无定河流域1961～2012年水沙变化归因分析

金 朝，李君轶

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)



无定河流域1961～2012年水沙变化归因分析

金 朝，李君轶

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

为探究在气候变化和人类活动共同影响下的水沙变化问题，基于无定河流域1961～2012年的水文气象数据及水土保持措施数据，分析了流域径流泥沙的变化，并定量分解了气候变化及人类活动对流域径流泥沙影响的贡献率。结果表明：1961～2012年无定河流域径流量、输沙量均显著减小；径流量和泥沙量的突变分别发生在1986年和1978年。根据弹性系数法和敏感性分析法得出人类活动对径流减少的贡献率分别为78.75% 和 79.02%，气候变化的贡献率分别为21.25% 和20.98%。根据累积量斜率变化率方法得出人类活动与气候变化对输沙量减少的贡献率分别为87.78%和12.22%。

径流量；输沙量；定量分析；无定河

无定河是黄土高原一条典型的含沙量高的河流[1]，其径流量及泥沙量对黄河流域的水文循环影响重大。近年来，大量研究表明无定河流域的径流泥沙正在急剧减少[2-3]，水土保持及气候变化被视为径流减少的主要原因。然而，在诸多研究中很难得到一般性的结论，并且对“水-沙-植被-坝地-气候”的关系描述较少[4-5]。例如，Li等[3]指出1972～1997年期间无定河流域水土保持措施对径流减少的贡献率达87%；Zhang等[6]认为水土保持与气候变化对径流减少的贡献率不相上下；钱云平等[7]认为该区域水利水保工程的减水减沙作用大；而师长兴等[8]则认为坡面措施效益期长，拦沙效率高。此外，旨在改善生态退化的退耕还林还草工程也影响着区域水资源。

无定河流域一直是国家水土保持治理的重点区域，随着水土保持综合治理程度的不断提高，流域的径流量和泥沙量逐渐减少，这一现象受到研究者的关注。本文利用M-K检验、Pettitt法对1961～2012年流域径流量、输沙量进行了趋势性分析和变点分析，并通过弹性系数法、累积量斜率变化率方法分离了气候变化和人类活动对径流泥沙的影响，这有助于识别引起径流泥沙改变的主要因子，对流域水资源规划和调控以及水灾害的防控有着重要意义。

1　数据来源与研究方法

1.1研究区概况

无定河(108°18′～111°54′ E，37°14′～39°35′ N)发源于陕西省靖边、定边、吴旗三县交界的白于山，由西向东经清涧县河口村汇入黄河，是黄河中游河口至龙门区间最大的支流，干流总长491 km，流域面积大约为30260 km2(图1)。流域地处毛乌素沙漠南缘及黄土高原北部地区，属于温带大陆性干旱半干旱季风气候区，年平均温度在7.9～11.2 ℃，年降水量在350～500 mm之间，暴雨集中，土质松散，地表覆被少，侵蚀强烈，年均径流量15.3亿m3，年均输沙量超过2亿t，随着不断加剧的人类活动，使得水土流失日趋严重，是黄土高原地区土壤侵蚀率最高的流域[9]。

图1　无定河流域研究区概况

1.2数据来源

主要数据来源及处理方法：(1)气象数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)提供的1961～2012年逐日降雨，求得年累积降雨量，并采用ArcMap 10.2中的Kriging法进行插值得到年降雨量。用由FAO提供的彭曼公式计算逐日潜在蒸散量(E0)，累积得到年潜在蒸散量。(2)流域出口控制站白家川水文站1961～2012年径流数据来源于水文年鉴，对于少量缺测的数据则采用插补法获取。(3)淤地坝数据来自陕西省水保局。(4)1982～2012年逐月NDVI数据来自GIMMS数据集，由美国国家海洋和大气管理局NOAA/AVHRR(Global Inventory Modelling and Mapping Studies，GIMMS)提供，其空间分辨率为8 km，时间分辨率15 d。月NDVI是通过最大值合成法(Maximum value composite，MVC)计算得到的；年NDVI为月NDVI的平均值。区域中NDVI>0.1视为植被覆盖区域。

1.3分析方法

1.3.1趋势分析及突变点检测Mann-Kendall[10]检验是一种非参数检验法，其优点是统计测试的样本不需要服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，被广泛应用于检测非正态分布的水文气象等要素序列的变化趋势，本研究将其用于对降雨、E0及径流泥沙变化趋势的检测。Pettitt[11]非参数检验法可以确定存在趋势性变化的有序数据的突变点，被广泛用于水文气象要素的突变点分析，本研究将其用于检测径流量、输沙量的突变点。

1.3.2弹性系数法对径流变化的定量分析采用基于Budyko假设理论的弹性系数法。弹性系数法是基于Budyko框架的一种广泛应用于估算气候变化对水文的影响的方法[12]。本文中，使用的Choudhury-Yang公式如下：

(1)

其中，E为平均年实际蒸散量，P为平均年降雨量，E0是平均年潜在蒸散量，n值表示流域特征的影响。

根据长时期的流域水量平衡方程，流域储水量的变化量可视为零，则

R=P-E

(2)

其中，R为平均年径流量。

Xu等[13]根据Schaake和Yang将弹性方程改为：

(3)

(4)

(5)

其中，εP、εE0、εn分别表示降雨、潜在蒸散发及地形特征对径流的弹性系数。

从而计算出分别受气候变化及人类活动影响的径流变化，即：

(6)

(7)

1.3.3累积量斜率变化率法累积量斜率变化率比较法[14]假设累积输沙量(亿m3/年)-年份间线性关系式的斜率在拐点前后两个时期分别为SSb和SSa；年累积降水量(mm/年)-年份间线性关系式的斜率在拐点前后两个时期分别为SPb和SPa，则累积输沙量斜率变化率RSS(%)为：

RSS=100×(Ssa-Ssb)/Ssb=100×(Ssa/Ssb-1)

(8)

累积降水量斜率变化率RSP(%) 为：

Rsp=100×(Spa-Spb)/Spb=100×(Spa/Spb-1)

(9)

式中，RSS、RSP为正数表示斜率增大；为负数表示斜率减小。

降水量变化对径流量变化的贡献率CP(%)可以表示为：

Cp=100×Rsp/Rss=100×(Spa/Spb-1)/(Ssa/Ssb-1)

(10)

气温变化导致蒸发量变化从而可以引起径流量变化，如果用CE0表示流域内累积蒸散总量-年份之间线性关系的斜率变化率 (%)，则人类活动对径流量变化的贡献率(CH，%)可以表示为：

CH=100-Cp-CE0

(11)

2　结果与分析

2.1水文序列变化趋势及突变点

表1为无定河流域不同年代4个水文气象要素的特征值，其年均降水量376.25mm，年均径流量10.67亿m3，年均输沙量0.90亿t。年代际降水量在20世纪60年代最大，之后小幅波动。E0持续浮动变化。径流量在60年代最大，之后逐渐减少。流域输沙量在60年代最大，之后大幅减少，90年代小幅度增加，之后继续减少。

表1　不同年代水文要素的特征值

无定河流域1961～2012年降水量、径流深、输沙量、E0的年际变化如图2。径流变化剧烈，而降水和E0变化较平缓。根据M-K检验可知：径流深、输沙量下降趋势显著(P<0.001)，下降率分别达0.4 mm/年、0.02亿t /年；降水量和E0无显著变化趋势。

根据Pettitt突变点检测(图3)可知：在95%置信度水平下，径流深和输沙量分别在1986和1978年发生突变，临界年前后平均径流深分别为40.18、28.86 mm，输沙量分别为1.59亿t、0.54亿t。突变点前称之为基准期，突变点后称之为变化期，对比基准期，径流深、输沙量在变化期分别下降了11.33 mm、1.06亿t，变化率分别为-28%、-66%。参考径流深的突变年份，降水量及E0在变化期分别下降了8.79、5.58 mm，变化率分别为-2%、-0.5%。

2.2径流变化归因分析

使用弹性系数法得到气候变化和人类活动对径流变化的贡献率分别为21.25%、78.75%(表2)。气候变化中，E0的贡献率所占比例较小，而降水的贡献率占主导。此外，径流与降雨呈正相关，而与E0呈负相关。通过该分离方法可知，人类活动是径流变化的主要原因。

表2　气候变化和人类活动对径流变化的贡献率

2.3泥沙变化归因分析

采用累积量斜率变化率比较法对泥沙变化进行分析。由输沙量的突变点(1978年)可以将输沙量、降水量及E0的变化划分为两个时期：A：1961～1978年；B：1979～2012年。对两时期各累积要素与年份(图4)分别拟合出如式(12)～式(17)所示的关系式，其中x为年份，Y为累积输沙量(亿t /年)、累积降雨量(mm/年)及累积E0(mm/年)，下标代表不同时期。

YAS= -3086.09 + 1.58xAE

(12)

式中，R2= 0.96，P< 0.0001。

YBS=-1181.46 + 0.61xBE

(13)

式中，R2= 0.97，P< 0.0001。

YAP= -751549 + 383.49xAE

(14)

式中，R2= 0.99，SD= 0.516，P< 0.0001。

YBP= -714175 + 364.6xBE

(15)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

YAE0= 1156.2xAE

(16)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

YBE0=1129.6xBE

(17)

式中，R2= 0.99，P< 0.0001。

图2　径流、输沙量、降水量、E0的年际变化

图3　基于Pettitt方法的径流、输沙量突变点检测

图4　累积输沙量、累积降水量和累积E0与年份的关系

据表3可知，累积输沙量-年份线性关系式的斜率减少0.97亿t/年，变化率为-61.39%。同时期累积降水量-年份线性关系式的斜率减少19.89 mm/年，变化率为-5.17%；累积E0-年份线性关系式的斜率减少26.60 mm/年，变化率为-2.30%。根据公式(10)和公式(11)的计算结果可知，降水量对输沙量减小的贡献率为8.46%，E0对输沙量减小的贡献率为3.76%，故而人类活动对输沙量减小的贡献率为87.78%。因此，人类活动也是输沙量减小的主要原因。

表3　各时段累积输沙量、累积降水量、累积E0斜率及变化率

3　讨论

3.1工程措施对径流泥沙的影响

从20世纪70年代开始，无定河流域的水土保持措施日益加强，并对下垫面产生了复杂而深刻的影响[15]。从1960～2000s流域实施的工程措施(图5)可以看出：淤地坝总量在1960～1980s迅猛增加，1980s后减小，截至2000年现存坝地2821座。库容量的变化与坝地总数的变化趋势一致。淤地坝可在短时期内有效控制洪水、拦截泥沙[2]，但是淤地坝库容有限，随时间的推移，坝内淤积的泥沙数量增多，造成大量淤地坝后期的堵塞和失效，其拦水减沙的作用下降。流域坝地库容量由1960s的22.84亿m3增加至1980s的78.06亿m3，进入2000s减少至31.60亿m3。因此水土保持措施中的工程措施仍需深入研究，确定合理的水土保持方针。

3.2生物措施对径流泥沙的影响

尽管工程措施在减流减沙方面作用显著，但生物措施也不可忽略。造林和种草是主要的生物措施。无定河流域各年代NDVI均呈上升趋势(图6)，由于1999年后退耕还林还草(GFG)工程的实施，2000s NDVI有明显的上升趋势，特别是在流域的东南部。

林地的吸水、蓄水与透水能力良好，根系庞大，因而能够固持土壤，使斜坡保持稳定，而且大量的林草枯枝落叶物具有很强的抗蚀特性，能够增加土壤入渗量，延缓地表径流形成的时间；此外地被物增加了土壤有机质，改善了土壤结构，增强了土壤稳定性[16]。草灌等低地植物能迅速形成郁闭，切实保护地表，减轻雨滴的击溅破坏作用，增加地表糙率，减缓径流流速，提高土壤抗冲能力[17]，因此林草地的减水减沙作用十分明显。此外，由于复杂的生态环境，径流泥沙减少也可能受植被面积及措施实施的时间长度的影响。因此，生物措施在不同的年代对径流的影响也不同。

图5　无定河不同年代淤地坝数据

图6　无定河各年代植被空间变化趋势

3.3生态环境响应

水土保持措施影响着生态环境，这些措施可以极大地提高生态服务功能以及环境的恢复力[18]。随着植被覆盖的增加，大量的无效水资源将被农产品、森林、草本等有效利用。在黄土高原，一些降雨量向土层下渗，调节径流[19]，提高降雨的使用率，且缓冲了雨水侵蚀。尽管无定河的径流呈下降趋势，但粮食产量和作物面积在增加，原因之一便是淤地坝措施的加强，增加了作物种植面积，同时具有较高的农田生产力。因此，尽管水土保持措施在一定程度上使径流减少，但带来了农业和生态方面的利益，节约了土地和水资源。同时，伴随着径流的减少，其输沙量亦降低，减轻了下游泥沙淤积和地面悬河的压力[20]。

总之，水土资源对经济发展和人类生存极为重要，而径流泥沙减少是一种持续性的现象。干旱半干旱区的经济和生态可持续发展主要依靠于水土资源的利用。由于无定河位于干旱半干旱区，我们发现径流泥沙减少、植被及作物增加，这在生态意义上带来了多种生态利益。同时，这有助于我们理解水土保持措施的作用，分析水文变化情况。但这些机制如何互相联系，如何变化，仍需要更进一步的研究。

4　结论

本文主要研究了气候变化和人类活动对无定河流域径流泥沙变化的影响。基于径流突变点，本文将研究时间段分为基准期(1961～1986年)和变化期(1987～2012年)。E0和降水量无显著减小趋势，而径流在变化期减少了28%。输沙量在1978年发生突变，变化期相对于基准期减少了66%。人类活动与气候变化对径流减少的贡献率分别为78.75%、21.25%，对输沙量减少的贡献率分别为87.78%、12.22%。大面积的植被种植及淤地坝建设改变了下垫面特征、水资源分布等，使得径流减少、泥沙被拦截，人类活动是无定河流域径流泥沙减少的主要原因。

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(责任编辑：许晶晶)

Analysis of Driving Factors for Runoff and Sediment Variations during 1961～2012 in Wuding River Basin

JIN Zhao, LI Jun-yi

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

To explore the runoff and sediment load changes under the common impacts of climate change and human activities, based on the hydrological and meteorological data and the soil and water conservation measures data in the Wuding River basin during 1961～2012, we analyzed the runoff and sediment load changes in this basin, and quantitatively decomposed the contribution rate of climate change and human activities to runoff and sediment load changes. The results showed that both the runoff and the sediment load in the Wuding River basin exhibited an obvious decreasing trend from 1961 to 2012, and their sudden changing point appeared in 1986 and 1978, respectively. According to elasticity coefficient analysis and sensitivity analysis, the contribution rate of human activities to runoff reduction was 78.75% and 79.02%, respectively, and that of climate change to runoff reduction was 21.25% and 20.98%, respectively. According to the slope change rate of cumulative amount, the contribution rate of human activities and climate change to sediment load reduction was 87.78% and 12.22%, respectively.

Runoff; Sediment load; Quantitative analysis; Wuding River basin

2016-03-15

黄土高原生态系统与环境变化考察项目(2014FY210100)。

金朝(1989─)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要研究方向为资源开发与GIS。

P333

A

1001-8581(2016)09-0079-06