渭河流域水沙时空变化及其对人类活动的响应

2020-10-12徐瑞瑞高鹏穆兴民柴雪柯顾朝军

人民黄河 2020年3期

徐瑞瑞　高鹏　穆兴民　柴雪柯　顾朝军

摘要：基于渭河流域32个水文站近60 a水沙数据，采用Mann-Kendall趋势检验、Pettitt突变检验、双累计曲线等方法分析了渭河流域不同区间水沙变化特征及驱动因素。结果表明：渭河流域62.5%（50%）区间径流量（输沙量）呈显著减少的趋势，34.36%（42.86%）区间径流量（输沙量）无显著变化趋势，仅3.12%的区间径流量和输沙量呈显著增加趋势;渭河径流量和输沙量的突变年份集中在20世纪80年代末、90年代初;泾河径流量和输沙量的突变年份集中在20世纪90年代;北洛河径流量和输沙量在21世纪初发生突变;以渭河控制站（头站和华县站）水沙之和为基础量化的人类活动和降雨量对渭河径流量减少的贡献率分别为84.86%和15.14%，对输沙量减少的贡献率为92.54%和7.46%;退耕还林（草）工程、淤地坝建设、水库拦蓄等是渭河径流量和输沙量变化的主要原因。

关键词：渭河流域;径流量;输沙量;水土保持;人类活动

中图分类号：P333 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.003

Dynamic of Streamflow and Sediment Load and Its Response to Human Activities in the Weihe River Basin

XU Ruirui1， GAO Peng1，2， MU Xingmin1，2， CHAI Xueke3， GU Chaojun4

（1.Institute of Soil and Water Conservation， Northwest A & F University， Yangling 712100， China; 2.Institute of Soil

and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources， Yangling 712100， China;

3.Station of Management and Protection of Dongshan Forest Area， Taiyuan 030032， China; 4.Yangtze River Basin

Soil and Water Conservation Monitoring Center Station， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Abstract： This study systematically analyzed the change of streamflow and sediment load and the impact of human activitiesto the Weihe River basin based on the date from 32 hydrological stations with Mann-Kendall test， double mass curve method and Pettitt test. The results show that annual streamflow and sediment load has significant decreasing trends in 62.5% and 50% areas of the Weihe River and only 3.12% areas has significant increasing trends， others without significant trend. Change points of streamflow and sediment load are concentrated between 1980s and 1990s in 25%-28% areas of the Weihe River， while 12%-16% areas of the Jinghe River mainly are appeared in the 1990s and 6.25% areas of Beiluo River are occurred in 2000s. Meanwhile， both streamflow modulus and sediment load modulus exhibit a decreasing tendency. Double mass curve reveals that human activities contribute 84.86% for the reduction of streamflow and 92.54% for the sediment load. Therefore， human activities are the dominant factors for streamflow and sediment reduction in the Weihe River basin.

Key words： Weihe River basin; runoff; sediment discharge; soil and water conservation; human activities

自20世紀50年代以来，受气候变化和人类活动的影响，河川水文情势发生了显著变化[1-2]。渭河作为黄河的最大支流，被陕西人誉为“母亲河”，其流域水生态环境变化影响着整个区域农业经济、洪旱灾害和水资源利用。近年来，受自然和人为因素的影响，渭河流域水资源分布不均，上中游水土流失严重，下游泥沙大量淤积，水沙问题严重[3]，加上洪水灾害频发（如“92·8”“96·7”“03·8”“03·10”等洪水）[4-5]，严重影响了当地人民的生产生活及自然、经济和社会的发展[6]。因此，关于渭河流域水沙变化的研究已成为当前的热点。

为揭示渭河流域水沙的演变规律，我国学者开展了大量研究，如冉大川等[7]利用渭河流域1970—1996年的径流泥沙资料，分析了流域水沙时空演变;胡安焱等[8]利用降雨、水利水保措施等资料分析了渭河流域近50 a来水沙变化规律，并探讨了降水和人类活动对流域水沙的影响;任立良等[9]采用标准化径流指数剖析了渭河流域自1991年以来年径流量显著减小的影响因素;焦菊英等[10]采用“水文-地貌法”分析了渭河流域侵蚀产沙强度的区域分异特征。这些研究主要通过个别站点阐述了渭河流域的水沙变化特征和影响因素（降雨、气候、水土保持措施、水库等），主要关注径流量和泥沙量，缺乏对整个渭河流域水沙特征的分析，难以全面深入理解渭河流域径流泥沙变化格局及变化的主控因素。本文利用渭河流域32个水文站的资料，系统研究了渭河流域不同区间的水沙变化特征，以期全面认识流域水沙变化规律及其驱动因素，为区域水资源管理、生产发展、生态文明建设提供科学参考。

1 流域概况

渭河发源于鸟鼠山，流经陕、甘、宁3个省区，于陕西潼关附近汇入黄河[11]。流域总面积为134 766 km2，干流全长为818 km，流域属于大陆性季风气候区，降水主要集中在夏季且雨强较大，对地表侵蚀严重。渭河支流较多，泾河和洛河是北岸支流中最大的两条，流域面积分别为4.54万、2.69万km2。渭河流域年均降水量为400～800 mm，年均蒸发量为1 000～2 000 mm。流域多年平均径流量为95亿m3，多年平均输沙量为4.58亿t。整个流域水沙异源，主要产水区为林家村、张家山和华县区间，主要产沙区为泾河和林家村以上[12]。流域内及周边气象站、水文站分布见图1。

2 数据与方法

2.1 数据

选用渭河流域内32个具有代表性的水文站点，将流域划分为32个不同的区间（见表1）。区间径流输沙量等于下游水文站实测水沙量减去上游水文站实测水沙量，某个水文站上游无水文站时，该水文站实测值即为该区间水沙量。数据年限为1958—2013年，均来源于《中国河流泥沙公报》和《黄河流域水文年鉴》等。降雨资料选用渭河流域及周边24个气象站1958—2013年逐日和逐年的降雨资料（见表2），来源于中国国家气象数据共享服务网（http：//data.cma.gov.cn）。

2.2 分析方法

2.2.1 趋势检验

主要采用Mann-Kendall（简称MK）秩次相关检验方法[13-14]对长时间的水沙序列进行趋势性分析[15-16]。通过该法计算得检验统计量Z，若Z值为正则说明序列呈现增大趋势，若Z为负则说明序列呈现减小趋势，0.05和0.01显著性水平下的Z值分别为±1.96和±2.58。

2.2.2 突变检验

采用Pettitt突变检验法[17]来诊断水沙的突变年份，该方法是检验时间序列均值发生突变的统计方法，既能判断突变点的位置及数量，也能判断突变点是否具有统计意义上的显著水平，在变点检测中有较多的应用。通过该方法找到突变点位置，再通过突变点显著性水平计算出P值，P值越接近1，突变点的趋势越显著。

2.2.3 双累计曲线法

双累计曲线能直观、简单地分析两个变量之间的一致性或长期趋势性变化[18-19]，已被广泛应用于诊断流域水沙关系变异情况。该法通过两个累计变量之间拟合直线斜率的偏离程度来判断人类活动对流域水沙的影响程度，若斜率偏离明显，则说明人类活动对流域水沙变化有着显著的影响，斜率显著变化的点对应水沙关系发生显著变化的时间[20]。

3 结果与分析

3.1 渭河流域径流量、输沙量变化的基本特征

3.1.1 渭河流域径流量、输沙量年代际变化

华县站和头站为渭河流域和北洛河的把口站，两个站径流量和输沙量的变化一定程度上能代表整个流域水沙的变化。分析整个流域不同年代的水沙特征（见表3）可知：渭河流域径流量和输沙量年代际变化趋势基本一致，均呈波动下降的趋势，但输沙量的波动幅度明显大于径流量的。华县站多年平均径流量为64.74亿m3，最大年径流量为187.60亿m3（1964年），最小年径流量为16.83亿m3（1997年）;输沙量与径流量变化趋势一致但变幅更大，多年平均输沙量为2.67亿t，最大年输沙量为10.60亿t （1964年），最小值为0.41亿t（2012年）。头站多年平均径流量为7.09亿m3，最大年径流量20.15亿m3 （1964年），最小年径流量为3.09亿m3 （1974年）;输沙量的变化幅度也大于径流量的，最大年输沙量为2.63亿t（1994年），最小年输沙量为0.01亿t（2009年）。年代际内，流域的面降水量在20世纪60年代最大，为592.69 mm，90年代最小，为491.27 mm，年代际变化幅度不大。

3.1.2 渭河流域径流量、输沙量年际变化

渭河流域水文要素年际变化见图2。20世纪60年代以来渭河流域控制站点（华县、头和张家山）的径流量和输沙量均呈减小趋势，华县、头、张家山的平均年径流量分别为64.74亿、7.09亿、15.67亿m3，平均年输沙量为2.67亿、0.57亿、0.20亿t。年径流量呈显著减小趋势，尤其是20世纪70年代初径流量减少幅度较大，相比于60年代，华县减少38.24%、张家山減少19.57%、头站减小39.92%，这与黄河中游地区近年来降雨量的减少有直接关系。其中，泾河张家山站的径流量减小最为显著，从21.67亿m3（1960—1969年）减小到9.28亿m3（2000—2009年），减小57.17%。与径流量变化情况基本一致，各站年输沙量主要在20世纪70年代初呈显著减小趋势，从60年代到90年代，各站输沙量的减幅均在50%以上，其中，北洛河头站平均年输沙量的减小最显著，由60年代的1.00亿t减小到2000—2009年的0.14亿t，减小86%。输沙量的减小主要是20世纪70年代末和80年代初实施的大规模水土保持措施导致的，如退耕还林（草）、梯田和淤地坝等，显著减小了坡面土壤侵蚀量，降低了输沙能力，进一步使得河道的输沙量减小[21]。

3.2 不同区间径流量和输沙量的趋势特征

3.2.1 径流量变化的趋势性特征

图3为渭河流域32个区间径流量时序变化的MK统计分析与检验结果，由图3可知：除渭12和洛6区间外，渭河流域93.8%的区间径流量呈显著减小趋势;除渭8、渭14区间呈非显著性减小趋势外，其余区间径流量均呈显著减小趋势，尤以渭3区间减少最为显著（Z值为-6.71）;泾河的泾1、泾2、泾3、泾4、泾10、泾11区间径流量减少比较显著，尤其是泾1区间变化最为显著（Z值为-6.84）;北洛河的洛1、洛2区间径流量减少比较显著。

3.2.2 输沙量变化的趋势性特征

图4为不同区间输沙量变化的MK统计检验结果，由图4可知：除渭7、渭8、渭12和洛4区间输沙量呈增大趋势外，渭河流域87.5%的区间输沙量均呈显著性减小趋势。除渭河的渭9、渭10区间呈非显著性减小趋势外，其余区间的输沙量均呈显著性减小趋势，尤其是渭3区间减少幅度最为显著（Z值为-7.32）;泾河的泾1、泾2、泾3、泾4区间和北洛河的洛1、洛2、洛6区间的输沙量也呈显著减小趋势。

3.3 不同区间径流量和输沙量的突变特征

对渭河流域不同区间的年径流量和输沙量进行对比分析，结果见表4。渭河大部分区间径流量和输沙量的突变年份主要集中在20世纪80年代末和90年代初;泾河部分区间径流量和输沙量出现突变，且突变年份主要集中在20世纪90年代;北洛河只有部分区间径流量和输沙量发生突变，且突变主要发生在20世纪90年代末和21世纪初。

3.4 渭河流域徑流模数和输沙模数的时空变化

渭河流域不同年代的径流模数变化差异显著（见图5，图中RDM1～RDM4为不同时段的径流模数）。20世纪70年代，径流模数>20万m3/（km2·a）的强来水区主要分布在渭7、渭9、渭10、渭14;而渭8和洛7区间径流模数<1.0万m3/（km2·a），为耗水区。80年代，整个流域的径流模数有所增大，可能与该时段的降雨变化有关，径流模数>20万m3/（km2·a）的强来水区未发生改变，但渭5、渭6区间的径流模数也比较大，为12万～20万m3/（km2·a），该时段未出现径流模数<1万m3/（km2·a）的区域。90年代，径流模数大范围减小，由图5可知径流模数>20万m3/（km2·a）的强来水区面积明显减小，径流模数为1.0万～2.5万m3/（km2·a）的产水区大幅增大。21世纪初，部分区域径流模数有所增大，其中渭9、渭10、渭11区域径流模数>20万m3/（km2·a），为主要产水区。而洛7区域的径流模数<1.0万m3/（km2·a），为耗水区。

渭河流域不同年代的输沙模数（SDM）差异显著（见图6）。20世纪70年代，流域输沙模数>8 000 t/（km2·a）的主要产沙中心为洛1、洛2和泾2区间，输沙模数呈现从南到北逐渐增大的趋势。80年代，整个流域的输沙模数呈减小趋势。90年代，渭河流域输沙模数有所增大，且产沙区域变动较大，该时期输沙模数>8 000 t/（km2·a）的区域为洛1、洛2、洛3、泾5、泾7、泾8区间。从上游至下游，渭河干流和泾河的输沙模数呈先减小后增大的趋势，而北洛河输沙模数呈减小趋势。21世纪初，渭河流域输沙模数大幅减小，除了泾5和泾7区间外，其余区间输沙模数<5 000 t/（km2·a）。不同时段内渭河流域下游的部分区间输沙模数都处于负值，且20世纪90年代后处于负值的区间增多，输沙模数处于负值表明下游输沙量小于上游输沙量，即该区间处于泥沙淤积状态。研究表明，三门峡水库修建后河道内大量泥沙被拦截，渭河下游处于淤积状态[2]。90年代淤积区域达到最大，可能是降雨减少、河道输沙能力降低导致区间输沙模数减小。

综上可知，渭河流域不同时段的径流和输沙模数呈现动态分布。1970—2013年，从上游到下游，渭河干流和北洛河径流模数呈先增大后减小的趋势，泾河呈增大趋势;整个流域径流模数>12万m3/（km2·a）的强来水区面积明显减小。渭河流域的输沙模数在不同的年代呈明显的动态变化，从1970—2013年，整个流域的输沙模数从南到北呈减小趋势，表明流域侵蚀有所减弱。

3.5 渭河流域水沙变化对人类活动和降雨量的响应

渭河和北洛河把口站（华县和头）的径流量—降雨量、输沙量—降雨量的双累计曲线见图7，曲线斜率分别代表单位降雨产生的径流量和输沙量。流域下垫面不变时，双累计曲线的斜率不变，若双累计曲线斜率发生变化，则表明流域的下垫面状况发生了明显变化，人类活动对流域水沙的影响增大。渭河流域径流量和输沙量与降雨量双累计曲线分别在1993年和1996年出现了拐点，且拐点后的曲线拟合斜率均减小，说明人类活动使得流域的水沙量减小。将突变后的降雨资料代入突变前的回归方程中，即得径流量和输沙量的理论值。不同时段理论值之差为降水的影响量，突变后的理论值与实际水沙值之差为人类活动的影响量。

3.6 降雨和人类活动对流域水沙的影响

对降雨量—径流量、降雨量—输沙量的双累计曲线进行模拟回归分析，结果分别见表5和表6。突变年份之后，实测累计径流量减小39.72%，实测累计输沙量减小60.90%。降雨量、人类活动对径流量和输沙量变化的贡献率分别为15.14%、84.86%和7.46%、92.54%。由此可以得出：人类活动对径流量和输沙量减少的贡献率远大于降水的，说明人类活动在流域水沙的减少上占主导作用。

流域水沙变化与人类活动有着密切的关系。一方面，人口增长和城镇化导致流域土地利用变化显著，进而对流域水沙产生重要影响。20世纪八九十年代，流域人口数量增加导致人们对耕地和建筑用地的需求增加，90年代后期，随着退耕还林（草）措施的实施，流域内草地、耕地和建筑用地发生了较大变化，耕地面积大量减少，林地面积大量增加，使得流域内的径流和泥沙在90年代有所减小[22]。20世纪后期，随着区域内经济发展和城镇化，耕地和建筑用地面积分别增加453、679 km2[23]。不同程度的土地利用变化都对流域水沙变化产生了影响，且21世纪00年代土地利用变化对径流的影响程度大于20世纪90年代[24]。另一方面，改革开放后，渭河流域经济增长迅速，工农业生产及生活用水增加。据统计，渭河流域90年代以前平均年耗水量为27.93亿m3，90年代平均年耗水量增加至42.63亿m3，耗水量增加了52.6%，增加的耗水量主要来自地下水的过度开采，导致地表径流也受到影响，流域年入黄水量减少了8.64亿m3[25]。截至1996年底，渭河上中游地区有效灌溉面积达80 547 hm2（其中引水灌区占54.9%），中型灌区33处，其中引水灌区22处;下游万亩（15亩=1 hm2）以上灌区达99处，总有效灌溉面积590 886 hm2（其中引水灌区占50%左右），其中河道引水灌区50处。工农业生产用水的增加进一步使得流域内的径流减少，引水灌溉导致的间接引沙使得流域输沙量减小[26]。

20世纪70年代黄土高原开始实施大范围的水土保持措施，淤地坝作为一种重要的拦水拦沙措施，在渭河流域水沙变化中也发挥了重要作用。截至1996年年底，渭河流域内已建成2 336座淤地坝，相对20世纪70年代，90年代的流域输沙量减少866.56万t。另外，水库及梯田的修建也使得流域内的水沙受到了明显影响，80年代水利工程平均每年减沙2 836万t，减少径流22.7亿m3，梯田、造林等减沙1 744万t，减少径流1.311亿m3[27]。进入21世纪后整个流域的降雨量增加，但是径流量却依然减少，这与当时流域内实施的一系列水土保持措施和政策有关，1999年退耕还林政策的开始实施以及2005年《渭河流域重点治理规划》的正式批复实施，均使得流域内的水土保持生态建设加强，水沙量进一步减少。另外，由于部分造林等水土保持措施对流域内水沙的控制有一定的滞后效应，因此部分区间到了21世纪水沙量才出现明显的改变[28]。

4 结论

（1）渭河流域93.8%的区间径流量呈显著性减小趋势，87.5%的区间输沙量呈显著性减小趋势，渭河径流量和输沙量的突变主要发生在20世纪80年代末和90年代初;泾河区间径流量和输沙量的突变主要发生在20世纪90年代;北洛河径流量和输沙量的突变主要发生在21世纪初。

（2）渭河流域不同年代径流和输沙模数呈现动态分布，1970—2013年，渭河干流和北洛河径流模数呈先增大后减小的趋势，泾河呈增大趋势;整个流域的输沙模数从南到北呈逐年减小趋势。

（3）双累计曲线法表明人类活动对渭河流域水沙有着显著影响，且影响量大于降雨对水沙的影响。人类活动对径流变化的贡献率达84.86%，对输沙量变化的贡献率高达92.54%;降雨对径流量的影响为15.14%，对输沙的影响为7.46%。

参考文献：

[1] 刘晓琼，刘彦随，李同昇，等.基于小波多尺度变换的渭河水沙演变规律研究[J].地理科学，2015，35（2）：211-217.

[2] GAO P， GEISSEN V， RITSEM C J， et al. Impact of Climate Change and Anthropogenic Activities on Stream Flow and Sediment Discharge in the Wei River Basin， China[J]. Hydrology and Earth System Sciences， 2013， 17： 961-972.

[3] 李杨俊，段勋年，刘福勤，等.渭河下游河道萎缩特性分析和改善对策[J].人民黄河，1998，20（7）：9-11.

[4] 陕西救灾年鉴编委会.陕西救灾年鉴（1996）[M].西安：陕西人民出版社，2000：22-23.

[5] 水利部水土保持司.渭河流域“03·8”特大暴雨洪水及水土保持调研报告[R].北京：水利部水土保持司，2003：23-27.

[6] 王小永.泾、渭河洪水遭遇分析浅议[J].陕西水利，2011（1）：115-116.

[7] 冉大川，刘斌，王宏.水土保持措施对黄河减水减沙作用的分析[J].中国水土保持，2002（10）：38-39，53.

[8] 胡安焱，刘燕，郭生练，等.渭河流域水沙多年变化及趋势分析[J].人民黄河，2007，29（2）：39-41.

[9] 任立良，沈鸿仁，袁飞，等.变化环境下渭河流域水文干旱演變特征剖析[J].水科学进展，2016，27（4）：492-500.

[10] 焦菊英，马祥华，王飞，等.渭河流域侵蚀产沙强度的区域分异特征[J].水土保持研究，2004，11（4）：60-63.

[11] 舒长先.黄河中游地区泥沙变化研究进展[J].水土保持通报，2000，20（3）：10-14.

[12] 侯钦磊，白红英，任园园，等.50年来渭河干流径流变化及其驱动力分析[J].资源科学，2011，33（8）：1505-1512.

[13] YUE S， PILON P， CAVADIAS G. Power of the Mann-Kendall and Spearmans RHO Tests for Detecting Monotonic Trends in Hydrological Series[J]. Journal of Hydrology， 2002， 259（1）： 254.

[14] MANN H B. Nonparametric Tests Against Trend[J]. Econometrica， 1945， 13（3）： 245-259.

[15] 赵广举，穆兴民，田鹏.近60年黄河中游水沙变化趋势及其影响因素分析[J].资源科学，2012，34（6）：1070-1078.

[16] ZHANG S R， LU X X. Hydrological Responses to Precipitation Variation and Diverse Human Activities in a Mountainous Tributary of the Lower Xijiang， China[J]. Catena， 2009， 77（2）： 130-142.

[17] PETTITT A N. A Non 2 Parametric Approach to the Change Point Problem[J]. Applied Statistics， 1979， 28 （2）： 126-135.

[18] SEARCY J K， HARDISON C H. Double-Mass Curves[M]. Washington D C： U.S.Geological Survey Water Supply Paper 1541-B， 1960：37.

[19] GAO P， LI P， ZHAO B， et al. Use of Double Mass Curves in Hydrologic Benefit Evaluations[J]. Hydrol. Process， 2017， 31 （26）： 4639-4646.

[20] 穆兴民，张秀勤，高鹏，等.双累积曲线方法理论及在水文气象领域应用中应注意的问题[J].水文，2010，30（4）：47-51.

[21] 王宏，杨国礼，王瑞芳.渭河流域水利水保措施对泥沙、径流影响分析计算[J].水土保持通报，1994，14（5）：48-52.

[22] 蒋观滔，高鹏，穆兴民，等.退耕还林（草）对北洛河上游水沙变化的影响[J].水土保持研究，2015，22（6）：1-6.

[23] 柴雪柯，蒋观滔，高鹏，等.渭河流域土地利用变化特征及驱动力分析[J].人民黄河，2016，38（8）：77-81，85.

[24] 黎云云，畅建霞，王义民，等.渭河流域徑流对土地利用变化的时空响应[J].农业工程学报，2016，32（15）：232-238.

[25] 赵双全，屠新武，杨术容，等.渭河下游水沙衰减及对黄河的影响[J].电网与清洁能源，2009，25（5）：55-58.

[26] 赵俊侠，王宏，马勇，等.1990—1996年渭河流域水沙变化原因初步分析[J].水土保持学报，2001（增刊2）：136-139.

[27] 张淑兰，王彦辉，于澎涛，等.泾河流域近50年来的径流时空变化与驱动力分析[J].地理科学，2011，31（6）：721-727.

[28] 秦伟，朱清科，刘广全，等.北洛河上游生态建设的水沙调控效应[J].水利学报，2010，41（11）：1325-1332.