乌兰木伦河1960-2015年水沙周期性分析

任宗萍, 谢梦瑶, 马勇勇, 李 鹏

(1.西安理工大学, 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048)

径流和泥沙是表征河流系统的重要水文要素，水沙变化趋势及其周期特征是河流系统研究的重要内容[1-2]。受气候变化和人类活动的共同影响，国际上许多大河流域(如埃及尼罗河、美国科罗拉多河)径流量和输沙量在过去几十年来发生了显著变化[3-4]。在我国，黄河流域径流量和输沙量的变化尤为突出[5-6]。黄河潼关水文站径流量和输沙量已由多年平均约400亿m3，16亿t锐减到近年来的200亿m3，1亿t左右[6]。河流水沙变化对流域水资源开发利用，水环境保护、流域地貌演变、海洋海岸带生态系统等将会产生一系列重要影响[7]。研究河流水沙变化趋势及其周期特征对于准确预测流域径流和输沙特征，科学合理地管理水资源具有重要的理论和现实意义。

乌兰木伦河位于黄土高原和毛乌素沙漠过渡带，是黄河流域窟野河的一级支流。该区是黄河流域土壤侵蚀最为严重的地区和黄河粗泥沙的主要产区之一，对黄河下游河道淤积有严重影响[8]。同时，乌兰木伦河流域蕴藏着丰富的煤炭资源，流域内分布着我国已探明储量的最大煤田——神府东胜煤田。随着煤田的大规模开发，流域内生产生活用水快速增加，对流域生态环境及水文过程均产生显著影响。已有研究表明，乌兰木伦河流域径流量从20世纪80年代开始出现明显下降趋势，2000年以后下降趋势更为显著[9-10]。进一步研究发现，降雨和气温等自然因素对流域径流量下降的贡献为10%～20%，煤炭开采等人类活动的贡献达80%～90%[11]。然而上述工作并没有对流域径流量变化周期进行研究，也没有涉及流域输沙量的变化。因此，本文采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验和小波分析等方法分析乌兰木伦河流域1960—2015年径流量和输沙量的变化趋势，揭示其周期变化特征，为流域未来水资源优化配置和开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

乌兰木伦河发源于内蒙古，流经伊金霍洛旗，在下游王道恒塔处与悖牛川河汇合后称为窟野河，进入陕西境界后流经神木县注入黄河。流域全长138 km，面积3 857 km2。研究区海拔1 150～1 524 m，中、西部为坡梁起伏的鄂尔多斯高原地貌，东部为晋陕黄土高原北缘的丘陵沟壑地貌。该区属大陆性季风气候，多年平均降水量357 mm，平均气温6.2℃。流域地带性植被自东南向西北由典型草原向荒漠草原过渡，典型草原以针茅、百里香等植物类型为主，荒漠草原以沙米、沙蒿等植物为建群种[12]。近几十年来流域植被盖度总体呈现上升趋势，沙地和低盖度植被面积大幅减少，中高盖度植被面积大幅增加[13]。

乌兰木伦河流域从1985年开始进行煤炭资源开发，开采量在100万t，1993—1998年开采量突破千万t。从2000年之后，煤炭产量呈现指数增长，2012年，煤炭产量达到2.7亿t，占全国煤炭产量的7.3%，是我国目前开发建设项目强度较大的流域[10]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文利用乌兰木伦河流域王道恒塔水文站1960—2015年的径流和泥沙数据，分析乌兰木伦河流域近60 a来水沙变化趋势与周期特征。其中1960—1990年、2006—2015年径流泥沙资料来源于黄河流域水文年鉴，1991—2005年的径流输沙资料来源于榆林水文手册。降水量数据为1960—2010年王道恒塔、神木站，1977—2010年石圪台、大柳塔、刘家沟、孙家岔、张家村，1978—1990年和2006—2010年高家塔、大卡钳沟、全和常、布尔台，由于雨量站某些年份存在缺失，因此采用算术平均法求得全流域降水量。

2.2 研究方法

(1) 水文序列非参数检验。采用Mann-Kendall检验乌兰木伦河流域降雨量、径流量和输沙量的变化趋势；基于Pettitt非参数检验方法进行突变点分析[3]。

(2) 小波分析方法。小波分析的基本原理是假设φ(t)为平方可积的实数空间，即φ(t)∈L2(R)，其傅里叶变化为ψ(ω)满足条件：

(1)

则φ(t)为小波母函数，小波函数φ(t)经伸缩和平移后，得到连续小波序列为

(2)

式中：a为伸缩因子；b为平移因子。

由于Morlet小波与降水、径流时间序列的波形较为接近，在时频域局部性都较好[14]，所以本文选择Morlet小波对乌兰木伦河降水和径流进行小波分析。Morlet小波函数的表达式为：

φ(t)=eiw0te-t2/2

(3)

式中：ω0为常数；i为虚数。小波方差反映了波动随着时间的分布，可用来确定时间序列各种扰动的相对强度，对应峰值处的尺度为该序列的主周期。因此可以通过小波方差图来确定降水、径流序列中的主周期。小波方差的函数表达式为：

(4)

3 结果与分析

3.1 乌兰木伦河降水特性分析

乌兰木伦河流域1960—2015年平均降雨量为377.6 mm，流域降雨量总体呈现出丰—枯—丰的变化趋势(图1)。利用Mann-kendall趋势变点进行降雨序列的趋势性检验，得到Z=1.19，未通过置信度95%的显著性检验，表明流域1960—2015年降雨量无显著的变化趋势。

选择Morlet连续复小波函数，对乌兰木伦河流域降水序列进行周期性分析，发现流域年降水量存在35～42 a，20～25 a，8～10 a和2～4 a共4个尺度的周期变化。其中，在35～42 a的尺度上出现了丰枯丰交替，在20～25 a的时间周期尺度上，丰枯交替也比较明显且比较稳定；但是在5～10 a时间尺度上，1960—1980年降水周期特征比较明显，而2～4 a尺度上的周期特征在1950—1960年比较明显。基于年降水小波方差图(图2)，对应的峰值分别为40，24，8，3 a。这些不同的周期共同控制着乌兰木伦河流域降雨的“丰—枯”特征。

图1 乌兰木伦河流域1960-2015年降雨量变化特征

图2 乌兰木伦河年降水小波系数、小波方差

3.2 乌兰木伦河水沙趋势分析

乌兰木伦河流域径流量在1960—2015年呈阶梯状下降趋势，流域60，70年代年均径流量分别为2.5亿m3，2.4亿m3，80，90年代年均径流量分别为1.9亿m3，1.4亿m3，2000—2015年均径流量为0.7亿m3(表1)。基于Mann-Kendall趋势分析，乌兰木伦河流域年径流的变化趋势Z=-5.62，|Z|>1.96，通过置信度99%的显著性检验，表明乌兰木伦河流域径流呈显著下降趋势。基于Pettitt非参数方法检验，得到乌兰木伦河径流序列的突变点在1996年(图3)。以1996年为界，1960—1996年和1997—2015年流域年均径流量分别为2.12亿m3，0.76亿m3，与1960—1996年相比，流域径流量下降64.1%；1997—2015年流域年径流量的标准差为0.2，年际径流变化幅度明显变小。

图3 乌兰木伦河年径流量和输沙量的Pettitt非参数检验

乌兰木伦河流域1960—2015年平均输沙量为1 771.5亿t。与径流量相似，流域输沙量也呈现阶梯状下降趋势，其下降趋势更加剧烈。流域年均输沙量在60—70年代约为3 000 万t；80—90年代快速下降到2 000 万t以下，2000年以后下降到100万t以下，2008年以后下降至不足10万t(表1)。基于Mann-Kendall趋势分析，乌兰木伦河流域年输沙量的变化趋势Z=-5.56，|Z|>1.96，通过置信度99%的显著性检验，表明乌兰木伦河流域输沙量呈显著下降趋势。基于Pettitt非参数方法检验，得到乌兰木伦河输沙量变化的突变点也在1996年。以1996年为界，1960—1996年和1997—2015年流域年均输沙量分别为2 659.8万t和41.7万t，与1960—1996年相比，流域年输沙量下降高达98.4%。

表1 乌兰木伦河径流泥沙特征表

3.3 乌兰木伦河水沙变化周期特征

进一步分析径流输沙的周期规律，对年径流和年输沙进行小波周期分析。得到乌兰木伦河年径流量存在2～4 a，8～10 a，15～17 a共3个尺度的周期(图4)，径流过程存在多周期的时间特征，而且径流的周期在整个时段并不稳定，只是在60年代到80年代相对稳定。从小波系数实部图和小波系数方差图得到乌兰木伦河枯水年多于丰水年，在56 a的时间序列上，主周期为16 a左右，更长时间尺度的周期，需要进一步增加时间序列。

从年输沙小波系数图可以得出(图5)，年输沙量的周期与径流量周期相似，在2～4 a，5～8 a，8～10 a，15～17 a存在4个周期；不同尺度的周期只是在60年代到80年代相对稳定，而且主周期也未形成，周期的时间特征与径流周期特征几乎一致，说明乌兰木伦河流域水沙相关性很大，泥沙特征很大程度上受到径流序列演变特征的影响。与降水的周期相比，径流输沙周期在小的周期上与降雨的相似。

图4 乌兰木伦河年径流小波系数、小波方差

图5 乌兰木伦河年输沙量小波系数、小波方差

4 讨 论

4.1 乌兰木伦河水沙变化归因分析

乌兰木伦河1960—2015年径流量和输沙量均呈显著下降趋势，且下降具有明显的阶段性特征，这与黄河中游干流及主要支流水沙变化趋势基本一致[3,6]。自20世纪50年代，黄河水沙急剧减少，黄河潼关站1960—1986年平均径流量和输沙量分别为402.3亿m3，12.1亿t，1987—1999年径流量和输沙量分别为261.4亿m3，8.1亿t，2000—2012年径流量和输沙量分别为229.0亿m3，2.8亿t[5]。

尽管乌兰木伦河径流量和输沙量从1980年代以后发生明显下降趋势，但流域年径流量和输沙量下降的突变点均发生在1996年(图3)。与1960—1996年相比，1997—2015年流域径流量和输沙量分别下降达64.1%和98.4%。这一突变时间与窟野河年径流量发生突变时间一致[15-16]。20世纪90年代大规模的煤炭开采被认为是乌兰木伦河径流减少的主要原因[15,17]。乌兰木伦河流域1985—1992年煤炭开采处于较低水平，年产能不足100万t，从1990年代后期开始，流域内煤炭产能呈指数式增长，2012年煤炭产能达2.7亿t[10]。由于煤炭资源大规模开采，造成采矿区地表塌陷，导致地表水大量渗漏，引起河川径流量减少，进而输沙量下降[17]。张思锋等研究认为，人类活动导致乌兰木伦河流域径流量下降89.5%，其中，采煤活动对径流量下降的贡献占77.3%。在采煤活动中，由煤炭开采导致的地表塌陷占52.5%，矿井疏排水占24.8%。除煤炭开采外，尽管流域降雨量近几十年来无明显变化，但雨强持续减小，尤其是2000年以后降雨强度持续偏小，中小雨强有利于降雨就地入渗，减小地表径流；长期无连续高强度降雨，使得流域产流系数减小[18]。另外，流域最近几十年来植被盖度明显增加[13]，从1986—2008年中高盖度植被面积比例由15.9%增加到40.7%，植被覆盖结构进一步优化，高覆盖度面积增加，低覆盖度面积下降[19]，植被盖度的增加也有利于减少水土流失，进而减少流域径流量和输沙量。

4.2 乌兰木伦河水沙变化周期特征

乌兰木伦河流域径流量和输沙量变化分别存在15～17 a，8～10 a，2～4 a和15～17 a，8～10 a，5～8 a，2～4 a不同尺度的周期特征。其中，8～10 a和2～4 a的径流量和输沙量变化周期与流域短时间尺度的降雨量变化周期基本一致，反映了流域径流量和输沙量在短时间尺度上主要受到降雨量变化的影响。赵广举等的研究也发现，黄河中游干流龙门站水沙短周期性振荡主要是降水季节和年际变化的结果，并且，月流量3～4 a的变化周期与影响我国西部地区降雨的副高脊线位置的准3 a周期具有一致性；而7～9 a的振荡中心与地极移动振幅变化的7 a周期以及ENSO的周期特征一致。此外，有研究表明太阳活动通过影响降水变化进而对流域径流产沙影响[20]。乌兰木伦河流域径流量和输沙量8～10 a的周期与太阳黑子11 a左右的活动周期接近，反映了太阳黑子对流域径流量和输沙量在8～10 a年尺度上可能有一定的影响。另外，流域水沙变化的长时间尺度周期并未形成，并且径流周期以及输沙周期在1990s年代后期也逐渐消失，这可能是因为大规模的人类活动改变了流域水沙变化的自然周期。综上，乌兰木伦河流域径流量和输沙量的短周期变化主要受降雨、太阳活动等自然因子调控，并受到人类活动的影响，而更长周期的水沙变化特征则有赖于百年以上的水文序列。

5 结 论

(1) 乌兰木伦河降水量没有表现出明显上升或下降趋势变化，流域降水量存在4个尺度的周期变化，并且在35～42 a和20～25 a的时间尺度上，存在着明显的丰枯丰交替，且时间周期特征比较稳定。

(2) 乌兰木伦河径流量和输沙量呈梯状下降趋势，径流量在流域60，70年代年均径流量约为2.5亿m3，90年代年均径流量为1.4亿m3，2000年以后年均径流量为0.7亿m3。流域年输沙量下降趋势更加剧烈，年均输沙量在60—70年代约为3 000 万t；2000年以后下降到100万t以下，2008年以后下降至不足10万t。

(3) 径流量和输沙量的突变点均在1996年，径流量存在2～4 a，8～10 a，15～17 a共3个尺度的周期，而输沙量存在2～4 a，5～8 a，8～10 a，15～17 a共4个周期，径流周期和输沙周期特征相似，不同时间尺度的周期并不稳定，在1990s年代后期也逐渐消失。