氣候變化與人類活動雙重驅動下小河流域水沙變化特征研究

戴紅梅，孫維紅

摘要：為揭示氣候變化與人類活動雙重驅動下小河流域水沙演化特征，利用Manner-Kendall檢驗法、滑動T法和累計距平曲線法，分析了黃河流域涇河水系茹河一級支流小河黃家河水文站1981～2017年降水量、徑流量、輸沙量變化趨勢與突變年份。通過趨勢及突變檢驗將徑流、輸沙序列劃分為天然基準期和人類活動影響期，定量分析了氣候變化和人類活動對徑流、輸沙量的影響貢獻率。結果表明：1981～2017年小河流域實測徑流量、天然徑流量與輸沙量均呈顯著下降趨勢，平均減少速率分別為33.25萬m3/a，27.611萬m3/a，14.905萬t/a，降水量呈增加趨勢，平均增加速率為0.620 9 mm/a。小河流域徑流量、輸沙量均在2003年左右發生了由多到少的突變，實測徑流量、天然徑流量、輸沙量突變年份前后10 a均值變幅分別為72%，62%，81%。人類活動是造成小河流域黃家河水文站天然徑流量、輸沙量減少的主要原因，人類活動對天然徑流量變化的貢獻率為88.8%～112.0%，對輸沙量變化影響的貢獻率為96.5%～116.0%。

關鍵詞：變化趨勢； 氣候變化； 人類活動； 徑流； 泥沙； 小河流域； 黃河流域

中圖法分類號：TV213.9文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.004

文章編號：1006-0081（2023）09-0020-09

0引言

河流水沙過程具有多重屬性，對于流域的地貌系統結構、生態系統功能具有重要作用［1］。研究表明，在氣候變化和人類活動耦合作用下，眾多江河水文情勢發生了顯著變化，流域水循環及水沙平衡發生了重大改變，全球許多河流入海徑流、泥沙量都呈不同程度的減少趨勢，由此產生了一系列水資源、水災害和水環境問題［2-5］。目前，時間序列的多種分析方法被用來量化評估人類活動和氣候變化對河流徑流量、輸沙量變化的影響程度，河流長系列水沙演化特征及其驅動因素研究已成為國內外學者關注的重要課題［6-8］。

黃河流域生態保護和高質量發展已上升為新時代國家重大戰略［9］，黃河流域水沙演化特征及其影響因素驅動機制直接影響流域生態保護對策、布局及高質量發展的可持續性支撐［10-11］。黃土高原是世界水土流失問題最嚴重的地區之一，是中國生態環境最為脆弱的地區之一，也是黃河泥沙的主要來源［12］。黃土高原地區水沙演變規律及其成因分析越來越受到廣泛關注。馬耘秀等［13］通過研究黃土高原地區汾河上游水沙的演變規律，認為流域徑流量和輸沙量均呈減少趨勢，輸沙量的減少程度大于徑流量的減少程度，且土地利用變化是流域水沙變化的主導因素。魏曉婷等［14］研究發現，人類活動對春、夏、秋和冬季涇河徑流變異的貢獻率分別為50.40%，89.69%，39.14%和84.59%，在夏季和冬季人類活動（主要是水土保持措施的不斷深入）對涇河徑流變異的貢獻占主導地位。李曉樂等［15］研究了黃土高原無定河流域及其支流大理河流域輸沙量變化及減沙貢獻率，認為人類活動是輸沙量減少的主要原因，極端降雨條件下，水土保持措施能夠有效減少輸沙量。

本文以黃土高原區涇河水系茹河一級支流小河流域為例，在趨勢分析與突變檢驗的基礎上，采用雙累積曲線法定量分析1981～2017年氣候變化和人類活動對小河流域徑流量、輸沙量影響的貢獻率，以期為該地區中小流域水資源保護與水生態文明建設提供參考。

1研究區概況

小河為黃河流域涇河水系茹河的一級支流，發源于甘肅省環縣毛井鄉墩墩灣，河長74.6 km，河道平均比降30.7‰，流域總面積為1 127 km2。小河主河道從上游至下游分別有王洼溝、母家溝、干溝河、川口河和槐溝河5條較大支溝匯入，其中黃家河水文站上游有王洼溝和母家溝匯入。流域設有黨家溝、官廳、王洼、石岔、共和、馬坪等雨量站點，1981年設站并觀測至今，站網密度77 km2/站。流域多年平均水面蒸發量（E601型）1 000 mm，干旱指數為2.2，屬半干旱區。小河流域見圖1。

黃家河水文站位于固原市原州區河川鄉黃家河村（東經106°28′47.6″，北緯35°59′28.6″），是小河中上游區域代表站。該站設立于1981年1月1日，測驗斷面以上集水面積為693 km2，至河源30.8 km，流域為黃土丘陵溝壑區，植被差，水土流失嚴重。

小河流域共建有中型水庫2座（廟臺水庫和石頭崾峴水庫），小型水庫14座，水保骨干壩59座。其中，黃家河水文站以上中型水庫1座（廟臺水庫），集水面積87.5 km2，庫容1 575萬m3；小型水庫7座，集水面積45.06 km2，總庫容788.7萬m3；水保骨干壩34座，集水面積141.35 km2，總庫容2 418.32萬m3。

2研究數據與方法

2.1研究數據

對流域內黨家溝、官廳、王洼、石岔、馬坪、黃家河等雨量站1981～2017年資料進行統計。黃家河水文站1981年設站至2017年，實測多年平均徑流量為976.06萬m3，徑流深14.1 mm。由于實測系列年內流域水庫及水保骨干壩工程建設較多，對流域徑流影響較大，故需對實測資料進行還原，將其還原為天然徑流量。用黃家河水文站流域面積減去上游不同年份建設的水庫、水土保持骨干壩面積，求得實際產流面積，然后用逐年徑流量除以實際產流面積求得徑流深，最后再用徑流深乘以黃家河水文站流域面積求得天然徑流量。經還原黃家河站1981～2017年徑流量為1 112.31萬m3，徑流深16.0 mm。

2.2研究方法

本研究采用線性趨勢法［16］、Mann-Kendall秩相關檢驗法［17］（簡稱MK法）進行趨勢分析，采用Theil-Sen法進行坡度檢驗［18］；采用滑動T法［19］、累計距平曲線法［20］進行突變檢驗；采用雙累積曲線法［21］分析不同時期氣候變化和人類活動對徑流量、輸沙量影響的貢獻率。

2.2.1MK趨勢檢驗和Theil-Sen坡度檢驗法

Mann-Kendall檢驗又稱MK趨勢檢驗法［17］，是世界氣象組織（WMO）推薦并已被廣泛使用的一種非參數檢驗方法，該方法的優點是不需要待檢序列遵從一定的分布。對于長度為n的時間序列X={x1，x2，…，xn}，定義統計量S為

S=∑i＜jaij（1）

其中aij=signxj－xi=1，xi＜xj

0，xi=xj

－1，xi＞xj（2）

假設各變量獨立同分布，當n≥10，則統計量S近似服從正態分布，其均值E（S）=0，其方差為

var（S）=n（n-1）（2n+5）/18（3）MK檢驗統計量可用下式計算：

Z=S－1var（S），S＞0

0，S=0

S+1var（S），S＜0（4）

當Z＞0時，存在上升的趨勢；當Z＜0時，存在下降的趨勢。如果Z＞Z（1-α/2），即認為序列增大或減小的趨勢顯著，本研究中顯著性水平α取0.05，對應的Z（1-α/2）值為1.96。

Theil-Sen坡度檢驗法的基本原理是［18］：設水文序列為x1，x2，…，xn，n為時間序列的長度，其中xj和xi分別為j，i年相應的水文觀測值，且j＞i，β表示坡度值。

β=medianxj－xij－i（5）

2.2.2突變檢驗

滑動T檢驗［19］考察兩個樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變點。從總體中分別抽取樣本容量n1和n2，定義統計量：

T=x1－x2S1n1+1n2（6）

式（6）服從自由度（n1+n2-2）的t分布，比較T與臨界值可判定統計顯著性。該方法的缺點是子序列時段的選擇具有人為性。為避免任意選擇子序列長度造成突變點的漂移，具體使用這一方法時，可以反復變動子序列長度進行比較，提高計算結果的可靠性。

累積距平法［20］是由曲線直觀判斷離散數據點變化趨勢的一種非線性統計方法。其計算過程為先計算每年觀測數據的距平值，然后按時序逐年累加，得到累積距平值隨時間的變化過程。對于序列x，其某一時刻t的累積距平值Xt為

Xt=∑ti=1xi－x（t=1，2，…，n）（7）

式中：xi為i時刻序列值，x為序列均值。若累積距平曲線呈上升趨勢，表示距平值增加；反之，距平值減??；趨勢的轉折點即為突變點。

2.2.3雙累積曲線法

雙累積曲線是一種廣泛應用于估算降水和人類活動對徑流、輸沙影響的方法［21-22］，具有簡單、直觀等優點。通過突變檢驗識別水文序列的突變點，通常將發生突變前的時段作為“天然基準期”，建立累積降水量與累積徑流或輸沙量的線性回歸方程，將突變后“人類活動影響期”的降水量代入回歸方程中估算未受到人為活動影響的徑流量或輸沙量，從而計算降水及人類活動對水沙變化的貢獻率。

3水沙系列基本數據特征

黃家河水文站1981年設站至2017年，實測多年平均徑流量為976.06萬m3，徑流深14.1 mm，最大徑流量3 031.0萬m3（1996年），最小徑流量213.1萬m3（2011年），極值比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年小河流域黃家河水文站年降水量、年徑流量、年輸沙量數據特征見表1。由表1可見，降水量離勢系數較小，數據系列年際變化較??；輸沙量離勢系數最大，說明輸沙量年際變化較大。偏態系數Cs＞0，表明均值在眾數之右，降水量、徑流量、輸沙量序列都是右偏分布；Cs值越大，均值對應的頻率越小，頻率曲線的中部越向左偏，且上段越陡，下段越緩。輸沙量峰度系數CE較大，表明兩側極端數據分布范圍較廣；降水量峰度系數小于零，表示該數據系列分布與正態分布相比較為平坦，為平頂峰，其他3個序列峰度系數大于0，表示數據系列分布與正態分布相比較為陡峭，為尖頂峰。

4變化趨勢分析

1981～2017年小河黃家河水文站降水量、徑流量、輸沙量年際變化趨勢見圖2，線性趨勢分析結果見表2?？傮w上，1981～2017年小河實測徑流量、天然徑流量、輸沙量均呈下降趨勢，平均減少速率分別為33.25萬m3/a、27.611萬m3/a、14.905萬t/a，降水量呈增加趨勢，平均增加速率為0.620 9 mm/a；對線性趨勢方程進行顯著性檢驗，結果表明徑流量與輸沙量均達到顯著性水平（p＜0.05），降水量未通過顯著性檢驗。

小河流域黃家河水文站在1981～2017年的多年平均天然徑流量為1 112.31萬m3。由圖2（a）可知，年天然徑流量最大值出現在1996年，為3 239萬m3，最小值出現在2005年，為312.8萬m3，分別為多年平均值的2.91倍和28.1%。多年平均實測徑流量為976.06萬m3，最大值出現在1996年，為3 031萬m3，為多年平均值的3.11倍；最小值出現在2011年，為213.1萬m3，為多年平均值的21.8%。由圖2（b）可見，小河流域黃家河水文站在1981～2017年的多年平均輸沙量為373.74萬t，年輸沙量最大值出現在1996年，為1 630萬t，為多年平均值的4.36倍；最小值出現在2017年，為9.5萬t，為多年平均值的2.5%。

為降低極端值的影響，采用Theil-Sen法計算降水量、實測徑流量、天然徑流量、輸沙量變化趨勢坡度β分別為0.106 6 mm/a，-29.855萬m3/a，-26.25萬m3/a，-12.62萬t/a，變化率的絕對值均小于表2中的線性趨勢方程的斜率絕對值。Theil-Sen法第一步先計算任意兩點之間的斜率，然后再取中位數來代表平均變化速率，這樣就消除了時間序列中極大值與極小值的影響，得到的變化趨勢比線性趨勢法更平穩。

5突變分析

5.1累積距平法突變分析

采用累積距平法繪制1981～2017年小河黃家河水文站逐年徑流量、輸沙量累計距平曲線，如圖3所示。由圖3可見，徑流量、輸沙量累計距平大致表現為4個變化階段：1981～1993年徑流量累計距平值在震蕩中呈緩慢上升趨勢；1994～1997年出現明顯的上升趨勢；1998～2003年小幅波動；2004～2017年呈線性減少趨勢。綜合分析累計距平曲線可見，小河黃家河水文站實測徑流量、天然徑流量、輸沙量的突變點為2003年，徑流量、輸沙量均發生了由多到少的突變。

5.2滑動T法突變分析

采用滑動T法對1981～2017年小河黃家河水文站徑流量、輸沙量進行突變分析，如圖4所示。進行滑動檢驗時，分別取步長n=2，…，20。結果顯示，n大于8時，實測徑流量、天然徑流量、輸沙量滑動T統計量均通過p=0.01顯著性檢驗，有一個突變點，突變年份為2003年。

5.3突變年份與變幅

綜上可見，累積距平法與滑動T法的結論基本一致，小河黃家河水文站實測徑流量、天然徑流量、輸沙量突變年份均為2003年左右，發生了由多到少的突變；徑流量、輸沙量37 a均值、突變年份前/后10 a均值、突變年份前后10 a均值的變幅計算結果見表3。

由表3可見，天然徑流量變幅最小，突變年份前后10 a均值減少了1 073萬m3，變幅約為突變年份前10 a均值的62%；輸沙量變幅最大，突變年份前后10 a均值減少了578萬t，變幅約為突變年份前10 a均值的81%。

6氣候變化與人類活動對小河流域水沙演化的貢獻率6.1徑流量

由突變檢驗分析（圖3～4）可見，小河黃家河水文站徑流量有1個突變點（2003年）。因此，假定1981～2003年時間段是受人類活動影響相對較小的“天然基準期”，構建該時期的降水量－天然徑流量雙累積曲線關系，來定量分析氣候變化與人類活動對徑流量變化的影響。圖5（a）為小河黃家河水文站1981～2003年降水量和天然徑流量雙累積相關關系，相關系數達0.990 5，相關程度較高。將2004～2017年累積降水量數據代入雙累積曲線關系式，計算“人類活動影響期”在假設人類活動條件與1981～2003年相近條件下的累積徑流量，記為R擬合，R擬合與天然累積徑流量R天然對比如圖5（b）所示。

人類活動對地表徑流量變化的影響可劃分為兩類：① 人類水資源開發利用活動的直接影響；② 下墊面漸變累積而形成的間接影響。1981～2003年作為基準期，將2004～2010年、2011～2017年不同時期的模擬徑流量與基準期的天然徑流量相比較，將不同時期的模擬徑流量與同期的天然徑流量相比較，可得到降水和下墊面狀況變化對徑流量變化的影響（表4）。

由表4可見，人類活動對黃家河水文站徑流量的直接影響呈現較小-變大-減小的趨勢，2004年以來下墊面對徑流量的影響大于人類活動的直接影響（耗水量）。人類活動的直接影響與人類活動的間接影響同時造成了河黃家河水文站徑流量減小。由表4還可以看到，與氣候變化相比，人類活動是造成小河流域小河黃家河水文站徑流量變化的主要因素，影響貢獻率在88.8%～112.0%之間。

6.2輸沙量

由突變檢驗分析（圖3～4）可見，小河黃家河水文站輸沙量在2003年有1個突變點。假定1981～2003年間是受人類活動影響相對較小的基準期，通過比較擬合值與實測值（圖6，表5），2004～2010年氣候變化、人類活動對輸沙量影響的貢獻率分別為3.5%，96.5%，2011～2017年分別為-16.0%，116.0%。由表5可見，與氣候變化相比，人類活動是造成小河流域黃家河水文站輸沙量減少的主要因素。比較表4與表5還可以看出，與徑流量相比，人類活動對輸沙量的影響更大。

7討論

7.1氣候變化

馬煜［23］利用1957～2016年固原市原州區的降雨資料，通過對小降雨特征進行分析，結果表明：該地區的降雨年際變化整體呈現出增加的趨勢，0～4 mm、4～8 mm和12～16 mm的降雨量呈現出增加的趨勢，8～12 mm的降雨量呈現出減少的趨勢，但變化趨勢均未達到統計學顯著性水平。王充等［24］通過分析1952～2018年固原市西吉縣降水數據，認為西吉縣的降水量基本保持穩定，全年、春季、秋季、夏季、汛期降水量變化趨勢均未通過顯著性檢驗。以上文獻均支持本研究的結論。

流域內降水是產生徑流根本原因，是產生泥沙侵蝕的動力來源。氣候變化會引起流域水文過程的變化，導致水沙資源在時間和空間的重新分配［25-27］。隨著社會經濟的快速發展和城市化建設的不斷推進，人類活動對流域水文過程產生的影響日益加劇，造成水文循環過程在時空分布格局及數量上發生不可忽視的改變［28-30］。因此，在生態脆弱、人類活動強度較大的區域，氣候變化對流域水沙過程的影響與人類對水文條件的影響相比，表現的更不明顯。

7.2人類活動

林草植被不僅可以含蓄降水，平穩徑流，還能夠有效保持土壤，減輕水土流失，森林植被通過林灌層、枯枝落葉層的截流作用和樹木根系的固土作用，大大削減降雨動能，減少地表徑流，從而減輕或避免了土壤侵蝕［31-33］。實踐證明，實施退耕還林還草、修建水土保持骨干壩等水土保持工程，在有效削減洪峰徑流的同時，還可以大量減少土壤流失［34-36］。

2001～2004年小河流域實施了水土保持生態工程一期，2005～2009年實施第二期，兩期工程共平整梯田7 897.44 hm2、種樹種草13 202.36 hm2、修建水保骨干壩34座［37］，梯田與植被的攔水、攔沙能力增強，區間產生的徑流、泥沙被水土保持骨干壩攔蓄，上游水保治理工程逐漸發揮效益，造成2004年以來徑流量、水土流失量銳減。

2000年，固原市原州區啟動了退耕還林還草工程。截至2003年，全區共退耕還林還草面積41 666.67 hm2，其中生態林31 531.59 hm2，經濟林859.02 hm2，還草9 276.0 hm2。造林樹種有華北落葉松、油松、刺槐等喬木林，檸條、沙棘、山桃、山杏等水土保持灌木林，種草則以紫花苜蓿為主［38］。以上措施均支持本研究關于2003年左右小河流域徑流量、輸沙量發生了由多到少突變的結論。

據李蕾等［38］測算，原州區坡耕地退還林草植被后，每年可保持土壤155.45萬t。不同林草植被具有不同的土壤保持功能。其中，土壤保持總量最大的為灌木林，主要是因為原州區為半干旱草原地帶，灌木林為當地最適宜的造林植被，其面積在退耕還林規劃中占相當大的比例，在土壤保持中發揮了最大的作用。

8結論

（1） 1981～2017年小河流域黃家河水文站實測徑流量、天然徑流量、輸沙量均呈顯著下降趨勢，平均減少速率分別為33.25萬m3/a、27.611萬m3/a、14.905萬t/a，降水量呈增加趨勢，平均增加速率為0.620 9 mm/a；變化趨勢坡度β分別為-29.855萬m3/a、-26.25萬m3/a、-12.62萬t/a、0.106 6 mm/a。

（2） 1981～2017年小河流域黃家河水文站實測徑流量、天然徑流量、輸沙量都有1個突變點，突變年份均為2003年左右，發生了由多到少的突變，突變年份前后10 a均值分別減少了1 128萬m3、1 073萬m3、578萬t，變幅分別為72%，62%，81%。

（3） 人類活動是造成小河流域黃家河水文站天然徑流量、輸沙量減少的主要原因，人類活動對天然徑流量變化的貢獻率為88.8%～112.0%；人類活動對輸沙量變化影響的貢獻率為96.5%～116.0%。

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（編輯：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