黄河中游河龙区间水沙变化特征及其对降水和人类活动的响应

刘 强，李苗苗，罗霞飞，王彦芳，李玉合，梁 鑫，尉飞鸿

（1.天水师范学院 资源与环境工程学院，甘肃 天水 741001；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）

黄河作为孕育中华文明的摇篮，在自然、人文、政治、经济、社会等发展层面具有不可替代的特殊地位。[1]“黄河之患，患在多沙”，每年被黄河水携带进入海洋的泥沙大约有16亿t，[2]而中下游地区由于地势相对平缓，不少泥沙淤积在中下游河床、水坝和水库之中，[3]使得这些地区形成了“地上悬河”，潜在的洪水隐患威胁着流域附近百姓的生计。[4]20世纪50年代以来，国家一直将黄河中游地区作为黄河流域水土流失的重点治理区，采取生物和工程措施等多种形式的水土保持措施，[5]这些措施使得黄河流域水沙关系产生了重大变化。[6]

目前学术界对于黄河中游水沙减少原因争论较大：一部分观点认为，黄河年径流量和年输沙量与降水量有很大的关系，[7]降水时空变化成为影响黄河水文要素的重要因子，降水量、强度和频度变化都与气候变化有很大关系，[8]气候变化引起的降水减少会直接影响到黄河流域可持续发展；另一部分观点认为，土地利用变化、河流管理、兴修梯田、筑坝、退耕还林还草等人类活动对流域的水文过程产生重要影响，人类活动已成为改变流域水沙变化最主要的因素。[9]尽管学术界的认识不尽相同，但是黄河中游水沙变化已成为不争的事实，[10]开展黄河流域水沙变化规律及其机制研究，已成为黄河流域水资源管理的迫切需要。研究基于1958～2019年黄河中游头道拐和龙门两个水文站的降水量、径流量、输沙量等监测数据，采用趋势线、累积距平、双累积曲线等研究方法，对河龙区间水沙变化特征进行研究，以期为黄河全流域水沙调控和生态环境治理提供科学依据。

一、研究区概况

黄河中游流域的河口镇至龙门区间（简称河龙区间，图1），位于黄河中游地区上段，范围为黄河头道拐水文站和潼关水文站控制区间，包括了内蒙古自治区、山西省和陕西省的50多个县区，总面积约1.13×106km2，地处北洛河以东，吕梁山脉以西，西北接内蒙古鄂尔多斯高原，西南与陕西白于山、黄龙山、蜡山为邻，属于黄土高原干旱、半干旱地区。[11]区间土壤大多是在黄土母质基础上发育而成，土层深厚，结构疏松，主要有黄绵土、胶泥土、黑坊土、灰褐土、褐土、褐色森林土等多种土壤，地貌类型上主要为黄土丘陵沟壑单元，长期受侵蚀作用，支离破碎、沟网密布，水土流失严重。从南向北大致跨越3个气候带，依次为半湿润、半干旱和干旱气候带。多风沙天气，夏季降水集中，且多暴雨；秋季降水短暂，天气比较温和；冬季气候寒冷而漫长，降水少，多为干燥天气。流域内年均气温保持在6～14℃，温差相对大；年降水量为300～800mm，降水分布不均衡，常常表现为东南部偏高，西北部偏低，且年内汛期发生在6～9月份，年蒸发量为1500～2000mm，为降水量的3～4倍；区间植被条件较差，植被覆盖度（NDVI）较低，高大的乔木、灌木稀少，多为干旱草本植物和人工种植形成的次生植被。[12]

图1 研究区域

头道拐水文站位于内蒙古托克托县双河镇，是黄河上中游的分界点，是黄河上游水沙变化的控制站、把口站，其径流主要来自兰州站以上，泥沙主要来自兰州至头道拐区间支流，头道拐水文站水沙变化直接影响中游出口站万家寨水库的水沙调度。

龙门水文站位于陕西省韩城市龙门镇，是黄河中游干流的控制站，区域内沟壑纵横，主要由黄土覆盖，土质疏松，地形破碎、暴雨集中且强度大，水土流失较为严重，其水沙主要来自河口镇至龙门区间的支流。

二、材料与方法

（一）数据来源与处理

考虑到资料的连续性及完整性，保证水沙数据无间断、无缺失，观测数据与黄河泥沙公报数据的一致性，研究选用两个水文站点1958～2019年的水沙数据，其中1958～2009年月径流、月输沙、年径流和年输沙数据来自黄河泥沙公报，2010～2019年年径流、年输沙数据来自黄河流域水文年鉴。河龙区间径流和输沙数据由头道拐和龙门两个水文站点实测水沙数据差值计算得到。降水数据是在国家自然科学基金项目“黄土区地表产流机制变化对植被恢复的响应”支持下从国家气象信息中心（http://data.cma.cn）获得，河龙区间平均降水量采用反距离权重法（IDW）插值计算得到。

（二）研究方法

1.累积距平法

累积距平法可以检测出流域区间年径流量与年输沙量的突变点及发生突变的时间。[11-12]其计算公式如下：

式中，xi是年输沙量与年径流量的离散值，xˉ是在一定的时间序列中xi的平均值，xt是第t年的年径流量或年输沙量的累积值。

2.双累积曲线法

双累积曲线是目前用于水文气象要素一致性检验或者长期演变趋势观察最简单直观的方法。在直角坐标系中绘制同一时期两个变量累积值的关系曲线，当关系曲线的斜率发生变化，则变量累积关系也相应发生突变。[13]在降水—径流双累积曲线中，人类对累积降水量的影响甚微，对累积径流量的影响相对较大，因此，将累积降水量作为一个参考变量，根据双累积曲线斜率变化规律判断降水量及人类活动对径流量的影响程度。[14]其计算公式如下：

式中，∑Q/s是累积径流量或累积输沙量，∑P是累积降水量，k、b为计算出的参数。

三、结果与分析

（一）河龙区间降水量线性趋势特征

从图2可以看出，河龙区间降水量呈不明显波动趋势，六十年来降水量基本保持平稳，无突发异变点，变化速率为0.248mm/a，R2=0.0028（P＞0.1），相关性极其微弱。通过Mann—Kendall趋势检验，Z值为6.167，没有通过显著性检验，表明1958—2019年河龙区间年降水量变化趋势并不显著。

图2 河龙区间降水量变化趋势

（二）河龙区间径流量和输沙量线性趋势特征

从图3中a可以看出，河龙区间径流量呈逐年下降趋势，径流量最大值出现在1959年，最小值出现在2011年，变化速率为－1.0085亿m3/a（P＜0.05），通过Mann—Kendall趋势检验，Z值为2.271，通过显著性检验，表明1958～2019年河龙区间径流量呈显著下降趋势。

图3 河龙区间径流量和输沙量变化趋势（a、b）

从图3中b可以看出，河龙区间输沙量呈逐年下降趋势，输沙量最大值出现在1967年，最小值出现在2014年，变化速率为－0.1812亿t/a（P＜0.05），通过Mann—Kendall趋势检验，Z值为2.539，通过显著性检验，表明1958～2019年河龙区间输沙量呈显著下降趋势。

（三）河龙区间水沙阶段变化特征分析

采用累积距平法对河龙区间径流量与输沙量进行变化特征分析。从图4可以看出，累积径流量与累积输沙量曲线变化趋势基本保持一致，可以大致分为三个阶段：1958～1979年累积径流量与累积输沙量均呈上升趋势，表明此时段内河龙区间为相对丰水（沙）期；1980～1999年累积径流量与累积输沙量均呈相对平缓趋势，表明此时段内河龙区间为相对平水（沙）期；2000～2019年累积径流量与累积输沙量均呈下降趋势，说明此时段内河龙区间为相对枯水（沙）期。综合分析累积距平曲线变化趋势，得出河龙区间径流量和输沙量年际变化的转折年份为1979年和1999年。

图4 河龙区间径流量—输沙量累积距平检验

（四）气候和人类活动对河龙区间水沙变化的影响

径流量增加或减少主要受气候因素中的降水量和气温影响，降水对径流量产生直接影响，而气温高低导致蒸发量的变化间接影响径流量。由于研究区气温长期处于稳定状态，由气温引起的河流水分蒸发可忽略不计，需主要讨论降水变化与人类活动对河龙区间水沙变化的影响。[15]

从图4可以看出，1999年之后径流量与输沙量下降趋势明显，因此需讨论导致1999年之后径流量与输沙量减少的主要影响因素。自2000年后，河龙区间流域大规模地开展修建大型淤地坝、退耕还林还草等水保工程，使得区间流域的植被覆盖率明显提高，[16]水土流失严重的情况逐渐得到改善。在大规模“退耕还林还草”工程建设下，区间大面积的耕地转变为林地和草地，改变了地表状况，使得植被覆盖恢复显著，植被通过涵养水源、调节气候等方式直接对区间水循环产生影响，降水大部分被转化为地下径流，而地表径流相应减少，植被蒸腾作用增强，蒸发量增大，降水较多转化为大气中的水汽又返还给地面，满足了植被生长的需要。[16]此外，研究区内淤地坝数量增多，水库面积和蓄水量扩大，拦蓄泥沙，形成大面积淤地，增加耕地面积，减少了水土流失的区域。[17-18]

从图5可以看出，河龙区间自水土保持工程实施后减水减沙效益显著，河龙区间降水—径流与降水—输沙双累积曲线斜率也发生变化。将1958～1979年作为基准期，1980～1999年和2000～2019年两个阶段作为措施期，建立不同措施期径流量—降水量与输沙量—降水量关系的回归方程：

图5 河龙区间降水—径流与降水—输沙双累积曲线

根据建立的基准期回归方程，分别预测各时段径流量和输沙量，减水（沙）量为基准期水沙量实测值与其他时段实测值差值，降水因素导致的减少量是每个对应时段实测值与预测值的差值，人类活动因素导致的减水（沙）量为总减水（沙）量减去降水因素导致的减水（沙）量，并最终得到不同阶段降水量与人类活动对河龙区间水沙变化的贡献率。

从表1可以看出，1980～1999年径流量与基准期（1958～1979年）径流量相比，减少了637.23亿m3，其中降水因素所导致减少的径流量为112.82亿m3，占总减少径流量的18%，而人类活动所导致减少的径流量为524.41亿m3，占总减少径流量的82%。2000～2019年径流量与基准期（1958～1979年）径流量相比，减少了994.93亿m3，其中降水因素所导致减少的径流量为113.26亿m3，占总减少径流量的11%，而人类活动因素所导致减少的径流量为881.66亿m3，占总减少径流量的89%。从表2可以看出，1980～1999年输沙量与基准期（1958～1979年）输沙量相比，减少了120.51亿t，其中降水因素所导致减少的输沙量为15.60亿t，占总输沙减少量的13%，而人类活动因素所导致减少的输沙量是104.91亿t，占总输沙减少量的87%。2000～2019年输沙量与基准期（1958～1979年）输沙量相比，减少了178.09亿t，其中降水因素所导致减少的输沙量为15.69亿t，占总输沙减少量的9%，而人类活动因素所导致减少的输沙量为162.40亿t，占总减少输沙量的91%。

表1 降水和人类活动对河龙区间径流量的影响

从表1、表2可知，降水减少的径流量与输沙量，要远远小于人类活动所导致的径流量与降水量的减少量，在三个不同时段，人类活动对径流量与输沙量变化的影响程度逐步增高，而降水对径流量与输沙量变化的影响程度却在逐步降低，表明降水变化是导致河龙区间水沙变化的次要原因，而人类活动才是导致河龙区间流域水沙变化的主要原因。

表2 降水和人类活动对河龙区间输沙量的影响

（五）河龙区间减水减沙效应分析

通过降水—径流与降水—输沙双累积方程，可以计算出1980～1999年及2000～2019年两时期累积径流量预测值与累积输沙量预测值，第n年径流量与输沙量等于第n+1年累积径流量和累积输沙量减去第n年累积径流量和累积输沙量，将计算得到的预测值与实际测量数据进行对比，分别确定后两个时期径流量和输沙量的年平均减少量之后，即可利用公式计算减水减沙效应，[19]其计算公式如下：

式中：BR为减水效应（%），BS为减沙效应（%），Rc为计算得出的不同时段径流量，Ra为实际测量的不同时段径流量；Sc为计算得出的不同时段输沙量，Sa为实际测量的不同时段输沙量。

从表3可以看出，1980～1999年和2000～2019年径流减少量与输沙减少量持续增加，减水效应由38%增至66%，减沙效应由55%增至86%，2000～2019年比1980～1999年减水减沙效应更为显著，表明自2000年以来，大规模水土保持工程对研究区内严重的水土流失起到了十分显著的治理效果，使河流含沙量大幅度降低。[20]

表3 河龙区间减水减沙效应

四、讨论与结论

（一）讨论

水沙变化特征及由此所引发的问题，一直是水土保持与治理的焦点，研究发现影响流域径流泥沙的因素众多。[21]从本研究结果可以得知，自2000年研究区大规模地开展水土保持治理工作以来，流域内的径流量与泥沙含量逐年降低，严重的水土流失现象得到缓解，[22]尤其是河龙区间的粗沙多沙区，每年输入黄河的泥沙量较大，因此采取水土保持措施改善流域环境，提高了植被覆盖率，涵养了水源，减少了水土流失。[23]

从降水与人类活动对河龙区间水沙变化的贡献率可知，降水量在1958～2019年期间并无发生大的变化，一直呈略微增长的平稳趋势；而人类活动对河龙区间水沙变化作用影响显著，其减水减沙效益在不同时段远远大于降水对水沙变化的贡献率。

（二）结论

第一，河龙区间降水量呈不明显波动趋势，变化速率为0.248mm/a；径流量呈逐年下降趋势，径流量最大值出现在1959年，最小值出现在2011年，变化速率为-1.0085亿m3/a；输沙量呈逐年下降趋势，输沙量最大值出现在1967年，最小值出现在2014年，变化速率为-0.1812亿t/a（P＜0.05）。

第二，河龙区间流域径流量和输沙量年际变化的转折年份为1979年和1999年。

第三，同基准期（1958～1979年）相比，1980～1999年和2000～2019年河龙区间降水对径流变化的贡献率分别为18%和11%，而人类活动对径流变化的贡献率为82%和89%。

第四，同基准期（1958～1979年）相比，1980～1999年和2000～2019年河龙区间降水对输沙变化的贡献率分别为13%和9%，而人类活动对输沙变化的贡献率为87%和91%。

第五，降水变化是导致河龙区间水沙变化的次要原因，而人类活动才是导致水沙变化的主要原因。