黄土高原典型流域河川径流水文情势变化及其归因分析

张舒羽, 赵广举,2, 穆兴民,2, 田 鹏, 高 鹏,2, 孙文义,2

(1.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学 资源与环境学院, 陕西 杨凌 712100)

近年来，随着人类活动的日益加剧，世界大约有24%的河流径流量变化发生显著变化[1]，如美国的哥伦比亚河[2]、埃及的尼罗河[3]、中国的长江[4]与黄河[5]人类活动主要是通过大型基础设施(如水库)、城市化和生态恢复等方式改变河流水文情势，但河流的可取水量和其自然流动状况可改变的程度必然有限。为此，诸多学者[6]分析了河流水文情势变化及其主要驱动因素，以满足生态系统对水的需求。Richter等[7]提出了与自然水流状况相关的水文变化指标(indicators of hydrologic alteration, IHA)评估河川径流情势变化情况。为了反映河流生态系统受影响的程度，使用变异性范围(RVA)法可以分析河流不同时期水文指标值的可被改变的程度[8]。Yang等[9]采用RVA法对黄河中下游水文情势改变程度进行了评价，结果表明小浪底水库对花园口站水文情势影响较大。Zhang等[10]在使用IHA/RVA法的基础上，结合与IHA指标具有良好相关性的生态指标，来分析大坝建设与生态水流状况之间的关系，发现黄河上中游段水文情势因梯级水库的调度发生了较大的变化。Tian等[11]采用IHA/RVA法分析评价了无定河流域的水文改变度，并发现其与水文连通性指数(IC)和流域水库指标(RI)具有较好的相关性，表明土地利用变化和水库是改变河流水文情势的重要指标。此外，亦有相关研究分析水利工程及林草植被措施对基流、年径流系数等水文变量的影响[12]，但少有研究利用IHA指标体系综合评价不同水土保持措施配置模式下的河川径流水文情势变化特征。

黄河干支流水文情势的改变源于黄土高原地区大规模水土保持措施的实施、干流水库群建设及不同河段的取用水。1996年以来，黄土高原的水保措施取得了显著的成效，使得黄河中游水沙急剧减少[13]。为进一步明确不同水土保持措施对河川径流的水文情势变化，本文选取梯田为主的散渡河和淤地坝为主的大理河，采用IHA与改进的RVA法评价了河川径流水文情势变化特征，量化了降雨变化与人类活动对径流变化贡献率。研究结果可为区域水土保持措施空间配置优化提供决策，对实施黄土高原未来水土保持，助力流域高质量发展战略的实现具有重要意义。

1 研究区概况

黄土高原位于黄河中游，地处半湿润半干旱的气候过渡带。作为黄河泥沙的主要源头，黄土高原的水土流失影响着黄河的生态安全，是实施水土保持和生态修复工程的重点区域[14]。本文选取该区域内实施水土保持措施的典型流域——散渡河和大理河作为研究区。散渡河流域位于渭河上游，河长228 km，甘谷水文站设在距河口1 km处，流域面积为2 484 km2。该流域为大陆性季风气候，降水偏少，气候干燥。流域内几乎全部为黄土覆盖，植被覆盖度低，河流挟沙量大。面对恶劣的自然条件和严重的水土流失问题，自20世纪70年代以来，该流域进行了以坡改梯为主的水土保持措施综合治理。大理河流域地处黄土高原中部，是无定河最大的一级支流。流域干流全长170 km，起源于靖边县。绥德水文站为大理河流域出口水文站，集水面积为3 893 km2。大理河流域属于暖温带半干旱大陆性季风气候，降水年内分配不均并且降水历时短，强度大。该流域属于黄土丘陵沟壑区，地形破碎严重，沟壑纵横，主要土壤类型为易受侵蚀的黄绵土和新积土。流域土壤侵蚀严重，也是黄河流域粗泥沙的主要来源区之一。截止2011年，流域内累计建设骨干淤地坝 279座[15]，受坝库工程的调蓄作用，近几十年来河流输沙量出现显著下降趋势。

2 材料与方法

2.1 数据来源

分别收集整理了散渡河和大理河流域出口的甘谷和绥德水文站1965—2018年的实测日径流数据，以及流域内雨量站的月降雨量数据。其中，54 a间的日径流数据序列资料来源于水利部出版的《中华人民共和国水文年鉴—黄河流域水文资料》，降雨量数据从中国气象数据科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/)获得，并运用反距离加权方法插值得到流域年平均降雨量。2017年各流域的水土保持措施(包括梯田、淤地坝和水库)的空间分布是通过Google Earth卫星影像进行手动勾绘得出，并在流域内选取了8个1 km2左右的典型小流域进行无人机航拍，对勾绘数据的精度进行了验证，结果表明平均解译精度超过了90%。

2.2 研究方法

2.2.1 径流时间序列分析 采用线性趋势法，非参数Mann-Kendall(MK)趋势检验法、累积距平法对年流量进行趋势性和突变性检验。采用流量与降雨量双累积曲线量化分析人类活动与降雨对径流变化的贡献率。受篇幅限制，上述4种较为常用方法的具体计算步骤可参考相关文献[16-18]。

2.2.2 改进的水文变异范围法 为了定量分析水土保持措施对河流水文情势的变化程度，本研究采用了包括流量、流量脉冲、发生时间、历时和改变率等5个方面32个水文变化指标(indicators of hydrologic alteration, IHA)对河流的水文特征进行描述，具体参数详见表1。在此基础上，采用欧氏距离计算径流突变年份前后典型年份(丰、平、枯水年)的变化；结合IHA水文特征指标的改变度和欧氏距离，计算河流水文情势的综合改变度。

表1 IHA指标参数分组描述

(1) 单一指标改变度。代表单一指标的改变程度(Di)，具体计算方法为：

(1)

Nei=ri·NT

(2)

式中：Di表示第i个IHA指标的改变程度；N0i表示第i个指标在变化后实际落入变化范围内的年数；Nei表示第i个指标变化后预期落入变动范围内的年数；ri表示变化前第i个指标落在变化范围内的比例；NT表示变化后受影响的径流量总年数。

(2) 水文情势综合改变度。为直观地评价流域水文特征的变化，体现出各指标权重大小，用公式将32个水文指标联系起来，并对较大的Di值赋予较大权重，计算出河川水文情势变化的综合改变程度D0：

(3)

一般将Di和D0分为3个等级进行量化评价，即0≤|Di|<33%为无改变或低度改变，用L表示；33%≤|Di|<67%为中度改变，用M表示；67%≤|Di|≤100%为高度改变，用H表示。

(3) 考虑典型年份变化的综合改变度。Yin等[19]发现传统的河流水文情势变化评价方法低估了潜在的流态变化程度，为使得计算结果更为合理，其在此基础上考虑了径流典型年份的变化，对原RVA法计算的综合改变度D0进行了改进，采用欧氏距离计算典型年份即“丰水年、平水年和枯水年”的变化。丰、平、枯水年分别赋值2，1，0。径流突变前后典型年份的分布情况为(A1，A2， …，Aa)和(B1，B2，…，Bb)。Ai和Bi=0，1，2。欧氏距离(ED)由下面公式确定：

(4)

其中，k=0,1,2，…，n-k。并将计算出的欧氏距离进行标准化，计算公式为：

(5)

式中：S表示标准化后的欧氏距离，用于衡量径流的丰、平、枯水年的变化，变化范围为[0,1]，数值越大表示变化越大； ED表示欧氏距离；T表示典型年份的最大距离，当有3种典型年份(丰、平、枯水年)时，T=2。

根据Grantz等[20]所定义典型年的方法，将1965—2018年共54 a采用该方法划分为丰水年、平水年和枯水年，并将其考虑到综合改变度OD计算的公式中：

OD=1-(1-D0)(1-S)

(6)

参照Di与D的分级标准，OD一样划分为3个不同的等级来客观反映考虑典型年变化的综合水文改变的程度，便可以对河流水文情势进行量化，对河道生态系统的改变状况进行分析。

3 结果与分析

3.1 径流量变化趋势分析

3.1.1 径流年际变化特征 根据散渡河控制站甘谷站和大理河绥德水文站1965—2018年径流数据，采用线性回归分析流域径流的年际变化趋势(图1)。结果表明，近50 a来两个站的年径流量均呈现显著下降趋势(p<0.01)。比较而言，甘谷站流量的减少速率(1.51×106m3/a)略高于绥德站(1.06×106m3/a)。根据非参数MK趋势检验，甘谷站的标准统计量Z=|-6.55|大于绥德站(Z=|-2.716|)，表明甘谷站的径流量减少更为显著。

图1 甘谷站和绥德站1965-2018年径流量年际变化过程

3.1.2 径流情势的突变分析 从年径流量累积距平变化曲线可以看出(图2)，1965—2018年期间各站径流呈现出相对明显的阶段性变化特征。研究发现，两站的径流量累积距平以20世纪90年代为突变点，在突变点之前呈现波动上升趋势，此后呈波动下降趋势。综上分析，甘谷站和绥德站的径流量突变年份分别为1990年和1996年，并将整个研究时段分为两个时段：突变年份前的时期为基准期，后一时期因受降水以及人类活动影响较为显著被称为变化期。

图2 甘谷站和绥德站径流量累积距平突变点识别

3.2 流域生态水文变异情况

3.2.1 IHA水文指标变化 为定量评估甘谷站与绥德站的水文变异情况，依据突变年份分别计算突变前后不同时期的水文情势指标(图3)，各组指标的具体变化为： ①月流量中值。与突变前相比，甘谷站月流量中值均显著减小，且减小幅度均超过50%，其中以6月流量减少最多，而绥德站除1月流量增加5.93%外，其余月份均减小，以7月的1.96 m3/s降低至1.41 m3/s 的变化率最大；甘谷站月流量中值发生高度改变居多，而6月和8月改变度最小，为63%和54%，属于中度改变。在绥德站，仅8月、11月流量变化最为剧烈，属于高度改变。 ②年极端流量大小。由图3可看出，自1990年后甘谷站的年极端流量均减小，年最小90日(d)流量的减小量最多，最大3 d流量的减小量最少。绥德站仅年最小1 d，3 d流量呈增加趋势，其余指标均减小；分析年极端流量改变度发现，甘谷站年最小流量均为高改变度，而年最大1 d，3 d流量改变度为26%和54%，分别为低、中度改变。绥德站年最小7 d流量的改变度最大，数值为58%，属于中度改变。 ③年极端流量发生时间：甘谷站在变化期，每年极端流量发生时间均推迟，其中年最小流量为高改变度，出现日期推迟了13.5 d，属于高度改变，但年最大流量出现日期为低度改变；在绥德站，突变后每年极端流量出现的时间均有小幅缩短，属于低度改变。两站的基流指数较突变前均有明显增加，绥德站基流指数的变化率和改变度较甘谷站高。 ④高、低流量的频率及历时。由图4可以看出，两站的低流量脉冲历时增加，高流量脉冲次数减小且历时未出现变化。低流量脉冲历时和高流量脉冲次数，在甘谷站的水文改变度均达到80%左右，属于高度改变。但在绥德站，低流量脉冲历时和高流量脉冲次数分别属于低度和中度改变。其次，突变后低流量脉冲次数在甘谷站增加了27.59%，为低度改变；在绥德站减小了11.54%，为中度改变。 ⑤流量变化改变率及频率：突变后，甘谷站流量增加率和减少率均减小，逆转次数由138次减少至102次，改变度高达100%；在绥德站流量增加率和减少率较突变前均减少了大约46%，属于高度改变。流量逆转次数也有小幅减少，但为中度改变。河流流量逆转次数大小关系着河流的生态水文节律。

注：图中各指标符号对应表1 IHA指标名称。下同。

3.2.2 水文情势改变度变化 由表2可知，甘谷站第1组水文指标改变度最大(为69.77%)为高度改变，其他组的水文指标均为中度改变；绥德站除第5组水文指标改变度为34.05%，属中度改变外，其余水文指标为低度改变。两个站点不同的改变程度，表明了水文突变对河川径流水文情势的影响程度不同。采用RVA方法计算的甘谷站和绥德站的综合改变度D0分别为高度改变(76.1%)和中度改变(34.56%)，可知两个水文站的水文指标在变化期发生显著改变，以散渡河水文情势变化最为显著。但为了考虑径流的典型年份变化的影响，计算了标准化后的欧氏距离S(表2)，可知甘谷站和绥德站的改进的综合水文改变度OD分别为90.12%和60.66%。比较改进前(D0)后(OD)综合水文改变度大小可看出，将径流典型年份的变化纳入水文情势变化评价后，两站的综合水文改变计算值增大，RVA法低估了流域水文情势综合改变度大小。

表2 甘谷站和绥德站水文情势综合改变度计算结果

3.3 水文情势变化的归因识别

河川径流的变化在流域内受到气候变化与人类活动两大因素的共同作用。为对两流域径流的变化进行归因辨析，在基准期与变化期分别对累积径流量与累积降水量进行线性回归分析。由图4双累积曲线所示，甘谷站的基准期与变化期内年份与累积径流量之间的线性关系的斜率分别约为1.30×105m3/a与5.00×104m3/a；而绥德站斜率分别约为3.30×105m3/a与2.40×105m3/a。曲线的斜率代表单位降雨产生的径流量，变化期的线性拟合方程的斜率明显减小，表明人类活动导致流域的径流量发生了变化。径流实测值远远小于计算值(表3)，说明受人类活动的影响，流域的径流量显著减小。在甘谷站，人类活动与降水变化对径流减少的贡献率分别为79.07%和20.93%；而在绥德站，人类活动是径流量减少的主要驱动力。由此看出，近几十年来河川径流减少主要是受到了人类活动影响，如坝库建设和水土保持措施实施。

图4 两站1965-2018年降水-径流双累积曲线

表3 不同时段降水与人类活动对各站的径流减少的贡献分析

4 讨 论

20世纪60年代以来，黄土高原实施了大规模的水土保持措施。据统计截止2015年，黄土高原已修建梯田5.50×106hm2，主要分布在黄河上游和渭河中游地区；淤地坝5.84万座[21]，其中大型淤地坝5 500余座。1999年后，大规模的退耕还林(草)使得黄土高原植被状况显著改善。通过MODIS影像分析可知，黄土高原植被覆盖度由 1999年的30%左右提高到2018年的近70%[22]。大规模的梯田、淤地坝、植树种草等水保措施是导致黄河泥沙锐减的根本原因，其对流域产汇流、产输沙过程产生显著的影响，进而改变河川的水文情势。如图5所示，散渡河流域分布着大面积的梯田，占该流域总面积的72.76%，大理河流域以坝库工程为主，控制面积接近流域面积的50%(表4)，是导致径流量显著减少的主要因素。据调查，在渭河上游、泾河上中游等地，绝大部分梯田均为水平梯田[23]。梯田措施既改变了原地形的下垫面特征，也改变了降雨、径流的路径，同时使降雨径流就地拦蓄入渗，并将拦蓄的径流储存于土壤中，引起土壤水、壤中流及基流的增加，而储存在土壤水库的水分也增大了土壤蒸散及植物蒸腾，最终减少了流域总产流量。焦菊英等[24]研究发现水平梯田不仅可容纳本地产流，而且至少可承受3倍于自身面积的上方坡面汇水。比较均匀的小于50 mm的日降水量可以全部入渗，避免了径流的产生，起到了蓄水减沙的作用[25]。综合计算结果发现，散渡河的径流量和各指标大小在突变年后呈现明显的减小趋势，汛期的各月流量中值都有大幅度的减少，但以非汛期的改变度最大。低流量脉冲次数增加，年最小流量发生时间推迟。该流域综合水文改变度为高度改变，水文情势的变化对年最小30 d，90 d流量、最大90 d流量、流量变化改变率及逆转次数这些指标的影响更为深刻。由此可知，除了受降水等气候影响因素外，散渡河流域大规模的梯田措施的布设对径流水文情势具有重要影响，主要以减少径流为主且对水文流态的调控作用显著，同时该流域的河流生态系统稳定性易受到破坏[26]。研究发现淤地坝对黄土高原区的流域水文过程产生显著影响。一方面，坝地的淤积使得沟道形态发生改变，比降降低，过流断面面积变大，从而造成水流通道断面形态发生变化；另一方面，降低了沟道的过流能力，显著削弱了流域的洪峰流量[27]。大理河流域的淤地坝已于20世纪70年代开始修建，淤地坝可有效的削减沟道洪峰下泄，拦蓄泥沙[15]；水库则通过蓄洪补枯对径流的年内分配调整。总体而言，大理河年径流量呈减少趋势，但IHA指标减少幅度不大，说明水利工程措施坦化了河流洪峰过程。具体表现为，月流量中值在汛期减少而在非汛期略有增加，也一定程度上减少了低流量脉冲发生的次数。较为均一化的水流下泄过程，使得河流丰水期、枯水期的年内变化规律受到影响甚至会逐步消失，对枯水期的影响尤其明显[29]。

图5 散渡河和大理河流域水土保持措施的空间分布

表4 淤地坝、梯田和水库措施的控制面积及比例

5 结 论

(1) 散渡河和大理河流域的年径流量均呈现显著减少趋势，减少速率分别为1.51×106m3/a与1.06×106m3/a。年径流分别在1990与1996年发生突变，与人类大规模实施的水土保持措施密不可分。

(2) 以梯田为主要措施的散渡河流域，年径流的变异性较高，综合水文改变度为90.12%，属于高度改变，表明河川水文情势发生剧烈变化。变化期，大部分水文指标均呈大幅度减少，其中，月流量中值、年最小30 d，90 d流量、最大90 d流量、流量变化改变率及逆转次数为高度改变；而低流量脉冲次数增加，年最小流量发生时间的推迟；说明散渡河水文情势的变化对年最小值流量的影响更加剧烈，且梯田措施的布设主要以减少径流为主，其对水文流态的调控会对河流生态系统产生较为明显的影响。

(3) 以坝库工程为主的大理河流域，年径流变异性不大，综合水文改变为60.66%，属于中度改变。较基准期，变化期(1997—2018年)的大部分指标均呈减小趋势，变化率未超过50%。该流域汛期流量减小而非汛期增加，年最小1 d和3 d流量增大，低流量脉冲次数减小。表明坝库工程措施使得径流量发生了强烈的季节性变化，同时显著削减了洪峰，使流量过程坦化，形成了均一化的水流下泄过程，使得河流的典型年在年内的变化规律受到影响。

本文通过对比两个流域发现，相比坝库工程的建设，大规模的梯田布设会造成径流量显著减少。坝库工程措施布设可对径流量的年内分配进行调节，丰蓄枯补作用大大彰显。针对黄土高原的水土保持现状，需要结合生物措施制定水土保持优化配置方案，在有效减蚀拦沙的基础上，减少径流的损失。在对水资源进行合理的开发利用的同时，平衡生态用水量，重点考虑水文情势变化引发的潜在生态环境问题。建议应该注重梯田布设的规模，因地制宜推进分区精准治理，并优化水库调度模式，提高水资源可持续利用率。