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郭城驿流域水沙演变对降水和水保措施的响应

周蕊 张富 李晓雅 靳峰 胡彦婷 赵秀兰

摘 要：為了解半干旱黄土区降水量、径流量和输沙量的演变规律，给当地水利水土保持工作提供理论支持和技术指导，以郭城驿流域为研究对象，采用泰森多边形法计算流域面平均降水量，采用Mann-Kendall检验法分析年降水量、年径流量、年输沙量的变化趋势，采用Morlet小波分析年降水量、年径流量和年输沙量的变化周期，采用多元功效函数（幂函数）模型对年径流量、年输沙量与年降水量、流域治理程度的关系进行回归分析。结果表明：1957—2016年郭城驿流域年降水量存在16～32 a、6～16 a和3～6 a等3种时间尺度的周期性变化，研究时段内整体上呈不显著减少趋势;年径流量和输沙量均存在16～32 a、6～12 a和3～6 a等3种时间尺度的周期性变化，研究时段内整体上均呈显著减少趋势，年输沙量减幅大于年径流量减幅;年径流量、年输沙量随年降水量的增加而增加，随治理程度的提高而减小，年径流量、年输沙量与年降水量、流域治理程度成较好的幂函数关系，在年降水量减少趋势不显著的情况下年径流量和输沙量显著减少的主要原因是流域治理程度大幅度提高，尤其与连台化梯田建设、造林种草密切相关。
关键词：降水量;径流量;输沙量;水土保持措施;治理程度;水沙演变;郭城驿流域
：P333;S157.2 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.022
Abstract： In order to understand the climate change trend （precipitation） and the process and mechanism of runoff and transportation of sediments in the Guochengyi watershed which is located in the semi-arid loess northern China and provide theoretical support and technical guidance for local soil and water conservation work， this study was aimed with the following objectives. In order to calculate the average rainfall of the basin area， Tyson polygon method was used. In addition， in order to find the climate change trend （annual precipitation） and analyze the annual runoff and annual sediment transport， Mann-Kendall test method was used in this study. Moreover， to estimate the dynamic cycle of rainfall， runoff and sediment transport annually， Morlet wavelet analysis was performed. Furthermore， regression analysis was done in order to check the multivariate function i.e. the relationship between runoff and sediment transportation annually with annual precipitation and treatment degree of river basin. The results show that the long-term annual precipitation in Guochengyi watershed from 1957 to 2016 has periodic changes in three-time scales of 16-32 a， 6-16 a and 3-6 a respectively. There is no significant reduction trend in the whole study period. The annual runoff and sediment transport have notably periodic changes in three-time scales of 16-32 a， 6-12 a and 3-6 a respectively. The consequences show that during the study period， the annual sediment discharge decreases significantly on the whole and the decrease of annual sediment discharge is greater than that of annual runoff. Additionally， the annual runoff and annual sediment transport increase with the increase of annual precipitation and decrease with the increase of control degree. The annual runoff and annual sediment transport have a strong relationship with annual rainfall and watershed treatment degree. The main reason for the noticeably reduction of annual runoff and sediment transport under the condition of non-significant annual precipitation reduction is that the degree of watershed management is greatly improved， especially closely related to the construction of terraced fields and afforestation and grass planting.
Key words： precipitation; runoff; sediment transport; soil and water conservation measures; treatment control; runoff and sediment evolution; Guochengyi watershed
半干旱区河流水沙与降水密切相关[1-4]。黄河以水少沙多而著称，在自然和人类活动的作用下，黄河干流径流量、输沙量显著减少[5-6]。在径流量和输沙量的量化分析中，不少学者认为人类活动对径流量、输沙量变化的贡献率呈增大趋势，是影响径流量、输沙量变化的主要驱动因子[7-14]。笔者对郭城驿流域水沙变化与降水和水土保持措施的关系进行了研究，以期为半干旱黄土区水利水土保持工作等提供理论支持和技术指导。
1 研究区概况
研究区为郭城驿水文站控制的祖厉河中上游地区，流域总面积5 469 km2，涉及甘肃省定西市安定区和通渭县、白银市会宁县以及宁夏固原市西吉县、中卫市海原县。研究区土壤有灰钙土、黄绵土、黑垆土、红土、灰褐土5种类型，气候属温带季风型气候，气候干燥、干旱少雨，多年平均降水量仅358.4 mm且时空分布不均。研究区生态环境脆弱、水土流失严重（主要是水力侵蚀及重力侵蚀）[15]，制约着当地经济社会可持续发展。研究区设有郭城驿、会宁2个水文站，研究区及周边布设有16个雨量站，水文站、雨量站分布及年降水量等值线见图1。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
研究采用的主要数据：1957—2016年16个雨量站及2个水文站的日降水量数据，郭城驿水文站日径流量、日输沙量数据，由甘肃省及定西市水文水资源局提供;1979—2016年研究区水土保持措施数据，来源于甘肃省水土保持综合治理效益研究课题组。
2.2 研究方法
鉴于泰森多边形法在计算面平均降水量中应用较为广泛[16-18]，本研究采用该方法计算研究区面平均降水量。采用Mann[19]和Kendall[20]提出的Mann-Kendall检验法（M-K检验）分析研究区年降水量、年径流量、年输沙量的变化趋势，确定突变发生的年份。鉴于Morlet小波分析法在水文水资源学等研究领域的应用技术已基本成熟[21-23]，本研究采用Matlab软件进行Morlet小波分析，将年降水量、年径流量、年输沙量时间序列中的周期性特征展现出来。采用多元功效函数（幂函数）模型对年径流量、年输沙量与年降水量、流域治理程度的关系进行回归分析。
3 结果与分析
3.1 降水变化特征分析
3.1.1 降水年内、年际变化特征
研究区降水量具有较明显的季节性和周期性变化规律，年内主要集中在汛期（多年平均汛期降水量为280.9 mm，占全年降水量的78.4%）[24]，而非汛期降水量较小。由图2可以看出，在研究时段内年降水量最大值（646.2 mm）出现在1964年、最小值（209.2 mm）出现在1982年，年降水量与汛期降水量变化趋势基本一致，即整体呈不显著减小趋势。由图3（其中UFk、UBk分别表示年降水量正序统计量、逆序统计量）可以看出：1957—1998年统计量UFk为正值，说明该时段年降水量呈增加趋势;1999—2016年统计量UFk为负值，说明该时段年降水量呈减少趋势;UFk曲线与UBk曲线于1999年相交，表明1999年可能是降水量突变年份。
3.1.2 年降水量变化小波分析
年降水量小波系数实部等值线见图4（图中：粗实线是小波系数为零的等值线，表示降水量多少的突变线;细实线是小波系数为正值的等值线，表示处于丰水期;细虚线是小波系数为负值的等值线，表示处于枯水期），其反映了1957—2016年年降水量的时频变化尺度，即年降水量存在16～32 a、6～16 a、3～6 a等3种时间尺度的周期性变化。
3.2 径流泥沙变化特征分析
3.2.1 径流泥沙年内、年际变化特征
径流量、输沙量年内分布具有明显的季节性（见图5），多年平均6—9月径流量占全年的75.1%、输沙量占全年的92.0%。由图6可知，径流量、輸沙量年际波动较大，年径流量最大值出现在1959年（1.89亿m3）、最小值出现在2014年（0.06亿m3），年输沙量最大值出现在1959年（1.13亿t）、最小值出现在2014年（0.01亿t），研究期年径流量与年输沙量变化趋势基本一致，整体上呈递减趋势。
年径流量、输沙量突变性的M-K检验见图7（其中：UF′k、UB′k分别表示年径流量正序统计量、逆序统计量，UF″k、UB″k分别表示年输沙量正序统计量、逆序统计量），可以看出：1957—1968年统计量UF′k为正值，说明该时段年径流量呈增加趋势;1969—2016年统计量UF′k为负值，说明该时段年径流量呈减少趋势;1957—1967年统计量UF″k为正值，说明该时段年输沙量呈增加趋势;1968—2016年统计量UF″k为负值，说明该时段年输沙量呈减少趋势;UF′k曲线与UB′k曲线的交点和UF″k曲线与UB″k曲线的交点均为2007年左右，表明年径流量、年输沙量突变开始年份均为2007年。
3.2.2 径流泥沙变化小波分析
年径流量小波系数实部等值线见图8，可以看出年径流量存在16～32 a、6～12 a 和3～6 a等3种尺度的周期性变化;年输沙量小波系数实部等值线见图9，可以看出年输沙量也存在16～32 a、6～12 a和3～6 a等3种尺度的周期性变化。
3.3 水沙演变与降水量、治理程度的关系
3.3.1 水土保持措施及治理程度的变化情况
1957—2016年研究区径流量、输沙量均呈减少趋势。水沙变化因素有气候和人类活动两类，就人类活动而言，新中国成立后特别是改革开放以来实施的水土保持工程及退耕还林还草工程，拦蓄了大量径流和泥沙，对水沙变化的影响比气候变化的影响更显著[25]。
由图10可以看出，1979—2016年流域内各项坡面水土保持措施强度不断提高;由图11可以看出，研究区水土保持治理程度逐年提高，其中1979年为7.38%、2006年为50.26%、2016年为62.81%。
以水沙突变开始年份2007年为界，将治理期（1979—2016年）分为前（1979—2006年）、后（2007—2016年）两个时段，突变前后各项坡面治理措施对治理程度的贡献见图12。1979—2006年平均治理程度为26.75%，其中梯田、人工种草、水土保持林的贡献分别为9.97%、8.20%、7.77%，其他2项措施的贡献均不足0.50%，说明该时段水沙减少主要受梯田建设和造林种草的影响;2007—2016年平均治理程度为57.54%，其中梯田、水土保持林、人工种草的贡献分别为22.84%、16.78%、15.27%，说明此时段径流泥沙的减少与连台化的梯田建设、造林种草密切相关。
3.3.2 相关性回归分析
年径流量、年输沙量随年降水量的增加而增加，随治理程度的提高而减小。采用不同时长的滑动平均值进行多元回归分析，结果表明年径流量、年输沙量与年降水量、流域治理程度成较好的幂函数关系，见表1。由表1可知：滑动平均时长由1 a延长至15 a时，年径流量回归方程的决定系数R2由0.408提高到0.914，年输沙量回归方程的决定系数R2由0.393提高到0.832;滑动平均时长为1 a和15 a时年径流量与年降水量、治理程度的相关性高于年输沙量的，滑动平均时长为3 a和5 a的则相反年径流量回归方程中年降水量、治理程度指数的绝对值大都小于年输沙量回归方程中的，表明年降水量、治理程度对输沙量的影响大于对径流量的影响。
分析表明，1957—2016年研究区年降水量、径流量和输沙量均呈减少趋势，在年降水量减少趋势不显著的情况下年径流量和输沙量呈显著减少趋势，治理程度的大幅度提高是年径流量、输沙量减少的主要原因。
4 结 论
1957—2016年郭城驿流域年降水量存在16～32 a、6～16 a和3～6 a等3种时间尺度的周期性变化，研究时段内整体上呈不显著减少趋势;年径流量和输沙量均存在16～32 a、6～12 a和3～6 a等3种时间尺度的周期性变化，研究时段内整体上均呈显著减少趋势，年输沙量减幅大于年径流量减幅，突变开始年份均为2007年。年径流量、年输沙量随年降水量的增大而增大，随治理程度的提高而减小，年径流量、年输沙量与年降水量、流域治理程度成较好的幂函数关系;在年降水量减少趋势不显著的情况下，年径流量和输沙量呈显著减少趋势的主要原因是流域治理程度的大幅度提高，尤其与连台化梯田建设、造林种草密切相关。
本文仅基于不同时间尺度进行了郭城驿流域水沙变化分析，还需进一步进行水沙空间变化研究，以更加全面地认识该流域水沙变化情况。
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【责任编辑 张智民】

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