泾河水沙关系变化研究

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.北京市昌平区水务局，北京 102200)

黄土高原是我国水土流失最严重的地区。近年来，黄河流域水沙关系变化成为流域水文领域的研究热点[1-2]。一些研究结果表明:近70年来黄河流域干流径流量和输沙量呈显著减少趋势，其主要原因是水土保持、水库运用、生活生产用水等人类活动影响[3]。降水是流域径流的主要来源，在地形地貌和植被自然演替下，降水-径流-输沙会形成相对稳定的水文响应关系，但人类活动导致更为复杂的产汇流机制和产沙机制。解析流域气候驱动因子时空变化是认识流域水沙关系变化的基础，同时研究水土保持措施及其他人类活动也有助于了解流域下垫面变化对流域水沙关系的影响[4-5]。

1 研究区域概况

泾河是渭河的最大支流，而渭河是黄河的最大支流。泾河发源于宁夏回族自治区六盘山东麓，于高陵区崇皇街道办船张村注入渭河。地形西北高，东南低，地貌主要为黄土丘陵沟壑区和黄土高原沟壑区。流域属于大陆性季风气候，多年平均降水量约500mm，年内分布不均，夏季降水量约占总降水量的55%。干流全长455.1km，张家山水文站以上集水面积43216km2(见图1)。流域水土流失严重，多年平均径流量约为1.5×109m3，产沙量为1.9×108t，是渭河泥沙的主要来源。

图1 泾河流域示意图

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文收集了泾河流域环县站、崆峒站、西峰站、长武站4个典型观测站1960—2017年降水和温度系列数据(来源于中国气象数据网http://data.cma.cn)，以及2000—2017年张家口水文站径流和输沙数据(来源于2000—2017年黄河泥沙公报)，其他时段径流和输沙数据主要来自出版的文献资料。

2.2 研究方法

主要采用线性分析和趋势性检验的方法。其中，趋势性检验采用Mann-Kendall检验方法，当统计变量Z>0时，数据序列表现为上升趋势；Z<0时，为下降趋势。在给定置信水平时，如果|Z|≥Z1-α/2，则拒绝原假设，即在此置信水平时，该序列表现为显著性上升趋势或显著性下降趋势。当Z的绝对值在大于或等于1.96和2.58时，分别表示通过了置信度95%和99%的显著性检验。

3 结果分析

3.1 降水和温度变化

流域内环县站、崆峒站、西峰站、长武站1960—2017年降水量线性变化结果见图2。从图中可以看出:4个观测站年降水线性变化量分别为-7.0mm/10a、-6.7mm/10a、-7.3mm/10a、+0.8mm/10a，位于流域中下游的长武站变化值相对较小。年降水量Mann-Kendall检验表明(见下表)，环县站、崆峒站、西峰站3个观测站年降水量均呈非显著性下降趋势，长武站呈非显著性上升趋势。其季节性检验表明，4个测站春季和秋季降水量均呈非显著性下降趋势；环县站、西峰站、长武站夏季降水量呈非显著性上升趋势；冬季降水量均呈上升趋势，其中崆峒站和西峰站呈显著性上升趋势(P<0.1)。

表1 1960—2017年泾河流域降雨和温度Mann-Kendall检验结果

注*表示通过了置信度为95%的显著性检验；**表示通过了置信度为99%的显著性检验。

图2 1960—2017年泾河流域主要观测站年降水的变化

图3和图4分别为4个测站年温度的线性变化和年温度累计距平。从图3可以看出，4个观测站年温度均呈线性上升趋势，线性变化量分别为+0.40℃/10a、+0.34℃/10a、+0.45℃/10a、+0.19℃/10a，长武站变化量相对较小。从图4可以看出，4个观测站转折点发生的年份基本一致，崆峒站、西峰站、长武站变化点均在1995年左右，环县站相对提前。年温度Mann-Kendall检验表明(见上页表)，4个观测站年温度均呈显著性上升趋势(P<0.1)。其季节性检验表明，长武站夏季温度呈非显著性下降趋势；各站其他季节温度均呈显著性上升趋势(P<0.5)，且除长武秋季温度外，均通过了置信度为99%的显著性检验。

图3 1960—2017年泾河流域主要观测站年温度的变化

3.2 径流和输沙量变化

图5为泾河1960—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2017年年均径流系数、径流量、输沙量的变化。从图中可以看出，流域径流系数较小，呈持续减小趋势，且下降趋势较为明显，尤其是2000—2009年和2010—2017年径流系数相对其他时间段明显偏小。

图4 1960—2017年泾河流域主要观测站年温度累计距平变化

从年径流量变化来看，流域径流量呈持续减少趋势，1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年3个时段径流量变化不大，而2000—2009年和2010—2017年径流量相比其他时段明显偏小，皆不足1960—1969年的一半。从年输沙量变化来看，流域输沙量整体也呈下降趋势，但2000年以前的各时段变化不大，而2000年以后的2个时段大幅减少。虽然泾河年径流量与年输沙量都呈下降趋势，但二者在6个时段上的相关关系并不明显。

4 研究成果讨论

从流域水循环和水量平衡的角度出发，降水和蒸发会对径流产生直接影响，在不同时空尺度的影响作用是有差异的。从趋势性结果可以看出，泾河流域1960—2017年降水量虽然总体呈下降趋势，但变化不大，且年内分布没有发生较大变化，如果不考虑其他因素影响，径流量将呈现微下降趋势。温度是影响蒸发量的主要因素，流域年温度总体呈显著性上升趋势，且降水较为集中的夏季温度也同样上升明显，蒸发强度将进一步加大，径流量将随着温度的上升、蒸发的增加而减少。

泾河一直是黄土高原区域水土流失治理的重点之一，自20世纪60年代以来开展了大规模的包括淤地坝、造林、梯田等在内的水土保持工作，尤其是1995年以来水土保持面积大幅增加。水土保持措施能有效拦水拦沙，涵养水源，增加植被覆盖度，改善生态环境和农业生产基础条件。一些研究表明[6-11]，20世纪80年代后，泾河流域降水、径流、泥沙都在减少，人类活动导致的土地利用变化是主要原因，降水的影响程度较小。根据本文研究成果，泾河径流量和输沙量在2000—2009年和2010—2017年2个时段都大幅减少，但径流量的减少幅度要远大于降水的变化量，2000—2009年和2010—2017年相对1960—1999年均值变化量为：年均降水量绝对值均在10%以内，径流量分别减少了43.2%和38.6%，输沙量分别减少了53.1%和74.2%。泾河降水量的变化并不能完全解释径流和泥沙变化，结合已有研究成果，可以看出主要原因是受水土保持等人类活动的影响。

5 结 语

从泾河流域降水-径流-输沙相关关系分析可以看出，人类活动驱使流域径流-输沙关系发生了较大变化，虽然降水量整体呈微下降趋势，但是减少量并不大，对于维持区域水资源持续供给具有重要作用，但温度的持续上升，则带来不利影响，需要防范枯水年干旱对区域生活生产的影响。此外，为了更好地刻画气候变化和人类活动对径流及输沙变化的贡献，需要进一步采用基于产汇流机理和输沙机制的分布式水文模型，揭示其对流域降水、蒸散发、入渗、产汇流及产沙、输沙等的影响机制。