黄土高原周河流域水沙变化特征及其影响因素分析

晏安平，刘 刚，曹林顺

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010）

0 引言

近年来，黄河上中游区径流和输沙发生显著变化，下降趋势明显[1~2]。准确判断水沙变化特征和趋势、定量分析气候变化和人类活动对黄河流域水沙变化的影响程度已经成为当前研究的热点之一[3~6]。赵广举等[4]、党素珍等[5]、龚珺夫等[6]分别对皇甫川、泾河上游和延河流域的研究结果表明，人类活动和气候变化对径流和泥沙减少的贡献率有所不同，但人类活动影响居于主导地位。北洛河是黄河中游重要的多砂粗砂区和暴雨洪水的主要源头，也是全国最早实施退耕还林试点的地区之一，其水沙变化引起了许多学者的关注。陈玫君[7]等分析了降水变化和人类活动对北洛河上游1971年~2014的年径流变化的影响程度，指出以水土保持合理和退耕还林措施为主的人类活动是径流变化的主导因素。蒋观滔[8]定量分析了北洛河上游降水量、径流量和输沙量的变化趋势，认为1971年~2010年降水量并未发生显著的趋势性变化的前提下，径流量和输沙量呈显著减少趋势，植被的减沙作用明显大于减水作用。以上研究表明，气候变化和人类活动对水沙变化的影响因地而异。因此，在特定流域开展针对性研究，对有效分析、合理利用区域水资源具有重要意义[7]。本文以北洛河上游的周河流域为研究对象，分析志丹水文站1964年~2010年来的水沙变化特征和驱动因素。

1 研究区概况

周河是北洛河一级支流，发源于靖边县周家嘴，在志丹县西南侧注入北洛河。周河全长85 km，集水面积1334 km2，平均比降3.71‰，流域属黄土梁峁沟壑区，水土流失强烈。周河流域所处的北洛河上游，集水面积仅占北洛河流域的15.5%，但多年平均径流量和输沙量却占到全流域的14.1%和59.1%，是北洛河的主要产水、产沙区[9]。本研究的周河流域指志丹水文站以上流域。研究区域为半干旱大陆性季风气候，气候干旱，雨量偏小，且年内分布极不均匀，7月~9月的降水占到全年的60%以上，极易引发洪水灾害。地形主要为黄土丘陵，质地疏松，地形崎岖，水土流失严重，是黄河中游产、输沙模数较高的地区。自1999年退耕还林工程实施以来，周河流域所在的志丹县植被明显恢复，林草覆盖面积增长迅速，次生植被（以落叶阔叶林和灌木草丛为主）逐渐形成和恢复[10]，水土流失得到有效遏制，生态环境不断改善。

2 资料与方法

2.1 资料来源

水文序列数据均来自黄河水文年鉴（黄河水利委员会编纂）。降水等气象数据来源于中国气象局数据共享网和黄土高原科学数据中心，采用KRIGING方法进行差值，并在使用过程中进行核对和检查。水文站概况见表1。

表1 水文站概况

2.2 研究方法

2.2.1 水沙变化趋势和突变分析

为了避免单一方法的不准确性，水沙变化趋势采用多年滑动平均法[11]，并采用Mann-Kendall（M-K）[12]趋势检验法和线性趋势估计法[13]进行比对验证。同时采用Mann-Kendall（M-K）检验、滑动T检验[14]和Pettitt非参数检验法[12]综合分析确定径流和输沙变化的突变时间。

2.2.2 人类活动和气候因素影响评价

赵广举[4]利用水文分析法对黄土高原不同流域水沙变化贡献进行分析，认为结果可靠。因此本研究选择水文分析法对周河流域水沙变化的影响因素进行分离和分析。

水文分析法认为，自然状态下的特定流域，如果下垫面的条件保持稳定，一定降水条件下的径流量和输沙量应该是一定的。或者可以说，如果下垫面的条件发生变化，那么相同降水条件下的径流和输沙可能会产生变化。根据以上原理，以径流为例，利用基准期的实测资料，建立降雨与径流之间回归方程

式中：Q1为基准期的径流量，P1为基准期的降水量；a、b为回归系数。

利用方程（1），通过变化期的降水量P2和径流量Q2，即可计算出气候变化和人类活动对径流的影响

式中：ΔQh和ΔQp分别为人类活动和降水对径流的贡献，mm；为变化期的模拟径流量，mm。

3 结果与分析

3.1 水沙变化特征

3.1.1 水沙变化主要趋势

近50年来，周河流域的年径流深均表现出减少趋势。图1反映了周河流域1964年~2010年间流域径流深年际变化规律。周河流域年径流拟合线斜率为-0.59，年际变化曲线呈现出波动起伏和不均匀性，呈现多峰形式，其峰值出现在1977年、1985年和1994年。强降雨过程是峰值的出现的主要原因。结合M-K趋势检验及一元线性回归检验可知（见表1），周河流域年径流M-K检验Z值为-3.64，且|Z|>1.96，说明流域径流在研究时段内在给定的显著性水平上（0.01或0.05）都表现出显著的减少趋势。一元线性回归检验的结果与M-K趋势检验的结果一致，再次验证径流明显减少的趋势。

图1 流域径流年际变化趋势

图2 输沙量年际变化趋势

周流域年输沙量的年际变化趋势与年径流深的年际变化趋势较为一致，也呈现出减少趋势，拟合线斜率-0.003（见图2）。流域研究时段内输沙量年际变化呈多峰曲线，其峰值出现在1966年、1973年、1977年、1985年和1994年，这主要与区域特大暴雨的发生有关。暴雨一方面剥蚀地表，增大土壤侵蚀，另一方面导致径流增大，径流携沙能力增强，从而出现输沙的急剧变化。结合M-K趋势检验及一元线性回归检验可知（见表2），周河流域输沙量M-K检验Z值为-4.58，且|Z|>1.96，说明流域输沙量在研究时段内在给定的显著性水平上（0.01或0.05）表现出显著的减少趋势，并与一元线性回归检验的结果一致。

表2 流域径流深和输沙量年际变化趋势性检验结果

3.1.2 水沙变化的突变特征

为了确定水沙变化的突变时间，应用M-K法、滑动T检验和Pettitt非参数检验法综合进行判别。由于3种方法的检测结果不一定一致，故以2种方法以上的检测结果相同来确定突变点。退耕还林（草）工程实施可以引起径流和输沙的急剧变化。如表3所列，流域水沙变化的突变发生在退耕还林工程实施之后，其中径流突变可以确定发生在2003年，发生在退耕还林工程实施后4年。而输沙量的突变时间难以确定，三种检测方法结果分别为2001年（M-K法）、2003年（滑动T检验）和1996年（Pettitt法）。参考地理位置临近、自然气候条件相似、人类活动方式基本相同的北洛河河源区（吴起水文站以上）径流和输沙突变时间一致的研究成果[8]，综合判断周河流域输沙量突变时间为2003年。径流和输沙的突变时间一致，说明径流和输沙变异存在显著正相关关系。

表3 流域径流量及输沙量序列突变检测结果

3.2 以退耕还林为主的人类活动对水沙变化的影响

3.2.1 退耕还林对水沙变化的影响分析

1999年国家启动实施了退耕还林工程。因此，以1999年为节点，将径流和输沙序列划分为退耕前期和退耕后期（见表4）。可以看出，周河流域的降水量、径流深、输沙量均呈现降低的变化，退耕后期降水量、径流深、输沙量分别为421.42 mm、21.34 mm、179.37万t，较退耕前期分别减少28.79 mm、21.12 mm和892.4万t。在年降雨量降低6.4%的情况下，径流深和输沙量分别减少了49.98%和83.26%。可以判断，退耕还林引起的生态植被变化是影响流域水沙变化的主导因素。需要注意的是，虽然变化的趋势一致，但输沙量变化幅度超过径流变化幅度。这可能是因为淤地坝等各项水保措施对径流输沙进行了有效拦截以及植被对拦水率和拦沙率的不同而造成的[8]。此外，径流减少也是导致输沙量降低的重要影响原因。

表4 退耕还林前后降水和水沙变化统计

3.2.2 气候变化与人类活动对水沙变化影响的定量分析

退耕还林工程实施之后的效果存在一定的延迟，因此周河流域径流和输沙年际变化趋势的突变时间发生在2003年。以突变时间点作为时间节点，可以将径流和输沙序列划分为突变前期和突变后期（见表5）。在突变后期，流域的降雨量、径流深、输沙量较突变前期均呈现减少的变化，年均降雨量、径流深和输沙量较突变前期分别降低了30.64 mm、24.62 mm和927.47万t。利用水文分析法估算降雨变化和人类活动对径流深和输沙量的影响，见表5。降雨因素导致径流深减少3.16 mm，贡献了变化总量的12.84%，人类活动贡献了87.16%；降雨因素对流域输沙量减少量为96.60万t，贡献仅为10.42%，人类活动贡献为89.58%，人类活动对周河径流和输沙量减少发挥着主导作用。

表5 人类活动和气候变化对周河流域径流和输沙的影响

4 讨论

多数研究认为，森林面积的减少会导致径流的增加和土壤侵蚀量的降低[15~16]。自退耕还林工程实施以来，北洛河上游的植被覆盖度迅速增加，土地利用发生显著变化[17]。由于缺少流域土地利用变化数据，本研究以周河流域内志丹县退耕还林以来的土地利用数据进行统计分析（见表6）[18~20]。可以看出，志丹县耕地面积在退耕还林之后呈急剧减少趋势，减少56.48%（1997年~2014年）。减少的耕地主要转化成林地，故林地面积增加15.29×105hm2，面积百分比提高了111.6%。林地面积的增加，不仅改变降水分配，提高地表粗糙度，而且可以影响流域蒸散发，从而进一步影响流域产汇流过程和径流输沙能力，最终导致周河流域的径流和输沙同时出现下降的变化。人类活动对周河流域突变之后的径流和输沙变化影响基本相同，其中对径流变化的贡献为87.16%，对输沙变化的贡献为89.58%，这与刘二佳等[17]对北洛河上游1963年~2009年径流和输沙变化影响因素的研究结论基本一致，但与蒋观滔等[8]研究成果存在差异（人类活动对径流变化的贡献率为29.2%）。这可能是由于数据系列的长短、尺度不同造成的，也与数据处理和分析方法不同等原因有很大关系。

周河流域属暖温带半干旱气候区，降雨稀少且主要集中在夏季。本研究对流域年尺度的径流和输沙变化规律及影响因素进行分析，但在实际的生产生活中，分析流域在月尺度以及汛期、非汛期的水沙变化规律以及对年水沙变化的影响和贡献值更有指导意义，还需要进一步研究。任何方法都有自身的局限性和适用性，选取多种方法互相验证，并分析各种方法优缺点和适用条件，从而选定适合不同流域类型、气候条件和人类活动方式的研究方法是以后研究的重点。此外，退耕还林（草）对流域水沙变化的产生着重要影响，但是在现实中，城镇化发展、农业现代化推进对水沙变化也发挥着重要作用，随着经济社会快速发展，用水需求迅速增加导致的径流减少也是不可忽视的影响因素，需要综合考虑分析。

表6 志丹县土地利用变化分类面积统计

5 结论和建议

本文分析了北洛河上游退耕还林区周河流域的水沙变化趋势，并分别以退耕还林工程实施时间（1999年）和水沙突变时间为节点，比较了节点前后的径流和输沙系列变化主要特征，定量判别了人类活动对水沙变化的影响作用，主要得出以下结论。

（1）含沙量一定的条件下，径流与输沙之间存在显著正相关关系。周河流域的年径流和输沙变化也符合以上规律，表现出明显的下降趋势，且输沙与径流突变时间一致，发生在2003年。受流域形状、地形地貌、产流面积以及降水的不均匀性等多种因素影响，流域水沙年际变化曲线呈现波动起伏和不均匀性。

（2）退耕还林之后，流域的径流深降低了49.74%，输沙量的减少程度更大也更为明显，降低83.26%。对突变之后的流域径流和输沙变化影响分析表明，人类活动和气候变化对水沙作用效果基本一致。退耕还林为主的人类活动是周河流域径流和输沙变化的主导因素，对径流变化和输沙变化的贡献分别为87.16%和89.58%。