气候变化和人类活动对灞河流域输沙量影响的定量评估

夏 伟周维博何庆龙李文溢

(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安 710054;

2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西西安 710054)

我国很多学者对我国各大流域的水沙特性及其影响因素也作了大量研究。刘成等[6]对我国主要入海河流水沙变化的分析表明,我国最主要的10条河流下游站1997—2006年输沙量的平均值低于多年平均值的一半。姚文艺等[7]综合利用水文法、水保法和数学模型法等多种方法对黄河流域1997—2006年的水沙变化情势进行了研究,结果表明黄河实测输沙量较1970年以前年均减小11郾80亿t,其中人类活动的减沙作用与降雨的影响基本相当。史红玲等[8]研究了淮河流域水沙变化趋势及其成因,表明淮河流域来沙量呈现显著减小的趋势,发生突变的年份在1973—1975年之间。

目前,已有学者对灞河流域水沙特性进行了研究。赵建春等[9]对灞河流域水沙特性的研究表明,1985年后的来沙量基本保持在较小的水平;魏炳乾等[10]认为灞河流域的水沙量自20世纪70年代以后呈减小趋势,其中20世纪90年代减小十分显著,人类活动和气候变化是灞河水沙量减小的主要因素。为研究各因素对灞河流域水沙量减小的影响程度,采用累积量斜率变化率比较法(SCRCQ)[11鄄15]对气候变化和人类活动在灞河流域输沙量变化中的相对贡献率进行定量分析评估。

1 研究区概况

灞河系渭河的一级支流,发源于秦岭北麓蓝田县灞源乡麻家坡以北,位于东经 109毅00忆~109毅47忆,北纬 33毅50忆~34毅27忆,流经西安市灞桥区、未央区,于高陵区汇入渭河,全长104 km,流域总面积为2581km2,主要支流有浐河、清河、道沟峪等。灞河上游河道比降较大,平均为0郾9%;中游为平原弯曲型河道,平均比降为0郾235%;下游河道比较缓,平均比降为0郾158%。灞河流域的基本情况如图1所示。

图1 灞河流域

2 基础数据与研究方法

2.1 基础数据

马渡王水文站设立于1952年6月,位于浐河汇入灞河的入汇口附近,距离渭河口30km,是灞河下游干流控制站,控制流域面积1601km2。马渡王水文站观测资料系统全面、时间序列较长,因此选用该水文站1960—2012年的实测水沙数据作为基础数据。

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析法

小波分析[16]属于时频分析的一种,它能够清晰地揭示出隐藏在时间序列中不同的变化周期,充分反映系统在不同时间尺度上的变化趋势,且能对系统在未来的变化趋势作定性分析。其基本思想是:用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数,因此,小波函数是小波分析的关键,它是指具有震荡性、能够迅速衰减到零的一类函数,即小波函数追(t)沂L2(R)且满足:

式中:追a,b(t)为子小波;a为尺度因子,反映小波的周期长度;b为平移因子,反映时间上的平移。

2.2.2 累积距平法

累积距平法[17鄄18]是一种由曲线直观判断离散数据点变化趋势的统计方法,通过先计算每年输沙量的距平值,然后按照时间序列逐年累加,从而得到累积距平值随时间的变化趋势。如果输沙量累积距平曲线上升,则输沙量为逐年增加的趋势;反之,输沙量为逐年减小的趋势,趋势的转折点即为突变点。

2.2.3 累积量斜率变化率比较法

由王随继等[11]提出的SCRCQ方法以客观年份作为自变量,以各因子的累积量作为因变量,因累积量在一定程度上消除了实测数据年际变化的影响,使年份与累积量之间具有非常高的相关性,为进一步进行定量分析创造了条件,并避免了采用常用的多元回归法进行定量分析时的人为因素的影响。其基本公式为式中追(t)为基小波函数。选用Morlet小波函数作为基小波函数,它可通过对基小波函数在尺度的伸缩和时间轴上的平移构成一族函数系:

式中:RS为累积输沙量斜率变化率;KSa、KSb分别为累积输沙量-年份线性关系式在拐点前后两个时期的斜率,万t/a;RP为累积降水量斜率变化率;KPb、KPa分别为累积降水量年份线性关系式在拐点前后两个时期的斜率,mm/a;RE为累积蒸散发量斜率变化率;KEb、KEa分别为累积蒸散发量年份线性关系式在拐点前后两个时期的斜率,mm/a。

根据SCRCQ方法,降水、蒸散发、人类活动对输沙量的贡献率CP、CE、CH分别为

式中:CT为气温对输沙量的影响;CC为气象条件的变化引起的天然植被的变化对输沙量的影响。

由于气温主要是通过影响蒸散发进而影响输沙量,所以不考虑气温对输沙量的影响。气候条件的变化引起的天然植被的变化会影响产沙量,进而影响输沙量,而天然植被的变化主要是受人类活动的影响,可不考虑气象条件的变化引起的天然植被的变化对输沙量的影响。根据魏炳乾等[8]对灞河流域水沙特性的研究,蒸散发对输沙量的影响很小,式(8)可以简化为

3 研究结果与分析

3.1 年输沙量、年降水量及汛期降水量变化特征

1960—2012年灞河流域年输沙量、年降水量及汛期降水量的年际变化过程如图2所示。由图2可知,1960—2012年多年平均输沙量为182郾86万t,年输沙量呈减小的趋势,减小的速率为6郾150万t/a;1960—2012年多年平均降水量为616郾31 mm,年降水量呈减小的趋势,减小的速率为1郾761 mm/a;1960—2012年多年平均汛期(7—9月)降水量为292郾73 mm,占多年平均降水量的47郾5%,汛期降水量呈减小的趋势,减小的速率为0郾221 2 mm/a。灞河流域年输沙量小波分析时频分布如图3所示,可以看出,年输沙量存在3~7 a、13~18 a和40~45 a 3类尺度的周期,其中第一主周期为15 a左右,在13~18a尺度上存在丰枯交替准3次震荡,且该尺度的周期变化在整个分析阶段非常稳定,具有全域性。

图2 1960—2012年灞河流域年输沙量、年降水量及汛期降水量的年际变化

图3 灞河流域年输沙量小波分析时频分布

3.2 年输沙量突变分析及阶段划分

采用累积距平法计算1960—2012年灞河流域年输沙量突变年份,得灞河流域年输沙量累积距平曲线如图4所示。由图4(a)可以看出,年输沙量累积距平曲线在1960—1987年表现为上升趋势,而在1988—2012年表现为下降趋势,在1988年发生明显转折,可确定1988年为年输沙量的突变年份。由图4(b)可以看出,年输沙量累积距平曲线表现出先下降后上升的趋势,其突变年份为2002年。

图4 灞河流域年输沙量累积距平曲线

通过流域调查发现,灞河流域在20世纪80年代以前,受人类活动的影响相对较小,灞河流域年输沙量变化主要是受气候变化的影响,因此,可以将1960—1987年这一阶段看作基准期;在20世纪90年代以来,人类活动对灞河流域年输沙量变化的影响逐渐加大,灞河流域年输沙量除了受气候变化的影响,在一定程度上还受到人类活动的影响。

3.3 突变年份分割时期的年输沙量及年降水量与年份之间的关系

根据灞河流域年输沙量的两个突变年份,将研究时间分为 1960—1987年、1988—2001年和2002—2012年3个时期,分别记为A、B和C。灞河流域累积输沙量,累积降水量与年份之间的关系如图5所示,图中还给出了拟合关系式,各拟合关系式的相关系数R均大于0郾969,通过了显著性水平为0郾01的Pearson显著性检验。

图5 灞河流域累积输沙量、累积降水量与年份之间的关系

3.4 年降水量和人类活动对年输沙量变化的贡献率

根据SCRCQ方法,在基准期内,输沙量主要受自然因子(降水)的影响,受人类活动的影响较小;在变异期内,输沙量主要受自然因子(降水)和人类活动二者的综合影响。

由图5(a)拟合关系式可得,累积输沙量-年份线性关系式在A、B和C时期的斜率分别为228万t/a,76郾53万t/a和101郾3万t/a;B时期与A时期相比,斜率减小了151郾47万t/a,减小率为66郾43%;C时期与A时期相比,斜率减小了126郾7万t/a,减小率为55郾57%;C时期与 B时期相比,斜率增大了24郾77 万 t/a,增大率为32郾37%。

由图5(b)拟合关系式可得累积降水量-年份线性关系式在A、B和C时期的斜率分别为638郾2 mm/a,513郾9 mm/a和589郾8 mm/a;B时期与A时期相比,斜率减小124郾3 mm/a,减小率为19郾48%;C时期与A时期相比,斜率减小48郾4 mm/a,减小率为7郾58%;C时期与B时期相比,斜率增大75郾9 mm/a,增大率为 14郾77%。

根据式(6)~(9),可以计算得到B时期与A时期相比,降水量的减小对输沙量减小的贡献率为12郾22%,人类活动对输沙量减小的贡献率为87郾78%;C时期与A时期相比时,降水量的减小对输沙量减小的贡献率为6郾56%,人类活动对输沙量减小的贡献率为93郾44%;C时期与B时期相比,降水量的增大对输沙量增大的贡献率为0郾53%,人类活动对输沙量增大的贡献率为99郾47%,降水量对输沙量的影响很小,可以忽略不计,即输沙量增大完全受人类活动的影响。

3.5 年输沙量减小的原因分析

灞河流域年输沙量减小的原因有自然因素(降水量减小和降水强度减小)和非自然因素(水库拦沙、水土保持、人工采砂和土地利用类型的变化)[18]。

a.自然因素。由于灞河流域降水量的减小,会减小雨水对地面的冲刷,减少土壤的流失,从而使得灞河流域年输沙量在一定程度上有所减小;同时,由于灞河流域汛期降水强度的减小,也在一定程度上减少产沙量,从而使灞河流域年输沙量有所减小。

b.非自然因素。自20世纪80年代以来,人类活动对灞河流域年输沙量减小的影响越来越大,主要表现在:淤在灞河流域建了很多水库(如红旗水库),流域内侵蚀的泥沙大量淤积在水库内,使得下游年输沙量减小[19];于灞河流域于1997年开始实施拦河造湖工程,在灞河上规划建造10座橡胶坝,形成水面面积12万m2,另外在灞河生态区上游布置大片生态水系涵养绿地,沿河道两岸布置带状公园和防护绿地,在一定程度上遏制了水土流失,使灞河流域年输沙量亦随之减小[19];盂随着西安市经济的快速发展,以及大规模的基础设施建设,在灞河流域存在大量的引水采砂作业,这也是灞河流域年输沙量减小的一个重要原因;榆随着大西安城市建设,灞河流域内修建了大量住宅和道路,土壤裸露面积减小,这使土壤流失有所减小,从而使灞河流域年输沙量有所减小。

4 结 论

a.自1960年以来,灞河流域年输沙量一直呈减小趋势,减小速率为6郾150万t/a;年输沙量存在3~7 a、13~18 a和40~45 a 3类尺度的周期,其中第一主周期为15 a左右;灞河流域年降水量也一直呈减小趋势,减小速率为1郾761 mm/a。

b.采用累积距平方法确定了灞河流域年输沙量在1988年和2002年前后发生突变。3个时期累积输沙量和累积降水量与年份之间的关系较好,相关系数均大于 0郾969,且通过了 0郾01的显著性检验。

c.采用累积量斜率变化率比较方法分析了降水量和人类活动在灞河流域输沙量减小中的相对贡献率,B时期与A时期相比时,降水量和人类活动在灞河流域输沙量减小中的相对贡献率分别为12郾22%和87郾78%;C时期与A时期相比时,降水量和人类活动在灞河流域输沙量减小中的相对贡献率分别为6郾56%和93郾44%;C时期与B时期相比时,降水量和人类活动在灞河流域输沙量增加中的相对贡献率分别为0郾53%和99郾47%。由此可见,人类活动是影响灞河流域输沙量变化的主要因素。

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