气候变化和人类活动对祖厉河输沙量变化的影响分析

2017-05-03崔亮

中国水土保持 2017年2期

关键词：靖远输沙量水文站

崔亮

(甘肃省水文水资源局，甘肃兰州 730000)

气候变化和人类活动对祖厉河输沙量变化的影响分析

崔亮

(甘肃省水文水资源局，甘肃兰州 730000)

输沙量；变化规律；气候变化；人类活动；祖厉河

根据祖厉河干流代表水文站会宁、郭城驿、靖远1955—2012年的降水、输沙量资料，分析了祖厉河输沙量变化规律，以及气候变化和人类活动对祖厉河输沙量变化的影响。结果表明，1955—2012年祖厉河输沙量显著减少并仍呈减少趋势，气候变化对输沙量减少的影响很小，人类活动起主导作用，2000年以来人类活动对输沙量减少的影响呈减弱趋势。

祖厉河是黄河上游著名的高含沙支流，发源于甘肃省会宁县南部，向北流经会宁县、靖远县入黄河，主河长219 km，流域面积10 680 km2，主要支流有关川河、西巩河等，流域水系站点分布见图1。祖厉河流域地处陇西黄土高原，属温带半干旱气候区，由南向北气温递增、降水递减，径流量年内分配极不均匀，主要集中在6—9月份。地貌形态为黄土丘陵和残垣，湿陷性黄土层较厚，植被稀疏，地表冲刷严重，河流泥沙含量大，水质苦咸[1]。选取祖厉河干流会宁、郭城驿、靖远3个水文站1955—2012年泥沙资料，分析祖厉河输沙量变化规律，以及气候变化和人类活动对输沙量变化的影响，对流域水土流失治理和生态建设等具有重要意义。

图1 祖厉河流域水系站点分布

1 输沙量变化分析

1.1 泥沙特征及来源

根据靖远水文站的泥沙资料，多年平均含沙量365 kg/m3，多年平均输沙量4 509万t，平均输沙模数4 235 t/(km2·a)，实测最大断面平均含沙量1 120 kg/m3(1995年5月31日)，年最大输沙量1.8亿t(1959年)，年最小输沙量672万t(2008年)。

依据平均输沙模数计算祖厉河进入黄河的多年平均输沙量为4 523万t，占甘肃黄河流域输沙总量的12.9%，是黄河上游重要的产沙河流。将祖厉河从上游至下游依次分为会宁以上、会宁—郭城驿、郭城驿—靖远3个区间，分别计算区间产沙、占靖远站输沙量比例、区间输沙模数，见表1。可以看出，祖厉河流域产沙量大，侵蚀作用十分强烈，其中会宁以上、郭城驿—靖远区间输沙模数比较接近，会宁—郭城驿区间输沙模数略高，水土流失更加严重。泥沙的主要来源是降水对流域坡面的冲刷和洪水对河道两岸的侵蚀。

1.2 输沙量年内变化分析

输沙量的年内变化，可以通过年内分配百分比、年内分配过程线、不均匀系数及集中程度等来反映[2-3]。绘制祖厉河各代表站月平均输沙量年内分配过程线如图2所示。祖厉河多年月平均输沙量呈高度集中分布，集中于6—9月，其中会宁水文站6—9 月平均输沙量占全年平均输沙量的94.4%，郭城驿水文站占96.0%，靖远水文站占97.1%。

表1 祖厉河代表站泥沙特征

图2 多年月平均输沙量年内分配过程

选取靖远水文站，计算不同年代输沙量的不均匀系数、集中度、集中期，结果列于表2。可以看出，各年代不均匀系数在1.44～1.72之间，集中度在0.81～0.88之间，最大值主要出现在8月上旬。说明祖厉河输沙量年内分布极为不均，最大月输沙量出现在8月上旬。

表2 靖远站输沙量年内分配指标统计

1.3 输沙量演变规律分析

(1)年际变化规律。绘制祖厉河各代表水文站实测输沙过程线、差积曲线如图3、4所示。可以看出，祖厉河各代表水文站实测输沙过程线变化基本一致，1970年以前呈递增趋势，从1970年开始稳中有减，2000年以来递减速度加快。2000年以前平均输沙模数为5 200 t/(km2·a)[4-5]，2012年输沙模数减少到4 235 t/(km2·a)，年输沙量减少了1 030万t，这是修

图3 代表水文站实测输沙量过程线

图4 代表水文站实测输沙量差积曲线

建河堤加固防洪工程减轻河道两岸侵蚀、水土保持综合治理及拦蓄工程拦截泥沙等综合作用的结果。

(2)输沙量突变分析。通过对各站输沙量进行统计检验，综合判断系列资料的突变情况，若统计量大于临界值T(α/2)，则表明α=0.05的显著水平下突变显著。以突变点为界，分别计算突变前后的均值及跳跃量，计算结果见表3。结果表明，祖厉河会宁、郭城驿、靖远3个水文站输沙量均发生显著突变，突变点分别为1978、1996、1964年，突变后比突变前输沙量分别减少了362万、1 950万、4 938万t/a。

表3 代表水文站输沙量突变计算结果

(3)输沙量变化趋势分析。坎德尔秩次相关、斯波曼秩次相关、线性趋势相关等统计检验方法[6]是分析水文气象数据的有效方法，当给定显著水平α后，查得对应的临界值，当统计量小于临界值时则趋势不显著，当统计量大于临界值时则趋势显著。建立各站输沙量(Y)与年份(X)的趋势方程，应用以上方法进行趋势分析，综合判断趋势变化情况，分析结果见表4。可以看出，祖厉河干流3个水文站输沙量均呈显著减少趋势，其中下游靖远站输沙量减少的速率最大。

2 气候变化及人类活动对输沙量变化的影响分析

2.1 综合影响效应

以靖远站输沙量序列的突变点为分界点，对实测输沙量序列进行还原，并建立如下关系模型：Ws=124.06W0.518，其中Ws为年输沙量、W为年径流量。

表4 代表水文站输沙量趋势分析

根据模型计算模拟过程的输沙量，即为还原的不受人类活动和气候变化影响的河流输沙量，将不同年代模拟年输沙量与实测年输沙量进行比较，见图5、表5。从图5、表5可以看出，靖远站各年代输沙量实测值均小于模型输出值，且2000年以后相差较大，说明在人类活动和气候变化共同影响下祖厉河输沙量呈减少趋势，2000年以后减少剧烈。

图5 祖厉河年输沙量实测值与模型输出值对比

年代实测年平均输沙量(万t)模拟年平均输沙量(万t)差值(万t)占模拟年平均输沙量比例(%)20世纪70年代以前73279964-2637-26．520世纪70年代44447865-3421-43．520世纪80年代39207919-3999-50．520世纪90年代42138014-3801-47．42000年以来17056382-4678-73．3全系列45098157-3647-44．7

2.2 定量影响分析

降水是地表产沙的动力条件，对流域产流产沙有直接影响。以降水为气候变化影响代表因素，建立数学模型，可以定量分析气候变化和人类活动对输沙量变化的影响[7]。选取靖远水文站年降水长系列资料进行分析，为了消除降水的影响，令E=Ws/P，其中E为侵蚀率(t/mm)、Ws为输沙量(万t)、P为降水量(mm)。

以上分析结果表明，20世纪80年代气候变化和人类活动对输沙量减少的贡献率分别为4.3%和95.7%，90年代分别为 0.8%和99.2%，2001—2010年分别为13.0%和87.0%，说明气候对祖厉河泥沙变化的影响很小，从20世纪80年代以来人类活动对泥沙的影响一直起主导作用。 1981—2010年气候变化和人类活动对祖厉河输沙量减少的贡献率分别为11.0%和89.0%。2000年以来人类活动对祖厉河泥沙减少的影响呈减弱趋势。