近60年汾河中上游水沙变化趋势及其驱动因素

张 凯, 鲁克新,, 李 鹏,, 李占斌,, 时 鹏,, 杨殊桐

(1.西安理工大学 旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室, 西安 710048;2.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048)

近90 a来，黄河干流多年平均径流量由559亿m3(花园口站)减少至492亿m3，多年平均输沙量由16亿t(潼关站)减少至2.74亿t。历经半个世纪的淤地坝、梯田和退耕还林还草等多种水土保持措施的实施有效地减少了黄土高原区域坡面和沟道的径流和输沙[1-4]。气候变化与人类活动的双重作用使得径流规律和泥沙输移发生了明显变化[5-6]。气候变化主要包括太阳辐射、降雨作用、地表风速等，人类活动主要包括水库建设、经济发展、水土保持等因素。

汾河是黄河左岸第一大支流，占黄河中游流域面积的11.6%。近年来，由于剧烈的人类活动和气候变化，汾河流域的降水、径流和输沙发生了明显变化[7]。自20世纪70年代以来，汾河入黄径流量持续减少，部分时间出现断流现象[8]。王国庆等[9]使用SIMHYD降水径流模型对汾河流域的天然月径流过程进行了模拟，发现人类活动是汾河流域径流减少的主要因素；胡彩虹等[10]分析了近年来水土保持措施和气候变化对汾河水库入库径流贡献的定量变化，发现水土保持措施的实施致使径流深减少24.8 mm，贡献率为87.1%；颜时延等[11]探究了汾河水库对于汾河流域径流变化的影响，得出人类活动对径流减少的贡献率为84.48%；张国栋等[12]研究了汾河上游土地利用变化对径流的影响，发现汾河上游林草地面积呈增加趋势，而径流量呈现下降趋势。以上学者主要研究汾河上游和整体流域的降雨径流关系，对于汾河中上游的水沙变化趋势及其驱动因素的研究鲜有报导。因此，为了科学管理汾河中上游水资源和合理保护水环境健康，明确汾河中上游径流泥沙变化趋势及其驱动因素的贡献率是很有必要的。

1 数据与研究方法

1.1 研究区概况

汾河发源于山西省西北部宁武县境内管涔山脉，干流由北向南依次流经忻州、太原、晋中、吕梁、临汾、运城6个地级市后，并于万荣县汇入黄河，全长713 km，流域面积3.97万km2[7]。本研究的研究区域为汾河中上游流域，地理位置为东经111°21′51″—113°32′27″，北纬36°48′15″—38°58′55″(图1)。流域控制水文站为义棠站，控制断面以上河道全长340.6 km，流域面积2.37万km2，占汾河流域总面积的60%。研究区属于干旱半干旱温带大陆性气候，多年平均气温为10.0℃，多年平均降水量为485 mm，6—10月汛期降雨量约占全年降水量的79%，多年平均径流深为20 mm，多年平均输沙模数为201.3 t/(km2·a)。

1.2 数据来源

本研究收集和整理汾河中上游流域包括义棠站在内的13个水文站1963—2016年历年年降水量系列资料，其中包括干流7个站点(静乐站、汾河水库站、寨上站、兰村站、太原站、汾河二坝站和义棠站)，各支流共6个站点，各测站分布如图1所示。另外，收集到汾河上游控制水文站——兰村站和义棠站1963—2016年历年年径流量系列和年输沙量系列资料。以上数据来自于《黄河流域水文年鉴》和国家气象信息中心(http:∥data.cma.cn)。汾河中上游流域历年年降水量根据各测站实测年降水量资料使用ArcGIS 10.1平台中的泰森多边形法计算求得。

图1 研究区域地理位置

1.3 研究方法

对于长系列的年径流量和年输沙量资料，需要根据时间特性分析其变化趋势，从而研究相关因素与其变化趋势的关系。趋势分析的常用方法包括滑动平均法[13]、Mann-Kendall非参数趋势检验法[14]等，突变点分析常用方法包括有序聚类法、双累计曲线法、均值差异T检验法[15]、Mann-Kendall非参数突变检验法[14]和Pettitt检验法[16]等。上述方法在检验单一水文要素变化过程方面均具有良好的应用性。其中，Mann-Kendall非参数趋势检验法和突变检验法(以下均简称M-K检验法)是世界气象组织推荐使用的一种检验方法，具有计算简单、不受少量异常值的影响、结果直观明显等优点。因此，本文采用M-K检验法对汾河中上游流域年径流量和年输沙量序列进行趋势和突变分析，具体公式及计算思路见参考文献[14]。

2 结果与分析

2.1 年径流量和年输沙量趋势分析

汾河中上游流域兰村站和义棠站不同年代多年平均降水量、年径流量和年输沙量统计结果见表1。兰村站和义棠站在1963—2016年各年代多年平均降水量呈现先减少后增大趋势，而不同年代多年平均径流量和多年平均输沙量均呈现出明显减少的趋势。

表1 不同年代汾河中上游水文站各水文要素多年平均值

汾河中上游兰村站和义棠站年径流量和年输沙量序列的M-K趋势检验结果见表2。54 a以来，除了义棠站年径流量减少趋势(p<0.05)不明显外，兰村站的年径流量与年输沙量以及义棠站的年输沙量均呈极显著下降趋势(p<0.01)。

2.2 年径流量和年输沙量突变分析

汾河中上游兰村站和义棠站年径流量和年输沙量序列的MK突变检验结果见图2。汾河中上游年径流量突变年份在1981年附近，年输沙量突变年份在1980年附近，突变年份均在显著水平(p<0.05)之内。

表2 汾河中上游年径流量和输沙量MK趋势检验

图2 兰村站和义棠站年径流量和年输沙量M-K突变检验

从图3A，3C可以看出，兰村站和义棠站的多年平均径流量分别由突变前的5.17亿m3，7.37亿m3减少至2.14亿m3，3.25亿m3，分别减少了59%，56%，减少速率分别为0.11亿m3/a，0.15亿m3/a。从图3B，3D可以看出，汾河中上游兰村站和义棠站多年平均输沙量分别由突变前的1 068.7万t，1 392.6万t减少至122.1万t，167.2万t，分别减少了89%，88%，减少速率分别为35.06万t/a，45.38万t/a。在长序列中，年径流量和年输沙量均发生了跳跃式的突变，且年输沙量减少速率大于年径流量减少速率，因此年输沙量受影响因子比年径流量更加敏感。不难看出，汾河中游(义棠站)年径流量和年输沙量的减少速率均大于汾河上游(兰村站)。

2.3 气候变化与人类活动对汾河中上游水沙变化的影响

本研究采用双累积曲线法[17]量化气候变化和人类活动对汾河中上游水沙变化的影响，并分别采用义棠站年降水量和年径流量累积值、年降水量和年输沙量累积值计算突变年份以后气候变化和人类活动对汾河中上游水沙变化的贡献率，计算结果见表3。相比于1963—1980年、1981—2016年气候变化和人类活动对于汾河中上游年径流量变化的贡献率分别为29%,71%。相比于1963—1979年、1980—2016年气候变化和人类活动对于汾河中上游年输沙量变化的贡献率分别为22%,78%。

2.4 径流变化的成因分析

2.4.1 降水和气温 根据前述分析结果，按照确定的突变年份，本研究将汾河中上游年径流量序列可以分为1963—1980年和1981—2016年两个序列。选择流域控制站义棠站1963—1980年降雨径流数据，由图4A可以看出，1963—1980年，义棠站控制断面以上流域的年降水量与年径流量之间存在较高的相关性；由图4B可以看出，1963—2016年，义棠站控制断面以上流域的的年径流量随着年降水量的减少而减少；年降水量、年径流量总体上分别减少了6%，56%，年径流量的减少幅度大于年降水量，因此影响年径流量变化的因素不止是年降水量。

图3 兰村站和义棠站年径流量和年输沙量年际变化

表3 气候变化和人类活动对汾河中上游水沙变化的影响

图4 义棠站年降水量-年径流量关系

在自然条件下，气温是影响流域蒸发的主要因素之一。根据以往研究成果，1960—2001年期间黄河流域的多年平均气温上升了大约1℃[18-19]，而黄河流域大部分地区的蒸发量却表现出下降趋势，其主要原因可能是流域内大量修建的水库显著增大了地表水水面面积[20-21]。部分学者研究指出，由气温等气象因子的变化所造成的汾河流域蒸发量的减少，使得1980—2012年期间的汾河多年平均入黄径流量增加了0.21亿m3[22]。因此，气温不是汾河流域年径流量减少的直接原因。

2.4.2 水库建设及社会经济 据调查，汾河中上游流域建有汾河水库、汾河二库、文峪河水库三座大型水库。汾河水库于1960年投入运营，总库容7.21亿m3，主要用于防洪蓄水和工业供水；汾河二库于2000年投入运营，总库容1.33亿m3，主要以防洪为主，兼顾城市供水和农业灌溉；文峪河水库位于汾河的一级支流文峪河上，总库容1.13亿m3，1961年开始拦洪蓄水，1970年正式竣工，主要以防洪为主，兼顾农业灌溉、发电。上述3座大型水库的总库容为9.67亿m3，是汾河中上游流域多年平均径流量4.63亿m3(义棠站)的2.09倍。因此，这60 a间，水库建设的总库容截留了大约两个正常水利年的径流量。根据相关资料，1979—2007年期间，山西省国内生产总值年均增长10.1%，这3座大型水库的建设为经济发展而引起的生活用水、工业用水、农业用水以及生态用水需求提供了重要保障，从而调节了径流变化，使得径流量日益减少。这一成因分析与姚文艺等[23]在黄河流域研究的龙羊峡、刘家峡水库运用对其下游河道径流量形成很强的干扰作用相类似。至此，本研究认为，水库的建设加速了径流减少的趋势。

2.5 影响输沙量变化的原因

2.5.1 径流量 径流量是影响输沙量大小的主要因素之一，通常认为年径流量和年输沙量之间存在下列幂函数相关关系[14]：

W=kQα

(1)

式中：W为年输沙量；Q为径流量；k为系数；α为幂指数。

从图5可以看出，1980年以前的义棠站年输沙量与年径流量之间存在密切的幂函数相关关系，相关系数R2为0.87。从图3C可以看出，与1980年以前的多年平均径流量相比，1980年以后的义棠站多年平均径流量明显减少，而年径流量的减少造成径流挟沙能力也相应降低，从而导致1980年以后的义棠站的年输沙量显著减少，因此年径流量减少是汾河中上游年输沙量减少的主要因素之一。从图5中可以看出，1981年以后的义棠站年输沙量与年径流量之间的幂函数相关关系的相关系数仅为0.41，说明1981年以后义棠站年输沙量与年径流量之间不再满足幂函数相关关系，其原因有待进一步探究。

2.5.2 汛期降雨量 一年之中，发生大规模输沙的主要情况在汛期时期，汛期强降雨可以剥离并冲刷坡面土壤颗粒和有机质[24]。因此，汛期降雨的变化也是影响泥沙产生的主要驱动力，进一步分析汛期降雨量的变化对于研究产流时期的产沙过程具有重要意义。

图5 突变年份前后义棠站年径流量-年输沙量散点图

由图6可以看出，本长序列研究阶段汛期降雨总体呈现出平缓的减少趋势，1963—2016年，汛期降雨量总体减少了5.4%。从表4可以看出，从20世纪80年代开始，汛期降雨除了6月份，其他月份和汛期降雨量均出现减少的趋势，尤其是在多年平均降雨最多的7月和8月，减少率最大。汛期降雨量的减少必将导致汛期径流量、汛期水力侵蚀量的减少，从而造成年输沙总量的减少。

图6 1963-2016年汾河中上游流域汛期降雨量变化

表4 不同时期流域汛期降雨量变化

2.5.3 水土保持措施及水库建设 许多研究表明，各类水土保持措施与水库的拦洪淤沙作用是近年来汾河流域输沙量减少的主要原因。1983—1996年期间山西省水土保持工作主要以小流域为单元，实施工程措施与生物措施相结合的流域水土流失综合治理，并大力实施退耕还林还草工程各类水土保持工程措施、林草措施，显著减少了流域的侵蚀量和河道输沙量。另外，自1980年以来，汾河中上游流域开展了大规模的淤地坝工程建设工作。从图7可以看出，1980—2010年期间汾河中上游流域的骨干坝和中型坝已淤库容呈现显著增长趋势，截至2010年底汾河中上游流域的淤地坝总淤积量达到了5 852万t，是义棠站多年平均输沙量的9.6倍，因此淤地坝建设在汾河中上游流域年输沙量减少方面起到了至关重要的作用。

另外，汾河水库、汾河二库、文峪河水库三座大型水库的蓄水拦沙作用也是汾河中上游年输沙量减少的主要原因之一。根据近20 a的实测水文观测资料，由于汾河二库的建成与运营，导致河道内输沙量直接变为0。

图7 1980-2010年流域淤地坝已淤库容累积过程

3 结 论

(1) 1963—2016年汾河中上游流域年径流量和年输沙量呈现减少趋势，除了义棠站年径流量减少趋势不显著以外，兰村站年径流量和年输沙量以及义棠站年输沙量均呈现极显著的减少趋势。

(2) 1963—2016年汾河中上游流域年径流量和年输沙量的突变年份分别为1981年和1980年。兰村站和义棠站的多年平均径流量由突变年份前的5.17亿m3，7.37亿m3分别减少至2.14亿m3，3.25亿m3，分别减少了59%，56%；兰村站和义棠站的多年平均输沙量由突变年份前的1 068.7万t，1 392.6万t分别减少至122.1万t，167.2万t，分别减少了89%，88%。

(3) 气候变化和人类活动对汾河中上游流域年径流量变化的贡献率分别为29%，71%，而对年输沙量变化的贡献率分别为22%，78%。

近年来，人类活动已从影响流域径流量和输沙量变化的次要因素逐渐成为主要因素。进一步研究变化环境下径流量和输沙量之间的对应关系并科学量化各种人类活动对于径流量和输沙量的变化的贡献率，对于流域的水资源合理开发利用、水环境有效管理与保护以及水土保持工作宏观科学规划具有极其重要的意义。