夏 偉周維博何慶龍李文溢

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054;

2.長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710054)

我國很多學(xué)者對(duì)我國各大流域的水沙特性及其影響因素也作了大量研究。劉成等[6]對(duì)我國主要入海河流水沙變化的分析表明,我國最主要的10條河流下游站1997—2006年輸沙量的平均值低于多年平均值的一半。姚文藝等[7]綜合利用水文法、水保法和數(shù)學(xué)模型法等多種方法對(duì)黃河流域1997—2006年的水沙變化情勢(shì)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明黃河實(shí)測(cè)輸沙量較1970年以前年均減小11郾80億t,其中人類活動(dòng)的減沙作用與降雨的影響基本相當(dāng)。史紅玲等[8]研究了淮河流域水沙變化趨勢(shì)及其成因,表明淮河流域來沙量呈現(xiàn)顯著減小的趨勢(shì),發(fā)生突變的年份在1973—1975年之間。

目前,已有學(xué)者對(duì)灞河流域水沙特性進(jìn)行了研究。趙建春等[9]對(duì)灞河流域水沙特性的研究表明,1985年后的來沙量基本保持在較小的水平;魏炳乾等[10]認(rèn)為灞河流域的水沙量自20世紀(jì)70年代以后呈減小趨勢(shì),其中20世紀(jì)90年代減小十分顯著,人類活動(dòng)和氣候變化是灞河水沙量減小的主要因素。為研究各因素對(duì)灞河流域水沙量減小的影響程度,采用累積量斜率變化率比較法(SCRCQ)[11鄄15]對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)在灞河流域輸沙量變化中的相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析評(píng)估。

1 研究區(qū)概況

灞河系渭河的一級(jí)支流,發(fā)源于秦嶺北麓藍(lán)田縣灞源鄉(xiāng)麻家坡以北,位于東經(jīng) 109毅00憶~109毅47憶,北緯 33毅50憶~34毅27憶,流經(jīng)西安市灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū),于高陵區(qū)匯入渭河,全長(zhǎng)104 km,流域總面積為2581km2,主要支流有浐河、清河、道溝峪等。灞河上游河道比降較大,平均為0郾9%;中游為平原彎曲型河道,平均比降為0郾235%;下游河道比較緩,平均比降為0郾158%。灞河流域的基本情況如圖1所示。

圖1 灞河流域

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

馬渡王水文站設(shè)立于1952年6月,位于浐河匯入灞河的入?yún)R口附近,距離渭河口30km,是灞河下游干流控制站,控制流域面積1601km2。馬渡王水文站觀測(cè)資料系統(tǒng)全面、時(shí)間序列較長(zhǎng),因此選用該水文站1960—2012年的實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 小波分析法

小波分析[16]屬于時(shí)頻分析的一種,它能夠清晰地揭示出隱藏在時(shí)間序列中不同的變化周期,充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì),且能對(duì)系統(tǒng)在未來的變化趨勢(shì)作定性分析。其基本思想是:用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號(hào)或函數(shù),因此,小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵,它是指具有震蕩性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù),即小波函數(shù)追(t)沂L2(R)且滿足:

式中:追a,b(t)為子小波;a為尺度因子,反映小波的周期長(zhǎng)度;b為平移因子,反映時(shí)間上的平移。

2.2.2 累積距平法

累積距平法[17鄄18]是一種由曲線直觀判斷離散數(shù)據(jù)點(diǎn)變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)方法,通過先計(jì)算每年輸沙量的距平值,然后按照時(shí)間序列逐年累加,從而得到累積距平值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。如果輸沙量累積距平曲線上升,則輸沙量為逐年增加的趨勢(shì);反之,輸沙量為逐年減小的趨勢(shì),趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

2.2.3 累積量斜率變化率比較法

由王隨繼等[11]提出的SCRCQ方法以客觀年份作為自變量,以各因子的累積量作為因變量,因累積量在一定程度上消除了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)年際變化的影響,使年份與累積量之間具有非常高的相關(guān)性,為進(jìn)一步進(jìn)行定量分析創(chuàng)造了條件,并避免了采用常用的多元回歸法進(jìn)行定量分析時(shí)的人為因素的影響。其基本公式為式中追(t)為基小波函數(shù)。選用Morlet小波函數(shù)作為基小波函數(shù),它可通過對(duì)基小波函數(shù)在尺度的伸縮和時(shí)間軸上的平移構(gòu)成一族函數(shù)系:

式中:RS為累積輸沙量斜率變化率;KSa、KSb分別為累積輸沙量-年份線性關(guān)系式在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率,萬t/a;RP為累積降水量斜率變化率;KPb、KPa分別為累積降水量年份線性關(guān)系式在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率,mm/a;RE為累積蒸散發(fā)量斜率變化率;KEb、KEa分別為累積蒸散發(fā)量年份線性關(guān)系式在拐點(diǎn)前后兩個(gè)時(shí)期的斜率,mm/a。

根據(jù)SCRCQ方法,降水、蒸散發(fā)、人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)率CP、CE、CH分別為

式中:CT為氣溫對(duì)輸沙量的影響;CC為氣象條件的變化引起的天然植被的變化對(duì)輸沙量的影響。

由于氣溫主要是通過影響蒸散發(fā)進(jìn)而影響輸沙量,所以不考慮氣溫對(duì)輸沙量的影響。氣候條件的變化引起的天然植被的變化會(huì)影響產(chǎn)沙量,進(jìn)而影響輸沙量,而天然植被的變化主要是受人類活動(dòng)的影響,可不考慮氣象條件的變化引起的天然植被的變化對(duì)輸沙量的影響。根據(jù)魏炳乾等[8]對(duì)灞河流域水沙特性的研究,蒸散發(fā)對(duì)輸沙量的影響很小,式(8)可以簡(jiǎn)化為

3 研究結(jié)果與分析

3.1 年輸沙量、年降水量及汛期降水量變化特征

1960—2012年灞河流域年輸沙量、年降水量及汛期降水量的年際變化過程如圖2所示。由圖2可知,1960—2012年多年平均輸沙量為182郾86萬t,年輸沙量呈減小的趨勢(shì),減小的速率為6郾150萬t/a;1960—2012年多年平均降水量為616郾31 mm,年降水量呈減小的趨勢(shì),減小的速率為1郾761 mm/a;1960—2012年多年平均汛期(7—9月)降水量為292郾73 mm,占多年平均降水量的47郾5%,汛期降水量呈減小的趨勢(shì),減小的速率為0郾221 2 mm/a。灞河流域年輸沙量小波分析時(shí)頻分布如圖3所示,可以看出,年輸沙量存在3~7 a、13~18 a和40~45 a 3類尺度的周期,其中第一主周期為15 a左右,在13~18a尺度上存在豐枯交替準(zhǔn)3次震蕩,且該尺度的周期變化在整個(gè)分析階段非常穩(wěn)定,具有全域性。

圖2 1960—2012年灞河流域年輸沙量、年降水量及汛期降水量的年際變化

圖3 灞河流域年輸沙量小波分析時(shí)頻分布

3.2 年輸沙量突變分析及階段劃分

采用累積距平法計(jì)算1960—2012年灞河流域年輸沙量突變年份,得灞河流域年輸沙量累積距平曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出,年輸沙量累積距平曲線在1960—1987年表現(xiàn)為上升趨勢(shì),而在1988—2012年表現(xiàn)為下降趨勢(shì),在1988年發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,可確定1988年為年輸沙量的突變年份。由圖4(b)可以看出,年輸沙量累積距平曲線表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),其突變年份為2002年。

圖4 灞河流域年輸沙量累積距平曲線

通過流域調(diào)查發(fā)現(xiàn),灞河流域在20世紀(jì)80年代以前,受人類活動(dòng)的影響相對(duì)較小,灞河流域年輸沙量變化主要是受氣候變化的影響,因此,可以將1960—1987年這一階段看作基準(zhǔn)期;在20世紀(jì)90年代以來,人類活動(dòng)對(duì)灞河流域年輸沙量變化的影響逐漸加大,灞河流域年輸沙量除了受氣候變化的影響,在一定程度上還受到人類活動(dòng)的影響。

3.3 突變年份分割時(shí)期的年輸沙量及年降水量與年份之間的關(guān)系

根據(jù)灞河流域年輸沙量的兩個(gè)突變年份,將研究時(shí)間分為 1960—1987年、1988—2001年和2002—2012年3個(gè)時(shí)期,分別記為A、B和C。灞河流域累積輸沙量,累積降水量與年份之間的關(guān)系如圖5所示,圖中還給出了擬合關(guān)系式,各擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R均大于0郾969,通過了顯著性水平為0郾01的Pearson顯著性檢驗(yàn)。

圖5 灞河流域累積輸沙量、累積降水量與年份之間的關(guān)系

3.4 年降水量和人類活動(dòng)對(duì)年輸沙量變化的貢獻(xiàn)率

根據(jù)SCRCQ方法,在基準(zhǔn)期內(nèi),輸沙量主要受自然因子(降水)的影響,受人類活動(dòng)的影響較小;在變異期內(nèi),輸沙量主要受自然因子(降水)和人類活動(dòng)二者的綜合影響。

由圖5(a)擬合關(guān)系式可得,累積輸沙量-年份線性關(guān)系式在A、B和C時(shí)期的斜率分別為228萬t/a,76郾53萬t/a和101郾3萬t/a;B時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小了151郾47萬t/a,減小率為66郾43%;C時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小了126郾7萬t/a,減小率為55郾57%;C時(shí)期與 B時(shí)期相比,斜率增大了24郾77 萬 t/a,增大率為32郾37%。

由圖5(b)擬合關(guān)系式可得累積降水量-年份線性關(guān)系式在A、B和C時(shí)期的斜率分別為638郾2 mm/a,513郾9 mm/a和589郾8 mm/a;B時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小124郾3 mm/a,減小率為19郾48%;C時(shí)期與A時(shí)期相比,斜率減小48郾4 mm/a,減小率為7郾58%;C時(shí)期與B時(shí)期相比,斜率增大75郾9 mm/a,增大率為 14郾77%。

根據(jù)式(6)~(9),可以計(jì)算得到B時(shí)期與A時(shí)期相比,降水量的減小對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為12郾22%,人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為87郾78%;C時(shí)期與A時(shí)期相比時(shí),降水量的減小對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為6郾56%,人類活動(dòng)對(duì)輸沙量減小的貢獻(xiàn)率為93郾44%;C時(shí)期與B時(shí)期相比,降水量的增大對(duì)輸沙量增大的貢獻(xiàn)率為0郾53%,人類活動(dòng)對(duì)輸沙量增大的貢獻(xiàn)率為99郾47%,降水量對(duì)輸沙量的影響很小,可以忽略不計(jì),即輸沙量增大完全受人類活動(dòng)的影響。

3.5 年輸沙量減小的原因分析

灞河流域年輸沙量減小的原因有自然因素(降水量減小和降水強(qiáng)度減小)和非自然因素(水庫攔沙、水土保持、人工采砂和土地利用類型的變化)[18]。

a.自然因素。由于灞河流域降水量的減小,會(huì)減小雨水對(duì)地面的沖刷,減少土壤的流失,從而使得灞河流域年輸沙量在一定程度上有所減小;同時(shí),由于灞河流域汛期降水強(qiáng)度的減小,也在一定程度上減少產(chǎn)沙量,從而使灞河流域年輸沙量有所減小。

b.非自然因素。自20世紀(jì)80年代以來,人類活動(dòng)對(duì)灞河流域年輸沙量減小的影響越來越大,主要表現(xiàn)在:淤在灞河流域建了很多水庫(如紅旗水庫),流域內(nèi)侵蝕的泥沙大量淤積在水庫內(nèi),使得下游年輸沙量減小[19];于灞河流域于1997年開始實(shí)施攔河造湖工程,在灞河上規(guī)劃建造10座橡膠壩,形成水面面積12萬m2,另外在灞河生態(tài)區(qū)上游布置大片生態(tài)水系涵養(yǎng)綠地,沿河道兩岸布置帶狀公園和防護(hù)綠地,在一定程度上遏制了水土流失,使灞河流域年輸沙量亦隨之減小[19];盂隨著西安市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,以及大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),在灞河流域存在大量的引水采砂作業(yè),這也是灞河流域年輸沙量減小的一個(gè)重要原因;榆隨著大西安城市建設(shè),灞河流域內(nèi)修建了大量住宅和道路,土壤裸露面積減小,這使土壤流失有所減小,從而使灞河流域年輸沙量有所減小。

4 結(jié) 論

a.自1960年以來,灞河流域年輸沙量一直呈減小趨勢(shì),減小速率為6郾150萬t/a;年輸沙量存在3~7 a、13~18 a和40~45 a 3類尺度的周期,其中第一主周期為15 a左右;灞河流域年降水量也一直呈減小趨勢(shì),減小速率為1郾761 mm/a。

b.采用累積距平方法確定了灞河流域年輸沙量在1988年和2002年前后發(fā)生突變。3個(gè)時(shí)期累積輸沙量和累積降水量與年份之間的關(guān)系較好,相關(guān)系數(shù)均大于 0郾969,且通過了 0郾01的顯著性檢驗(yàn)。

c.采用累積量斜率變化率比較方法分析了降水量和人類活動(dòng)在灞河流域輸沙量減小中的相對(duì)貢獻(xiàn)率,B時(shí)期與A時(shí)期相比時(shí),降水量和人類活動(dòng)在灞河流域輸沙量減小中的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為12郾22%和87郾78%;C時(shí)期與A時(shí)期相比時(shí),降水量和人類活動(dòng)在灞河流域輸沙量減小中的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為6郾56%和93郾44%;C時(shí)期與B時(shí)期相比時(shí),降水量和人類活動(dòng)在灞河流域輸沙量增加中的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為0郾53%和99郾47%。由此可見,人類活動(dòng)是影響灞河流域輸沙量變化的主要因素。

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