1987、2004年突破了顯著性水平。小川站徑流量在1985、1996、2006年突破了顯著性水平,輸沙量在1977、1995、2007年突破了顯著性水平(圖5)。

圖5 黃河上游干流徑流量、輸沙量滑動t檢驗Fig.5 Sliding t test on the runoff and sediment load for the upper main stream of Yellow River

距平累積計算結(jié)果顯示,56年來,5個站點徑流量均呈現(xiàn)出明顯的增加-波動-減少的變化。大致以1975、1986、1995和2011年為界,可分為1964-1975年的枯水期、1976-1986年的豐水期、1986-1995年的波動期、1996-2011年的枯水期以及2012-2019年的波動期。5個站點輸沙量突變年份及波動趨勢差異較大,瑪曲站和唐乃亥站輸沙量變化趨勢較為一致,呈現(xiàn)出增加-波動-減少的變化,大致以1975、1986、1995和2011年為界,可分為1964-1975年的枯沙期、1976-1986年的豐沙期、1986-1995年的波動期、1996-2011年的枯沙期以及2012-2019的波動期。貴德站輸沙量呈先上升后下降的趨勢,大致以1986年為界,可分為1964-1986年的豐沙期、1987-2019年的枯沙期。循化站輸沙量呈先上升后下降的趨勢,大致以1986年為界,可分為1964-1986年的豐沙期、1987-2019年的枯沙期。小川站輸沙量呈增加-下降-波動-下降的趨勢,大致以1970、1983、1998年為界,可分為1964-1970年的豐沙期、1971-1983年的枯沙期、1984-1998年的波動期、1999-2019年的枯沙期(圖6)。

圖6 黃河上游干流徑流量、輸沙量累積距平曲線Fig.6 The cumulative curve of runoff and sediment load anomaly in the upper main stream of Yellow River

通過雙累積曲線法,發(fā)現(xiàn)黃河上游干流小川站降水-徑流雙累積散點可分為2個不同的階段,分別為1964-1986、1987-2019年。黃河上游干流小川站降水-輸沙雙累積散點可分為4個不同的階段,分別為1964-1969、1970-1986、1987-2004、2005-2019年(圖7)。

圖7 黃河上游干流降雨量-徑流量、降雨量-輸沙量雙累積曲線Fig.7 Double-cumulative curve of precipitation vs runoff and precipitation vs sediment transport for the upper main stream of Yellow River

4種突變方法中,M-K檢驗的定量化程度高,較適用于順序變量和類型變量。而滑動t檢驗更主要需要對子序列的長度進行人為合理選擇從而確定突變點,因此2種方法相互驗證。累積距平曲線是把統(tǒng)計目標(biāo)值和標(biāo)準(zhǔn)值比較之后得出的累積差值,總體方法較為精確,但也會受外界因素的影響,也此其與前2種方法相互印證。而雙累積曲線法包含了不能測定的隨機誤差,由于降雨與徑流或輸沙量的關(guān)系并不完全遵從正比關(guān)系,因此該方法也較為粗略。

此外,M-K檢驗對均值或含有均值變異的序列有一定的識別能力,但檢驗效率低于0.5,對CV或CS變異的序列識別能力差。各檢驗方法對多參數(shù)變異相互疊加效果檢驗?zāi)芰^差,此外方法本身對某些變異無法檢驗以及其各自的假設(shè)條件等是影響檢驗效率的主要因素。

由4種突變結(jié)果可知(表1),各站徑流量突變年份主要集中在1986年,輸沙量突變點綜合考慮水庫建設(shè)及突變分析結(jié)果可知,流域出口小川站1969年輸沙量雙累積曲線變化顯著,這與劉家峽水庫建成大量攔沙相符合。各站輸沙量突變年份集中在1986年,且下游站點循化站和小川站2004年輸沙量也發(fā)生突變,這與公伯峽水庫建設(shè)時間也相吻合。因此綜合分析,徑流突變年份為1986年,這和韓世亮等[32]的研究突變結(jié)果一致。輸沙量突變年份為1969、1986和2004年,除2004年外,其余突變點與范俊健等[33-34]的研究一致。

表1 突變檢驗結(jié)果Tab.1 Results of abrupt change test in different years

2.3 黃河上游水沙周期性特征

小波分析結(jié)果表明,在研究區(qū)黃河上游瑪曲-小川段內(nèi),徑流量和輸沙量均具有明顯的年際和年代際周期特征。由瑪曲站、唐乃亥站、貴德站、循化站和小川站徑流量小波系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖(圖8)可知,徑流量序列除了小川站,都只有1個主周期?，斍?、唐乃亥站、貴德站、循化站徑流量序列主周期分別為11、11、12、12 a。小川站徑流量序列主周期為12、24、33 a?，斍尽⑻颇撕フ?、貴德站、循化站的1個主周期下的平均周期都分別為8 a。小川站的3個主周期下的平均周期分別為8、16、22 a。從1964-2019年,黃河上游瑪曲站、唐乃亥站、貴德站、循化站和小川站徑流量經(jīng)歷了枯水期-豐水期交替的周期性演變過程。

圖8 各水文站徑流量小波系數(shù)實部等值線圖、小波方差圖、不同特征時間尺度小波系數(shù)特征線Fig.8 Wavelet coefficients real contour plot,wavelet variance plot,wavelet real process line of runoff from various hydrological stations

由各水文站輸沙量小波系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖(圖9)可知,除小川站,各站都有3個主周期。瑪曲站輸沙量序列主周期為7、11、33 a;唐乃亥站輸沙量序列主周期為6、11、28 a;貴德站輸沙量序列主周期為6、11、28 a;循化站輸沙量序列主周期為6、11、28 a;小川站輸沙量序列主周期為6、10、13、42 a?，斍?個主周期下的平均周期為5、8、21 a;唐乃亥站3個主周期下的平均周期為4、8、18 a;貴德站3個主周期下的平均周期為5、8、19 a;循化站3個主周期下的平均周期為5、8、20 a;小川站4個主周期下的平均周期為5、8、10、27 a。從1964-2019年,黃河上游干流除小川站,其余4站輸沙量都經(jīng)歷了枯沙期-豐沙期交替的周期性演變過程。可以看出,近十年來,貴德站和循化站的豐沙期沙量比瑪曲站和唐乃亥站更少。黃河上游小川站自1964-2019年來,輸沙量經(jīng)歷了豐沙期-枯沙期-豐沙期-枯沙期交替的周期性演變過程。水沙之間周期性變化存在一定的關(guān)聯(lián)性也存在一定的差異性[35],水沙變化周期性結(jié)果大致與王鴻翔等[36]的研究周期一致。

圖9 各水文站輸沙量小波系數(shù)實部等值線圖、小波方差圖、不同特征時間尺度小波系數(shù)特征線Fig.9 Wavelet coefficients real contour plot,wavelet variance plot,wavelet real process line of sediment load at various hydrological stations

2.4 黃河上游干流水沙關(guān)系的變化及其影響因素

由于人類活動的影響,尤其是水利工程的開工建設(shè),導(dǎo)致黃河上游干流水沙關(guān)系一致性被破壞。因此根據(jù)前文所得突變年份劃分基準(zhǔn)期和變化期,通過水沙關(guān)系曲線來分析黃河上游干流在不同時段時,水沙關(guān)系的變化特征及其影響因素。

根據(jù)前文突變檢驗結(jié)果,將1964-1986年劃分為黃河上游干流各站徑流的基準(zhǔn)期,將1987-2019年劃分為徑流的變化期。將1964-1969年作為輸沙的基準(zhǔn)期,1970-1986、1987-2004、2005-2019年3個階段作為輸沙的變化期。

由圖10可知,瑪曲站和唐乃亥站的水沙關(guān)系曲線在4個時段內(nèi)無顯著變化。而貴德站和循化站1987-2004年及2005-2019年水沙關(guān)系點基本都位于1964-1969年和1969-1986年的下方,這說明徑流量相同時,輸沙率顯著降低。小川站的輸沙率1987-2004年與1970-1986年相比,略有增加。

圖10 黃河上游瑪曲-小川段水文站水沙關(guān)系曲線圖Fig.10 Runoff-sediment relationship curve at various hydrological stations along the upper main stream of Yellow River in the Maqu-Xiaochuan section

1964-2019年,瑪曲站和唐乃亥站lga與b值以及R2變化不大,貴德站1987-2019年的水沙關(guān)系R2較低,循化站1987-2004年的水沙關(guān)系R2較低,這可能是上游龍羊峽水庫和拉西瓦水庫建設(shè)運行的結(jié)果。小川站1970-2019年的水沙關(guān)系R2較低,這可能是上游梯級水庫建設(shè)運行所導(dǎo)致的(表2)。

表2 黃河上游瑪曲-小川段各水文站不同時段的輸沙率參數(shù)Tab.2 Sediment rating parameters for different periods at various hydrological stations in the upper main stream of Yellow River in the Maqu-Xiaochuan section

貴德站lga在1970-1986年間保持增加的趨勢,1987-2004年略有減少,在2005-2019年再次持續(xù)增加。由于lga值與人類活動密切相關(guān),因此lga值的增加與上游所建梯級水利工程(龍羊峽水庫、拉西瓦水庫)等人類活動有關(guān)。貴德站b值變化正好與lga相反,在1970-1986年持續(xù)減少,1987-2004年略有增加,在2005-2019年減少,這表明近十幾年來,泥沙供給量增加,唐乃亥-貴德站之間河流因為淤積導(dǎo)致輸沙能力下降。

循化站的lga在1964-2004年持續(xù)增加,2005-2019年略有減少;b值在1964-2004年持續(xù)減少,2005-2019年略有增加。這表明近十幾年來,泥沙供給量減少,貴德-循化段之間河流侵蝕能力增強。小川站的lga在1964-2019年持續(xù)減少;b值在1964-2004年持續(xù)增加,2005-2019年略有減少。這表明近十幾年來,泥沙供給量減少,循化-小川段之間河流輸沙能力減少,這是黃河上游大量泥沙被梯級水庫攔蓄的結(jié)果[37]。

此外,為查明水沙變化的驅(qū)動因素,結(jié)合4個突變檢驗的結(jié)果和流域內(nèi)影響水沙通量的人類活動事件的節(jié)點,以評估氣候變化和人類活動對流域內(nèi)水沙變化的各自貢獻率。

基于基準(zhǔn)期和變化期,計算氣候變化和人類活動對黃河上游干流水沙變化的貢獻率。貢獻率通過雙累積曲線,采用線性回歸的方法對實測值和計算值(線性擬合)相減,得到人類活動變化量,用基準(zhǔn)期實測值減去變化期實測值得到水沙總體變化情況,從而得到氣候變化量,最終得到氣候和人類活動各自的貢獻率。結(jié)果表明人類活動是導(dǎo)致黃河上游干流水沙量減少的主要因素。黃河上游瑪曲-小川段在1987-2019年的階段中,人類活動對徑流量減少的貢獻率為66.3%,氣候變化對徑流量減少的貢獻率為33.7%。人類活動對黃河上游干流徑流的影響占據(jù)主導(dǎo)因素。

黃河上游瑪曲-小川段在1970-1986、1987-2004、2005-2019年的3個階段中,人類活動對輸沙量減少的貢獻率分別為72.96%、70.73%、69.7%,氣候變化對輸沙量減少的貢獻率分別為27.04%、29.27%、30.30%。人類活動對黃河上游干流輸沙的影響占據(jù)主導(dǎo)因素(表3)。

表3 金沙河水庫全年水環(huán)境因子平均值*Tab.3 Contribution rate of rainfall and human activities on the runoff and sediment load reduction in the upper stream of the Yellow River

通過數(shù)據(jù)可以看出,人類活動對黃河上游干流水沙影響占據(jù)主導(dǎo)地位。不同時段人類活動對黃河上游斷面以上區(qū)域水沙影響很大。貴德站、循化站和小川站近十年的平均輸沙量為81.49、257.5、543.84萬t,分別銳減至多年平均輸沙量的6%、11%、25%(圖3),輸沙量的急劇銳減和梯級水庫建設(shè)時間相吻合。除梯級水庫外,1970s后黃河上游支流洮河流域淤地壩骨干壩12座,年均攔沙量達到36萬t。梯級水庫、淤堤壩等水利設(shè)施的減水減少效果顯著[38-39]。

梯級水庫建設(shè)主要通過調(diào)節(jié)徑流、攔截泥沙等來改變水沙過程,由于梯級水庫等水利設(shè)施對水沙的影響顯著,因此以建庫完成前后多年平均徑流量、輸沙量作為時間分類節(jié)點進行分析。小川站上游已建大中型水電站分別為班多、龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、積石峽和劉家峽水庫,因此以流域出口小川站為例,計算小川站上游梯級水庫建設(shè)完成前后多年平均徑流量和輸沙量。

由圖11可知,劉家峽水庫建成前后汛期洪峰均為雙峰,峰現(xiàn)時間均為7月和9月。年內(nèi)徑流量變化表現(xiàn)為1-5月緩慢上升、6-7月急劇上升、10-11月陡降和11-12月緩慢下降。水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫,因此建庫后徑流量年內(nèi)分配差異減少,汛期流量減少,枯期流量增大。在9月,徑流量減少了26%。劉家峽水庫建成前后沙峰都在8月,水庫建設(shè)后輸沙量在汛期下降幅度較大,枯期沙量基本為0。在8月,輸沙量減少80.2%。龍羊峽水庫建成后,峰現(xiàn)時間提前,由7和9月變?yōu)?和8月。由于龍羊峽水庫為多年調(diào)節(jié)水庫,因此徑流年內(nèi)分配更趨于均勻化,在9月,徑流量減少了56%。水庫建成前后沙峰仍在8月,沙量略有增加,建成后年均沙量比建成前增加18.6%。李家峽水庫建成后汛期峰現(xiàn)時間為5月和10月,在8月份,徑流量減少了39.1%。沙峰從8月變成7月,在8月,輸沙量減少了54.5%。公伯峽水庫建成后徑流量略有增加,這主要是因為20世紀(jì)90年代以來,黃河上游氣候異常,導(dǎo)致以水電為主的青海電網(wǎng)和水電比重大的西北電網(wǎng)出現(xiàn)用電緊張和下游嚴(yán)重缺水的狀況,因此青海省在1997年開始實施人工降雨來緩解黃河上游來水不足的問題[40]。公伯峽水庫為日調(diào)節(jié)水庫,不能調(diào)節(jié)年內(nèi)徑流變化。在3月枯水期,徑流量增加了31.9%。說明上游梯級水庫群建設(shè)能夠向下游補水抗旱。水庫建成前后沙峰都在7月。在7月,輸沙量減少了40.9%。班多水庫、拉西瓦水庫及積石峽水庫建成后,7月徑流量增加了52.4%,11月枯期徑流量增加了8.2%。沙峰仍在7月,減沙量為26.2%。一座水庫建成后,多年平均徑流量和輸沙量分別減少6.3%和80.9%;兩座水庫建成后,多年平均徑流量和輸沙量分別比一座水庫建成前減少31.2%和77.3%;三座水庫建成后,多年平均徑流量和輸沙量分別比一座水庫建成前減少42.1%和87.8%;四座水庫建成后,多年平均徑流量和輸沙量分別比一座水庫建成前減少28%和90.5%;七座水庫建成后,多年平均徑流量和輸沙量分別比一座水庫建成前減少19.1%和94.8%。兩座水庫比一座水庫截流效益增加24.9%,三座水庫比一座水庫截流和攔沙效益均增加35.8%和6.9%,四座水庫比一座水庫截流和攔沙效益增加21.7%和9.6%,七座水庫比一座水庫截流和攔沙效益增加12.8%和13.9%。四座水庫建成后,多年平均輸沙量分別比三座水庫建成前減少57.9%;七座水庫建成后,多年平均輸沙量分別比四座水庫建成前減少57.1%。

圖11 梯級水庫建成前后多年徑流量、輸沙量Fig.11 Multi-year runoff and sediment load before and after construction of the cascade reservoirs

由于水庫攔沙量巨大,因此對庫區(qū)淤積量進行分析。按照輸沙法統(tǒng)計,班多輸入沙量為軍功站與入?yún)R支流曲什安河的大米灘站來沙總和,龍羊峽、拉西瓦輸入沙量為唐乃亥站來沙總和,李家峽輸入沙量為貴德站來沙總和,公伯峽輸入沙量為貴德站和入?yún)R支流隆務(wù)河的同仁站來沙總和,積石峽輸入沙量為循化站來沙總和,劉家峽輸入沙量為循化站和入?yún)R支流洮河的紅旗站來沙總和。班多出庫沙量由唐乃亥站控制,龍羊峽和拉西瓦出庫沙量由貴德站控制,李家峽和公伯峽出庫沙量由循化站控制,積石峽和劉家峽出庫沙量由小川站控制。同時由于存在未控區(qū)間來沙量,因此按照觀測資料求得區(qū)間多年平均輸沙模數(shù),估算出各水庫未控區(qū)間的年均來沙量,綜合得到了各水庫以及聯(lián)合運行期水庫蓄水后的出入庫沙量和水庫淤積量及排沙比。

由圖12可知,劉家峽水庫庫區(qū)淤積最嚴(yán)重,在單庫蓄水后運行期間,水庫多年平均淤積量為2.39億t,排沙比變化范圍為1.39%～10.7%。劉家峽和積石峽蓄水后聯(lián)合運用期間,兩水庫多年平均淤積量為0.70億t,排沙比變化范圍為1.74%～9.87%。李家峽水庫蓄水后單庫多年平均淤積量為0.086億t,排沙比變化范圍為23.2%～81.6%。李家峽和公伯峽水庫蓄水后聯(lián)合運用期間,兩水庫多年平均淤積量為0.12億t,排沙比變化范圍為3.36%～50.4%。龍羊峽水庫蓄水后單庫運行期間,水庫多年平均淤積量為0.21億t,排沙比變化范圍為1.33%～30.5%。龍羊峽和拉西瓦蓄水后聯(lián)合運用期間,兩水庫多年平均淤積量為0.23億t,排沙比變化范圍為1%～9.76%。班多水電站蓄水后運行期間,水庫多年平均淤積量為0.04億t,排沙比變化范圍為25.9%～94.9%。劉家峽水庫淤積最嚴(yán)重主要是因為洮河倒灌泥沙形成的沙坎頂托而沉積導(dǎo)致干流泥沙不能順利到達壩前并排出庫外[41]。

圖12 梯級水庫蓄水后庫區(qū)淤積量Fig.12 Siltation in the reservoir area after storage in the cascade reservoirs

3 討論

3.1 梯級水庫建設(shè)對黃河上游水沙變化的影響

黃河上游由于氣象因素和人類活動綜合影響,導(dǎo)致水沙過程發(fā)生變化,魏伊寧、魯俊等[18,42]發(fā)現(xiàn)氣象因素中降水是影響水沙豐枯變化的主要氣象因子,水庫調(diào)節(jié)是影響其變化的主要人類活動因子。徑流量20世紀(jì)90年代研究區(qū)周期性為偏枯這與實際也相符,除降雨等氣象因素外,不完全年調(diào)節(jié)的劉家峽水庫于1969年建成,多年調(diào)節(jié)的龍羊峽水庫于1986年建成,水庫對于研究區(qū)徑流調(diào)控也是導(dǎo)致徑流量變化的重要因素。小川站于1973-1989年輸沙量偏枯,與其他各站不同的主要原因為小川站受龍羊峽水庫與劉家峽水庫的聯(lián)合調(diào)控,劉家峽水庫對沙量調(diào)控的影響更大。其他各站只受龍羊峽水庫調(diào)控,因此輸沙量減幅沒有小川站減幅大。其他各站由于受龍羊峽水庫建成的影響更大,因此龍羊峽建成后,1991-1995年輸沙量略有減少。

劉家峽水庫單獨運行時期,年內(nèi)泄水期為每年11月-次年5月,蓄水期為每年6-10月。下泄水量主要用于滿足下游灌溉、寧蒙河道防凌。由于劉家峽水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫,因此對徑流量的調(diào)節(jié)不明顯,但水庫攔沙作用顯著,對下游河道主要表現(xiàn)為沖刷。劉家峽水庫和龍羊峽水庫聯(lián)合運用期間,由于龍羊峽水庫為多年調(diào)節(jié)水庫,對徑流調(diào)控能力較大,因此承擔(dān)主要防洪任務(wù),劉家峽水庫主要配合龍羊峽水庫進行調(diào)節(jié)運行,因此峰現(xiàn)提前,年內(nèi)蓄泄過程發(fā)生改變。4-6月龍羊峽水庫為甘肅-寧夏-青海地區(qū)的灌溉提供灌溉用水,7-9月為水庫儲蓄期,10-11月龍羊峽水庫為秋季播種灌溉提供灌溉用水[43]。又由于龍羊峽水庫處于黃河的主要產(chǎn)水區(qū),其攔沙影響相對較弱,導(dǎo)致其下游河道由沖刷變?yōu)橛俜e,因此小川站1987-1996年河道微淤[44]。龍羊峽水庫-李家峽水庫-劉家峽水庫聯(lián)合運行期間,該時段龍羊峽水庫處于枯水階段,水庫主要服從于電力需求,同時輔助下游水庫建設(shè)與防洪。此后所建各水庫都為日調(diào)節(jié)水庫,都以發(fā)電效益為主,對于年內(nèi)徑流量調(diào)控較差。李家峽水庫庫容較小,在汛期天然來水量較大情況下,除少量來水用于發(fā)電,大部分來水量需通過溢流壩下泄。李家峽水庫具有庫大沙小的特征,水庫泥沙淤積平衡年限很長,能有效調(diào)控入庫水沙,因此李家峽水庫入庫泥沙基本淤積在庫內(nèi),排出庫外的只有少量細(xì)顆粒泥沙,攔沙效果顯著。龍-李-公-劉水庫聯(lián)合運行期間,龍羊峽水庫實現(xiàn)全河統(tǒng)一調(diào)度,主要以防洪調(diào)度為主,生態(tài)用水效益主要體現(xiàn)為防洪防斷流。公伯峽水庫入庫沙量主要由李家峽水庫下泄沙量和李-公區(qū)間來沙組成,李家峽水庫入庫泥沙基本淤積在庫內(nèi),李-公區(qū)間泥沙主要于洪水期由區(qū)間的溝道裹挾而來,因此梯級水庫攔沙效果顯著。班-龍-拉-李-公-積-劉水庫聯(lián)合運行期間,班多水電站受河道天然來水制約,豐水期有大量的棄水,枯水期來水較小發(fā)電量急劇下降;拉西瓦水庫水力發(fā)電主要通過改變水頭和流量進行調(diào)節(jié)。抬高水位、短時間減少出庫流量,導(dǎo)致發(fā)電水頭增加,從而降低耗水率并增加發(fā)電量[45]。積石峽水庫受上游龍羊峽水庫調(diào)節(jié),使得其入庫洪水被削減,年內(nèi)徑流更均勻。

通過前文分析可知,徑流量在2000年后略有增加,這與金文婷[46]等的研究一致,這將有助于增加梯級水庫供水、發(fā)電用水,減少缺水,降低梯級水庫所需合理庫容。本研究表明,梯級水庫運行期間,汛期月均流量降低,非汛期多數(shù)月均流量升高,彭少明[47]等還發(fā)現(xiàn)黃河上游極端高流量事件的流量降低,極端低流量事件的流量升高,高流量脈沖的發(fā)生次數(shù)減少,高/低流量脈沖的持續(xù)時間縮短,高流量事件的減少導(dǎo)致下游微淤。此外,根據(jù)本文結(jié)果還可知沙量減少的主要影響因素為水庫攔沙,而魯俊等還發(fā)現(xiàn)本文研究區(qū)下游寧蒙段經(jīng)濟社會用水是其水量減少的主要影響因素。Liu等[48]研究也發(fā)現(xiàn)多數(shù)水庫攔沙主要發(fā)生在汛期,水庫群聯(lián)調(diào)對泥沙輸移的影響作用要比徑流的大。而此處結(jié)論也可表明梯級水庫對輸沙量影響遠大于對徑流量的影響。

梯級水庫聯(lián)調(diào)使得徑流量在1964-2004年間減少47.8%,梯級水庫建設(shè)對輸沙量減幅更大,1964-2019年間減沙94.8%,梯級水庫對輸沙量影響遠大于對徑流量的影響。

3.2 土地利用變化特征對黃河上游水沙變化的影響

由于氣候因素及人類活動的影響,黃河上游自1990s起出現(xiàn)草地退化等生態(tài)問題,局部地區(qū)草地等植被的減少與過度放牧有關(guān)[49],而自2005年后,研究表明黃河上游植被覆蓋度增加是氣候暖濕化和生態(tài)工程建設(shè)共同導(dǎo)致[50]。對不同土地利用類型求解土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,土地類型面積變化結(jié)果見表4。黃河上游瑪曲-小川段從1980-2020年,草地面積增加了1880.03 km2,增幅3.1%,主要由耕地、林地、未利用地轉(zhuǎn)移而來。草地主要面積增加區(qū)域位于黃河干流瑪曲-唐乃亥段的河邊。草地面積增加導(dǎo)致輸沙量減少,這有利于減緩?fù)恋鼗哪M程,促進黃河上游流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)、健康發(fā)展[51]。相關(guān)性程度闡明了草地攔沙效益大于截流效益,這與趙明的研究結(jié)果相一致[52]。建設(shè)用地面積增加了340.39km2,增幅69.8%,主要由草地和耕地轉(zhuǎn)移而來。同時,建設(shè)用地面積主要集中于研究區(qū)東部、水庫岸邊區(qū)域和少數(shù)支流處增加。黃河上游地區(qū)生境脆弱,承擔(dān)著水源涵養(yǎng)的生態(tài)價值,其可利用土地主要分布于河谷及山間盆地,不具備承載不合理同時規(guī)模性擴張的土地建設(shè)活動的能力[53]。雖然建設(shè)用地占比不大,然而其擴張速度較快。因此,雖然黃河上游自然條件變化趨向于促進植被生長[54-55],但加強對黃河上游退耕還林還草政策的推進和對建設(shè)用地擴張的監(jiān)管是非常必要的。

表4 黃河上游干流土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(1980-2020年)Tab.4 Transfer matrix of land use change in the upper stream of Yellow River(1980-2020)

根據(jù)附圖Ⅰ可以發(fā)現(xiàn)在2000年前草地出現(xiàn)退化,這與趙新全等[56-57]的研究一致,其原因主要是因為人類活動導(dǎo)致草地景觀破碎,輕度、中度退化草地面積增加,從而造成草地變干、沙化等效應(yīng)加劇。在2000年后,草地面積增加,這與劉憲鋒等[58-59]的研究結(jié)果一致,即大面積的未利用地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?。這主要是因為2000年后三江源生態(tài)保護工程實施,使得荒漠化程度減弱。水域面積增加了366.41 km2,增幅為35.5%。李暉[60]等也發(fā)現(xiàn)湖泊總數(shù)增加,同時大型水電站的修建使得水庫庫區(qū)面積增加,從而導(dǎo)致區(qū)域水文蒸發(fā)等發(fā)生變化,從而改變局地氣候。1980-2020年,耕地面積增加了90.76 km2,而姜春蘭[61]等發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)中葉,耕地面積經(jīng)歷了從增長到減少的變化過程。這主要是因為21世紀(jì)西部大開發(fā)戰(zhàn)略、退耕還林(草)和生態(tài)保護建設(shè)工程的實施導(dǎo)致黃河上游城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加快,建設(shè)用地增加,同時也導(dǎo)致耕地面積減少。

4 結(jié)論

本研究基于黃河上游水文站數(shù)據(jù),利用突變檢驗方法和小波分析法,對黃河上游水沙變化特征進行研究。利用水沙關(guān)系曲線及線性回歸法等方法估算人類活動和氣候?qū)λ匙兓呢暙I率,并著重討論主要影響因素對水沙的影響。結(jié)果表明:

1)黃河上游瑪曲-小川段流域內(nèi)降雨量和徑流量變化幅度不明顯,貴德站、循化站、小川站1986-2019年年均輸沙量分別減至1964-1985年的9.8%、24.6%、38.8%。黃河上游瑪曲-小川段徑流量突變多在1986年,輸沙量突變多在1969、1986、2004年,徑流量存在8、16、22 a周期,輸沙量存在4～8、18～21、27 a周期。

2)1969年后,水沙關(guān)系顯著改變。在水沙突變前后,人類活動對徑流量(輸沙量)變化的貢獻率為66.3%(72.96%、70.73%、69.7%),其對黃河上游干流水沙影響占據(jù)主導(dǎo)因素。

3)劉家峽水庫淤積最為嚴(yán)重,單庫運行期水庫淤積量為2.39億t,排沙比變化范圍為1.39%～10.7%。梯級水庫聯(lián)調(diào)使得徑流量在1964-2004年間減少47.8%,1964-2019年間梯級水庫減沙94.8%。梯級水庫對輸沙量影響遠大于對徑流量的影響。

4)1980-2020年間,草地面積增加了1880.03 km2,增幅3.1%,有利于減少輸沙量,草地攔沙效益大于截流效益。

由于黃河上游流域水沙輸移變化復(fù)雜,因此對于不同類型水庫聯(lián)合運行對水沙變化的影響還需要進行進一步深入研究。本研究主要為黃河上游生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

5 附錄

附圖Ⅰ、附表Ⅰ和附件一見電子版(DOI: 10.18307/2024.0243)。