乌江流域水沙变化趋势及驱动力分析

郭文献 赵瑞超 付体江 古今用

摘要：为对乌江流域水文变化趋势特征及其主要驱动力进行分析，采用Mann-Kendall非参数检验，滑动T检验和累积曲线等方法研究了乌江武隆站1965～2017年输沙量、径流量、降水量及其变化趋势与突变特征，采用累积量斜率变化率法定量计算了乌江流域气候变化和人类活动对输沙量与径流量变化的贡献率，并通过河流影响因子法（River Impact，RI）对乌江水沙情势改变度进行了分析。结果表明：乌江流域径流量、降水量、输沙量均呈下降趋势，其中输沙量的下降幅度最为显著。导致径流量和输沙量下降的主要驱动因素分别是气候变化与人类活动。乌江流域径流量发生轻度改变而输沙量发生严重改变。

关 键 词：水沙情势;水文改变度;累积量斜率变化率法;乌江流域;气候变化

中图法分类号：X826

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0071-08

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.012

0 引 言

乌江全长1 050 km，流域总面积为87 920 km2，横贯贵州省西部、中部和东北部及四川省东部，是长江上游右岸的最大支流，也是三峡水库最主要的水源补给河流之一[1]。乌江河口距三峡大坝仅489 km[2]，也是中国十三大水电基地之一[3]。1982～2013年乌江干流上先后修建了11座大型水库，这些大型水利工程的修建势必会在一定程度上引起乌江水沙特性发生改变[4]。近几十年来，乌江流域水文情势改变所产生的负面影响也越来越受到重视。国内同时出现了大量的科学文献研究了人类活动对河流水沙状况的影响，如吴晓玲等[5]利用水文资料对乌江上游水沙态势变异特征及其成因进行系统分析;陈松生等[6]初步评价了乌江流域的水沙特性及其原因;班璇等[7]采用了累积量斜率变化率法对汉江流域气象水文变化驱动力进行了分析;熊亚兰等[8]利用Mann-Kendall分析乌江水文特征和变化趋势，并采用双累积曲线法分析人类活动和气候变化对乌江水沙的影响。管晓祥等[9]采用Mann-Kendall、均值差异T等进一步分析了乌江流域水沙演变规律。但这些研究主要针对河流的水文年际变化特征，缺乏气候变化和人类活动对河流水沙情势改变的定量评价。

本文采用乌江流域武隆站实测径流、泥沙数据和流域内多年降水资料，在考虑到气候变化中降水对于河流水沙情势的影响最为显著，而气温、蒸发量等气候因素对河流水文情势的影响几乎在所有的流域中都明显受到降水差异的中和[10-11]，因此本文将降水作为影响乌江水沙情势的主要气候因子。在分析近几十年来乌江流域水沙年际变化特征的基础上，定量评价了气候变化和人类活动对乌江水沙情势的贡献率及改变程度，本次研究可为乌江流域河流生态保护研究提供参考和基础。

1 数据资料和方法

1.1 研究区域及数据

研究区域为乌江流域，流域集水面积87 920 km2，干流全长107 km，天然落差2 124 m，武隆水文站位于乌江下游，为乌江汇入长江的控制水文站，因此研究采用武隆水文站1965～2017年水文数据及流域内气象站多年降水数据资料分析近几十年乌江水文情势变化特征。其中径流量、输沙量数据来源于长江流域水文年鉴，降水资料来源于中国气象数据网（http：∥data.cma.cn/）。

1.2 趋势分析及突变检验

Mann-Kendall趋势检验通过计算时间序列数据的标准化变量Z，与某一置信水平α下的临界变量对比。计算标准变量Z为正表示有上升趋势，反之表示有下降趋势;当Z超出临界值时表明上升或下降趋势显著[12]。同时对原时间序列的逆序列进行同样的统计量计算，使UB=UF，若两条曲线在95%置信度水平内出现交点，表明在该时间点发生突变，方法具体计算见参考文献[13-14]。Mann-Kendall非参数检验不受样本值和分布类型的干扰，但是检验过程中可能出现多个突变点，需要对这些突变点进行验证。而滑动T检验法是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。其基本思想是把一气候序列中两段子序列均值有无显著差异视为来自两个总体均值有无显著差异的问题来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著水平，则可认为有突变发生 [15]，即可以计算某一基准点的统计量t并与临界值对比进行突变性检验[16]。本次研究采用Mann-Kendall法、滑动T检验法进行突变检验。

1.3 相关性分析

相关性分析是研究随机变量间相关关系的统计方法[17]。水文变量之间的相关分析主要通过计算相关系数揭示不同要素之间的密切程度。将两组随机变量xi和yi（i=1，2，…，n）的相关系数R定义为

式中：为变量xi的平均值;为变量yi的平均值。当R≥0.8时表示为高度相关;当0.5≤R<0.8时表示为中度相关;当0.3≤R<0.5时表示为低度相关;当R<0.3时表示为相关程度极低。

1.4 双累积曲线法

双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及变化的方法，通过在直角坐标系中绘制同时期内的一个变量连续累积值与另一个变量的连续累积值关系曲线，可用于水文气象要素一致性检验、缺值插补及趋势性变化和强度分析[18-19]。

1.5 河流影响因子

河流影响因子法主要考虑水文变量年际变化、极值发生时间变化、年内变化，将这3类影响因子定义为MIF（Magnitude Impact Factor，量级影响因子）、TIF（Timing Impact Factor，時间影响因子）和VIF（Variation Impact Factor，年内变化影响因子）并进行量化。MIF作为量级影响因子，其影响等同于TIF和VIF共同作用。河流影响因子RI计算公式为

VIF可由下式计算：

其中：

式中：RRI表示河流水沙情势变化系数;RRIpre和RRIpost分别表示河流改变前后水沙情势指数;MRRPk表示河流的月情势因子，计算过程参考文献[20-21]。

时间影响因子TIF主要考虑最大值、最小值和中值出现时间的变化，计算公式如下所示：

式中：TF表示时间变量指数;DTMax表示输沙量和径流量最大值出现时间改变量;DTMin表示输沙量和径流量最小值出现时间改变量;DTMedian为输沙量和径流量中值出现时间改变量。考虑到中值出现时间选取受水文数据统计方法限制，本次研究对式（7）进行精简，去除原方法中DTMedian作为参数[22]，即修改后时间变量指数的计算公式为

公式（2）中，当RI处于0.75～1.00时为低度改变，0.50～0.75为中度改变，0.25～0.50为高度改变，0～0.25为严重改变[24]。

1.6 累积量斜率变化率

累积量斜率变化率法由王随继等[23]提出，可用于定量评估人类活动与气候变化对河流泥沙改变的贡献程度。该法假设：如果年输沙量变化只受降水影响，则降水和输沙量随年份的累积曲线斜率为同倍比变化。将变量所有影响因素的综合定义为1，根据各种影响因素随时间累积斜率占变量累积斜率变化率的比值推求各种影响因素对变量的影响程度[24]。假定累积输沙量随时间变化在某一年出现拐点，拐点前后变量的斜率分别为YRa和YRb，累积降水量在拐点前后斜率分别为YPa和YPb。则：

累积水沙量斜率变化率KR（%）为

需要指出的是，气候变化主要受到流域内降水、蒸散发、气温以及地下水等因素影响。但蒸散发对径流量、输沙量影响较小，同时蒸散发数据获取较为困难;而气温对于河流输沙量的影响并不明显[25];并且地下水变化主要体现在年内分配，对年际变化影响可忽略不计，故本研究将气候变化主要归结为降水量的变化，通过分析降水与径流量、输沙量的关系来研究气候变化对河流水沙情势的影响。

2 结果分析

2.1 径流-泥沙-降水变化与突变分析

为揭示乌江流域多年径流-泥沙-降水变化趋势，绘制出乌江流域1965～2017年径流量、输沙量、降水量变化曲线（见图1～3），由径流量变化曲线、输沙量变化曲线、降水量变化曲线可以看出近50 a乌江流域年径流量、年输沙量、年降水量均呈现出减少趋势，其中径流量和降水量表现出相似的减少趋势且均不显著，年输沙量表现出显著的减少趋势。为定量分析乌江流域径流量、输沙量、降水量变化趋势，采用Mann-Kendall趋势检验计算乌江流域武隆水文站年径流量、年输沙量和流域内8个气象站点年均降水量变化趋势，结果如表1所列。其中年径流量、年输沙量、年降水量Mann-Kendall统计量分别为-1.43，-6.95，-1.23，均小于零;年径流量、年降水量统计量Zc的绝对值均小于显著水平（取α=0.05）的临界值1.96，表明乌江流域年径流量和年降水量均为不显著的下降趋势;年输沙量统计量Zc的绝对值大于显著水平（取α=0.05）的临界值1.96，表明乌江流域年输沙量为显著下降趋势。

由径流量Mann-Kendall突变检验曲线（见图4）可以看出：UF统计量和UB统计量的交点分别为1971，1986，1994，2003年。表明乌江流域径流量可能在1971，1986，1994，2003年发生突变。

由年输沙量Mann-Kendall突变检验曲线（见图5）可以看到：UF统计量和UB统计量的交点为1992年，表明年输沙量在1992年可能发生突变。

由降水量Mann-Kendall突變检验曲线图（见图6）可以看到：UF统计量和UB统计量的交点分别为1986，1994，2001年，说明乌江流域年降水量可能在1986，1994，2001年发生突变。

同时采用滑动T检验对乌江流域多年水沙、降水数据进行突变检验，结果显示乌江流域径流量分别在1994，2000年发生突变，输沙量分别在1975，1991，1995年发生突变，降水量分别在1990，2000年发生突变，即统计量t>tα（本文tα=t0.01=2.704）。绘制出乌江流域降水-径流双累积曲线、降水-输沙量双累积曲线（见图7～8）。

如图7～8所示，乌江流域降水-径流双累积曲线未发生明显偏转，说明乌江流域降水径流关系未发生改变。乌江流域降水-输沙量双累积曲线分别在1975，1992年发生了明显的偏转，说明乌江流域降水量-输沙量关系在1975，1992年发生了突变。结合Mann-Kendall检验、滑动T检验结果和乌江流域降水-径流双累积曲线和降水-输沙量双累积曲线，最终确定乌江流域径流量突变年份为1994年，输沙量突变年份为1975，1992年，降水量突变年份为2000年（见表2）。

根据突变年份对乌江年径流量、年输沙量变化趋势进行划分，将年径流量划分为2个时段，Ta基准期（1965～1994年），Tb变异期（1995～2017年）;将年输沙量划分为3个阶段，Ta基准期（1965～1975年），Tb变异Ⅰ期（1976～1992年），Tc变异Ⅱ期（1993～2017年）（见表3）。

将本节结论与管晓祥[9]、郭文献[4]、吴晓玲[5]和邵骏[3]等的部分研究结论进行比较（见表4）。结果发现：由于管晓祥[9]和郭文献[4]的研究站点相同且时间尺度相似，所以年径流量与年输沙量趋势变化均呈现出下降趋势，且年输沙量下降幅度显著，虽然本文所选取的时间尺度与二人的不同，但是年径流量与年输沙量均表现为相似的下降趋势，且输沙量下降趋势明显，但是径流量、输沙量、降水量分别在1994，1975，1992，2000年发生突变，突变点的不同可能是由于时间尺度选取的不同，导致Mann-Kendall与滑动T检验对于突变点的识别产生了变化。而吴晓玲[5]和邵骏[3]的研究站点不同且时间尺度也不相同，但是其所选站点均贯穿乌江上中下游，所以径流量均表现相似的下降趋势。这说明时间尺度选取的不同对于流域内水文趋势变化影响不大，但是对异常值的识别影响较为明显。

2.2 水沙相关性分析

为了研究乌江流域径流量与输沙量相关性的阶段性变化，结合武隆站径流量与输沙量变化的阶段性划分，将武隆站划分为1965～1975年、1976～1992年、1993～2017年，3个阶段。绘制武隆站输沙量径流量阶段相关性曲线（见图9）。根据图9所示结果可以看出：1965～1975年、1976～1992年、1993～2017年期间武隆站年径流量和年输沙量在回归线两侧较为分散，R值分别为0.34，0.01，0.22，呈现出随时间变化逐渐减少的趋势，说明武隆站水沙关系随着时间的增长在逐渐变差，进一步说明了自20世纪90年代后乌江流域上修建运行的一系列水利工程设施对乌江水沙相关性变化的影响是十分显著的。

2.3 气候变化和人类活动对水沙变化贡献率

根据上文径流量、泥沙量变化阶段划分，采用累积量斜率变化率法分别计算不同时期人类活动和气候变化对乌江流域径流量、输沙量变化的贡献率，计算结果如表5所列。由贡献率计算结果可知：在变异期Tb，气候变化和人类活动对乌江流域径流量变化的贡献率分别为66.13%和33.87%，对输沙量变化的贡献率分别为11.62%和88.38%;在变异期Tc，气候变化和人类活动对乌江输沙量变化的贡献率分别为6.61%和93.39%。研究结果表明：在变异期Tb，气候变化是乌江流域径流量发生年际变化的主要因素，对径流量的影响占到了70%左右。在变异期Tb和Tc，人类活动是乌江流域输沙量减少的主要影响因素，人类通过改变流域下垫面的方式影响流域输沙是一个渐变的过程，毕竟大规模的开发和水土保持措施需要多年才能完成，其对流域产沙、输沙的影响都是逐渐增加或减少的，而在河道上的水利工程建设却能够对输沙产生立竿见影的影响[26]。在1984～2017年间，乌江上先后修建了乌江渡水电站（1982年）、普定水电站（1995年）、东风水电站（1995年）、引子渡水电站（2003年）、洪家渡水电站（2004年）、索风营水电站（2005年）、彭水水电站（2007年）、构皮滩水电站（2009年）、思林水电站（2009年）、银盘水电站（2011年）、沙沱水电站（2013年），这些大型水利枢纽的建成运行是导致乌江流域输沙量下降的主要原因。

2.4 水沙改变度分析

采用RI法（河流影响因子评价法）对乌江下游控制总站武隆站径流量、输沙量改变程度进行定量研究，根据表2中乌江水沙的阶段性划分结果来对径流量、输沙量阶段性改变度进行分析计算，各RI指标计算结果见图10和表6。结果表明：乌江流域径流量MIF、VIF、TIF值在变异期Tb分别为0.98，0.44，0.36，说明乌江流域径流量年内最大值、最小值出现的时间和年内分布分别发生了中度和高度改变，表明乌江干流水电站的修建只对乌江流域径流量年内变化影响较大，但是对于径流量年际变化的影响较小;RI值为0.79，表明乌江流域径流量在气候变化的影响下其总体改变度为轻度改变。乌江流域输沙量MIF、VIF、TIF值在输沙量变异期Tb分别为0.54，0.45，0.45，表明从1976～1985年乌江年输沙量年际变化较基准期Ta发生了高度改变，其年内输沙量最大值、最小值发生的时间和输沙量年内分布均发生了高度改变;RI值为0.48，表明在变异期Tb（1976～1992年）乌江流域水电站的修建和水土保持治理措施等人类活动使得乌江年输沙量总体改变度为高度改变。而在变异期Tc，MIF、VIF、TIF、RI值分别为0.14，0.44，0.40，0.12，表明在1993～2017年输沙量年际变化较基准期发生了严重改变，输沙量年内变化和输沙量最大值、最小值出现的时间发生了高度改变，综合改变度较基准期为严重改变。总而言之，乌江流域年径流量在受气候变化影响方面其综合改变度为輕度改变，年输沙量在人类活动的影响下已经发生了严重改变。

3 径流泥沙演变影响因素

影响流域内径流量和输沙量的因素主要包括流域内下垫面条件自然灾害、气候降水、人类影响等[27]，其中人类活动和降水对河流的产流产沙影响较大。根据近年的《贵州水资源公报》水资源量统计分析发现：研究区工农业等取水量未发生显著变化[5] 。因此人类活动，例如修建水利工程等对河川径流进行了一定的调节，从而改变了河川径流原有的时空分布。由于乌江上兴建的水库多为日调节或不完全年调节水库，对年径流量的影响相对较小，主要改变的是径流的年内分配过程。而降水变化对径流的影响较为敏感，能够直接影响径流量年际变化[3]。

人类活动对乌江流域年输沙量的影响主要表现在水利工程的修建、水土保持治理措施的实施。为了评价水库蓄水拦沙对乌江年输沙量的影响，将武隆站作为总控制站分析乌江流域大型水库建设情况与控制总站武隆站年输沙量年际变化之间的关系，如表7所列。根据表7可知年输沙量的阶段性减少与流域内水库累积库容的增加具有良好的相关性。在1965～1975年间，乌江上修建了一些小型的水电站，但是由于其库容量较小其蓄水拦沙作用不明显，所以在20世纪60～80年代初，乌江流域输沙量变化不明显，而随着1982年乌江渡电站（库容23.0亿m3）的修建，1980～1985年库区淤积泥沙约1.20亿m3（1.39亿t），年均淤积量为2 000万m3（2 310万t）[28]，使得变异期Tb的多年年均输沙量1.94×107 t较基准期3.61×107 t减少了1.67×107 t，约占基准期年均输沙量的50%。随着1991～2017年乌江干流东风水电站（1994年蓄水，总库容10.25亿m3）、普定水电站（1995年建成，总库容4.20亿m3）、引子渡水电站（2003年蓄水，总库容5.27亿m3）、洪家渡水电站（2004年蓄水，总库容49.47亿m3）、乌江干流索风营水电站（2005年蓄水，库容1.67亿m3）、2007年彭水水电站（2007年蓄水，库容24.65亿m3）、思林水电站（2009年蓄水，库容为12.05亿m3）、构皮滩水电站（2009年蓄水，库容为55.64亿m3）等的建成蓄水，使得乌江流域年输沙量在变异期Tc的多年年均输沙量0.51×107 t较基准期3.61×107 t减少了3.10×107 t，约占基准期年均输沙量的90%。所以乌江流域水利枢纽设施的兴建与运行对于乌江干流年输沙量的影响是巨大的。

4 结 论

（1）通过对乌江流域水沙、降水量的趋势分析，发现武隆站径流量、降水量其Mann-Kendall标准化变量分别为-1.43，-1.23，均未通过95%置信检验，表明径流量、降水量表现出不明显的下降趋势;输沙量Mann-Kendall标准化变量为-6.95，通过了95%的置信区间，表明输沙量下降幅度显著。

（2）根据Mann-Kendall非参数检验法和滑动T检验法对武隆站多年水沙序列和流域多年降水序列进行突变检验并结合径流量-降水量双累积曲、输沙量-降水量双累积曲线发现武隆站年径流量在1994年发生突变，输沙量分别在1975，1992年发生突变，降水量在2000年发生突变。并将径流量变化划分为1965～1994年、1995～2017年两个阶段，将输沙量变化划分为1965～1975年、1976～1992年、1993～2017年3个阶段。

（3）根据对乌江流域泥沙序列的阶段性划分对乌江流域水沙进行阶段相关性分析，结果显示在输沙量基准期Ta、变异期Tb、变异期Tc其相关系数R分别为0.34，0.01，0.22，表明乌江水沙相关性自变异期Tb后均处于极差的状态。

（4）通过累积量斜率变化率法对乌江流域径流量、输沙量在不同变异期内气候变化和人类活动的贡献率进行计算，计算结果显示在径流量变异期Tb（1995～2017年）气候变化和人类活动的貢献率分别为66.13%，33.87%，说明在此期间气候变化是年径流量减少的主要驱动力，输沙量变异期Tb（1976～1992年）、变异期Tc（1993～2017年）气候变化和人类活动的贡献率分别为11.62%和88.38%，6.61%和93.39%，表明乌江流域年输沙量减少的主要驱动因素是人类活动。

（5）采用RI法对乌江水沙不同阶段的水文改变度进行计算分析，结果显示年径流量在变异期Tb（1995～2017年）在年际变化上为轻度改变，年输沙量在变异期Tb（1976～1992年）、变异期Tc（1993～2017年）分别为高度、严重改变。

（6）通过对乌江流域水库蓄水拦沙对年输沙量影响分析可知：年输沙量在变异期Tb（1976～1992年）较基准期Ta（1965～1975年）减少了1.67×107 t，约占基准期年均输沙量的50%;在变异期Tc（1993～2017年）较基准期Ta（1965～1975年）减少了3.10×107 t，约占基准期年均输沙量的90%。说明水库蓄水拦沙是导致输沙量显著减少的重要原因之一。

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（编辑：江 文）