近50年延河流域水沙变化特征及其原因分析_任宗萍

中图分类号：S157； P467
文献标识码：A
文章编号：1000-0852(2012)05-0081-06
河流系统是气候变化和人类活动等因素共同作用 的动态系统， 水沙变化是该系统最为活跃的部分。 河 流水沙变化研究为土壤侵蚀和河道泥沙沉积提供了重 要信息， 是河流系统重要的研究内容。 在全球持续变 暖的背景下， 自然变化以及人类活动对黄土高原土壤 侵蚀的影响， 乃至黄河流域水沙的影响是目前研究的 一 个 新 课 题 [1-3]。
图 1 延河流域 1961~2008 年实测降水量 Fig.1 The observed annual precipitation in the Yanhe river basin
from 1961 to 2008
Fig.2
图 2 甘谷驿站 1961~2008 年实测径流量 The observed annual runoff at the Ganguyi station
n-1 n
S=ΣΣSgn(xj -xk ) k = 1 j=k+1
其中，
ΣΣ+1
Σ
，
(xj
-xk
)>0
Σ
Sgn(xj
-xk
)
0ΣΣ
Σ Σ
，
(xj
-xk
)=0
Σ
-1 Σ
ΣΣ
，
Σ
(xj
-xk
)<0
S为正态分布，其均值为 0，方差 Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，
当 n>10 时，标准的正态统计量通过下式计算：
对应的时刻便是突变点的开始时间。
双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及其
变化的方法。 双累积曲线就是在直角坐标系中绘制同
期内两个变量连续累积值的关系线，它可以用于水文
气象要素一致性的检验、 缺值的插补或资料校正，以
及水文要素的趋势变化及与强度的分析[13]。
3 结果与讨论
3.1 流域降水量、径流量和输沙量特征分析 河流的径流量与流域降水量密不可分，在不受人类
析了延河流域水沙变化特征及其变化原因。 本研究不 仅对该区水土流失治理、 水土保持效益评价具有重要 意义， 也对分析黄土高原水沙锐减的原因提供一定的 理论支持。
1 研究区概况
延河流域位于黄河中游河口镇—龙门区间，是黄 河的一级支流，发源于陕西省靖边县周山，从西北向 东南流经志丹、安塞、延安三市县，于延长县南河沟乡 凉水岸附近汇入黄河。 延河全长 286.9 km，流域总面 积 7 725 km2，主要支流有杏子河、西川、蟠龙川和南川 等。 该流域属暖温带大陆性半干旱气候， 多年降水 量 514 mm，年平均气温约 9.3℃。 流域以黄土丘陵沟 壑地形为主，沟壑平均密度为 4.75 km/km2，占 流 域 面 积的 90%， 土壤类型以抗蚀性较差的黄绵土为主，植 被属于森林灌丛草原。 根据近 50 年的实测资料，延河 多 年 平 均 径 流 量 为 2.05×108 m3， 多 年 平 均 输 沙 量 为 0.411×108t。
平均
年 径 流 量/108m3
标准差
变差系数
2.53
1.05
0.4
1.98
0.74
0.3
2.16
0.50
0.2
1.94
0.59
0.2
1.54
0.50
0.2
2.05
0.75
0.3
年 输 沙 量/108t
平均
标准差
变差系数
0.65
0.50
0.8
0.41
0.37
0.6
0.34
0.22
0.8
0.39
0.28
流域 1961~2008 年面平均降水量及其变化如图 1 所示，在整个时间序列中，降水量整体上呈现减少趋 势， 且年均递减系数为-2.34 mm·a-1。 降水量 MannKendall 秩相关系数 （-2.05） 通过信度 95%的显著检 验，说明随着时间的变化，降水量呈减少趋势，且趋势 显著。 图 2 给出了延河流域甘谷驿站 1961~2008 年的 年径流量系列值及线性拟合关系， 由图 2 可以看出， 整体上呈减少趋势。 径流量的 M-K 检验（-2.46）达到 0.05 显著水平，年平均递减量为 1.97×106m3。 延河流域 甘 谷 驿 站 1961~2008 年 的 年 输 沙 量 整 体 呈 减 少 趋 势
0.6
0.19
0.22
0.8
0.41
0.36
0.6
第5期
任宗萍等：近 50 年延河流域水沙变化特征及其原因分析
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差为 104.3。 代际间，以 60 年代降水量最大，以后呈现 递减趋势，且 90 年代降水量达到最低。 除 60 年代，降 水量在各年代相差不大； 延河流域多年平均径流量 2.05×108m3，标准差为 0.75。 代际间，同样以 60 年代的平 均径流量最大，以后各年代径流量逐渐减少，且在 2000 年以后达到最低，仅为 1.54×108 m3；延河流域多年平均 输沙量 0.41×108t，代际间流域输沙量呈减少趋势，在 60 年代， 延河流域输沙量最大， 每年的平均输沙量为 0.65×108t，而 2000 年以后每年的平均输沙量仅为 0.19×108t。
第32卷 第 5期 第2051期2年10月
水文 JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY
Vol．32 No．5 Oct．, 2012பைடு நூலகம்
近 50 年延河流域水沙变化特征及其原因分析
任宗萍 1， 张光辉 1,2 ， 杨勤科 3
（1.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875； 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；
活动影响前提下，河流径流量的大小由降水量大小决定， 同时径流量大小也影响河流输沙的大小。因此，分析河流 的水沙变化，流域降水量的变化分析同样必不可少。
延河流域水文要素代际间变化趋势分析结果见 表 1，流域 1961~2008 年年均降水量为 514.1mm，标准
表1 延河流域不同年代水文要素特征值 Table1 The characteristics of the precipitation, runoff and sediment discharge in the Yanhe river basin in various decades
流和输沙的变化趋势， 进一步检验序列突变的年
份； 采用双累积曲线来分析径流和输沙变化的主
要因素。
在 Mann-Kendall 检验中，原假设 H0 为时间序列 数 据 （x1，x2，… ，xn），是 n 个 独 立 的 随 机 变 量 同 分 布 的 样本；备择假设 H1 是双边检验，对于所有的 k，j≤n，且 k≠j，xk 和 xj 的分布是不相同的，检验的统计变量 S 计 算如下式：
1997~2008 年 径 流 量 和 输 沙 量 ， 年 均 径 流 量 分 别 减 少 0.17×108 m3 和 0.86×108 m3， 年 均 输 沙 量 减 少
0.17×108t 和 0.41×108 t。 双累积曲线分析表明，延河流域径流量和输沙量的变化主要受人类活动的影响。
关键词：水沙特征；人类活动；降水因素；延河流域
姨Var(Sk )
（k=1，2，…，n）
其中，E(Sk )=k(k+1)/4; Var(Sk )=k(k-1)(2k+5)/72
UFi 为标准正态分布，给定显著水平 α，若 UFi >Uα/2 ，
则表明序列存在明显的趋势变化。 将时间序列 x 按逆
序排列，再按照上式计算，同时使
UBk=-UFk （k=n，n-1…1），UB1=0。如果 UFk 或 UBk 两条曲线出现交点，并且交点在临界线之间，则交点
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水文
第32卷
长 4 个雨量站的实测日降水量， 甘谷驿站实测月径流
量与月输沙量。 流域月降水量采用算术平均计算[11]。 甘
谷驿水文站是流域出口控制站，布设于 1952 年，控制
面积为 5 891 km2，约占全流域面积的 76.3%。
2.2 研究方法
采 用 Mann -Kendall 检 验 [12] 延 河 流 域 降 水 、 径
系列
1961~1970 1971~1980 1981~1990 1991~2000 2001~2008 多年平均
平均 575.3 505.4 530.4 448.4 510.2 514.1
年 降 水 量 /mm 标准差 135.3 89.9 90.5 94.2 71.7 104.3
变差系数 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.2
2 资料与方法
2.1 基础数据 数据资料采用 1961~2008 年安塞、延安、志丹、延
收 稿 日 期 ：2011-08-23 基 金 项 目 ：北 京 师 范 大 学 自 主 科 研 基 金 （2009SD-6 ） 作者简介：任宗萍（1982-），女，山东潍坊人，博士生，主要研究方向为 GIS 在水土保持中的应用。 E-mail: renzongping@ 通讯作者：张光辉(1969-) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事土壤侵蚀研究。 E-mail: ghzhang@
延河流域是黄河的一级支流， 地处黄土丘陵沟壑 区 ， 土 壤 侵 蚀 严 重 [4]， 其 水 沙 变 化 在 一 定 程 度 上 代 表 了 黄河中游地区水沙变化的趋势。 20 世纪 80 年代中期 以来， 黄河中游地区入黄泥沙较以前减少近 50%，特 别是进入 2000 年以来黄河中游地区入黄泥沙较 60 年 代减少 81.8%[5-6]。 许多学者对黄河水沙减少原因进行 了研究， 但这些研究所用资料主要集中在 2000 年以 前， 受数据序列长度的影响很难反应近期的水沙变化 情况 。 [7-9] 延河流域在 20 世纪 50~60 年代就开始了水 土保持试验工作，70 年代大规模的水土保持生态治理 工作初见成效，1997 以来国家又实施了大规模的退耕 还 林 还 草 工 程[10]，因 此 ，可 以 系 统 研 究 延 河 流 域 从 60 年代到目前为止人类活动对流域水沙变化的影响。 本 文利用延河流域甘谷驿站的水文泥沙数据， 研究了近 50 年延河流域的水沙变化特征及其驱动因素，定量分