祖厉河流域1957～2016年水沙变化特征及影响因素分析

赵秀兰，杨冰，周蕊，张富，李晓雅，胡彦婷，王玲莉，包炳琛

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省定西市林业科学研究所，甘肃 定西 743000；3.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730000)

径流、输沙是表征河川径流的重要水文要素[1-2]，是衡量区域生态环境变化的重要标准.随着气候变化及人类活动对环境影响的不断加剧，陆地水文循环也不断地发生改变.降水是地表水和地下水的最终补给来源，是水资源时空变异性的主要影响因素[3-5]，也是河流水沙量变化的主要因素之一.降水径流是土壤水蚀发生的动力，其大小对输沙量具有很大影响.对水沙变化及特征的研究，是做好水资源管理及流域生态建设的基础性工作.近年来，受气候变化及人类活动的影响，黄河流域水沙情势发生明显变化[6-7]，对当地的可持续发展造成了严重影响[8-9].胡春宏等[10]对1950～2016年黄河流域水沙过程进行分析，表明黄河水沙锐减，时空减幅不同步，水沙异源仍然持续；王延贵等[11]采用M-K检验法和水文量累积曲线法研究黄河流域产流侵蚀过程及其分布特征的变异，结果表明几乎所有水文站的径流深和输沙模数呈减少趋势，代表着黄河流域产沙产流能力减弱.孙洋洋等[12]、李二辉等[13]对黄河上中游径流量变化进行了分析，表明径流量在1919～2013年呈明显的枯-丰阶段性变化，且在1985年以后呈显著减少趋势.潘彬等[14]对黄河下游径流量变化研究表明，1962～2012年降水量和径流量呈减少趋势，人为因素和降水量对径流影响作用分别达到68%和32%.

祖厉河是黄河的一级支流，其径流量和输沙量分别占入黄径流量、输沙量的1.60%、39.6%，产沙量大，是黄河上游泥沙的主要来源[15]，水土流失严重，生态环境脆弱.本研究基于祖厉河流域1957～2016年的水沙数据，采用M-K检验法[16]、Morlet小波[17-18]及回归分析、双累积曲线法[19]对祖历河降水量、径流量和输沙量特征、周期分布规律和影响因素进行了研究，以期为祖厉河流域水资源管理、流域生态建设、水土流失治理及区域经济发展提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

祖厉河地理位置在E 104°12′～105°33′，N 35°18′～36°34′之间，位于陇中黄土丘陵沟壑区中部(图1)，属黄土丘陵沟壑区第五副区，流域总面积10 653 km2.流域内地形破碎，沟壑纵横，地势由南向北走向，海拔大多在1 500～2 000 m.流域地处海洋季风边缘，属温带半干旱气候，具有大陆性季风气候特点.地带性土壤主要为灰钙土、黄绵土，局部河滩地和低洼地有盐碱土分布.土体疏松，透水性好.植被属温带半干旱和干旱草原，以针茅、冰草、蒿类等群落为主.土地利用类型主要有梯坝地、林地、草地等.

图1 研究区地理位置Figure 1 Location of the study area

据1957～2016年观测资料统计，祖厉河年均径流量为0.99×108m3，年均输沙量为0.41×108t.

1.2 材料与方法

1.2.1 年降水量、径流量和输沙量 采用甘肃省水文水资源局提供的1957～2016年祖厉河流域内靖远水文站逐日流量、输沙率数据及23个雨量站(图1)的降水观测数据，使用泰森多边形法[20]对降水量观测数据进行预处理，计算平均降水量；使用Excel软件对径流量、输沙量原始资料进行整理，计算年径流量和输沙量；采用M-K检验和Morlet小波分析方法，对研究区1957～2016年降水量、径流量和输沙量的趋势性、突变及周期变化进行分析.

1.2.2 研究区水土保持措施状况 根据“祖厉河流域水利水土保持措施对入黄水沙变化的影响及发展趋势研究(1957～1989年)”[21]、“甘肃省水土保持综合治理措施效益研究(1979～2012年)”[22]及“甘肃省水土保持年报(2013～2016年)”中历年水土保持措施保存面积资料，采用按比例分摊法，计算得到历年研究区水土保持措施面积.

1.2.3 影响水沙变化的因素分析 利用SPSS 20软件，通过线性回归方法，分析降水量、水土保持措施量与径流量、输沙量相互间的关系，建立关系式；采用双累积曲线法分析人类活动和降水量对径流量、输沙量变化的贡献率.

2 结果与分析

2.1 降水量变化特征

2.1.1 降水量趋势性及突变分析 由降水量资料统计，祖厉河流域在1957～2016年间的年均降水量为357.78 mm，最大降水量为618.27 mm(1964年)，最小值为228.34 mm(1982年)(图2-A).降水量在年均降水量线上下波动，总体呈下降趋势，但下降趋势不显著(P>0.05).在M-K趋势检验中，UF、UB分别表示年降水量统计量、逆序统计量.由图2-B可知，1957～1968年和1969～2001年UF(降水统计量)值为正，表明此阶段降水量呈增长趋势，其中1966～1968年统计变量值超过了临界值，说明降水量呈显著增长趋势(P<0.05)；2002～2016年统计变量值为负，表明降水量在此阶段呈不显著下降趋势(P>0.05).UF和UB的交点位于2000年，表明降水量发生突变的年份为2000年.

图2 年降水量年际分布(A)和M-K检验(B)图Figure 2 Interannual distribution of precipitation (A) and M-K test (B)

2.1.2 降水量周期性分析 小波分析可以揭示非平稳序列中存在的周期变化规律.对1957～2016年祖厉河流域的降水量进行Morlet小波分析.由图3-A可知，降水量的周期性表现为4个时间尺度，分别为5 a，9 a，14 a和22 a，其中周期最显著且存在于整个统计时间内的时间尺度为22 a.由图3-B可以看出，研究期内降水量过程在5 a时间尺度上平均变化周期为约为3 a，经历了约18个丰-枯变化，1977～1994年期间周期的强度比其他时段的强度弱；9 a时间尺度上平均变化周期约为6 a，经历了约10个丰-枯变化；14 a时间尺度上平均变化周期为10 a左右，经历了约6个丰-枯变化；22 a时间尺度上平均变化周期为15 a左右，经历了约4个丰-枯变化.

图3 降水量小波方差(A)和不同尺度小波实部变化(B)图Figure 3 Precipitation wavelet variance (A) and different scale wavelet real changes (B)

2.2 径流量变化特征

2.2.1 径流量趋势性及突变分析 由观测数据可以得到，研究区在1957～2016年的年均径流量为0.99×108m3，最大值为2.97×108m3(1959年)，最小值为0.15×108m3(2016年).由径流趋势线(图4-A)可知，径流呈波动下降趋势.由图4-B可得，1957～1961年径流量呈增加趋势；1962～2016年径流量呈减少趋势，其中2002～2016年径流量呈显著下降趋势(P<0.05).UF和UB的交点位于2007年，说明径流量的突变年份发生在2007年.

图4 径流量年际分布(A)M-K检验(B)图Figure 4 Interannual distribution of runoff (A) M-K test (B)

2.2.2 径流量周期性分析 对1957～2016年祖厉河流域的径流量进行Morlet小波分析.由图5-A可以看出径流量的周期性表现为3个时间尺度，分别为4 a，8 a和22 a，其中周期最显著且存在于整个统计时间内的时间尺度为8 a.由图5-B可以看出研究期内径流量在4 a时间尺度上平均变化周期约为3 a，经历了约21个丰-枯变化，随着时间的推移，径流量的强度逐渐减弱；8a时间尺度上平均变化周期约为5 a，经历了约12个丰-枯变化，随着时间的推移，径流量的强度逐渐减弱；22 a时间尺度上平均变化周期约为15 a，经历了约4个丰-枯变化.

图5 径流小波方差(A)和不同尺度小波实部变化(B)图Figure 5 Runoff wavelet variance (A) and different scale wavelet real part changes (B)

2.3 输沙量变化特征

2.3.1 输沙量趋势性及突变分析 由观测数据可得，1957～2016年祖厉河流域的年均输沙量0.41×108t，最大输沙量为1.8×108t(1959年)，最小输沙量为0.02×108t(2016年).由输沙量的趋势线可知(图6-A)，输沙量在研究期呈波动减少.由图6-B可知，1957～1961年输沙量呈增加趋势；1962～2016年输沙量呈减少趋势，其中2004～2016年输沙量呈显著下降趋势(P<0.05).UF和UB的交点位于2007年，说明输沙量的突变年份发生在2007年.

图6 输沙量年际分布(A)和M-K检验(B)图Figure 6 Interannual distribution of sediment discharge (A) and M-K test (B)

2.3.2 输沙量周期性分析 对1957～2016年祖厉河流域的输沙量进行Morlet小波分析.由图7-A可以得到输沙量的周期性表现为3个时间长度，分别为4 a，8 a和22 a，其中周期最显著且存在于整个统计时间内的时间尺度为8 a.由图7-B可以看出，研究期内输沙量在4 a时间尺度上平均变化周期约为3 a，经历了约20个丰-枯变化；8 a时间尺度上平均变化周期约为5 a，经历了约12个丰-枯变化；22 a时间尺度上平均变化周期约为15 a，经历了约4个丰-枯变化；随着时间的推移，这3个不同尺度的输沙量小波系数的强度均逐渐减弱.

图7 输沙量小波方差(A)和不同尺度小波实部变化(B)图Figure 7 Wavelet variance of sediment discharge (A) and different scale wavelet real part changes (B)

2.4 影响水沙量变化的主要因素

2.4.1 降水量与径流量、输沙量的关系 影响径流量、输沙量的主要因素是降雨和以水土保持措施为主的人类活动[22].按照水沙变化共同存在的15 a平均时间周期，将降水量与径流量、输沙量的时间序列划分为4个时间段，第Ⅰ时段1957～1971年，第Ⅱ时段1972～1986年，第Ⅲ时段1987～2001年和第Ⅳ时段2002～2016年.由回归分析可知(表1)，在第Ⅰ时段和第Ⅱ时段径流量、输沙量对降水量变化响应强烈，趋势协同性强，相关系数较高，降水量与径流量、输沙量均达到显著(P<0.05)和极显著水平(P<0.05)，降水量对径流量、输沙量的决定系数R2分别为0.414、0.387和0.432、0.491，平均径流模数和输沙模数分别为1.37×104m3/(km2·a)、0.62×104t/(km2·a)和1.03×104m3/(km2·a)、0.43×104t/(km2·a)；第Ⅲ时段径流量、输沙量对降水量变化响应减弱，趋势协同性减小，相关系数较低，降水量与径流量、输沙量均达到显著水平(P<0.05)，降水量对径流量、输沙量的决定系数R2分别为0.312和0.274，平均径流模数和输沙模数分别为0.87×104m3/(km2·a)和0.36×104t/(km2·a)；第Ⅳ时段径流量、输沙量对降水变化的响应迅速衰减，趋势协同异化，降水量与径流量、输沙量均未达到显著水平(P>0.05)，降水量对径流量、输沙量的决定系数R2分别为0.007和0.043，平均径流模数和输沙模数分别为0.46×104m3/(km2·a)和0.13×104t/(km2·a).说明在1957～2016年期间，降水对径流量和输沙量的影响逐渐降低；与其相比，径流量与输沙量相关关系趋势协同性强，略有减弱，但不明显，径流量对输沙量的决定系数R2分别为0.963、0.885、0.877、0.677，均达到极显著水平(P<0.01).

表1 不同时段年降水量与径流量、输沙量相关关系

2.4.2 水土保持措施与径流量、输沙量的关系 由图8可以看出，随着水土保持措施量的逐渐增加，径流量和输沙量呈现波动减少趋势.由回归分析可知(表2)，在1957～1971年期间，由于水土保持措施量小，对径流量、输沙量影响不大，水土保持措施量对径流量、输沙量的影响未达到显著水平(P>0.05)，决定系数R2分别为0.033、0.104.在1972～1986年和1987～2001年，水土保持措施量对径流量、输沙量的决定系数R2分别为0.052、0.034和0.079、0.080.在2002～2016年期间，径流量、输沙量对水土保持措施量变化响应增强，均达到极显著水平(P<0.01)，水土保持措施量对径流量、输沙量的决定系数R2分别为0.818、0.594.平均径流模数和输沙模数分别由1957～1971年的1.26×104m3/(km2·a)和0.57×104t/(km2·a)，减少为2002～2016年的0.47×104m3/(km2·a)和0.13×104t/(km2·a).说明水土保持措施对径流量和输沙量的影响逐渐增大，随着水土保持治理措施增加，水土流失量迅速下降.

图8 水土保持措施量与径流量、输沙量变化图Figure 8 Variation of soil and water conservation measures and changes in runoff and sediment discharge

表2 不同时段水土保持措施量和径流量、输沙量相关关系

采用双累积曲线法，根据径流量和输沙量突变检验结果，将研究期分为两个阶段(基准期1957～2007年和影响期2008～2016年)分析累积年降水量-累积年径流量和累积年降水量-累积年输沙量双累积曲线.由图9可知，在突变年后，累积曲线的拟合直线斜率明显减小.建立线性回归方程，结果表明径流量、输沙量呈显著减少趋势，基准期平均年径流量为1.11×108m3，影响期平均年径流量为0.34×108m3，相比于基准期，影响期平均年径流量减少0.85×108m3，降水和水土保持措施对径流量减少的贡献率分别为26.76%和73.24%；基准期平均年输沙量为0.47×108t，影响期平均年输沙量为0.09×108t，相比于基准期，影响期平均年输沙量减少0.35×108t，降水和水土保持措施对输沙量减少的贡献率分别为12.17%和87.83%，水土保持措施在径流量和输沙量变化中起主要作用.

图9 年降水量-年径流量和年降水量-年输沙量双累积曲线Figure 9 Double cumulative curves of annual precipitation-runoff and annual precipitation-sediment transport

3 讨论

本研究结果表明在1957～2016年祖厉河流域降水量、径流量和输沙量总体呈减少趋势，这与韩通等[23]、张富等[24]研究结果一致.但与张富等研究结果不同的是，祖厉河流域降水在1995年开始突变，而本研究降水在2000年出现突变点，径流在1995年开始突变，输沙在2000年开始突变，而本研究径流量和输沙量均在2007年出现突变点.结果不一致可能是由于数据来源、研究方法和时间尺度不同引起.刘淑燕等[26]、李宜坪等[27]在黄土丘陵沟壑区水土保持措施对径流输沙的影响研究中表明，水沙关系受降水量、降水强度和土地利用变化的显著影响.黄维东[25]对祖厉河流域水沙变化研究中发现，降水和人类活动对水沙减少量的影响分别是30%和70%.本研究中，降水量对径流量的决定系数R2由0.414降为0.007，而人类活动的决定系数R2由0.586增加为0.993，其中水土保持措施对径流量的决定系数R2由0.033增加为0.818；降水量对输沙量的决定系数R2由0.387降为0.043，人类活动的决定系数R2由0.613增加为0.957，其中水土保持措施对径流量的决定系数R2由0.104增加为0.594.双累积曲线分析结果表明，降水和水土保持措施对径流量减少的贡献率分别为26.76%和73.24%，对输沙量减少的贡献率分别为12.17%和87.83%，表明随着水土保持治理措施增加，对水沙变化影响也逐渐增加.本文对降水量、径流量和输沙量都是以年为时间尺度进行研究，对于年内的变化和水土保持措施以外的人类活动对水沙变化的影响还需进一步研究.

4 结论

1) 祖厉河流域1957～2016年间降水量总体呈现波动减少趋势，年际存在明显的丰-枯周期性变化.最大年降水量是最小年降水量的2.7倍；降水量发生突变的年份为2000年；在整个时间段内，存在5 a，9 a，14 a和22 a四个变化周期，其中周期最显著且具有全域性的时间尺度为22 a.

2) 径流量、输沙量呈现相似的减少趋势，年际存在明显的丰-枯周期性变化.径流量、输沙量的突变年份同时发生在2007年.年径流量和输沙量存在3种相同尺度的周期变化，即4 a，8 a和22 a，且最显著的周期均为8 a.在平均周期为15 a的四个周期下，降水量对径流量、输沙量影响的趋势协同性由强逐渐减弱，相关系数R逐渐减小，水土保持措施量对径流量、输沙量的相关系数R逐渐增加；降水和水土保持措施对径流量减少的贡献率分别为26.76%和73.24%，对输沙量减少的贡献率分别为12.17%和87.83%，说明对水沙变化主要是人为活动引起的.