黄河中游典型支流水文连通性变化规律及洪水效应

关键词：水文连通性；时空分布；有序逻辑回归；洪水效应；窟野河流域

中图分类号：Ｐ３４３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０１２

引用格式：蒋晓辉，楚楚，聂桐，等．黄河中游典型支流水文连通性变化规律及洪水效应［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（９）：８３－８９，１２６．

０引言

洪水灾害是严重的自然灾害之一，在全球范围内影响的人口数量超过其他自然灾害［１］ 。气候变化和人类活动导致洪水发生频率和强度提高，影响社会经济发展。洪水研究是水文学和自然灾害学研究的重点［２］ 。集水区地表变化对认知洪水形成和演变带来了新的挑战，亟待探究这些变化对洪水风险的影响。水文连通性是洪水研究的重点，通过水文连通性研究可以判别导致洪水发生的因素，并制定有效策略预防洪水灾害。流域内水文连通性变化影响洪水发生的概率和强度，以及洪水的空间分布和时间特征［３］ 。此外，它还会导致集水区水文响应过程的非线性增强，使洪水的形成和演变更加复杂［４］ 。因此，深入研究水文连通性与洪水之间的关系可为制定流域管理策略和洪水控制措施提供科学依据。

近年来，水文连通性研究引起了水文领域学者们的广泛关注［５－６］ ，研究内容主要集中在指标确定和评估方法方面，在研究方法上，主要基于地理信息系统和水文模型等［７－８］ 进行水文连通性研究，而这些方法需要大量水文数据作为支撑，难以在大流域范围内推广应用。２００８ 年，Ｂｏｒｓｅｌｌｉ 等［７］ 提出水文连通性指数，并在意大利中部某大型集水区成功进行了实地测试。考虑山区的地表特征及其物质的迁移和扩散过程，Ｃａｖａｌｌｉ 等［８］ 改进了水文连通性指数的原始模型，使其适用于山区流域。此外，水文连通性研究还引起了水资源管理和生态系统保护等领域学者的关注。例如：Ｌóｐｅｚ－Ｖｉｃｅｎｔｅ 等［３］ 量化研究了人类活动对再造林地区径流连通性的影响；Ｓａｃｏ 等［５］ 基于澳大利亚两个典型干旱地区，利用水文连通性指数计算了生态水文动态陆地景观演化的阈值。然而，目前水文连通性对洪水量级发生概率的影响研究还较为缺乏。

窟野河位于黄河中游，是黄河的一条支流，也是河口镇至龙门（简称河龙区间）洪水发生频率最高的一条支流，历史上窟野河流域的洪水给中下游地区人民群众生命财产造成了巨大损失。我国于１９９９ 年开始实施的“退耕还林还草”工程，将坡度大于２５°的陡坡农田改造成人工林地、灌木林地或草地，使窟野河流域植被覆盖度显著提高，对形成径流的环境条件产生了深远影响，窟野河洪量和洪水发生频率大幅下降。虽然植被恢复对减少洪水至关重要，但是洪水是气象属性和流域属性共同作用的结果，当前仍缺少对洪水减少驱动机制的研究。为了探究洪水减少的驱动机制，本文以窟野河流域为研究区，在评估水文连通性的基础上，量化窟野河水文连通性指数变化对洪水量级发生概率的影响，具体包括：采用修正的水文连通性指数评估１９８６—２０２０ 年窟野河流域的水文连通性，使用空间探索工具以及Ｔｈｅｉｌ－Ｓｅｎ Ｍｅｄｉａｎ 和Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 方法分析植被恢复条件下水文连通性指数的时空变化，并采用有序逻辑回归模型定量揭示水文连通性指数对洪水量级发生概率的影响，分析洪水的产生和演变机制，以期为干旱和半干旱地区的综合灾害评估、洪水风险预测以及制定有效的洪水管理和应对策略提供科学依据。

１流域概况与研究方法

１．１流域概况

窟野河位于我国西北干旱半干旱地区［９］ 的榆林市和鄂尔多斯市，流域面积８ ７０６ ｋｍ^２，地势西北高、东南低，干流全长２４１．８ ｋｍ，其中支流牛川与窟野河干流交汇口以上为乌兰木伦河，交汇口以下称为窟野河。窟野河流域内有３ 个水文站，即王道恒塔、新庙和温家川，其中温家川水文站位于窟野河与黄河交汇处上游约６．９ ｋｍ［１０］ ，是窟野河流域的出口控制站，控制流域面积８ ６４５ ｋｍ^２。另外，窟野河流域共有１４ 个雨量站，其中一些雨量站同时也是水文站，见图１。窟野河流域年均降水量５０５ ｍｍ，其流域下垫面差异较大，主要包含３ 种地形：神木市以上为沙丘和流沙覆盖区，地面平坦，灌丛植被是主要植被类型；神木市以下为黄土丘陵沟壑区，地面破碎，为梁峁地形，植被稀疏，以草本植物为主，沟壑区植被主要是人工林［１１］ ；河口段为土石山区，坡陡岸高，支流较短。

１．２数据来源及预处理

１９５８—１９９０年、２００６—２０２０年窟野河流域３个水文站洪水数据均来源于《黄河水文年鉴》。１９９１—１９９７年温家川水文站洪水数据由黄河水利委员会水文局提供，１９９８—２００５年温家川水文站洪水数据来源于相关文献资料。１９９１—２００５ 年王道恒塔和新庙洪水数据缺失。

气象数据包括降水强度、连续５ ｄ 最大降水量和１ ｄ最大降水量，其中１９６０—２０１６ 年气象数据来源于国家地球系统科学数据中心（ｈｔｔｐ：／／ ｗｗｗ．ｇｅｏｄａｔａ．ｃｎ），空间分辨率为０．２５°；２０１７—２０２０ 年气象数据通过对窟野河流域内和附近共２８ 个雨量站降水量数据进行空间插值获得，２８ 个雨量站数据均来自《黄河水文年鉴》。ＤＥＭ 数据来自地理空间数据云（ｈｔｔｐ：／／ ｗｗｗ．ｇｓｃｌｏｕｄ．ｃｎ），空间分辨率为３０ ｍ，其已被证明适用于评估水文连通性［１２］ 。根据ＤＥＭ 数据划定窟野河流域边界，并计算坡度、地形粗糙度、流向和累积流量等参数［４］ 。０～１０ｃｍ 土壤层中土壤水分含量是洪水研究的一个关键参数［４］ ，该数据来自ＧＬＥＡＭ 数据库（ｈｔ⁃ｔｐｓ：／／ ｗｗｗ．ｇｌｅａｍ．ｅｕ），空间分辨率为２５ ｋｍ。植被覆盖度（ＦＶＣ）数据来自谷歌地球引擎（ＧＥＥ） 平台（ｗｗｗ．ｇｏｏｇｌｅ．ｅａｒｔｈｅｎｇｉｎｅ．ｇｏｏｇｌｅ．ｃｏｍ），空间分辨率为３０ ｍ。煤矿开采区面积数据来源于１９８７—２０２１年《榆林统计年鉴》和《鄂尔多斯统计年鉴》。

２结果与分析

２．１洪水变化特征

２．１．１洪水发生频率变化

选择窟野河流域温家川、王道恒塔和新庙３ 个水文站研究洪水发生频率的变化，其中温家川、王道恒塔数据始于１９５８ 年，新庙数据始于１９６６年。通过分析这些水文站的洪水频率特性（见图２）发现，温家川、王道恒塔、新庙观测到的洪水次数分别为１６６、１４８、１３１，年平均次数分别为３．６１、３．２１、３．４５；１９５８—２０２０ 年场次洪水发生频率总体呈波动下降趋势。

２．１．２年最大洪峰流量及其变异性

窟野河流域控制站温家川水文站年最大洪峰流量时间特征和突变点检验见图３。１９６０—２０２０年最大洪峰流量呈显著下降趋势。具体而言，１９６０—１９７９ 年、１９８０—１９９９年、２０００—２０２０年特大量级场次洪水分别发生３、１０、３ 次，较大量级场次洪水分别发生４、６、１次。洪水的年际变化显著，最大洪峰流量最大值为１４ ０００ ｍ^３ ／ ｓ（１９７６ 年）， 最小值为２８． ６ ｍ^３／ｓ （２０２０年）。使用Ｍａｎｎ － Ｋｅｎｄａｌｌ方法检验温家川水文站１９６０—２０２０ 年最大洪峰流量变化情况发现，１９９８ 年出现了统计学意义上的显著突变（显著性水平ｐ＜０．０５），即１９９８年为最大洪峰流量的突变点。

２．２水文连通性指数时空变化特征

２．２．１时间变化特征

１９８６—２０２１ 年窟野河流域水文连通性指数变化情况见图４。由图４（ａ）可知，研究期内，窟野河流域水文连通性指数的年均值呈显著下降趋势，从１９８６ 年的０． ６０６ 下降到２０２１ 年的０．４６９，年均下降率为０．７３％。分析历年水文连通性指数的变化趋势，可以将其划分为３ 个阶段：第一阶段为１９８６—２００６ 年，窟野河流域水文连通性指数较大，呈波动下降趋势，从０．６０６下降至０．５８３，年均下降率为０．１９％；第二阶段为２００７—２０１３ 年，下降速率加快，由２００７ 年的０．５５２ 下降至２０１３ 年的０．４４２，年均下降速率为３．６４％；第三阶段为２０１４—２０２１ 年，窟野河流域水文连通性指数较小，２０１４ 年为０．４５８，但到２０２１ 年又微升至０．４６９。

２．２．２空间分布格局

１９８６—２０２１ 年窟野河流域水文连通性指数多年均值空间分布见图５（ａ）。研究区水文连通性指数高值主要分布在窟野河左岸，以中下游地区为主，府谷县和神木市最为突出；低值主要分布在窟野河右岸，以上游地区为主，其中康巴什区、伊金霍洛旗尤为明显。对研究区水文连通性指数进行全局空间自相关检验，得出Ｍｏｒａｎ’ｓ Ｉ 指数为０．７６４，且均通过显著性检验（显著性水平ｐ＜０．０５），说明窟野河流域水文连通性指数呈现显著空间集聚状态。进一步进行局部空间自相关分析揭示不同空间集聚类型，发现主要为低低集聚和高高集聚，见图５（ｂ）。具体而言，低低集聚主要分布在乌兰木伦河流域，以康巴什区、伊金霍洛旗、东胜区最为凸显，神木市呈点状分布；高高集聚集中分布在窟野河下游土石山区，其中神木市尤为明显。

为进一步研究窟野河流域水文连通性指数空间变化趋势，将Ｔｈｅｉｌ－Ｓｅｎ Ｍｅｄｉａｎ 方法得出的ρ 值与Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ检验计算的Ｚ 值进行叠加，依据表１ 分类标准，得出研究区水文连通性指数空间变化，见图５（ｃ）。在研究期，窟野河流域水文连通性指数主要表现为显著减小和极显著减小，其面积占研究区总面积的６８．３０％，其中窟野河流域中下游府谷县、神木市和准格尔旗水文连通性指数显著减小的面积分别占各县（市、旗） 面积的８７．３０％、７７．８０％、７５．５％；考察各市（旗、县、区）对研究区水文连通性指数显著减小面积的贡献发现，神木市、伊金霍洛旗、准格尔旗、府谷县、东胜区、康巴什区、达拉特旗分别贡献了４７． ６１％、２３．１３％、１３．１６％、６．７２％、６．４９％、２．７７％、０．１２％；窟野河流域还出现了水文连通性指数显著增大的区域，这些区域呈群状或条状分布，占研究区总面积的０．１０％，主要分布于东胜区、准格尔旗和伊金霍洛旗。

２．３水文连通性指数变化对洪水量级发生概率的影响

２．３．１指标的选取及数据预处理

洪水变化的驱动因素可分为三类：大气因素、流域因素和河流因素［１５］ 。考虑数据的可获得性，选择降水强度、连续５ ｄ 最大降水量、土壤含水量、煤矿开采区面积和最大日降水量５ 个因子作为控制变量，采用有序逻辑回归模型模拟水文连通性指数变化对洪水量级发生概率的影响。

对１９８６—２０２１ 年的水文连通性指数和控制变量进行数据预处理，预处理程序包括３ 个步骤：使用最大最小法将数据进行归一化处理，以消除变量之间的量纲差异；为确保时间序列数据的平稳性，采用单位根检验（ＡＤＦ）对时间序列数据进行平稳性检验，对不平稳的变量进行一阶差分；使用Ｐｅａｒｓｏｎ相关分析对驱动因子进行共线性检验，并剔除相关系数大于０．７的变量，最终确定了水文连通性指数、降水强度、土壤含水量、煤矿开采区面积和最大日降水量５个变量。

２．３．２水文连通性指数的洪水量级效应

采用有序逻辑回归模型，结合逐步回归方法逐一引入变量，探究窟野河流域水文连通性指数与洪水量级之间的关系，有序逻辑回归结果见表２。在建立有序逻辑回归模型时，通过似然比ＬＲｃｈｉ２（５）检验模型优度，本文进行了５次迭代（分别用模型１、２、３、４、５ 表示）来确保模型的稳健性，检验结果表明所构建的模型具有很强的解释力。此外，逐步回归结果表明，水文连通性指数始终显著影响洪水量级发生概率，进一步验证了模型的稳健性。分析模型５ 可知，水文连通性指数的变化对洪水量级发生概率具有显著正向影响（显著性水平ｐ＜０．０１），表明水文连通性指数在影响洪水量级方面起着至关重要的作用。具体而言，在其他变量保持不变的情况下，水文连通性指数每增大一个单位，洪水变为更大量级的概率增大５．９９９倍。在模型引入的４ 个控制变量中，降水强度、土壤含水量和最大日降水量对洪水量级具有正向影响，而煤矿开采区面积对洪水量级具有负向影响。

３讨论

３．１场次洪水的特征

研究结果表明窟野河的场次洪水频率和年最大洪峰流量均呈下降趋势。这一结论已被众多学者间接或者直接证明。如赵晓坤等［１６］ 指出，２０ 世纪８０ 年代以前，窟野河流域洪峰流量大，洪水次数多，之后洪峰流量急剧下降。李立缠［１３］ 分析窟野河流域最大年次洪水流量和年洪水频次发现，二者均显著持续下降，具体而言，２０００—２０１８年，年最大洪峰流量急剧下降至２０世纪六七十年代平均值的１／７ 以下，大、中洪水几乎不再发生；最大洪峰流量的突变点为１９９８ 年。Ｚｏｕ 等［６］指出河龙区间洪水量级有所下降，这与本文洪水变化趋势一致。以上研究均佐证了本文研究结论，即窟野河流域洪水频率和洪水量级均下降，且发生突变。究其原因，可能与１９９９ 年实施“退耕还林还草”工程后窟野河流域植被显著增加有关。

３．２水文连通性指数时空动态演化

研究水文连通性与下垫面变化的关系可以提高对生态水文过程及其环境效应的认识，这对小流域水土资源管理至关重要［１７］ 。关于流域水文连通性的测算方法，由于Ｂｏｒｓｅｌｌｉ 等［７］ 提出的水文连通性指数数据获取方便，适合大尺度流域和无数据区域，因此该指标成为定量评价陆地系统各组成部分之间水流等物质转移的重要手段。本文结合研究区特点，对水文连通性指数进行修正，分析发现，研究期内历年水文连通性指数均值总体呈显著减小趋势。此外，较大的水文连通性指数主要出现在窟野河左岸，尤其是中下游，较小的水文连通性指数主要集中在窟野河右岸，这种空间分布主要受窟野河流域地形影响。窟野河左岸地势相对平坦，阻碍了水流的产生；右岸以沟壑、山脊和山脉等崎岖地形为主，且稀疏植被面积占比较大。已有文献也表明本文研究结果的合理性，如：Ｌｉｕ 等［１２］ 强调了植被覆盖与水文连通性之间的重要关系；Ｗａｎｇ 等［１７］ 指出，提高植被覆盖率可以降低流速、促进渗透，有效减小地表径流和土壤侵蚀的负面影响。

３．３水文连通性指数的洪水效应

预测洪水发生概率对于加强备灾和减小洪水风险至关重要。本文采用有序逻辑回归模型定量评估了水文连通性指数对洪水量级发生概率的影响。研究结果表明，水文连通性指数的变化对洪水量级发生概率具有显著正向影响。具体而言，在其他变量保持不变的情况下，水文连通性指数每增大一个单位，洪水变为更大量级的概率增大５.９９９倍。洪水的发生和动态变化源于气象因素与自然环境固有特征之间复杂的相互作用［１５］ ，各种因素，如强降水、融雪、河流溢流和水坝溃决等都可能导致洪水发生。土地利用改变，包括城市化进程加快［１８－２０］ 、植树造林［２１］ ，以及气候变化等，都会增强洪水灾害脆弱性。这些变化会扰乱水文循环，导致地表径流增减以及洪水事件发生频率和严重程度的变化。窟野河流域降水趋势没有发生显著变化［１３］ ，因此植被覆盖度等下垫面的变化被认为是窟野河流域洪水变化的主要驱动因素。

４结论

本文在分析窟野河流域洪水变化特征的基础上，使用修正的水文连通性指数评估了窟野河流域的水文连通性并分析其时空演变特征，应用有序逻辑回归模型量化了水文连通性指数对洪水量级发生概率的影响。研究期内窟野河的场次洪水发生频率均呈波动减小趋势，温家川水文站年最大洪峰流量呈显著下降趋势。最大洪峰流量的突变点为１９９８年。研究期内，窟野河流域年平均水文连通性指数总体呈下降趋势，高值主要分布在窟野河左岸，以中下游最为突出，低值主要分布在窟野河右岸。从长期空间变化趋势来看，窟野河流域水文连通性指数主要表现为显著减小和极显著减小，其面积占比为６８.３０％。通过研究水文连通性指数变化对洪水量级发生概率的影响，发现水文连通性指数变化对洪水量级发生概率具有显著正向影响。值得注意的是，当其他变量固定不变时，水文连通性指数每增大一个单位，洪水变为更大量级的概率增大５．９９９倍。这一发现强调了水文连通性指数在影响洪水量级中的关键作用，突出了将水文连通性指数视为洪水量级变化的关键决定因素的重要性。