天山北坡中小流域輸沙量變化及其影響因素
——以呼圖壁河流域?yàn)槔?/h1>
2016-10-26 03:45:45郭小云劉志輝姚俊強(qiáng)魏天峰
水土保持研究 2016年1期
郭小云, 劉志輝,3,4, 姚俊強(qiáng),3, 魏天峰
(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際研究中心, 烏魯木齊 830046)
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天山北坡中小流域輸沙量變化及其影響因素
——以呼圖壁河流域?yàn)槔?/p>
郭小云1,2, 劉志輝1,2,3,4, 姚俊強(qiáng)1,2,3, 魏天峰1,2
(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際研究中心, 烏魯木齊 830046)
利用呼圖壁河流域石門(mén)水文站1980—2011年實(shí)測(cè)日徑流量、輸沙量及降水量資料，采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)法、雙累積曲線法等，研究了呼圖壁河輸沙量年內(nèi)和年際變化趨勢(shì)及可能的突變時(shí)間，并探討了可能引起呼圖壁河輸沙量變化的影響因素。研究結(jié)果表明：呼圖壁河流域輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月(6—9月)輸沙量占全年輸沙量的94.61%，7月輸沙量最大，占全年輸沙量的60.83%；1980—2011年輸沙量總體呈增加趨勢(shì)，年際尺度上呈豐枯相間的周期性變化，并在1989年發(fā)生了突變。輸沙量受徑流量、降雨量、大型水庫(kù)和水土流失等綜合影響，而徑流量是影響輸沙量的主要因素。流域干燥的氣候和較低的植被覆蓋率，加上人類(lèi)對(duì)上游山區(qū)煤炭資源的過(guò)度開(kāi)采，使得該區(qū)域山區(qū)突發(fā)暴雨洪水時(shí)，造成輸沙量的劇增。
輸沙量; 徑流量; 呼圖壁河流域
河流系統(tǒng)是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等因素共同作用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，水沙變化是該系統(tǒng)最為活躍的部分[1]。河流輸沙量是大陸剝蝕速率及陸地表面降低侵蝕過(guò)程的一個(gè)總體度量。世界上河流輸送泥沙的很大部分來(lái)源于農(nóng)業(yè)用地侵蝕的土壤，因此，研究土壤侵蝕通量可以為土地惡化和土壤資源的減少提供一個(gè)度量[2]。河流輸沙量變化研究為土壤侵蝕和河道泥沙沉積提供了重要信息，是河流系統(tǒng)重要的研究?jī)?nèi)容[1]。呼圖壁河是位于天山北麓中段的第二大河流，其多年平均年徑流量為3.66×108m3，它不僅是呼圖壁縣、農(nóng)六師芳草湖總場(chǎng)、自治區(qū)種牛場(chǎng)以及兵團(tuán)3個(gè)團(tuán)場(chǎng)農(nóng)業(yè)灌溉和人民群眾生活用水的重要保證，同時(shí)還是維系該區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本性水資源基礎(chǔ)。近幾十年來(lái)，由于對(duì)呼圖壁河水資源不合理的開(kāi)發(fā)利用，以及氣候變化程度的加深，引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，有關(guān)學(xué)者對(duì)呼圖壁河做了大量的研究工作。如：白東明等[3]分析了呼圖壁河流域范圍內(nèi)不同徑流補(bǔ)給來(lái)源的徑流年內(nèi)分配規(guī)律和多年變化特征。普宗朝等[4]分析了27年來(lái)呼圖壁河徑流的年內(nèi)分布特征、多年變化規(guī)律以及呼圖壁河流域氣候變化對(duì)河流徑流的影響。耿峻嶺等[5]從流域氣候、徑流、泥沙、水質(zhì)等方面對(duì)其水文特性進(jìn)行分析。但是對(duì)呼圖壁河輸沙量方面的研究較少。因此，研究呼圖壁河輸沙量變化及其影響因素，對(duì)于了解該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)呼圖壁河生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響，改善呼圖壁河的水質(zhì)狀況，以及對(duì)進(jìn)行該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的科學(xué)規(guī)劃都具有重要的意義。
1 研究區(qū)概況
呼圖壁河流域位于新疆天山北坡中段、準(zhǔn)噶爾盆地的南緣，該河發(fā)源于喀拉烏成山分水嶺，屬天山北坡東段水系。地理位置為86°05′—87°08′E，43°07′—45°20′N(xiāo)，流域總體呈南北走向，地勢(shì)南高北低，總長(zhǎng)258 km，平均寬40 km，總面積10 255 km2。從河源至下游，大致可以分為山地—丘陵—沖積扇—沖洪積平原4個(gè)地貌單元。上游山區(qū)支流呈樹(shù)枝狀分布，兩岸有一級(jí)支流20多條，其中10支支流源頭在冰川和永久積雪區(qū)，其余支流皆源于中山低山區(qū)，靠季節(jié)性積雪消融和夏季降水補(bǔ)給[3-5]。據(jù)中國(guó)冰川目錄統(tǒng)計(jì)，全流域有大小冰川239條，冰川面積72.07 km2，年消融雪達(dá)0.524億m3，冰川補(bǔ)給占全年徑流量的11.0%[5-6]。呼圖壁河石門(mén)水文站以上河道長(zhǎng)88 km，集水面積1 840 km2，平均高程2 984 m，河道縱降比23.13%，以石門(mén)水文站控制斷面為界，斷面以上為主要徑流形成區(qū)，斷面以下為徑流散失區(qū)[5]。因此，本文選擇石門(mén)水文站為研究斷面，采用其多年輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有合理性。
2 資料與方法
2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
本文采用的水文數(shù)據(jù)為呼圖壁河出山口石門(mén)水文站1980—2011年日徑流數(shù)據(jù)和輸沙量數(shù)據(jù)。石門(mén)水文站測(cè)站高程為1 480 m，集水面積1 840 km2，其控制年徑流量占該河全流域年徑流量的93.3%，石門(mén)站以下主要為徑流散失區(qū)[5]。氣象數(shù)據(jù)為石門(mén)站1980—2011年日降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，時(shí)間序列完整，無(wú)資料缺失。
2.2研究方法
(1) 采用Mann-Kendall秩檢驗(yàn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)系列的變化趨勢(shì)和突變特征的分析。該檢驗(yàn)法是由世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，最初由Mann和Kendall提出[7]。該統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[6]，適用于水文、氣象要素等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)趨勢(shì)及突變的檢驗(yàn)，因此在降水、徑流和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化分析中得到廣泛的應(yīng)用[7]。
假定{x1，x2，…，xn}為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，Mann-Kendall秩檢驗(yàn)法是在序列平穩(wěn)且序列是隨機(jī)獨(dú)立的前提下，構(gòu)造了秩統(tǒng)計(jì)量Sk，對(duì)于所有的i≤n，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量Sk計(jì)算式為:
(1)
(2)
式中：xi，xj——i年,j年的被檢驗(yàn)值。
Sk的均值和方差分別為：
(3)
(4)
(5)
UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，在該序列隨機(jī)獨(dú)立的前提下，給定一顯著水平，顯著水平組成一個(gè)信度區(qū)間，將UFk匯成一條曲線UF。將時(shí)間序列再按逆序{xn,xn-1,…,x1}排列，按照上述過(guò)程重復(fù)計(jì)算，得到另一條曲線UB，UB=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1)。如果UF和UB的交點(diǎn)在信度線之間，則該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變點(diǎn)開(kāi)始的時(shí)間[6-9]。
(2) 采用雙累積曲線法檢驗(yàn)徑流量和輸沙量變化的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。雙累積曲線是檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)間關(guān)系一致性及其變化常用的方法。他可用于水文氣象要素一致性的檢驗(yàn)、缺值的插補(bǔ)或資料校正以及水文氣象要素的趨勢(shì)性變化及其強(qiáng)度的分析。同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的獲取可以估計(jì)不同時(shí)段的減沙量[10]。
3 結(jié)果與分析
3.1輸沙量變化趨勢(shì)分析
3.1.1輸沙量的變化特征呼圖壁河河流輸沙量年內(nèi)變化很大，時(shí)空分布極不均勻(表1)，夏季氣候干燥，加上地表巖石機(jī)械風(fēng)化強(qiáng)烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水?dāng)y帶大量泥沙匯入河道，使得夏季輸沙量高度集中，呼圖壁河連續(xù)最大4個(gè)月輸沙量出現(xiàn)在6—9月，占全年輸沙量的94.61%，平均輸沙量最大月出現(xiàn)在7月，占全年輸沙量的60.83%。
呼圖壁河多年平均輸沙量為42.286萬(wàn)t，由圖1可知，呼圖壁河輸沙量年際變化呈豐枯相間的周期性變化，總體呈增加趨勢(shì)。呼圖壁河輸沙量最大值出現(xiàn)在1996年，為212.586萬(wàn)t。其次為1999年，為161.846萬(wàn)t，1986年的輸沙量為32 a最低，為4.964萬(wàn)t。最大年輸沙量與最小年輸沙量之比為42.83，輸沙量年際變化較大。呼圖壁河輸沙量1996年以前整體波動(dòng)不大，而1996年以后，呼圖壁河輸沙量的上升或下降趨勢(shì)明顯，資料顯示，1996年7月和1999年7月呼圖壁河突發(fā)暴雨洪水，其中，1996年為呼圖壁河有史以來(lái)最大的一次暴雨洪水，當(dāng)時(shí)石門(mén)站最大洪峰流量達(dá)到371 m3/s[3]，故該時(shí)期輸沙量的變化可能是因?yàn)楸┯旰樗谠黾訌搅髁康耐瑫r(shí)也攜帶了大量泥沙，從而導(dǎo)致輸沙量急劇上升。
表1呼圖壁河多年平均輸沙量年內(nèi)分配情況
項(xiàng)目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年輸沙量/萬(wàn)t0.01490.01610.02440.67881.15565.185625.72367.69151.40760.26110.11110.015642.2859百分比/%0.040.040.061.612.7312.2660.8318.193.330.620.260.04100
圖1 呼圖壁河多年輸沙量年際變化
3.1.2輸沙量趨勢(shì)性檢驗(yàn) 1980—2011年，受氣候變化及強(qiáng)烈人類(lèi)活動(dòng)的影響，呼圖壁河年輸沙量發(fā)生了明顯的趨勢(shì)變化，為了定量地分析年輸沙序列的變化趨勢(shì)，深入揭示輸沙量的變化規(guī)律，用Mann-Kendall秩檢驗(yàn)法對(duì)呼圖壁河輸沙量趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，設(shè)檢驗(yàn)水平α為0.05，由正態(tài)分布表得出相應(yīng)的檢驗(yàn)臨界值為U0.05=±1.96。根據(jù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線中|UF|的大小對(duì)變量的趨勢(shì)性進(jìn)行判斷。|UF|的值越大，表明其變化趨勢(shì)越明顯，即當(dāng)UF>0時(shí)，|UF|的值越大，序列的上升趨勢(shì)越明顯，當(dāng)UF<0時(shí)，|UF|的值越大，序列的下降趨勢(shì)越明顯(圖2)。分析石門(mén)水文站32 a的輸沙量變化趨勢(shì)，得出：呼圖壁河年輸沙量整體呈增加的趨勢(shì)，且增加顯著，并且在1989年發(fā)生突變，1980—1988年均輸沙量16.89萬(wàn)t，1989—2011年年均輸沙量52.22萬(wàn)t，1989—2011年的年均輸沙量比1980—1988年的年均輸沙量增加了209.2%。在1996年以后UF值均通過(guò)了α為0.05的置信水平。并且在1997—2008年通過(guò)了α為0.01的置信水平，表明石門(mén)水文站輸沙量變化達(dá)到顯著水平，有明顯的上升趨勢(shì)(圖2)。
圖2 呼圖壁河輸沙量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線
3.2輸沙量變化的影響因素分析
3.2.1降雨因素如圖3所示，降雨量和輸沙量的整體變化趨勢(shì)大致相同，但一致性的強(qiáng)度不大。表現(xiàn)為，雖然降雨量與輸沙量的大致趨勢(shì)具有一定的相似性，但降雨量增加幅度較大時(shí)，輸沙量增加幅度未必大，降雨量最多時(shí)，輸沙量未必最多，并且個(gè)別年份當(dāng)降雨量增加(或減少)，輸沙量表現(xiàn)為減少(或增多)。分析呼圖壁河降水量年內(nèi)分配特征可知降雨量主要集中在5—9月，占全年降水量的70.21%，降水極大值也出現(xiàn)在7月。這與輸沙量的年內(nèi)分配特征大致相同，故推測(cè)降雨量可能通過(guò)影響其他因素間接地對(duì)輸沙量產(chǎn)生影響，比如降雨量增多時(shí)，徑流量增加，從而使輸沙量增加。
3.2.2徑流因素呼圖壁河流域1980—2011年的多年平均徑流量為4.859億m3，總體呈波動(dòng)狀態(tài)，上升或下降的趨勢(shì)變化較大。由圖4可知，該時(shí)期內(nèi)徑流量與輸沙量變化趨勢(shì)基本一致，徑流量最大值出現(xiàn)在1999年，為6.336億m3，此時(shí)，輸沙量也較大；輸沙量最大值出現(xiàn)在1996年，為212.586萬(wàn)t，該年的徑流量也較大，1986年徑流量和輸沙量為32 a最低，分別是3.633億m3、4.964萬(wàn)t。呼圖壁河徑流量年內(nèi)分配主要集中在6—9月，占年內(nèi)總徑流量的78.93%，豐枯交替明顯，這與輸沙量的年內(nèi)分配特征極其相似，且輸沙量較徑流量更為集中。
圖3 1980-2015年呼圖壁河降雨量及輸沙量年際變化
圖4 1980-2011年呼圖壁河徑流量及輸沙量年際變化
為了進(jìn)一步研究徑流量、降雨量與輸沙量之間的關(guān)系，對(duì)三者做相關(guān)分析，由輸沙量的年際變化趨勢(shì)(圖1)可知，輸沙量在1996—2000年變化幅度較大，其余年份增加或減少的幅度不大，故將時(shí)間序列分為1980—1995年、1996—2000年、2001—2011年3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析。由表2可知，1980—1995年、1996—
2000年、2001—2011年多年輸沙量與徑流量均呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)分別為0.692，0.744，0.597，均通過(guò)了0.01的置信水平；多年輸沙量與降雨量均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.191，0.759，0.488，1980—1995年輸沙量—降雨量未通過(guò)0.01的置信水平；多年徑流量與降雨量均呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)分別為0.356，0.947，0.336，在1996—2000年通過(guò)了0.01的置信水平，并且顯著相關(guān)。
表2多年降水量、徑流量與輸沙量相關(guān)性分析
年份輸沙量—徑流量相關(guān)系數(shù)輸沙量—降雨量相關(guān)系數(shù)徑流量—降雨量相關(guān)系數(shù)1980—1995年0.692*0.1910.356*1996—2000年0.744*0.759*0.947*2001—2011年0.597*0.488*0.336*
注：*代表置信水平p<0.01。
由于1996—2000年降雨量、輸沙量以及徑流量之間的相關(guān)性顯著。根據(jù)資料記載，1996年7月15日至7月28日和1999年7月15日至7月28日新疆普降大雨，其中天山地區(qū)達(dá)到暴量，呼圖壁河流域發(fā)生特大洪水，其中呼圖壁河青年渠首站最大洪峰流量達(dá)到了560 m3/s[11-13]。對(duì)呼圖壁河流域1996年7月15日—7月28日(圖5A)和1999年7月15日—7月28日(圖5B)的日輸沙量和日流量的趨勢(shì)進(jìn)行分析可知：兩個(gè)時(shí)期的徑流量和輸沙量趨勢(shì)都相同，且表現(xiàn)出高度的一致性，1996年暴雨洪水期間輸沙量和日流量最大值都出現(xiàn)在18日，并且在17日的降雨量為31.8 mm，占該時(shí)段降水總量的46.9%。1999年暴雨洪水期間輸沙量和日流量最大值都出現(xiàn)在20日，并且在19日的降水量為34.8 mm，占該時(shí)段降水總量的53.7%。由此可知：流域干燥的氣候，較低的植被覆蓋率，加之脆弱的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致該流域在降水量猛增時(shí)，徑流量增加的同時(shí)，輸沙量劇增。
圖5 不同時(shí)期呼圖壁河流域輸沙量和日流量變化
3.2.3人類(lèi)活動(dòng)因素雙累積曲線方法是目前水文氣象要素一致性或者長(zhǎng)期演變趨勢(shì)分析中最直觀、最簡(jiǎn)單、最廣泛的方法。對(duì)呼圖壁河流域的降水量與輸沙量雙累積曲線進(jìn)行分析，從而確定人類(lèi)活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的影響，并對(duì)其影響程度進(jìn)行定量化分析。由圖6可以看出，1996—1999年呼圖壁河流域輸沙量的變化較大。以1980—1995年為基準(zhǔn)期，可知1996—1999年期間年均輸沙量為140.20萬(wàn)t，較1980—1995年年均輸沙量增加了118.34萬(wàn)t，其中人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其貢獻(xiàn)程度為99.23%，而2000—2011年年均輸沙量為36.88萬(wàn)t，較1963—1979年年均輸沙量增加了15.02萬(wàn)t，其中人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其貢獻(xiàn)程度為92.52%。
圖6 呼圖壁河年輸沙量-年降水量雙累積曲線
人類(lèi)活動(dòng)例如水利工程、土地利用等可以改變流域的下墊面條件[10]。自1962年以來(lái)，呼圖壁河從上游往下游在干流上依次建有石門(mén)水庫(kù)、齊古水庫(kù)、阿葦灘渠首、獨(dú)山子渠首、青年渠首、芨芨壩渠首、小海子水庫(kù)、大海子水庫(kù)、鷹湖水庫(kù)等水利工程。其中，石門(mén)水庫(kù)位于石門(mén)水文站下游7 km的峽谷進(jìn)口處，壩頂全長(zhǎng)312.51 m，壩頂高程1243 m，水庫(kù)正常蓄水位1 240.0 m，總庫(kù)容7 975萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)多年平均輸沙量22.6萬(wàn)t具有灌溉、防洪、發(fā)電及工業(yè)供水等綜合作用。水庫(kù)于2011年4月22日大河截流，2013年10月3日大壩開(kāi)始蓄水。這些興建的水庫(kù)等水利設(shè)施的攔蓄作用，勢(shì)必加劇輸沙量的變化，水利工程對(duì)河道水沙變化的影響還受到流域尺度的影響，流域尺度越小，河道水沙變化受水利工程建設(shè)的影響就越敏感，其滯后性就越短[14]。
呼圖壁河水土流失形態(tài)隨地形、地貌等自然條件的變化而不同，南部高山區(qū)水土流失主要表現(xiàn)為凍融侵蝕和重力侵蝕，中低山區(qū)水土流失主要表現(xiàn)為水力侵蝕，中部沖積平原區(qū)水土流失主要表現(xiàn)為風(fēng)力水力交錯(cuò)侵蝕，北部戈壁荒漠區(qū)主要表現(xiàn)為風(fēng)力侵蝕。據(jù)第3次全國(guó)土壤侵蝕快速遙感調(diào)查，呼圖壁縣水土流失總面積為5 217.17 km2，占國(guó)土總面積的50.88%。其中水蝕面積為1 153.24 km2，占全縣水土流失面積的22.11%，占國(guó)土總面積的11.25%；風(fēng)蝕面積3 981 km2，占全縣水土流失面積的76.31%，占國(guó)土總面積的38.82%；凍融侵蝕82.93 km2，占全縣水土流失面積的1.58%，占國(guó)土面積的0.81%。侵蝕模數(shù)為4 250 t/(km2·a)，侵蝕程度為中度侵蝕。并且該區(qū)域現(xiàn)有14座煤礦，由于新疆特殊的地貌類(lèi)型，加之當(dāng)?shù)卣畬?duì)該地區(qū)自然資源不合理的開(kāi)采利用，造成呼圖壁河流域水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。
呼圖壁河流域水土流失嚴(yán)重，引起了當(dāng)?shù)卣闹匾?，近年?lái)在流域內(nèi)開(kāi)展了一系列水土保持工程。根據(jù)呼圖壁水利局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：呼圖壁河流域規(guī)劃預(yù)防保護(hù)區(qū)2 376 km2，預(yù)防監(jiān)督區(qū)2 668.38 km2，重點(diǎn)治理區(qū)5 210.3 km2。其中：水保林587.43 hm2，經(jīng)濟(jì)林2 533.33 hm2，封育治理4 000 hm2，溝頭防護(hù)33.8 km，截流溝76.8 km，工礦區(qū)攔渣壩8.5 km，工礦區(qū)護(hù)坡工程6.8 km；工礦區(qū)整治土地20.2 hm2。
在干旱區(qū)的產(chǎn)流區(qū)有侵蝕較強(qiáng)的荒坡地，其表層多為基巖風(fēng)化剝落的碎石、巖屑，部分地帶亦覆蓋風(fēng)積沙，是侵蝕泥沙的主要來(lái)源，且對(duì)農(nóng)牧區(qū)土地危害較重。為防止其泥沙輸往下游，實(shí)施溝頭防護(hù)工程、坡面水土保持林建設(shè)和坡面攔蓄截流工程。在礦區(qū)，要重視開(kāi)展水土保持實(shí)施護(hù)坡工程和攔渣工程。對(duì)于流域周邊的坡耕地進(jìn)行退耕還林還草，在荒山荒坡荒墓地上經(jīng)過(guò)整地后造林種草及栽植經(jīng)濟(jì)果木林，對(duì)疏林地進(jìn)行補(bǔ)植，并進(jìn)行封禁治理。這些措施將對(duì)干旱區(qū)流域水土保持治理有重要的作用。
4 結(jié) 論
本文利用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)法、雙累積曲線法，對(duì)呼圖壁河石門(mén)水文站近32年來(lái)的輸沙量進(jìn)行分析，研究結(jié)果顯示：
(1) 近32年呼圖壁河輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月輸沙量出現(xiàn)在6—9月，占全年輸沙量的94.61%，平均輸沙量最大月出現(xiàn)在7月，呼圖壁河輸沙量年際變化呈豐枯相間的周期性變化，總體呈增加趨勢(shì)。呼圖壁河輸沙量最大值出現(xiàn)在1996年，為212.586萬(wàn)t；1986年的輸沙量為32 a最低，為4.964萬(wàn)t。
(2) 經(jīng)Mann-Kendall檢驗(yàn)綜合分析呼圖壁河年輸沙量整體呈增加的趨勢(shì)，且增加顯著，并且在1989年發(fā)生突變。對(duì)比突變年前后輸沙量變化可知，1989—2011年的年均輸沙量比1980—1988年的年均輸沙量增加了209.2%。1996年為呼圖壁河有史以來(lái)最大的一次暴雨洪水，當(dāng)時(shí)石門(mén)站最大洪峰流量達(dá)到371 m3/s，暴雨洪水在增加徑流量的同時(shí)也攜帶了大量的泥沙，導(dǎo)致輸沙量急劇上升。
(3) 呼圖壁河輸沙量主要受徑流量控制，降雨在一定程度上增加了徑流量，但對(duì)輸沙量的影響表現(xiàn)為增加或者減少兩種結(jié)果。輸沙量變化受人類(lèi)活動(dòng)影響顯著，輸沙量變化不僅受上游水庫(kù)的影響，還受近年來(lái)流域周邊由于不合理的開(kāi)采等人類(lèi)活動(dòng)造成的水土流失等的影響。
(4) 呼圖壁河流域山區(qū)海拔高，雨水充沛，加之全球氣候變暖導(dǎo)致冰雪融化速度加快，暴雨洪水頻發(fā)，攜帶大量泥沙，易導(dǎo)致下游流域發(fā)生泥沙淤積，影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，開(kāi)展流域內(nèi)的水土保持工程刻不容緩。
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Sediment Discharge Change and Its Affecting Factors of Small Watershed on the Northern Slope of Tianshan Mountains—Taking Hutubi River Basin as an Example
GUO Xiaoyun1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, YAO Junqiang1,2,3, WEI Tianfeng1,2
(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China)
According to the measured daily runoff, sediment load and precipitation data of the Shimen hydrological station of Hutubi River Basin during the period from 1980 to 2011, we used the non-parametric Mann-Kendall trends and mutation test, and the double cumulative curve method to investigate Hutubi River monthly and annual sediment load trends and possible mutation time, and explore the factors that may affect Hutubi River sediment load change. The results show that Hutubi River Basin sediment distribution in a year is very uneven, continuous maximum four-month (June to September) sediment load accounted for 94.61% of annual sediment load; sediment load in July is the largest, accounting 60.83% of the annual sediment load; annual sediment load were increased during the period from 1980 to 2011, on the interannual scales it shows periodically changes of alternating wet and dry; and the mutation happened in 1989. Sediment load is influenced by the combined effects of runoff, rainfall, large reservoirs and soil erosion; runoff is the major factor affecting the amount of sediment. The watershed dry climate, low vegetation coverage and the human over exploitation of coal resources in the upper reaches of the mountain area make sediment load increase quickly in the mountainous region when the rainstorm floods occur suddenly.
sediment; runoff; Hutubi River Basin
2014-12-13
2015-03-31
水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301103)
郭小云(1991—),女,河南周口人,碩士研究生,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水文水資源研究。E-mail:guoxiaoyundili@126.com
劉志輝(1957—),男,新疆石河子人,博士,教授,主要從事干旱區(qū)水文水資源和決策支撐系統(tǒng)研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn
P333.4
A
1005-3409(2016)01-0145-05
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郭小云, 劉志輝,3,4, 姚俊強(qiáng),3, 魏天峰
(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際研究中心, 烏魯木齊 830046)
?
天山北坡中小流域輸沙量變化及其影響因素
——以呼圖壁河流域?yàn)槔?/p>
郭小云1,2, 劉志輝1,2,3,4, 姚俊強(qiáng)1,2,3, 魏天峰1,2
(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際研究中心, 烏魯木齊 830046)
利用呼圖壁河流域石門(mén)水文站1980—2011年實(shí)測(cè)日徑流量、輸沙量及降水量資料，采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)法、雙累積曲線法等，研究了呼圖壁河輸沙量年內(nèi)和年際變化趨勢(shì)及可能的突變時(shí)間，并探討了可能引起呼圖壁河輸沙量變化的影響因素。研究結(jié)果表明：呼圖壁河流域輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月(6—9月)輸沙量占全年輸沙量的94.61%，7月輸沙量最大，占全年輸沙量的60.83%；1980—2011年輸沙量總體呈增加趨勢(shì)，年際尺度上呈豐枯相間的周期性變化，并在1989年發(fā)生了突變。輸沙量受徑流量、降雨量、大型水庫(kù)和水土流失等綜合影響，而徑流量是影響輸沙量的主要因素。流域干燥的氣候和較低的植被覆蓋率，加上人類(lèi)對(duì)上游山區(qū)煤炭資源的過(guò)度開(kāi)采，使得該區(qū)域山區(qū)突發(fā)暴雨洪水時(shí)，造成輸沙量的劇增。
輸沙量; 徑流量; 呼圖壁河流域
河流系統(tǒng)是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等因素共同作用的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，水沙變化是該系統(tǒng)最為活躍的部分[1]。河流輸沙量是大陸剝蝕速率及陸地表面降低侵蝕過(guò)程的一個(gè)總體度量。世界上河流輸送泥沙的很大部分來(lái)源于農(nóng)業(yè)用地侵蝕的土壤，因此，研究土壤侵蝕通量可以為土地惡化和土壤資源的減少提供一個(gè)度量[2]。河流輸沙量變化研究為土壤侵蝕和河道泥沙沉積提供了重要信息，是河流系統(tǒng)重要的研究?jī)?nèi)容[1]。呼圖壁河是位于天山北麓中段的第二大河流，其多年平均年徑流量為3.66×108m3，它不僅是呼圖壁縣、農(nóng)六師芳草湖總場(chǎng)、自治區(qū)種牛場(chǎng)以及兵團(tuán)3個(gè)團(tuán)場(chǎng)農(nóng)業(yè)灌溉和人民群眾生活用水的重要保證，同時(shí)還是維系該區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本性水資源基礎(chǔ)。近幾十年來(lái)，由于對(duì)呼圖壁河水資源不合理的開(kāi)發(fā)利用，以及氣候變化程度的加深，引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，有關(guān)學(xué)者對(duì)呼圖壁河做了大量的研究工作。如：白東明等[3]分析了呼圖壁河流域范圍內(nèi)不同徑流補(bǔ)給來(lái)源的徑流年內(nèi)分配規(guī)律和多年變化特征。普宗朝等[4]分析了27年來(lái)呼圖壁河徑流的年內(nèi)分布特征、多年變化規(guī)律以及呼圖壁河流域氣候變化對(duì)河流徑流的影響。耿峻嶺等[5]從流域氣候、徑流、泥沙、水質(zhì)等方面對(duì)其水文特性進(jìn)行分析。但是對(duì)呼圖壁河輸沙量方面的研究較少。因此，研究呼圖壁河輸沙量變化及其影響因素，對(duì)于了解該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)呼圖壁河生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響，改善呼圖壁河的水質(zhì)狀況，以及對(duì)進(jìn)行該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的科學(xué)規(guī)劃都具有重要的意義。
1 研究區(qū)概況
呼圖壁河流域位于新疆天山北坡中段、準(zhǔn)噶爾盆地的南緣，該河發(fā)源于喀拉烏成山分水嶺，屬天山北坡東段水系。地理位置為86°05′—87°08′E，43°07′—45°20′N(xiāo)，流域總體呈南北走向，地勢(shì)南高北低，總長(zhǎng)258 km，平均寬40 km，總面積10 255 km2。從河源至下游，大致可以分為山地—丘陵—沖積扇—沖洪積平原4個(gè)地貌單元。上游山區(qū)支流呈樹(shù)枝狀分布，兩岸有一級(jí)支流20多條，其中10支支流源頭在冰川和永久積雪區(qū)，其余支流皆源于中山低山區(qū)，靠季節(jié)性積雪消融和夏季降水補(bǔ)給[3-5]。據(jù)中國(guó)冰川目錄統(tǒng)計(jì)，全流域有大小冰川239條，冰川面積72.07 km2，年消融雪達(dá)0.524億m3，冰川補(bǔ)給占全年徑流量的11.0%[5-6]。呼圖壁河石門(mén)水文站以上河道長(zhǎng)88 km，集水面積1 840 km2，平均高程2 984 m，河道縱降比23.13%，以石門(mén)水文站控制斷面為界，斷面以上為主要徑流形成區(qū)，斷面以下為徑流散失區(qū)[5]。因此，本文選擇石門(mén)水文站為研究斷面，采用其多年輸沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有合理性。
2 資料與方法
2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
本文采用的水文數(shù)據(jù)為呼圖壁河出山口石門(mén)水文站1980—2011年日徑流數(shù)據(jù)和輸沙量數(shù)據(jù)。石門(mén)水文站測(cè)站高程為1 480 m，集水面積1 840 km2，其控制年徑流量占該河全流域年徑流量的93.3%，石門(mén)站以下主要為徑流散失區(qū)[5]。氣象數(shù)據(jù)為石門(mén)站1980—2011年日降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，時(shí)間序列完整，無(wú)資料缺失。
2.2研究方法
(1) 采用Mann-Kendall秩檢驗(yàn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)系列的變化趨勢(shì)和突變特征的分析。該檢驗(yàn)法是由世界氣象組織推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，最初由Mann和Kendall提出[7]。該統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[6]，適用于水文、氣象要素等非正態(tài)分布數(shù)據(jù)趨勢(shì)及突變的檢驗(yàn)，因此在降水、徑流和水質(zhì)等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化分析中得到廣泛的應(yīng)用[7]。
假定{x1，x2，…，xn}為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，Mann-Kendall秩檢驗(yàn)法是在序列平穩(wěn)且序列是隨機(jī)獨(dú)立的前提下，構(gòu)造了秩統(tǒng)計(jì)量Sk，對(duì)于所有的i≤n，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量Sk計(jì)算式為:
(1)
(2)
式中：xi，xj——i年,j年的被檢驗(yàn)值。
Sk的均值和方差分別為：
(3)
(4)
(5)
UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，在該序列隨機(jī)獨(dú)立的前提下，給定一顯著水平，顯著水平組成一個(gè)信度區(qū)間，將UFk匯成一條曲線UF。將時(shí)間序列再按逆序{xn,xn-1,…,x1}排列，按照上述過(guò)程重復(fù)計(jì)算，得到另一條曲線UB，UB=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1)。如果UF和UB的交點(diǎn)在信度線之間，則該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變點(diǎn)開(kāi)始的時(shí)間[6-9]。
(2) 采用雙累積曲線法檢驗(yàn)徑流量和輸沙量變化的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。雙累積曲線是檢驗(yàn)兩個(gè)參數(shù)間關(guān)系一致性及其變化常用的方法。他可用于水文氣象要素一致性的檢驗(yàn)、缺值的插補(bǔ)或資料校正以及水文氣象要素的趨勢(shì)性變化及其強(qiáng)度的分析。同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的獲取可以估計(jì)不同時(shí)段的減沙量[10]。
3 結(jié)果與分析
3.1輸沙量變化趨勢(shì)分析
3.1.1輸沙量的變化特征呼圖壁河河流輸沙量年內(nèi)變化很大，時(shí)空分布極不均勻(表1)，夏季氣候干燥，加上地表巖石機(jī)械風(fēng)化強(qiáng)烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水?dāng)y帶大量泥沙匯入河道，使得夏季輸沙量高度集中，呼圖壁河連續(xù)最大4個(gè)月輸沙量出現(xiàn)在6—9月，占全年輸沙量的94.61%，平均輸沙量最大月出現(xiàn)在7月，占全年輸沙量的60.83%。
呼圖壁河多年平均輸沙量為42.286萬(wàn)t，由圖1可知，呼圖壁河輸沙量年際變化呈豐枯相間的周期性變化，總體呈增加趨勢(shì)。呼圖壁河輸沙量最大值出現(xiàn)在1996年，為212.586萬(wàn)t。其次為1999年，為161.846萬(wàn)t，1986年的輸沙量為32 a最低，為4.964萬(wàn)t。最大年輸沙量與最小年輸沙量之比為42.83，輸沙量年際變化較大。呼圖壁河輸沙量1996年以前整體波動(dòng)不大，而1996年以后，呼圖壁河輸沙量的上升或下降趨勢(shì)明顯，資料顯示，1996年7月和1999年7月呼圖壁河突發(fā)暴雨洪水，其中，1996年為呼圖壁河有史以來(lái)最大的一次暴雨洪水，當(dāng)時(shí)石門(mén)站最大洪峰流量達(dá)到371 m3/s[3]，故該時(shí)期輸沙量的變化可能是因?yàn)楸┯旰樗谠黾訌搅髁康耐瑫r(shí)也攜帶了大量泥沙，從而導(dǎo)致輸沙量急劇上升。
表1呼圖壁河多年平均輸沙量年內(nèi)分配情況
項(xiàng)目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年輸沙量/萬(wàn)t0.01490.01610.02440.67881.15565.185625.72367.69151.40760.26110.11110.015642.2859百分比/%0.040.040.061.612.7312.2660.8318.193.330.620.260.04100
圖1 呼圖壁河多年輸沙量年際變化
3.1.2輸沙量趨勢(shì)性檢驗(yàn) 1980—2011年，受氣候變化及強(qiáng)烈人類(lèi)活動(dòng)的影響，呼圖壁河年輸沙量發(fā)生了明顯的趨勢(shì)變化，為了定量地分析年輸沙序列的變化趨勢(shì)，深入揭示輸沙量的變化規(guī)律，用Mann-Kendall秩檢驗(yàn)法對(duì)呼圖壁河輸沙量趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，設(shè)檢驗(yàn)水平α為0.05，由正態(tài)分布表得出相應(yīng)的檢驗(yàn)臨界值為U0.05=±1.96。根據(jù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線中|UF|的大小對(duì)變量的趨勢(shì)性進(jìn)行判斷。|UF|的值越大，表明其變化趨勢(shì)越明顯，即當(dāng)UF>0時(shí)，|UF|的值越大，序列的上升趨勢(shì)越明顯，當(dāng)UF<0時(shí)，|UF|的值越大，序列的下降趨勢(shì)越明顯(圖2)。分析石門(mén)水文站32 a的輸沙量變化趨勢(shì)，得出：呼圖壁河年輸沙量整體呈增加的趨勢(shì)，且增加顯著，并且在1989年發(fā)生突變，1980—1988年均輸沙量16.89萬(wàn)t，1989—2011年年均輸沙量52.22萬(wàn)t，1989—2011年的年均輸沙量比1980—1988年的年均輸沙量增加了209.2%。在1996年以后UF值均通過(guò)了α為0.05的置信水平。并且在1997—2008年通過(guò)了α為0.01的置信水平，表明石門(mén)水文站輸沙量變化達(dá)到顯著水平，有明顯的上升趨勢(shì)(圖2)。
圖2 呼圖壁河輸沙量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線
3.2輸沙量變化的影響因素分析
3.2.1降雨因素如圖3所示，降雨量和輸沙量的整體變化趨勢(shì)大致相同，但一致性的強(qiáng)度不大。表現(xiàn)為，雖然降雨量與輸沙量的大致趨勢(shì)具有一定的相似性，但降雨量增加幅度較大時(shí)，輸沙量增加幅度未必大，降雨量最多時(shí)，輸沙量未必最多，并且個(gè)別年份當(dāng)降雨量增加(或減少)，輸沙量表現(xiàn)為減少(或增多)。分析呼圖壁河降水量年內(nèi)分配特征可知降雨量主要集中在5—9月，占全年降水量的70.21%，降水極大值也出現(xiàn)在7月。這與輸沙量的年內(nèi)分配特征大致相同，故推測(cè)降雨量可能通過(guò)影響其他因素間接地對(duì)輸沙量產(chǎn)生影響，比如降雨量增多時(shí)，徑流量增加，從而使輸沙量增加。
3.2.2徑流因素呼圖壁河流域1980—2011年的多年平均徑流量為4.859億m3，總體呈波動(dòng)狀態(tài)，上升或下降的趨勢(shì)變化較大。由圖4可知，該時(shí)期內(nèi)徑流量與輸沙量變化趨勢(shì)基本一致，徑流量最大值出現(xiàn)在1999年，為6.336億m3，此時(shí)，輸沙量也較大；輸沙量最大值出現(xiàn)在1996年，為212.586萬(wàn)t，該年的徑流量也較大，1986年徑流量和輸沙量為32 a最低，分別是3.633億m3、4.964萬(wàn)t。呼圖壁河徑流量年內(nèi)分配主要集中在6—9月，占年內(nèi)總徑流量的78.93%，豐枯交替明顯，這與輸沙量的年內(nèi)分配特征極其相似，且輸沙量較徑流量更為集中。
圖3 1980-2015年呼圖壁河降雨量及輸沙量年際變化
圖4 1980-2011年呼圖壁河徑流量及輸沙量年際變化
為了進(jìn)一步研究徑流量、降雨量與輸沙量之間的關(guān)系，對(duì)三者做相關(guān)分析，由輸沙量的年際變化趨勢(shì)(圖1)可知，輸沙量在1996—2000年變化幅度較大，其余年份增加或減少的幅度不大，故將時(shí)間序列分為1980—1995年、1996—2000年、2001—2011年3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析。由表2可知，1980—1995年、1996—
2000年、2001—2011年多年輸沙量與徑流量均呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)分別為0.692，0.744，0.597，均通過(guò)了0.01的置信水平；多年輸沙量與降雨量均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.191，0.759，0.488，1980—1995年輸沙量—降雨量未通過(guò)0.01的置信水平；多年徑流量與降雨量均呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)分別為0.356，0.947，0.336，在1996—2000年通過(guò)了0.01的置信水平，并且顯著相關(guān)。
表2多年降水量、徑流量與輸沙量相關(guān)性分析
年份輸沙量—徑流量相關(guān)系數(shù)輸沙量—降雨量相關(guān)系數(shù)徑流量—降雨量相關(guān)系數(shù)1980—1995年0.692*0.1910.356*1996—2000年0.744*0.759*0.947*2001—2011年0.597*0.488*0.336*
注：*代表置信水平p<0.01。
由于1996—2000年降雨量、輸沙量以及徑流量之間的相關(guān)性顯著。根據(jù)資料記載，1996年7月15日至7月28日和1999年7月15日至7月28日新疆普降大雨，其中天山地區(qū)達(dá)到暴量，呼圖壁河流域發(fā)生特大洪水，其中呼圖壁河青年渠首站最大洪峰流量達(dá)到了560 m3/s[11-13]。對(duì)呼圖壁河流域1996年7月15日—7月28日(圖5A)和1999年7月15日—7月28日(圖5B)的日輸沙量和日流量的趨勢(shì)進(jìn)行分析可知：兩個(gè)時(shí)期的徑流量和輸沙量趨勢(shì)都相同，且表現(xiàn)出高度的一致性，1996年暴雨洪水期間輸沙量和日流量最大值都出現(xiàn)在18日，并且在17日的降雨量為31.8 mm，占該時(shí)段降水總量的46.9%。1999年暴雨洪水期間輸沙量和日流量最大值都出現(xiàn)在20日，并且在19日的降水量為34.8 mm，占該時(shí)段降水總量的53.7%。由此可知：流域干燥的氣候，較低的植被覆蓋率，加之脆弱的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致該流域在降水量猛增時(shí)，徑流量增加的同時(shí)，輸沙量劇增。
圖5 不同時(shí)期呼圖壁河流域輸沙量和日流量變化
3.2.3人類(lèi)活動(dòng)因素雙累積曲線方法是目前水文氣象要素一致性或者長(zhǎng)期演變趨勢(shì)分析中最直觀、最簡(jiǎn)單、最廣泛的方法。對(duì)呼圖壁河流域的降水量與輸沙量雙累積曲線進(jìn)行分析，從而確定人類(lèi)活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的影響，并對(duì)其影響程度進(jìn)行定量化分析。由圖6可以看出，1996—1999年呼圖壁河流域輸沙量的變化較大。以1980—1995年為基準(zhǔn)期，可知1996—1999年期間年均輸沙量為140.20萬(wàn)t，較1980—1995年年均輸沙量增加了118.34萬(wàn)t，其中人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其貢獻(xiàn)程度為99.23%，而2000—2011年年均輸沙量為36.88萬(wàn)t，較1963—1979年年均輸沙量增加了15.02萬(wàn)t，其中人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其貢獻(xiàn)程度為92.52%。
圖6 呼圖壁河年輸沙量-年降水量雙累積曲線
人類(lèi)活動(dòng)例如水利工程、土地利用等可以改變流域的下墊面條件[10]。自1962年以來(lái)，呼圖壁河從上游往下游在干流上依次建有石門(mén)水庫(kù)、齊古水庫(kù)、阿葦灘渠首、獨(dú)山子渠首、青年渠首、芨芨壩渠首、小海子水庫(kù)、大海子水庫(kù)、鷹湖水庫(kù)等水利工程。其中，石門(mén)水庫(kù)位于石門(mén)水文站下游7 km的峽谷進(jìn)口處，壩頂全長(zhǎng)312.51 m，壩頂高程1243 m，水庫(kù)正常蓄水位1 240.0 m，總庫(kù)容7 975萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)多年平均輸沙量22.6萬(wàn)t具有灌溉、防洪、發(fā)電及工業(yè)供水等綜合作用。水庫(kù)于2011年4月22日大河截流，2013年10月3日大壩開(kāi)始蓄水。這些興建的水庫(kù)等水利設(shè)施的攔蓄作用，勢(shì)必加劇輸沙量的變化，水利工程對(duì)河道水沙變化的影響還受到流域尺度的影響，流域尺度越小，河道水沙變化受水利工程建設(shè)的影響就越敏感，其滯后性就越短[14]。
呼圖壁河水土流失形態(tài)隨地形、地貌等自然條件的變化而不同，南部高山區(qū)水土流失主要表現(xiàn)為凍融侵蝕和重力侵蝕，中低山區(qū)水土流失主要表現(xiàn)為水力侵蝕，中部沖積平原區(qū)水土流失主要表現(xiàn)為風(fēng)力水力交錯(cuò)侵蝕，北部戈壁荒漠區(qū)主要表現(xiàn)為風(fēng)力侵蝕。據(jù)第3次全國(guó)土壤侵蝕快速遙感調(diào)查，呼圖壁縣水土流失總面積為5 217.17 km2，占國(guó)土總面積的50.88%。其中水蝕面積為1 153.24 km2，占全縣水土流失面積的22.11%，占國(guó)土總面積的11.25%；風(fēng)蝕面積3 981 km2，占全縣水土流失面積的76.31%，占國(guó)土總面積的38.82%；凍融侵蝕82.93 km2，占全縣水土流失面積的1.58%，占國(guó)土面積的0.81%。侵蝕模數(shù)為4 250 t/(km2·a)，侵蝕程度為中度侵蝕。并且該區(qū)域現(xiàn)有14座煤礦，由于新疆特殊的地貌類(lèi)型，加之當(dāng)?shù)卣畬?duì)該地區(qū)自然資源不合理的開(kāi)采利用，造成呼圖壁河流域水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。
呼圖壁河流域水土流失嚴(yán)重，引起了當(dāng)?shù)卣闹匾?，近年?lái)在流域內(nèi)開(kāi)展了一系列水土保持工程。根據(jù)呼圖壁水利局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：呼圖壁河流域規(guī)劃預(yù)防保護(hù)區(qū)2 376 km2，預(yù)防監(jiān)督區(qū)2 668.38 km2，重點(diǎn)治理區(qū)5 210.3 km2。其中：水保林587.43 hm2，經(jīng)濟(jì)林2 533.33 hm2，封育治理4 000 hm2，溝頭防護(hù)33.8 km，截流溝76.8 km，工礦區(qū)攔渣壩8.5 km，工礦區(qū)護(hù)坡工程6.8 km；工礦區(qū)整治土地20.2 hm2。
在干旱區(qū)的產(chǎn)流區(qū)有侵蝕較強(qiáng)的荒坡地，其表層多為基巖風(fēng)化剝落的碎石、巖屑，部分地帶亦覆蓋風(fēng)積沙，是侵蝕泥沙的主要來(lái)源，且對(duì)農(nóng)牧區(qū)土地危害較重。為防止其泥沙輸往下游，實(shí)施溝頭防護(hù)工程、坡面水土保持林建設(shè)和坡面攔蓄截流工程。在礦區(qū)，要重視開(kāi)展水土保持實(shí)施護(hù)坡工程和攔渣工程。對(duì)于流域周邊的坡耕地進(jìn)行退耕還林還草，在荒山荒坡荒墓地上經(jīng)過(guò)整地后造林種草及栽植經(jīng)濟(jì)果木林，對(duì)疏林地進(jìn)行補(bǔ)植，并進(jìn)行封禁治理。這些措施將對(duì)干旱區(qū)流域水土保持治理有重要的作用。
4 結(jié) 論
本文利用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)法、雙累積曲線法，對(duì)呼圖壁河石門(mén)水文站近32年來(lái)的輸沙量進(jìn)行分析，研究結(jié)果顯示：
(1) 近32年呼圖壁河輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，連續(xù)最大4個(gè)月輸沙量出現(xiàn)在6—9月，占全年輸沙量的94.61%，平均輸沙量最大月出現(xiàn)在7月，呼圖壁河輸沙量年際變化呈豐枯相間的周期性變化，總體呈增加趨勢(shì)。呼圖壁河輸沙量最大值出現(xiàn)在1996年，為212.586萬(wàn)t；1986年的輸沙量為32 a最低，為4.964萬(wàn)t。
(2) 經(jīng)Mann-Kendall檢驗(yàn)綜合分析呼圖壁河年輸沙量整體呈增加的趨勢(shì)，且增加顯著，并且在1989年發(fā)生突變。對(duì)比突變年前后輸沙量變化可知，1989—2011年的年均輸沙量比1980—1988年的年均輸沙量增加了209.2%。1996年為呼圖壁河有史以來(lái)最大的一次暴雨洪水，當(dāng)時(shí)石門(mén)站最大洪峰流量達(dá)到371 m3/s，暴雨洪水在增加徑流量的同時(shí)也攜帶了大量的泥沙，導(dǎo)致輸沙量急劇上升。
(3) 呼圖壁河輸沙量主要受徑流量控制，降雨在一定程度上增加了徑流量，但對(duì)輸沙量的影響表現(xiàn)為增加或者減少兩種結(jié)果。輸沙量變化受人類(lèi)活動(dòng)影響顯著，輸沙量變化不僅受上游水庫(kù)的影響，還受近年來(lái)流域周邊由于不合理的開(kāi)采等人類(lèi)活動(dòng)造成的水土流失等的影響。
(4) 呼圖壁河流域山區(qū)海拔高，雨水充沛，加之全球氣候變暖導(dǎo)致冰雪融化速度加快，暴雨洪水頻發(fā)，攜帶大量泥沙，易導(dǎo)致下游流域發(fā)生泥沙淤積，影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，開(kāi)展流域內(nèi)的水土保持工程刻不容緩。
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Sediment Discharge Change and Its Affecting Factors of Small Watershed on the Northern Slope of Tianshan Mountains—Taking Hutubi River Basin as an Example
GUO Xiaoyun1,2, LIU Zhihui1,2,3,4, YAO Junqiang1,2,3, WEI Tianfeng1,2
(1.SchoolofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China)
According to the measured daily runoff, sediment load and precipitation data of the Shimen hydrological station of Hutubi River Basin during the period from 1980 to 2011, we used the non-parametric Mann-Kendall trends and mutation test, and the double cumulative curve method to investigate Hutubi River monthly and annual sediment load trends and possible mutation time, and explore the factors that may affect Hutubi River sediment load change. The results show that Hutubi River Basin sediment distribution in a year is very uneven, continuous maximum four-month (June to September) sediment load accounted for 94.61% of annual sediment load; sediment load in July is the largest, accounting 60.83% of the annual sediment load; annual sediment load were increased during the period from 1980 to 2011, on the interannual scales it shows periodically changes of alternating wet and dry; and the mutation happened in 1989. Sediment load is influenced by the combined effects of runoff, rainfall, large reservoirs and soil erosion; runoff is the major factor affecting the amount of sediment. The watershed dry climate, low vegetation coverage and the human over exploitation of coal resources in the upper reaches of the mountain area make sediment load increase quickly in the mountainous region when the rainstorm floods occur suddenly.
sediment; runoff; Hutubi River Basin
2014-12-13
2015-03-31
水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301103)
郭小云(1991—),女,河南周口人,碩士研究生,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水文水資源研究。E-mail:guoxiaoyundili@126.com
劉志輝(1957—),男,新疆石河子人,博士,教授,主要從事干旱區(qū)水文水資源和決策支撐系統(tǒng)研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn
P333.4
A
1005-3409(2016)01-0145-05
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