宁夏清水河流域近60年降水量及入黄沙量变化

李颖曼, 焦 鹏, 张晓华, 杨吉山, 卫午毓

(1.宁夏大柳树水利枢纽工程前期工作办公室, 银川 750001; 2.黄河水利科学研究院 水利部 黄土高原水土流失过程与控制重点实验室, 郑州 450003; 3.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院, 郑州 450045)

黄河流域的水沙情势近年来发生了剧烈变化，潼关水文站年输沙量由1919—1959年的16亿t减少至2010年以来的1.5亿t，减少约90.6%[1]。目前的黄河水沙变化成因研究多聚焦于黄河上中游干流及河龙区间主要支流，分析降雨和人类活动对径流、泥沙及水沙关系的影响[2-6]，但是对黄河上游典型支流的研究较少涉及。由于黄河具有“水沙异源”这一显著的空间分异特征，径流主要来自上游地区、泥沙主要来自中游地区，因此研究黄河上游主要支流降水特征的变化规律及其趋势，对揭示黄河水沙变化成因具有十分重要的意义。

1 研究区概况

清水河长320 km，流域面积14 481 km2，流经原州区、海原县、西吉县、同心县、红寺堡区、中宁县、沙坡头7县区，由中宁县泉眼山(37°29′12.78″N,105°32′30.53″E)汇入黄河。流域地势南高北低，地貌以黄土丘陵沟壑区为主，左岸主要支流有东至河、中河、苋麻河、西河、金鸡儿沟、长沙河等，右岸主要支流有杨达子沟、大红沟、双井子沟、折死沟、洪泉沟等[7](图1)。清水河流域年降水量由上游的600 mm至下游的200 mm，相差2倍，流域平均降水量349 mm；固原的七营、苋麻河以南为400～600 mm的半干旱区，以北为400～200 mm的干旱区。

2 材料与方法

2.1 资料来源与处理

降水量方面，统计了清水河流域1958—2015年共计93个雨量站的逐日降水量，使用泰森多边形法逐年计算年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等流域降雨特征值。径流量与输沙量使用清水河流域出口控制站泉眼山水文站的实测资料。

图1 清水河流域水系

水土保持措施面积数据主要来自宁夏自治区的年报统计资料及2011年全国水利普查资料。以2011年第一次全国水利普查数据为基础，结合清水河典型小流域与样区的调查勘测、遥感影像解译、样区核查分析和专家咨询等多种方法，最终确定1954—2015年清水河流域各项水土保持措施的保存面积。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趋势及突变检验 Mann-Kendall检验法是对时间序列的变化趋势进行显著性检验的一种非参数统计检验方法，被广泛应用于评估气候要素和水文序列趋势分析及突变检测。

在趋势检验中，对于具有n个样本量的时间序列X，原假设H0表示数据集X的数据样本独立同分布且无趋势存在，可选假设H1表示数据集X存在一个单调趋势。对于Mann-Kendall统计量Zc，如果-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2，原假设H0即被接受，反之则H1被接受。倾斜度β能够量化单调趋势，当β>0时，反映上升的趋势，反之则反映下降的趋势。

在突变检测中，统计量UFk为时间序列X按照顺序计算的秩序列标准化参数，UFk为标准正态分布，对于给定的显著性水平α，若|UFk|>Uα，表明序列存在明显的趋势变化。UBk为按照时间序列X逆序计算的秩序列标准化参数。若统计量UFk大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当UFk超过临界值，表明上升或下降趋势显著，超过临界值的范围确定为出现突变的时间区域。若UFk和UBk两条曲线存在交点，且交点位于临界线之间，则交点对应的时刻为突变开始的时刻，即为突变点。

2.2.2 水文法 “水文分析法”简称“水文法”，就是利用基准期实测的水文泥沙资料，建立降雨产流产沙数学模型，然后将评价期的降雨因子代入所建模型，计算出评价期的产流产沙量，与基准期的相比，即可评估出因降雨变化所引起的水沙变化量；再与评价期的实测水沙量比较，其差值即为水利水土保持综合治理等人类活动减少的水量和沙量。

2.2.3 水保法 “水保法”也称“成因分析法”，通过对不同地区水土保持径流试验小区观测的水土保持措施减水减沙资料统计分析，确定各单项措施在单位面积上的减水减沙量，即减水减沙指标，并按一定方法进行尺度转换后再推到流域面上；再根据各单项水土保持措施减水减沙指标和单项措施面积，二者相乘即得到分项水土保持措施减水减沙量。

笔者相信，以村落民俗志为基础的乡村研究，在当今中国重述“亚洲”、重写“世界史”和“全球史”的学术热潮中，不仅没有过时，而且不可或缺。毕竟，体察中国国情，理解中国道路，提炼中国话语，仍要以“在村落里研究”[注][美]克利福德·格尔茨：《文化的解释》，韩莉译，译林出版社，1999年，第29页。 的乡土中国学术实践为立足点。

3 结果与分析

3.1 降水量变化

3.1.1 降水量时段变化 清水河流域的各降雨特征不同时段值较多年平均值变化情况见图2，年降水量、汛期降水量、主汛期降水量在1958—1969年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年等时段内保持同增同减，雨量较多年均值的增大或减小变化趋势一致。1970—1979年，年降水量、主汛期降水量较多年均值增大，汛期降水量较多年均值减小；2010—2015年，年降水量、汛期降水量较多年均值增大、主汛期降水量较多年均值减小。就降雨特征参数的增减幅度而言，汛期降雨量在不同时段的变化幅度最大。

图2 年降水量、汛期降水量、主汛期降水量各时段变化值

3.1.2 降水量趋势及突变点检测 清水河流域1958—2015年的年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等的Mann-Kendall趋势检验统计值Z和倾斜度β见表1。年降水量、汛期降水量的Z值与β值均为正值，二者均呈增大趋势，但变化趋势并不显著，汛期降水量的增大速率大于年降水量；主汛期降水量的Z值与β值为负值，呈减小趋势，其变化趋势亦不显著。综上所述，各降雨特征值均无显著的变化趋势(显著性水平α=0.05，|Z0.05|=1.64)。

表1 降水特征值趋势检验

清水河流域1958—2015年的年降水量、汛期降水量、主汛期降水量的Mann-Kendall突变检验分别见图3—5。年降水量、汛期降水量、主汛期降水量等的统计量UF与UB虽有若干交点，但因UF均未超过临界值(1.96)，故三者均无显著变化趋势和突变点。

图3 年降水量Mann-Kendall突变检验

图4 汛期降水量Mann-Kendall突变检验

3.2 沙量变化与成因分析

3.2.1 沙量变化情况 泉眼山水文站位于清水河流域下游，是入黄控制站，控制面积为14 480 km2，不同时段年均沙量见图6。泉眼山站1957—2015年的多年平均沙量为0.248亿t，1957—1969年、1990—1999年、2000—2009年这3个时期的沙量较长时期均值偏多0.5%～79.2%，其中1990—1999年的沙量增幅最大为79.3%；1970—1979年、1980—1989年、2010—2015年这3个时期的沙量较长时期均值偏少22.8%～64.3%，尤其是2010—2015年减少最多。

图5 主汛期降水量Mann-Kendall突变检验

图6 泉眼山站不同时段年均沙量

3.2.2 沙量变化成因 影响入黄沙量变化的主要因素包括气候、水利工程、水土保持措施和经济社会发展4类。其中，气候因素属自然因素，主要指降水，其余3类均为人类活动因素。本文利用“水文法”能够定量计算各时期降雨变化与人类活动对流域沙量的影响，通过“水保法”能够求得流域面上各单项水土保持措施的减沙量及减沙贡献率。由于资料限制，未考虑水利水保工程及经济社会发展等因素对于流域沙量的影响。

(1) 降水与人类活动减沙量。本次建模对1958—1969年清水河流域各降雨特征值与天然产沙量进行相关分析，按照相关系数最大以及相互独立的原则，初步筛选出模型因变量，后使用不同类型模型进行适配，将决定系数最大的模型确定为该建模系列条件下的最优经验模型，进而逐年计算1970—2015年的“天然产沙量”，与1958—1969年基准期相比，得到各时段因人类活动和降雨变化所引起的泥沙减少量。

由相关矩阵分析知，“天然产沙量”与“主汛期降雨量”的相关系数最大为0.939 4，且p值小于0.01，二者的相关性显著。因此，建立以“主汛期降雨量”为自变量、以“天然产沙量”为因变量的模型。

(1)

式中：S为天然产沙量(万t)；P7-8为主汛期降雨量(mm)。

使用该模型逐年计算1970—2015年的天然年产沙量，人类活动年减沙量为同时段天然年产沙量与实测年输沙量的差值，降雨年减沙量为基准期天然年产沙量与基准期外各时段天然年产沙量的差值，计算结果见表2。其中，1958—1969年的天然年产沙量为还原沙量，引自黄河水沙变化研究资助项目的相关成果[8]。

表2 清水河各时段沙量及较基准期天然沙量减少值

各时段实测年输沙量、天然年产沙量、人类活动年减沙量、降雨年减沙量等的变化总体呈波动状态，无明显趋势。2000—2009年、2010—2015年的人类活动年减沙量与基准期天然年产沙量相比，分别减少了17.1%，47.1%；2000—2009年、2010—2015年的降雨年减沙量与基准期天然年产沙量相比，分别减少了41.5%，38.2%。2010年以来，泉眼山站实测年输沙量大幅降低，人类活动年减沙量大幅增加。

(2) 各项水土保持坡面措施减沙量。随着清水河流域治理力度的加大，流域面上水土保持措施对流域沙量的影响逐步增大，“水保法”能够定量评估其减沙作用：以1958—2015年的长系列年汛期降雨量为丰平枯评判标准，根据每年汛期降雨量的丰平枯情况和各单项水土保持措施的质量等级选取对应指标，各单项水土保持措施不同质量等级的面积按该年的措施质量等级占比进行面积估算，将选取的各单项水土保持措施减沙指标与对应面积相乘即得该年各单项水土保持措施的减沙量。各单项水土保持措施减沙指标根据“泥沙模数还原法”推求[9]。

清水河流域不同时段各项水土保持坡面措施减沙量见表3，各项水土保持坡面措施减沙贡献率为减沙量与基准期天然沙量的比值百分数，见表4。流域水土保持措施减沙量随时间呈增大趋势，2000年以来的减沙量增幅尤为显著，2000—2009年、2010—2015年的措施年均减沙量分别为425.86万t，733.77万t，减沙贡献率分别为7.1%，12.2%。其中，年减沙量在2010—2015年取得最大值，各项措施年均共计减沙733.77万t，减沙贡献率达12.2%；该时段内各项措施的减沙量均取得最大值，其中人工造林减沙量最大，减沙274.03万t，减沙贡献率为4.5%。

表3 不同时段水土保持坡面措施年减沙量 万t

表4 不同时段水土保持坡面措施年减沙贡献率 %

1958—2015年，清水河流域各时段的坡面水土保持措施减沙量见图7。各项坡面水土保持措施的减沙量均随时间增大；1999年以前，各项措施减沙量在各时段内的增大趋势与速率基本保持一致，措施减沙量由大到小依次为封禁治理、人工林、梯田、人工草；2000年以来，人工林、封禁治理的减沙量增速明显高于梯田与人工草，其中人工林减沙量最大，措施减沙量由大到小依次为人工林、封禁治理、梯田、人工草。

(3) 水库及淤地坝拦沙量。根据现有资料统计，截至2012年清水河流域共有水库108座，水库总库容为12.35亿m3(表5)。1956—1979年是水库建设最多的时期，座数占水库总数的67%，库容占水库总库容的86%。截至2012年清水河流域共有淤地坝302座，淤地坝总库容1.23亿m3，淤积库容0.53亿m3。2000年以来开展了大规模淤地坝建设，2000—2012年建设淤地坝261座，数量与库容约占总数的91%。

图7 清水河不同时段各单项坡面水土保持措施减沙量

表5 不同时期水库及淤地坝建设数量 座

清水河流域100座水库(不包括8座清水库)中有31座在1974—2012年进行过3～4次淤积量测量，水库淤积量约为3.17亿m3。清水河流域于2012年对302座淤地坝的淤积量开展过1次系统测量，淤积量为1 742万m3。根据杨吉山等[10]提出的水库与淤地坝拦沙量逐渐推算方法，使用实测资料计算不同时段的坝库年拦沙量，见表6。流域坝库拦沙量与水库、淤地坝建设密切相关，其中水库起主要拦沙作用，淤地坝拦沙量自2000年以来大幅增加。

表6 不同时期水库及淤地坝年拦沙量 万t

4 结 论

(1) 流域降雨的年内分配在不同时期存在较大差异，汛期降雨量在不同时期的变化幅度最大。Mann-Kendall趋势及突变检验表明，1958—2015年，年雨量、汛期雨量、主汛期雨量未发生显著变化及突变。

(2) 流域控制站泉眼山站1957—2015年的多年平均沙量为0.248亿t，各时段来沙量与降雨及人类活动密切相关，其中人类活动减沙量随时间呈先减小后增大的趋势。1990—1999年的来沙量最多，主要由于该时期降雨量偏大，尤其是汛期雨量为各时期最大值，故天然产沙量较多，且1980年以后流域水利水保工程及坡面水土保持措施量增幅缓慢，前期坝库已严重淤积，拦沙作用有限；2010—2015年的来沙量最少，主要原因为汛期雨量偏小，自2000年以来流域开展了较大规模的淤地坝与水土保持坡面措施建设，同期建成水库10余座，沟道工程拦沙及水保坡面措施减沙作用均大幅增加。

(3) 清水河流域自开展坡面水土流失治理以来，治理成效逐渐显现。2000年以来，各项坡面水土保持措施减沙量及淤地坝拦沙量均呈较快增大趋势，其中人工林与封禁治理的成效尤为显著。