基于相似年降水的人类活动对延河水沙变化影响

王群星 ，李 锐，2 ，王 飞，2，高 鹏，2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100)

气候变化和人类活动是影响河流水沙变化的主导因素[1]，如何定量评价人类活动的影响是目前地学研究的热点和难点。按照评价原理不同，现有的流域水沙研究方法可分为对比分析和模拟分析两大类[2]。时序对比分析法以同一流域为研究对象，以实测资料为基础，分析实行水土流失治理前后的水沙变化特征，但是严格地讲，治理前后不同时期降水等因素的影响是完全不同的，在分析时应该消除其影响[3]。对中大流域，模拟分析法是目前最常用的分析方法，该方法基于对降水产流产沙基本规律的分析，建立有一定精度的治理前流域产流产沙模型，然后将水土流失治理后期的降水等代入，还原计算得到相当于治理前的产流产沙量，再与治理后的实测水沙量比较求得水土保持措施对水沙的影响量。但是由于这两类传统方法所依据的基准期(治理前后的临界年份)确定时主观因素较多，而且以年份划分水沙变化时段时降水量并没有相应的阶段性，难以体现出时段内的降水量变化，从而极大地影响了评价结果[4]。

在黄土高原水蚀区，降水是径流的来源和侵蚀产沙的动力。延河流域年内降水高度集中，其6—9月的汛期降水量和径流量分别占年总量的75%和73%以上[5]。通过比较相似年降水条件下河流水沙变化特征，可以判别类型多样而且变化复杂的人类活动对水沙变化的影响。本文通过选择年、汛期降水量和年内降水过程均相似的年降水条件相似时段组，比较产流和产沙前提条件一致条件下径流量和输沙量的变化，直接推算出人类活动对延河水沙变化的影响，从而减少人为主观划分时段对评价结果的影响，客观区分以降水量为代表的自然因素与人类活动对河流水沙变化的影响大小与方向。

1 研究流域、资料与方法

1.1 流域概况

延河是黄河中游的一级支流，发源于陕西省靖边县天赐湾乡的周山，由西北向东南，流经靖边县、安塞县、宝塔区、延川县和延长县5个区县的50个乡镇，在延长县南河沟乡凉水岸附近汇入黄河。延河全长284.3 km，河道平均比降为3.29‰，主要支流有杏子河、西川、蟠龙川和南川等。

延河流域地处北亚热带半干旱地区，位于36°23′—37°17′N ，108°45′—110°28′E 之间，流域总面积7 725 km2，多年平均降水量为504.8 mm，年平均气温9℃。流域内黄土丘陵沟壑面积占全流域的90%，其中延长以上为黄土梁峁状丘陵沟谷区，安塞—延长之间沿河一带河流阶地发育，延长以下为黄土宽梁残塬沟谷区，流域出口处为黄土覆盖石质丘陵沟谷区，黄绵土占总土地面积的85%以上。

延河甘谷驿水文站为控制站。甘谷驿水文站位于陕西省延安市宝塔区甘谷驿镇(109°48′E，36°42′N)，控制面积 5 891 km2，占延河流域总面积的76.3%。

1.2 资料与方法

本研究采用1952—2001年50 a的延河甘谷驿水文站逐月径流量、输沙量实测值和流域逐月降水量实测资料。

按照时序对比分析方法[6]，相似降水条件分析包括降水量相似年组和降水过程相似年组的确定。降水量相似年组的确定主要考虑汛期和年降水量，根据汛期降水量差异小于4%和年降水量差异小于7%这2个指标选取降水量相似年组。

在确定降水过程相似年组时，本研究未考虑次降水动能特征，通过分析降水量相似年组内两组逐月降水量数据的相关系数，确定两组降水过程的相似程度。由于同一相似年组内两组数据的和大致相等(年降水量相似)，当两组数据相关系数越接近1，则2组降水过程越相似。由于地学问题的复杂性，本文把12个月降水量数据相关系数≥0.398 1的2组降水过程作为一个降水条件相似年组。

每个相似年组中两个特征值(径流量和输沙量)的变化用晚些时段特征值较早些时段特征值的变化百分比表示。当变化趋势为正值时，表示随着时间推移，产流系数和输沙量增加;反之表示产流系数和输沙量减少[6]。

在分析不同年组特征时，根据降水条件相似年的特征逐步比较，提出在相似年比较结果下的阶段性。由于土地利用变化对降水产流产沙逐渐过渡影响，因此分段时可以认为在接近的年份(年差≤3 a)土地利用变化对降水产流产沙的影响没有差异。

2 结果分析

2.1 降水量、径流量和输沙量变化特征

延河甘谷驿水文站基本水文泥沙变化与统计特征值见表1—2和图1。

从1952—2001年的50 a中，流域平均年降水量504.8 mm ，河流平均年径流量2.12×108m3，平均年输沙量4.65×107t。从极值差、变异系数看，延河各水文要素年际变化较大。

图1 延河逐年降水与水沙变化

延河流域各年代之间平均年降水量差异较大(见表2)，各年代内年降水量差值也较大，最大值在285.7～492.5 mm之间，Cv值也高达 0.230～0.269，可见年降水量没有相应的阶段性，以年代划分水沙变化时段难以体现出时段内的降水量变化。传统的水沙研究方法是以年代划分水沙变化时段，从而极大影响了评价结果[4]。

表1 延河流域水文泥沙特征统计

表2 延河流域各年代年降水特征统计

2.2 相似年降水条件下水沙变化特征

相似降水年组内的年降水条件的差异很小，可认为产流和产沙的前提条件基本一致。在此基础上比较分析不同的相似年组(表3—4)，无相似降水的年份与最接近的相似年组合并，将延河水沙变化分段(表5)。由于是根据相似降水年组分段，所以各时段不能包括所有年份。根据各时段相似降水年组水沙变化特点，直接推算人类活动对延河水沙变化的影响。

相似年降水条件下，人类活动造成延河水沙变化差异显著。从时段Ⅰ到时段Ⅱ的2个相似年组径流量和输沙量都呈减少趋势(组1—2)，1972年比1957年年和汛期径流量分别减少16.11%和32.60%，输沙量分别减少53.98%和54.36%;比1960年年和汛期径流量分别减少19.95%和32.43%，输沙量分别减少40.18%和40.68%。

从时段Ⅰ到时段Ⅲ的3个相似年组径流量和输沙量都呈减少趋势(组3—5)，年和汛期径流量平均分别减少 29.77%和 46.29%，输沙量分别减少73.46%和73.46%。

表3 延河流域年降水条件相似年份年均水沙变化

表4 延河流域年降水条件相似年份汛期水沙变化

表5 延河流域水沙变化阶段

从时段Ⅰ到时段Ⅳ的2个相似年组径流量和输沙量都呈增加趋势(组6—7)，1989年比1955年年和汛期径流量分别增加73.23%和90.29%，输沙量分别增加173.93%和173.78%;1988年比1963年年和汛期径流量分别增加70.21%和105.28%，输沙量分别增加150.21%和149.98%。

从时段Ⅱ到时段Ⅲ的相似年组(组8)径流量呈减少趋势，1984年比1977年年和汛期径流量分别减少46.38%和60.49%，输沙量均减少85.69%。

从时段Ⅱ到时段Ⅳ的2个相似年组径流量和输沙量都呈增加趋势(组9—10)，1996年比1969年年和汛期径流量分别增加2.84%和18.03%，输沙量均增加5.16%;比 1973年年和汛期径流量分别增加22.21%和 34.58%，输沙量分别增加 98.71%和99.43%。

3 结果讨论

3.1 降水条件相似时段组

在以往研究中以下几个因素会对评价结果的准确性产生巨大的影响。(1)基准期的确定。因为推算人类活动影响下水文要素时序的显著转折点时，基础数据和统计分析方法的选择都会影响分析判断的结果，且基准期流域观测站点对降水量和降水强度的观测和记录很难保证降水产流产沙模型的要求。朱恒峰等[5]以汛期降水、径流数据建立模型，最大限度地充分利用各汛期季节性雨量站点数据，减弱黄土高原地区降水、径流变化幅度巨大的干扰，反映了人类活动对研究区汛期径流的影响，但是却无法估算人类活动对流域水沙在年甚至多年时间尺度上的影响程度。(2)在不同阶段暴雨的多少和强度的大小是不同的，因而产沙量也是不同的。由于降水产沙模型多是用暴雨多，强度大的20世纪50—60年代为基准期的雨沙资料建立起来的，因此存在系数、指数偏大的问题[7]。(3)分段主要以自然时间为主[9-11]，但气象水文要素并没有以年代为周期的阶段性[8-9]。王飞等[4]据河流含沙量将水沙变化过程分段，较好地反映了不同径流和泥沙量的时段持续性特征，但不同时段的降水量差别较大，从而影响了不同治理时段径流量和输沙量计算的准确性。(4)一个流域可能包括很多的侵蚀类型区。在相同的流域面平均降水量情况下，不同侵蚀类型区会产生不同的径流量和输沙量。因此，公式计算的数值和实际产流产沙量有一定的差距[10]。

本研究通过选择年和汛期的降水量和年内降水过程均相似的降水条件相似年组，分析相似年降水条件下延河年和汛期的水沙变化特征，直接推算人类活动对延河水沙变化的影响。

3.2 人类活动对延河年和汛期水沙变化的影响

降水因素和人类活动改变土地利用所引起的地表景观格局的变化往往是影响流域水沙关系的主导因素[1]。因此在本研究中，人类活动成为引起相似降水条件下延河径流量和输沙量变化的主导因素。

研究表明，在相似年降水条件下人类活动造成的延河时段Ⅱ较时段Ⅰ年径流量平均减少幅度18.03%，与冉大川等[11]的研究结果接近，小于王飞等[4]的研究结果;汛期径流量平均减少幅度32.52%，与朱恒峰等[5]的研究结果接近，小于王飞等[4]的研究结果;年输沙量平均减少幅度47.08%，大于冉大川等[11]的研究结果，小于王飞等[4]的研究结果;汛期输沙量平均减少幅度47.52%，与王飞等[4]的研究结果接近。

时段Ⅲ较时段Ⅰ年径流量平均减少幅度29.77%，与冉大川等[11]的研究结果接近，大于王飞等[4]的研究结果;汛期径流量平均减少幅度46.29%，大于王飞等[4]、朱恒峰等[5]的研究结果;年和汛期输沙量平均减少幅度都达到73.46%，大于其它研究结果。

时段Ⅳ较时段Ⅰ年径流量平均增加幅度71.72%，与冉大川等[15]、王飞等[4]的研究结果差异较大，但变化趋势与李淼等[16]对黄土高原沟壑区杨家沟小流域的研究结果相同;汛期径流量平均增加幅度97.79%，与其它研究结果差异较大;年输沙量平均增加幅度162.07%，与冉大川等[11]、王飞等[4]的研究结果差异较大，但变化趋势与许炯心[17]研究结果相同;汛期输沙量平均增加幅度161.88%，变化趋势与王飞等1987—1996年延河流域汛期[4]和许炯心黄河中游河龙区间[13]的研究结果相同。

3.3 人类活动对延河径流量和输沙量变化影响的差异性

在相似年降水条件下人类活动对径流和泥沙影响比例不同，尹国康统计分析结果表明，同一时期人类活动对径流的影响幅度大于对输沙量的影响[18];冉大川等[11]、王飞等[4]研究认为，同期人类活动对泥沙量的影响大于对径流量的影响。研究表明在相似年降水条件下，同期人类活动造成年和汛期输沙量的平均变化幅度分别为径流量的3倍和2倍。

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