天山北坡中小流域输沙量变化及其影响因素——以呼图壁河流域为例

郭小云, 刘志辉,3,4, 姚俊强,3, 魏天峰

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 教育部 绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐 830046;3.新疆大学 干旱生态环境研究所, 乌鲁木齐 830046; 4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心, 乌鲁木齐 830046)



天山北坡中小流域输沙量变化及其影响因素
——以呼图壁河流域为例

郭小云1,2, 刘志辉1,2,3,4, 姚俊强1,2,3, 魏天峰1,2

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.新疆大学 教育部 绿洲生态重点实验室, 乌鲁木齐 830046;3.新疆大学 干旱生态环境研究所, 乌鲁木齐 830046; 4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心, 乌鲁木齐 830046)

利用呼图壁河流域石门水文站1980—2011年实测日径流量、输沙量及降水量资料，采用Mann-Kendall非参数趋势和突变检验法、双累积曲线法等，研究了呼图壁河输沙量年内和年际变化趋势及可能的突变时间，并探讨了可能引起呼图壁河输沙量变化的影响因素。研究结果表明：呼图壁河流域输沙量年内分配极不均匀，连续最大4个月(6—9月)输沙量占全年输沙量的94.61%，7月输沙量最大，占全年输沙量的60.83%；1980—2011年输沙量总体呈增加趋势，年际尺度上呈丰枯相间的周期性变化，并在1989年发生了突变。输沙量受径流量、降雨量、大型水库和水土流失等综合影响，而径流量是影响输沙量的主要因素。流域干燥的气候和较低的植被覆盖率，加上人类对上游山区煤炭资源的过度开采，使得该区域山区突发暴雨洪水时，造成输沙量的剧增。

输沙量; 径流量; 呼图壁河流域

河流系统是气候变化和人类活动等因素共同作用的动态系统，水沙变化是该系统最为活跃的部分[1]。河流输沙量是大陆剥蚀速率及陆地表面降低侵蚀过程的一个总体度量。世界上河流输送泥沙的很大部分来源于农业用地侵蚀的土壤，因此，研究土壤侵蚀通量可以为土地恶化和土壤资源的减少提供一个度量[2]。河流输沙量变化研究为土壤侵蚀和河道泥沙沉积提供了重要信息，是河流系统重要的研究内容[1]。呼图壁河是位于天山北麓中段的第二大河流，其多年平均年径流量为3.66×108m3，它不仅是呼图壁县、农六师芳草湖总场、自治区种牛场以及兵团3个团场农业灌溉和人民群众生活用水的重要保证，同时还是维系该区生态环境稳定和促进当地社会经济可持续发展的根本性水资源基础。近几十年来，由于对呼图壁河水资源不合理的开发利用，以及气候变化程度的加深，引起了一系列的生态环境问题，有关学者对呼图壁河做了大量的研究工作。如：白东明等[3]分析了呼图壁河流域范围内不同径流补给来源的径流年内分配规律和多年变化特征。普宗朝等[4]分析了27年来呼图壁河径流的年内分布特征、多年变化规律以及呼图壁河流域气候变化对河流径流的影响。耿峻岭等[5]从流域气候、径流、泥沙、水质等方面对其水文特性进行分析。但是对呼图壁河输沙量方面的研究较少。因此，研究呼图壁河输沙量变化及其影响因素，对于了解该区域社会经济发展对呼图壁河生态环境和生态系统的影响，改善呼图壁河的水质状况，以及对进行该地区社会经济的科学规划都具有重要的意义。

1　研究区概况

呼图壁河流域位于新疆天山北坡中段、准噶尔盆地的南缘，该河发源于喀拉乌成山分水岭，属天山北坡东段水系。地理位置为86°05′—87°08′E，43°07′—45°20′N，流域总体呈南北走向，地势南高北低，总长258 km，平均宽40 km，总面积10 255 km2。从河源至下游，大致可以分为山地—丘陵—冲积扇—冲洪积平原4个地貌单元。上游山区支流呈树枝状分布，两岸有一级支流20多条，其中10支支流源头在冰川和永久积雪区，其余支流皆源于中山低山区，靠季节性积雪消融和夏季降水补给[3-5]。据中国冰川目录统计，全流域有大小冰川239条，冰川面积72.07 km2，年消融雪达0.524亿m3，冰川补给占全年径流量的11.0%[5-6]。呼图壁河石门水文站以上河道长88 km，集水面积1 840 km2，平均高程2 984 m，河道纵降比23.13%，以石门水文站控制断面为界，断面以上为主要径流形成区，断面以下为径流散失区[5]。因此，本文选择石门水文站为研究断面，采用其多年输沙量数据进行分析具有合理性。

2　资料与方法

2.1基础数据

本文采用的水文数据为呼图壁河出山口石门水文站1980—2011年日径流数据和输沙量数据。石门水文站测站高程为1 480 m，集水面积1 840 km2，其控制年径流量占该河全流域年径流量的93.3%，石门站以下主要为径流散失区[5]。气象数据为石门站1980—2011年日降水数据。数据经过严格的质量控制，时间序列完整，无资料缺失。

2.2研究方法

(1) 采用Mann-Kendall秩检验法进行数据系列的变化趋势和突变特征的分析。该检验法是由世界气象组织推荐的非参数检验方法，最初由Mann和Kendall提出[7]。该统计检验方法的优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰[6]，适用于水文、气象要素等非正态分布数据趋势及突变的检验，因此在降水、径流和水质等要素时间序列的趋势变化分析中得到广泛的应用[7]。

假定{x1，x2，…，xn}为时间序列变量，n为时间序列的长度，Mann-Kendall秩检验法是在序列平稳且序列是随机独立的前提下，构造了秩统计量Sk，对于所有的i≤n，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的，检验的统计变量Sk计算式为:

(1)

(2)

式中：xi，xj——i年,j年的被检验值。

Sk的均值和方差分别为：

(3)

(4)

(5)

UFk为标准正态分布，在该序列随机独立的前提下，给定一显著水平，显著水平组成一个信度区间，将UFk汇成一条曲线UF。将时间序列再按逆序{xn,xn-1,…,x1}排列，按照上述过程重复计算，得到另一条曲线UB，UB=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1)。如果UF和UB的交点在信度线之间，则该点所对应的时刻便是突变点开始的时间[6-9]。

(2) 采用双累积曲线法检验径流量和输沙量变化的趋势转折点。双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及其变化常用的方法。他可用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正以及水文气象要素的趋势性变化及其强度的分析。同时，通过转折点的获取可以估计不同时段的减沙量[10]。

3　结果与分析

3.1输沙量变化趋势分析

3.1.1输沙量的变化特征呼图壁河河流输沙量年内变化很大，时空分布极不均匀(表1)，夏季气候干燥，加上地表岩石机械风化强烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙汇入河道，使得夏季输沙量高度集中，呼图壁河连续最大4个月输沙量出现在6—9月，占全年输沙量的94.61%，平均输沙量最大月出现在7月，占全年输沙量的60.83%。

呼图壁河多年平均输沙量为42.286万t，由图1可知，呼图壁河输沙量年际变化呈丰枯相间的周期性变化，总体呈增加趋势。呼图壁河输沙量最大值出现在1996年，为212.586万t。其次为1999年，为161.846万t，1986年的输沙量为32 a最低，为4.964万t。最大年输沙量与最小年输沙量之比为42.83，输沙量年际变化较大。呼图壁河输沙量1996年以前整体波动不大，而1996年以后，呼图壁河输沙量的上升或下降趋势明显，资料显示，1996年7月和1999年7月呼图壁河突发暴雨洪水，其中，1996年为呼图壁河有史以来最大的一次暴雨洪水，当时石门站最大洪峰流量达到371 m3/s[3]，故该时期输沙量的变化可能是因为暴雨洪水在增加径流量的同时也携带了大量泥沙，从而导致输沙量急剧上升。

表1呼图壁河多年平均输沙量年内分配情况

项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年输沙量/万t0.01490.01610.02440.67881.15565.185625.72367.69151.40760.26110.11110.015642.2859百分比/%0.040.040.061.612.7312.2660.8318.193.330.620.260.04100

图1　呼图壁河多年输沙量年际变化

3.1.2输沙量趋势性检验 1980—2011年，受气候变化及强烈人类活动的影响，呼图壁河年输沙量发生了明显的趋势变化，为了定量地分析年输沙序列的变化趋势，深入揭示输沙量的变化规律，用Mann-Kendall秩检验法对呼图壁河输沙量趋势进行检验，设检验水平α为0.05，由正态分布表得出相应的检验临界值为U0.05=±1.96。根据Mann-Kendall统计量曲线中|UF|的大小对变量的趋势性进行判断。|UF|的值越大，表明其变化趋势越明显，即当UF>0时，|UF|的值越大，序列的上升趋势越明显，当UF<0时，|UF|的值越大，序列的下降趋势越明显(图2)。分析石门水文站32 a的输沙量变化趋势，得出：呼图壁河年输沙量整体呈增加的趋势，且增加显著，并且在1989年发生突变，1980—1988年均输沙量16.89万t，1989—2011年年均输沙量52.22万t，1989—2011年的年均输沙量比1980—1988年的年均输沙量增加了209.2%。在1996年以后UF值均通过了α为0.05的置信水平。并且在1997—2008年通过了α为0.01的置信水平，表明石门水文站输沙量变化达到显著水平，有明显的上升趋势(图2)。

图2　呼图壁河输沙量Mann-Kendall统计量曲线

3.2输沙量变化的影响因素分析

3.2.1降雨因素如图3所示，降雨量和输沙量的整体变化趋势大致相同，但一致性的强度不大。表现为，虽然降雨量与输沙量的大致趋势具有一定的相似性，但降雨量增加幅度较大时，输沙量增加幅度未必大，降雨量最多时，输沙量未必最多，并且个别年份当降雨量增加(或减少)，输沙量表现为减少(或增多)。分析呼图壁河降水量年内分配特征可知降雨量主要集中在5—9月，占全年降水量的70.21%，降水极大值也出现在7月。这与输沙量的年内分配特征大致相同，故推测降雨量可能通过影响其他因素间接地对输沙量产生影响，比如降雨量增多时，径流量增加，从而使输沙量增加。

3.2.2径流因素呼图壁河流域1980—2011年的多年平均径流量为4.859亿m3，总体呈波动状态，上升或下降的趋势变化较大。由图4可知，该时期内径流量与输沙量变化趋势基本一致，径流量最大值出现在1999年，为6.336亿m3，此时，输沙量也较大；输沙量最大值出现在1996年，为212.586万t，该年的径流量也较大，1986年径流量和输沙量为32 a最低，分别是3.633亿m3、4.964万t。呼图壁河径流量年内分配主要集中在6—9月，占年内总径流量的78.93%，丰枯交替明显，这与输沙量的年内分配特征极其相似，且输沙量较径流量更为集中。

图3　1980-2015年呼图壁河降雨量及输沙量年际变化

图4　1980-2011年呼图壁河径流量及输沙量年际变化

为了进一步研究径流量、降雨量与输沙量之间的关系，对三者做相关分析，由输沙量的年际变化趋势(图1)可知，输沙量在1996—2000年变化幅度较大，其余年份增加或减少的幅度不大，故将时间序列分为1980—1995年、1996—2000年、2001—2011年3个时间段进行分析。由表2可知，1980—1995年、1996—

2000年、2001—2011年多年输沙量与径流量均呈正相关，且相关系数分别为0.692，0.744，0.597，均通过了0.01的置信水平；多年输沙量与降雨量均呈正相关，相关系数分别为0.191，0.759，0.488，1980—1995年输沙量—降雨量未通过0.01的置信水平；多年径流量与降雨量均呈正相关，且相关系数分别为0.356，0.947，0.336，在1996—2000年通过了0.01的置信水平，并且显著相关。

表2多年降水量、径流量与输沙量相关性分析

年份输沙量—径流量相关系数输沙量—降雨量相关系数径流量—降雨量相关系数1980—1995年0.692*0.1910.356*1996—2000年0.744*0.759*0.947*2001—2011年0.597*0.488*0.336*

注：*代表置信水平p<0.01。

由于1996—2000年降雨量、输沙量以及径流量之间的相关性显著。根据资料记载，1996年7月15日至7月28日和1999年7月15日至7月28日新疆普降大雨，其中天山地区达到暴量，呼图壁河流域发生特大洪水，其中呼图壁河青年渠首站最大洪峰流量达到了560 m3/s[11-13]。对呼图壁河流域1996年7月15日—7月28日(图5A)和1999年7月15日—7月28日(图5B)的日输沙量和日流量的趋势进行分析可知：两个时期的径流量和输沙量趋势都相同，且表现出高度的一致性，1996年暴雨洪水期间输沙量和日流量最大值都出现在18日，并且在17日的降雨量为31.8 mm，占该时段降水总量的46.9%。1999年暴雨洪水期间输沙量和日流量最大值都出现在20日，并且在19日的降水量为34.8 mm，占该时段降水总量的53.7%。由此可知：流域干燥的气候，较低的植被覆盖率，加之脆弱的生态环境，导致该流域在降水量猛增时，径流量增加的同时，输沙量剧增。

图5　不同时期呼图壁河流域输沙量和日流量变化

3.2.3人类活动因素双累积曲线方法是目前水文气象要素一致性或者长期演变趋势分析中最直观、最简单、最广泛的方法。对呼图壁河流域的降水量与输沙量双累积曲线进行分析，从而确定人类活动对输沙量变化的影响，并对其影响程度进行定量化分析。由图6可以看出，1996—1999年呼图壁河流域输沙量的变化较大。以1980—1995年为基准期，可知1996—1999年期间年均输沙量为140.20万t，较1980—1995年年均输沙量增加了118.34万t，其中人类活动对其贡献程度为99.23%，而2000—2011年年均输沙量为36.88万t，较1963—1979年年均输沙量增加了15.02万t，其中人类活动对其贡献程度为92.52%。

图6　呼图壁河年输沙量-年降水量双累积曲线

人类活动例如水利工程、土地利用等可以改变流域的下垫面条件[10]。自1962年以来，呼图壁河从上游往下游在干流上依次建有石门水库、齐古水库、阿苇滩渠首、独山子渠首、青年渠首、芨芨坝渠首、小海子水库、大海子水库、鹰湖水库等水利工程。其中，石门水库位于石门水文站下游7 km的峡谷进口处，坝顶全长312.51 m，坝顶高程1243 m，水库正常蓄水位1 240.0 m，总库容7 975万m3，设计多年平均输沙量22.6万t具有灌溉、防洪、发电及工业供水等综合作用。水库于2011年4月22日大河截流，2013年10月3日大坝开始蓄水。这些兴建的水库等水利设施的拦蓄作用，势必加剧输沙量的变化，水利工程对河道水沙变化的影响还受到流域尺度的影响，流域尺度越小，河道水沙变化受水利工程建设的影响就越敏感，其滞后性就越短[14]。

呼图壁河水土流失形态随地形、地貌等自然条件的变化而不同，南部高山区水土流失主要表现为冻融侵蚀和重力侵蚀，中低山区水土流失主要表现为水力侵蚀，中部冲积平原区水土流失主要表现为风力水力交错侵蚀，北部戈壁荒漠区主要表现为风力侵蚀。据第3次全国土壤侵蚀快速遥感调查，呼图壁县水土流失总面积为5 217.17 km2，占国土总面积的50.88%。其中水蚀面积为1 153.24 km2，占全县水土流失面积的22.11%，占国土总面积的11.25%；风蚀面积3 981 km2，占全县水土流失面积的76.31%，占国土总面积的38.82%；冻融侵蚀82.93 km2，占全县水土流失面积的1.58%，占国土面积的0.81%。侵蚀模数为4 250 t/(km2·a)，侵蚀程度为中度侵蚀。并且该区域现有14座煤矿，由于新疆特殊的地貌类型，加之当地政府对该地区自然资源不合理的开采利用，造成呼图壁河流域水土流失现象严重。

呼图壁河流域水土流失严重，引起了当地政府的重视，近年来在流域内开展了一系列水土保持工程。根据呼图壁水利局数据显示：呼图壁河流域规划预防保护区2 376 km2，预防监督区2 668.38 km2，重点治理区5 210.3 km2。其中：水保林587.43 hm2，经济林2 533.33 hm2，封育治理4 000 hm2，沟头防护33.8 km，截流沟76.8 km，工矿区拦渣坝8.5 km，工矿区护坡工程6.8 km；工矿区整治土地20.2 hm2。

在干旱区的产流区有侵蚀较强的荒坡地，其表层多为基岩风化剥落的碎石、岩屑，部分地带亦覆盖风积沙，是侵蚀泥沙的主要来源，且对农牧区土地危害较重。为防止其泥沙输往下游，实施沟头防护工程、坡面水土保持林建设和坡面拦蓄截流工程。在矿区，要重视开展水土保持实施护坡工程和拦渣工程。对于流域周边的坡耕地进行退耕还林还草，在荒山荒坡荒墓地上经过整地后造林种草及栽植经济果木林，对疏林地进行补植，并进行封禁治理。这些措施将对干旱区流域水土保持治理有重要的作用。

4　结 论

本文利用Mann-Kendall非参数趋势和突变检验法、双累积曲线法，对呼图壁河石门水文站近32年来的输沙量进行分析，研究结果显示：

(1) 近32年呼图壁河输沙量年内分配极不均匀，连续最大4个月输沙量出现在6—9月，占全年输沙量的94.61%，平均输沙量最大月出现在7月，呼图壁河输沙量年际变化呈丰枯相间的周期性变化，总体呈增加趋势。呼图壁河输沙量最大值出现在1996年，为212.586万t；1986年的输沙量为32 a最低，为4.964万t。

(2) 经Mann-Kendall检验综合分析呼图壁河年输沙量整体呈增加的趋势，且增加显著，并且在1989年发生突变。对比突变年前后输沙量变化可知，1989—2011年的年均输沙量比1980—1988年的年均输沙量增加了209.2%。1996年为呼图壁河有史以来最大的一次暴雨洪水，当时石门站最大洪峰流量达到371 m3/s，暴雨洪水在增加径流量的同时也携带了大量的泥沙，导致输沙量急剧上升。

(3) 呼图壁河输沙量主要受径流量控制，降雨在一定程度上增加了径流量，但对输沙量的影响表现为增加或者减少两种结果。输沙量变化受人类活动影响显著，输沙量变化不仅受上游水库的影响，还受近年来流域周边由于不合理的开采等人类活动造成的水土流失等的影响。

(4) 呼图壁河流域山区海拔高，雨水充沛，加之全球气候变暖导致冰雪融化速度加快，暴雨洪水频发，携带大量泥沙，易导致下游流域发生泥沙淤积，影响社会经济发展。因此，开展流域内的水土保持工程刻不容缓。

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Sediment Discharge Change and Its Affecting Factors of Small Watershed on the Northern Slope of Tianshan Mountains—Taking Hutubi River Basin as an Example

GUO Xiaoyun1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, YAO Junqiang1,2,3, WEI Tianfeng1,2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China)

According to the measured daily runoff, sediment load and precipitation data of the Shimen hydrological station of Hutubi River Basin during the period from 1980 to 2011, we used the non-parametric Mann-Kendall trends and mutation test, and the double cumulative curve method to investigate Hutubi River monthly and annual sediment load trends and possible mutation time, and explore the factors that may affect Hutubi River sediment load change. The results show that Hutubi River Basin sediment distribution in a year is very uneven, continuous maximum four-month (June to September) sediment load accounted for 94.61% of annual sediment load; sediment load in July is the largest, accounting 60.83% of the annual sediment load; annual sediment load were increased during the period from 1980 to 2011, on the interannual scales it shows periodically changes of alternating wet and dry; and the mutation happened in 1989. Sediment load is influenced by the combined effects of runoff, rainfall, large reservoirs and soil erosion; runoff is the major factor affecting the amount of sediment. The watershed dry climate, low vegetation coverage and the human over exploitation of coal resources in the upper reaches of the mountain area make sediment load increase quickly in the mountainous region when the rainstorm floods occur suddenly.

sediment; runoff; Hutubi River Basin

2014-12-13

2015-03-31

水利部公益性行业科研专项经费项目(201301103)

郭小云(1991—),女,河南周口人,硕士研究生,研究方向为干旱区水文水资源研究。E-mail:guoxiaoyundili@126.com

刘志辉(1957—),男,新疆石河子人,博士,教授,主要从事干旱区水文水资源和决策支撑系统研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn

P333.4

A

1005-3409(2016)01-0145-05