皇甫川流域水沙变化趋势及影响因素分析

万晓丹，周晓岚，赵丽霞，李晓婷，王少千，苏军歌

(1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003；2.黄河水利委员会水文局，郑州 450004)

0 引 言

20世纪50年代起，皇甫川流域采用传统耕作法开始流域水土保持治理，但治理速度较慢，直到1979年底，治理面积仅有约200 km2[1]。1983年皇甫川流域被列为国家八大治理区之一，随着淤地坝、梯田、退耕还林(草)等工程的建设，水土保持措施数量逐渐增多、种类繁杂多样、治理速度加快[2]，导致皇甫川流域下垫面剧烈变化，致使产水产沙量显著减少，对水文资料一致性产生了一定影响。研究导致皇甫川流域水沙量减少的驱动因素，是科学进行流域水沙调控的基础，对维持黄河健康具有重要意义。

1 流域概况

皇甫川流域[3]位于黄河中游河龙区间的上部，处在黄土高原风蚀和水蚀交错地带，多年平均输沙模数为12 068 t/km2，是黄土高原地区水土流失最严重的区域之一，为黄河输送了大量的粗泥沙。皇甫川流域地势西北高，东南低，河流自西北向东南流经皇甫水文控制站，汇入黄河，流域面积3 175 km2。

2 研究方法

2.1 径流-泥沙关系曲线

线性函数、幂函数、二次函数、对数函数等关系曲线是水文行业常用的关系模型，本文采用该方法分析皇甫川流域的水沙关系。

输沙模数[4,5](SSY)和径流深(h)的关系可以被表述为：

SSY=Ch

(1)

式中：C表示流域平均每单位径流深的输沙能力。

利用此回归方程，能够量化泥沙输移过程。

2.2 突变点分析方法

累积距平法被广泛用于判断资料序列的变化趋势，是水文界常用方法之一。通过资料序列的离散数据与资料序列的平均值进行比较，当离散数据大于序列平均值时，累积距平值增大，累积距平曲线呈现上升趋势，反之曲线呈下降趋势，根据斜率变化可以检测出明显的突变点，能够判断资料序列发生突变的时间[6]。本文采用累积距平法分析皇甫川流域年径流量、年输沙量序列突变点。

累积距平法[7,8]指对于时间序列Xi(X1，X2，…，Xn)，长度为n，累积距平值Xt可由下式给出：

(2)

3 结果分析

3.1 趋势性分析

由图1、图2皇甫站年径流量、年输沙量线性趋势检验得出，皇甫川流域在1954-2016年间年径流量和年输沙量均呈逐步减少的趋势，多年平均径流量为1.248 亿m3，减少速率为-0.036 亿m3/a；多年平均输沙量为0.383 1 亿t，减少速率为-0.012 亿t/a，输沙模数为12 068 t/km2；皇甫川流域年径流量在1954、1979年达到峰值，年输沙量在1959、1979年达到峰值，两者均从1979年开始呈明显下降趋势。

图1 皇甫站年径流量趋势图Fig.1 Annual runoff trend map of Huangfu Station

图2皇甫站年输沙量趋势图Fig.2 Annual sediment trend map of Huangfu Station

3.2 阶段性分析

皇甫站年径流量～年输沙量累积距平曲线见图3，由累积距平径流量曲线的变化趋势可以看出，在1954-1979年，累积距平径流量曲线逐渐上升，说明皇甫川流域为相对丰水期；1980-1996年累积距平径流量曲线相对平缓，为平水期；1997-2016年累积距平径流量曲线逐渐下降，为相对枯水期；累积距平输沙量曲线变化趋势与累积距平径流量曲线的变化趋势一致，各阶段的水沙统计量见表1。皇甫川流域1997-2010年间的平均径流量为0.399 亿m3，比1954-1979年平均值减少量为1.552 亿m3，比1980-1996年平均值减少量为0.771 亿m3，减少速率为0.63 亿m3/a；皇甫川流域1954-1979年间的平均输沙量值由0.361 4 亿t，到1980-1996年降低为0.379 亿t，至1997-2010年降低为0.086 亿t，减少速率为0.72 亿t/a。

图3 皇甫站年径流-输沙量的累积距平检验Fig.3 Test of cumulative anomaly of annual runoff-sediment discharge at Huangfu Station

表1 皇甫川流域输沙的年代变化Tab.1 Age variation of sediment transport in Huangfuchuan Basin

3.3 流域水沙关系

作为典型的内陆河流，皇甫川流域内径流和泥沙年内分布不均，主要集中在汛期(5-10月份)，该时期径流量和输沙量占年水沙总量的70%～90%。按照公式(1)计算皇甫川流域年径流深及输沙模数值，并绘制相关关系曲线见图4，皇甫川流域年径流深与输沙模数的关系表达式为：y=306.06x+349.91，线性决定系数为0.842 8，由此判定，皇甫川流域径流深与输沙模数存在较好的线性关系。

图4 皇甫川流域1954-2016年径流深与输沙模数关系图Fig.4 Relationship between runoff depth and sediment transport modulus in Huangfuchuan Basin from 1954 to 2016

3.4 气候和人类活动对皇甫川流域水沙变化的影响

流域范围内的环境变化是导致皇甫川流域水沙量减少的根本原因，其中环境变化具体体现在气候降雨量变化和人类活动对流域下垫面的改变。

3.4.1 降雨

根据皇甫川流域1954-2016年降水量资料计算得，多年平均降水量为424 mm。从图5可以看出，皇甫川流域年降水量呈不显著减少趋势，年降雨量围绕均值424 mm上下变动。经判定，降雨量系列的减少会导致皇甫川流域水沙量相应减少，但不是主导因素。

图5 皇甫站年降雨量趋势图Fig.5Annual rainfall trend map of Huangfu Station

3.4.2 土地利用类型

皇甫川流域内人类活动中水土保持措施的土地利用、覆被类型、修建坝库工程和流域取耗水量，是影响流域水沙时空变化的主要因素。土地利用、植被覆盖直接影响水文循环过程，随着森林和草地面积的增加，植被截流量增大，土壤持水能力和入渗率增强，致使流域产流产沙量减少；坝库工程通过直接拦蓄上游的径流泥沙改变流域径流泥沙的输移过程。

由表2皇甫川流域水土保持措施治理面积统计表知，截至2016年底，皇甫川流域水土保持治理面积达到1 856 km2，占流域总面积的58%，治理面积较1979年底增加了约6倍[9]。1989年底到2016年底，在封山育林和退耕还林草政策的扶植下，森林和草地面积占水土保持治理总面积的比例高达98%，大大提高了皇甫川流域植被截流量和土壤持水能力，使流域径流量和输沙量显著减少。

表2 皇甫川流域水土保持措施治理面积统计表Tab.2 Statistical table of area of soil and water conservation measures in Huangfuchuan Basin

3.4.3 植被覆盖度

在不同类型的土地上，植被对防止水土流失具有重要的作用。植被覆盖作为土壤团聚体的保护层，能够有效阻止其免遭降雨的影响，减弱雨滴对泥沙的侵蚀，避免土壤粒径间较大孔隙被堵塞，防止地表结皮的形成，通过减少地表径流达到减弱水土流失的目的[10,11]。植被覆盖度是影响土壤侵蚀的一个重要因素，同时也是评价水土流失的一个重要指标[12]。NDVI指数(归一化植被指数)被广泛用来表示地表植被覆盖度时空变异性的指标，NDVI指数越大，说明流域植被覆盖度越高。本文采用1981-2016年归一化植被指数NDVI的线性变化趋势，分析皇甫川流域下垫面的植被变化情况，见图6。

图6 皇甫川流域1981-2016年NDVI线性变化趋势Fig.6 Linear Change Trend of NDVI in Huangfuchuan Basin from 1981 to 2016

以1999年为时间分隔点，由图6可以看出，在实施大规模退耕还林草治理措施以后，皇甫川流域地表植被覆盖情况有显著改观。1981-1999年皇甫川流域NDVI值有所增长，但增长速率较慢，年增长速率为0.002 /a，2000-2016年间增长速率为0.005 /a，是前一阶段的2.5倍。植被覆盖度的增加，致使皇甫川流域径流量和输沙量显著减少。

3.4.4 水土保持工程措施

淤地坝是以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物，一般都修建在沟道或河道较窄处，具有防治水土流失、滞洪、拦泥等作用。皇甫川流域水土保持工程措施主要有梯田和淤地坝两种，它们对径流的影响主要是通过骨干坝削减洪峰和坝库蓄水，直接影响流域径流量和输沙量的变化趋势。经统计，截止2015年底皇甫川流域内共建设淤积坝886座，其中骨干坝507座，总库容4.93 亿m3，已淤库容3.52 亿m3，剩余库容比为32.41%。从建坝时间上看，皇甫川流域淤地坝建设数量逐步增加，其中1970年后修建的淤地坝数量约占90%，控制了整个流域的70%。经分析，不同年代淤地坝剩余库容比例在15.0%～91.8%之间，剩余库容比例也稳步增加，2000年后剩余库容比例达到了各年代最高值，说明退耕还林草政策实施以后，流域坡面侵蚀产沙减少，淤地坝可淤积泥沙也相应逐渐减少，逐渐趋于稳定值。

3.4.5 引 水

改革开放以来，随着经济的高速发展和农业灌溉取水量的增加，使得地表水和地下水开采量增大。根据1998-2016年“黄河水资源公报”中黄河中游水资源情况，计算得皇甫川流域多年平均取水量和耗水量均呈上升趋势，年增长率达到1.82 亿m3/a，各耗水量中，农业灌溉的耗水量最大，工业、林牧渔畜、城镇、居民生活及生态环境耗水次之。由此说明，皇甫川流域各种形式的耗水是流域径流量减少的又一因素，引水量的增加导致河道输沙能力降低，从而使河道水流搬运至下游的泥沙量减少。

综合上述分析皇甫川流域降雨和人类活动对减水、减沙影响分析，导致皇甫川流域年径流量和输沙量显著减少的原因是由于人类活动采取的水土保持措施的实施致使皇甫川流域下垫面变化导致的。

4 结 语

(1)皇甫川流域1954-2016年径流量和年输沙量序列呈显著减少趋势，水沙序列的突变年份为1979年和1996年，水土保持治理工程的建设和降雨变化是导致皇甫川流域水沙量减少的重要因素。

(2)皇甫川流域年径流深与输沙模数的关系式为：y=306.06x+349.91，线性决定系数为0.842 8，皇甫川流域径流深与输沙模数存在较好的线性关系。

(3)皇甫川流域年降水量资料序列呈不显著下降趋势，对皇甫川流域水沙量减少影响较小；皇甫川流域地表植被类型、覆盖度在水土保持治理措施工程实施前后发生了显著变化，流域NDVI指数逐年增高，在2000-2016年间NDVI的增长速率为0.005 /a，是1981-1999年变化速率的2.5倍。随着淤积坝等水土保持工程措施的修建，致使皇甫川流域泥沙量显著减小，引水量的增加又大大削减了流域径流量。因此，人类活动采取的水土保持治理措施是导致皇甫川流域水沙量减少的主导因素。

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