近60年湘江流域水沙特性及其对人类活动的响应

隆院男，唐 蓉，蒋昌波，黄 草，吴长山



近60年湘江流域水沙特性及其对人类活动的响应

隆院男1,2，唐 蓉1，蒋昌波1,2，黄 草1,2，吴长山2,3

（1.长沙理工大学水利工程学院，长沙 410114；2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，长沙 410114； 3.Wisconsin-Milwaukee大学地理系，威斯康星州 密尔沃基 WI 53211）

湘江流域人类活动对湘江水沙变化具有显著影响。利用M-K次序法、Pettitt非参数检验法和双累积曲线法分析湘江干支流1953-2014年的年径流量、汛期径流量和非汛期径流量与输沙量的关系，并分析水土保持和水库建设等人类活动与水沙演变的关系。结果表明：1）湘江干支流水文站的年径流量、汛期径流量与输沙量的相关性强，且1990年后湘潭站径流量-输沙量的相关系数为0.83，而非汛期相关性较弱。1990年前，干流站点径流量和输沙量处于波动状态，1990年后干流站点径流量总体呈增加趋势，但输沙量呈减小趋势，且老埠头站的输沙量发生微幅突变。除个别站点之外，支流站点的径流量和输沙量发生突变的年份与变化规律均一致。2）水土保持以及水库建设对湘江流域的拦沙作用是输沙量减少的主要原因。相比支流，水土保持对湘江干流流域的输沙量减少影响更显著，水库建设与湘江干支流输沙量减少均密切相关。3）根据湘江流域输沙量突变点可划分A（1960－1987年）、B（1988－1996年）、C（1997－2013年）3个时期，在不考虑温度变化的影响下，以A时期1960－1987年为基准期，利用累积量斜率变化率比较法可知，相比基准期A时期，B、C时期水土保持和水库拦沙等人类活动对输沙量的减少的贡献率为88.58%和94.01%，人类活动为输沙量减小的主要因素。

径流；侵蚀；水文；输沙量；水土保持；水库拦沙；突变分析；湘江流域

0 引 言

流域系统对人类活动和全球气候变化异常敏感，而流域水沙变化是这一动态系统中最为活跃的部分，其与河道演变、江湖关系和河势稳定紧密相关。受到人类活动以及自然条件的影响，许多流域水土流失问题严重，随着社会的不断发展，人类对资源和环境的要求日益增加，流域水沙灾害对社会经济发展的影响日益突出，与人们的生活息息相关。且作为流域地貌变化的主导因素，流域水沙变化已受到国内与国际河流地貌学者的高度重视。

众多学者围绕流域水沙变化的主要表征量径流量和输沙量，针对水沙变化特征、演变规律和驱动因素进行了一系列研究。相比气候年际变化，自1950年来河流水沙变化在长时间尺度上对人类活动因素具有更为直接和敏感的响应[1-3]。前人研究发现，近年来河流径流量变化不明显，而输沙量呈下降趋势[4-6]，Walling等[7]对世界146条主要河流的水沙趋势进行研究发现其中约有一半的河流输沙量呈下降的趋势，其主要是受到区域气候变化[8-9]和人类活动[10]的影响，但主要原因是人类的活动。后续学者分别针对如水库建设、水土保持及国家政策等人类活动开展河流水沙变化相关研究，如部分学者探讨水库修建对水沙的影响，发现修建大型水库在一定的年限内起到拦沙作用[11-12]，会减少下游泥沙输送[13-15]。王延贵等[16]深入分析长江水库拦沙对水沙态势变异的作用，发现干流上下游输沙量规律有差异，上游站点的输沙量衰减幅度大于下游站点。与此同时，研究表明水土保持和植树造林对流域水沙变化的影响，Liu等[17]分析我国入海河流水沙负荷的变化，发现土地利用/覆被变化对年径流量和含沙量的变化具有重要影响。冉大川等[18]以1989 年作为流域治理前后的分界年对黄河内蒙古段西柳沟流域水沙变化对下垫面治理的响应进行了归因分析，发现林地的减水减沙贡献率均为最大，水土保持生态建设成效比较显著。不同的人类活动对流域水沙存在不同程度影响，水库对泥沙的拦沙滞淤作用明显，会减少下游泥沙输送，水土保持措施能有效减少地表径流和产沙量。

湘江是长江的一级支流，也是洞庭湖流域最大的支流，是洞庭湖流域水土流失最严重的区域之一。随着人类活动不断增强，湘江流域的径流量和输沙量发生了显著变化，引起了国内学者的关注。因而，参考前人对于不同流域水沙变化特性的研究，少部分学者探究了湘江流域部分站点的径流量和输沙量变化规律。学者分析了湘潭站点的径流泥沙演变规律，研究表明输沙量下降趋势明显[19-20]。其他学者进一步研究发现，输沙量的减少与水利工程拦沙和水土保持等有关[21-23]。然而，前人的研究大多针对湘江流域内某个站点开展研究，对湘江全流域径流泥沙演变过程的系统研究较少，并未从整体上探讨湘江流域内水沙时空演变特征及其变化机制。因而，综合考虑不同人类活动影响因素对湘江流域水沙变化的影响，深入分析全流域代表性站点径流量和输沙量的变化规律，对于探究湘江流域水沙特性及其对人类活动的响应机制具有较重要意义。

本文旨在通过选取湘江干流上游、中游、下游代表站点（湘潭、衡阳、老埠头）以及选取主要支流代表站点（大西滩、甘溪、欧阳海、神山头）长系列水沙数据，探讨湘江流域近60年的水沙演变规律，结合前人的研究成果、遥感影像解译成果以及大量的水土保持措施和水库资料，深入分析水沙演变规律和人类活动的响应机制，并利用累积量斜率变化率比较法定量分析了不考虑温度影响的情况下降雨量与人类活动对水沙变化的贡献率。

1 研究资料和方法

1.1 研究资料

1.1.1 水文数据

湘江是长江的七大主要支流之一，位于111°22′12″－112°28′48″E，26°7′48″－28°21′36″N，发源于广西灵川县海洋山，自南向北流经广西的兴安、全州至斗牛岭后进入湖南省境，流经湖南省的永州、衡阳、湘潭、长沙，至湘阴县濠河口注入洞庭湖（图1）。

图1 湘江流域地理位置

本文水文数据选取湘江干流主要控制站（上游老埠头站（1960－2012）、中游衡阳站（1953－2014）、下游湘潭站（1953－2014））、主要代表性支流控制站（舂陵水欧阳海站（1977－2014）、蒸水神山头站（1960－2014）、洣水甘溪站（1970－2008）、渌水大西滩站（1959－2014））长序列水沙数据，数据来源于湖南省水文水资源勘测局。并采用1985－2014年的湖南水利志和湖南省水利统计年鉴资料分析人类活动对流域水沙特性的影响。

1.1.2 遥感数据

选用来源于地理空间数据云1993－2014年的Landsat TM以及OIL数据，条带号分别为（124，43）、（124，42）、（124，41）、（123，43）、（123，42）（123，41）以及（122，42）。湘江流域大部分位于124 path，因而整个流域以124所在影像的时间为主，遥感影像的时间均为9－10月份（汛期，径流量、输沙量占全年比重最大），在此阶段植被生长良好，遥感影像可得到充分的显示。利用ENVI处理软件对获取影像进行辐射定标、大气纠正等预处理，结合Google Earth 工具进行人机交互目视解译，得到1993年和2013 年两期湘江流域土地利用图，得到5种土地利用类型：林地、耕地、建筑用地、水域及其他用地。

1.2 研究方法

1.2.1 水文数据分析方法

本文主要采用Mann-Kendall（M-K）检验法以及Pettitt法对湘江流域的水沙变化进行突变分析。

1）M-K检验法不受少数异常值的干扰，不仅可判断序列的变化趋势，也可检测序列是否存在突变点，并指出突变发生时间，已广泛应用于水文时间序列分析中。

d的均值与方差定义为

在时间序列随机独立的假定条件下，设定统计量

式中UF为标准正态分布样本，令显著性水平的临界值为0，当UF>0时，说明有明显的增加或减少趋势，由式（4）反向计算样本序列得到k，曲线UF和曲线UB的交点可能是突变点。

2）Pettitt突变检验方法能判断突变点的位置及数量，也能判断突变点是否达到显著水平，已广泛应用于气象水文时间序列分析中。

对于时间序列数据（1,2,…,x），定义统计量为

U为第一个样本序列超过第二个样本序列次数的统计组成的新序列。统计量K和相关概率的显著性检验公式为

若≤0.05，则点为显著的变异点。

1.2.2 土地利用研究方法

采用土地利用动态度对湘江流域的土地利用类型进行分析。土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[24]，其表达式为

式中为湘江流域研究时段内某一土地利用类型动态度；S、S分别为研究期初和研究期末某一土地利用类型的面积。

1.2.3 累积量斜率变化率比较法

假设累积输沙量-年份线性关系式和累积降水量-年份线性关系式的斜率在突变点前后分别为S、S（单位：万t/a）和S、S（单位：mm/a），则累积输沙量R（单位：%）和累积降雨量斜率变化率R（单位：%）为

降雨量变化对输沙量变化的贡献率C（单位：%）为

气温变化导致输沙量变化，流域内累积蒸散总量-年份线性关系的斜率变化率为C（单位：%），则人类活动对输沙量变化的贡献率[25] C（单位：%）为

2 结果与分析

2.1 湘江干流水沙特性变化

2.1.1 水沙突变分析

图2为湘江干流上中下游控制站点径流量和输沙量的M-K趋势分析。1953－1993年，湘潭站年径流量处于波动时期，该时期内1955－1961年、1963－1976年以及1981－1993年的径流量呈下降趋势；1993年以后年径流量呈上升趋势，但均并未达到95%置信水平。年径流量和线分别相交于1975、1980、1983和1987年，未突破95%置信水平，径流量在1975、1980、1983和1987年发生不显著突变。湘潭站输沙量在1953－1986年呈波动变化，1987年后输沙量一直呈下降趋势，且和线交于1997年，并达到95%的置信水平，表明输沙量呈现显著减少趋势。衡阳站径流量的M-K趋势分析结果与湘潭站基本一致。1953－1985年，输沙量处于波动阶段，1986－2014年输沙量呈现显著减少趋势。老埠头站径流量的M-K趋势分析结果与湘潭站和衡阳站基本一致，不同之处在于1972－1987呈增加趋势；从老埠头站输沙量的M-K趋势分析结果来看（图2c），1972－1990年存在不显著增加趋势，其他时间段基本处于不显著减少趋势，且在1991和1995年发生不显著突变。各个站点具体突变年份如图3。

注：UF：原序列，UB：反向序列。下同。

湘潭、衡阳和老埠头站的年、汛期及非汛期径流量和输沙量的Pettitt突变检验结果表明（表1），3个站点的年径流量的突变年份均在1991年，>0.05，表明3个站点均在1991年发生了不显著突变，且汛期径流量的规律与年径流量一致。湘潭、衡阳和老埠头站点年输沙量突变年份分别发生于1985、1986和1985年，汛期输沙量突变发生的年份基本与年输沙量突变发生的年份一致，且湘潭和衡阳站的≤0.05，表明湘潭和衡阳站的输沙量发生了显著突变，老埠头站的输沙量发生了不显著突变。

图3 湘江干支流站点年径流量和输沙量M-K法突变年份分布

对比M-K法和Pettitt法的检验结果可知，2个站点的径流量在1990年左右发生了不显著突变，而湘潭站和衡阳站的输沙量发生了显著突变。且Pettitt法检验到的突变年份（1985年和1986年）与M-K分析法得到的输沙量开始减少的年份（1987－2014年）一致；同时，M-K分析法和Pettitt法均检测到老埠头站的输沙量发生了不显著突变。

2.1.2 径流量与输沙量的关系

图4为湘江干流站点年、汛期和非汛期径流量和输沙量的关系。由图4可知，老埠头站1990年前平均径流量为195.69亿m3，平均年输沙量为18.72亿t。1990年后平均年径流量相比上个阶段增加13.75亿m3，平均年输沙量减少了4.18亿t。衡阳站1990年前平均径流量为412.41亿m3，平均年输沙量为61.01亿t。1990年后平均年径流量相比上个阶段增加61.41亿m3，平均年输沙量减少了29.76亿t。湘潭站1990年前平均径流量为632.95亿m3，平均年输沙量为109.39亿t。1990年后平均年径流量相比上个阶段增加55.95亿m3，平均年输沙量减少了46.6亿t。1953－1990年期间从上游至下游平均年径流量呈上升趋势，1990－2014年期间平均年径流量增加的幅度先增加后减小。1990年前，平均年输沙量上游老埠头站的输沙量明显小于下游湘潭站的输沙量，1990年后平均年输沙量相比上个阶段明显呈下降趋势，且下降幅度由上游至下游逐渐增加。汛期径流量约占全年径流的70%，非汛期占30%；汛期输沙量约占全年输沙90%，非汛期输沙量占10%。

表1 湘江干流站点年、汛期及非汛期径流量和输沙量的Pettitt突变检验结果

对比分析湘江干流站点1990年之前和1990年之后的汛期和非汛期径流量和输沙量关系。由图4湘潭站的径流量-输沙量的散点分布可知，相同年径流量下，1990年之后的年输沙量明显少于1990年以前的年输沙量，而汛期径流量和输沙量间的关系也类似，但非汛期间的关系并不显著。衡阳站和老埠头站规律与湘潭站一致，从湘江上游至下游，这种关系趋于明显。对比3个站点的汛期、非汛期径流量与输沙量的相关关系，发现年内1990年前后2个阶段输沙量与汛期径流量紧密相关，说明年内水沙的来源主要集中于汛期。且径流量与输沙量的相关系数，从上游老埠头站（=0.165−11.971,2=0.623）往下游湘潭站（=0.22−49.405,2=0.83）相关系数呈增加趋势，且湘潭站的汛期径流量与输沙量呈明显的正相关，相关系数达到0.83。

流域水沙特性如发生系统变化，在水沙量双累积曲线图上将表现出明显的转折，即累积曲线斜率明显变大或减小[26]。从湘江干流水文站水沙量双累积曲线图（图5a）可以看出：1990年前，湘潭站双累积曲线基本呈直线，对应的来沙系数没有明显的变化，说明在此阶段湘潭站水沙搭配关系、输沙能力和冲淤特征没有明显变化；1990年后，双累积曲线斜率明显增大（向径流量偏转），说明输沙量有所减小，且来沙系数开始不断减少，其均值由1990年之前的0.17减至1990年之后的0.08，表明湘潭站累积输沙量增速小于径流量，来水含沙量不断减小。老埠头站、衡阳站规律与湘潭站的基本一致。

图4 湘江干流站点年、汛期和非汛期径流量和输沙量

图5 湘江干流站点水沙搭配关系

2.2 湘江主要支流水沙特性变化

2.2.1 水沙突变分析

图6给出了代表性支流站点的径流量和输沙量的M-K趋势分析。图6a大西滩站年径流一直处于增加趋势，并在1998年突破了95%的置信水平（即0=1.96）。大西滩站曲线在1959－1987年和1993－2001年间处于0值水平线以上，其中在1970年突破了95%的置信水平，1959－1987年输沙量呈显著增加趋势，2002－2014年呈减少趋势，输沙量在1999年发生了不显著突变。甘溪站年径流量在1994年前基本上呈减少趋势，1995－2008年呈增加趋势，年径流量在1992年发生了不显著突变。1975－1986年，甘溪站输沙量处于增加趋势，1987－2008年甘溪站输沙量处于减少趋势；和线存在多个交点，但均未达到95%的置信水平，并未发生显著突变。神山头站年径流量在1973－2014年处于增加趋势，并于2007年达到了95%的置信水平，增加趋势明显，1980年为突变点。1970－1987年神山头站输沙量处于增加趋势，1987－2014年减少趋势明显，并达到了95%的置信水平，且在2002年发生了显著突变。欧阳海站年径流量在1983－2014呈显著增加趋势，并于2001年达到了95%的置信水平，且年径流量在1991年发生了显著突变。1984－2014年，除个别年份外，欧阳海站输沙量一直呈减少趋势；和线在区间内存在多个交点，但均未达到95%的置信水平，说明并未发生显著突变。具体发生显著突变与不显著突变的年份分析见图3。

图6 湘江主要支流站点年径流量和输沙量M-K法突变检验过程线

表2给出了大西滩、甘溪、神山头和欧阳海站的年、汛期及非汛期径流量和输沙量的Pettitt突变检验结果，由表可知，4个站点的年径流量的突变年份均发生在1990年前后，这与干流站点发生突变的年份基本一致，且汛期径流量的规律与年径流量一致。4个站点的年输沙量突变年份分别发生于1998、1984、1983和1981年，除大西滩站外，其他站点的年输沙量突变出现年份都在1980年初，也与干流站点一致；此外，四个站点中，只有神山头站的年输沙量发生了显著突变。

对比M-K法和Pettitt法的检验结果可知，支流站点的径流量在1990年左右发生了不显著突变。由Pettitt法与M-K分析法的检验结果可知，支流各站点输沙量的突变点变化规律不明显，且与干流站点的输沙量变化不同步。

表2 湘江流域支流站点年、汛期及非汛期径流量和输沙量的Pettitt突变检验结果

2.2.2 径流量与输沙量的关系

欧阳海站1990年前平均径流量为36.15亿m3，平均年输沙量为0.7亿t。1990年后平均年径流量相比上个阶段增加5.41亿m3，平均年输沙量微幅变化。神山头站、甘溪站和大西滩站与神山头站规律基本一致，在1990年后与上个阶段相比，年径流量均呈增加趋势，而年输沙量呈下降趋势。1953－1990年期间从上游至下游所有支流站点中平均年径流量和年平均输沙量甘溪站居首位，大西滩站次之。汛期径流量约占全年径流70%，非汛期径流量占30%；汛期输沙量约占全年输沙90%，非汛期输沙量占10%，与干流占比一致。

图8为湘江支流各水文控制站水沙双累积曲线和来沙系数变化过程，从图可以看出：神山头站在1990年之前双累积曲线呈直线状，来沙系数逐渐减小，在1990年之后双累积曲线斜率上凸，逐渐偏向径流量，表明干流各站点输沙量减小幅度大于径流量的减小幅度。神山头站输沙量总体变化趋势与干流站点同步；欧阳海站在1959－2014年期间双累积曲线基本上呈直线状态，且斜率小，说明欧阳海站输沙量小，来沙系数总体呈减小趋势，说明累计总输沙量的增速小于径流量；甘溪站与大西滩站，其双累积曲线斜率呈波动状态，来沙系数也为波段状态，变化幅度大。

图7 湘江主要支流站点年、汛期和非汛期径流量和输沙量

图8 湘江支流站点水沙搭配关系

2.3 人类活动对湘江流域水沙变化的影响

2.3.1 土地利用变化

人类活动对河川径流和泥沙的影响越来越大，垦荒、放牧、砍伐森林等破坏自然环境的行为越来越多，使流域水土流失面积不断增加[27]。湘江流域水土流失分布面广，根据湖南省水土保持规划[28]可知，1984年水土流失面积44 000 km2，占全省总面积的20.8%。1993年水土流失总面积33 704 km2，占全省总面积15.9%。2013年，全省现有水土流失面积37357.47 km2，占土地总面积的17.63%。近30年水土流失问题在不断地改善。对于涵养水源和减少地表侵蚀来说，良好的植被覆盖起着重要作用。流域内不同的土地利用类型在一定程度上能影响河流的径流量和含沙量。

流域内主要的土地利用类型有林地、耕地、建筑用地以及水域等，从林地、耕地到建筑用地的变化对湘江的水沙变化有重要的作用。由上文湘江干流水沙突变分析可知，湘江流域总体的突变年份约为1997年。本文通过选取突变点1997年前的1993年以及突变点后的2013年对流域土地利用的动态度变化进行分析（表3），整个流域的用地类型耕地呈减小趋势，动态度为−1.76%，而建筑用地大幅度增加，动态度达7.59%，林地呈缓慢增加的趋势，动态度为0.32%。（即表3中湘潭站数据）在支流水文站点的控制流域，20 年内，舂陵水流域（欧阳海站）建筑用地面积增加迅速，而耕地的用地面积减小，动态度为−4.71%；渌水流域（大西滩站）林地的动态度较大，呈增加的趋势；洣水流域（甘溪站）耕地和其他用地的用地面积明显减少，动态度分别为−1.55%和−4.99%，而林地和建筑用地的用地面积增加；蒸水流域建筑用地和林地增加快，动态度达9.5%和0.91%，耕地面积减小，动态度达−1.18%。综上，湘江流域土地利用类型总体上没有发生较大变化，而仅在数量上发生大幅度变化。林地、耕地以及建筑用地总是流域的主要的土地利用类型，其次是水域。根据孔维健等[29-31]对不同土地利用类型/植被类型径流量以及输沙量的研究，发现林地对降雨的截留作用强，且土壤渗透能力较强，径流量和径流系数小，而耕地径流量、径流系数大；对于输沙量，林地能够有效减少和拦蓄径流泥沙，导致输沙量小，而耕地存在大量裸露地表，加之农业耕作等大量人类活动的影响，导致水土流失严重。湘江流域输沙量总体上呈减小趋势，与林地的增加导致拦蓄的泥沙增加有关。湘江干流流域上游老埠头站、衡阳站在20 a年间，林地、耕地的动态度呈负值，而湘潭站的林地动态值为正值、耕地为负值。在两者共同作用下，老埠头站和衡阳站的径流量与输沙量的相关性低于湘潭站。总体来说，干流与各支流流域在突变年份1997年前，林地、耕地的占地面积大对径流的减少有重要的影响；而1997年后，耕地以及其他用地的面积呈减少趋势，而林地和建筑用地的用地面积大幅度增加，导致径流量增加、输沙量减少。

表3 湘江干支流站点控制流域的土地利用动态度

流域是一个紧密相关的的整体，具有自然整体性。为探究湘江流域在2个时间阶段的土地利用变化规律，以舂陵水流域为例：舂陵水流域在两个阶段（1989－1993年、1994－2013年）林地均呈增加趋势，增长率分别为10%和5%，这得益于国家颁布的《森林法》和《水土保持工作条例》的贯彻实施。随着人口增长和城镇发展，建筑用地大幅度增加，由1989年的占比0.5%增加到2013年的3%。25 a间，部分耕地转为林地，部分水域转为林地，部分耕地转为建筑用地，从而耕地以及水域在流域内呈减少的趋势，减少率均为1%。可见，林地面积呈增长的趋势、耕地面积呈减小趋势，由于植被的自然演替和人类活动的影响，湘江流域生态关系不断变化，引起了水沙变化。随着经济的发展，流域内林地增加，削弱了暴雨期间水土流失从而减小湘江的输沙量，使输沙量呈减小的趋势，这与上文湘江干流、支流水沙突变分析中的结果一致。而径流量可能受到降雨等气象因素的影响大于人类活动的影响[32]，使得径流量总体呈增加趋势。

图9 1989、1993年以及2013年舂陵水流域各土地利用占流域总面积比例

2.3.2 水库拦沙

利用2012中国河流泥沙公报提供的水沙资料，分析了1950－2012年长江流域干支流水沙变化趋势及成因[33]，指出流域水土保持、水库拦沙、河道采砂和过度建设等人类活动是长江流域水沙变异的主要因素，其中水库拦沙作用明显。为了充分利用长江上游的水能资源，长江上游干流和主要支流已修建或在规划修建了许多水库，水库修建后将调节河流水沙过程，拦蓄了部分径流和泥沙，水库泥沙淤积，减少了进入下游的输沙量。水库拦沙对下游输沙量的影响由两方面反映，一是水库拦沙减少泥沙向下游的输送量，二是水库下游清水挟沙力增加，可通过河床沿程冲刷恢复部分沙量[34]。

图10 1983年、1993年以及2014年干支流流域输沙量和大型水库库容的变化过程

对1983年、1993年和2014年的湖南省水利统计年鉴进行分析发现，1983年，湖南省总共修建了大型水库11个，总库容39.93亿m3，中型水库220个，小型水库12 489个，总库容143.2亿m3。截止1993年，湖南省总共修建了大型水库31个，中型水库49个，小型水库26 751个，累计库容由1983年的183.13亿m3增加至558.74亿m3。到2014年，湖南省共修建了43座大型水库，中型水库335座，累计库容增加至565.63亿m3。湖南省的水库工程的建设基本在1993年已经全部完成。综上，全省范围内，累计库容呈增加趋势，特别是1983年-1993年期间。湘江干、支流上大量水库等水利工程的建设，会影响湘江干流的输沙量变化。图10是湘江流域以及支流舂陵水流域、洣水流域、渌水流域、蒸水流域1983、1993和2014年的大型水库的累计库容以及年输沙量的关系，1983－1993年的年输沙量的曲线斜率明显大于1993－2014年，全流域的水库库容在此阶段出现了大幅度增加，表明水库拦沙的效果非常明显，而在1993－2014年，全流域的大型水库的库容增加不明显，输沙量的减小趋势有所减缓。

支流流域，1983－1993年，洣水（甘溪站）流域修建了1个大型水库，大型水库库容由2.53亿m3增至8.37亿m3，蒸水流域（神山头站）修建大型水库2个，库容6.9亿m3，而其他支流流域无增加。根据《湖南水利统计年鉴—1994》和《湖南水利统计年鉴—2005》，1993－2014年，渌水流域新增1个大型水库，库容达到4.06亿m3。1983年之前，湘江流域输沙量呈波动的趋势，说明此阶段水库对流域的拦沙作用并不明显。1983－1993年，累计总库容显著增加，随着水库累积库容增大，输沙量也随之减少。1993－2014年，相比前一个阶段，新增水库数量总体呈增加趋势。

上文湘江主要支流径流量与输沙量的突变分析中，1997年输沙量在显著下降，说明流域输沙量减小，水库的拦沙作用大。干流流域从上游老埠头站到下游湘潭站累计库容随着干流站点的增加而增加，根据图10的库容-输沙量曲线可知，输沙量会随之减小，可知从上游到下游控制站径流量与输沙量的相关性会增加。支流蒸水流域在1990年之前库容-输沙量曲线斜率明显大于1990年之后，这与神山头站径流量与输沙量的相关系数的规律一致，说明支流站点的径流量与输沙量的关系与水库的建设相关性强。从上文的分析，可知1987－2014年，湘江流域的输沙量整体呈减小趋势，这表明随着水库的修建，水库库容大幅度增加，水库对泥沙的拦沙滞淤作用明显，会减少下游泥沙输送，从而使输沙量呈减少趋势。

2.3.3 人类活动对水沙变化的影响

在前文的分析中可知，湘江流域输沙量整体上呈下降趋势，且在1987年和1997年发生突变，1997年发生显著性突变。另外，根据张婷婷等[35]学者的研究发现湘江流域温度呈上升趋势但是变化不显著，可知温度对输沙量的影响不明显。因而本研究将气候因素对水沙变化的影响简化为降雨量的影响，且仅整体对人类活动对输沙量产生的影响进行定量分析。

本文将选取湘江流域7个气象站点（南县、株洲、衡阳、道县、常宁和郴州）的数据利用累积量斜率变化率比较法[25]对降雨和人类活动等导致输沙量减少的贡献率进行分析。通过累计距平法发现降雨量的突变点为1987年，而输沙量的突变点为1987年和1997年，其结果与湘江干流水沙突变分析中的结果一致。从而将降雨量和输沙量划分为3个时期（A：1960－1987年、B：1988－1996年、C：1997－2013年）。B与A时期相比，累积输沙量与年份的关系式斜率减少了317.85万t/a，减少了27.39%（表4）；同时期相比，累积降雨量的斜率增加了47.6 mm/a，增加率为3.13%（表5）。利用公式（12）、（13）可知，当不考虑温度的影响时，降雨量对输沙量的贡献率为11.42%，人类活动对输沙量减少的贡献率为88.58%。同理可知，C与A时期相比，累积输沙量与年份的关系式斜率减少了606.1万t/a，减少了52.23%；同时期相比，累积降雨量的斜率增加了47.6 mm/a，增加率为3.13%。降雨量对输沙量的贡献率为5.99%，人类活动对输沙量减少的贡献率为94.01%。C与B时期相比，斜率减小288.2万t/a，减小率为34.21%，累积降水量的斜率在此阶段保持不变。这显然是人类活动引起的。从而C与B时期相比，输沙量减小的降水量贡献率为0，而在不考虑气温影响时人类活动的贡献率为100%。

表4 湘江流域累积输沙量斜率及其变化率

表5 湘江流域累积降雨量斜率及其变化率

随着经济的不断发展，人类活动随之增加。湘江流域由于国家颁布的退耕还林政策，近年来林地和建筑用地的占地面积呈增加的趋势，而耕地和水域面积处于减小的状态，水土保持的治理情况日渐改善，对湘江的输沙量减少贡献增加。另外，从20世纪80年代至今，湘江流域新增水库数量增加，且湘江干支流修建了很多大型水库，如欧阳海水库、五强溪水库等。随着水库库容的增加，拦沙作用增强，流向下游的输沙量减小。降雨对输沙量减小的贡献逐渐降低，而水土保持、水库拦沙等人类活动成为输沙量减少主要因素，与上述累积量斜率变化率比较法得到的结果一致。B、C时期相比A时期，人类活动对输沙量的贡献率，为88.58%和94.01%，C时期相比B时期为100%。

3 结 论

1）相同年径流量的情况下，干流输沙量于1990年后发生剧变，1990年之后年径流量与输沙量相关性强，汛期规律与其一致，且湘潭站相关系数达到0.83，而非汛期相关关系弱。湘江流域干流站点径流量总体呈增加趋势，而输沙量呈减小趋势。采用M-K次序法和Pettitt非参数检验法，发现干流3个站点的径流量突变点均在1990年，输沙量的突变点在1986年，且湘潭站和衡阳站输沙量发生了显著突变。

2）湘江支流站点的径流量和输沙量趋势与干流站点的趋势基本一致，支流径流量突变点也发生于1990年，而输沙量的突变点位于1980年，且4个支流站点中，仅神山头发生了显著突变。

3）水土保持政策对湘江干流的输沙量与径流量的相关性的影响比支流流域的大。水库的建设与湘江干支流的径流量与输沙量变化均具有较强相关性，使得干流与支流的来沙被大量的拦截。水库的修建、流域水土保持均是湘江干、支流人类活动影响方面的因素，水库拦沙的作用明显，可能是湘江流域的主要影响因素。

4）通过对湘江流域降雨量和输沙量进行突变分析，可分为3个时期（A：1960－1987年、B：1988－199年、C：1997－2013年）。在不考虑温度影响的情况下，以A时期1960－1987年为基准期，相比A时期，B时期和C时期降雨量和人类活动（水土保持、水库拦沙等）的贡献率分别为11.42%、88.58%和5.99%、94.01%。降雨对水沙变化影响相对不大，而人类活动的影响逐渐增强。

[1] Liu J H, Yang S L, Zhu Q, et al. Controls on suspended sediment concentration profiles in the shallow and turbid Yangtze Estuary[J]. Continental Shelf Research, 2014, 90: 96－108.

[2] Liu Feng, Chen Shenliang, Peng Jun, et al. Temporal variations of water discharge and sediment load of Huanghe River, China[J]. Chinese Geographical Science, 2012, 22(5): 507－521.

[3] Wang Houjie, Saito Yoshiki, Zhang Yong, et al. Recent changes of sediment flux to the western Pacific Ocean from major rivers in East and Southeast Asia[J]. Earth-Science Reviews, 2011, 108(1－2): 80－100.

[4] 郭巧玲，陈新华，孙斌. 窟野河水沙变化及驱动力分析[J]. 水土保持学报，2015，29(1)：17－20.

Guo Qiaoling, Chen Xinhua, Sun Bin. Analysis of water and sediment changes and related driving forces in Kuye River Basin[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(1): 17－20. (in Chinese with English abstract)

[5] 戴会超，王玲玲，蒋定国. 三峡水库蓄水前后长江上游近期水沙变化趋势[J]. 水利学报，2007(增刊1)：231－236.

Dai Huichao, Wang Lingling, Jiang Dingguo. Near term water flow and silt concentration variation trend of Yangtze River before and after impounding of Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007(Supp.1): 231－236. (in Chinese with English abstract)

[6] 周永强，李景保，张运林，等. 三峡水库运行下洞庭湖盆冲淤过程响应与水沙调控阈值[J]. 地理学报，2014，69(3)：409－421.

Zhou Yongqiang, Li Jingbao, Zhang Yunlin, et al. Silting/scouring process responses of Dongting Lake basin to the operations of TGR and thresholds of water-sediment regulation[J]. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(3): 409－421. (in Chinese with English abstract)

[7] Walling D E, Fang D. Recent trends in the suspended sediment loads of the world’s rivers[J]. Global and Planetary Change, 2003, 39(1): 111－126.

[8] 任惠茹，李国胜，崔林林，等. 近60年来黄河入海水沙通量变化的阶段性与多尺度特征[J]. 地理学报，2014，69(5)：619－631.

Ren Huiru, Li Guosheng, Cui Linlin, et al. Phases and periodic changes of water discharge and sediment load from the Yellow River to the Bohai Sea during 1950－2011[J]. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(5): 619－631. (in Chinese with English abstract)

[9] 张晓艳，刘梅先. 气候变化及人为活动对湘江流域径流和输沙的影响[J]. 水土保持研究，2018，25(1)：30－37.

Zhang Xiaoyan, Liu Meixian. Effects of climate change and human activities on water and sediment discharge in Xiangjiang Basin[J]. Rearch of Soil and Water Conservation, 2018, 25(1): 30－37. (in Chinese with English abstract)

[10] 田冰，王裕宜. 气候因素对蒋家沟泥石流输沙量的影响分析研究[J]. 水土保持研究，2015，22(5)：218－222.

Tian Bing, Wang Yuyi. Research for the influence of climatic factors on sediment runoff of debris flow in Jiangjia Ravine[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2015, 22(5): 218－222. (in Chinese with English abstract)

[11] 黄煜龄，黄悦，梁栖蓉. 长江上游干支流修建水库对三峡淤积影响初步分析[J]. 人民长江，1992，23(11)：37－41.

Huang Yuling, Huang Yue, Liang Xirong. Preliminary analysis on siltation effect of three Gorges reservoir constructed by main tributaries of upper reaches of Yangtze river[J]. Yangtze River, 1992, 23(11): 37－41. (in Chinese with English abstract)

[12] 石国钰，陈显维，叶敏. 长江上游已建水库群拦沙对三峡水库入库站沙量影响的探讨[J]. 人民长江，1992(5)：23－28.

Shi Guoyu, Chen Xianwei, Ye Min. Study on the influence of sand interception by built water reservoirs on the sediment load at the three Gorges reservoir storage station in the upper reaches of the Yangtze river[J]. Yangtze River, 1992(5): 23－28. (in Chinese with English abstract)

[13] 罗蔚，张翔，邓志民，等. 近50年鄱阳湖流域水沙变化趋势及其成因分析[C]//中国水利学会2013年学术年会，2013.

Luo Wei, Zhang Xiang, Deng Zhimin, et al. Variation trend and cause analysis of water and sediment in Poyang lake basin in recent 50 years[C]//2013 Annual Meeting of Chinese Water Conservancy Society. 2013. (in Chinese with English abstract)

[14] 许全喜，童辉. 近50年来长江水沙变化规律研究[J]. 水文，2012，32(5)：38－47，76.

Xu Quanxi, Tong Hui. Characteristics of flow and sediment change in Yangtze River in recent 50 years[J]. Journal of China Hydrology, 2012, 32(5): 38－47, 76. (in Chinese with English abstract)

[15] 胡光伟，毛德华，李正最，等. 荆江三口60a来入湖水沙变化规律及其驱动力分析[J]. 自然资源学报，2014，29(1)：129－142.

Hu Guangwei, Mao Dehua, Li Zhengzui, et al. Characteristics and driving factors of runoff and sediment changes fluxes into the Dongting Lake from three outlets in Jingjiang River during past 60 years[J]. Journal of Natural Resources, 2014, 29(1): 129－142. (in Chinese with English abstract)

[16] 王延贵，史红玲，刘茜. 水库拦沙对长江水沙态势变化的影响[J]. 水科学进展，2014，25(4)：467－476.

Wang Yangui, Shi Hongling, Liu Xi. Influence of sediment trapping in reservoirs on runoff and sediment discharge variations in Yangtze river[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(4): 467－476. (in Chinese with English abstract)

[17] Liu Cheng, Wang Zhaoyin, Sui Jueyi. Analysis on variation of seagoing water and sediment load in main rivers of China[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(12): 1444－1452.

[18] 冉大川，张栋，焦鹏，等. 西柳沟流域近期水沙变化归因分析[J]. 干旱区资源与环境，2016，30(5)：143－149.

Rang Dachuan, Zhang Dong, Jiao Peng, et al. Analysis on the attribution of water and sediment changes in Xiliugou Basin[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2016, 30(5): 143－149. (in Chinese with English abstract)

[19] 胡光伟，毛德华，张旺，等. 60年来湘江干流径流泥沙过程变化及驱动力分析[J]. 湖南师范大学自然科学学报，2014，37(2)：12－16.

Hu Guangwei, Mao Dehua, Zhang Wang, et al. Analysis on variation characteristics and driving forces of annual runoff and sediment in the Xiangjiang River over the past 60 years[J]. Journal of Natural Science of Hunan Normal University, 2014, 37(2): 12－16. (in Chinese with English abstract)

[20] 隆院男，刘晶，李志威，等. 近30年湘江中下游典型江心洲演变规律[J]. 泥沙研究，2017，42(6)：8－15.

Long Yuannan, Liu Jing, Li Zhiwei, et al. Processes of typical mid-channel bars in the middle and lower Xiang River since 1980s[J]. Journal of Sediment Research, 2017, 42(6): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[21] 李景保，王克林，秦建新，等. 洞庭湖年径流泥沙的演变特征及其动因[J]. 地理学报，2005，60(3)：503－510.

Li Jingbao, Wang Kelin, Qin Jianxin, et al. The evolution of annual runoff and sediment in the Dongting Lake and their driving forces[J]. Acta Geographica Sinica, 2005, 60(3): 503－510. (in Chinese with English abstract)

[22] 胡光伟，毛德华，李正最，等. 1951－2011年湘江径流泥沙演变过程与特征分析[J]. 水土保持通报，2014，34(1)：166－172.

Hu Guangwei, Mao Dehua, Li Zhengzui, et al. Evolution processes and characteristics of annual runoff and sediment in Xiangjiang River form 1951 to 2011[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2014, 34(1): 166－172. (in Chinese with English abstract)

[23] 许炯心. 长江上游干支流的水沙变化及其与森林破坏的关系[J]. 水利学报，2000，31(1)：72－80.

Xu Jiongxin. Runoff and sediment variations in the upper reaches of Changjiang River and its tributaries due to deforestation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2000, 31(1): 72－80. (in Chinese with English abstract)

[24] 朱会义，李秀彬. 关于区域土地利用变化指数模型方法的讨论[J]. 地理学报，2003，58(5)：643－650.

Zhu Huiyi, Li Xiubin. Discussion on the index method of regional land use change[J]. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(5): 643－650. (in Chinese with English abstract)

[25] 王随继，闫云霞，颜明，等. 皇甫川流域降水和人类活动对径流量变化的贡献率分析：累积量斜率变化率比较方法的提出及应用[J]. 地理学报，2012，67(3)：388－397.

Wang Suiji, Yan Yunxia, Yan Ming, et al. Contributions of precipitation and human activities to the runoff change of the Huangfuchuan drainage basin: Application of comparative method of the slope changing ratio of cumulative quantity[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(3): 388－397. (in Chinese with English abstract)

[26] 许全喜，石国钰，陈泽方. 长江上游近期水沙变化特点及其趋势分析[J]. 水科学进展，2004(4)：420－426.

Xu Quanxi, Shi Guoyu, Chen Zefang. Analysis of recent changing characteristics and tendency runoff and sediment transport in the upper reach of Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2004(4): 420－426. (in Chinese with English abstract)

[27] 赵阳，胡春宏，张晓明，等. 近70年黄河流域水沙情势及其成因分析[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：112－119.

Zhao Yang, Hu Chunhong, Zhang Xiaoming, et al. Analysis on runoff and sediment regimes and its causes of the Yellow River in recent 70 years [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 112－119. (in Chinese with English abstract)

[28] 王睿. 湖南省水土保持规划简介（2016－2030年）[J]. 中国水土保持，2018(2)：7－18.

Wang Rui. Brief introduction to water and soil conservation planning of Hunan province(2016－2030)[J]. Soil and Water Conservation in China, 2018(2): 7－18. (in Chinese with English abstract)

[29] 孔维健，周本智，傅懋毅，等. 不同土地利用类型水土保持特征研究[J]. 南京林业大学学报：自然科学版，2009，33(4)：57－61.

Kong Weijian, Zhou Benzhi, Fu Maoyi, et al. Effects of different land-use on characteristics of soil and water conservation[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Science, 2009, 33(4): 57－61. (in Chinese with English abstract)

[30] 高照良，付艳玲，张建军，等. 近50年黄河中游流域水沙过程及对退耕的响应[J].农业工程学报，2013，29(6)：99－105.

Gao Zhao liang, Fu Yanling, Zhang Jianjun, et al. Responses of streamflow and sediment load to vegetation restoration in catchments on the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(6): 99－105. (in Chinese with English abstract)

[31] 赵清贺，冀晓玉，徐珊珊，等. 河岸植被对坡面径流侵蚀产沙的阻控效果[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：170－178.

Zhao Qinghe, Ji Xiaoyu, Xu Shanshan, et al. Inhibiting effect of riparian vegetation on erosion and sediment yield of slope runoff[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 170－178. (in Chinese with English abstract)

[32] 肖继兵，孙占祥，刘志，等. 降雨侵蚀因子和植被类型及覆盖度对坡耕地土壤侵蚀的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(22)：159－166.

Xiao Jibing, Sun Zhanxiang, Liu Zhi, et al. Effects of rainfall erosion factor, vegetation type and coverage on soil erosion of sloping farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 159－166. (in Chinese with English abstract)

[33] Wang Y G, Hu C H, Liu X, et al. Study on changes of oncoming runoff and sediment load of the Three Gorges Project and influence of human activities[C]//Proceedings of 12thISRS. Kyoto: CRC Press Taylor & Francis Group, Japan, 2013.

[34] 许炯心. 长江上游干支流近期水沙变化及其与水库修建的关系[J]. 山地学报，2009，27(4)：385－393.

Xu Jiongxin. Recent variations in water and sediment in relation with reservoir construction in the upper Changjiang River Basin[J]. Journal of Mountain Science, 2009, 27(4): 385－393. (in Chinese with English abstract)

[35] 张婷婷，章新平，吴华武，等. 湘江流域蒸发皿蒸发量的变化趋势及原因分析[J]. 气候变化研究进展，2013，9(1)：35－42.

Zhang Tingting, Zhang Xinping, Wu Huawu, et al. Analysis of pan evaporation trend and its influence factors in Xiangjiang river basin[J]. Climate Change Research, 2013, 9(1): 35－42. (in Chinese with English abstract)

Variability characteristics of runoff-sediment discharge and their response to human activities in Xiang River basin in recent 60 years

Long Yuannan1,2, Tang Rong1, Jiang Changbo1,2, Huang Cao1,2, Wu Changshan2,3

(1.,,410114,; 2.,410114,; 3.,3210..,,WI 53211,)

River water and sediment characteristics are the main index reflecting the surface hydrological cycle process and soil erosion, and is of great significance to water resources and water ecological environment in the basin. In recent years, influenced by human activities and natural conditions, soil erosion in many watersheds is serious. With the population and economic development, demands for resources and influence on environment by human activities are increasing, and the impact of water and sediment disasters on social and economic development is increasingly prominent and their consequences are closely related to people’s quality of lives. Human activities in Xiang River Basin have a significant impact on the change of runoff and sediment discharge in Xiang River. Through applying the Mann-Kendall test, Pettitt test, and double cumulative curve, we analyzed the relationships between human activities (e.g. water-soil conservations, reservoir constructions, etc.) and annual runoff, flood season runoff as well as non-flood season runoff and sediment transport of the mainstream and tributaries of Xiang River from 1953 to 2014. Among them, the main control stations of the main stream include the Laobutou station in the upper stream, Hengyang station in the middle stream and Xiangtan station in the lower stream. The main representative control stations of the tributaries include Ouyanghai station in Chongling River, Shenshantou station in Zheng River, Ganxi station in Mi River and Daxitan station in Lu River. Results indicated that annual runoff and flood season runoff at main-stream and tributaries stations showed a strong correlation (2=0.83 in Xiangtan station) with sediment loads, while the correlations were weak in non-flood seasons after 1990. Before 1990, the runoff and sediment loads at main stream stations were basically fluctuating. After 1990, the runoff at main stream stations showed an increasing trend, while the sediment discharge showed a decreasing trend at those stations, and particularly mutated slightly at Laobutou station. Except for several stations, the mutation years and the variations of the runoff and sediment discharge at tributary stations were consistent overall. Water-soil conservations and reservoir construction were verified to be main factors leading to the decrease in sediment discharge in Xiang River basin. Compared to tributary basin, the water-soil conservations had a more significant impact on the reduction of sediment discharge in the main stream of Xiang River. Moreover a strong correlation between reservoir constructions and sediment discharge reduction was found at the main streams as well as tributaries. According to the abrupt change point of sediment transport in Xiang River Basin in 1987 and 1997, the long series of data were divided into three periods: Period A ( 1960-1987 ), Period B (1988-1996) and Period C (1997-2013). Without considering the influence of temperature change, the contribution rate of rainfall and human activities to the reduction of sediment discharge can be calculated by the cumulative slope change rates. Compared with period A, the contribution rate of human activities such as soil and water conservation and reservoir sediment interception to the reduction of sediment transport in periods B and C was 88.58% and 94.01%. That was, human activities were the main factors for the reduction of sediment transport.

runoff; erosion; hydrology; sediment discharge; soil and water conservation; sediment detention by reservoirs; mutation analysis; Xiang River basin

隆院男，唐 蓉，蒋昌波，黄 草，吴长山. 近60年湘江流域水沙特性及其对人类活动的响应[J]. 农业工程学报，2018，34(24)：132－143. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.016 http://www.tcsae.org

Long Yuannan, Tang Rong, Jiang Changbo, Huang Cao, Wu Changshan. Variability characteristics of runoff-sediment discharge and their response to human activities in Xiang River basin in recent 60 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 132－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.016 http://www.tcsae.org

2018-06-22

2018-11-17

国家自然科学基金重点项目（51239001）和湖南省自然科学基金项目（2016JJ3011）联合资助

隆院男，博士，讲师，主要从事水资源与水环境方面的研究。Email：lynzhb@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.016

TV147

A

1002-6819(2018)-24-0132-12