西汉水流域径流泥沙演变特征及其归因研究

吴浪 曹文华 顾朝军

［关键词］径流量；输沙量；演变特征；归因分析；西汉水流域

［摘要］自20世纪90年代开始西汉水流域实施了一系列的水土保持治理工程，下垫面发生了明显改变，对流域水沙造成了显著影响。利用西漢水流域1965—2017年径流泥沙资料，采用Mann-Kendall趋势检验、Lee-Heghinian突变检验和双累积曲线等方法，研究了西汉水近50a水沙演变特征及其原因。结果表明：近50a西汉水流域降雨量无显著变化趋势，而径流量和输沙量分别以0.177亿m3/a和50.202万t/a的速率显著减少（P<0.05）；径流量和输沙量显著减少的突变点分别在1993年和1990年，这与流域实施水土流失治理的时间相对应；与突变前相比，突变后径流量减少47.64%，输沙量减少71.19%；降雨量和人类活动对径流量减少的贡献率分别约为15%和85%，对输沙量减少的贡献率分别约为10%和90%；人类活动引起的下垫面条件变化是西汉水流域水沙减少的主要原因。

［中图分类号］S157［文献标识码］A［文章编号］1000－0941（2023）03－0025－05

西汉水属嘉陵江一级支流，是嘉陵江流域的主要产沙区[1-2]。为了控制水土流失，1989年以来嘉陵江流域逐步实施了规模化的水土流失治理工程[3]。这些工程的建设导致地表覆被等下垫面条件发生了变化，进而改变了流域产输沙条件，影响水沙情势。李忠泰[4]研究了西汉水流域1965—2000年径流泥沙演变特征，发现径流量和输沙量均呈下降趋势，且年内分配极不均匀；张明波等[2]评估了西汉水流域1990—1996年水土保持措施的减水减沙作用，发现水土保持措施多年平均减水率为6.5%，多年平均减沙率为44.6%；王涛等[5]对西汉水流域1956—2016年降水径流变化特征的分析表明，降雨呈不显著减少趋势，径流量呈显著下降趋势，且人类活动导致径流量在1993年发生突变。党的十八大以来，国家提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，强调长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”，因此加强长江各干支流域水文情势的分析研究工作具有重要的现实意义。考虑到以往西汉水流域径流泥沙研究时间多在2000年以前，且缺乏对径流泥沙变化的定量评估，本研究利用西汉水控制站镡家坝水文站1965—2017年逐月径流量和悬移质输沙量（以下简称“输沙量”）数据等，系统研究了流域径流泥沙演变特征，量化了气候变化和人类活动对径流泥沙变化的影响程度，进一步揭示了流域水沙变化原因，以期为流域水土保持生态建设提供科技支撑。

1流域概况

西汉水发源于甘肃省天水市秦州区的齐寿山，流经礼县、西和县、成县、康县，在陕西省略阳县汇入嘉陵江，干流长287km，流域面积10178.0km2（见图1）。西汉水地处北秦岭南麓，地势西高东低，气候条件和地质地貌南北差异大。上游地区以黄土丘陵沟壑区地貌为主，兼有土石山区，地表多裸露，土壤包括黄褐土及风化的褐砂石土，植被覆盖率相对较低，水土流失严重；中游地区为黄土丘陵沟壑区到土石山区过渡地带，属切割较轻的黄土梁峁中山区地貌，是泥石流发育区，砾石、砂、黏土广泛分布于河谷，水流湍急、含沙量高；下游地区为陇南阴湿山林区，气候湿润，降雨充沛[6]，植被覆盖较好，水土流失相对较轻。镡家坝水文站为西汉水下游控制站，控制面积9638km2，位于甘肃省成县镡河乡石榴村，坐标东经105.75°、北纬33.58°。

2研究资料和研究方法

2.1研究资料

本研究采用的水沙资料为镡家坝1965—2017年逐月径流量、输沙量、流量和输沙率数据；降雨量为西汉水流域礼县、西和和镡家坝3个雨量站1965—2017年逐月数据，均来源于《长江流域水文年鉴》，采用算术平均值求得流域面平均降雨量。

2.2研究方法

2.2.1时间序列年际变化趋势分析

降雨量、径流量和输沙量时间序列年际变化趋势分析采用Mann-Kendall（以下简称“M-K”）趋势检验。M-K趋势检验具有鲁棒性特点，不要求数据满足正态分布，通过获得M-K检验统计量（Z）来判定时间序列的变化趋势，Z为正（负）值表示呈上升（下降）趋势；|Z|≥1.96和2.58时，分别表示趋势达到0.05和0.01显著性水平。M-K法已被广泛应用于气象水文等时间序列趋势分析，计算方法见文献[7]。

时间序列突变检验采用基于贝叶斯理论的Lee-Heghinian法。该方法假定时间序列xt（t=1，2，…，n）总体为正态分布，分割点τ的先验分布为均匀分布，以推求可能分割点的后验条件概率密度函数fx（τ|x1，x2，…，xn），若分割点τ满足max［f（τ|x1，x2，…，xn）］，1≤τ≤n-1，则该点为最可能的变异点。计算方法见文献[8]。

2.2.2水沙变化影响程度评估

降雨和人类活动对水沙变化的影响程度评估采用双累积曲线法。双累积曲线法基于时间序列突变分析，将水沙突变前作为基准期，突变后作为变化期。基准期内人类活动微弱，水沙主要由降雨控制，可以建立径流量（输沙量）与降雨量的双累积线性关系。将突变年份后的降雨资料代入双累积曲线建立的回归方程，获得径流量（或输沙量）理论值。不同时段理论值之差，即为降雨变化的影响量；同期理论值与实测值之差，即为人类活动的影响量[9-11]。

3结果与分析

3.1降雨量、径流量、输沙量年际变化

西汉水流域1965—2017年多年平均降雨量、径流量和输沙量分别为659.5mm、11.89亿m3和1440.95万t（见表1）。降雨量最大值为1990年的967.2mm，最小值为1969年的414.9mm；径流量最大值为1984年的31.50亿m3，最小值为1997年的2.94亿m3；输沙量最大值为1984年的12000.0万t，最小值为2016年的29.0万t。代际间降雨量变化较小，径流量和输沙量变化较大；从变差系数看，输沙量明显大于径流量和降雨量，表明输沙量波动最为剧烈。

西汉水流域1965—2017年降雨量无明显变化趋势，径流量和输沙量呈极显著下降趋势（见图2）。M-K检验结果表明，降雨量检验统计量|Z|值为0.233，未达0.05显著性水平，同时径流量和输沙量检验统计量|Z|值分别为2.816和4.926，均达到0.01显著性水平，径流量和输沙量下降速率分别为0.1774亿m3/a和50.202万t/a。

3.2径流量、输沙量年际变化突变特征

采用Lee-Heghinian法分别对径流量和输沙量年际变化进行突变检验，结果显示径流量和輸沙量分别在1993年和1990年发生显著性减少（见图3）。与突变前相比，突变后径流量减少了47.64%，输沙量减少了71.19%，变差系数则无明显变化（见表2）。

从突变前后年内变化情况看（见图4），突变后各月平均流量均有所减少，特别是汛期（5—10月）减少明显，达47.36%，年内分配更加均匀；突变后3—11月平均输沙率减少明显，减少了71.18%，其他月份则略微增加，年内分配也趋于均匀。

从历时曲线看，突变后各频率下月平均流量、月平均输沙率变化有所不同，见图5。以5%、50%和95%频率分别表示丰水年、平水年和枯水年，计算发现突变后流量在5%、50%和95%频率下分别减少了44.85%、46.12%和34.13%；输沙率在5%、50%频率下分别减少了64.10%和70.06%，在95%频率下则有少量增加（见表3）。

3.3降雨和人类活动对水沙变化的定量评价

气候条件、地质地貌和人为活动是影响河川径流泥沙的主要控制因素[10-11]。湿润地区气候条件中以降雨对径流、输沙的影响最大，地质地貌条件在无人类干扰下一定时期内相对不变。人为活动主要包括坝库建设、水土流失治理、城乡居民用水、土地利用/覆被变化等[12]。自然条件下，径流量、输沙量与降雨量之间具有极显著（P<0.01）正相关关系，但如果下垫面条件改变，那么相同降雨条件下产生的径流量和输沙量就会不同[13]。双累积曲线中，若流域水沙特性未发生系统变化，则其与降雨量的双累积关系能用线性拟合；若在某点拟合斜率（k）减小，则表示人类活动使径流量（输沙量）减少，反之则使其增大。1993年和1990年之前，西汉水流域降雨—径流量和降雨—输沙量双累积曲线分别呈现极显著的线性关系（P<0.01），表明该时期内径流量和输沙量与降雨量变化同步，未受到人为活动的过度干扰；降雨—径流量和降雨—输沙量双累积曲线分别在1993年和1990年出现拐点，变化后拟合斜率k变小，说明人类活动使流域径流量和输沙量均减少，见图6。

降雨和人类活动对西汉水流域径流量和输沙量变化的影响计算结果见表4、表5。与基准期（1965—1992年）相比，突变后（1993—2017年）降雨量减少使径流量减少1.09亿m3，贡献率为16.52%；人类活动使径流量减少5.51亿m3，贡献率为83.48%。与基准期（1965—1989年）相比，突变后（1990—2017年）降雨量减少使输沙量减少169.47万t，贡献率为10.31%；人类活动使输沙量减少1474.68万t，贡献率为89.69%。结果表明人类活动是西汉水流域径流量和输沙量减少的主要原因。

3.4人类活动分析

1965—1989年西汉水流域降雨量呈下降倾向，导致径流量和输沙量减少，但影响程度低于20%，不是西汉水流域径流泥沙变化的主要原因。嘉陵江流域自1988年实施长江流域水土保持治理工程（以下简称“长治工程”）以来，至1996年底共治理水土流失面积21361km2，占流域内水土流失面积的25.8%[1，3]，治理措施包含水土保持工程措施（如坡改梯，土、石坝建设，截、排水沟，沉沙、蓄水池等）、植物措施（如造林、种草和封禁治理等）和保护性耕作措施（如横坡耕作、地膜覆盖等），使下垫面条件发生了明显变化。西汉水流域作为嘉陵江流域主要产沙区，是长治工程首批重点治理流域之一[2，5]。1989年以来，通过实施封禁治理、生态修复、植树种草、退耕还林、坡耕地治理等措施，流域下垫面条件发生改变，生态环境得到明显改善，起到了显著的保水保土作用，有效控制了水土流失。与1992年相比，流域归一化植被指数增加了14.7%，不同地区植被覆盖度均有所增加。拟合突变前后西汉水流域径流量和输沙量与降雨量相关关系，进一步揭示西汉水流域水沙减少的原因（见图7）。突变前后的拟合方程斜率表征单位降雨条件下流域的径流量和输沙量。可以发现，突变后单位降雨条件下径流量减少了44%，输沙量减少了53%，这直接导致输沙量在1990年发生显著性减少。由于工程措施如坡改梯对径流拦蓄作用较小，而植被恢复措施的水土保持效益具有滞后性，因此径流量显著减少时间晚于输沙量。经过3a的滞后期，流域植被基本恢复，林分结构优化，林地截流拦蓄作用增强，植被水土保持效益显现，导致径流量在1993年发生显著减少。与此同时，随着流域内城镇化进程加快，城镇人口增加，生活用水、工矿企业用水量迅速上升，耗水量逐渐增加，势必引起流域径流和泥沙发生一系列变化。研究结果显示，人类活动对西汉水流域径流量和输沙量变化的影响程度均在80%以上，人类活动是西汉水径流量和输沙量变化的主要驱动因素。值得注意的是，与嘉陵江流域其他支流相比，西汉水径流系数和输沙模数均较大，这主要与该地区暴雨频发、地质条件破碎、土壤抗蚀能力差有关。同时，该地区泥石流和滑坡等重力侵蚀易发，也是导致河流输沙量大、降雨—径流/输沙相关性低于其他区域的主要原因。

4结论

本研究利用西汉水流域1965—2017年径流输沙数据，研究了西汉水径流量和输沙量演变特征及其影响因素。结果表明：西汉水径流量和输沙量呈极显著减少趋势（P<0.01），径流量在1993年发生突变，输沙量在1990年发生突变，突变后径流量和输沙量年内分配趋于均匀；以1965—1992年为基准期，1993—2017年径流量减少47.64%，降雨变化对径流量减少的贡献率为16.52%，人类活动对径流量减少的贡献率为83.48%；以1965—1989年为基准期，1990—2017年输沙量减少71.19%，降雨变化对输沙量减少的贡献率为10.31%，人类的活动对输沙量减少的贡献率为89.69%。

[参考文献]

［1］陈晖，张红，徐高洪，等.基于遥感、DEM技术的西汉水水土流失变化分析[J].人民长江，2006，37（12）：12-15.

［2］张明波，黄燕，郭海晋，等.嘉陵江西汉水流域水保措施减水减沙作用分析[J].泥沙研究，2003（1）：70-74.

［3］马炼，张明波，郭海晋，等.嘉陵江流域水保治理前后沿程水沙变化研究[J].水文，2002，22（1）：27-31．

［4］李忠泰.西汉水流域泥沙特性[J].甘肃水利水电技术，2006，42（4）：369-371．

［5］王涛，王进，吴彦昭.60年来西汉水流域降水径流演变特征及影响分析[J].人民长江，2020，51（6）：89-94.

［6］李忠泰，范玮.从西汉水水沙变化看水土保持综合治理成效[J].中国水土保持，2011（11）：52-53.

［7］张洪波，李哲浩，席秋义，等.基于改进过白化的MannKendall趋势检验法[J].水力发电学报，2018，37（6）：34-46.

［8］兰盈盈，刘惠英.非一致水文序列频率计算方法应用效果比较分析[J].人民长江，2021，52（10）：115-119.

［9］程思，于兴修，李振炜，等.流域输沙量变化归因分析方法综述[J].地理科学进展，2021，40（12）：2140-2152.

［10］穆兴民，张秀勤，高鹏，等.双累积曲线方法理论及在水文气象领域应用中应注意的问题[J].水文，2010，30（4）：47-51.

［11］王鸿翔，孙龙飞，赵瑞超，等.三峡水库下游水沙情势变化及影响因素分析[J].水电能源科学，2022，40（2）：27-31.

［12］刘强，尉飞鸿，常康飞，等.皇甫川流域水沙变化特征及其影响因素[J].干旱区研究，2021，38（6）：1506-1513.

［13］张明波，黄燕，郭海晋.西汉水上游水沙经验模型研究[J].人民长江，2002，33（3）：1-4.

［作者简介］吴浪（1985—），男，湖北武汉人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程领域的研究工作；通信作者顾朝军（1990—），男，江西玉山人，工程師，博士，主要从事水土保持与生态水文方面的研究工作。［收稿日期］2022-04-26

（责任编辑李杨杨）

［基金项目］国家自然科学基金项目（42077075）