气候变化和人类活动对延河流域泥沙影响的定量分析

张君茹+岳大鹏+达兴+程金文+贺燕子

摘要：对延河4个子流域1982—2010年的产沙量、降雨量采用Mann-Kendall非参数检验法、累积距平法分析其变化趋势及产沙量突变点，分析汛期和全年产沙量与径流量的关系，使用水文分析法分离了人类活动和气候变化对流域产沙量的影响，最终结合景观指数阐述植被与泥沙的关系。结果表明：①该流域产沙比较集中，主要在6—9月份。研究时段内研究区的产沙量显著下降（P<0.01），降雨量也呈下降趋势，并且不同子流域产沙量突变时间不一致，主要集中在1996年。②人类活动对4个子流域产沙量的变化起主导作用，甘谷驿人类活动所占比重最小仍达到69%。③延河各子流域水土流失得到缓解主要是由于草地以及森林面积增加的同时对应破碎度降低、农田面积减少的同时对应破碎度降低。

关键词：延河流域；产沙量变化；Mann-Kendall累积距平法；水文分析法；景观格局指数

中图分类号：S157.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）03-0106-07

AbstractThe sediment yield and rainfall of 4 sub-basins of the Yanhe River Basin from 1981 to 2010 were studied with Mann-Kendall nonparametric tests and cumulative departure method to investigate the change trend and sediment yield mutation point， and the relationship of flood season and annual sediment yield with the runoff volume were analyzed. Then the impacts of human activities and climate change on sediment yield were studied using the hydrological analysis method. Finally， the relationship between vegetation and sediment yield was expounded combining landscape index. The results showed that the sediment yield in the basin was relatively concentrated， which mainly appeared between June and September. The sediment yield showed a significant downward trend （P<0.01） during the research period， and the rainfall presented a non-significant downward trend. The sediment yield mutation points were different in different sub-basins， which mainly concentrated in 1996. Human activities played a leading role on the change of sediment yield in 4 sub-basins. In Ganguyi， the influence proportion of human activity was the minimum， which was still 69%. The release of the waterhe loss and soil erosion in sub-basins of the Yanhe River Basin was mainly due to the increase of grassland and forest area and the lower of fragmentation at the same time， and also the reduce of farmland area and the lower of fragmentation.

KeywordsThe Yanhe River Basin；Change of sediment yield；Mann-Kendall； Cumulative departure method；Hydrologic analysis；Landscape pattern index

近年来，受气候变化和人类活动的共同影响，河川流量与产沙量发生了显著变化，从而直接对流域水资源的配置、开发与利用产生影响[1，2]。目前，许多河流受自然因素（主要是降雨）及人类活动（如水坝建设、调水、采沙、植被修复等）影响，流量和产沙量發生了显著变化[3-5]。因此，自然要素变化和人类活动影响下的水沙变化已成为水科学研究的热点问题之一。

延河流域位于黄土高原水土流失较严重的区域，长期以来由于土地利用不合理，滥垦、滥伐、滥牧，导致水土流失加剧，农业自然资源遭到严重破坏，以至造成生态经济系统失调，水旱灾害频发，给当地群众生产生活带来严重威胁[5-7]。因此，迫切需要掌握该流域泥沙变化的规律及变化机制，以期为该流域的水资源管理提供科学依据。

如何定量区分人类活动与气候变化对流域产沙量的影响已成为研究者关注的重点，并取得一定成果[8-10]。目前研究流域泥沙变化的方法可分为两类：一是基于统计学的水文分析法，该方法简单易行，但没有依托的原理，属于经验模型；二是基于土壤侵蚀模型RUSLE的贡献率分离方法，这种方法需要输入土地利用数据，所得结果表示某一时间相较基准期降雨对产沙量的影响，具有特定性，并不适用于计算某一阶段人类活动与气候变化对泥沙变化的平均贡献率。上述研究都是将气候变化与人类活动的贡献率进行分离，得到人类活动在泥沙变化中起主导作用的结论，并且对人类活动的主要表现方式——水土保持措施进行了阐述。但是人类活动的最终表现形式均是改变下垫面状况，下垫面状况的改变能显著改变水量平衡各要素的对比关系[11]，而下垫面状况可以借助基于土地利用和土地覆盖（LUCC）的景观格局指数来反映[12-14]，但如何定量化地衔接下垫面状况与产沙量之间的关系前人并未多做讨论。

目前关于气候变化和人类活动对水文水资源影响的研究大多集中在较大尺度的区域，而对中小尺度流域造成的影响研究较少。有关延河流域的景观格局变化，已有研究者进行了整体研究[15]，但并未细致到以站点为单位的子流域，而各子流域间存在的差异会影响管理决策的制定[16]。本研究基于水文分析，对延河4个子流域的景观格局进行分析，探讨各景观类型对产沙量的影响。

1研究区概况

延河是黄河右岸、中游区上段的河口镇至龙门段的一级支流，位于东经108°45′～110°28′、北纬36°23′～37°17′之间，发源于陕西省靖边县东南天赐湾乡周山，由西北向东南流经志丹、安塞、宝塔、延长四县区，在延长县南河沟乡凉水岸附近汇入黄河[17]。其干流总长390.59 km，流域面积5 891 km2，平均坡度为16.4°，平均海拔为1 318 m，河网密度约为4.7 km/km2。流域多年平均降水量为435.64 mm，年平均气温9℃，主要灾害类型为旱灾、霜冻、冰雹及暴雨。延河流域地势西北高，东南低，主要属于黄土丘陵沟壑区，占流域总面积的 94.6%，其中：上游属梁峁丘陵沟壑区，梁多峁少，河床比降大，侵蚀强烈；中部属峁状丘陵沟壑区，梁窄而短，峁小而圆，侵蚀小于上游[18]。流域内设有20多处分布比较均匀的雨量站，水文站有上游杏河流域的杏河站（379 km2）、安塞站（1 334 km2）、延水流域延安站（3 208 km2）、枣园站（719 km2）及下游控制断面甘谷驿站[6 150 km2（1957—1964年）、5 898 km2（1965—1970年）、5 891 km2（1971—1989年）]5个。延河流域水土流失非常严重，是黄河泥沙的主要来源之一，含沙浓度高，泥沙年内分布集中，6—9月产沙量占全年产沙量的96.0%以上。

本次研究所选区域包括杏河、安塞、枣园及甘谷驿站，属于延河中上游的范围。

2数据来源与处理方法

2.1数据来源

根据流域气象站点分布，选用资料较完整且相邻的20个气象站点1982—2010年的年降雨资料，以保证空间布点的均匀性和流域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。气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网；选用中国科学院提供的4期（1995、2000、2007、2010年）延河流域土地利用数据；流域径流量以及泥沙量选用由黄河及长江水利委员会（水资源公报）提供的各水文观测站1981—2010年逐年实测资料。

2.2研究方法

2.2.1Mann-Kendall检验Mann-Kendall非参数趋势检验法可用于检测要素序列变化趋势[19，20]，其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，适用于非正态分布的水文气象等数据。在Mann-Kendall检验中，原假设H0为时间序列数据（x1，x2，…，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计算公式如下：

2.2.2距平及累计距平法在有序数据系列存在趋势性变化的前提下，采用累计距平法检验其跃变时间[21]。距平是表示气候变量偏离正常情况最常用的量，一组数据的某一个数xi与x之间的差就是该数据的距平值，即xi-x，气候变量的一组数据x1，x2，…，xn与其均值的差就构成了距平序列x1-x，x2-x，…，xi-x。

累积距平是一种十分常用的、根据曲线直观判断变化趋势的方法。对于某一序列x某一时刻t的累积距平表示为：

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，本研究借鉴了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[22]。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量和输沙量就可能不同。根据上述原理，利用基准期（1980—1989年）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[23]：

3结果与分析

3.1泥沙、水土保持措施与降水的年际变化分析

通过计算得到延河流域各子流域的年产沙量以及各站点各年汛期的产沙量（图1）及产沙量的统计特征值（表1）。产沙量、降雨变化趋势见表2，其中杏河年产沙量下降最显著（P<0.05）。

采用累积距平法对4个小流域的产沙量进行突变分析，结果（图2）显示，杏河、枣园、安塞以及甘谷驿的突变点分别取1996、1989、2002、1996年。

分析原因可能與大规模的退耕还林还草工程有关。

3.2流域景观格局的变化

将四期（1995、2000、2007及2010年）土地利用分类栅格数据导入到Fragstats 4.0 中，计算获得各景观格局指标CA（斑块类型总面积）、PLAND（斑块类型所占景观面积比例）和NP（斑块数量）。

从图3可以看出，研究时段内，4个小流域未利用地面积2007年大幅减少，2010年略有回升，而建设用地面积有所增加，2010年增加明显。杏河2000年后草地面积逐渐增加，森林面积逐渐减少，农田面积波动；枣园草地面积2007年增加明显，2010年略有减少，森林面积减少，农田面积减少；安塞的草地面积增加较明显，森林面积波动，农田面积2010年下降明显；甘谷驿草地面积波动，森林面积增加，农田面积1995年后明显减少。

NP一定程度上反映了斑块类型的破碎程度。由图3可见，研究时段内安塞和杏河景观类型斑块总数至2007年明显减少，表明破碎化程度明显降低；甘谷驿斑块总数2010年明显增加，表明破碎化程度升高；枣园斑块总数处于波动状态。分析各斑块类型的斑块数可以看出，4个小流域建设用地斑块数增加，这与建设用地面积增加相关，并且城镇居民区主要呈带状或点状分布，多被河流和道路等分割。农田的斑块数整体呈下降趋势，表明研究区耕地分布相对集中且面积广布。安塞、杏河以及枣园草地斑块数量整体减少，可能

A、B、C、D、E、F、G分别指建设用地、未利用地、农田、森林、草地、水体、总体。

由于该区域近年来人为规划对景观格局干扰加强，使一些建设用地斑块合并，造成总数的减少；甘谷驿草地斑块数量2010年明显增加，可能由于该区域近年来退耕还林等人为规划对其景观格局干扰加强，同时与其面积减少也有关。

3.3各小流域泥沙变化归因分析

采用水文分析法[22]根据公式（6—9）对各小流域的泥沙变化原因进行分析，采用产沙量—降雨量双累积法，构建产沙量与降雨的关系。对泥沙—降雨双累积拟合的线性方程进行验证，结果显示4个小流域累积泥沙与累积降雨的关系均呈一次线性关系，且方程的决定系数均达到0.92以上（P<0.001），方程均通过验证。

4个小流域在第二阶段（突变时间以后）的泥沙变化主要是由人类活动导致的。人类活动对泥沙减少的贡献率，杏河达到90.8%，枣园为80.2%。安塞第二阶段降雨量虽有少量增加且平均值高于第一阶段，但产沙量依旧减少，导致人类活动对泥沙减少的贡献率达到103.2%。甘谷驿人类活动的贡献率相较其他3个小流域最低，为69.2%，但仍占主导地位（表3）。

4讨论

4.1气候变化与人类活动对延河流域产沙的影响

气候变化会引起降雨量和降雨特征发生显著变化，进而影响地表径流，从而直接或间接地影响流域产沙量[10]。饶素秋等[24]发现20世纪80 年代以后，黄河中游的暴雨强度减弱，产沙量也随之减少。可见，气候变化能导致流域内水资源分配发生变化，从而影响流域的产沙情况。但在短时间尺度内，水沙关系受气候变化的影响有限，更多地与人类活动造成的流域下垫面输沙环境的变化有关，如在黄土高原进行的退耕还林还草的生态措施以及淤地坝、梯田建设等工程措施能明显影响黄河流域的产沙量。

4.2流域景观格局变化

林地吸水、蓄水与透水能力好，且庞大的根系与土壤形成生物凝聚力，能够固持土壤，产生抗滑力，使斜坡保持稳定；另外，地被物还能增加土壤有机质，改善土壤结构，增强土壤稳定性[25]。草灌等低地植物能迅速形成郁闭，切实保护地表，减轻雨滴击溅的破坏作用，增加地表糙率，减缓径流流速，提高土壤抗冲能力，减沙作用十分明显[26]。耕地则通过农作物种植形成地面覆盖，增加土壤中的根系量，从而提高固持耕层土壤的能力；但长期的农事操作也易造成土壤结构疏松，因此，也是比较容易形成侵蚀产沙的区域。黄土高原耕地的坡改梯工程改变了坡面微地形，降低了地表径流流速，表现出了稳定的较强的减沙能力[27]。建设用地主要通过人类活动，如人为进行的截流、分流，达到减水减沙的作用。

5结论

（1）1982—2010年间，延河流域的产沙量显著下降，降雨亦有下降趋势，并且产沙主要集中在6—9月份。产沙量突变年份主要集中在1996前后13年间。

（2）通过水文法分离人类活动与气候变化对产沙量的贡献发现，4个子流域人类活动对产沙量的变化起主导作用，甘谷驿人类活动的影响所占比重最小，仍达到69%。安塞由于第二阶段的降雨量平均值大于第一阶段，对产沙量减少的贡献率为负值，导致人类活动的贡献率达到103.2%。

（3）延河各子流域主要是由于大量人类活动导致草地面积增加同时破碎度降低、农田面积减少同时破碎度降低而使水土流失得到缓解；甘谷驿虽然草地面积变动不大且破碎度增加，但因森林面积及斑块数量增加、农田面积减少及破碎度降低，水土流失情况也得到了一定程度的缓解。

（4）延河流域四个主要流域中，杏河主要由于草地面積增加同时破碎度降低而缓解了水土流失；枣园和安塞则由于大量人类活动导致草地面积增加同时对应破碎度降低、农田面积减少同时破碎度降低而使水土流失得到缓解；甘谷驿草地面积变化不大且破碎度增加，理论上会使水土流失加剧，但森林面积及其斑块数的增加，以及农田面积的减少，对该流域的水土流失起到了一定的积极保护作用。

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