罕台川流域水沙演变过程及驱动因素分析

2021-06-16郭月峰姚云峰刘晓宇

人民黄河 2021年6期

刘璐，郭月峰，姚云峰，祁伟，2，刘晓宇，杨燕

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特010018；2.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古呼和浩特010020；3.内蒙古自治区水土保持监测站，内蒙古呼和浩特010020）

罕台川为黄河内蒙古段十大孔兑（孔兑即山洪沟）之一，其生态环境恶劣，水土流失严重，风沙灾害频繁，防洪形势严峻，严重威胁区域生态环境，制约当地经济社会发展，山洪泥沙容易形成沙坝，堵塞黄河［1-2］，是主要的水土流失治理区域。

十大孔兑是位于黄河上游宁蒙河段的10条季节性支流，其由南向北并列汇入黄河，在暴雨的作用下极易形成高含沙洪水，造成黄河上游三湖河口至头道拐段的淤积［3］。目前针对十大孔兑典型流域西柳沟的研究较多，许炯心［4］对十大孔兑侵蚀产沙的时空变化及成因进行分析，发现流域输沙量集中于大雨大沙年份，产沙模数具有明显的空间分异特征，其变化过程主要是由暴雨特征的差异与流域下垫面的变化引起的；刘韬等［5］、王平等［6］、Qin等［7］主要从十大孔兑暴雨洪水产沙输沙关系、黄河上游孔兑高含沙洪水特点与冲淤特性、西柳沟流域暴雨产流产沙关系、内蒙古河段冲淤演变过程对水沙的响应等方面进行水沙相关特性分析研究；李璇［8］、张建等［9］分别对西柳沟流域水沙流失特点及治理措施、十大孔兑水沙特性及治理措施进行了探讨研究；冉大川等［10］、刘通等［11］分别对西柳沟流域水沙变化进行成因分析，结果表明人类活动与降水影响权重之比为0.45∶0.55，人类活动特别是水土保持和退耕还林还草，是影响该流域径流泥沙过程变化的主要因素；斯琴等［12］对罕台川流域进行水沙变化规律研究后发现该流域径流与输沙关系密切，且二者变化趋势基本一致。流域水沙变化是全球共同关注的问题［13-14］，而气候变化和人类活动交互影响下的流域水沙变化是全球泥沙研究的前沿和难点［15］。

鉴于此，基于罕台川流域水文资料，研究流域水沙关系，揭示水沙变化规律，分析流域水沙减少量以及降水和人类活动对流域水沙变化的贡献率，以此掌握流域内水土流失综合治理等人类活动对水沙及区域生态环境的影响作用，为黄河流域水土流失有效治理提供科学参考。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

罕台川干流全长90.4 km，流域面积1 030 km2；水土流失严重［12］，多年平均侵蚀模数为8 500 t/（km2·a），多年平均径流量为1 185万m3，多年平均输沙量为158万t；属于干旱大陆性气候区，气候干燥、风大沙多，多年平均降水量为312.9 mm，由南向北逐渐减少，其中风沙区雨量最少，年均200 mm左右。罕台川上游为丘陵沟壑区，是泥沙的主要来源区，其地表抗蚀能力极差，且植被覆盖度低，荒坡上优势植物群落为羊草和针茅，人工种植树种主要有柠条和沙棘等；中游为风沙区，主要受风蚀影响，流动沙丘活动频繁，主要植物有油蒿和沙竹；下游为冲积平原区，沟道坡降变缓，河床淤积严重。

1.2 基础数据来源

本次分析利用罕台川流域1981—2017年的水文资料。流域水文资料（年径流量、年输沙量）来源于鄂尔多斯市达拉特旗水文站；1983年无实测水文资料，采用双累积曲线法插补得到。流域降水数据来源于水文站以及罕台庙、青达门和耳字壕3个雨量站。流域水土保持综合治理资料来自野外实地调查、达拉特旗年报数据、内蒙古鄂尔多斯市水土保持局以及第一次全国水利普查公报。

1.3 研究方法

采用SAS软件INSIGHT模块对年径流量和输沙量进行置信椭圆相关分析，使之落入设定置信水平区域，若变量相关则置信椭圆呈扁长状，若变量不相关则置信椭圆呈圆形，变量相关程度与置信椭圆长半轴的长度成正比，置信椭圆可直观反映变量相关程度。

累积距平法［16］是将要素值与其多年平均值的偏差进行累积，可以直观而准确地表达罕台川流域水沙阶段性变化特征。滑动平均法［17］基于水文序列逐年增减新旧数值并作均值处理，得出新的水文时间序列，这样可以消除偶然变动因素，体现其变化趋势。双累积曲线法［18-19］可用于分析水文要素的趋势性变化及变化强度，本文采用该方法分析罕台川流域人类活动是否对径流、输沙造成影响及其贡献率。

绘制罕台川流域降水量、输沙量及径流量双累积曲线，将转折变化前视为天然期，转折变化后视为变化期。建立天然期降水量、输沙量与径流量关系曲线拟合模型，从而计算出变化期年输沙量和年径流量模拟值，再利用以下公式计算降水量及人类活动对流域输沙量、径流量变化的贡献率。

式中:ΔW水（s、w）、ΔW人（s、w）分别为降水及人类活动影响输沙量、径流量所产生的变化量；R1（s、w）实测、R2（s、w）实测分别为天然期及变化期输沙量、径流量实测值，其中s、w分别表示输沙量、径流量；R2（s、w）模拟为变化期输沙量、径流量模拟值；C水（s、w）、C人（s、w）分别为降水及人类活动对流域输沙量、径流量变化的贡献率。

在数据处理过程中利用Excel、SAS9.0、SPSS以及Origin软件进行统计分析、差异显著性分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 流域水沙演变过程分析

2.1.1 水沙相关关系分析

对罕台川流域输沙量与径流量进行相关性分析，结果见表1。由表1可知各时段输沙量与径流量高度相关，相关系数R2均大于0.8，对相关系数进行显著性检验，P值均小于0.05，达到显著相关。

表1 罕台川流域输沙量与径流量相关性分析结果

由径流量与输沙量相关关系的置信椭圆（见图1）可以看出，罕台川流域1981—2017年输沙量与径流量相关性置信椭圆呈较扁长状，其中在2000—2009年、2010—2017年输沙量与径流量相关性置信椭圆呈极扁长状，表明罕台川流域径流量与输沙量之间存在着显著的正相关关系。

图1 罕台川流域输沙量与径流量相关性置信椭圆

2.1.2 水沙年际变化分析

选取1981—2017年罕台川流域水沙资料进行年际变化情况分析，见表2。由表2可知，1981—2017年径流量及输沙量变差系数分别为1.173、2.434，说明近40 a来罕台川流域径流量和输沙量年际差异显著，且输沙量的年际变化程度大于径流量的。

表2 主要水文要素统计特征值

1981—1989年罕台川流域多年平均径流量和输沙量均最大，径流量和输沙量以及降水量的变差系数分别为1.078、1.750、0.284，表明这一期间各水文要素变化显著、分布不集中，产生的大量径流和泥沙主要受降水因素的影响。从总体来看，降水量多年变化呈波动状，变差系数变化幅度较小，但径流量与输沙量变差系数总体呈下降趋势，径流量和输沙量的多年平均值逐年代减小，且近些年在降水量增加的情况下对降水的响应趋于迟缓。

2.1.3 水沙变化趋势分析

由图2～图4可见，罕台川流域年输沙量和年径流量均有波动，年径流量变化幅度更加明显。从水沙滑动平均变化曲线可以看出自1998年开始径流量和输沙量总体呈下降趋势，其中输沙量下降趋势更加显著。与径流输沙变化趋势不同，总体呈波动上升趋势，多年平均降水量为317.6 mm。

水沙变化表现为3个阶段（见图4）:①1981—1993年，径流量和输沙量处于明显波动状态，其中1989年径流量与输沙量呈骤升趋势与该年雨量强度大有关；②1994—1998年，径流量和输沙量处于上升趋势，可能与同期降水量较大有关；③1998—2017年，罕台川径流量及输沙量持续显著下降。

图2 罕台川流域年径流量和输沙量累积距平变化情况

图3 罕台川流域年降水量波动变化趋势

图4 罕台川流域年输沙量、径流量波动变化趋势

2.2 流域水沙变化驱动因素分析

2.2.1 径流量、输沙量趋势转折点的确定

罕台川流域径流量及输沙量都分别于1989年、1998年发生明显的趋势性变化（见图5）。1989年趋势性变化主要是因为该年份发生暴雨。1998年趋势性变化主要是因为该流域于20世纪90年代开始建设骨干坝、开展水土流失综合治理等，人类活动对流域径流量、输沙量变化发挥了作用，且该时段降水量未有明显的波动变化。因此，以1981—1997年为天然期，以1998—2017年为变化期。

图5 罕台川流域输沙量和径流量与降水量双累积趋势变化

2.2.2 降水产流产沙拟合函数的建立

基于Excel软件将罕台川流域天然期径流量、输沙量的累积值分别与年降水量的累积值进行拟合，得到相应的拟合函数，并对拟合函数进行F显著性检验。将罕台川流域1981—2017年降水量的累积值分别代入输沙、径流拟合函数，计算得到该流域1981—2017年累积年径流量、累积年输沙量的模拟值。

降水产沙拟合函数为

式中:S为累积输沙量，万t；X为累积降水量，mm。

该拟合函数在P＜0.001的显著性水平上通过F检验，说明该函数可靠性强，达到极显著相关，可作为计算模拟值依据。

降水产流拟合函数为

式中:W为累积径流量，万m3。

该拟合函数在P＜0.001的显著性水平上通过F检验，说明该函数可靠性强，达到极显著相关，可作为计算模拟值依据。

基于产流产沙拟合函数，分别计算罕台川流域1981—2017年（缺1983年实测资料）累积年径流量及累积年输沙量，再与1998—2017年（变化期）累积年径流量及累积年输沙量实测值进行比较（见图6）。1981—1997年（天然期）径流量及输沙量的模拟值与同期实测值基本吻合，而1998—2017年径流量及输沙量模拟值均大于实测值，且输沙量模拟值与实测值差异程度大于径流量差异程度。

图6 罕台川流域年径流量和输沙量模拟值与实测值对比

2.2.3 降水与人类活动对水沙变化贡献率分析

降水及人类活动对水沙变化贡献率计算结果见表3、表4。1998—2017年（变化期）罕台川流域年均减水568万m3，减少率为43.73%，其中降水对径流量减少过程发挥36.09%的抑制作用，人类活动对径流量减少过程发挥136.09%的促进作用；1998—2017年（变化期）罕台川流域年均减沙222万t，减少率为80.73%，其中降水对输沙量减少过程发挥6.30%的抑制作用，人类活动对输沙量减少过程发挥106.30%的促进作用。罕台川流域减沙效果大于减水效果，且其中水土流失综合治理等人类活动为引起1998—2017年径流量、输沙量变化的主要驱动因素。