渭河水文情势变化评估及归因分析

李欢玮, 赵广举,2, 穆兴民,2, 田 鹏, 张舒羽

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学 资源与环境学院, 陕西 杨凌 712100)

黄河是中华民族的母亲河，黄河流域在我国社会经济发展及生态建设等方面发挥着重要的作用。黄河流域属干旱半干旱区域，长期面临水资源短缺、生态环境脆弱、区域发展不平衡等诸多问题，其生态保护和高质量发展已上升为重大国家战略[1]。自20世纪50年代以来，黄土高原大规模水土保持措施的实施致使黄河水文情势发生显著变化[2-5]。渭河是黄河流域的最大支流，流域水文情势受到人类活动和气候变化的影响，尤其近年来日益增强的人类活动导致河流水文情势发生不同程度改变，河流生态系统遭受严重威胁，因此，探讨渭河流域水文情势及其潜在驱动因素对区域水资源优化配置与调整水土流失治理格局具有重要意义，同时对促进黄河流域水资源管理和河流生态保护至关重要。

近年来，国内外学者在水文情势变化评估方面进行了大量研究[6-8]。Richter等[6]提出水文变化指标法(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)来衡量生态的破坏程度，并为评估和管理河流生态环境而针对IHA指标体系提出了变化范围法(Rang of Variability Approach，RVA)。目前IHA-RVA法被广泛的应用于国内外河流水文情势变化评估，探讨人类活动对河流生态环境的影响。程俊翔等[7]总结了水文改变指标体系在水文情势改变评估、生态环境影响评估、生态环境流量估算等方面的应用。Tian等[8]采用IHA-RVA法对无定河水文情势变化及成因进行综合分析，发现水库/大坝建设和土地利用变化对该流域水文情势影响较大。张洪波等[9]基于IHA指标，运用层次聚类法构建了分区指标体系，明确了渭河流域不同区域河流生态水文联系的变化情况。本文在分析渭河流域径流变化特征的基础上，采用IHA-RVA法对该流域的水文情势进行评估，计算分析降雨与人类活动因素对流域内径流变化的贡献率，通过分析人类活动造成下垫面变化对水文情势的影响，以期为今后水土保持工作的开展和流域内生态环境保护和治理提供参考。

1 研究区概况

渭河是黄河最大一级支流，起源于甘肃省定西市渭源县鸟鼠山，经陕西渭南市潼关县汇入黄河，干流全长818 km，河道较宽，多沙洲，水流分散。渭河支流较多，北洛河是渭河的第二大支流，起源于陕西省定边县魏梁山，于大茘县东南注入渭河，河流全长680.3 km，流域面积约为2.69万km2。渭河流域总面积约为13.5万km2，涉及陕西、甘肃、宁夏3个省(区)，分别占流域总面积的49.8%，44.1%和6.1%；海拔为320～3 916 m，总体上呈西高东低的态势。流域多年平均降水量550 mm，降水自西北向东南递减、分配不均，主要集中在汛期6—9月[10]，夏季多雨，冬季寒冷干燥，降水稀少(图1)。

图1 研究区概况

2 材料和方法

2.1 研究数据

本研究收集并整理了渭河干流咸阳、华县站(出口控制站)和北洛河出口控制站状头站3个水文站点1965—2018年实测日径流数据序列资料，以及研究区内19个气象站的月降雨量数据。其中，各站54年间日径流数据序列资料来源于水利部出版的《黄河流域水文资料》；降雨量数据源于中国气象数据科学数据共享服务网 (http:∥cdc.cma.gov.cn/)，并应用反距离加权方法插值得到了年均降水量。

2.2 研究方法

本文主要采用线性回归、Mann-Kendall趋势检验和累积距平法分析渭河3个水文站年径流量的变化趋势和突变特征。采用径流量与降雨量双累积曲线的斜率变化确定水文变量阶段特征，并根据回归方程量化水文情势变化受降雨与人类活动的影响程度。由于上述方法均较常见，本文不再赘述，具体计算步骤参见相关文献[11-14]。

2.2.1 水文改变指标法 水文改变指标(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)是由Richter提出[6]，通过计算长时间序列日流量变化特征，反映河川径流水文情势变化，该方法包括33个水文指标，分别表征河流水文情势的流量、流量脉冲、发生时间、历时和改变率等5类特征，具体参数见表1。

表1 IHA流量指标

2.2.2 水文情势变化程度 Richter等[6]在水文改变指标法(IHA)基础上提出了变化范围法(RVA)，评估水文指标变化程度，并以各指标的平均值加减标准差或频率75%和25%作为各个指标的上下限，即为RVA的目标。

2.2.3 水文改变度

(1) 单个指标水文改变度Di。为了量化IHA方法33个指标中单一指标受影响后的变异程度，采用水文改变度Di进行计算：

(1)

式中:Di为第i个指标的水文改变程度;N0i为变异后的径流序列IHA值在25%～75%分类范围内的年数;Ne为相应的期望年数(Ne=Ri×NT,Ri为50%,NT为变异后径流序列的总年数)。

(2) 整体水文改变度D0。基于每个指标的水文改变度Di，变异后整体水文改变度D0计算如下：

(2)

为了客观反映水文指标的变异程度，一般将Di和D0划分为3个等级进行量化评价，当|Di|和|D0|的值介于0 ～ 33%为无改变或低改变度，用L表示；33% ～ 67%为中改变度，用M表示；67% ～100%为高改变度，用H表示。

3 结果与分析

3.1 年径流变化趋势特征

对渭河流域3个水文站1965—2018年径流数据序列进行线性趋势分析(图2)，各站年径流量呈明显下降趋势。其中，华县站流量的减少速率(0.678 6亿m3/a)最大，显著高于其他两个站点。采用M-K趋势检验方法分析，渭河年径流呈现显著下降趋势(p<0.05)，状头站的统计量-4.01，在3个站中年际变化最为明显，径流量显著减小，其次为华县站，咸阳站较前两者变化最小。

图2 渭河流域3站年径流量变化及趋势

3.2 年径流突变特征

图3为咸阳、华县和状头水文站年径流量累积距平曲线。由图可知，各站年径流量累积距平曲线形状较为相似，咸阳和华县站年径流量在1965—1993年呈上升趋势，此后呈下降趋势，两站突变年份均为1993年。状头站年径流量在1965—1994年呈上升趋势，此后呈下降趋势，其突变年份为1994年。以突变年份为分界点，可将水文序列划分为基准期与变化期，基准期代表水文序列受人为活动影响较小，而变化期则受人类活动影响显著。

3.3 流域水文指标变化

根据水文序列突变特征，采用水文改变指标法和变化范围法分别计算基准期和变化期的水文变异指标。表2展示了5组指标的具体变化特征。

图3 渭河流域3站径流量累积距平突变

表2 渭河流域各站33个IHA指标改变度及变化率

(1) 各月中值流量变化：由表2可知，3站各月中值流量变异程度存在一定差异，与基准期相比，咸阳站各月中值流量均呈减小趋势，尤其是雨季，如7月份平均径流为122 m3/s减少至变化期的43.1 m3/s；华县站除1月、12月径流量分别增加2%和52%外，其余月份均减小，且4月、9月流量减少量最大；状头站各月中值流量均呈减小趋势，6月流量的变化率最小为23%，其余各月流量变化率均在30%～50%。咸阳站各月中值流量发生中改变度居多，而6月、7月、11月份改变度大于67%，均属于高改变度；1月、2月、8月份改变度小于33%，均属于低改变度。华县站仅6月中值流量变化最为剧烈，属于高改变度。状头站仅4月、7月份均为高改变度

(2) 年极端流量大小：咸阳站年极端流量中值在1993年后均有不同程度减小，年均90 d最大流量的减少量最多；仅年均1 d，30 d最大流量水文改变度为高改变度。华县站年均1 d，3 d，30 d最小流量中值呈增加趋势，其余指标均减小；年均最小、最大流量中值主要为高改变度。状头站自1994年后年极端流量中值均呈减小趋势；3 d，7 d最小流量均为高改变度，且7 d最小流量改变度高达100%。3站中，仅华县站1995年11月30日发生断流，断流天数为低改变度(4%)，咸阳和状头站无断流天数。相关研究表明，造成华县站断流的原因可能是进入90年代后渭河水沙偏枯，流量减少，高含沙小洪水增多且潼关高程居高不下，导致渭河下游河道发生明显萎缩[15]。

(3) 年极端流量发生时间：在变化期，咸阳与华县站年最小流量出现时间分别提前了15 d和3 d，而年最大流量出现时间分别推迟了1 d和6 d。状头站每年极端流量出现时间均推迟。3站年极端流量发生时间中仅状头站最小流量出现时间为38%，属于中改变度，其余均为低改变度。3站基流指数较突变前仅状头站呈减小趋势。

(4) 高、低流量的频率及历时：咸阳、华县和状头站的高流量脉冲次数与历时中值均减小，低流量脉冲次数均增加，而咸阳站和状头站的低流量脉冲历时中值减小，华县站的低流量脉冲历时中值增加。咸阳站高、低流量脉冲次数与历时中值均为低改变度。华县站仅高流量脉冲次数为中改变度，其余均为低改变度。3站中仅状头站低脉冲历时中值变化最为明显，水文改变度达75%，为高改变度，低流量脉冲次数与高流量脉冲历时中值为中改变度。

(5) 流量变化改变率及频率：突变后，各站流量变化率中值均减小，每年流量逆转次数中值均增加。咸阳站流量变化率中值水文改变度超过80%，在3站中变化最为显著，属于高改变度；华县站和状头站流量的逆转次数增加幅度显著，改变度分别为89%和100%，均属于高改变度。

3.4 整体水文改变度分析

对比3个站33个水文指标变化情况，状头站的水文改变程度较咸阳和华县站的水文改变程度更高。见图4，受水文突变的影响，华县站发生高(低)度改变的水文指标所占比例最高，占24%(52%)，咸阳和状头站的高(低)度改变的指标所占比例次之，分别为21%(43%)和18%(36%)；状头站中度改变的水文指标所占比例最高，为46%，咸阳和华县站的中度改变依次降低，分别为36%和24%；3个站点均高改变度水文指标占比最少。

表3为咸阳、华县和状头3个水文站各组指标的整体水文改变度，表中H，M和L分别表示高、中和低改变度。分析可知，咸阳和华县站第3，4组为均低改变度，第1，2组为中改变度，仅第5组为高改变度。状头站第2，3组为低改变度，其余各组均为中改变度，无高改变度组。采用RVA法计算的咸阳、华县和状头站的整体水文改变度D0分别为48%，46%和50%，均属于中改变度。表明突变后，3站的水文指标发生较为显著的改变。

图4 渭河流域3站不同等级变化度所占比例

表3 各水文站流量序列整体水文改变度

3.5 水文情势变化归因分析

采用双累积曲线法量化人类活动与降雨因素对渭河流域水文情势的影响程度。由图5可知，3个站的径流—降雨关系曲线斜率发生偏移时间与累积距平计算结果一致。通过径流—降雨双累积曲线回归分析，计算得到突变前后两个时段内各站降雨与人类活动对径流变化的贡献(表4)。咸阳、华县和状头站的径流计算值均远大于实测值，说明流域的径流量受人类活动的影响比气候变化更加显著。华县站，人类活动与降雨对径流减少的贡献率分别为74.24%和25.76%；而咸阳站和状头站，人类活动对径流减少的贡献率远远大于降雨的贡献率，分别为90.32%和96.41%。

图5 3站1965-2018年降雨—径流双累积曲线

4 讨 论

在气候变化与人类活动共同作用下，流域水文情势发生显著变化，干旱地区河川径流量锐减[16]。研究发现，强烈的人类活动是导致渭河河川径流锐减的主要影响因素。20世纪70年代以来渭河流域修建了大量的水利工程。截至2000年底，渭河流域已修建大、中及小型水库302座，总库容达27.3亿m3，兴利库容为15.5亿m3[17]。汛期通过坝库工程调蓄洪水，降低洪峰流量，延长泄洪滞时，非汛期通过水库调度，增加枯季流量，进而调整径流年内分配，对河流水文情势产生影响。渭河年径流量呈显著下降趋势，但IHA指标减小幅度不大，整体改变度为中度改变，月中值流量在汛期减少而非汛期略有增加，同时一定程度上减少了高脉冲发生的次数，对枯水期的影响尤为明显[18]。

同时，渭河中下游累积建成引水工程2 600余处，有效灌溉面积达121万hm2[17]，其中大型灌区9处，如宝鸡峡灌区、交口抽渭灌区等，因此农业灌溉是改变河川径流的主要因素之一。

表4 不同时段降水与人类活动对各站的径流减少贡献分析

渭河是黄河泥沙主要贡献支流之一。1957—2000年，多年平均输沙量为3.52亿t，占龙门—潼关区间河段输沙高达98.9%[19]。为有效减少入黄泥沙，渭河流域实施了大规模的梯田[20]、淤地坝建设[21]、退耕还林(草)等[22]水土保持措施，这些措施极大的改变了流域坡面与沟道的水文过程，进而改变了河川径流的水文情势。截至2006年，全流域兴修梯田206万hm2，造林种草325万hm2，淤地坝坝控面积1.41万hm2[23]。渭河上游分布大面积的梯田，其有效的改变了地表坡度，缩短坡长，拦蓄地表径流，增加地表入渗。退耕还林(草)措施使得渭河流域林草植被覆盖率显著提高，如北洛河上游林草植被覆盖率由70年代的24.3%增加至2013年的53%[23]。植被盖度与丰富度的增加，显著提高了冠层降雨截留，减少达到地面的雨量[24]；林下枯枝落叶层增加土壤湿度和水分入渗量，同时增大了地表汇流阻力，降低流速，延长汇流时间，进而减少地表径流。

5 结 论

本文利用渭河流域咸阳、华县及状头3个代表性水文站1965—2018年实测径流资料，采用线性回归法、Mann-Kendall法、累积距平法及双累积曲线法对渭河流域径流变化特征及其驱动因素进行了分析，结合IHA-RVA法综合评估渭河流域3站突变前后水文指标改变程度，分析揭示水利工程建设、水土保持生态建设等人类活动对水文情势的影响。取得如下结论：

(1) 渭河主干和子流域北洛河流域年径流量呈显著减少趋势，干流咸阳站和华县站分别减少5.5×107m3/a和6.8×107m3/a，北洛河流域减少速率为8.0×106m3/a。咸阳和华县水文站年径流量变化突变年份为1993年，状头站年径流量变化突变年份为1994年。

(2) 咸阳、华县和状头站水文综合改变度分别为48%，46%，56%，均属于中等改变度。较突变点前，咸阳站流量变化改变率及频率为高度改变度，各月中值流量均呈下降趋势，4—7月中值流量变化幅度较大；华县站IHA指标减少幅度不显著，月中值流量在汛期减少而非汛期增加，高脉冲发生的次数减少；状头站各月中值流量、年极端流量均不同程度减少，水文情势变化对4月、7月中值流量与3 d，7 d最小流量、流量逆转次数为高改变度。

(3) 人类活动是引起河川径流变化的主要原因，水利工程可以有效调节径流年内分配，起到减洪补枯的作用；农业灌溉引水工程改变原有水流路径的同时显著减少河川径流量；退耕还林(草)措施等水土保持措施拦蓄地表径流，增加降雨入渗，对河道径流的影响主要以减水作用为主。