秃尾河流域水沙突变及其驱动因素

马 静，顾志刚，孙 一，屈 博

(1.黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.水利部黄河泥沙重点实验室，郑州 450003)

气候变化和人类活动是影响河川径流规律变化的关键因子[1]。降雨量是气候变化的主要表征形式，降雨通过改变降雨时空分布来改变流域径流；人类活动通过改变下垫面条件促使产汇流过程发生改变[2]。近年来，随着气候变化和人类活动影响的加剧，自2000年以来，秃尾河流域高家川水文站入黄水沙量明显减少，表明流域水沙情势已明显改变[3-7]。因此，通过分析水沙变化特征，探究水沙锐减成因，对于流域综合治理具有重要意义。国内学者针对秃尾河流域水沙问题已开展了大量研究。李占斌[8]等基于流域实测降雨、洪水和泥沙资料，全面系统分析了洪水泥沙特性，研究流域泥沙产沙主要来源，并阐释了流域高含沙水流产沙机理。高亚军等[9]分析了高家川站径流变化特征，通过建立降雨～径流量之间的多元线性回归模型，表明人类活动是流域径流减少的主要因素。赵信峰等[10]采用小波分析法研究流域水沙变化振动周期，并采用多种相关统计分析方法确定了年径流量和年输沙量序列发生突变的年份。已往的研究采用多种统计分析方法分析了径流、泥沙特性或水沙序列的变化规律，但对于水沙变化影响因素的定量分析方面研究相对较少。因此，本文研究分析流域近56 a历年降雨量、径流量和输沙量不同时段的变化情况和演变特征，采用Mann-Kendall检验法与滑动t检验法分析并确定了径流量序列和输沙量序列发生突变的年份，利用双累积曲线模型计算了人类活动的减水减沙值，以期为流域合理开发治理和水资源优化配置提供基础数据。

1 数据来源

1.1 研究区概况

秃尾河流域位于黄河头道拐-龙门区间右岸，是黄河一级支流，河道全长约139.6 km，流域面积约3 290 km2，高家川水文站为流域出口控制水文站，河道平均比降约为0.387%。流域地处鄂尔多斯盆地东部，其上、中游属于风沙区，是流域基流产区，下游(高家堡水文站以下区域)属于黄土丘陵沟壑区，也是流域大洪水和粗泥沙的主要产区[11,12]。流域位置及水文站点分布见图1。

图1 秃尾河流域位置及水文站点分布示意图Fig.1 The location of Tuwei river and distribution of hydrological stations

近年来，随着坡面措施、沟道治理、淤地坝、退耕还林等流域水土保持工程措施的实施，流域水土流失现象得到改善，流域来沙量减少显著；另外，随着流域内能源化工工业的快速发展，工业需水量急剧增加，水利工程如水库、橡胶坝蓄水工程大量修建，流域径流量锐减。

1.2 数据来源

高家堡水文站位于上游风沙区，高家川水文站位于下游入黄口附近。本次研究的水沙数据，主要来自高家川站1956-2011年实测水沙整编数据。流域降雨量数据主要采用公草湾、狗家滩、圪丑沟等3座雨量站和高家川、高家堡实测降雨量数据的算术平均值。

2 研究方法

2.1 变异点分析法

目前，Mann-Kendall检验法、R/S分析法和滑动t检验法等是国内外常用的时间序列突变点检验方法[13]，但R/S分析法易受样本尺度大小的干扰，可能会产生估算误差[14]。因此，本文拟采用Mann-Kendall法(简称“M-K检验法”)和滑动t法等2种方法，来分析确定水、沙序列趋势突变的时间点。

滑动t法在把既定时间序列划分为2个等长子序列的基础上，分别计算其对应均值，并比较其差异程度，从而来确定序列是否发生突变。在有一定信度水平t的条件下，满足使统计量T最大化的点，均为可能的突变点[15,16]。

M-K法由于不要求所分析数据服从某一概率分布，且定量化程度高，被广泛应用于非正态时间序列的分析中[17]。该检验法通过建立趋势方程，来反映序列变化趋势，并通过绘制UF和UB2条曲线在一定信度水平α的交叉点，来判定序列的突变点[18]。

2.2 水沙变化驱动因素模型

通常情况下，气候变化和人类活动的共同作用是造成流域水沙变化的主要驱动力。本文暂不考虑气温、蒸散发等影响因子，仅将降雨量作为气候变化的表征因子。秃尾河流域在开展较大规模水土保持措施和用水量急剧增加之前，由于受人类活动影响较小(即下垫面变化较小时期)，可基本视为天然时期[19]，这一时期的水沙变化主要驱动因素为降雨量。分别建立降雨量与径流量、输沙量的双累积曲线，根据分析曲线是否出现明显拐点且偏移，来判断是否出现人类活动对流域水沙产生影响。

根据确定的水沙序列突变时间点，将时间序列划分为基准期和变化期，并以此建立降雨量与径流量、输沙量的双累积曲线，分别得到基准期和变化期的降雨与水、沙拟合回归方程∑Ri= ∑Pi+a和∑Si=∑Pi+b。式中：Pi为降雨量序列；Ri为径流量序列；Si为输沙量序列。分别将变化期的降水量代入基准期拟合方程，还原得到天然条件下的径流量和输沙量。还原计算后与实际水、沙量的差值即为气候变化和人类活动因素引起的水、沙实际减少量。

3 结果与分析

3.1 降雨、径流、泥沙特征与变化趋势

表1为流域不同时期降雨量特征值。由表1可知，流域多年平均降雨量为391 mm，降雨序列变差系数Cv为0.292。20世纪50年代流域降水最多，多年均值为513 mm；60年代减少至441 mm，下降幅度为15.4%，且变差系数最大(0.401)，说明该时段年际差异大；70、80年代较60年代降雨量均值略有下降，分别为375和353 mm；90年代年均降水量为330 mm，2000年以后，降雨量均值增至404 mm。

由降雨量逐年变化过程可以看出(见图2)：年降雨量下降趋势不明显，且在1970年以后，年降雨量相对稳定，5 a滑动平均曲线基本在多年平均值(391 mm)上下波动。

流域降水年内分配不均匀系数C为1.104，即季节分配不均匀。降雨多集中在汛期6-9月份，占多年平均降雨量均值的76.4%。汛期降雨主要集中在7月和8月，主要以高强度暴雨或大雨的形式发生，多年均值为209.9 mm，占多年降雨量均值的51.8%。降雨量年内分配情况见图3。

表1 秃尾河流域不同时期降雨量特征值Tab.1 The characteristics of the precipitation discharge in the Tuwei River basin in various decades

图2 1956-2011年秃尾河流域年降雨量变化过程Fig.2 Precipitation in the Tuwei River basin during 1956-2011

图3 秃尾河流域降雨量年内分配Fig.3 The month average of the precipitation discharge

高家川站多年径流量均值为3.261 亿m3，变差系数Cv为0.282。20世纪50年代年均径流量为4.236 亿m3，60年代增至4.327 亿m3，70年代以来，流域径流量逐渐减少，2000-2011年年均径流量为2.105 亿m3，与1956-1969年均值相比减少了51.0%。汛期(7-10月)径流量均值为1.230 亿m3，占多年平均值的37.7%，其中7-8月份主汛期，径流量均值为0.74 亿m3，占年均径流量的22.6%。高家川站不同时期径流量特征见表2。

表2 高家川站不同时期径流量特征值Tab.2 The characteristics of the runoff discharge in the Tuwei River basin in various decades

高家川站多年输沙量均值为0.162 亿t，变差系数Cv为1.141。20世纪50年代年均输沙量为0.405 亿t，60年代、70年代年均输沙量基本持平，分别为0.260、0.234 亿t，20世纪80年代和90年代年输沙量较前期减少了50%，2000年以来，年均输沙量锐减至0.019 亿t，与1956-1969年均值相比减少了93.6%。汛期输沙量为0.148 亿m3，占年均输沙量的91.6%，其中7-8月份，输沙量高达83.5%，从侧面反映出秃尾河流域主要为暴雨产沙。高家川站不同时期输沙量特征见表3。

表3 高家川站不同时期输沙量特征值Tab.3 The characteristics of the sediment discharge in the Tuwei River basin in various decades

3.2 水沙序列突变分析

采用M-K非参数检验法分析流域年径流量和年输沙量趋势特征，并利用滑动t检验法共同确定水沙变异点。

(1)M-K检验分析。对高家川站年径流量、输沙量序列分别进行M-K趋势检验得出：年径流量统计值U=-16.16，表明年径流量序列呈下降趋势，在α=0.05的显著水平下，序列有一个突变点(1976年)；年输沙量统计值U=-10.81，表明年输沙量序列同样呈下降趋势，在α=0.05的显著水平下，输沙量出现3个可能突变点(1983年、1984年和1996年)。水沙序列突变检验结果分别见图4和图5。

图4 年径流量序列Mann-Kendall突变点检验结果Fig.4 Mann-Kendall singularity detection of the runoff series

图5 年输沙量序列Mann-Kendall突变检验结果Fig.5 Mann-Kendall singularity detection of the sediment series

(2)滑动t检验分析。对秃尾河流域径流量序列进行滑动t检验，结果得出：径流量序列除在1976年和1998年2个年份的统计量大于Tα外，其他年份基本在α=0.01的显著性水平内，说明径流量序列变异年份可能为1976年和1998年。对输沙量序列进行滑动t检验的结果表明：输沙量序列除在1995年和1996年的统计量大于Tα外，其他年份均在α=0.01的显著水平内，说明输沙量序列发生变异的年份可能为1995年和1996年。年径流量、年输沙量序列突变检验结果分别见图6和图7。

图6 年径流量序列滑动t突变检验结果Fig.6 Sliding-t detecting of the runoff series

图7 年输沙量序列滑动t突变检验结果Fig.7 Sliding-t detecting of the sediment series

由M-K趋势检验可知：年径流量和输沙量呈显著下降的趋势。结合M-K突变分析与滑动t检验结果，对水沙序列可能的变异点进行分析剔除，最终确定1976年为年径流量序列变异年份，年输沙量序列变异年份在1996年，输沙量突变年份滞后于径流量。水、沙序列突变检验结果见表4。

表4 流域径流、输沙序列突变检验结果Tab.4 the results of abrupt change tests of the runoff series and sediment series

3.3 驱动因素分析

根据突变检验分析结果，将水沙序列分别划分为基准期和变化期，分别建立降雨与径流量、输沙量双累积曲线模型。流域水沙突变发生之前(即为基准期)，流域水沙变化主要受降雨影响，或受人类活动影响并不显著；在水、沙突变后(即为变化期)，随着人类活动的增加，累积曲线将出现拐点，曲线斜率发生变化。分别以1956-1976年和1956-1996年为流域径流量、输沙量基准期，1977-2011年和1997-2011年为径流量、输沙量变化期，绘制降雨～径流和降雨～输沙双累积曲线图，分别得到基准期降雨量～径流量和降雨量～输沙量拟合方程：∑YR=0.011 ∑XP-4.691 2、∑YS=0.000 5 ∑XP+0.697 3，相关系数分别为R2=0.996 3、R2=0.953 4；变化期降雨量～径流量和降雨量～输沙量拟合方程：∑YR=0.007 3 ∑XP+27.765、∑YS=0.000 1 ∑XP+7.806 8，相关系数分别为R2=0.992 0、R2=0.918 6。XP为降雨量，mm；YR为径流量，亿m3；YS为输沙量，亿t。降雨量与径流量、输沙量双累积曲线分别见图8和图9。

图8 高家川站降雨量～径流量双累积曲线Fig.8 Rainfall-runoff double mass curve

图9 降雨量～输沙量双累积曲线Fig.9 Rainfall-sediment double mass curve

分别将变化期实测降雨量代入拟合方程，得出变化期内还原的径流量和输沙量，并与实测水沙量对比可知：流域实际径流量比基准期径流量减少了49.45 亿m3，占总径流量的35.94%；实际输沙量比基准期输沙量减少了3.07 亿t，占总输沙量的86.42%。

气候变化和人类活动是水沙变化主要影响因素。由于流域降雨量下降趋势不明显，因此，认为其对水沙减少的影响不显著，人类活动是流域水沙减少的主要因素。由表5分析得出：人类活动对泥沙减少的影响大于其对径流的影响，人类活动的减水率为35.94%，减沙率为86.42%。人类活动对径流和泥沙的影响结果见表5。

表5 人类活动对径流量、输沙量的影响Tab.5 Results of impact of human activities on runoff and sediment

20世纪70年代以来，秃尾河流域水利开发程度逐渐提高，截止2011年，流域共建成水库6座，总库容838 万m3；修建骨干坝53座，控制流域面积153.87 km2。另外，为了治理水土流失，流域陆续开展一系列退耕还林还草措施和治沟治坡等工程措施。1990年以后，随着区域能源化工工业的发展，大量修建蓄水工程，加强对水资源的开发利用，这些人为措施或工程在一定程度上改变了流域下垫面条件，拦蓄截留大量径流和泥沙，对流域产汇流和泥沙输移产生了明显的影响，造成流域入黄水沙量锐减。

4 结 论

本文系统分析了流域降雨量、径流量和输沙量序列变化特征及规律，并基于水沙序列突变分析结果，建立了降雨与水、沙双累积曲线拟合方程，结果表明：

(1)流域年降雨量总体下降趋势不明显，1970年以后，年降雨量相对稳定，5 a滑动平均曲线基本围绕在多年平均值(391 mm)上下波动。

(2)流域年径流量和输沙量年际起伏变化明显，呈逐渐减少趋势。2000年以后，流域水沙锐减，年均径流量和年均输沙量分别较1956-1960年减少了51.0%和93.6%。

(3)流域年径流量、年输沙量分别在1976年和1996年发生突变。在不考虑温度、蒸散发和雨强等影响因素条件下，人类活动是影响径流和输沙量锐减的主要因素。

(4)人类活动引起径流量减少约49.45 亿m3，占总径流量的35.94%；输沙量减少约3.07 亿t，占总输沙量的86.42%。