气候变化和人类活动对丹江流域泥沙变化影响的定量分析

达 兴,岳大鹏,梁 伟,李 莎

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)



气候变化和人类活动对丹江流域泥沙变化影响的定量分析

达 兴,岳大鹏*,梁 伟,李 莎

(陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062)

以丹江流域9个气象台站的降水资料和荆紫关水文站实测的径流、泥沙数据为基础，运用Mann-Kendall非参数趋势检验法、Pettitt变点检测法分析了丹江流域1980～2009年的径流量、输沙量和降雨量的变化趋势,检测了输沙量的突变点，并使用水文分析法定量分离了气候变化和人类活动对流域输沙量的影响。结果表明:丹江流域径流量、输沙量均显著下降，降雨量有不显著的下降趋势；输沙量在1989年发生突变，与基准期1980～1989年相比，丹江流域1990～2009年的径流量、输沙量以及降雨量分别减少了57%、57%和11%。输沙量和径流量相关性较高(R2=0.47)，而与降雨量的相关性相对较低(R2=0.28)，降雨对输沙量的直接作用较小。气候变化对丹江流域的输沙量的变化起主导作用(60%)，但人类活动的作用仍不可忽视(40%)。

丹江；泥沙变化；Mann-Kendall非参数趋势检验法；Pettitt变点检测法；水文分析法

近几十年来，受气候变化和人类活动的影响，河川流量与输沙量发生了显著的变化，直接影响了流域水资源的配置、开发与利用，同时对流域地貌演变、海洋海岸生态系统及全球生物地球化学循环产生了重要影响[1-2]。目前，国际上许多河流如埃及尼罗河[3]、美国科罗拉多河[4]、中国长江[5]与黄河[6]等，因受气候变化和人类活动影响，径流量和输沙量发生了显著变化，导致河流地貌、河口、三角洲及其近岸环境发生重大变化。因此，气候变化和人类活动影响下的水沙变化研究已成为水科学界的研究热点之一[2-7]。

丹江是南水北调中线工程的重要水源地，流域水质的好坏直接关系到南水北调中线工程水质安全。从20世纪60年代开始，丹江进行了一系列水利设施建设，但仍存在水土流失现象，导致含有大量有害化学成分的泥沙进入江河、水库，污染水体，影响南水北调中线工程的水质安全。因此，研究该区域泥沙的变化特征及其驱动因子对保证南水北调中线水源地上游的水质水量、实现水资源可持续利用、促进经济社会的可持续发展具有重要的意义[8-10]。近年来，许多学者在丹江流域开展了一系列的研究工作[11-12]，但主要集中在南水北调中线工程对长江流域的水文生态影响，以及简单的水文要素变化分析，在定量区分气候变化和人类活动对丹江泥沙变化方面的研究比较少见。本研究采用Mann-Kendall非参数检验法、Pettitt变点检测法对丹江流域1980～2009年的降雨量、径流量和输沙量进行了分析，并定量分离了气候变化和人类活动对泥沙变化的贡献率，以期为该流域以及南水北调工程的水资源管理提供科学依据。

1　研究区概况

丹江发源于陕西省秦岭南麓，途径陕西省的商州、丹凤、商南县，河南省的淅川县后汇入湖北丹江口水库(图1)。干流全长443 km，流域总面积16812 km2。地形呈现出西北高、东南低的山地峡谷状特点，流域内森林覆盖率较好。流域多年平均降雨量为831.84 mm，受气候和地形的影响，降水年内分布极不均匀，且多呈暴雨形式，常常会造成陡涨陡落、洪峰高、历时短的大洪水，对下游及汉江防洪安全影响较大。中上游为暴雨多发区，河谷及附近川道为少雨区。受季节性气候变化的影响，径流的年内分配极不均匀，径流年际变化大，枯水期河水主要靠地下水补给，流量小而稳定，洪水期流量变化较大，流域多年平均径流量为12.23亿m3，多年平均输沙量为302.01万t[13]。

图1　流域位置及水文气象站分布

2　数据和方法

2.1数据来源

气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网。根据丹江流域气象站点分布，选用资料较完整的2个气象站以及相邻的7个站点1980～2009年的年降雨量资料，以保证空间布点的均匀性和流域边界附近等值线的正确延伸；对于数据缺失的站点及年份采用反距离权重(IDW)插值的方式进行延展。1980～2009年丹江流域荆紫关水文站的径流量及输沙量数据来源于黄河和长江水利委员会的水资源公报[14]。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall非参数趋势检验法Mann-Kendall非参数趋势检验法的优点是统计测试的样本不需要服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，因此，它被广泛应用于检测非正态分布的水文气象等要素的序列变化趋势[15-16]。在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据(xk,xj,…,xn)是n个独立的、随机分布的样本；对于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布式是不相同的，检验的统计变量S的计算公式如下：

(1)

(2)

式中S为正态分布，其均值点为0，Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。当n>10时，标准的正态统计变量Z通过下式计算：

(3)

2.2.2Pettitt突变点检测法Pettitt变点检测方法[17]是基于非参数检测一个水文时间序列突变点的方法，其物理意义清晰[18]，计算较简便，可以明确突变发生的时间，较好地识别水文时间序列分布的突变点，在变点检测方面应用较多[19-21]。该方法基于Mann-Whitney的统计函数Ut,N，认为两个样本(x1,…,xt)和(xt+1,…,xN)均来自同一序列分布。对于连续的序列，Ut，N由下列公式计算[22-23]：

(4)

(5)

检验统计量计算了第1个样本序列值超过第2个样本序列值的次数。

(6)

(7)

2.2.3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[24]。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，则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量和输沙量就可能不同。根据上述原理，利用基准期(1980～1989)的实测水文气象资料，通过多元回归分析，建立累积降雨与累积泥沙关系的回归方程[25]：

Sref=aPref+b

(8)

其中:Sref和Pref分别为基准期的累积年输沙量和降水量；a和b为回归系数。通过变化期(1990～2009)的降水量和输沙量得到的回归方程即可计算人类活动对输沙量的影响：

Sh=Sfit-Schange

(9)

其中:

Snon=aPnchange+b

(10)

Sfit=aPchange+b

(11)

Sp=Snon-Sfit

(12)

式中: Sfit、Schange、Snon分别为变化期的模拟累积泥沙量、实际累积泥沙量、降雨不变时变化期的累积泥沙量(万t)；Pchange、Pnchange分别为累积降雨量、降雨不变时变化期的累计降雨量(mm)；Sp和Sh分别为降雨和人类活动对泥沙的贡献(万t)。

3　结果分析

3.1径流、泥沙及降雨的变化特征

丹江流域的多年平均径流量为12.23亿m3，且年际变化较大，变异系数为0.72。由于该区域为土石山区，河谷两侧有土状堆积物分布，加之人类经济活动较多，使得丹江成为含沙量较多的河流，多年平均输沙量为302.01万t，变异系数为1.27。丹江流域降雨充沛，多年平均降雨量为785.78mm，但降雨量年际变化较小，变异系数为0.16(图2、表1)。与基准期1980～1989年相比，丹江流域1990～2009年的径流量、输沙量及降雨量分别减少了57%、57%和11%(表1)。

表1　丹江流域要素的统计特征

Mann-Kendall趋势分析结果表明：丹江流域的径流量和输沙量呈显著下降趋势(P<0.001，P<0.05)，平均每年分别减少0.54亿m3和9.81万t，30年来共减少16.2亿m3和294.3万t。降雨量的变化率为-3.41 mm/年，但变化趋势不明显(表2)。Pettitt变点检验法发现丹江流域的输沙量在1989年发生了突变，且通过了0.1的显著性水平(图2-d)。

表2　丹江流域Mann-Kendall检验结果

注: “*”和“**”表示的显著性水平分别为0.05和0.001；“ns”表示变化趋势不显著。

3.2径流量、降雨量与输沙量的相关分析

径流是泥沙输移的主要动力来源，其大小对流域输沙量的影响十分关键，而径流量的大小又受流域降雨的控制，从而降雨间接影响输沙量，同时降雨的特征参数如雨量、雨强等通过达到沉积物搬运的临界值来直接影响输沙量，因此，流域的泥沙-径流-降雨之间存在复杂的作用机制，明晰它们之间的相互关系对流域水资源管理以及生态建设有重要的指导意义。丹江流域径流量、降雨量与输沙量的相关关系如图3所示。

从图3-a拟合的输沙量与径流量的关系看出：输沙量与径流量间的决定系数R2达到0.47，而图3-b输沙量与降雨量间的决定系数R2为0.28。这表明：径流量对输沙量变化的影响比重较大，对流域输沙量进行研究时，输沙量和径流量关系尤为重要；而降雨直接影响输沙量部分的作用比较小，这主要是由于降雨对输沙量的影响方式是间接的，主要通过影响径流量、潜在蒸散、植被覆盖等各种水文气象要素来影响流域输沙量。

3.3流域泥沙变化归因分析

输沙量受气候和人类活动的共同影响。采用水文法计算人类活动与气候变化对泥沙变化的贡献率，采用输沙量-降雨双累积法，构建输沙量与降雨的关系。丹江流域累积输沙量与累积降雨呈现一次线性关系y=0.6608x-196.84，方程的决定系数达到了0.98以上，并且通过了0.001的显著性检验。根据两阶段各要素值分离气候变化与人类活动对泥沙变化的贡献率[26]，结果见表3。

图2　1980～2009年各要素的变化趋势

图3　径流量、降雨量与输沙量的相关分析

项目降雨人类活动输沙量/万t166.3110.91贡献率/%6040

根据计算的结果可以看出：丹江流域输沙量变化主要是气候变化所导致，气候变化所引起的输沙量变化占60%，即166.36万t的泥沙减少是由气候变化引起的；但人类活动的作用不可忽视，人类活动的贡献率占40%，即110.91万t的泥沙减少由人类活动引起。

气候变化导致降雨量和降雨特征发生显著变化，降雨的特征会影响径流量，而地表径流在汇流过程中会携沙，从而降雨特征能够直接或间接地影响流域输沙量。在短时间尺度内，水沙关系受气候变化影响有限，它与人类活动造成的流域下垫面输沙环境的变化亦有关。丹江流域所涉及的人类活动包括城市居民取水、工业用水以及农业灌溉。此外，为了确保南水北调中线水源地水质，该地区进行了一系列水利工程建设、退耕还林还草以及流域治理措施，从而拦沙、减污。据有关资料，目前，丹江流域建设有中型水库1座、小型水库19座，总库容量12588.4万m3[13]。水库通过拦水进而拦沙，从而减少流域输沙量。与此同时，丹江流域在1999～2009年间，退耕还林还草的面积整体呈上升趋势，每年增加0.21 km2(图4)。林地有良好的吸水、蓄水与透水能力，有庞大的根系，能够固持土壤，使斜坡保持稳定，且大量的林草枯枝落叶物具有很强的抗蚀特性，增加了土壤的入渗量，延缓地表径流形成的时间；此外地被物增加了土壤有机质含量，改善了土壤结构，增强了土壤稳定性[27]。草灌等低地植物能迅速形成郁闭，切实保护地表，减轻雨滴的击溅破坏作用，增加地表糙率，减缓径流流速，提高土壤抗冲能力[28]，因此林草地的减水减沙作用十分明显。

4　结论

丹江流域输沙量、径流量均显著下降，降雨量有不显著下降的趋势，且输沙量、径流量的年际波动较大。输沙量在1989年发生突变，与基准期1980～1989年相比，丹江流域1990～2009年的径流量、输沙量以及降雨量分别减少了57%、57%和11%。

丹江流域输沙量和径流量较相关，决定系数R2达到0.47；而输沙量与降雨的相关性较低，决定系数为0.28，降雨对输沙量的直接影响十分微弱，即降雨主要通过影响径流量、潜在蒸散量、植被覆盖等来间接影响丹江流域输沙量。

图4　丹江流域退耕还林还草面积

利用水文法分离人类活动与气候变化对丹江流域输沙量变化的贡献率发现，虽然丹江流域气候变化对输沙量的变化起主导作用(60%)，但人类活动的作用不可忽视(40%)。

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(责任编辑：许晶晶)

Quantitative Analysis of Impacts of Climate Change and Human Activities on Sediment Discharge in Danjiang River Basin

DA Xing, YUE Da-peng*, LIANG Wei, LI Sha

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Based on the precipitation data at 9 weather stations of the Danjiang River basin and the observed runoff and sediment discharge data in Jingziguan Hydrological Station, the author applied Mann-Kendall nonparametric trend test and Pettitt test to analyze the variation trends of runoff, sediment discharge and precipitation from 1980 to 2009 in the Danjiang River basin, detected the abrupt point of sediment discharge, and used hydrological analysis method to quantitatively separate the impact of climate change and human activities on the sediment discharge in this basin. The significant decreasing trend of both runoff and sediment discharge in the Danjiang River basin was detected, and precipitation displayed a non-significant declining trend. The abrupt point of sediment discharge was found in the year 1989, and the runoff, sediment discharge and precipitation in this basin during 1990～2009 were decreased respectively by 57%, 57% and 11% as compared with those during 1980～1989. The sediment discharge showed a relatively high correlation with the runoff (R2=0.47), while a relatively low correlation with the precipitation (R2=0.28), which means that the direct effect of precipitation on sediment discharge is small. Climate change was the dominant factor (60%) resulting in the sediment discharge variation in the Danjiang River basin, but the effect of human activities (40%) on it could not be ignored.

Danjiang; Sediment discharge variation; Mann-Kendall nonparametric trend test; Pettitt test; Hydrological analysis

2016-04-26

国家自然科学基金 (41390464、41401027)；国家重点实验室水科学与工程开放研究基金项目 (sklhse-2014-A-01)；国家

自然科学基金项目(41071012)；陕西省煤油气水土流失补偿项目“陕西能源开发项目水土流失监测技术研究及信息系统建设”。

达兴(1990─)，女，陕西宝鸡人，硕士研究生，主要从事气候变化水文效应、水土流失的研究。*通讯作者：岳大鹏。

P333

A

1001-8581(2016)09-0102-05