1956—2017年黃河上游水沙變化及其驅(qū)動因素

范俊健，趙廣舉，穆興民，田 鵬，王瑞東

(1.中國科學(xué)院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌；3.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，712100，陜西楊凌；5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；6.鄂爾多斯水文勘測局，017010，內(nèi)蒙古鄂爾多斯)

近年來，受氣候變暖和人類活動的影響，流域水循環(huán)過程發(fā)生顯著變化。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水利工程、水土保持措施及生態(tài)工程的規(guī)?；瘜?shí)施，黃河干支流徑流和輸沙均發(fā)生顯著變化[1-3]，進(jìn)而導(dǎo)致流域水資源時(shí)空分布不均等問題愈發(fā)突出[4-5]。黃河上游水資源開發(fā)進(jìn)程加快，導(dǎo)致水沙情勢發(fā)生顯著變化；因此，開展黃河水沙時(shí)空分異特征與水沙關(guān)系變化研究是黃河流域綜合治理的基礎(chǔ)，可為黃河流域水土保持措施實(shí)施、水利工程布局等提供技術(shù)支撐。

已有研究表明自20世紀(jì)80年代以來，黃河流域的徑流量和輸沙量呈現(xiàn)顯著下降趨勢[6-7]。Liu等[8]分析1960年代以來人類活動對黃河徑流輸沙的影響，表明急劇增加的人類活動與黃河的泥沙含量劇烈減少顯著相關(guān)。穆興民等[9]指出黃河流域水沙變化的主要因素在不同時(shí)期有所差異，1980年代壩庫工程攔蓄水沙是黃河水沙變化的主要因素，而21世紀(jì)以來國家實(shí)施大規(guī)模的退耕還林(草)政策，植被恢復(fù)成為黃河水沙減少的主導(dǎo)因素。然而，黃河流域水沙異源，空間分布不均，大量研究集中在黃河中游地區(qū)，尤其是黃河中游多沙粗沙區(qū)的水沙變化及其驅(qū)動因素的相關(guān)研究[9-11]。受氣候變化、大規(guī)模的水土保持措施和水庫建設(shè)等影響，黃河上游徑流量、輸沙量及水沙關(guān)系亦發(fā)生顯著變化。筆者基于黃河上游唐乃亥至蘭州區(qū)間4個(gè)水文站的徑流輸沙觀測資料，分析水沙變化情況，探討水沙關(guān)系變化特征及其驅(qū)動因素，結(jié)論可為流域水資源合理利用和水沙關(guān)系調(diào)控提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河上游區(qū)上段即河源至蘭州段，地處E 97°～104°，N 32°～38°，流域面積約為22.3萬km2，占黃河流域總面積的29.7%；干流河長為2 119 km，占黃河干流長的38.8%。筆者以黃河上游唐乃亥至蘭州區(qū)間為研究區(qū)(圖1)。研究區(qū)內(nèi)峽谷縱橫，為上游支流集中區(qū)段，其間大通河、洮河、湟水等重要支流在此區(qū)段匯入黃河，為黃河上游徑流補(bǔ)給的重要區(qū)域。唐乃亥站1956—2017年年均流量為198.64億m3，為蘭州站的65%；該站年均沙量為0.117億t，僅為蘭州站的21%；同時(shí)區(qū)間內(nèi)水力資源豐富，是我國重要的梯級水庫建設(shè)地區(qū)，現(xiàn)已建成龍羊峽、李家峽、公伯峽、劉家峽等諸多水電站。

圖1 研究區(qū)地理位置及水文站點(diǎn)分布Fig.1 Location of the study area and hydrological stations

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水文站的分布，兼顧水文數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、監(jiān)測的完整性和連續(xù)性，筆者獲取黃河上游的唐乃亥、貴德、循化以及蘭州等4個(gè)水文站的徑流和輸沙資料，分析黃河上游地區(qū)1956—2017年的水沙時(shí)空變化特征及其驅(qū)動因素；同時(shí)選取研究時(shí)段內(nèi)黃河上游近20個(gè)國家氣象站的降雨資料，并結(jié)合泰森多邊形法計(jì)算得到研究區(qū)域內(nèi)的平均雨量。筆者所采用的水文站點(diǎn)資料見表1，徑流和輸沙資料來源于《黃河流域水文年鑒》，降雨數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心(https:∥data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

筆者主要采用線性趨勢法、非參數(shù)Mann- Kendall(MK法)趨勢檢驗(yàn)法、Sen斜率估計(jì)法、BFAST檢驗(yàn)及水沙關(guān)系曲線等方法。MK法適用范圍廣，定量化程度高，且理論意義明確，是當(dāng)下水文氣象研究中常用的時(shí)間序列檢驗(yàn)方法[12-13]。Sen斜率估計(jì)法能降低或避免數(shù)據(jù)缺失及異常對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響[14]。雙累積曲線是在直角坐標(biāo)系中2個(gè)不同變量同期內(nèi)連續(xù)累加值所構(gòu)建的關(guān)系曲線，常用于水文氣象要素長期演變趨勢及一致性的檢驗(yàn)分析[15]。

表1 黃河上游水文站的基本信息Tab.1 General information of hydrological stations in theupper stream of the Yellow River

BFAST作為時(shí)間序列分解方法，能夠有效地解析長時(shí)間序列的周期變化、趨勢特征等，最早被用于分解季節(jié)性的遙感影像特征，并廣泛用于氣象、水文等領(lǐng)域[16]。筆者采用BFAST方法識別不同水文站月徑流、輸沙的突變特征，并在R軟件中實(shí)現(xiàn)。BFAST將時(shí)間序列迭代分解為季節(jié)項(xiàng)、趨勢項(xiàng)以及殘差項(xiàng)：

Yt=Tt+St+φt,t=1,…,n。

(1)

式中：Yt為t時(shí)刻觀測數(shù)據(jù)；Tt、St和φt分別為長期趨勢項(xiàng)、季節(jié)項(xiàng)和殘差項(xiàng)；t為觀測時(shí)刻。

同時(shí)采用水沙關(guān)系曲線，研究徑流量和輸沙量之間的關(guān)系[17]。該變化曲線為冪函數(shù)：

Qs=aQb。

(2)

或者兩邊同時(shí)取對數(shù)，則表示為

lgQs=lga+blgQ。

(3)

式中：Qs為輸沙率(單位時(shí)間內(nèi)的泥沙通量)，kg/s；Q為流量，m3/s；a和b為擬合系數(shù)。高lga反映流域內(nèi)可搬運(yùn)泥沙增多，導(dǎo)致泥沙供給量增大。對于某一個(gè)特定流域而言，lga隨時(shí)間變化，與人為活動過程有密切聯(lián)系。b為雙對數(shù)水沙關(guān)系曲線的斜率，其值越高反映水流挾沙能力越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水沙變化趨勢

對黃河上游4個(gè)水文站的年徑流輸沙序列進(jìn)行線性趨勢分析(圖2)，可知各站徑流量和輸沙量變化均呈減少趨勢，尤其是從1969年開始較為明顯。所有水文站點(diǎn)的徑流量和輸沙量實(shí)測值顯示1956—1968年的徑流量與輸沙量變化相對穩(wěn)定，而在1969年之后開始減少，且輸沙量變化更為劇烈。與1956—1968年比較，近10a (2008—2017年)河流徑流量減少幅度較小，輸沙量變化幅度較大。1956—1968年期間，貴德、循化、蘭州3個(gè)站點(diǎn)的年平均輸沙量分別為0.232億、0.416億和1.198億t；而近10年來3個(gè)站點(diǎn)的年平均輸沙量分別為0.009億、0.017億和0.144億t，分別銳減至1956—1968年的4.00%、3.97%和12.03%。輸沙量的銳減主要是黃河上游梯級水庫建設(shè)運(yùn)行的結(jié)果。然而近10 a來唐乃亥站的年平均輸沙量為0.109億t，僅減少至1956—1968年的79.46%，這與河源至唐乃亥區(qū)間無大型水利工程等人類活動影響密切相關(guān)[6]。

圖2 黃河上游年徑流量和輸沙量變化趨勢分析Fig.2 Trend analysis for annual runoff and sediment load in the upper stream of the Yellow River

對各站點(diǎn)水沙序列進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)和Sen斜率估計(jì)分析(表2)，可知在研究時(shí)段內(nèi)黃河上游除唐乃亥站外各站點(diǎn)的水沙減少趨勢均達(dá)顯著水平(P<0.05)，其中循化站年輸沙量減少趨勢最顯著。Sen斜率反映各站點(diǎn)年徑流量和年輸沙量的年均變化幅度[14]，黃河上游各站點(diǎn)徑流量與輸沙量的年均變化幅度自上游至下游沿程依次增大，但徑流量的年均變化不明顯，其減幅均<1.0億m3；而河流輸沙量的年均變化幅度較大，其最大值出現(xiàn)在蘭州站(0.013億t)，約為唐乃亥站(0.000 4億t)的32倍，這在一定程度上反映唐乃亥至蘭州區(qū)間產(chǎn)沙量大幅度減少。

表2 黃河上游水沙年際變化趨勢分析Tab.2 Trends analysis of annual runoff and sediment load in the upper stream of the Yellow River

3.2 水沙突變特征

圖3為黃河上游循化和蘭州2個(gè)水文站點(diǎn)的BFAST檢驗(yàn)結(jié)果。由圖3中季節(jié)項(xiàng)和趨勢項(xiàng)可知各水文站點(diǎn)的突變時(shí)間與黃河上游劉家峽、龍羊峽建庫運(yùn)行時(shí)間一致。各站點(diǎn)的徑流量突變年份較為一致，分別在1968和1986年左右發(fā)生減少突變；而輸沙量突變年份差異較大，其中蘭州站年輸沙量在1969年發(fā)生減少突變，而循化站于1986年發(fā)生減少突變。

圖3 黃河上游水沙變化BFAST檢驗(yàn)分析Fig.3 BFAST test analysis for runoff and sediment load in the upper stream of the Yellow River

以突變點(diǎn)前研究時(shí)段為基準(zhǔn)期，突變點(diǎn)后研究時(shí)段為變化期，結(jié)合各站點(diǎn)徑流輸沙突變點(diǎn)將水沙時(shí)間序列劃分為1956—1968、1969—1986和1987—2017年3個(gè)時(shí)段。與基準(zhǔn)期1956—1968年比較，各站徑流量變化不大，最高減幅20%；輸沙量變化較為強(qiáng)烈，其中1969—1986年唐乃亥、貴德以及循化增幅4%～33%，而蘭州減幅>58%，1987—2017年除唐乃亥之外，貴德、循化以及蘭州減幅均達(dá)>70%。

3.3 上游干流水沙關(guān)系變化

Qs: 輸沙率 Sediment transport rate, kg/s; Q: 流量 Water discharge, m3/s圖4 黃河上游4個(gè)水文站點(diǎn)水沙關(guān)系曲線Fig.4 Water discharge-sediment relationship curve at 4 stations along the upper stream of the Yellow River

根據(jù)BFAST檢驗(yàn)結(jié)果，在突變年前后，除唐乃亥站之外，其余3站的水沙關(guān)系均發(fā)生明顯變化(圖2)。因此利用水沙關(guān)系曲線進(jìn)一步分析黃河上游各站點(diǎn)不同時(shí)段月尺度的水沙關(guān)系變化(圖4)，可見唐乃亥站的水沙關(guān)系在3個(gè)時(shí)段內(nèi)變化不大；貴德站和循化站1987—2017年水沙關(guān)系點(diǎn)據(jù)基本上處于1956—1968年和1969—1986年的下方，表明在同等徑流條件下，輸沙率明顯減少；蘭州站的輸沙率1987—2017年較1956—1968年略有增加。

如表3所示，1956—2017年，唐乃亥站lga與b值以及R2變化不明顯，表明黃河源區(qū)受氣候變化和人類活動的影響較小。貴德站和蘭州站的lga持續(xù)下降，b值持續(xù)增加，表明泥沙供給量減少，河流侵蝕能力增強(qiáng)，這是黃河上游大量泥沙被攔蓄的結(jié)果。循化站的變化正好相反，lga持續(xù)增加，b值持續(xù)下降，表明泥沙供給量增加，河道淤積導(dǎo)致輸沙能力下降。1956—1986年上游水沙關(guān)系R2相對較高，而1987—2017年水沙關(guān)系R2較低，這可能是梯級水庫建設(shè)運(yùn)行的結(jié)果。

表3 4個(gè)水文站點(diǎn)不同時(shí)期的輸沙率參數(shù)Tab.3 Sediment rating parameters for different periods at 4 hydrological stations

3.4 水沙變化驅(qū)動因素分析

流域水沙變化是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果[7]。為量化分析黃河上游蘭州斷面以上區(qū)域水沙變化成因，結(jié)合各站點(diǎn)水沙突變分析結(jié)果，采用年降水量- 年徑流量和年降水量- 年輸沙量雙累積曲線方法(圖5)分析氣候變化和人類活動對黃河水沙變化的影響。

研究結(jié)果(表4)顯示，突變后不同時(shí)段內(nèi)，人類活動對蘭州斷面以上輸沙量減少貢獻(xiàn)率分別為98.80%和98.28%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降水對輸沙量減少的貢獻(xiàn)；人類活動對徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為63.10%、77.61%，說明人類活動為黃河上游水沙變化的主要驅(qū)動因素。由此可見，不同時(shí)段內(nèi)人類活動對黃河上游蘭州斷面以上區(qū)域徑流輸沙減少始終占據(jù)主導(dǎo)地位，梯級水庫、梯田、淤地壩等水利水土保持措施的減水減沙作用顯著[18-20]。

4 討論

據(jù)有關(guān)研究[21]表明，近年來黃河上游地區(qū)降水總體上呈不顯著增加趨勢，氣溫和蒸發(fā)量呈顯著增加趨勢，這與黃河上游地區(qū)水沙減少密切相關(guān)。大規(guī)模的水土保持措施、生產(chǎn)生活耗水以及水利工程建設(shè)等人類活動也與黃河水沙變化密切相關(guān)。

P、SQ和SS分別為年降水量、年徑流量和年輸沙量。P, SQ and SS refers to annual precipitation, annual runoff, and annual sediment, respectively.圖5 基于雙累積曲線方法的人類活動對黃河上游水沙變化的影響Fig.5 Effect of human activities on variation in runoff and sediment load of the upper stream of the Yellow River estimated using double mass curves

表4 黃河上游降水與人類活動對水沙減少的貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of rainfall and human activities on the runoff and sediment load reduction in theupper stream of the Yellow River

圖6顯示水庫聯(lián)合調(diào)度下貴德站和蘭州站水沙變化情況：黃河上游梯級水庫的蓄水?dāng)r沙作用可能是月徑流量和輸沙量發(fā)生劇烈變化的主要原因[18]，水庫在雨季蓄水，在旱季以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，從而在很大程度上降低洪峰流量；此外，上游梯級水庫的建設(shè)運(yùn)行與各水文站點(diǎn)徑流輸沙突變時(shí)間一致，劉家峽水庫自1968年運(yùn)行以來泥沙逐年淤積，至1986年已淤積泥沙約10億t，1986年以后持續(xù)淤積，截至2003年淤積泥沙約16億t；龍羊峽水庫1986年建庫運(yùn)行以來約淤積泥沙3.5億t，表明水庫運(yùn)行過程中大量泥沙被攔截，水沙關(guān)系發(fā)生顯著改變[22]。

圖6 水庫建設(shè)影響下的貴德站和蘭州站的月徑流量與月輸沙量變化Fig.6 Monthly runoff and sediment load at Guide and Lanzhou stations associated with reservoirs construction

20世紀(jì)60年代以前黃河流域徑流量和輸沙量基本處于自然變化狀態(tài)，受人類活動影響較小[11]。然而，據(jù)有關(guān)研究[19-20]表明，70年代后黃河上游湟水與洮河2大支流梯田比例分別為6.1%和5.3%，其減沙量達(dá)到0.21億t；淤地壩骨干壩178座，中小型壩531座，年均攔沙量達(dá)到651萬t。大規(guī)模的水土保持保持措施(梯田、淤地壩等)等在一定程度上改變地表產(chǎn)匯水、泥沙輸移過程，有效地改善流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境以及下墊面特征，顯著降低流域水土流失，從而導(dǎo)致河流水沙減少[20,23]。

5 結(jié)論

黃河上游4個(gè)水文站點(diǎn)的水沙變化均呈減少趨勢，除唐乃亥站外，其余站點(diǎn)均達(dá)到95%的顯著水平。循化站年輸沙量的減少最為劇烈。徑流量、輸沙量及其年均變化幅度沿程依次增大，徑流量年均減幅均小于1.0億m3；輸沙量年均減幅較大，其最大值出現(xiàn)在蘭州站(0.013億t)，約為唐乃亥站(0.000 4億t)的32倍。

流域內(nèi)水沙變化的突變年份多發(fā)生在1968年、1986年，與黃河上游大型水利工程(劉家峽、龍羊峽等水庫)的運(yùn)行時(shí)間相吻合。以突變點(diǎn)之前為基準(zhǔn)期，研究表明，河流徑流量變化不大，最高減幅20%；而輸沙量變化較為強(qiáng)烈，1987—2017年貴德、循化及蘭州等水文站點(diǎn)減幅均>70%，表明水庫運(yùn)行對黃河水沙情勢與水沙關(guān)系調(diào)控作用顯著。

唐乃亥站在3個(gè)時(shí)期內(nèi)水沙關(guān)系變化不大。1986年之后，研究區(qū)內(nèi)河流輸沙量顯著減少，水流挾沙能力增強(qiáng)，同時(shí)水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。不同時(shí)段內(nèi)，人類活動對蘭州斷面以上區(qū)域徑流量和輸沙量減少貢獻(xiàn)率均遠(yuǎn)高于降水對徑流輸沙減少的貢獻(xiàn)，說明人類活動為黃河上游水沙變化的主要驅(qū)動因素。大規(guī)模的水土保持措施，有效改善地表下墊面情況，從而改變地表匯水輸沙過程，而水庫等水利工程攔蓄大量泥沙，使下游站點(diǎn)輸沙量大幅減少。