泾河长系列水沙变化规律与归因研究

吴小宏， 刘 招， 李 强， 孙刚峰， 李雯晴

(1.泾惠渠灌溉管理局， 陕西 三原 713800； 2.长安大学 水与发展研究院， 陕西 西安 710054； 3.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； 4.长安大学 环境科学与工程学院， 陕西 西安 710054)

1 研究背景

泾河作为黄河的二级支流，流经黄土高原高强度水土侵蚀区[1]，以其径流的高泥沙含量而闻名，20世纪中期向渭河汇入的多年平均泥沙量约为3×108t。随着70年代后黄河流域水土保持工作的大力开展，泾河流域内的水土流失情况在一定程度上有所缓解，水沙关系也发生了较大变化[2]。天然径流量的明显减少必然影响到沿岸水资源的取用，水沙关系的改变也直接影响到水资源的利用效率[3]，给泾河流域乃至下游的渭河水资源开发利用带来严重挑战。

黄土高原水土流失及河道水沙问题不仅是水文学科的重要问题，还关系到生态、环境和工程等多个学科领域，在世界范围内备受关注。长期以来，诸多专家学者对泾河径流水沙进行了大量的研究，并取得了众多有价值的成果[4-7]。这其中不乏对泾河水沙变化特征[8-9]、水沙时间序列变异[10]、水沙丰枯遭遇[11]等方面问题的探究，采用的方法亦十分多样，有R/S时间序列分析、Copula函数、滑动t检验、有序聚类和双累积曲线法等等。刘招等[12]利用滑动平均、Tenant等方法分析泾河来水形势，结果表明：泾河流域的张家山站实测年径流量呈现出明显递减趋势，多年平均实测径流量从20世纪60年代的17.15×108m3下降到近10年来的9.95×108m3，实测径流距平最小达到-29.6%[12]。然而，泾河以及众多流经黄土高原的河流的水沙减少是一个复杂的问题，其持续变化背后的相关成因机制仍不清楚，有关泾河径流的减少与水沙关系的改变机理、影响因素、水沙时间序列变异及未来趋势等问题仍亟待深入开展。

本文基于泾河控制站长系列水文泥沙数据，采用联合趋势分析、突变检验及流域水文模拟等方法，探讨基于不同土地利用和气候情景下的河道水沙响应。通过建立SWAT水文模型，设定不同情境，定量评估气候和土地利用变化以及人类直接取水拦沙活动对于流域径流泥沙变化的贡献，以求为流域的水土流失治理和水资源规划提供科学依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 泾河流域概况

泾河发源于宁夏六盘山东麓，是黄河一级支流渭河的最大支流。泾河全长455.1 km，流域面积为4.54×104km2，其中水土流失面积达到3.32×104km2，占流域总面积的73.14%。流域内有多种地貌类型，地形变化明显，由西北到东南地势逐渐降低。流域北部为黄土丘陵沟壑，中部和南部为黄土塬，西部为六盘山土石山区，东部为子午岭黄土丘陵区，其中黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区分别占流域总面积的41.3%和39.7%，这两种类型区的水土流失最为严重[8]。

2.2 数据来源和数据库建立

本文数据来源为泾河下游张家山站实测1970-2017年径流泥沙资料。研究分别采用滑动T检验法、Pettit法、距平累积曲线法和Copula等方法，对泾河径流泥沙的年内、年际的变化规律及其突变性、周期性及水沙丰枯遭遇进行分析。

为进一步研究泾河流域水沙变化的驱动因素，研究应用SWAT建立分布式水文模型，对流域水沙情况进行分情境模拟。SWAT即水土评估工具(Soil and Water Assessment Tool)，是美国农业部农业研究局开发的分布式水文模型，其主要优势就是能够模拟和预测径流和泥沙负荷等，目前已得到广泛的应用及认可[13-17]。本文建立SWAT模型所用数据库的资料为90 m分辨率数字地形图、1990-2015年3期土地利用图(1990、2000、2015年土地利用图比例尺为1:100万)、HWSD土壤数据集、1970-2016年主要站点的逐日气象数据、1970-2017年张家山站径流泥沙数据等(http://www.gscloud.cn/)。

研究从地理空间数据云获取泾河流域1990、2000、2015年土地利用数据图以及土壤数据图，其中土地利用根据全国土地利用现状一级分类标准(第二次全国土地调查)进行重新分类。气象数据库则是基于泾河流域内4个气象站(西峰、崆峒、长武、环县)的逐日资料进行建立，其中SWAT模型中的天气生成器所需参数通过pcpSTAT及dew2软件计算得到。

2.3 泾河水沙长系列变化规律

研究表明，年径流量与年输沙量的多年均值分别为11.85×108m3和1.76×108t，径流泥沙在20世纪90年代中期同时出现明显的下降趋势，图1为泾河1970-2017年间水沙情势。

泾河输沙量的年内不均匀系数维持在0.4～0.9之间，长系列上不均匀系数表现为不显著上升趋势，表明多年输沙量的年内分配集中且趋势维持。径流量的不均匀系数在0.1～0.5之间，且长系列上呈现下降趋势，说明相对于泥沙输移的极端集中，径流的年内分配相对平均。

图1 1970-2017年泾河流域径流量和输沙量数据序列

泾河流域年径流量和输沙量突变检测结果见图2。图2的检验结果表明，在20世纪90年代中期(1996年)水沙同时出现突变，突变前后径流量和输沙量多年均值分别为13.38×108m3、2.34×108t和10.21×108m3、1.17×108t。

为探讨泾河长系列来水来沙之间的丰枯遭遇情况，研究选用Copula函数来描述两变量间的联合分布。Copula函数是用来表述多维变量联合概率分布的有效工具，在水资源领域有大量应用。根据水文序列变异分析，以1996年为界，分别得到1970-1995年及1996-2017年水沙联合分布函数如公式(1)、(2)：

F(X,Y)(x,y)=C(u,v)

=exp{-[(-lnu)1.6582+(-lnv)1.6582]1/1.6582}

(1)

F(X,Y)(x,y)=C(u,v)

=(u-0.686+v-0.686-1)-1/0.686

(2)

式中：F(X，Y)(x，y)为水沙联合分布函数；u为泾河年径流量(108m3)边缘分布；v为泾河年输沙量(108t)边缘分布。

图3为泾河水文序列突变前后水沙联合分布概率等值线。由图3可以看出，1970-1995年的概率分布较为均匀，而1996-2017年的概率分布出现集中现象，突变后，水沙丰枯同步概率下降，异步概率上升至51.58%。同时，突变后70%的以下的等值线越加密集，说明由于气象变化和人类活动的影响，水文设计频率所对应的径流泥沙量出现了变化，而这必然会对按过去工程设计标准建立的水利工程造成一定的影响。

图2 泾河流域年径流量和输沙量突变检测结果

图3 泾河水文序列突变前后水沙联合分布概率等值线

2.4 模型模拟与参数率定、结果验证

地区差异造成SWAT模型并不能合理模拟每一个流域，所以还需对模型进行率定和评判。本文选取张家山站1970-1979年为模型预热、参数率定期，然后以1980-1989年数据用于模型验证。敏感性分析选用SWAT-CUP中的LH-OAT敏感性分析方法，模拟结果精度采用决定系数R2、Nash-Suttclife效率系数NS、相对偏差百分比PBIAS来评判，评判标准见表1。

表1 SWAT模拟结果评价标准

率定期(1973-1979年)和验证期(1980-1989年)径流量及输沙量的模拟值与实测值见图4。根据SWAT-CUP软件评判结果，率定期的径流量模拟结果的决定系数、Nash-Suttclife效率系数和相对偏差百分比分别为0.81、0.79及0.5%，而输沙量为0.71、0.68及-14%；验证期则分别为0.78、0.72、15%和0.74、0.64、10%，可以看出评价结果皆在可信范围内。结合图4可以看出，虽然由于DEM的分辨率、土地利用图的分类、数据库叠加带来的误差等因素[18-20]使得模型对于径流量和输沙量极端年份的模拟有些出入，但总体上可以较好模拟出泾河流域多年径流泥沙变化。

图4 率定期(1973-1979年)和验证期(1980-1989年)径流量及输沙量的模拟值与实测值

3 情境模拟结果分析

3.1 流域径流泥沙对土地利用变化的响应

为研究不同土地利用条件下河川径流及泥沙情况，对建立的模型分别输入3个时期的土地利用条件进行模拟。表2为不同土地利用条件下泾河流域的水沙模拟结果，由表2可见，2000年土地利用条件下的径流量、输沙量最大，而2015年土地利用条件下的径流量、输沙量最小。其中在1990-2000年之间，虽然耕地减少43 km2，但同时草地增长了131 km2，且林地减少了161 km2，使得整体上泾河流域的保水抗蚀的能力减弱，因此导致2000年土地利用条件下径流量增加了0.009×108m3，输沙量增加了0.006×108t；在2000-2015年间，由于耕地继续减少了364 km2，而林地大幅增加了409 km2，草地减少136 km2，使得泾河流域的保水抗蚀能力相比1990-2000年间大幅度提升，2015年土地利用条件下径流量减少了0.141×108m3，输沙量减少了0.102×108t，二者减少量为同一数量级。

表2 不同土地利用条件下泾河流域水沙模拟

3.2 流域径流泥沙对气候变化的响应

同样，设定不同的气候情境，模拟气候条件变化时径流及泥沙变化的情况。表3为不同气象条件的模拟结果，由表3可知，在相同土地利用条件下，1980-2016年间，泾河流域平均年降水量下降了7.64 mm，气温上升了0.41°，蒸散发上升46.37 mm，这使得在1996-2016年间径流量比1980-1995年的径流量减少了0.74×108m3，输沙量比1980-1995年的输沙量减少了0.056×108t。结合土地利用变化下的径流泥沙变化幅度可以看出，在土地利用变化条件下，输沙量相比径流量变幅更大，而在气象变化条件下，径流量变幅比输沙量大一个数量级，说明径流对于气象变化的响应较为敏感，而泥沙相对并不敏感。在1980-1995年和1996-2016年2个时期，降水、气温、径流量和输沙量的年际波动变化不大。

表3 不同气候条件下泾河流域水沙模拟

4 归因分析与讨论

4.1 气候与土地利用变化

分析气候和土地利用变化因素对径流泥沙减少的贡献，如表4所示，以1996年为分界点，实测径流与泥沙在1980-2016年间，分别减少了3.49×108m3和0.92×108t。仅考虑土地利用变化的条件下，径流泥沙分别减少0.141×108m3和0.102×108t，其贡献率约为4.04%和11.08%；仅考虑气候变化的条件下，径流和泥沙的减少量为0.74×108m3和0.056×108t，贡献率约为21.20%和6.08%。

这表明气象条件和土地利用变化对径流泥沙减少有一定影响，但并不是主要因素，其减少的主要驱动因素很可能是其它人类活动的直接影响，例如人类直接引水灌溉、工厂傍河用水以及人工淤地坝拦沙等。

表4 流域径流泥沙变化贡献分析

4.2 人类活动用水变化

根据《黄河流域水文特征值统计(泾洛渭区)》等相关资料，统计得2005-2017年上游甘肃省泾河流域出入境水量和张家山实测径流对比见图5。由图5可见，较为稳定的多年入境水量以及出境水量和张家山的实测径流量较为一致。统计不同时期张家山以上泾河流域人类用水总耗水量，泾河流域内人类活动所消耗的水量从20世纪50年代的0.73×108m3增加到目前的3.87×108m3，并且从20世纪90年代以后增长速度加快。由于泾河径流量的减少，耗水量占据实测径流的比例从20世纪70年代7.28%上升到2017年的40.69%。相比90年代，张家山以上流域的总耗水量多年均值又增长了2.12×108m3，占据径流减少量的60.74%，如表5所示。耗水量的持续增长对于泾河出口径流量的减少有着重要影响。

图5 2005-2017年甘肃省境内泾河流域出入境水量及张家山实测径流量

表5 张家山以上流域不同年代总耗水量

4.3 淤地坝工程

在治理黄河泥沙的措施中，除退耕还林还草外，淤地坝也占据重要地位。本节根据李景宗等[21]统计数据，除去已淤满的淤地坝，对还具有拦沙作用的淤地坝进行统计，见表6。

表6 泾河流域内淤地坝多年拦沙情况

截至2011年，泾河流域还发挥作用的骨干淤地坝为432座，中小型为811座，骨干坝中已淤库容占据总库容的25.4%，表明未来泾河流域的大多数淤地坝还将继续发挥拦沙作用。而淤地坝年均拦沙量为0.117×108t，占据减少量的12.71%，考虑到已淤满的淤地坝并未计算在内，实际的拦沙量会更多。并且由于淤地坝对于控制面积内的沟床下切、沟坡滑塌的现象有一定抑制作用，淤地坝对于泾河泥沙的减少同样有着重要的影响。

5 结 论

泾河作为流经黄土高原黄河的二级支流，其来水来沙变化关系到沿岸居民及工农业用水安全，历来备受关注。论文基于泾河长系列水沙资料，对过去几十年来泾河水沙过程、人类活动、气候变化等因素进行探究分析，通过分布式水文模拟，分不同情境对流域水沙过程进行了模拟分析和研究，主要结论如下：

(1)泾河流域来水来沙在20世纪90年代中期同时出现突变，突变前后径流量和输沙量多年均值分别为13.38×108m3、2.34×108t和10.21×108m3、1.17×108t；径流泥沙序列突变后，水沙丰枯同步概率下降，异步概率上升至51.58%。

(2)仅考虑土地利用变化的条件下，径流泥沙分别减少0.141×108m3和0.102×108t，其贡献率约为4.04%和11.08%；仅考虑气候变化的条件下，径流和泥沙的减少量为0.74×108m3和0.056×108t，贡献率约为21.20%和6.08%。表明气象条件和土地利用变化对径流泥沙减少有一定影响，但并不是主要因素。

(3)泾河河道水的取用量从20世纪90年代以后快速增长。水资源利用率从20世纪70年代7.28%上升到2017年的40.69%，总耗水量又增长了2.12×108m3，研究认为地表水资源取用占到径流减少量的60%以上。