窟野河流域径流变化及人类活动对其的影响率

郭巧玲，陈新华，刘培旺，方海军

径流受气候、地貌、土壤、植被等自然条件以及人类活动的耦合作用，其演变过程既表现出确定性的规律，同时也有强烈的随机性［1］。随着全球变暖和人类活动影响的加剧，河川径流发生了显著的时空变化，直接影响了流域水资源的配置、开发与利用，以及河流生态系统的物理、化学和生物过程［2］。窟野河流域随着黄河沿岸能源化工基地建设步伐的加快，该流域径流过程发生了巨大变化，水资源供需矛盾日益突出，流域甚至出现严重的断流现象。而以往的研究工作，主要集中在窟野河产沙特性［3－4］和洪水特征的分析［5－6］，较少涉及径流变化及人类活动影响的研究，仅有赵晓坤等［7］分析了1954—1993年间的径流量变化。因此，很有必要对窟野河近年来的径流变化及人类活动对径流的影响进行系统分析，深入认识窟野河径流演化规律和人类活动影响程度，为流域水资源合理开发利用提供依据，同时为黄河中游治理提供科学依据。

1 研究区概况

窟野河发源于内蒙古自治区伊克昭盟东胜市，从神木县石圪台进入陕西省境内，于陕西省神木县贺家川乡沙峁头村汇入黄河，干流全长241.8km，流域面积8 706km2。支流饽牛川与干流的交汇口以上为乌兰木伦河，交汇口以下称窟野河［7］。流域地处黄河中游干旱、半干旱地区，多年平均气温7.9℃，平均降水量410mm左右，无霜期280d。受大陆性季风影响，春季干旱少雨、夏季多有暴雨、秋季降霜早冻、冬季严寒稀雪。流域地形、地貌可分为风沙区和黄土丘陵沟壑区两大类，窟野河神木以上位于毛乌素沙漠的南缘，属风沙区，地势平坦，地表大部分为沙层覆盖，区内沙丘连绵，滩地、海子星罗棋布；神木以下为黄土丘陵沟壑区，区内丘陵起伏，沟壑纵横，地形破碎，黄土土质疏松，植被稀少［3］。

2 数据来源与研究方法

窟野河流域现有王道恒塔、新庙、神木、温家川等4个基本水文站。其中，温家川是窟野河流域的出口控制站。本研究以王道恒塔站和温家川站为代表，选用王道恒塔站1960—2010年和温家川站1953—2010年逐月实测径流资料和2个水文站1960—2010的降水观测资料，数据来自黄河流域水文年鉴。

所用的研究方法包括累积距平法，滑动平均法，Mann—Kendall法，R／S 分析法等［8－14］。

3 径流变化分析

3.1 径流年际变化特征分析

变差系数Cv和年极值比常用来反映河流径流年际变化的总体特征。从表1可知，王道恒塔站历年最大径流量5.25×108m3，最小径流量3.80×107m3，多年均值为1.73×108m3，径流年际极值比为13.82，变差系数1.33。温家川站历年最大径流量1.37×109m3，最小径流量1.25×108m3，多年均值为5.31×108m3，径流年际极值比为10.97，变差系数0.57。各站点的径流年际极值比和变差系数都比较大，说明窟野河径流丰枯变化比较剧烈，而且径流年际极值比和变差系数从上游至下游呈减小的趋势。

表2显示了窟野河2水文站自20世纪60年代以来的年代际平均径流量。由表2可以看出，2个水文站的年代际平均径流量始终处于减少状态。对于王道恒塔站，径流减少幅度持续增加。21世纪初平均年径流量是多年均值的38%，仅为20世纪60年代平均年径流量的26%。就温家川站而言，21世纪初的径流量减少幅度最大，其径流量是多年均值的30%，仅为20世纪60年代平均年径流量的23%。

表1 窟野河径流量年际变化特征 108 m3

表2 窟野河各水文站年代际平均径流量 108 m3

3.2 径流变化趋势分析

图1为窟野河2个水文站的年径流量变化趋势。由图1可以看出，近几十年来2个水文站的年径流量均表现出递减的趋势，王道恒塔站线性趋势系数为－0.045，温家川站线性趋势系数为－0.125。为了更明显地分析径流量年际变化的阶段，分别绘制了王道恒塔水文站1960—2010年和温家川水文站1953—2010年天然径流量累积距平曲线（图2）。由图2可以看出，王道恒塔站1960—1985年，径流量基本处于上升趋势；1986—1995年该站径流量出现一定的下降趋势；1996—2010年，径流量下降幅度显著增大。温家川站1953—1979年，径流量基本处于上升趋势；1980—1997年，径流量出现一定的下降趋势；1998—2010年，径流量下降幅度显著增大。2站都是在20世纪末出现径流量大幅减少的现象。

图1 窟野河各水文站年径流量变化趋势

图2 窟野河流域年径流累积距平曲线

采用R／S分析法对窟野河2个水文站的年径流量序列进行分析来说明径流量序列未来的变化趋势。由分析结果可知，王道恒塔和温家川2个水文站的Hurst指数（H）分别为0.853和0.803，H 值均大于0.5，说明2个水文站未来的年径流变化趋势与过去相同，呈持续递减的特征。若气候变化和人类活动依然按照现在的趋势发展，窟野河年径流量将继续呈现递减趋势。

3.3 径流变化突变点分析

利用M—K突变检测方法对流域径流序列进行突变分析。分析结果表明，在0.05显著性水平下，王道恒塔站1985年之前，UF值绝大多数大于零，说明在该时段径流量呈增加趋势；1985—1995年，UF值均小于零，说明在该段时间径流量呈减少趋势；UF与UB曲线交叉点发生在1995年，且交点超过信度线，说明1995年是其径流突变开始年份，出现了径流量的大幅显著下降。对于温家川站，1983年之前，UF值绝大多数大于零，说明在该时段径流量呈增加趋势；1983—1998年，UF值均小于零，说明在该段时间径流量呈减少趋势；UF与UB曲线交叉点发生在1998年，且交点超过信度线，说明1998年是其径流突变的开始年份，径流量出现显著下降。

4 径流变化影响率计算

4.1 径流变化影响率计算方法

双累积曲线法是进行时间序列分析的一种常用方法。其基本思想是两个变量按同一时间长度逐步累加，一个变量作为横坐标，另一个变量作为纵坐标，其拐点可作为分析变量阶段性变化的依据［15］。当只有降水的变化而无其它因素影响时，双累积曲线应为一直线；当受到人类活动等其他因素影响时，曲线将会发生偏移，可根据双累积曲线发生偏移的年代确定下垫面受人类活动影响的剧烈程度。因此，降水—径流双累积曲线可以揭示人类活动对径流影响的阶段性变化。

4.2 计算结果分析

图3是利用1960—2010年的同期降水、径流量资料建立的王道恒塔站和温家川站降水—径流双累积曲线，曲线分别在1968和1971年发生偏移，因此，可以确定1960—1967年和1960—1970年分别为王道恒塔站和温家川站的基准期，并以此将两个水文站径流序列划分为几个阶段（表3）。对基准期累积降水量和累积径流进行回归分析，建立基准期内累计年降水量∑P和累积年径流量∑R序列的相关方程，其方程为：

依据基准期内两个水文站年降水和年径流资料，建立基准期内的降水序列和径流序列的相关方程，其方程为：

根据年降水量与年径流量的相关方程可得2站不同时段的理论平均径流量，将其作为天然径流量的近似值。基准期实测值与各时段计算值的差值即为此时段降水变化对径流变化的影响值；基准期实测值与各时段实测值的差值减去降水变化的影响值即为人类活动对径流变化的影响值；影响值与总减少值的百分比即为影响率。由表3可知，1968—2010年王道恒塔站降水对径流量的影响率为－3.03%，是因为该时期的降水量相对于基准期有所增加，导致降水影响差值为负；但是，该时期径流量总减少量占其实测径流量的55.8%，主要是人类活动导致流域径流量减少。对比不同阶段，各阶段人类活动和降水对径流的影响程度亦不同。1968—1978年和1985—1996年2个阶段，由于降水量相对于基准期有所增加，导致降水影响差值为负。1997—2010年，人类活动对径流量减少的影响率达到80.48%，远远超过降水的影响。对于温家川站，1971—2010年人类活动对径流量减少的影响率是81.92%，是降水对径流量减少的影响率的4倍多，说明人类活动是导致流域径流量减少的主要原因。对比不同阶段，人类活动对径流量减少的影响率基本处于增加趋势，到1997—2010年，人类活动对径流量减少的影响率高达93.62%。自20世纪60年代以来，2个水文站径流量都出现了显著减少的现象，且导致径流量减少的主要原因都是人类活动的影响。

在窟野河流域，改变径流的人类活动方式以矿产资源开采和水土保持措施为主。水土保持措施主要包括梯田建设、造林、种草和修筑淤地坝等。根据赵晓坤等［7］调查，20世纪70—80年代，梯田、坝地、造林和种草等水土保持措施的蓄水量分别达到1.19×107m3和2.54×107m3，80年代窟野河流域水保措施减水量约为1.60×108m3［6］，水土保持措施发挥了较大的减水作用。20世纪90年代以来，煤炭大规模开采等人类工程活动成为径流量减少的主要因素之一。1991年窟野河流域原煤产量为6.26×106t，2011年窟野河原煤产量为1.73×108t，为1991年的27.59倍。煤炭开采破坏了水资源形成与储存环境及排泄途径和方式，水资源的产、汇、补、径、排等发生变化，直接表现为地表径流减少，根据蒋晓辉等［16］研究成果，窟野河流域开采吨煤对径流的影响大约为5.27m3。

图3 窟野河流域水文站降水－径流双累积曲线

表3 降水和人类活动对窟野河径流影响

5 结论

（1）近50a来，窟野河径流年际变化表现出递减的趋势，尤其自20世纪末以来，呈现出显著减少的趋势。王道恒塔站径流突变年份为1995年，温家川站径流突变年份为1998年。

（2）在现有气候变化和人类活动保持不变的状况下，窟野河径流量的递减趋势在未来一段时间内将会持续。

（3）导致窟野河径流量减少的主要原因是人类活动，其次是降水。不同历史阶段，人类活动的剧烈程度不同，对径流量减少的影响亦不同。影响最剧烈的阶段为1997—2010年，该阶段人类活动对径流量减少的影响率在2个水文站分别高达80.48%和93.62%。

（4）气候变化是河川径流变化的重要原因之一。由于资料所限，本研究在气候要素中，仅考虑了降水，今后还应进一步研究蒸发、气温等对径流的影响。

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