近50a嘉陵江流域径流变化特征及影响因素

2013-09-27范利杰穆兴民赵广举

水土保持通报 2013年1期

范利杰，穆兴民，2，赵广举，2

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100）

流域水文过程一般受自然因素和人类活动的综合影响，随着科技的不断发展，人类影响自然的能力不断提高，对流域径流的影响也愈加显著［1－2］。20世纪90年代，国家对长江上游区域实施长治工程，重点对嘉陵江中下游地区进行了有计划的水土流失综合治理［3］，嘉陵江流域的人类活动加剧，引起流域径流发生一系列的变化。杨忠英［4］对嘉陵江流域径流量的研究表明，自20世纪90年代以来，嘉陵江流域径流量锐减，并初步分析其原因为气候的改变和人类活动的影响。张跃华等［5］对嘉陵江时间序列的分析得出降雨量同径流量的变化存在明显的相关性，认同降雨量减少和人类活动增加是流域径流量发生变化的主要原因。张明波等［6］对嘉陵江支流西汉水流域进行了研究，利用水文分析法建立降雨—径流回归模型，通过计算得出20世纪90年代以来，水土保持措施减水明显，7a平均减水效率达30%左右，并且在20世纪90年代初减水不明显，而到1995，1996年减水达1倍以上。虽然已有大量研究［7－9］对嘉陵江流域径流泥沙变化作了很多分析，但对影响径流量变化因子的定量化研究相对较少，而定量化研究对流域的综合治理与水资源的调控有重要意义。本文利用嘉陵江流域4个水文站的径流资料，分析其变化趋势及突变年份，建立降雨—径流双累积关系，分析降雨和人类活动对减少径流量的影响，并分别计算其影响程度。

1 流域概况

嘉陵江源头，历来有东、西两源之说。习惯上以东源为正源，西源称为西汉水。东源起自陕西省凤县西北凉水泉沟，西源起自甘肃省天水市平南川。两源南流，至陕西省略阳白水江镇相会［10］，流经陕西、甘肃、四川3省，于重庆市汇入长江，干流全长1 120km，流域面积约1.60×105km2，属于典型的树枝状水系。流域以河源至四川省广元为上游，流经陕西、甘肃、四川3省的凤县、两党、徽县、略阳、宁强、广元等县市境内；以广元—合川段为中游，流经广元、苍溪、南部、蓬安、南充、武胜、合川等县市境内；以合川—重庆段为下游，于重庆市的朝天门汇入长江［11］。

嘉陵江流域的地貌类型复杂多样，地层以中生界侏罗系红色岩层分布最广。土壤类型主要有黄壤土、紫色土、水稻土、冲积土、潮土和红壤等。流域大部分地区属于亚热带湿润季风气候，四季分明，雨水充沛，年内降水主要集中在5—10月，其中7—9月降水量可占全年的50%以上，年降水量在略阳以上山区约600～800mm，中下游丘陵区约1 000mm，多年平均径流量约7.00×1010m3。由于复杂的地貌类型、充沛的降水和易侵蚀的土壤等自然环境及强烈的农业生产活动，嘉陵江上游地区是长江流域的主产沙区之一，而嘉陵江中下游地区则是长江流域的重点土壤侵蚀地区之一［12］。

2 资料及研究方法

2.1 资料

本文采用数据来源于嘉陵江流域部分控制水文站。降雨采用嘉陵江流域12个雨量站的年降雨数据，采用算术平均法计算出流域面降雨量，降雨资料时段为1960—2009年。径流数据取自武胜站、亭子口站、武都站和北碚站4站，武胜站、亭子口站和武都站数据时段均为1960—2000年，北碚站为1960—2008年。

2.2 研究方法

（1）Mann—Kendall（简写为“M—K”）非参数秩次相关检验法被广泛应用气候和水文序列的趋势性分析。该统计检验方法的优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受异常值的干扰，适用于类型变量和顺序变量，计算比较简单。本文利用Kundzewicz等［13］研发的Hydrospect软件进行年降雨及年径流量变化趋势分析［14］。用Mann—Kendall非参数秩次相关检验法作突变点检验，其原理如下：

式中：x1，x2，…，xn——随机事件序列；mi——第i个样本xi大于xj（2≤j≤i）的累计数；UF——统计量；E（tk），var（tk）——累计数tk的均值和方差。在原序列随机独立的前提下，给定一显著水平，显著水平组成一个信度区间，所有UF组成一条曲线，将此法引入时间序列数据的反序列中得到另一条曲线UB，当UF和UB这2条曲线交叉点位于信度区间内时，则交叉点被认为是突变点［15］。

（2）累积滤波器法能充分反映时间序列定性的变化趋势［16］，其原理为：

式中：S——累积平均值；Ri——水文时间系列值；¯R——水文时间系列的平均值；k——序列长度。

本文对流域降雨及部分站点径流资料采用M—K突变点检验检测流域年径流量的突变年份，采用M—K趋势检验结合累积滤波器法分析流域年径流量的趋势变化。利用降雨—径流双累积曲线对措施期径流计算模拟，从中分离出人类活动和降雨对径流减少的影响程度。

3 结果与分析

3.1 流域径流量年际及年内分配

对嘉陵江流域4个控制水文站1960—2000年径流量资料进行统计分析，结果如表1所示。由表1可知，流域20世纪60年代和80年代径流量较多，而70年代和90年代径流量较少，其中90年代年均径流量相对于其他年代减少较多，且从80年代到90年代的减少幅度较大。

表1 嘉陵江流域年际平均径流分配统计 108 m3

流域径流量年内分配因受降雨、下垫面及植被等影响差异较大，由表2可知，流域年内径流量主要集中在7—9月，占全年径流量的百分比均在50%以上。

3.2 流域径流趋势分析

采用累积平均滤波器法对各个站点径流资料进行处理，结果如图1—2所示。由图1—2可知，4站的年径流量均有减小的趋势，其中北碚站从1965—1972年径流减少比较明显，之后的30a中1990—2000年减少比较明显，亭子口站和武胜站则是1965—1980和1990—2000年这2个时间段减少比较明显，武都站是1968—1975年和1995—2000年减少比较明显。降雨的累积平均曲线整体没有明显的减少趋势，但由其过程线和趋势线知存在减少趋势，但其趋势线的斜率绝对值较小，减少趋势并不明显。经M—K趋势检验得出4站的年径流量的减少趋势均显著，而年降雨量则不显著。检验结果如表3所示。

表2 嘉陵江流域年内分配统计 108 m3

图1 嘉陵江4站年径流累积平均值曲线

图2 嘉陵江4站年径流降雨累计平均值曲线和降雨过程线

表3 嘉陵江流域径流及降雨变化趋势

3.3 径流突变点分析

4站Mann—Kendall突变点检验结果如图3所示，其置信区间为0.01水平。由图3可知，北碚站的UF和UB交叉点位于置信区间内，年份为1991年，即自1991年北碚站的年径流量发生突变；同理可知亭子口突变点年份为1971，1972，1991和1992年；武都站突变点年份为1991和1993年；武胜站突变点年份为1971，1972和1993年。1992年前后，嘉陵江流域由于政策原因致使人类活动加剧，引起流域下垫面及植被覆盖等自然因素发生改变，气候因素及人类活动共同导致年径流量时间序列值的突变。

3.4 降雨阶段性分析

4站的径流量均有显著的减少趋势，而降雨量减少趋势并不显著，因降雨量的年际变化较为复杂。为进一步了解降雨对径流的影响，需对降雨进行阶段性分析。

由图4降雨5a滑动平均曲线及降雨累积距平曲线可知：1960—1968，1972—1975及1979—1985年的累计距平值呈持续上升状态，为丰水期；1968—1972，1975—1979及1993—2002年累积距平值呈持续下降状态，为枯水期；而1985—1993年累积距平值变化波动不大，为平水期。20世纪80年代以后，降雨于1993年开始持续性减少，而经M—K检验，4站的径流突变点年份均发生在1992年附近。

图3 4个水文站年径流突变点检验

图4 嘉陵江流域降雨年际变化分析

3.5 影响因素的定量分析

3.5.1 累积回归方程的建立经分析流域4站点的

突变点年均在1990，1991，1992，1993年，虽年径流量在这些年份发生了突变，但由于国家自1989年对嘉陵江流域进行了大规模的水土流失综合治理，整个流域的人类活动较1989年以前有所增加，而在1989年以前流域内人类活动均相对较少，且多为自发进行，人类活动影响相对较少，因此，可近似将1989年以前的嘉陵江流域看作是天然的。对1989年以前的年降雨及年径流数据作逐年累积，对累积数据进行回归分析，建立回归方程。本文累积降雨—累积径流回归方程采用Excel的加载宏中的回归分析来建立及检验，以北碚站为例进行叙述。

北碚站降雨—径流双累积曲线如图5所示。图5中基准期和基准期后的累积曲线的斜率发生了一定程度的改变，基准期之后的曲线斜率变小，说明径流相对于降雨有了减少趋势。

图5 北碚站降雨－径流双累积曲线

在Excel中利用加载宏中的回归分析将1989年以前的累积降雨及累积径流量带入进行回归分析，得出相关系数平方R2＝0.999，由此得出北碚站临界年份以前的回归方程为：

式中：∑R——累积径流量；∑P——累积降雨量。用相同方法求出武胜站、亭子口站、武都站的累积回归方程分别为：

武胜站：

亭子口站：

武都站：

3.5.2 人类活动和降雨对流域径流量影响的提取

利用上述回归方程对各个站点的累积径流量进行模拟，其方法为：设基准期为T1—T2时期，上述方程为针对T1—T2时间段的累计回归线性方程，然后将整个时间序列的累计降雨量带入回归模型，得出整个时间序列的累计径流量的预测值。此时求T3—T4时期的平均年径流量，用T4时刻的累积值减去T3时刻的累计值，得到T3—T4时期的累积值∑R，然后用∑R除以T3—T4期间的总年数得出T3—T4时期平均年径流量［17］。

对4站进行回归预测及统计计算得出结果如表4所示。

表4 各站降雨及人类活动对径流影响计算结果

由4站点的趋势分析可知，年径流量的总体变化趋势是减少的，并且减少趋势显著，在年均径流量减少的部分中，人类活动和降雨的贡献率分别是多少可以用上述方法求得。由于武都、亭子口、武胜3站只有2000年以前的径流资料，无法计算2000年以后降雨和人类活动对减少径流量的贡献度。由表4可看出，2000年以前，4站中只有武都站人类活动对减少径流量的影响程度较高，达到了62.50%，其余3站人类活动和降雨对减少径流的影响程度基本持平，而2000年以后的北碚站中，人类活动对径流减少的影响达到了69.90%，在减水效果中起到主导作用。

嘉陵江流域自1989年实施长治工程以来，流域内先后50个县市区开展了水土保持重点治理。从1989—1996年，流域内实施各种水保措施累计治理水土流失面积2.14×104km2，治理程度25.8%。其中坡改梯治理17.49hm2，水保林治理5.34×105hm2，经果林治理2.27×105hm2，种草治理9.64×104hm2，封禁治理5.86×105hm2，保土耕作治理5.19×105hm2。小型水利水保工程方面，修塘堰70 793座，谷坊3 828座，拦沙坝908座，蓄水池94 998口，排灌渠22 787.11km，截水沟9 678.68km，沉沙池1 567 756个［18］。由上述资料可看出，在政策实施以来，嘉陵江流域的人类活动程度加剧，引起流域下垫面的地形、地貌、植被覆盖等发生了改变，增加了水利工程的建设，对流域水资源的分配做了调整，这些措施在治理水土流失中起到了至关重要的作用，而在减水方面也作出了不少的贡献。

4 结论

（1）通过对嘉陵江流域降雨及径流资料的研究发现，嘉陵江流域面上降雨年际间变化呈减少趋势，经Mann—Kendall趋势检验得出虽有减小趋势，但并不显著。由对降雨阶段性分析可知，进入90年代以来，年降雨量急剧下降，这对径流量的减少起到了一定的作用。对嘉陵江流域4个控制水文站的径流资料进行检验得知4站年径流量均存在减少趋势，并且趋势显著，这说明除了降雨以外，人类活动对流域年径流量变化存在一定程度的影响。

（2）通过对年降雨及年径流资料进行双累积回归分析建立累积回归方程，分别计算出人类活动和降雨对减少径流量的影响程度，结果表明2000年以前各个站点的降雨和人类活动对减少径流量的贡献程度基本持平，只有武都站的资料显示水土保持措施对减少径流的影响程度稍大，为62.5%。而2000年之后只有北碚站的径流资料，通过计算得出北碚站人类活动对减少的径流量影响程度达到69.9%，可见2000年之后北碚站控制区域内，人类活动对减少径流量的贡献率有所增加。

（3）流域产流量是自然条件和人类活动共同作用的结果，本文通过对嘉陵江流域降水及部分控制水文站径流资料的研究发现，2000年之前嘉陵江流域降雨及人类活动对减少径流量的影响程度基本相当，而2000年之后，由流域把口站北碚站的数据分析可知，人类活动在减少径流中起主导作用。

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