淤地坝和植被变化对渭河流域水沙情势的影响

2021-09-16高慧滨郝振纯

水力发电 2021年6期

鞠琴，王尧，王哲，高慧滨，郝振纯，王维

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098;2.长江保护与绿色发展研究院，江苏南京 210098；3.海河水利委员会水文局，天津 300170)

气候变化、人类活动和水文循环三者之间的相互干预和影响是当今科学研究的一个重要命题。基于长序列水文资料的统计分析作为研究气候变化与人类活动对径流影响的基础方法，已经应用到国内外众多流域[1]。在我国黄河流域中游地区，气候变化和人类活动对径流影响的相关研究表明，人类活动比气候变化对径流减少的贡献更大[2]。

渭河是黄河流域面积最大、来水来沙量最多的一级支流，研究其水文要素的变化可以为定性定量分析气候变化和人类活动对水文过程的影响、探讨适应性对策等提供重要参考。应用Mann-Kendall法或聚类分析法，结合线性回归法验证和比较，徐宗学等[3]认为渭河流域内降水、径流总体呈减少趋势；左德鹏等[4]进一步用敏感性系数法估算了各因素对径流变化的贡献，认为径流对降水变化最敏感；候钦磊等[5]认为在影响径流变化的因素中，人类活动影响大于降水影响，同时R/S分析结果表明径流的递减趋势将会持续。从空间上看，通过分析上、中、下游代表水文站的径流年内分配，杨美临等[6]认为流域下游径流的年内不均匀性和变化幅度都大于上游，Zhao[7]分别分析了5个子流域径流的变化趋势，结果表明流域西部的径流减少趋势最显著，与降水的空间变化一致。

已有研究多侧重对径流变化分析，探讨其与气象因子变化趋势的一致性，反映水文循环对气候变化的响应，或是定量分析减水减沙量来验证水土保持工程的有效性，缺乏对水沙变化趋势的综合讨论和原因分析。本文以1965年～2016年的最新序列资料为基础，综合分析了水沙的时空变化趋势及其与植被覆盖变化和水土保持工程建设的关系，既可验证时间序列延长后水文要素的变化趋势是否发生改变，也为已有研究的趋势预测结果提供了检验与参考。

1 研究区域概况

渭河流域咸阳站以上区域(以下简称“渭河流域”)(见图1)，面积46 827 km2，多年平均降水深566.6 mm；降水主要集中在中游南部地区，空间分布由西北向东南递增，中心从春到冬逐渐东移。流域整体属资源型缺水地区，水旱灾害频繁、洪涝灾害严重[8]。

图1 渭河流域概况

2 资料与方法

2.1 资料

以渭河流域66个雨量站和7个水文站的长序列降水、流量和含沙量资料为基础，结合NDVI图幅资料和淤地坝调查数据，计算了流域面平均雨量、径流量、输沙量和植被覆盖度等要素。其中，流域出口控制站咸阳站的径流量和输沙量序列为1965年～2016年；北道、天水、武山、秦安、甘谷和社棠站的水沙同期资料为2004年～2014年；降水量同期序列为1979年～2014年；GIMMS NDVI的半月合成数据集时间序列为1982年～2015年，空间分辨率0.083°×0.083°，来自美国国家航天局(https:∥ecocast.arc.nasa.govdatapub/gimms/3g.v1/)。

本文将时间序列按年代划分为5个时段，分别是：1965年～1969年、1970年～1979年、1980年～1989年、1990年～1999年及2000年后(2000年～2016年)。

2.2 方法

2.2.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall法(以下简称“M-K”法)适用于平稳的独立随机同分布序列。

2.2.2 Pettitt突变检验

Pettitt法是一种对存在趋势变化序列进行突变检验的非参数方法。该法使用Mann-Whitney的统计量Ut，N来检验要素的均值变化，从而确定突变时间。当Ut，N达到最大值并通过显著性检验时，认为该点是显著变异点[10]。

2.2.3 基于R/S的Hurst系数法

Hurst系数是一种判断时间序列属于随机游走还是有偏过程并定量表征其持续性的指标。最常用的计算方法是R/S分析法[11]，即将极差R与标准差S的比值定义为重标极差，将多组重标极差值应用最小二乘法回归分析，得到Hurst系数的近似值h。当h=0.5时，表明时间序列随机游走，未来趋势无法确定；当0≤h<0.5时，序列未来变化趋势与现在相反；当0.5

2.2.4 小波分析

小波是一种长度有限且均值为0的特殊波形，通过小波变换和小波方差可以揭示时间序列的周期性，符合水文水资源系统的时变性特征，在水文学中有广泛的应用。应用小波分析方法的重要前提是选择合适的基小波函数ψ(t)。本文选取Morlet连续复小波变换来分析径流的多时间尺度特征[13]，通过小波方差图分析序列中不同尺度周期震荡的相对强度，进一步得出序列存在的主周期。

2.2.5 植被覆盖度估算方法

本文获取的GIMMS NDVI 3g原始数据为全球范围的netCDF文件，经过格式转换、投影变换、裁剪等预处理后得到研究区范围的NDVI栅格数据集。

应用最大值合成法，将多幅图像中各栅格的最大像元值作为结果，得到逐年NDVI数据。此方法可以消除大气中云、太阳高度角、水汽和气溶胶等因素的影响[14]。

最后根据像元二分模型，使用NDVI计算植被覆盖度[15]

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

3 分析与结果

3.1 径流量和输沙量的年际变化

1965年～2016年间，渭河流域径流量年际波动较大(见图2)，年径流量最大值可达77.22亿m3，最小值为52.79亿m3，多年平均年径流量为34.26亿m3，变化率为-0.58亿m3/a。径流量经历了增长—下降—增长的过程，总体呈下降趋势。流域输沙量显著减少(见图3)，多年平均输沙量为0.81亿t，变化率为-0.4亿t/10 a，其中汛期多年平均输沙量为0.78亿t，占年输沙量的92.9%，与年输沙量的变化趋势一致。从图2和图3径流量和输沙量各年代的趋势线可以看出，20世纪90年代斜率最大，变化最显著。

图2 径流量年际变化

图3 输沙量年际变化

3.1.1 年际变化趋势

对径流序列进行M-K趋势检验，结果如表1所示。|Z|>2.58，通过了α=0.01的显著性检验，径流减少的趋势极显著。从UF曲线(见图4)可以看出，年径流量在20世纪60年代末期有不显著的增加趋势；自1970年之后呈下降趋势；90年代中期之后，UF曲线超过显著性水平线，下降趋势极显著。

表1 径流量、输沙量各项检验结果

图4 径流量和输沙量的UFUB曲线

进一步对径流序列的减少趋势进行持续性检验，计算得到Hurst系数值h=0.8971，表明序列具有很强的正持续性，渭河流域的年径流量将持续减少。Pettitt突变检验结果表明流域径流减少的突变时间为1993年。

同理，输沙量的M-K结果(见表1)也通过了显著性检验，减少趋势极显著。流域输沙量从20世纪70年代开始持续减少，自90年代开始以极显著的水平减少。输沙量变化的正持续性比径流量更强，流域输沙量将持续减少。输沙量的突变时间为1994年，与径流的突变同期。结合水沙的各项检验结果可以得到，流域自20世纪70年代至今减水减沙明显，水沙的减少趋势具有很强的持续性，90年代是水沙突变和剧变的时期。

从小波分析的结果来看，年径流序列存在3个较为明显的峰值，依次对应11、7 a和4 a的主周期，其中11 a左右的周期震荡最强，是年径流变化的第一主周期，7 a左右和4 a左右的周期震荡相当。在实部等值线图(见图5)中，11 a左右的时间尺度有明显的“枯—丰”周期震荡，在1965年～1967年、1971年～1974年、1979年～1982年、1987年～1990年、1995年～1999年各时段为负相位，年径流偏枯；在1968年～1970年、1975年～1978年、1983年～1986年、1991年～1994年各时段为正相位，年径流偏丰。11 a左右的周期在1965年～2000年左右非常稳定，4～7 a的周期在1980年～2014年左右比较稳定。

图5 年径流小波方差及实部示意

3.1.2 年代间变化趋势

从各年代来看，流域20世纪60年代的径流量没有明显变化趋势，70年代至90年代的径流量都呈减少趋势，减水率依次增大，90年代减水趋势较显著，2000年后径流量呈上升趋势，以0.53亿m3/a的变化率逐渐增加；通过比较各年代间的极值比和变差系数可以看出，流域径流年际变化的不均匀程度总体在增加。其中，20世纪90年代的极值比和变差系数最大，径流年际变化最剧烈；与径流量相比，流域输沙量在各年代的变化略有不同；70年代输沙量没有明显的变化趋势，但年际间变化较剧烈，其他年代的输沙量呈减少趋势，且显著程度随时间增加；90年代和2000年后减沙趋势显著，通过了α=0.05的显著性检验，年际变化不均匀程度也更大，见表2。

表2 20世纪各年代径流量、输沙量特性

3.2 径流量和输沙量的年内分配

为了进一步分析渭河流域内径流量的变化情况，选取干流上的武山站和北道站作为对比，对渭河流域2004年～2014年的径流年内分配进行分析。

从渭河流域武山、北道、咸阳3个水文站不同时段月均径流量变化图(见图6)可以看出，三站的径流量主要集中在5月～10月份，约占全年径流的75%，年内分配表现为“三峰型”，咸阳站的峰值出现在5月、7月、9月，武山和北道站的峰值出现在5月、7月、10月。

图6 咸阳站、武山站、北道站径流量年内分配情况

而输沙量则主要集中在6月～8月，为“单峰型”，峰值出现在6月～7月。结合流域降水量的年内分布可知，输沙量比径流量更集中，沙峰较洪峰提前，与降水的年内分布特点一致(见图7)。暴雨径流是渭河泥沙产生的主要原因，在暴雨月份，含沙量达到最大，输沙量出现极值，但流量和载沙量的极值并非同时出现，因而水沙错峰，同时，由于有汇流时间，洪峰比暴雨发生时间稍晚，呈现出先雨峰和沙峰，后洪峰的规律。

图7 咸阳站径流量、输沙量年内变化

3.3 径流量和输沙量的空间分布

本文另取流域中天水、武山、秦安、甘谷、社棠5个水文站2004年～2014年的同期泥沙资料，进一步分析渭河流域泥沙的空间分布。

各站的水沙特性如表3所示，天水站以上区域以2.1%的面积产生了4.6%的泥沙和1.9%的径流，社棠站以上区域以3.9%的面积产生了7.8%的泥沙和4.3%的径流，甘谷站控制区域以5.2%的面积产生了24.4%的泥沙和0.7%的径流，武山站控制区域以17.0%的面积产生了41.6%的泥沙和12.2%的径流，秦安站控制区域以20.7%的面积产生了24.8%的泥沙和4.5%的径流。

表3 渭河流域各水文站水沙特性统计

可以看到，渭河流域2004年～2014年间的水沙主要来自武山和秦安站以上流域，即渭河上游和北岸一级支流葫芦河。从输沙模数来看，甘谷站输沙模数最大，其控制面积内散渡河流域水土流失严重，河道输沙能力大；从径流模数来看，中游社棠站及流域出口的咸阳站径流模数较大，流域整体径流模数变化较大，极值的变化幅度从甘谷站的0.817万m3/km2到社棠站的6.88万m3/km2。

3.4 水沙关系

从不同时期降水径流关系图8a和水沙关系图8b可以看出，各年代的降水径流关系和水沙关系都发生了很大变化，相关点随年代递进整体向下偏移，相同降水量条件下，20世纪80年代产生的径流最多，2000年后产生的径流最少；相同径流条件下的输沙量也在不断减少。降水径流双累积曲线(见图8c)呈明显的3段变化，转折点分别是20世纪90年代初和21世纪初，3段曲线的斜率从小到大依次是：20世纪80年代、2000年以后、20世纪90年代，表明径流对降水的响应依次减弱，人类活动的影响依次增强。其中，90年代人类活动对降水径流关系影响最大可能与该时期水土保持措施面积最大有关。水沙双累积曲线(见图8d)也有明显的3段，依次向径流轴偏转，斜率减小，输沙量递减，转折点出现在20世纪70年代末和21世纪初。

图8 渭河流域降水-径流关系和径流-输沙关系及双累积曲线

3.5 原因及讨论

水土保持工程建设是人类活动干预流域水循环的一个重要方面，渭河流域是我国最早开展水土保持工作的地区之一，退耕还林还草和淤地坝建设作为水土保持的重要代表性工程，对流域水沙情势的变化有一定影响。

渭河流域1982年～2015年如图9所示，M-K趋势检验结果为Z=2.372，整体呈显著增加趋势。从图9中还可以看出增加趋势有明显的分段变化，故结合退耕还林政策实施时间，以1999年为界分段检验，得到2000年前Z=0.227，流域植被覆盖度略有增加，进入21世纪后Z=3.827，增加趋势极显著，流域植被覆盖度整体得到明显改善，退耕还林作用显著。

图9 渭河流域植被覆盖度年际变化

结合前文水沙变化趋势，总体来看，植被覆盖度与水沙变化呈负相关，从各年代来看，除了2000年后植被覆盖度与径流变化呈正相关，其他都为负相关。

从空间分布来看，渭河流域的植被覆盖度整体呈东多西少，南多北少，中下游地区覆盖度最高。图10分别给出了1982年、2000年、2015年的覆盖度空间分布，平均植被覆盖度分别是48.44%、50.69%和67.10%。20世纪80年代和90年代期间中游地区盖度略有增加，2000年后中上游地区植被覆盖度显著恢复，流域内盖度超过80%的面积也有所扩大。

图10 渭河流域植被覆盖度空间分布

根据渭河流域截至2015年的淤地坝调查资料，咸阳站以上范围包括的甘肃、宁夏、陕西三省各年代建设淤地坝数量分布如图11所示，2000年后建成淤地坝的数量最多；宁夏境内淤地坝数量最多，甘肃次之，陕西境内的主要建成于2000年后。

图11 渭河流域20世纪各年代及2000年淤地坝建设情况

由于水土流失问题严重，关于我国黄河流域水沙对水土保持建设的响应已有众多研究成果。相关分析表明，土地利用/覆被变化对流域水沙过程有很强的调控作用，对径流减少的影响程度超过50%[16]，渭河干流中下游年径流对退耕还草响应明显，干流径流减少程度大于支流[17]；淤地坝的减水减沙作用在水土保持措施中占主导地位，但呈衰减趋势，渭河流域20世纪90年代水土保持措施面积最大，水沙减少量最大[18]。

本文对渭河流域水沙变化的分析结果与水土保持工作的开展和已有的研究结论基本一致；但2000年后盖度与径流呈正相关关系，这与多数研究中径流随盖度增加而减少的结果略有不同，而是和径流量与植被覆盖度相关性较弱[19]有关，也可能与近年来淤地坝减水作用的减弱有关。水沙变化是多种因素复合影响的结果，本文仅以植被覆盖度为指标简要分析了径流和土地覆被变化的关系，代表性较弱，若要深入分析水沙变化的驱动因子，还需用其他相关性更高的植被因子做进一步检验，同时分离量化不同因素对水沙减少的贡献率，以便进一步探讨影响机理。

总的来说，土地覆被变化在一定程度上改变了流域下垫面条件，在与淤地坝等水土保持工程建设为代表的人类活动综合影响之下，渭河流域的水沙明显减少，水土保持作用显著。