气候变化与人类活动双重驱动下小河流域水沙变化特征研究

戴红梅，孙维红

摘要：为揭示气候变化与人类活动双重驱动下小河流域水沙演化特征，利用Manner-Kendall检验法、滑动T法和累计距平曲线法，分析了黄河流域泾河水系茹河一级支流小河黄家河水文站1981～2017年降水量、径流量、输沙量变化趋势与突变年份。通过趋势及突变检验将径流、输沙序列划分为天然基准期和人类活动影响期，定量分析了气候变化和人类活动对径流、输沙量的影响贡献率。结果表明：1981～2017年小河流域实测径流量、天然径流量与输沙量均呈显著下降趋势，平均减少速率分别为33.25万m3/a，27.611万m3/a，14.905万t/a，降水量呈增加趋势，平均增加速率为0.620 9 mm/a。小河流域径流量、输沙量均在2003年左右发生了由多到少的突变，实测径流量、天然径流量、输沙量突变年份前后10 a均值变幅分别为72%，62%，81%。人类活动是造成小河流域黄家河水文站天然径流量、输沙量减少的主要原因，人类活动对天然径流量变化的贡献率为88.8%～112.0%，对输沙量变化影响的贡献率为96.5%～116.0%。

关键词：变化趋势； 气候变化； 人类活动； 径流； 泥沙； 小河流域； 黄河流域

中图法分类号：TV213.9文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.004

文章编号：1006-0081（2023）09-0020-09

0引言

河流水沙过程具有多重属性，对于流域的地貌系统结构、生态系统功能具有重要作用［1］。研究表明，在气候变化和人类活动耦合作用下，众多江河水文情势发生了显著变化，流域水循环及水沙平衡发生了重大改变，全球许多河流入海径流、泥沙量都呈不同程度的减少趋势，由此产生了一系列水资源、水灾害和水环境问题［2-5］。目前，时间序列的多种分析方法被用来量化评估人类活动和气候变化对河流径流量、输沙量变化的影响程度，河流长系列水沙演化特征及其驱动因素研究已成为国内外学者关注的重要课题［6-8］。

黄河流域生态保护和高质量发展已上升为新时代国家重大战略［9］，黄河流域水沙演化特征及其影响因素驱动机制直接影响流域生态保护对策、布局及高质量发展的可持续性支撑［10-11］。黄土高原是世界水土流失问题最严重的地区之一，是中国生态环境最为脆弱的地区之一，也是黄河泥沙的主要来源［12］。黄土高原地区水沙演变规律及其成因分析越来越受到广泛关注。马耘秀等［13］通过研究黄土高原地区汾河上游水沙的演变规律，认为流域径流量和输沙量均呈减少趋势，输沙量的减少程度大于径流量的减少程度，且土地利用变化是流域水沙变化的主导因素。魏晓婷等［14］研究发现，人类活动对春、夏、秋和冬季泾河径流变异的贡献率分别为50.40%，89.69%，39.14%和84.59%，在夏季和冬季人类活动（主要是水土保持措施的不断深入）对泾河径流变异的贡献占主导地位。李晓乐等［15］研究了黄土高原无定河流域及其支流大理河流域输沙量变化及减沙贡献率，认为人类活动是输沙量减少的主要原因，极端降雨条件下，水土保持措施能够有效减少输沙量。

本文以黄土高原区泾河水系茹河一級支流小河流域为例，在趋势分析与突变检验的基础上，采用双累积曲线法定量分析1981～2017年气候变化和人类活动对小河流域径流量、输沙量影响的贡献率，以期为该地区中小流域水资源保护与水生态文明建设提供参考。

1研究区概况

小河为黄河流域泾河水系茹河的一级支流，发源于甘肃省环县毛井乡墩墩湾，河长74.6 km，河道平均比降30.7‰，流域总面积为1 127 km2。小河主河道从上游至下游分别有王洼沟、母家沟、干沟河、川口河和槐沟河5条较大支沟汇入，其中黄家河水文站上游有王洼沟和母家沟汇入。流域设有党家沟、官厅、王洼、石岔、共和、马坪等雨量站点，1981年设站并观测至今，站网密度77 km2/站。流域多年平均水面蒸发量（E601型）1 000 mm，干旱指数为2.2，属半干旱区。小河流域见图1。

黄家河水文站位于固原市原州区河川乡黄家河村（东经106°28′47.6″，北纬35°59′28.6″），是小河中上游区域代表站。该站设立于1981年1月1日，测验断面以上集水面积为693 km2，至河源30.8 km，流域为黄土丘陵沟壑区，植被差，水土流失严重。

小河流域共建有中型水库2座（庙台水库和石头崾岘水库），小型水库14座，水保骨干坝59座。其中，黄家河水文站以上中型水库1座（庙台水库），集水面积87.5 km2，库容1 575万m3；小型水库7座，集水面积45.06 km2，总库容788.7万m3；水保骨干坝34座，集水面积141.35 km2，总库容2 418.32万m3。

2研究数据与方法

2.1研究数据

对流域内党家沟、官厅、王洼、石岔、马坪、黄家河等雨量站1981～2017年资料进行统计。黄家河水文站1981年设站至2017年，实测多年平均径流量为976.06万m3，径流深14.1 mm。由于实测系列年内流域水库及水保骨干坝工程建设较多，对流域径流影响较大，故需对实测资料进行还原，将其还原为天然径流量。用黄家河水文站流域面积减去上游不同年份建设的水库、水土保持骨干坝面积，求得实际产流面积，然后用逐年径流量除以实际产流面积求得径流深，最后再用径流深乘以黄家河水文站流域面积求得天然径流量。经还原黄家河站1981～2017年径流量为1 112.31万m3，径流深16.0 mm。

2.2研究方法

本研究采用线性趋势法［16］、Mann-Kendall秩相关检验法［17］（简称MK法）进行趋势分析，采用Theil-Sen法进行坡度检验［18］；采用滑动T法［19］、累计距平曲线法［20］进行突变检验；采用双累积曲线法［21］分析不同时期气候变化和人类活动对径流量、输沙量影响的贡献率。

2.2.1MK趋势检验和Theil-Sen坡度检验法

Mann-Kendall检验又称MK趋势检验法［17］，是世界气象组织（WMO）推荐并已被广泛使用的一种非参数检验方法，该方法的优点是不需要待检序列遵从一定的分布。对于长度为n的时间序列X={x1，x2，…，xn}，定义统计量S为

S=∑i＜jaij（1）

其中aij=signxj－xi=1，xi＜xj

0，xi=xj

－1，xi＞xj（2）

假设各变量独立同分布，当n≥10，则统计量S近似服从正态分布，其均值E（S）=0，其方差为

var（S）=n（n-1）（2n+5）/18（3）MK检验统计量可用下式计算：

Z=S－1var（S），S＞0

0，S=0

S+1var（S），S＜0（4）

当Z＞0时，存在上升的趋势；当Z＜0时，存在下降的趋势。如果Z＞Z（1-α/2），即认为序列增大或减小的趋势显著，本研究中显著性水平α取0.05，对应的Z（1-α/2）值为1.96。

Theil-Sen坡度检验法的基本原理是［18］：设水文序列为x1，x2，…，xn，n为时间序列的长度，其中xj和xi分别为j，i年相应的水文观测值，且j＞i，β表示坡度值。

β=medianxj－xij－i（5）

2.2.2突变检验

滑动T检验［19］考察两个样本平均值的差异是否显著来检验突变点。从总体中分别抽取样本容量n1和n2，定义统计量：

T=x1－x2S1n1+1n2（6）

式（6）服从自由度（n1+n2-2）的t分布，比较T与临界值可判定统计显著性。该方法的缺点是子序列时段的选择具有人为性。为避免任意选择子序列长度造成突变点的漂移，具体使用这一方法时，可以反复变动子序列长度进行比较，提高计算结果的可靠性。

累积距平法［20］是由曲线直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统计方法。其计算过程为先计算每年观测数据的距平值，然后按时序逐年累加，得到累积距平值随时间的变化过程。对于序列x，其某一时刻t的累积距平值Xt为

Xt=∑ti=1xi－x（t=1，2，…，n）（7）

式中：xi为i时刻序列值，x为序列均值。若累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加；反之，距平值减小；趋势的转折点即为突变点。

2.2.3双累积曲线法

双累积曲线是一种广泛应用于估算降水和人类活动对径流、输沙影响的方法［21-22］，具有简单、直观等优点。通过突变检验识别水文序列的突变点，通常将发生突变前的时段作为“天然基准期”，建立累积降水量与累积径流或输沙量的线性回归方程，将突变后“人类活动影响期”的降水量代入回归方程中估算未受到人为活动影响的径流量或输沙量，从而计算降水及人类活动对水沙变化的贡献率。

3水沙系列基本数据特征

黄家河水文站1981年设站至2017年，实测多年平均径流量为976.06万m3，径流深14.1 mm，最大径流量3 031.0萬m3（1996年），最小径流量213.1万m3（2011年），极值比14.2；年平均流量0.320 m3/s，年最大洪峰流量1 180 m3/s（1997年7月30日），年最小洪峰流量0.002 m3/s（1999年8月24日）。

1981～2017年小河流域黄家河水文站年降水量、年径流量、年输沙量数据特征见表1。由表1可见，降水量离势系数较小，数据系列年际变化较小；输沙量离势系数最大，说明输沙量年际变化较大。偏态系数Cs＞0，表明均值在众数之右，降水量、径流量、输沙量序列都是右偏分布；Cs值越大，均值对应的频率越小，频率曲线的中部越向左偏，且上段越陡，下段越缓。输沙量峰度系数CE较大，表明两侧极端数据分布范围较广；降水量峰度系数小于零，表示该数据系列分布与正态分布相比较为平坦，为平顶峰，其他3个序列峰度系数大于0，表示数据系列分布与正态分布相比较为陡峭，为尖顶峰。

4变化趋势分析

1981～2017年小河黄家河水文站降水量、径流量、输沙量年际变化趋势见图2，线性趋势分析结果见表2。总体上，1981～2017年小河实测径流量、天然径流量、输沙量均呈下降趋势，平均减少速率分别为33.25万m3/a、27.611万m3/a、14.905万t/a，降水量呈增加趋势，平均增加速率为0.620 9 mm/a；对线性趋势方程进行显著性检验，结果表明径流量与输沙量均达到显著性水平（p＜0.05），降水量未通过显著性检验。

小河流域黄家河水文站在1981～2017年的多年平均天然径流量为1 112.31万m3。由图2（a）可知，年天然径流量最大值出现在1996年，为3 239万m3，最小值出现在2005年，为312.8万m3，分别为多年平均值的2.91倍和28.1%。多年平均实测径流量为976.06万m3，最大值出现在1996年，为3 031万m3，为多年平均值的3.11倍；最小值出现在2011年，为213.1万m3，为多年平均值的21.8%。由图2（b）可见，小河流域黄家河水文站在1981～2017年的多年平均输沙量为373.74万t，年输沙量最大值出现在1996年，为1 630万t，为多年平均值的4.36倍；最小值出现在2017年，为9.5万t，为多年平均值的2.5%。

为降低极端值的影响，采用Theil-Sen法计算降水量、实测径流量、天然径流量、输沙量变化趋势坡度β分别为0.106 6 mm/a，-29.855万m3/a，-26.25万m3/a，-12.62万t/a，变化率的绝对值均小于表2中的线性趋势方程的斜率绝对值。Theil-Sen法第一步先计算任意两点之间的斜率，然后再取中位数来代表平均变化速率，这样就消除了时间序列中极大值与极小值的影响，得到的变化趋势比线性趋势法更平稳。

5突变分析

5.1累积距平法突变分析

采用累积距平法绘制1981～2017年小河黄家河水文站逐年径流量、输沙量累计距平曲线，如图3所示。由图3可见，径流量、输沙量累计距平大致表现为4个变化阶段：1981～1993年径流量累计距平值在震荡中呈缓慢上升趋势；1994～1997年出现明显的上升趋势；1998～2003年小幅波动；2004～2017年呈线性减少趋势。综合分析累计距平曲线可见，小河黄家河水文站实测径流量、天然径流量、输沙量的突变点为2003年，径流量、输沙量均发生了由多到少的突变。

5.2滑动T法突变分析

采用滑动T法对1981～2017年小河黄家河水文站径流量、输沙量进行突变分析，如图4所示。进行滑动检验时，分别取步长n=2，…，20。结果显示，n大于8时，实测径流量、天然径流量、输沙量滑动T统计量均通过p=0.01显著性检验，有一个突变点，突变年份为2003年。

5.3突变年份与变幅

综上可见，累积距平法与滑动T法的结论基本一致，小河黄家河水文站实测径流量、天然径流量、输沙量突变年份均为2003年左右，发生了由多到少的突变；径流量、输沙量37 a均值、突变年份前/后10 a均值、突变年份前后10 a均值的变幅计算结果见表3。

由表3可见，天然径流量变幅最小，突变年份前后10 a均值减少了1 073万m3，变幅约为突变年份前10 a均值的62%；输沙量变幅最大，突变年份前后10 a均值减少了578万t，变幅约为突变年份前10 a均值的81%。

6气候变化与人类活动对小河流域水沙演化的贡献率6.1径流量

由突变检验分析（图3～4）可见，小河黄家河水文站径流量有1个突变点（2003年）。因此，假定1981～2003年时间段是受人类活动影响相对较小的“天然基准期”，构建该时期的降水量－天然径流量双累积曲线关系，来定量分析气候变化与人类活动对径流量变化的影响。图5（a）为小河黄家河水文站1981～2003年降水量和天然径流量双累积相关关系，相关系数达0.990 5，相关程度较高。将2004～2017年累积降水量数据代入双累积曲线关系式，计算“人类活动影响期”在假设人类活动条件与1981～2003年相近条件下的累积径流量，记为R拟合，R拟合与天然累积径流量R天然对比如图5（b）所示。

人类活动对地表径流量变化的影响可划分为两类：① 人类水资源开发利用活动的直接影响；② 下垫面渐变累积而形成的间接影响。1981～2003年作为基准期，将2004～2010年、2011～2017年不同时期的模拟径流量与基准期的天然径流量相比较，将不同时期的模拟径流量与同期的天然径流量相比较，可得到降水和下垫面状况变化对径流量变化的影响（表4）。

由表4可见，人类活动对黄家河水文站径流量的直接影响呈现较小-变大-减小的趋势，2004年以来下垫面对径流量的影响大于人类活动的直接影响（耗水量）。人类活动的直接影响与人类活动的间接影响同时造成了河黄家河水文站径流量减小。由表4还可以看到，与气候变化相比，人类活动是造成小河流域小河黄家河水文站径流量变化的主要因素，影响贡献率在88.8%～112.0%之间。

6.2输沙量

由突变检验分析（图3～4）可见，小河黄家河水文站输沙量在2003年有1个突变点。假定1981～2003年间是受人类活动影响相对较小的基准期，通过比较拟合值与实测值（图6，表5），2004～2010年气候变化、人类活动对输沙量影响的贡献率分别为3.5%，96.5%，2011～2017年分别为-16.0%，116.0%。由表5可见，与气候变化相比，人类活动是造成小河流域黄家河水文站输沙量减少的主要因素。比较表4与表5还可以看出，与径流量相比，人类活动对输沙量的影响更大。

7讨论

7.1气候变化

马煜［23］利用1957～2016年固原市原州区的降雨资料，通过对小降雨特征进行分析，结果表明：该地区的降雨年际变化整体呈现出增加的趋势，0～4 mm、4～8 mm和12～16 mm的降雨量呈现出增加的趋势，8～12 mm的降雨量呈现出减少的趋势，但变化趋势均未达到统计学显著性水平。王充等［24］通过分析1952～2018年固原市西吉县降水数据，认为西吉县的降水量基本保持稳定，全年、春季、秋季、夏季、汛期降水量变化趋势均未通过显著性检验。以上文献均支持本研究的结论。

流域内降水是产生径流根本原因，是产生泥沙侵蚀的动力来源。气候变化会引起流域水文过程的变化，导致水沙资源在时间和空间的重新分配［25-27］。随着社会经济的快速发展和城市化建设的不断推进，人类活动对流域水文过程产生的影响日益加剧，造成水文循环过程在时空分布格局及数量上发生不可忽视的改变［28-30］。因此，在生态脆弱、人类活动强度较大的区域，气候变化对流域水沙过程的影响与人类对水文条件的影响相比，表现的更不明显。

7.2人类活动

林草植被不仅可以含蓄降水，平稳径流，还能够有效保持土壤，减轻水土流失，森林植被通过林灌层、枯枝落叶层的截流作用和树木根系的固土作用，大大削减降雨动能，减少地表徑流，从而减轻或避免了土壤侵蚀［31-33］。实践证明，实施退耕还林还草、修建水土保持骨干坝等水土保持工程，在有效削减洪峰径流的同时，还可以大量减少土壤流失［34-36］。

2001～2004年小河流域实施了水土保持生态工程一期，2005～2009年实施第二期，两期工程共平整梯田7 897.44 hm2、种树种草13 202.36 hm2、修建水保骨干坝34座［37］，梯田与植被的拦水、拦沙能力增强，区间产生的径流、泥沙被水土保持骨干坝拦蓄，上游水保治理工程逐渐发挥效益，造成2004年以来径流量、水土流失量锐减。

2000年，固原市原州区启动了退耕还林还草工程。截至2003年，全区共退耕还林还草面积41 666.67 hm2，其中生态林31 531.59 hm2，经济林859.02 hm2，还草9 276.0 hm2。造林树种有华北落叶松、油松、刺槐等乔木林，柠条、沙棘、山桃、山杏等水土保持灌木林，种草则以紫花苜蓿为主［38］。以上措施均支持本研究关于2003年左右小河流域径流量、输沙量发生了由多到少突变的结论。

据李蕾等［38］测算，原州区坡耕地退还林草植被后，每年可保持土壤155.45万t。不同林草植被具有不同的土壤保持功能。其中，土壤保持总量最大的为灌木林，主要是因为原州区为半干旱草原地带，灌木林为当地最适宜的造林植被，其面积在退耕还林规划中占相当大的比例，在土壤保持中发挥了最大的作用。

8结论

（1） 1981～2017年小河流域黄家河水文站实测径流量、天然径流量、输沙量均呈显著下降趋势，平均减少速率分别为33.25万m3/a、27.611万m3/a、14.905万t/a，降水量呈增加趋势，平均增加速率为0.620 9 mm/a；变化趋势坡度β分别为-29.855万m3/a、-26.25万m3/a、-12.62万t/a、0.106 6 mm/a。

（2） 1981～2017年小河流域黄家河水文站实测径流量、天然径流量、输沙量都有1个突变点，突变年份均为2003年左右，发生了由多到少的突变，突变年份前后10 a均值分别减少了1 128万m3、1 073万m3、578万t，变幅分别为72%，62%，81%。

（3） 人类活动是造成小河流域黄家河水文站天然径流量、输沙量减少的主要原因，人类活动对天然径流量变化的贡献率为88.8%～112.0%；人类活动对输沙量变化影响的贡献率为96.5%～116.0%。

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（编辑：江文）

Runoff and sediment evolution characteristics driven by climate change and human activities in Xiaohe Basin

DAI Hongmei1，SUN Weihong2

（1.Guyuan Water Resources Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Guyuan 756000，China；2.Qidi Puhua Water Network （Beijing） Technology Co.，Ltd.，Beijing 100083，China）

Abstract： To reveal the characteristics of runoff and sediment evolution driven by climate change and human activities，the Manner-Kendall test，Moving T-test and cumulative anomaly curve method were used to analyze the change trend and mutation of precipitation，runoff and sediment discharge of the Huangjiahe Hydrologic Station in Xiaohe Basin during 1981～2017.The runoff and sediment transport sequence were divided into natural base period and anthropogenic impact period through trend and mutation tests.The impacts of climate change and human activities on runoff and sediment transport were quantitatively analyzed.The results showed that：during 1981～2017，the measured runoff，natural runoff and sediment discharge showed a significant downward trend，with an average reduction rate of 33.25×104 m3/a，27.611×104 m3/a，and 14.905×104 t/a，respectively.Meanwhile，the precipitation showed an increasing trend with 0.6209 mm/a.The runoff and sediment discharge mutated vary from many to few in 2003.The 10 year mean changes of measured runoff，natural runoff and sediment discharge before and after the mutation were 72%，62% and 81%，respectively.Human activities were the main reason for the reduction of natural runoff and sediment transport.The contribution rate of human activities to the change of natural runoff was 88.8%～112.0% and the contribution rate of human activities to the change of sediment discharge was 96.5% ～116.0%.

Key words： change trend； climate change； human activities； runoff； sediment； Xiaohe Basin； Yellow River Basin