皇甫川流域降水和人类活动对水沙变化的定量分析

赵广举，穆兴民，温仲明，王飞，高鹏

(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，100101，北京;2.西北农林科技大学，水土保持研究所，712100，陕西杨凌;3.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

皇甫川流域降水和人类活动对水沙变化的定量分析

赵广举1，2，3，穆兴民2，3†，温仲明2，3，王飞2，3，高鹏2，3

(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，100101，北京;2.西北农林科技大学，水土保持研究所，712100，陕西杨凌;3.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

摘要：采用线性趋势法、非参数Mann-Kendall趋势检验法、累积距平法及径流历时曲线法分析皇甫川流域1955—2010年水沙变化特征，通过水文分析法定量评价降水和人类活动对水沙变化的贡献率。结果表明：皇甫川流域径流量和输沙量均呈急剧减少趋势，尤其在20世纪80年代之后，减少更加显著，近10年(2000—2010)的平均径流量与输沙量相当于1950—1959年的约20%;皇甫站径流量和输沙量均在1979年发生突变;在变化期1980—2010年，人类活动对流域水沙变化的贡献占主导因素，约为70%，而降水所占比例为30%左右;自20世纪80年代始，大规模的水土保持措施(如退耕还林(草)、梯田建设、水库淤地坝等工程)等人类活动是流域水沙锐减的主要影响因素。

关键词：水沙变化;降水;人类活动;水土保持措施;皇甫川流域

气候变化与人类活动是引起河川径流量与输沙量发生变化的主要因素。气候变暖加快了流域水循环，促使降水的频率和强度发生变化，进而影响地表水文过程［1］。近年来，受气候变化和人类活动(如水土保持措施、植被修复、大型水利工程建设、农业引水灌溉等)的共同作用，国际上许多河流的径流量和输沙量发生了显著变化［2-4］。自20世纪70年代末，黄河径流量和输沙量亦呈明显的减少趋势。研究表明，流域内大多数气候站点的降水量有较明显的减少趋势［5］，同时，大规模的人类活动，包括土地利用/覆被变化、水利水土保持措施的实施、农业灌溉、工业和生活用水的增加等，对黄河流域水文过程和输沙量产生了重要的影响［4］，黄河流域水资源供需关系日益紧张［6］。定量分析气候变化与人类活动对流域水沙的影响已成为水科学研究的热点之一，也是解决流域水资源供需失衡、实现水资源可持续利用的必要前提。目前，我国许多学者开展了大量关于黄河水沙变化及其驱动因素的研究工作。例如：刘昌明等［7］分析了1956—2000年黄河干流的径流量，发现降雨变化对黄河上游径流量减少的影响占75%，而人类活动仅占25%，但在黄河中游降水作用占43%，人类活动占57%;Gao Peng等［8］研究了黄河中游河龙区间的干流水沙变化及其驱动力;Zhao Guangju等［9］研究了 1950—2008 年渭河流域径流量的变化，发现在不同的水土保持措施实施阶段，气候因素与人类活动对径流减少的贡献不同，总体而言，人类活动占主导地位;Wang Houjie等［10］分析了黄河干流水沙时空演变特征及与气候变化，水利工程及水土保持措施的响应机制。以上研究表明，降水变化和人类活动对水沙变化的影响程度因地而异，因此，在特定区域开展针对性的研究对区域水资源的合理配置具有重要意义。笔者选择黄河中游典型多沙粗沙区皇甫川流域为研究对象，采用线性趋势法、Mann-Kendall检验、累积距平和水文分析法研究流域近60年径流量和输沙量的演变特征，定量分析降水和人类活动对水沙变化的贡献，为正确认识气候变化与人类活动对黄土高原水沙变化的影响提供理论方法，并为黄土高原水土保持措施的优化配置提供科学依据。

1 研究区概况

皇甫川位于黄河中游河口镇—龙门区间的上段，发源于鄂尔多斯高原东部、黄土高原与荒漠草原的过渡地带，流经准格尔旗，在陕西省府谷县境内流入黄河(图1)。皇甫川干流长度137 km，流域面积3 246 km2，包括纳林川和十里长川2大支流。流域出口的皇甫水文站于1954年建成，控制面积3 175 km2。流域多年(1955—2010年)平均径流量1.269亿m3，径流的年际和年内变化很大。区域大陆性气候显著，年内蒸发旺盛。多年(1955—2010年)平均输沙量0.408亿t，是黄河主要的多沙粗沙支流之一。流域受东南季风影响，大陆性气候显著，流域多年平均降水量380mm，由东南向西北逐渐减少，降雨以暴雨为主，多集中在6—9月份，约占全年降水量的80%以上。

2 数据与方法

2.1 数据收集与整理

考虑资料的精确性、监测的完整性和连续性，根据流域内水文站点的分布，选择皇甫水文站径流和泥沙数据研究皇甫川流域1955—2010年的水沙变化特征并分析其影响因素。所采用的皇甫川站水沙资料和流域内雨量站的降水量数据，1955—1989年来源于黄河流域水文年鉴，1990—2010年的资料由黄河水利委员会提供。该流域现有雨量站13个，其中皇甫雨量站设立于1954年，至1966年雨量站增至7个，1977年增至13个［11］。鉴于部分站点资料缺乏完整性，采用图1所示的10个雨量站的降水日资料汇总为年降水量，并通过反距离权重法(Inverse Distance Weighted)插值获得流域面平均降水量。

2.2 研究方法

采用线性趋势法，非参数Mann-Kendall(MK)趋势检验法、累积距平法和径流历时曲线法分析皇甫川流域径流量和输沙量的变化特征，并采用水文分析法定量评价降水与人类活动对流域水沙变化的影响。由于线性趋势法计算简单，不再赘述。

1)非参数Mann-Kendall(MK)趋势检验法。MK法具有适用范围广、定量化程度高、理论意义明确的特点，是目前水文气象研究中常用的一种时间序列检验方法［12-14］。该方法以序列平稳为前提，要求序列随机独立，其概率分布等同。设一时间序列X(x1，x2，…，xn)，其统计量为

图1 研究区地理位置、水系及水文站点分布Fig．1 Location of the study area，river network andmonitoring sites

以径流量为例，式中：xi和xj分别为第i和第j年径流量，亿m3;n为序列长度。当xi-xj小于、等于或者大于0时，sgn(xi-xj)分别为 -1、0和1，则mK统计结果为

若Z为正值则表示序列有增加趋势，负值则为减少趋势。当Z的绝对值大于等于1.28、1.96、2.32时，序列趋势通过90%、95%、99%的显著检验。

2)累积距平法。采用累积距平法判断径流量和输沙量的序列突变年份。该方法是由曲线直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统计方法［11］。时间序列 X(x1，x2，…，xn)，其在某一时刻 t的累积距平为

该方法的核心是判断离散数据对其均值的离散幅度，若累积距平值增大，表明离散数据大于其平均值，反之则小于其平均值，如果曲线由上述2个部分组成，则可确定变化趋势的拐点。

3)径流历时曲线法。流量历时曲线表示流域某一时段内日流量发生频次与流量之间的关系，以大于或等于某一流量的比例表征，它反映了该时间序列不同等级的分布情况［15］。流量历时曲线简单、明晰地反映了流域径流在研究时段由低流量至洪水的各个流量分布特征。定义某一流量值Q对应超过该流量的频率p，则超过洪水频率5%的流量记为Q5。

4)水文分析法。为区分降水和人类活动对流域水沙变化的影响，借鉴计算水土保持减水减沙效益的一种方法——水文分析法，简称水文法［16］。河川径流量与输沙量受降水和下垫面条件控制，在自然状态下，它们之间具有统计相关关系，即某一特定流域，若下垫面条件保持不变，在一定的降水条件下产生的径流量和输沙量基本是一定的，而如果下垫面条件发生了变化，那么在相同的降雨条件下产生的径流和输沙量就可能不同［6］。根据上述原理，利用基准期的实测水文资料，通过多元回归分析，建立降雨与径流、泥沙关系回归方程(以径流量为例)

其中：Qref和Pref分别为基准期的年径流量和降水量;a和b为回归系数。通过变化期的降水量和径流量得到的回归方程即可计算人类活动对径流的影响

式中和分别为变化期的模拟径流量、实际径流量和降水量，mm;ΔQp和ΔQh分别为降水和人类活动对径流的贡献，mm。

采用变差系数定量分析水文序列在某一特定时段的变异特征。给定序列X(x1，x2，…，xn)，其均值为x，长度为n，则其变差系数为

变差系数小于0.1表示水文序列相对稳定，若0.1≤Cv≤1表示序列呈中度变异，而其值大于1则意味着序列在此时段变异强烈［13］。

3 结果与分析

3.1 皇甫川流域水沙变化特征

3.1.1 皇甫川流域水沙变化趋势 由皇甫川流域皇甫水文站的年径流线性变化趋势(图2(a))可知：年径流量呈显著减少趋势。径流量实测值显示，1955—1979年的径流量变化相对稳定，而在1980年之后径流量减少剧烈，特别是近10年，径流量减少至1955—1979年平均径流量的近19%，年均径流量由1.82亿m3减少至年均0.33亿m3(2000—2010年)。径流量的锐减与流域降水量的减少有一定的关系。表1显示，流域降水量1955—1959年为441mm，而1990—1999年为干旱期，年均降水量仅为227mm。此外，人口的增加、经济的发展、城市化进程的加快、工农业和生活用水需求的增加是地表水资源量不断减少的主要原因。

同径流量变化一致，年输沙量亦显著减少(图2(b))。输沙量由1955—1959年均0.74亿t减少至2000—2010年的0.009亿t，相当于20世纪50年代的12.8%。输沙量的减少主要是由20世纪80年代初开始实施的水土保持措施导致的，大面积的退耕还林(草)、淤地坝等水土保持措施和水利工程等改变了流域的坡面及河道中土壤侵蚀发生及输送过程，大大减少了坡面侵蚀到达河流的泥沙。

皇甫川流域1955—2010年径流量和输沙量的MK统计检验结果显示：水文站的径流量和输沙量均呈显著递减趋势，显著性超过了99%。经流量减少幅度最为显著(Z值为-4.92)，而输沙量的减少趋势也较为显著(99%)，其Z值为-4.52。

由表1可知：在1955—2010年的各时段内，降水量的变差系数逐渐减小，在1970年后，变差系数基本稳定，其范围为0.18～0.21。20世纪50、60年代流域降水年际变异较大，70年代以后降水量变化较小。与降水量不同，径流量的变差系数均较大，尤其是2000—2010年，变差系数超过0.9，进入21世纪，径流的年际间变异明显，表明地表水文过程可能受人为影响较大。输沙量的变差系数均大于同期的降水量，且在1990—2010年超过了0.9，说明近20年输沙量与降水量变化不具有同步性，其原因可能是大规模的退耕还林(草)和淤地坝等水土保持措施的实施造成的。

图2 皇甫站年径流量与输沙量的线性趋势Fig．2 Linear trends of streamflow and sediment load at Huangfu station

表1 流域年均降水量、径流量和输沙量变化Tab．1 Changes of average annual precipitation，discharge and sediment load in the Huangfuchuan Watershed

3.1.2 皇甫川流域水沙的突变特征 采用累积距平法计算的1955—2010年径流量与输沙量的累积距平的年际变化如图3所示。可以看出，径流量和输沙量均在1979年前后表现出增大和减小的趋势，径流量和输沙量发生突变的年份均为1979年。皇甫川流域在20世纪80年代前，受人类活动影响较小，拐点1979年可视为降水量的变化引起的突变，而之后，人类活动的影响逐渐增强，其通过改变下垫面状况影响流域的水循环过程，进而使河川的径流量和输沙量发生变化。

图3 皇甫川流域1955—2010年水沙变化的突变特征Fig．3 Abrupt changes of streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed from 1955 to 2010

图4 皇甫川流域日径流量、输沙率的历时曲线Fig．4 Flow duration curves of daily discharge and sediment delivery ratio at Huangfu station

3.1.3 日径流量与日输沙率的变化特征 基准期与变化期流域日经流量与日输沙率的流量历时曲线如图4所示。可以清晰地看出，与基准期1955—1979相比，径流量整体呈减少趋势，但在不同频率下降低程度有所差异，变化期的Q5为90.4m3/s，仅为基准期的62.3%，而枯季流量变化更为显著。由于皇甫川为季节性河流，基准期的断流频率约为24%，变化期的则达到55%。输沙率的变化同样明显，基准期的零值输沙率约为45%，而变化期的为65%。由此可知，近年来，皇甫川流域河川径流量和输沙率均呈显著下降趋势。日径流监测数据显示，2008—2011年年内断流时间不断延长，2008—2010年皇甫站河干时间分别为276、336、348 d，而2011年全年365 d河干，其中2008-14-15，日降水量达到58.4mm，但皇甫站仍未形成径流［17］。皇甫站年内长期断流的主要原因是河道内存在的大量淤地坝有效地蓄水拦沙，另外，大规模的退耕还林(草)很大程度上改变了地表产水产沙过程，使坡面地表径流减少，蒸发增加，同时降低了坡面侵蚀动力。

3.2 降水变化与人类活动对水沙变化的影响

3.2.1 水沙变化对降水和人类活动的响应 由于气候变化与人类活动共同作用于地表水文过程，近年来，如何有效地分离和辨析其对流域水沙变化的贡献是目前气象水文学的研究热点之一。采用水文分析法建立基准期的降水量—径流深、降水量—输沙量之间的回归方程，结果如图5所示。比较而言，基准期径流深、输沙量与降水量均呈较好的响应关系，而变化期结果则较差。

图5 皇甫川流域降水与水沙的对应关系Fig．5 Correlation between precipitation and streamflow and sediment load at Huangfu station

由表2可以得出：人类活动是引起皇甫川流域径流量和输沙量减少的主导因素。皇甫站降水量变化对径流量的贡献率为25.8%，人类活动的贡献率为74.2%，降水量和人类活动对输沙量的影响与之相似。王随继等［11］采用累积量斜率变化率方法定量分析了皇甫川流域径流变化的潜在因素，发现在不考虑气温及蒸发影响的情况下，降水与人类活动在1980—1997年贡献率分别为 36.43%和63.57%，在1997—2008年贡献率分别为16.81%与83.19%，同笔者的研究结果基本一致。此外，降水与人类活动对输沙量变化的影响与王金花等［16］计算的水土保持措施减沙效益结果类似，表明利用水文分析法分离降水量与人类活动对流域水沙变化的贡献结果可靠。

表2 降水量与人类活动对流域水沙变化的影响Tab．2 Impacts of precipitation and human activities on changes of streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed

3.2.2 水土保持措施对皇甫川水沙变化的潜在影响 皇甫川是黄土高原典型的粗沙多沙流域，是黄河泥沙的主要区之一。为有效减少泥沙入黄，流域干支流河道内建造了大量淤地坝及水库。图6显示了1976年(源于1∶5万地形图)和2010年(Google Earth)流域淤地坝的空间分布图。1976年以前皇甫川流域共建成淤地坝392座，而到了2010年，淤地坝的数量达到了567座，坝控流域面积由1 226.6 km2增加到了2 216.5 km2。淤地坝从根本上拦蓄了坡面汇入河道的径流和泥沙，同时河道内的径流被拦蓄后，上游的来水失去了冲刷下游河道的动力，从而达到减蚀的效果，这在很大程度上改变了流域的水沙状况。

图6 1976年与2010年皇甫川流域淤地坝空间分布对比分析Fig．6 Comparision of checkdams in the Huangfuchuan Watershed between 1976 and 2010

表3显示了自20世纪50年代起皇甫川流域的水土保持措施状况。可知，早期的水土流失治理速度较慢，程度低，后期发展快，水土保持措施以林草措施为主，梯田、淤地坝工程所占比例较小。20世纪70年代前，流域水土流失治理度仅为6.7%，其中林草措施所占比例较大，截至2006年底，皇甫川流域水土流失治理面积为1 765 km2，其中造林和种草面积分别占72.8%和24.8%，梯田和坝地等工程措施面积约40 km2;因此，皇甫川流域在变化期1980—2010年实施了大规模的水土保持措施，这也是导致皇甫川流域水沙急剧减少的主要原因［18］。

表3 皇甫站控制区域内水土保持措施面积Tab．3 Area controlled by soil and water conservationmeasures in the upstream of Huangfu station

4 结论与讨论

1)自20世纪80年代始，皇甫川流域面平均降水量、皇甫站的年径流量与输沙量均呈减少趋势。

2)皇甫川流域水沙序列均在1979年发生突变。

本文研究了皇甫川流域水沙变化特征，定量分析了降水和人类活动对流域水沙减少的贡献率，但未定量考虑其他影响因子的贡献，如气候因子中的气温、蒸发量、流域的土地利用及地表覆被变化等。

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Impacts of precipitation and human activities on streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed

Zhao Guangju1，2，3，Mu Xingmin2，3，Wen Zhongming2，3，Wang Fei2，3，Gao Peng2，3
(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographic Science and Natural Resources Research，CAS，Beijing，100101，Beijing，China;2.Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi，China;3.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Science andministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi，China)

Abstract：Based on hydrologic analysis this paper quantitatively researched the contribution of precipitation and human activities on streamflow and sediment load.The present study applied simple linear regression，Mann-Kendall test，accumulative annual anomaly and flow duration curvemethod to investigate the variation of streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed in themiddle reaches of the Yellow River according to themeasurement data from 1955 to 2010.Significant reduction in both streamflow and sediment load were detected，as well as abrupt changing point in 1979 was found.Average annual streamflow and sediment load during 2000 and 2010 are extremely low，accounting for only 20%of those from 1950 to 1959.Human activities accounted for approximately 70%of reduction in streamflow and sediment load，and the remains was attributed to decreased precipitation.Since the early 1980s，a series of large-scale soil and water conservationmeasures(e.g.returning cropland to forests，grassland，terracing，reservoirs and check-dams construction)are the dominant factors leading to significant reduction in streamflow and sediment load in the Huangfuchuan Watershed.

Key words：variation in streamflow and sediment load;precipitation;human activities;soil and water conservationmeasures;Huangfuchuan Watershed

P343

A

1672-3007(2013)04-0001-08

2013-01-06

2013-05-12

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开放基金“基于PCRaster的黄土高原流域水沙模型开发与应用”(WL2011004);中国科学院重点部署项目“近百年黄土高原侵蚀环境与水沙变化”(KZZDEW-04-03);中国科学院2011年“西部之光”项目“气候变化与人类活动对皇甫川水沙变化贡献的定量评价”(2011ZD03)

赵广举(1980—)，男，博士，助理研究员。主要研究方向：流域水文过程与土壤侵蚀模拟。E-mail：guangjuzhao@yahoo.com

简介：穆兴民(1961—)，男，博士，研究员。主要研究方向：生态水文。E-mail：xmmu@ms.iswc.ac.cn

(责任编辑：宋如华)