黄河上游近60年水沙变化特征及其影响因素*

张曦泽,杨丽虎**,宋献方

(1:中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101)(2:中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049)

气候变化和人类活动引起的水沙变化是全球河流泥沙研究的前沿和难点[1]。近年来由于人类活动(如水库建设、土地利用变化等)以及气候变化的影响,黄河水沙输移特性发生显著改变,主要表现为水沙年际变化大、震荡周期显著[2]。有研究表明,人类活动中大型水库的建设对黄沙上游水沙有很强的调控作用,会导致流域水文情势发生很大改变[3-4],对于河流生态环境演变[5-6]有深远的影响。研究表明[7],全球每年有40%的径流量、25%的入海泥沙量被水库拦蓄;同时大规模的城市建设会导致流域内土地利用格局发生改变,也是造成水沙变化的重要影响因素[8]。气候变化从多方面影响流域径流和侵蚀产沙过程,而降水变化是其影响流域水沙变化过程最直接的因素之一[9]。目前,随着水利工程设施、退耕还林还草等工程规模化实施,黄河干支流水沙均发生显著变化,导致水资源分配不均等矛盾加剧[10]。因此探究黄河上游水沙变化特征及其影响因素具有重要意义。

目前一些学者对黄河上游的变化特征进行了研究,发现水库运行会导致年内洪峰流量削减、中枯期流量变大且历时加长,年内总径流量变化趋于均匀化。水库调蓄导致汛期基流下降,也造成黄河上游河道干支流的泥沙淤积[11]。自20世纪80年代以来,黄河流域的水沙变化均呈现显著下降的趋势[12]。有学者认为人类活动对黄河流域水沙锐减占据主导作用,径流量突变与人类活动取水有关,泥沙突变则是由于水库建设所引起[12-13],也有学者认为水库建设和灌溉引水引沙同时影响了水沙关系变化[14],还有学者通过研究发现黄河在不同时期水沙影响因素分别为水利设施建设(20世纪80年代)和植被恢复(21世纪)[15]。以上研究大多评价黄河水沙年内分配特征及变化趋势,同时定性地考虑其可能的影响因素。同时,黄河流域水沙异源,对于水沙变化研究主要集中于黄河中游多沙粗沙区[16-17]。对于黄河上游年际间周期性变化以及梯级水库建设及土地利用变化对水沙关系的定量分析研究较少。

因此,本文以黄河上游玛曲—小川区间作为研究对象,基于黄河上游干支流水文站数据,结合遥感数据、气象数据和土地利用数据,分析黄河上游干流水沙变化特征及水沙关系,并探究黄河上游玛曲-小川段人类活动贡献率,分别讨论梯级水库建设及土地利用变化对水沙变化的定量影响,以期为黄河上游水土保持措施及合理规划生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

研究区(33°～37°N,99°～105°E)位于黄河上游干流玛曲段至小川段,流域面积为9.5万km2(图1)。流域内有5个主要水文站,从上游到下游分别为玛曲、唐乃亥、贵德、循化、小川水文站;以玛曲水文站为流域入口,小川水文站为流域出口。流域内山势险峻,峡谷众多,海拔差异大,处于季风影响边缘区,加之青藏高原的隆起显著影响大气环流,气候要素的年、季变化大。此外,该区域湿度小、蒸发大,年平均降水量为426.2 mm,年蒸发量超过2500.0 mm[18]。1964-2019年间,玛曲站、唐乃亥站、贵德站、循化站和小川站多年平均径流量分别为143.89亿、204.8亿、204.88亿、211.9亿和263.15亿m3,多年平均输沙量分别为430.5万、1237.33万、1260.26万、2315.93万和2188.86万t。黄河上游年径流量占全河的54%,但其年来沙量只占全河年来沙量的8%[19]。研究区土地利用结构相对简单,草地面积占比最大,其次为未利用地和林地,耕地、水域和建设用地占比较小(附图Ⅰ)。

图1 黄河上游干流地理位置示意Fig.1 Location of the upper main stream of the Yellow River

此外,流域内已建成的大中型水库为班多水库、龙羊峡水库、拉西瓦水库、李家峡水库、公伯峡水库、积石峡水库及刘家峡水库。水库建成时间、调节方式、总库容及装机容量如附表Ⅰ所示。

黄河上游干流1964-2019年玛曲站、唐乃亥站、贵德站、循化站、小川站月尺度径流量、输沙量数据,2008-2019年军功站、同仁站,2008-2013年大米滩站以及1964-2019年红旗站的月尺度输沙量数据,来源于《黄河流域水文年鉴》。29个国家气象站的降雨数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do),通过泰森多边形法计算研究区内的平均降雨量。1980、1990、2000、2010和2020年土地利用数据(附图I)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(https://www.resdc.cn/)。

1.2 数据处理与方法

1.2.1 水文序列突变检验 水文序列突变检验方法众多,此处选择4种典型突变检验方法进行检验,分别是Mann-Kendall突变检验法(M-K检验)、滑动t检验、距平累积曲线和双累积曲线法。方法具体见附件一[20-27]。

1.2.2 水文序列周期检验 小波分析法被用来识别水文气象序列的周期性,需要对水文气象序列进行小波变换同时对不同尺度的小波系数平方进行积分得到小波方差。Morlet小波分析是指用一簇小波函数系来表示或逼近某一函数或信号,可以同时从时域和频域2个维度揭示时间序列的局部特征[28]。小波函数表示具有震荡性、能够迅速衰减到0的一类函数。通过小波变换等运算可以得到小波系数,将小波系数的平方值在b域上积分就可以得到小波方差[29]。数据处理方法为:数据格式的转化→边界效应的消除或减小→计算小波系数→计算复小波系数的实部和方差→基于Matlab绘制小波系数实部等值线图→绘制小波方差图。

小波分析结果图示为:①小波系数实部等值线图,图中可以看到水文系列在不同时间尺度上的周期性,可以分析未来的趋势;②小波方差图,图中通过水文系列的波动过程得到主要的变化周期;③主周期趋势图,通过水文序列的主周期趋势得到其存在的平均周期以及丰枯期的变化特征[30]。

1.2.3 水沙关系曲线 水沙关系曲线被用来分析径流和输沙之间的相关性。该变化曲线是一个幂函数,其公式为:

QS=aQb

(1)

若两边取对数,则为:

lgQS=lga+blgQ

(2)

式中,QS为输沙率(单位时间的泥沙通量),kg/s;Q为流量,m3/s;a和b为拟合系数。lga与人为活动关系联系密切,并随时间而变化。lga值越高,流域内泥沙所提供的量就增大,能够携带的泥沙变多。b为双对数水沙关系曲线的斜率,b值越高,水流携带泥沙的能力越大[31]。

2 结果与分析

2.1 黄河上游干流降雨、水沙变化趋势

对黄河上游流域内29个气象站的年平均降雨量和5个水文站的年径流量和输沙量进行趋势分析,结果表明,流域内平均降雨量呈上升趋势,所有站点的径流量和输沙量都呈下降趋势(图2、图3)。流域内年平均降雨量增加幅度较小,通过线性拟合曲线的斜率可知,平均降雨量以2.31 mm/a的速度增加。各水文站年径流量减少变幅较小,各站年径流量分别以0.334亿、0.42亿、0.94亿、0.97亿和1.09亿m3/a的速度减少。各站年输沙量分别以3.08万、9.80万、67.37万、98.05万和92.38万t/a的速度减少。贵德站、循化站和小川站年输沙量变幅较大。

图2 黄河上游研究区平均降雨量年际变化Fig.2 Interannual changes of mean precipitation in the upper Yellow River study area

图3 黄河上游各水文站径流量、输沙量年际变化Fig.3 Interannual changes of runoff and sediment transportation at various hydrological stations in the upper Yellow River

2.2 黄河上游干流水沙突变特征

通过M-K检验突变结果发现,玛曲站径流量在1987年发生了突变,输沙量在1991年发生了突变。唐乃亥站径流量在1970、1971、1987年发生了突变,输沙量在1995年发生了突变。贵德站径流量在1986年发生了突变,输沙量在1986年发生了突变。循化站径流量在1970、1972、1975、1977、1978、1980-1981、1984年发生了突变,输沙量在1986年发生了突变。小川站径流量在1984-1985年发生了突变,输沙量在2007年发生了突变(图4)。

滑动t检验结果表明,玛曲站径流量在1990年突破了显著性水平,输沙量在1990、1994年突破了显著性水平。唐乃亥站径流量在1990、2004年突破了显著性水平,输沙量在1989年突破了显著性水平。贵德站径流量在1986、1996、2005年突破了显著性水平,输沙量在1987年突破了显著性水平。循化站径流量在1985、1996、2006年突破了显著性水平,输沙量在1987、2004年突破了显著性水平。小川站径流量在1985、1996、2006年突破了显著性水平,输沙量在1977、1995、2007年突破了显著性水平(图5)。

图5 黄河上游干流径流量、输沙量滑动t检验Fig.5 Sliding t test on the runoff and sediment load for the upper main stream of Yellow River

距平累积计算结果显示,56年来,5个站点径流量均呈现出明显的增加-波动-减少的变化。大致以1975、1986、1995和2011年为界,可分为1964-1975年的枯水期、1976-1986年的丰水期、1986-1995年的波动期、1996-2011年的枯水期以及2012-2019年的波动期。5个站点输沙量突变年份及波动趋势差异较大,玛曲站和唐乃亥站输沙量变化趋势较为一致,呈现出增加-波动-减少的变化,大致以1975、1986、1995和2011年为界,可分为1964-1975年的枯沙期、1976-1986年的丰沙期、1986-1995年的波动期、1996-2011年的枯沙期以及2012-2019的波动期。贵德站输沙量呈先上升后下降的趋势,大致以1986年为界,可分为1964-1986年的丰沙期、1987-2019年的枯沙期。循化站输沙量呈先上升后下降的趋势,大致以1986年为界,可分为1964-1986年的丰沙期、1987-2019年的枯沙期。小川站输沙量呈增加-下降-波动-下降的趋势,大致以1970、1983、1998年为界,可分为1964-1970年的丰沙期、1971-1983年的枯沙期、1984-1998年的波动期、1999-2019年的枯沙期(图6)。

图6 黄河上游干流径流量、输沙量累积距平曲线Fig.6 The cumulative curve of runoff and sediment load anomaly in the upper main stream of Yellow River

通过双累积曲线法,发现黄河上游干流小川站降水-径流双累积散点可分为2个不同的阶段,分别为1964-1986、1987-2019年。黄河上游干流小川站降水-输沙双累积散点可分为4个不同的阶段,分别为1964-1969、1970-1986、1987-2004、2005-2019年(图7)。

图7 黄河上游干流降雨量-径流量、降雨量-输沙量双累积曲线Fig.7 Double-cumulative curve of precipitation vs runoff and precipitation vs sediment transport for the upper main stream of Yellow River

4种突变方法中,M-K检验的定量化程度高,较适用于顺序变量和类型变量。而滑动t检验更主要需要对子序列的长度进行人为合理选择从而确定突变点,因此2种方法相互验证。累积距平曲线是把统计目标值和标准值比较之后得出的累积差值,总体方法较为精确,但也会受外界因素的影响,也此其与前2种方法相互印证。而双累积曲线法包含了不能测定的随机误差,由于降雨与径流或输沙量的关系并不完全遵从正比关系,因此该方法也较为粗略。

此外,M-K检验对均值或含有均值变异的序列有一定的识别能力,但检验效率低于0.5,对CV或CS变异的序列识别能力差。各检验方法对多参数变异相互叠加效果检验能力较差,此外方法本身对某些变异无法检验以及其各自的假设条件等是影响检验效率的主要因素。

由4种突变结果可知(表1),各站径流量突变年份主要集中在1986年,输沙量突变点综合考虑水库建设及突变分析结果可知,流域出口小川站1969年输沙量双累积曲线变化显著,这与刘家峡水库建成大量拦沙相符合。各站输沙量突变年份集中在1986年,且下游站点循化站和小川站2004年输沙量也发生突变,这与公伯峡水库建设时间也相吻合。因此综合分析,径流突变年份为1986年,这和韩世亮等[32]的研究突变结果一致。输沙量突变年份为1969、1986和2004年,除2004年外,其余突变点与范俊健等[33-34]的研究一致。

表1 突变检验结果Tab.1 Results of abrupt change test in different years

2.3 黄河上游水沙周期性特征

小波分析结果表明,在研究区黄河上游玛曲-小川段内,径流量和输沙量均具有明显的年际和年代际周期特征。由玛曲站、唐乃亥站、贵德站、循化站和小川站径流量小波系数实部等值线图和小波方差图(图8)可知,径流量序列除了小川站,都只有1个主周期。玛曲站、唐乃亥站、贵德站、循化站径流量序列主周期分别为11、11、12、12 a。小川站径流量序列主周期为12、24、33 a。玛曲站、唐乃亥站、贵德站、循化站的1个主周期下的平均周期都分别为8 a。小川站的3个主周期下的平均周期分别为8、16、22 a。从1964-2019年,黄河上游玛曲站、唐乃亥站、贵德站、循化站和小川站径流量经历了枯水期-丰水期交替的周期性演变过程。

图8 各水文站径流量小波系数实部等值线图、小波方差图、不同特征时间尺度小波系数特征线Fig.8 Wavelet coefficients real contour plot,wavelet variance plot,wavelet real process line of runoff from various hydrological stations

由各水文站输沙量小波系数实部等值线图和小波方差图(图9)可知,除小川站,各站都有3个主周期。玛曲站输沙量序列主周期为7、11、33 a;唐乃亥站输沙量序列主周期为6、11、28 a;贵德站输沙量序列主周期为6、11、28 a;循化站输沙量序列主周期为6、11、28 a;小川站输沙量序列主周期为6、10、13、42 a。玛曲站3个主周期下的平均周期为5、8、21 a;唐乃亥站3个主周期下的平均周期为4、8、18 a;贵德站3个主周期下的平均周期为5、8、19 a;循化站3个主周期下的平均周期为5、8、20 a;小川站4个主周期下的平均周期为5、8、10、27 a。从1964-2019年,黄河上游干流除小川站,其余4站输沙量都经历了枯沙期-丰沙期交替的周期性演变过程。可以看出,近十年来,贵德站和循化站的丰沙期沙量比玛曲站和唐乃亥站更少。黄河上游小川站自1964-2019年来,输沙量经历了丰沙期-枯沙期-丰沙期-枯沙期交替的周期性演变过程。水沙之间周期性变化存在一定的关联性也存在一定的差异性[35],水沙变化周期性结果大致与王鸿翔等[36]的研究周期一致。

图9 各水文站输沙量小波系数实部等值线图、小波方差图、不同特征时间尺度小波系数特征线Fig.9 Wavelet coefficients real contour plot,wavelet variance plot,wavelet real process line of sediment load at various hydrological stations

2.4 黄河上游干流水沙关系的变化及其影响因素

由于人类活动的影响,尤其是水利工程的开工建设,导致黄河上游干流水沙关系一致性被破坏。因此根据前文所得突变年份划分基准期和变化期,通过水沙关系曲线来分析黄河上游干流在不同时段时,水沙关系的变化特征及其影响因素。

根据前文突变检验结果,将1964-1986年划分为黄河上游干流各站径流的基准期,将1987-2019年划分为径流的变化期。将1964-1969年作为输沙的基准期,1970-1986、1987-2004、2005-2019年3个阶段作为输沙的变化期。

由图10可知,玛曲站和唐乃亥站的水沙关系曲线在4个时段内无显著变化。而贵德站和循化站1987-2004年及2005-2019年水沙关系点基本都位于1964-1969年和1969-1986年的下方,这说明径流量相同时,输沙率显著降低。小川站的输沙率1987-2004年与1970-1986年相比,略有增加。

图10 黄河上游玛曲-小川段水文站水沙关系曲线图Fig.10 Runoff-sediment relationship curve at various hydrological stations along the upper main stream of Yellow River in the Maqu-Xiaochuan section

1964-2019年,玛曲站和唐乃亥站lga与b值以及R2变化不大,贵德站1987-2019年的水沙关系R2较低,循化站1987-2004年的水沙关系R2较低,这可能是上游龙羊峡水库和拉西瓦水库建设运行的结果。小川站1970-2019年的水沙关系R2较低,这可能是上游梯级水库建设运行所导致的(表2)。

表2 黄河上游玛曲-小川段各水文站不同时段的输沙率参数Tab.2 Sediment rating parameters for different periods at various hydrological stations in the upper main stream of Yellow River in the Maqu-Xiaochuan section

贵德站lga在1970-1986年间保持增加的趋势,1987-2004年略有减少,在2005-2019年再次持续增加。由于lga值与人类活动密切相关,因此lga值的增加与上游所建梯级水利工程(龙羊峡水库、拉西瓦水库)等人类活动有关。贵德站b值变化正好与lga相反,在1970-1986年持续减少,1987-2004年略有增加,在2005-2019年减少,这表明近十几年来,泥沙供给量增加,唐乃亥-贵德站之间河流因为淤积导致输沙能力下降。

循化站的lga在1964-2004年持续增加,2005-2019年略有减少;b值在1964-2004年持续减少,2005-2019年略有增加。这表明近十几年来,泥沙供给量减少,贵德-循化段之间河流侵蚀能力增强。小川站的lga在1964-2019年持续减少;b值在1964-2004年持续增加,2005-2019年略有减少。这表明近十几年来,泥沙供给量减少,循化-小川段之间河流输沙能力减少,这是黄河上游大量泥沙被梯级水库拦蓄的结果[37]。

此外,为查明水沙变化的驱动因素,结合4个突变检验的结果和流域内影响水沙通量的人类活动事件的节点,以评估气候变化和人类活动对流域内水沙变化的各自贡献率。

基于基准期和变化期,计算气候变化和人类活动对黄河上游干流水沙变化的贡献率。贡献率通过双累积曲线,采用线性回归的方法对实测值和计算值(线性拟合)相减,得到人类活动变化量,用基准期实测值减去变化期实测值得到水沙总体变化情况,从而得到气候变化量,最终得到气候和人类活动各自的贡献率。结果表明人类活动是导致黄河上游干流水沙量减少的主要因素。黄河上游玛曲-小川段在1987-2019年的阶段中,人类活动对径流量减少的贡献率为66.3%,气候变化对径流量减少的贡献率为33.7%。人类活动对黄河上游干流径流的影响占据主导因素。

黄河上游玛曲-小川段在1970-1986、1987-2004、2005-2019年的3个阶段中,人类活动对输沙量减少的贡献率分别为72.96%、70.73%、69.7%,气候变化对输沙量减少的贡献率分别为27.04%、29.27%、30.30%。人类活动对黄河上游干流输沙的影响占据主导因素(表3)。

表3 金沙河水库全年水环境因子平均值*Tab.3 Contribution rate of rainfall and human activities on the runoff and sediment load reduction in the upper stream of the Yellow River

通过数据可以看出,人类活动对黄河上游干流水沙影响占据主导地位。不同时段人类活动对黄河上游断面以上区域水沙影响很大。贵德站、循化站和小川站近十年的平均输沙量为81.49、257.5、543.84万t,分别锐减至多年平均输沙量的6%、11%、25%(图3),输沙量的急剧锐减和梯级水库建设时间相吻合。除梯级水库外,1970s后黄河上游支流洮河流域淤地坝骨干坝12座,年均拦沙量达到36万t。梯级水库、淤堤坝等水利设施的减水减少效果显著[38-39]。

梯级水库建设主要通过调节径流、拦截泥沙等来改变水沙过程,由于梯级水库等水利设施对水沙的影响显著,因此以建库完成前后多年平均径流量、输沙量作为时间分类节点进行分析。小川站上游已建大中型水电站分别为班多、龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡和刘家峡水库,因此以流域出口小川站为例,计算小川站上游梯级水库建设完成前后多年平均径流量和输沙量。

由图11可知,刘家峡水库建成前后汛期洪峰均为双峰,峰现时间均为7月和9月。年内径流量变化表现为1-5月缓慢上升、6-7月急剧上升、10-11月陡降和11-12月缓慢下降。水库为不完全年调节水库,因此建库后径流量年内分配差异减少,汛期流量减少,枯期流量增大。在9月,径流量减少了26%。刘家峡水库建成前后沙峰都在8月,水库建设后输沙量在汛期下降幅度较大,枯期沙量基本为0。在8月,输沙量减少80.2%。龙羊峡水库建成后,峰现时间提前,由7和9月变为5和8月。由于龙羊峡水库为多年调节水库,因此径流年内分配更趋于均匀化,在9月,径流量减少了56%。水库建成前后沙峰仍在8月,沙量略有增加,建成后年均沙量比建成前增加18.6%。李家峡水库建成后汛期峰现时间为5月和10月,在8月份,径流量减少了39.1%。沙峰从8月变成7月,在8月,输沙量减少了54.5%。公伯峡水库建成后径流量略有增加,这主要是因为20世纪90年代以来,黄河上游气候异常,导致以水电为主的青海电网和水电比重大的西北电网出现用电紧张和下游严重缺水的状况,因此青海省在1997年开始实施人工降雨来缓解黄河上游来水不足的问题[40]。公伯峡水库为日调节水库,不能调节年内径流变化。在3月枯水期,径流量增加了31.9%。说明上游梯级水库群建设能够向下游补水抗旱。水库建成前后沙峰都在7月。在7月,输沙量减少了40.9%。班多水库、拉西瓦水库及积石峡水库建成后,7月径流量增加了52.4%,11月枯期径流量增加了8.2%。沙峰仍在7月,减沙量为26.2%。一座水库建成后,多年平均径流量和输沙量分别减少6.3%和80.9%;两座水库建成后,多年平均径流量和输沙量分别比一座水库建成前减少31.2%和77.3%;三座水库建成后,多年平均径流量和输沙量分别比一座水库建成前减少42.1%和87.8%;四座水库建成后,多年平均径流量和输沙量分别比一座水库建成前减少28%和90.5%;七座水库建成后,多年平均径流量和输沙量分别比一座水库建成前减少19.1%和94.8%。两座水库比一座水库截流效益增加24.9%,三座水库比一座水库截流和拦沙效益均增加35.8%和6.9%,四座水库比一座水库截流和拦沙效益增加21.7%和9.6%,七座水库比一座水库截流和拦沙效益增加12.8%和13.9%。四座水库建成后,多年平均输沙量分别比三座水库建成前减少57.9%;七座水库建成后,多年平均输沙量分别比四座水库建成前减少57.1%。

图11 梯级水库建成前后多年径流量、输沙量Fig.11 Multi-year runoff and sediment load before and after construction of the cascade reservoirs

由于水库拦沙量巨大,因此对库区淤积量进行分析。按照输沙法统计,班多输入沙量为军功站与入汇支流曲什安河的大米滩站来沙总和,龙羊峡、拉西瓦输入沙量为唐乃亥站来沙总和,李家峡输入沙量为贵德站来沙总和,公伯峡输入沙量为贵德站和入汇支流隆务河的同仁站来沙总和,积石峡输入沙量为循化站来沙总和,刘家峡输入沙量为循化站和入汇支流洮河的红旗站来沙总和。班多出库沙量由唐乃亥站控制,龙羊峡和拉西瓦出库沙量由贵德站控制,李家峡和公伯峡出库沙量由循化站控制,积石峡和刘家峡出库沙量由小川站控制。同时由于存在未控区间来沙量,因此按照观测资料求得区间多年平均输沙模数,估算出各水库未控区间的年均来沙量,综合得到了各水库以及联合运行期水库蓄水后的出入库沙量和水库淤积量及排沙比。

由图12可知,刘家峡水库库区淤积最严重,在单库蓄水后运行期间,水库多年平均淤积量为2.39亿t,排沙比变化范围为1.39%～10.7%。刘家峡和积石峡蓄水后联合运用期间,两水库多年平均淤积量为0.70亿t,排沙比变化范围为1.74%～9.87%。李家峡水库蓄水后单库多年平均淤积量为0.086亿t,排沙比变化范围为23.2%～81.6%。李家峡和公伯峡水库蓄水后联合运用期间,两水库多年平均淤积量为0.12亿t,排沙比变化范围为3.36%～50.4%。龙羊峡水库蓄水后单库运行期间,水库多年平均淤积量为0.21亿t,排沙比变化范围为1.33%～30.5%。龙羊峡和拉西瓦蓄水后联合运用期间,两水库多年平均淤积量为0.23亿t,排沙比变化范围为1%～9.76%。班多水电站蓄水后运行期间,水库多年平均淤积量为0.04亿t,排沙比变化范围为25.9%～94.9%。刘家峡水库淤积最严重主要是因为洮河倒灌泥沙形成的沙坎顶托而沉积导致干流泥沙不能顺利到达坝前并排出库外[41]。

图12 梯级水库蓄水后库区淤积量Fig.12 Siltation in the reservoir area after storage in the cascade reservoirs

3 讨论

3.1 梯级水库建设对黄河上游水沙变化的影响

黄河上游由于气象因素和人类活动综合影响,导致水沙过程发生变化,魏伊宁、鲁俊等[18,42]发现气象因素中降水是影响水沙丰枯变化的主要气象因子,水库调节是影响其变化的主要人类活动因子。径流量20世纪90年代研究区周期性为偏枯这与实际也相符,除降雨等气象因素外,不完全年调节的刘家峡水库于1969年建成,多年调节的龙羊峡水库于1986年建成,水库对于研究区径流调控也是导致径流量变化的重要因素。小川站于1973-1989年输沙量偏枯,与其他各站不同的主要原因为小川站受龙羊峡水库与刘家峡水库的联合调控,刘家峡水库对沙量调控的影响更大。其他各站只受龙羊峡水库调控,因此输沙量减幅没有小川站减幅大。其他各站由于受龙羊峡水库建成的影响更大,因此龙羊峡建成后,1991-1995年输沙量略有减少。

刘家峡水库单独运行时期,年内泄水期为每年11月-次年5月,蓄水期为每年6-10月。下泄水量主要用于满足下游灌溉、宁蒙河道防凌。由于刘家峡水库为不完全年调节水库,因此对径流量的调节不明显,但水库拦沙作用显著,对下游河道主要表现为冲刷。刘家峡水库和龙羊峡水库联合运用期间,由于龙羊峡水库为多年调节水库,对径流调控能力较大,因此承担主要防洪任务,刘家峡水库主要配合龙羊峡水库进行调节运行,因此峰现提前,年内蓄泄过程发生改变。4-6月龙羊峡水库为甘肃-宁夏-青海地区的灌溉提供灌溉用水,7-9月为水库储蓄期,10-11月龙羊峡水库为秋季播种灌溉提供灌溉用水[43]。又由于龙羊峡水库处于黄河的主要产水区,其拦沙影响相对较弱,导致其下游河道由冲刷变为淤积,因此小川站1987-1996年河道微淤[44]。龙羊峡水库-李家峡水库-刘家峡水库联合运行期间,该时段龙羊峡水库处于枯水阶段,水库主要服从于电力需求,同时辅助下游水库建设与防洪。此后所建各水库都为日调节水库,都以发电效益为主,对于年内径流量调控较差。李家峡水库库容较小,在汛期天然来水量较大情况下,除少量来水用于发电,大部分来水量需通过溢流坝下泄。李家峡水库具有库大沙小的特征,水库泥沙淤积平衡年限很长,能有效调控入库水沙,因此李家峡水库入库泥沙基本淤积在库内,排出库外的只有少量细颗粒泥沙,拦沙效果显著。龙-李-公-刘水库联合运行期间,龙羊峡水库实现全河统一调度,主要以防洪调度为主,生态用水效益主要体现为防洪防断流。公伯峡水库入库沙量主要由李家峡水库下泄沙量和李-公区间来沙组成,李家峡水库入库泥沙基本淤积在库内,李-公区间泥沙主要于洪水期由区间的沟道裹挟而来,因此梯级水库拦沙效果显著。班-龙-拉-李-公-积-刘水库联合运行期间,班多水电站受河道天然来水制约,丰水期有大量的弃水,枯水期来水较小发电量急剧下降;拉西瓦水库水力发电主要通过改变水头和流量进行调节。抬高水位、短时间减少出库流量,导致发电水头增加,从而降低耗水率并增加发电量[45]。积石峡水库受上游龙羊峡水库调节,使得其入库洪水被削减,年内径流更均匀。

通过前文分析可知,径流量在2000年后略有增加,这与金文婷[46]等的研究一致,这将有助于增加梯级水库供水、发电用水,减少缺水,降低梯级水库所需合理库容。本研究表明,梯级水库运行期间,汛期月均流量降低,非汛期多数月均流量升高,彭少明[47]等还发现黄河上游极端高流量事件的流量降低,极端低流量事件的流量升高,高流量脉冲的发生次数减少,高/低流量脉冲的持续时间缩短,高流量事件的减少导致下游微淤。此外,根据本文结果还可知沙量减少的主要影响因素为水库拦沙,而鲁俊等还发现本文研究区下游宁蒙段经济社会用水是其水量减少的主要影响因素。Liu等[48]研究也发现多数水库拦沙主要发生在汛期,水库群联调对泥沙输移的影响作用要比径流的大。而此处结论也可表明梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。

梯级水库联调使得径流量在1964-2004年间减少47.8%,梯级水库建设对输沙量减幅更大,1964-2019年间减沙94.8%,梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。

3.2 土地利用变化特征对黄河上游水沙变化的影响

由于气候因素及人类活动的影响,黄河上游自1990s起出现草地退化等生态问题,局部地区草地等植被的减少与过度放牧有关[49],而自2005年后,研究表明黄河上游植被覆盖度增加是气候暖湿化和生态工程建设共同导致[50]。对不同土地利用类型求解土地利用转移矩阵,土地类型面积变化结果见表4。黄河上游玛曲-小川段从1980-2020年,草地面积增加了1880.03 km2,增幅3.1%,主要由耕地、林地、未利用地转移而来。草地主要面积增加区域位于黄河干流玛曲-唐乃亥段的河边。草地面积增加导致输沙量减少,这有利于减缓土地荒漠化进程,促进黄河上游流域生态环境可持续、健康发展[51]。相关性程度阐明了草地拦沙效益大于截流效益,这与赵明的研究结果相一致[52]。建设用地面积增加了340.39km2,增幅69.8%,主要由草地和耕地转移而来。同时,建设用地面积主要集中于研究区东部、水库岸边区域和少数支流处增加。黄河上游地区生境脆弱,承担着水源涵养的生态价值,其可利用土地主要分布于河谷及山间盆地,不具备承载不合理同时规模性扩张的土地建设活动的能力[53]。虽然建设用地占比不大,然而其扩张速度较快。因此,虽然黄河上游自然条件变化趋向于促进植被生长[54-55],但加强对黄河上游退耕还林还草政策的推进和对建设用地扩张的监管是非常必要的。

表4 黄河上游干流土地利用转移矩阵(1980-2020年)Tab.4 Transfer matrix of land use change in the upper stream of Yellow River(1980-2020)

根据附图Ⅰ可以发现在2000年前草地出现退化,这与赵新全等[56-57]的研究一致,其原因主要是因为人类活动导致草地景观破碎,轻度、中度退化草地面积增加,从而造成草地变干、沙化等效应加剧。在2000年后,草地面积增加,这与刘宪锋等[58-59]的研究结果一致,即大面积的未利用地转变为草地。这主要是因为2000年后三江源生态保护工程实施,使得荒漠化程度减弱。水域面积增加了366.41 km2,增幅为35.5%。李晖[60]等也发现湖泊总数增加,同时大型水电站的修建使得水库库区面积增加,从而导致区域水文蒸发等发生变化,从而改变局地气候。1980-2020年,耕地面积增加了90.76 km2,而姜春兰[61]等发现自20世纪中叶,耕地面积经历了从增长到减少的变化过程。这主要是因为21世纪西部大开发战略、退耕还林(草)和生态保护建设工程的实施导致黄河上游城镇化建设步伐加快,建设用地增加,同时也导致耕地面积减少。

4 结论

本研究基于黄河上游水文站数据,利用突变检验方法和小波分析法,对黄河上游水沙变化特征进行研究。利用水沙关系曲线及线性回归法等方法估算人类活动和气候对水沙变化的贡献率,并着重讨论主要影响因素对水沙的影响。结果表明:

1)黄河上游玛曲-小川段流域内降雨量和径流量变化幅度不明显,贵德站、循化站、小川站1986-2019年年均输沙量分别减至1964-1985年的9.8%、24.6%、38.8%。黄河上游玛曲-小川段径流量突变多在1986年,输沙量突变多在1969、1986、2004年,径流量存在8、16、22 a周期,输沙量存在4～8、18～21、27 a周期。

2)1969年后,水沙关系显著改变。在水沙突变前后,人类活动对径流量(输沙量)变化的贡献率为66.3%(72.96%、70.73%、69.7%),其对黄河上游干流水沙影响占据主导因素。

3)刘家峡水库淤积最为严重,单库运行期水库淤积量为2.39亿t,排沙比变化范围为1.39%～10.7%。梯级水库联调使得径流量在1964-2004年间减少47.8%,1964-2019年间梯级水库减沙94.8%。梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。

4)1980-2020年间,草地面积增加了1880.03 km2,增幅3.1%,有利于减少输沙量,草地拦沙效益大于截流效益。

由于黄河上游流域水沙输移变化复杂,因此对于不同类型水库联合运行对水沙变化的影响还需要进行进一步深入研究。本研究主要为黄河上游生态环境保护提供科学依据。

5 附录

附图Ⅰ、附表Ⅰ和附件一见电子版(DOI: 10.18307/2024.0243)。