三峡库区龙河流域降雨和人类活动对水沙关系变化贡献率分析

刘惠英，程冬兵，张平仓 ，江 辉

(1.南昌工程学院 水利与生态学院，南昌 330099；2.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

三峡库区龙河流域降雨和人类活动对水沙关系变化贡献率分析

刘惠英1，程冬兵2，张平仓2，江 辉1

(1.南昌工程学院 水利与生态学院，南昌 330099；2.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010)

以三峡库区中心区域的龙河流域为研究对象，利用1963—2010年流域水沙资料，采用Pettitt突变点检验、累积距平法及双累积曲线法分析了该流域输沙量和降雨量的变化趋势，判别出降雨量在1982年、输沙量在1982年和1990年发生了突变。并采用累积量斜率变化率比较法分析了1963—1981年，1982—1990年，1991—2010年3个时段降雨量和人类活动在龙河流域输沙量变化中的相对贡献率。研究表明：以1963—1981年为基准期，1982—1990年间降雨量和人类活动贡献率分别为29.49%和60.51%，1991—2010年间分别为3.38%和96.62%；以1982—1990年为基准期时，1991—2010年人类活动对输沙减小的贡献率为100%。该研究揭示了1963—2010年输沙量的变化趋势及降雨和人类活动对其贡献率，研究不仅对该区水土流失治理、水土保持效益评价具有重要意义，同时为研究三峡水库区间水沙锐减的原因提供一定的理论支持。

水沙关系；龙河流域；人类活动；贡献率；三峡库区

1 研究背景

水土流失是当今世界人们普遍关注的重大生态问题之一，其已成为我国首要和最大的环境问题。土壤侵蚀是造成土地荒漠化、洪涝灾害、水土资源危机的主要原因之一。据全国第一次水利普查数据显示，我国目前土壤侵蚀总面积(包括水蚀、风蚀面积)达294.91万km2，占全国国土面积的31.12%。而土壤侵蚀与产沙的研究是一个极其复杂的系统工程，其不仅受自然因素制约和人类活动的干扰，而且侵蚀产沙的各个影响因素之间也存在着错综复杂的相互作用。

三峡库区支流是库区泥沙及非点源污染物重要来源区域之一，而库区泥沙与水库蓄水调度关系相当密切，对水库淤积和水质都有直接的影响[1-3]。龙河位于重庆直辖市三峡库区腹心地带，是长江右岸的一级支流，是一条集多功能于一体的河流。流域所处的渝东至鄂西地区是我国生物多样性重要区域之一，备受各界关注。流域因处三峡库区核心地带，移民以及城镇搬迁对土地扰动强烈，流域内水土流失受人类活动影响较大。自1989年以来，流域内开展了一系列的水土保持治理工作，包括“长治”工程、“天保”工程及退耕还林还草工程，这些工程及水电开发使流域下垫面以及产流产沙规律发生了显著的变化[4]。同时，以往针对该流域研究多集中在流域生态需水、流域生态健康及安全评价方面，而对流域水沙关系变化都未涉及[4-7]。

因此，深入研究龙河流域水沙输移特征变化及驱动因素，对龙河流域的保护和研究具有特殊的意义，对于揭示三峡水库区间土壤侵蚀产沙机制、影响因素和变化趋势，评价水土保持治理成效，减缓库区泥沙淤积，延长水库使用寿命具有重大的实际意义。为了深刻认识这些问题，本研究基于水文统计，对龙河流域1963—2010年间的降水和输沙变化及相关关系进行分析，并对其驱动因素进行了分析。研究不仅对该区水土流失治理、水土保持效益评价具有重要意义，同时为研究三峡水库区间流域水沙锐减的原因提供一定的理论支持。

2 研究区概况

龙河流域位于东经107°37′～108°40′，北纬29°33′～30°17′。流域地势总体为西北低而东南高，呈明显的起伏式下降。流域内的七耀山、方斗山纵贯整个流域，形成“两山夹一槽”特殊地貌。东与湖北省利川市交界，南接彭水县、武隆县和重庆市的涪陵区，北与万州区和忠县毗邻。流域包括石柱县和丰都县共28个乡镇。龙河发源于石柱县冷水乡，地形以山地为主，是三峡库区的重点治理区之一。干流长140.0 km，流域总面积2 910.0 km2，石柱县境内干流长80.6 km，流域面积1 485.0 km2。流域受季风气候影响，温和多雨，季节变化明显[4-7]。

3 资料和方法

3.1 基础数据

石柱水文站位于重庆市石柱县南宾镇，地理坐标东经108°08′，北纬30°00′，始建于1959年12月。自1963年开始进行泥沙监测，是三峡库区支流中泥沙监测历史最长的站点之一，具有一定的典型性和代表性。流域集水面积898 km2，海拨580 m(85基准基面)，基本断面距河口距离80.7 km。石柱站为区域代表站、长江流域龙河控制站、二类精度水文站，属国家基本水文站网。石柱水文站以上共有6个雨量站(图1)，分别是黄水、悦来场、沙子、桥头、蚕溪。本文所用降雨、径流和泥沙基础数据均来自长江水利委员会编撰的水文年鉴。文中所有雨量为流域内6个雨量站按泰森多边形计算所得面雨量。

图1 龙河流域地理位置Fig.1 The location of Longhe River watershed

3.2 分析方法

3.2.1 Pettitt突变检测法

Pettitt突变点检测法是Pettitt在1979年提出的一种非参数统计检验方法，该方法不仅能够判断序列中突变点的位置，还能判断这些突变点是否在统计意义上显著。具体计算步骤为：对于长度为n的时间序列{X1，X2，…，Xn}，定义统计量Uk为

(1)

(2)

式中α为显著性水平。原假设为序列不存在突变点。若满足K≥Kα，则认为在显著性水平α时检测出的突变点在统计意义上是显著的[8-9]。

文中对流域年降雨、年输沙采用Pettitt进行突变点监测。

3.2.2 累积量斜率变化率比较法

累积量斜率变化率法(简称SCRCQ)由王随继等[10]提出，该方法可定量评估降雨量和人类活动对流域产沙量的贡献率。该方法主要思路为：假设累积输沙量对年份线性关系式在突变点前后2个时期的斜率分别为YBS和YAS(单位：万t/a)；累积降雨量对年份线性关系式在突变点前后2个时期的斜率分别为YBP和YAP(单位：mm/a)，则累积输沙量斜率变化率KS(单位:%)为

KS=(YBS-YAS)/YBS×100=

(1-YAS/YBS)×100 。

(3)

累积降雨量斜率变化率KP(单位：%)为

KP=(YBP-YAP)/YBP×100=

(1-YAP/YBP) ×100 。

(4)

式中KP和KS为正表示斜率增大，为负表示斜率减小。降雨量和人类活动对输沙量变化的贡献率ωP和ωs(单位:%)分别表示为：

ωP=KP/KS×100=

(1-YAP/YBP)/(1-YAS/YBS)×100 ；

(5)

ωs=1-ωP。

(6)

3.2.3 双累积曲线法

双累积曲线法是通过对累积降雨量与累积输沙量曲线斜率的变化来分析水沙变化趋势的一种方法。基本过程为：设有2个变量X(降雨量)及Y(输沙量)，在n年的观测期内，有观测值Xi及Yi(i=1，2，3，…，n)，对变量Xi及变量Yi按年序各自计算的累积值，得到新的逐年累积序列X′和Y′，对累积序列X′和Y′做散点图并拟合回归方程，方程的斜率变化表示单位降雨量所引起的输沙量的变化，如果斜率发生转折即认为人类活动改变了流域下垫面的水沙特性，从而确定水沙的突变点[11-13]。文中采用年降雨量-年输沙量双累积曲线反映龙河水沙的波动情况。

3.2.4 累积距平法

累积距平法是一种非线性直观判断离散数据趋势变化的一种统计方法，该方法步骤为：对于长度为n的时间序列{X1，X2，…，Xn}，其在时刻t的累积距平为

(7)

表1 龙河流域不同年代水文要素特征Table 1 Hydrological characteristics of Longhe River watershed in different periods

4 结果分析

4.1 年输沙量和年降雨量变化特征

龙河流域不同年代的降雨、径流和输沙量的统计特征值见表1。流域1963—2010年年均降水量1 179.98 mm，变差系数为0.17，降水极值比为2.48。年代际间，20世纪60年代降雨最多，进入21世纪降雨最少，较降雨最多时段减少了15.3%；流域多年平均年径流量为6.16亿m3，变差系数Cv为0.28，最大年和最小年径流比4.86，年际间径流变化悬殊。从年代际特征来看，20世纪80年代流域径流最大，和降雨特征不一致，以后各年代径流量逐渐减少，在2000年后径流量达到最少，仅为4.59亿m3/a，比80年代减少34.9%。

龙河流域多年平均输沙量为41.08万t，变差系数为1.71，远远大于降雨和径流的变化，输沙极值比达到了432.38，是径流极值比的89倍，是降雨的174倍。输沙年代际特征与径流相似，80年代最大，2000年后最小，前者均值是后者的9倍，同时1981—1990年输沙量的变差系数为1.3。

从流域降水和输沙的多年变化特征来看，两者均呈下降态势，减小率分别为4.42 mm/a和0.69万t/a。龙河流域是典型的山地流域，山区植被相对较好，因此河流含沙量自上而下逐渐增加。龙河流域悬移质含沙量的年内变化，主要受降水和径流变化影响。流域最大年产沙发生于1982年，输沙482.20万t，当年降雨量1 853 mm，水文统计分析当年最大洪水为70 a一遇；其中1982—1984连续3 a年产沙均超过80万t，3 a产沙总和663.70万t，占1963—1990年连续28 a产沙总和的1/3还多。2000后，年产沙量减小了80%以上。在2001—2010年间年均产沙11.48万t，年产沙减小幅度增大，尤其是2007年以后，最小年产沙发生于2009年，为1.12万t，2008—2010年连续3 a产沙总和10.38万t，占2001—2010年连续10 a产沙总和的11.3%。

而从降雨和输沙的年内分配(图2)来看，降雨最多的月份是6月，占了全年降雨的16%，其次是5月和7月，分别为14.0%和13.1%，3个月共占全年降雨的43.2%，3个月降雨的变差系数分别是0.43，0.40，0.52；1月份降雨最少，其次是12月和2月，3个月总和不到全年的5%；输沙最多的月份是7月，占了全年的42.6%，其次是6月和5月，分别为21.4%和14.6%，3个月共占全年输沙的78.6%，10月到次年3月的输沙只占了2.5%；输沙年内各月分配极度不均。

图2 龙河流域1963—2010年降雨和输沙变化Fig.2 Observed annual areal precipitation and sediment load in Longhe River watershed during 1963—2010

图3 龙河1963—2010年降雨和输沙的Pettitt检验Fig.3 Pettitt detection of areal precipitation and sediment load in Longhe River watershed during 1963—2010

4.2 年输沙和年降雨突变年份分析

用Pettitt检验对龙河流域年降水和年输沙序列进行检验(图3)。依据突变判断方法，流域降雨在1982年、流域输沙在1990年均发生了突变。其中输沙的突变超过了α=0.01、降雨突变超过了α=0.10显著性水平。

同样可以用累积距平法计算1963—2010年年降雨和年产沙量累积突变年份(图4)。流域1963—2010年降雨的累积距平分布表现出先增大后减小的趋势(图4(a))，突变年份1982年，和Pettitt检验突变年份相同。而在图4(b)上，1982年前后年产沙量累积距平分布表现出现先减小后增大，显然该时期产沙量发生突变的年份是1982年，1982—2010年的年产沙量累积距平分布表现出先增大后减小的趋势，其突变年份是1990年。产沙量有1982年和1990年2个突变点，和Pettitt法检验结果不同，这是由Pettitt的特点决定的。故以1982年和1990年作为分段点，整个研究时段分为： 1963—1981年，1982—1990年和1991—2010年3段。

图4 龙河流域1963—2010年年降雨量和年输沙量累积距平Fig.4 Variation of the cumulative precipitation and sediment anomaly of Longhe River watershed in 1963—2010

通过流域调查发现，龙河流域在20世纪80年代之前，人类活动相对较弱，拐点1982年之前反映了产沙量变化主要受自然条件尤其是降水量的影响，故将1963—1981年看作基准期。1982年后人类活动的影响逐渐增强，产沙量的变化除受降雨量影响外，还受到了人类活动的强烈影响。

双累积曲线在检测水文气象要素一致性和长期演变趋势中以直观、简单、实用而被广泛使用，是一种常用的突变判断方法。一般情况下，流域水沙特性如发生系统变化，则水沙双累积关系线将表现出明显的转折，即双累积曲线斜率会有明显变化，据此来判断其是否受到了人类活动影响[9-10]。建立龙河流域降雨-输沙的双累积曲线并且拟合各时段曲线方程(图5)。通过对曲线分析发现，输沙量存在明显的阶段性特征，可分为3段，分别是：1963—1981年；1982—1990年；1991—2010年。各段拟合方程和相关系数见图5，各段相关系数均通过了显著性检验。

图5 龙河流域年降雨量-输沙量双累积曲线变化趋势及拐点Fig.5 Trend and inflection point of double-mass curve of precipitation and sediment load in Longhe River watershed

4.3 突变年份分割时期的输沙量、降雨量与年份之间的关系

为方便描述，分别将1963—1981年、1982—1990年和1991—2010年称为A，B，C时段。AS，BS，CS分别表示A，B，C时段输沙；AP，BP，CP和分别表示A，B，C时段降雨。

BS与AS时期相比，由累积输沙量-年份线性关系的斜率可知，累积输沙量年均增量为21.77万t/a，增加率为51.91%(如表2)，同时期相比，累积降水量线性关系的斜率较小,为112.8 mm/a，减小率为9.15%。由基准期AS时段的累积产沙-年份的线性关系可知，假定BS时期无人类活动的影响，则2个斜率的变化数值大小应该相等，采用贡献率公式计算的降雨贡献率ωP值为100%。由降雨量拐点1982年、输沙量拐点1990年分成的3段：AS，BS，CS，累积产沙量与年份间的关系(图6(a))可分别拟合出式(8)、

表2 龙河流域累积输沙量年均增量及其变化Table 2 Annual average increment of cumulative sediment and its variation ratios in Longhe river watershed

图6 龙河流域年累积产沙量和累积降雨量与年份之间的关系Fig.6 Relationship of year respectively with accumulative sediment and accumulative precipitation of Longhe river watershed

式(9)、式(10)所示的关系式，其中X为年份，Y为累积产沙量，下标代表不同时期。

AS:YAS=41.94XAS-82 329,R2=0.994；

(8)

BS:YBS=63.67XBS-12 493,R2=0.990；

(9)

CS:YCS=10.54XCS-19 215,R2=0.982。

(10)

由降雨量拐点1982年可将龙河流域降雨量的变化划分为2个时期：AP(1963—1981年)和BP(1982—2010年)。2个时期的累积降雨量和年份间的关系(图6(b))可分别拟合出式(11)、式(12)所示的关系式。

AP:YAP=1 233.9XAP-2×106，R2=0.999 7;

(11)

BP:YAP=1 121.1XAP-2×106,R2=0.999 5。

(12)

式(8)至式(12)的相关系数(R)都超过显著性

为0.01的检验，表明可利用年份和累积产沙(降雨)量建立相关关系。

4.4 降雨量和人类活动对产沙量的贡献率分析

三峡库区气温变化不显著[15]，对于流域输沙的影响有限。故将影响龙河流域产沙量变化的自然因子简化为降水量，非自然因子归结为人类活动。因人类活动的影响涉及多方面：引水、水库和淤地坝、水土保持措施等。而分项各措施年度变化数值完全收集困难较大，同时一些统计资料的失实，很难将单项水保措施的归因进行分析[16]。因此仅讨论人类活动的综合影响在输沙量变化中的贡献率。

根据式(3)至式(5)的计算可知，BS与AS时期相比，降雨量减小对产沙量减小的贡献率为29.49%，在不考虑其余自然因素前提时，人类活动对产沙量的增加贡献率为60.51%。CS 与AS 时期相比，累积产沙量-年份关系的斜率减少31.40万t/a，减小率为297.91%，这是降雨量减少和人类活动共同引起的。同时期相比，累积降雨量的减小率仍为10.06% (表3)。根据式(5)和式(6)计算可知，CP与AP时期相比，降雨量减小对输沙减小的贡献率仅为3.38%，而在不考虑其他自然因素时人类活动对输沙量减小的贡献率达96.62%。

表3 龙河流域累积降水量年均增量及其变化Table 3 Annual average increment of cumulative precipitation and its variation ratios inLonghe river watershed

同理以1982—1997年BS时段为基准期， CS与之相比，累积输沙量-年份的斜率减小为53.13万t/a，减小率为504.08% (表2)。而CP与BP相比，累积降水量的斜率没有不变，即降雨对产沙量减小的贡献率为0，人类活动的贡献率达到100%，即输沙量减小完全是由人类活动引起的。

4.5 流域产沙减小原因分析

流域产沙减少的原因不外乎以下原因：降雨减少、水土保持、水库拦沙和人工采砂。而龙河流域石柱站产沙减少，主要原因如下所述。

(1) 流域降雨量减少；流域以砂页岩为主，石柱水文站以下有小块石灰岩层；土壤以沙壤土为主，只有少量黏性土存在。以上特点形成流域有雨成洪，无雨河枯的特点。龙河为雨源河流，洪水由暴雨造成。降雨量减小导致洪水标准小，输沙量减小。

(2) 自1989年，石柱县被国家列为“长治”工程重点治理县，通过“长治”工程一期、三期和五期、生态修复及中央的预算内资金项目，已累计治理16条流域，完成坡改梯3 176 hm2，营造水保林10 185 hm2，经果林5 157.87 hm2，实行封禁治理17 563.48 hm2，种草480 hm2及保土耕作等其他措施，以上工程和措施为龙河上游水土保持保持打下了坚实的基础。

(3) 从20世纪80年代至今，龙河上修建了多个水库和水电站，如安子沟、龙池坝水库等，尤其是2002年修建的藤子沟水电站，对流域水沙影响较大。上游修建的总库容为19.2亿m3，使得流域侵蚀的泥沙大量被拦蓄在水库内，水库下游河道泥沙减沙。

(4) 随着经济的迅速发展，大规模基本建设，沙石料的大量开采，也是河道减沙的另一个重要原因。

5 结 论

(1)近50 a来龙河流域降雨一直呈减小趋势，从20世纪80年代开始减小明显，流域年输沙量呈现先增后减的趋势，减小趋势显著；Pettitt突变检测降雨和输沙突变分别发生在1982年和1990年，降雨和输沙突变分别达到α=0.10和α=0.05显著性水平。

(2) 根据突变检测结果，将龙河流域泥沙的演变过程分成：1963—1981年、1982—1990年和1991—2010年，采用累积量斜率变化率法分析了3个时段降雨量和人类活动在流域输沙量减小中的相对贡献率。以1963—1981年作为天然状态下龙河流域的水沙状态，1982—1990年间贡献率分别为29.49%和60.51%，1991—2010年间分别为3.38%和96.62%。若以1982—1990年为基准期，1991—2010年人类活动的影响达到了100%。

(3) 龙河流域输沙量的近50多年来发生突变的原因在于先后经历了“长治”工程、“天保”工程、退耕还林还草工程及水电开发工程。水土保持和生态环境建设等人类活动的作用对该输沙量变化趋势影响显著，表明流域生态环境得到改善，水土流失得到治理。

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(编辑：曾小汉)

Contributions of Precipitation and Human Activities to the Runoff andSediment Variation in Longhe River Watershed of Three Gorges Reservoir Area

LIU Hui-ying1，CHENG Dong-bing2，ZHANG Ping-cang2，JIANG Hui1

(1.School of Hydraulic and Ecological Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang
330099,China;2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

The variation trend of sediment and precipitation in Longhe River Watershed which is the centre of the Three Gorges Reservoir area was analyzed according to the measured data in 1963-2010.Pettitt test,accumulative anomaly analysis and double mass curve analysis were employed for the research.The year 1982 was found to be the inflection point of precipitation,and 1982 and 1990 the inflection points of sediment load.The contributions of precipitation and human activity to sediment change during three periods (1963-1981,1982-1990,1991-2010) were compared and analyzed.Results reveal that with 1963-1981 as baseline period,precipitation and human activity contribute 29.49% and 60.51% respectively to the sediment change in 1982-1990,and 3.38% and 96.62% respectively in 1991-2010;whereas when 1982-1990 is taken as the baseline period,human activity alone contributes 100% to the sediment decrease in 1991-2010.This research reveals the trend of sediment load change in Longhe River watershed during 1963-2010,and also the contributions of precipitation and human activity.It is of great importance to the soil and water conservation and assessment,and also provides theoretical support to the sharp decline of runoff and sediment discharge in Three Gorges Reservoir Area.

runoff and sediment relationship;Longhe river watershed;human activities;contribution rate;Three Gorges Reservoir area

2014-09-30；

2015-01-21

国家自然科学基金项目(41461080)；水利部公益性行业专项(201201048，201301059)；江西省土壤侵蚀与防治重点实验室开放基金项目(JXSB201303)

刘惠英(1973-)，女，陕西凤翔人，讲师，博士研究生，主要从事坡面土壤侵蚀和流域水体监测方面研究，(电话)18022384520(电子信箱)huiyingliu@nit.edu.cn。

张平仓(1961-)，男，陕西渭南人，教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀研究，(电话)13907174727(电子信箱)zhangpc@mail.crsri.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.005

P333.4；TV141.3

A

1001-5485(2015)03-0020-07

2015,32(03):20-26