皇甫川流域1955-2013年水沙变化趋势与周期特征

魏艳红, 焦菊英,2

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

皇甫川流域1955-2013年水沙变化趋势与周期特征

魏艳红1, 焦菊英1,2

(1.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

为揭示黄河流域重要的产沙支流皇甫川在新时期水沙如何变化，采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验及Morlet小波变换，分析了皇甫川流域1955—2013年水沙变化的趋势、突变和周期变化特征。结果表明：在99%显著性水平下，皇甫川流域的年径流量和输沙量均呈显著减少趋势，且径流量的减少大于输沙量的减少，进入21世纪以来，水沙年际变异更为显著；径流量、输沙量序列一级突变点均发生在1984年，二级突变点有所不同，年输沙量序列突变时间(2003年)晚于年径流量序列突变的时间(1998年)；水沙演化过程中均存在4个尺度的周期变化，分别为22～32，13～21，7～12，3～6 a和23～32，13～22，7～12，3～6 a；在径流量和输沙量整体减少的趋势下，2011—2020年径流量将处于相对偏丰阶段，而输沙量在2013—2018年将处于相对偏多沙时期。研究表明，皇甫川流域径流量和输沙量的减少是气候的暖干化和渐强的人类活动综合作用的结果，而大规模的水土保持措施是水沙减少的重要影响因素。

水沙变化; 周期变化; Mann-Kendall趋势检验; Pettitt突变检验; Morlet小波变换

黄河中游河口镇—龙门区间(简称河龙区间)流域面积11.4万km2，占黄河流域总面积的15.1%，产流量不足全流域的14%，但产沙量却占到60%以上[1]。其中位于河龙区间、泾河支流马莲河上游和北洛河上游的多沙粗沙区，面积7.86万km2，是黄河主要的产沙区[2]。黄河多沙粗沙区的一级支流皇甫川，流域面积0.32万km2，其多年平均(1970—1995年)粗沙量占到河龙区间粗沙量的14.8%[3]。因此，皇甫川不仅是黄河泥沙的重要来源支流之一，也是水土保持治理的重点区域之一。目前，关于该流域的研究主要集中于水沙变化[3-5]、土壤侵蚀[6-7]、水土保持[8-9]和土地利用变化[7,10-11]等方面。随着气候变化和人类活动的影响，皇甫川流域径流与输沙在多年变化中均呈明显减少趋势[4,12]，尤其在20世纪80年代之后，减少更加显著[5]。人类活动对该流域水沙变化的贡献占主导因素，约为70%，而降水所占比例为30%左右[5]。其中皇甫川流域水土保持措施减沙量占黄河下游减淤量的16%[3]，这对黄河下游水沙情势的改变具有重要指示意义。同时，近年来黄河水沙的新变化再次成为人们关注的焦点，潼关站年均径流量和输沙量已由20世纪70年代前的441.7亿m3，16亿t分别锐减到2000—2010年的215.3亿m3，3.03亿t。那么，作为黄河流域重要的产沙支流皇甫川，在新时期水沙如何变化，将对以后黄河流域的治理开发和黄土高原水土保持措施的合理配置提供参考价值。因此本文以皇甫川流域为例，对其近60 a来的水沙变化特点、变化趋势和周期变化特征进行分析，旨在为流域未来水资源的开发利用和管理以及黄河干流水沙锐减的原因提供指导作用和理论依据。

1 研究区概况

皇甫川(110°20′-111°15′E，39°12′-39°59′N)位于黄土高原与荒漠草原的过渡地带，是黄河中游右岸的一级支流，流经内蒙古自治区准格尔旗，在陕西省府谷县巴兔坪汇入黄河，干流长137 km，流域面积3 246 km2。皇甫川流域出口的皇甫水文站控制面积3 175 km2，1954年开始监测。皇甫川流域水系主要由干流纳林川和支流十里长川组成。该流域由于地势高差较大和暴雨侵蚀强烈使得流域水系充分发育，加之人为水土流失的加速，形成了梁峁窄小、沟壑众多、地形破碎的丘陵沟壑地貌[13]。流域地处内陆，属大陆性季风气候，年平均气温9.1℃；降水的年际和年内变率大，年内降水集中于6—9月，占全年的80%以上[14]。由于气候变化和人类砍伐，该流域天然疏林及灌木草原基本消失，原生草地植被因清末以来农垦的扩张被人工植被或次生草地植被所代替[15]。皇甫川流域是典型的农牧交错带，土地利用形成了以草地为主、耕地和林地零星分布以及侵蚀沟网嵌套的格局[10]。皇甫川流域土壤主要以砒砂岩、风沙土和黄土为母质，土壤侵蚀类型可划分为砒砂岩丘陵沟壑区、黄土丘陵沟壑区和沙化黄土丘陵沟壑区3类，其中砒砂岩丘陵沟壑区是黄河粗泥沙的主要来源地之一[16]。

2 数据与方法

2.1 数据获取

根据皇甫川流域皇甫水文站1955—2013年的径流泥沙数据，分析皇甫川流域水沙变化趋势与周期变化特征。其中1955—1989年资料来源于黄河流域水文年鉴，1990—2013年的资料来源于黄河泥沙公报。

2.2 研究方法

应用变差系数(Cv)与年际极值比来说明水沙年际变化特征。变差系数Cv可反映径流、输沙年内变化的不均匀性，Cv<0.1表示相对稳定，0.1≤Cv≤1表示中度变异，Cv>1表示变异强烈[17]。Mann-Kendall趋势检验Z值为正表示增加趋势，为负表示减少趋势。|Z|≥1.28，1.64，2.32时表示分别通过了置信度为90%，95%，99%显著性检验。

长时间序列水文要素变化趋势的分析采用FAO推荐的Mann-Kendall检验。水沙突变点分析应用Pettitt非参数检验方法，首先找出整个时间序列(1955—2013年)的一级突变点，然后根据一级突变点将时间序列划分为前后两个时段，再分别对前后时段样本做Pettitt检验，得出二级突变点，进而计算出各时段的所有突变点，直到各序列均没有突变点出现。

应用Morlet小波变换来分析皇甫川流域不同时间尺度下径流和输沙的周期变化、分布特征及未来变化趋势。小波系数实部等值线图，横坐标为时间，纵坐标为时间尺度，等值线为小波系数实部值，正值代表丰水期或多沙期，用实线绘出，“H”表示；负值表示枯水期或少沙期，用虚线绘出，“L”表示。

3 结果与分析

3.1 皇甫川流域水沙变化趋势分析

近60 a来，皇甫川流域径流量和输沙量变化线性趋势和特征如图1，表1所示。年径流量和输沙量呈显著减少趋势，1955—2013年径流量和输沙量平均值分别为1.229亿m3，0.391亿t；除60年代外，其余各年代径流量和输沙量呈逐年代减少趋势，分别由1955—1959年的最大值2.169亿m3，0.742亿t减少至2000—2013年的最小值0.367亿m3，0.086亿t。

图1皇甫川流域1955-2013年径流量和输沙量变化趋势

皇甫川1955—2013年径流和输沙变差系数和极值比分别为0.82，1.03，120.11，295.85，表明皇甫川流域径流量和输沙量年际变异较大。径流变差系数在1955—1999年基本稳定，Cv值范围为0.59～0.63；2000—2013年Cv值增大到0.93，表明进入21世纪以来径流分布极不均匀。除70，80年代外，径流极值比在1955—2013年持续增大，表明年际变化也越来越大。输沙变差系数除70年代基本接近外，其余均大于同期径流变差系数，1955—1999年Cv值为0.61～0.90，2000—2013年Cv值达到最大值1.11，该时段输沙变异强烈。输沙极值比呈增大—减小—增大趋势，年际变化反复且不均匀。进入21世纪以来，水沙年际变异显著。

表1 皇甫川径流输沙年际变化特征值

注：Cv表示变差系数，K表示极值比。

在99%显著性水平下，径流量和输沙量Z值均为负数，由此可知皇甫川流域的年径流量(Z=-5.01)和年输沙量(Z=-4.55)均呈显著减少趋势，Sen′s斜率值(β)表明径流量(β=-0.03)的减少大于输沙量(β=-0.01)的减少(表2)。

表2 皇甫川流域径流量和输沙量趋势分析

3.2 皇甫川流域水沙突变特征

从图2—3中可以看出，皇甫川流域1955—2013年径流量和输沙量一级突变点均出现在1984年，显著性水平为0.05。以一级突变点1984年为界，将整个研究时段划分为前后两个阶段，第一阶段(1955—1984年)径流量和输沙量序列均没有发生突变；第二阶段(1985—2013年)，在0.05显著性水平下，径流量突变点在1998年，而输沙量突变点在2003年。由此可知，皇甫川流域水沙序列一级突变点均出现在1984年，二级突变点有所不同，输沙量序列突变时间(2003年)晚于径流量序列突变的时间(1998年)。

图2皇甫川流域径流量Pettitt检验

3.3 皇甫川流域水沙周期变化特征

从图4A可以看出，皇甫川流域径流演化过程中存在多时间尺度特征，从上往下出现了22～32，13～21，7～12，3～6 a共4个尺度的周期变化。对应于图5A径流小波方差图中的4个较为明显的峰值，从大到小分别是29，15，4，9 a的时间尺度，是径流演化过程中存在的主周期。

图3皇甫川流域输沙量Pettitt检验

在22～32 a尺度上，出现了丰—枯交替的准3次震荡，尺度中心在整个时段上约是以29 a为中心的周期变化，对应着径流小波方差第一峰值29 a时间尺度，是径流变化的第一主周期。在13～21 a尺度上，出现了丰—枯交替的准6次震荡，尺度中心在整个时段上是约以15 a为中心的周期变化，第二峰值15 a时间尺度对应着第二主周期。在7～12 a尺度上，出现了枯—丰交替的准8次震荡，仅在90年代中期前表现为约以9 a为尺度中心的周期变化，第四峰值9 a时间尺度对应着第四主周期。在3～6 a尺度上，仅在80年代中期前表现为约以4 a为尺度中心的周期变化，第三峰值4 a时间尺度对应着第三主周期。

根据径流小波方差检验的结果，绘制了径流第一主周期趋势图(图6A)。在第一主周期29 a尺度上，年径流变化的平均周期为10.5 a左右，在1955—1964年、1974—1983年和1993—2001年处于丰水期，而在1965—1973年、1984—1992年和2002—2010年处于枯水期。

输沙演变过程中也存在着23～32，13～22，7～12，3～6 a共4个尺度的周期变化(图4B)。其中，具有全域性的23～32 a和13～22 a时间尺度，分别出现了丰—枯交替的准3次和准5次震荡，尺度中心在整个时段上分别是约以28 a和16 a为中心的周期变化，依次对应着第四和第一主周期(图5B)。具有局部性的7～12 a和3～6 a尺度，分别仅在90年代中期前和80年代中期前是约以10 a和4 a为中心的周期变化，依次对应着第三和第二主周期。图6B中第一主周期16 a尺度上，年输沙变化的平均周期约为6.5 a左右，在1955—1961年、1967—1972年、1978—1982年、1988—1992年和1999—2006年处于多沙期，而在1962—1966年、1973—1977年、1983—1987年、1993—1998年和2007—2012年处于少沙期。

图4皇甫川流域1955-2013年水沙小波系数实部等值线

总体而言，上述4个尺度的周期波动控制着流域水沙在整个时间域内的变化特征。前两个尺度的周期变化在整个分析时段表现非常稳定，具有全域性，后两个尺度的周期变化在80，90年代中期前局部稳定。通过分析皇甫川流域水沙第一主周期趋势图，可知在径流量和输沙量整体减少的趋势下，2011—2020年径流量将处于相对偏丰阶段，输沙量在2013—2018年将处于相对偏多沙时期。随时间的推移，水沙小波系数波动振幅减小，径流量和输沙量周期变化趋于不明显，说明今后一段时期内水沙进一步减少的趋势仍将继续。

图5皇甫川流域1955-2013年水沙小波方差

图6皇甫川流域1955-2013年水沙第一主周期趋势

4 讨 论

4.1 气候变化对皇甫川水沙变化的影响

皇甫川流域地处温带半干旱区，生态环境脆弱，对气候变化十分敏感。研究表明皇甫川流域年降雨有下降趋势，但下降趋势不明显，而年均气温显著上升，近40 a来升高了0.4℃，是影响径流量减少的主要气候因子[13,18-19]。可见，皇甫川流域气候的暖干化趋势明显，这将对流域水沙的演变趋势产生重要影响。赵广举等[5]的研究表明，皇甫川降水量变化对径流量的贡献率为25.8%，对输沙量的贡献率为32.3%；类似的，王随继等[20]的研究明确了降水量变化对皇甫川径流减少的相对贡献率在1980—1997年为36.43%，在1998—2008年为16.81%。另外，其他一些相关研究应用水文法计算了不同年代降雨量减少对水沙变化的影响。其中，王金花等[8]的研究表明皇甫川流域降雨量变化占减沙量的比例在1970—1979年、1980—1989年、1990—1996年和1997—2006年分别为33.3%，85.8%，4.3%和44.1%。而王正文等[21]的研究分析了降雨量变化对径流量和输沙量的影响，减水减沙比在80年代和90年代分别为：51.6%，31.0%和40.7%，46.0%。以上各研究表明皇甫川流域气候的暖干化是水沙减少的重要原因。

4.2 人类活动对皇甫川水沙变化的影响

皇甫川是黄河中游的一条多沙粗沙支流，20世纪50年代治理初期，流域仅建成淤地坝3座，淤积库容83万m3；70年代后被列为重点治理流域之一，建成淤地坝80座，淤积库容3 102万m3，坝地发展较快(表3)；1983年被列入全国八片水土保持重点治理区之一，开展综合治理[9]，第一期工程治理重点小流域46条，林草面积快速增加，流域的水土保持综合治理是水沙一级突变点产生的主要影响因素之一，也是3～6 a尺度周期变化在80年代中期前表现稳定的重要原因。第二期工程于1993年开始实施，重点治理了32条小流域，各类水保措施面积平稳增加，至1997年底流域治理度已达28.2%[22]，二期治理导致了流域径流的二级突变，使得7～12 a尺度周期变化在90年代中期前表现稳定；随着2003年淤地坝作为水利“亮点”工程，加之前期二期工程治理的显著成效，两者共同作用下引起了流域输沙二级突变的发生。表3为2009年淤地坝安全大检查皇甫川流域淤地坝建设发展的基本情况，截至2008年底，皇甫川流域共建淤地坝507座，总库容4.38亿m3，淤积库容1.44亿m3。王向东等[23]的研究表明，皇甫川长滩流域及皇甫区间进入70年代以来，水土保持工程起了较高的减水减沙作用。从1987—2011年，皇甫川流域土地利用变化剧烈，土地利用类型以草地和灌丛为主，建设用地、林地面积逐渐增加，水体面积逐渐减少[24]。自80年代以来，皇甫川流域淤地坝建设的快速发展以及林灌草措施的大力跟进，这些都在很大程度上改变着流域的水沙状况。王随继等[20]的研究表明人类活动对皇甫川流域径流量减少的相对贡献率在1980—1997年和1998—2008年分别为63.57%，83.19%。同样的，赵广举等[5]的研究则分析了皇甫川流域人类活动对径流量和输沙量减少的贡献率分别为74.2%，67.7%。以上研究均表明人类活动已经成为皇甫川流域径流量和输沙量减少的主要原因。

表3 皇甫川流域不同时期淤地坝的建设与发展

5 结 论

(1) 在99%显著性水平下，皇甫川流域的年径流量(Z=-5.01)和年输沙量(Z=-4.55)均呈显著减少趋势，且径流量的减少大于输沙量的减少。

(2) 皇甫川1955—2013年径流和输沙变差系数和极值比分别为0.82，1.03，120.11，295.85，表明皇甫川流域径流和输沙年际变化较大。

(3) 皇甫川流域径流、输沙序列一级突变点均发生在1984年，而二级突变点有所不同，分别是1998年和2003年。

(4) 径流、输沙演化过程中均存在4个尺度的周期变化，分别为22～32，13～21，7～12，3～6 a和23～32，13～22，7～12，3～6 a。径流和输沙第一主周期分别为29 a和16 a时间尺度；年径流和输沙变化的平均周期分别为10.5 a和6.5 a左右；在径流量和输沙量整体减少的趋势下，2011—2020年径流量将处于相对偏丰阶段，而输沙量在2013—2018年将处于相对偏多沙时期。

(5) 皇甫川流域径流量和输沙量的减少是气候的暖干化和渐强的人类活动综合作用的结果，而大规模的水土保持措施是水沙减少的重要影响因素。

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VariationTendencyandPeriodicCharacteristicsofStreamflowandSedimentDischargeinHuangfuchuanWatershedfrom1955to2013

WEI Yanhong1, JIAO Juying1,2

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To reveal how streamflow and sediment discharge change in the new period of importance producing sediment of Huangfuchuan Watershed, the tributary of Yellow River. The Mann-Kendall test, Pettitt′s test and wavelet transform were applied to detect the trends, abrupt changes and periodical variation of streamflow and sediment discharge from 1955 to 2013 in the Huangfuchuan Watershed. The results showed that significant reductions in both streamflow (Z=-5.01) and sediment discharge (Z=-4.55) were detected with a significance level of 99%, as well as the reduction of streamflow (β=-0.03) was greater than sediment discharge (β=-0.01). Especially in the 21st century, the interannual variability of streamflow and sediment discharge was more significant. The first abrupt change points of both annual streamflow and sediment discharge appeared in 1984, while the second abrupt change points of these were not in the same year, for sediment discharge in 2003 later than streamflow in 1998. The periodic variation of streamflow and sediment discharge had four scales, there were 22～32 years, 13～21 years, 7～12 years, 3～6 years scales and 23～32 years, 13～22 years, 7～12 years, 3～6 years scales. As the amounts of streamflow and sediment discharge reducing as a whole, the streamflow would be in the wet period in 2011—2020, while the sediment discharge would be in the high sediment in 2013—2018. The research results showed that the decrease in the streamflow and sediment discharge in Huangfuchuan Watershed was the result of the combination with warming and drying climate and intensive human activities. However, a series of large-scale soil and water conservation measures were the vital factors leading to significant reduction in streamflow and sediment discharge in Huangfuchuan Watershed.

variation in streamflow and sediment discharge; periodical variation; Mann-Kendall trend test; Pettitt abrupt change test; Morlet wavelet transform

2016-05-17

：2016-06-23

中国科学院重点部署项目“黄土高原及周边沙地近代生态环境的演变与可持续性”子课题“不同区域典型支流水沙变化对坝库工程的响应”(KZZD-EW-04-03-04)

魏艳红(1988—),女,甘肃白银人,博士研究生,研究方向为流域水文过程与水土保持。E-mail:yhweigo@163.com

焦菊英(1965—),女,陕西宝鸡人,博士,研究员,主要从事流域侵蚀产沙、土壤侵蚀与植被关系及水土保持效益评价研究。E-mail:jyjiao@ms.iswc.ac.cn

P343.1;P332.4;P332.5

：A

：1005-3409(2017)03-0001-06