宁夏清水河流域水沙变化特点分析

马进国，郑艳爽，张晓华，丰 青，彭 红

(1.宁夏固原市水土保持工作站，宁夏 固原 756000；2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003)

宁夏回族自治区气候干旱，水资源不足，黄河及其在宁夏区的支流是当地水资源的主要来源。宁夏区的入黄支流清水河是多泥沙河流，造成该段黄河来沙较多，冲淤变化剧烈。随着黄河流域水文气象变化和水利水保建设的发展，黄河水沙情势在不断变化；作为黄河上游泥沙重要来源的宁夏区内的黄河支流清水河来水来沙也发生了显著改变，其变化特征和趋势关系到本区以及黄河上游水资源利用布局和河段开发方式。近期对宁夏段黄河干流水沙研究相对较多，宁夏段有水沙异源、水沙量大幅减少、水沙量年际变化较大等特点[1-3]，但是对宁夏段黄河支流的水沙变化特点及原因的研究相对较少。搞清清水河水沙变化特征及其原因具有十分重要意义，可为黄河上游宁夏河段的治理建设提供技术参考。

1 资料与研究方法

清水河是宁夏境内直接入汇黄河最大的一级支流，流域面积为14 481 km2（其中宁夏境内面积为13 511 km2，甘肃境内面积为970 km2，见图1），流域平均降水量349 mm，整个流域水文具有水少沙多、水土流失严重和水质差的特点，具有半干旱、干旱区河流特征[4]。

清水河流域上建有固原、韩府湾、泉眼山3 个水文站，其中固原水文站位于上游，控制面积为210 km2，韩府湾水文站设在中游，控制面积为4 935 km2，泉眼山水文站设在清水河流域下游，是入黄控制站，控制面积为14 481 km2。因各站建站时间不同，收集到的资料系列长度不等，本次研究各站资料采用系列长度分别为：固原站，1966—2015 年；韩府湾站，1959—2015 年；泉眼山水文站，1957—2015 年。

Mann-Kendall 检验法是一种非参数统计检验方法，可分析时间序列资料的变化趋势和突变点[5-6]。与参数统计检验方法相比，此方法不需要样本遵从一定的分布，也基本不受少数异常值的干扰影响，而且计算简单，近年来此法被众多学者应用于水文气象等非正态分布序列趋势分析中[7]。Mann-Kendall突变检验的统计量构造秩序列：

式 中： rij为 第i 个 样 本 xi大于 xj的 累 积 数，当xi−xj>0 时， rij=1；当时 rij=0。

Sk的数学期望和方差为：

图1 清水河流域Fig.1 Qingshuihe River basin

式中：n 为序列容量。统计量UFk服从标准正态分布，若UFk为正，表明系列具有上升或增加的趋势，若UFk为负，则表明系列具有下降或减小的趋势。通常取显著水平α=0.05，相应的检验临界值UFα=1.96。如果|UFk|>|UFα|，表明序列的增长或减少趋势是显著的，超过临界值的范围确定为出现显著突变的时间区域。把以上方法应用到反序列中，重复上述计算过程，并使计算值乘以“−1”，得出UBk。若UFk和UFα两条曲线存在交点，且交点位于临界线之间，则交点对应的时刻为突变开始的时刻，即为突变点[8-9]。时间序列中的突变是序列从一种稳定状态到另一种稳定状态的飞跃，也是从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化[10]。

2 清水河流域水沙变化特点

清水河流域具有水量少、含沙量高、水沙年际变化悬殊等特点，来水来沙主要集中在汛期，近期清水河流域水沙都呈减少趋势，将各站水沙按不同时段、年际年内时间尺度作具体分析。

2.1 各站不同时段水沙量变化特点

按照不同年代尺度将各站划分成1969 年以前、1970—1979 年、1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2010 年、2010—2015 年6 个时段，点绘清水河流域各水文站不同时段水沙量变化过程（图2），水沙量时段上整体呈减小趋势，2000 年以后减少更为突出，但各站不同时段变化特点又有所不同。

固原水文站的多年平均（1966—2015 年）水沙量分别为0.081 亿m3和0.003 3 亿t，与长时段相比，年均水量在1966—1969 年、1970—1979 年两时段分别偏多226.1%和8.6%；而其他时段偏少5.8%～58.8%，2010—2015 年偏少最多，达到58.8%。各站年均沙量在1966—1969 年、1970—1979 年、1990—1999 年这3 个时段内有所偏多，偏多范围为23.2%～131.8%；而其他3 个时段偏少范围为8.5%～94.1%，尤其2010—2015 年偏少最多，达到94.1%。

韩府湾水文站多年平均（1959—2015 年）水沙量分别为0.627 亿m3和0.126 1 亿t，与长时段相比，该站年均水量仅在1959—1969 年这一时段内水量偏多，达到了117.8%；其他5 个时段偏少范围为3.0%～65.7%，尤其是2010—2015 时段内偏少最多，为65.7%。沙量在1959—1969 年和1990—1999 年两个时段分别偏多20.9%和79.3%；其余时段偏少范围为7.7%～80.0%，其中2010—2015 年偏少最多，为80.0%。

图2 不同时段年均水沙量Fig.2 Average annual runoff and sediment load in different periods

泉眼山站多年平均（1957—2015 年）水沙量分别为1.118 亿m3和0.248 亿t，与多年均值相比，泉眼山站在1957—1969 年、1990—1999 年和2010—2015 年均水量均偏多，偏多范围在6.2%～26.8%，其中2010—2015 年偏多6.2%。而在1970—1979 年、1980—1989 年和2000—2009 年3 个时段内水量偏少，偏少范围为0.4%～33.5%。与长时段相比，年均沙量在1957—1969 年、1990—1999 年和2000—2009 年偏多，偏多范围在0.5%～79.2%，其中1990—1999 年这一时段内的沙量较丰，增幅最大为79.3%；而在1970—1979 年、1980—1989 年和2010—2015 年这3 个时段内偏少，偏少范围为22.8%～64.3%，尤其是2010—2015 年减少最多，达到64.3%。

2.2 各站年际间水沙变化特点

清水河泉眼山站年际间水沙量变化起伏较大，丰枯悬殊。泉眼山站的最小年水量发生在1960 年，为0.175 亿m3，最大年水量发生在1964 年，水量达到3.916 亿m3（为最小值的22.4 倍）；年沙量的差别更大，最大年来沙量为1.221 亿t（1958 年），最小年来沙量仅为0.000 8 亿t（1960 年），相差1 000 多倍。固原站、韩府湾站年际水沙与泉眼山站具有相同的特点，经统计可知固原站最大年水量发生在1966 年，达到0.404 亿m3，最小年水量发生在2009 年，为0.001 亿m3，相差403 倍；固原站最大年来沙量为0.024 亿t（1973 年），最小年来沙量为2007 年的0.000 002 亿t，相差10 000 多倍。韩府湾站最大年来水量为3.105 亿m3（1966 年），最小年来水量为0.085 亿t（2011 年），相差35.5 倍；最大年来沙量为0.684 亿t（1995 年），最小年来沙量为0.001 亿t（2011 年），相差683 倍。

2.3 水沙年内分配特点

通过点绘清水河流域典型站逐年汛期、年水沙量变化过程（图3）可见，清水河流域水沙量主要集中在汛期。长时期各站汛期水沙量占年水沙量的比例分别为58.5%～65.6%和85.6%～89.4%，沙量在汛期的集中程度远高于水量，而非汛期水沙量相对较少。

图3 清水河泉眼山站逐年汛期和年水沙量变化Fig.3 Runoff and sediment variations at Quanyanshan hydrometric station of Qingshuihe in flood seasons and the whole year

具体分析各站不同时期年内水沙量分配情况。固原站汛期水量占年水量比例在2000 年以前约53.8%～66.3%，2000 年之后下降到52.2%；固原站汛期沙量占年沙量比例在1989 年前3 个时段比例为75.7%～88.7%，1990—1999 年汛期沙量与年沙量的比例增加到92.4%，2000 年之后减少到60%左右。韩府湾水文站在1989 年前的3 个时段内汛期水量占年水量的比例在52.7%～63.1%，而到1990—1999 年和2000—2009 年两个时段时，其比例增加到78.8%和71.1%，到2010—2015 年有所下降，为55.0%；韩府湾水文站的各时段汛期沙量与年沙量的比例为77.5%～93.2%。泉眼山水文站汛期水量占年水量比例在2000 年以前为66.1%～72.4%，在2000—2009年下降到54.4%，到2010—2015 年进一步下降到45.3。泉眼山水文站汛期沙量占年沙量比例为79.4%～93.1%。

3 清水河流域水沙突变诊断

3.1 清水河水沙突变点

确定清水河流域水沙变化的突变点是分析流域水沙变化规律的基础，也是流域治理的技术参考依据[10]。采用Mann-Kendall 法对清水河流域固原、韩府湾、泉眼山各站年径流量、年输沙量进行分析，得出各站水沙变化的突变年份，各站MK 突变检验曲线见图4。

清水河流域各站年径流量、输沙量突变明显，但突变时间存在差异，并且水沙并不完全同步；固原站年径流量、年输沙量UFk和UBk两条曲线分别在1995 和2002 年存在交点（图4），因此固原站年径流量、年输沙量的突变年份分别为1995 和2002 年；同样韩府湾站年径流量、年输沙沙量的突变年份为1997 和2010 年。泉眼山站水文站年径流量Mann-Kendall 突变检验图上UFk和UBk两条曲线上存在3 个交点，即1992 年、2003 年和2012 年，由于2012 年之后的资料系列相对较短，所以认为1992 和2003 年是清水河年径流量的突变年份，同样年输沙量在2008 年发生突变。

图4 清水河流域各站年径流量、年输沙量Mann-Kendall 突变检验Fig.4 Mann Kendall mutation test of annual runoff and sediment load at hydrometric stations in Qingshui River

3.2 突变前后水沙的变化特征

统计清水河各站年径流量、年输沙量突变前后水沙量（表1），与突变之前的时段相比，固原和韩府湾两站年径流量、年输沙量都呈明显减小的趋势，并且沙量减幅明显大于水量减幅。

表1 各水文站突变年份前后不同时段水沙量值Tab.1 Runoff and sediment before and after the change-year of hydrologic stations

从突变点前后水沙量年内分配来看，各站水沙量主要集中在汛期，各站水量占年水量的比例为47.5%～69.7%，各站汛期沙量占年沙量比例为63.3%～89.4%，沙量在汛期的集中程度高于水量。

4 水沙变化原因分析

影响流域产流及产沙的因素可分为自然因素和人为因素。在流域上修建水库、引水、水土保持治理措施等对水沙量都有一定的影响，都会引起水沙关系的突变。针对清水河流域径流量和输沙量变化原因进行以下4 方面初步分析。

4.1 降雨

清水河流域降雨的变化直接影响着径流量的变化。清水河流域1958—2015 年年均降雨量为362 mm，其中 1958—1969 年、1970—1979 年的年均降雨量分别为367 和364 mm，与多年平均值相近； 1980—1989 年、2000—2009 年的年均降雨量分别为347 和338 mm，小于多年平均降雨量；1990—1999 年、2010—2015 年的各年降雨量大于多年平均值，分别为379 和386 mm，降雨直接影响产流和输沙。

与泉眼山站的径流量和输沙量过程对比可见，降雨直接影响着产流和输沙，基本上随着降雨的增大，各时期水沙量也相对较大，如1990—1999 年；但又不是完全对应，尤其是沙量，如2010—2015 年，在降雨量偏大的情况下，沙量却是各时期中最小，这说明其他因素影响加大，超过了降雨的影响。

4.2 坡面水土保持措施

清水河流域长时期坚持进行水土保持治理，尤其1999 年实施退耕还林还草工程以来，坡面措施的Ⅰ、Ⅱ级比例达到80%以上，坡面措施实施后，经过一段时间才会发挥较大作用，这与沙量突变点在2010 年前后在时间上相吻合，因此水土保持治理的加速实施是近期沙量减少的主要原因。

4.3 水库运用

清水河流域水库大部分修建于1979 年以前，且以拦泥库为主，因此水库的拦沙作用较大。清水河没有建设大型水库，中型水库更集中于1960 年前修建，如长山头水库1960 年8 月建成运用，到1964 年滚水坝顶以下5 700 万m3库容就全部淤满了。因此清水河水库的拦沙作用主要集中于1979 年以前，而该时期其他水利和水保措施力度都不大，沙量的减少主要是水库的作用。

4.4 淤地坝建设

淤地坝是水土流失治理的重要措施，起到较大的减沙减蚀作用。2000 年以后，清水河流域大规模建设的淤地坝占到总坝数的88%，因此清水河流域淤地坝对流域减沙作用主要发生在2000 年之后。但是考虑到2000 年后水保措施治理加速、流域产沙强度降低，淤地坝的拦沙量可能受此影响不会很大。

5 结 语

（1）与长时期相比，清水河流域上各站近期水沙量变化稍有不同，固原和韩府湾水文站水沙在2010—2015 年呈减少趋势，水量减幅为58.8%和65.7%，沙量减幅达到94.1%和80%。而泉眼山站水量在2010—2015 年有所增加，增幅为6.2%，沙量有所减少，减幅为64.3%。

（2）清水河流域各站长时期水沙量主要集中在汛期，汛期水量占年水量的比例为58.5%～65.6%，汛期沙量占年沙量的比例为85.6%～89.4%。但是随着时间变化，汛期水量占年水量的比例逐渐有所降低，到2010—2015 年汛期水量占年水量比例仅有45.3%～55%；汛期沙量占年沙量比例除了固原站外，仍维持在80%以上。

（3）采用Mann-Kendall 研究方法分析得出，清水河流域各站年水沙量均有突变，固原站年径流量和年输沙量的突变年份分别为1995 和2002 年；相应地，韩府湾站为1997 和2010 年，泉眼山站水量突变年份为1992 和2003 年，沙量突变年份为2008 年。

（4）初步分析了降雨、坡面水土保持措施、水库运用、淤地坝建设等因素对清水河流域来水来沙的影响，各因素对近期沙量的减少都有一定的作用，但各影响因素具体贡献率有待于进一步开展研究。