皖河年输沙量Mann-Kendall突变分析

张理华,尹　剑

安庆师范学院资源环境学院，安徽安庆，246000



皖河年输沙量Mann-Kendall突变分析

张理华,尹剑

安庆师范学院资源环境学院，安徽安庆，246000

摘要：以皖河石牌水文站年输沙量作为大别山南坡水土流失状况的替代指标，运用Mann-Kendall方法，研究大别山南坡46年间水土流失过程的特征。大别山南坡的水土流失与皖河年径流量呈正相关，暴雨是大别山区水土流失的主导因素。40年来输沙量呈现较为明显的减少趋势，减少率为1.296×104t/a，且1998年后皖河流域水土流失明显改善。分析了发生变化的原因，提出了水土保持措施。

关键词：大别山南坡；水土流失；皖河；输沙量；Mann-Kendall方法

1　研究区域概况

我国南方低山丘陵区的水土流失问题由来已久，大别山区属其中之一[1-5]。水土流失缘起于历史上的乱砍滥伐和过度垦殖。水土保持工作持续40余年，许多山区森林覆盖率达到50%以上，水土流失已有所改善，但未能有效控制[6-7]。

大别山区海拔最高不足2 000 m，但相对高差很大，河谷深切，坡度多在25°~50°，这一点与江南低山丘陵有显著不同。地表以花岗岩、片麻岩为主，风化程度大，易受流水侵蚀、剥蚀。山间河漫滩和阶地狭小，成为农耕区。

大别山区属北亚热带季风气候，冬冷夏热，雨量丰沛，多年平均气温16.5℃，多年平均降水量1 440 mm，蒸发量894 mm，径流深749 mm。降水集中于夏季。上游山区径流深可达850 mm以上，径流系数偏高。径流量随降水波动大，坡陡流急，侵蚀力强，是导致水土流失难以根治的重要因素[1]。

当前大别山区森林覆盖率已达到50%~70%，建群种以马尾松、杉、栎为主，大多是20世纪70年代以来植树造林的成果。油桐、油茶、乌桕、漆树等经济林木广布于低山丘陵区[1]。

大别山南坡地势由西北向东南下降，大部分属皖河水系，河流短小，河谷深切，向东南汇聚，经皖河干流入长江，如图1所示。理论上皖河流域的水土流失总量与皖河的输沙量有相关性，输沙量可作为流域内水土流失状况变化的指标。河流径流量的变化在一定程度上反映流域植被覆盖与水土流失状况。

图1　皖河流域略图

2　研究材料及分析

水土流失是非常复杂的过程，降水强度、地面坡度、风化壳及岩性、植被覆盖等都是重要的影响因素，水土流失量很难直接获得。选取皖河流域年输沙量作为区域水土流失状况的替代指标，通过输沙量变化分析水土流失的动态特征及其原因。考虑到径流量与输沙量的相关性，以年径流量作为辅助指标。

必须说明，山区的水土流失量并不等于输沙量，有相当多的泥沙流出山口后在河流阶地或河漫滩沉积(合九铁路与石牌之间)，并未到达下游的水文站。

皖河属长江的一级支流，其干流出大别山后有石牌水文站。提取皖河石牌站1965~2010年年输沙量与径流量数据制图，如图2。

图2　皖河石牌站1965~2010年年径流量与输沙量

图2中曲线波动显示年径流总量与年输沙量变化有相关性，年径流量大的年份输沙量也大，反之亦然。径流量极大值出现的年份，如1969年、1983年，输沙量也出现极值。

曲线波动也显示皖河年径流量的年际变化大，46年中，最大年径流量(1991年，63.77×108m3)与最小年径流量(1978年,11.3×108m3)相差约5倍。而更值得思考的是，46年间，年输沙量极大值(1969年，289.88×104t)与极小值(2006年，0.829×104t)相差348倍。输沙量的年际变化更为极端。

根据上述分析，结合大别山南坡气候、地形特征，推断径流量大的年份，降水量大且多暴雨，径流迅速汇聚形成山洪，产生强烈的侵蚀作用，导致水土流失。实地调研结果与此相符，暴雨是大别山区水土流失的主导因素。

图2反映，1965~2010年的46年间输沙量均值呈下降趋势，水土流失量减少，同期的年径流量变化无此特征，两方面综合考虑表明皖河的输沙量在下降。统计46年平均值，平均年输沙量为55.28×104t/年。图中显示，2000年以后，输沙量已无高于均值的年份，而此前低于均值的年份则很少。

3　Mann-Kendall检验

Mann-Kendall对于非正态分布的数据趋势和突变分析具有较好的适用性和可靠性[8]，通常用于气候、水文变化等方面的研究[9-10]，未见用于水土流失方面的研究。Mann-Kendall对趋势分析得出年输沙量呈现出较为明显的逐年减少的变化趋势，减少率为1.296×104t/a，且置信度较高为95%。在此基础上，借助UF、UB曲线进行突变检验。

在时间序列随机独立的假定下，计算统计量：

(1)

其中，E(Sk)和Var(Sk)分别表示时间序列x1，x2，…，xn的累计数列Sk的均值与方差，x即年输沙量无量纲化数据。

按时间序列x的逆序xn，xn-1，…，x1重复上述过程，获得统计变量UBk(k=n，n-1，…，1)，同时使：

UBk=-UFk

(2)

将UBk与UFk绘制成曲线，如果两条曲线出现交点，且该点处的U值满足|U|<1.96，则认为该点为序列的突变点，检验置信水平α=0.05。

运用Mann-Kendall法对1965~2010年，皖河流域年输沙量序列进行突变分析，绘成突变曲线图3。由UF和UB曲线可知，2条曲线的交叉点有1个，且在置信区域之间，表明近20年来，水土流失量在逐渐下降，发生突变的时间节点是1998年。1998年以后，水土流失有明显改善，与图2所反映的现象一致。

图3　皖河流域近46年输沙量突变判别曲线图

4　结论与建议

历史上的乱砍滥伐和过度垦殖导致南方山区大规模水土流失。强降水(暴雨)是大别山区水土流失的主导因素，坡度陡峻、河谷幽深，岩层风化严重也是重要因素。

大别山南坡的水土流失与皖河年径流量呈正相关，多雨年水土流失量大。水土流失量的年际变化很大，极大年与极小年相差几百倍，这些特征有利于寻找整治措施。

大别山南坡的水土保持经历40多年，以1998年为界分前、后两个阶段。1998年以前，皖河流域输沙量无明显变化，表明水土流失无显著好转。1998年以后，皖河的输沙量显著下降，水土流失逐步得到控制，径流量也趋于稳定。

结合以往的研究认为[1]，大别山区20世纪70年代开始治理水土流失，主攻方向是植树造林、封山育林，逐步提高森林覆盖率。

实地调查表明，1998年后，山区森林覆盖水平较高，水土保持工作重点在于封山育林和其他措施，如修梯田、挡土石墙、山洪排导沟等。这些措施巩固了前期植树造林的成果，生态效益显著。

目前，皖河流域仍然是安徽省水土流失重点整治区。针对大别山南坡多暴雨的气候特点，建议在大别山南坡继续实施封山育林，改善森林结构，保护经济园林和草被；调整产业结构和农田耕作制度，减少暴雨期的地表侵蚀。

参考文献：

[1]张理华,张群,周葆华．安徽资源环境[M].合肥：合肥工业大学出版社，2010:1-295

[2]周峰．东大河小流域综合治理的实践与思考[J] .中国水土保持,2011(2):52-53

[3]张文普,赵小蓉,王昌全,等．五官小流域综合治理措施及效益分析[J].水土保持通报,2010,30(1)：195-198

[4]宋洁．土石山区生态清洁型小流域治理模式研究[J].水土保持,2011(16):54-58

[5]张新玉,杨元辉．我国水土保持小流域综合治理模式研究[J].中国水利,2011(12)：58-61

[6] LI-Hua Zhang,Bin Zhou.Investigation and Strategy Study of Soil and Water Conservation in the south of Dabie Mountains[J]. Advance Journal of Food Science and Technology,2014,6(7):895-899

[7]史志刚.皖西大别山区水土流失特征及其综合防治研究[J].水土保持研究,2012,19(5):39-42

[8]Song X,Zhang J,Agha Kouchak A,et al．Rapid urbanization and changes in trends and spatio-temporal charac?teristics of precipitation in the Beijing metropolitan area[J]．Journal of Geophysical Research: Atmosphere, 2014, 119(19):11250-11271

[9]占车生,乔晨,徐宗学,等．渭河流域近50年来气候变化趋势及突变分析[J]．北京师范大学学报：自然科学版,2012,48(4):339-405

[10]马雪宁,张明军,黄小燕,等．黄河上游流域近49a气候变化特征和未来变化趋势分析[J].干旱区资源与环境,2012,26(6):17-23

(责任编辑：汪材印)

作者简介：张理华(1957-)，安徽宿松人，教授，主要研究方向：区域资源开发。

基金项目：安徽省自然科学 “基于遥感和水文模拟的蒸散发数据同化研究”(1508085QD69)；安徽省高校人文社会科学研究重点项目(SK2015A382)。

收稿日期：2015-07-25

中图分类号：P331

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2015)10-0113-03

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.031