任宗萍, 謝夢(mèng)瑤, 馬勇勇, 李 鵬

(1.西安理工大學(xué), 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)

徑流和泥沙是表征河流系統(tǒng)的重要水文要素，水沙變化趨勢(shì)及其周期特征是河流系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容[1-2]。受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響，國(guó)際上許多大河流域(如埃及尼羅河、美國(guó)科羅拉多河)徑流量和輸沙量在過(guò)去幾十年來(lái)發(fā)生了顯著變化[3-4]。在我國(guó)，黃河流域徑流量和輸沙量的變化尤為突出[5-6]。黃河潼關(guān)水文站徑流量和輸沙量已由多年平均約400億m3，16億t銳減到近年來(lái)的200億m3，1億t左右[6]。河流水沙變化對(duì)流域水資源開(kāi)發(fā)利用，水環(huán)境保護(hù)、流域地貌演變、海洋海岸帶生態(tài)系統(tǒng)等將會(huì)產(chǎn)生一系列重要影響[7]。研究河流水沙變化趨勢(shì)及其周期特征對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流域徑流和輸沙特征，科學(xué)合理地管理水資源具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

烏蘭木倫河位于黃土高原和毛烏素沙漠過(guò)渡帶，是黃河流域窟野河的一級(jí)支流。該區(qū)是黃河流域土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地區(qū)和黃河粗泥沙的主要產(chǎn)區(qū)之一，對(duì)黃河下游河道淤積有嚴(yán)重影響[8]。同時(shí)，烏蘭木倫河流域蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，流域內(nèi)分布著我國(guó)已探明儲(chǔ)量的最大煤田——神府東勝煤田。隨著煤田的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，流域內(nèi)生產(chǎn)生活用水快速增加，對(duì)流域生態(tài)環(huán)境及水文過(guò)程均產(chǎn)生顯著影響。已有研究表明，烏蘭木倫河流域徑流量從20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，2000年以后下降趨勢(shì)更為顯著[9-10]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，降雨和氣溫等自然因素對(duì)流域徑流量下降的貢獻(xiàn)為10%～20%，煤炭開(kāi)采等人類(lèi)活動(dòng)的貢獻(xiàn)達(dá)80%～90%[11]。然而上述工作并沒(méi)有對(duì)流域徑流量變化周期進(jìn)行研究，也沒(méi)有涉及流域輸沙量的變化。因此，本文采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Pettitt檢驗(yàn)和小波分析等方法分析烏蘭木倫河流域1960—2015年徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)，揭示其周期變化特征，為流域未來(lái)水資源優(yōu)化配置和開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏蘭木倫河發(fā)源于內(nèi)蒙古，流經(jīng)伊金霍洛旗，在下游王道恒塔處與悖牛川河匯合后稱(chēng)為窟野河，進(jìn)入陜西境界后流經(jīng)神木縣注入黃河。流域全長(zhǎng)138 km，面積3 857 km2。研究區(qū)海拔1 150～1 524 m，中、西部為坡梁起伏的鄂爾多斯高原地貌，東部為晉陜黃土高原北緣的丘陵溝壑地貌。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量357 mm，平均氣溫6.2℃。流域地帶性植被自東南向西北由典型草原向荒漠草原過(guò)渡，典型草原以針茅、百里香等植物類(lèi)型為主，荒漠草原以沙米、沙蒿等植物為建群種[12]。近幾十年來(lái)流域植被蓋度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，沙地和低蓋度植被面積大幅減少，中高蓋度植被面積大幅增加[13]。

烏蘭木倫河流域從1985年開(kāi)始進(jìn)行煤炭資源開(kāi)發(fā)，開(kāi)采量在100萬(wàn)t，1993—1998年開(kāi)采量突破千萬(wàn)t。從2000年之后，煤炭產(chǎn)量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，2012年，煤炭產(chǎn)量達(dá)到2.7億t，占全國(guó)煤炭產(chǎn)量的7.3%，是我國(guó)目前開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目強(qiáng)度較大的流域[10]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用烏蘭木倫河流域王道恒塔水文站1960—2015年的徑流和泥沙數(shù)據(jù)，分析烏蘭木倫河流域近60 a來(lái)水沙變化趨勢(shì)與周期特征。其中1960—1990年、2006—2015年徑流泥沙資料來(lái)源于黃河流域水文年鑒，1991—2005年的徑流輸沙資料來(lái)源于榆林水文手冊(cè)。降水量數(shù)據(jù)為1960—2010年王道恒塔、神木站，1977—2010年石圪臺(tái)、大柳塔、劉家溝、孫家岔、張家村，1978—1990年和2006—2010年高家塔、大卡鉗溝、全和常、布爾臺(tái)，由于雨量站某些年份存在缺失，因此采用算術(shù)平均法求得全流域降水量。

2.2 研究方法

(1) 水文序列非參數(shù)檢驗(yàn)。采用Mann-Kendall檢驗(yàn)烏蘭木倫河流域降雨量、徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)；基于Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行突變點(diǎn)分析[3]。

(2) 小波分析方法。小波分析的基本原理是假設(shè)φ(t)為平方可積的實(shí)數(shù)空間，即φ(t)∈L2(R)，其傅里葉變化為ψ(ω)滿(mǎn)足條件：

(1)

則φ(t)為小波母函數(shù)，小波函數(shù)φ(t)經(jīng)伸縮和平移后，得到連續(xù)小波序列為

(2)

式中：a為伸縮因子；b為平移因子。

由于Morlet小波與降水、徑流時(shí)間序列的波形較為接近，在時(shí)頻域局部性都較好[14]，所以本文選擇Morlet小波對(duì)烏蘭木倫河降水和徑流進(jìn)行小波分析。Morlet小波函數(shù)的表達(dá)式為：

φ(t)=eiw0te-t2/2

(3)

式中：ω0為常數(shù)；i為虛數(shù)。小波方差反映了波動(dòng)隨著時(shí)間的分布，可用來(lái)確定時(shí)間序列各種擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)峰值處的尺度為該序列的主周期。因此可以通過(guò)小波方差圖來(lái)確定降水、徑流序列中的主周期。小波方差的函數(shù)表達(dá)式為：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 烏蘭木倫河降水特性分析

烏蘭木倫河流域1960—2015年平均降雨量為377.6 mm，流域降雨量總體呈現(xiàn)出豐—枯—豐的變化趨勢(shì)(圖1)。利用Mann-kendall趨勢(shì)變點(diǎn)進(jìn)行降雨序列的趨勢(shì)性檢驗(yàn)，得到Z=1.19，未通過(guò)置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，表明流域1960—2015年降雨量無(wú)顯著的變化趨勢(shì)。

選擇Morlet連續(xù)復(fù)小波函數(shù)，對(duì)烏蘭木倫河流域降水序列進(jìn)行周期性分析，發(fā)現(xiàn)流域年降水量存在35～42 a，20～25 a，8～10 a和2～4 a共4個(gè)尺度的周期變化。其中，在35～42 a的尺度上出現(xiàn)了豐枯豐交替，在20～25 a的時(shí)間周期尺度上，豐枯交替也比較明顯且比較穩(wěn)定；但是在5～10 a時(shí)間尺度上，1960—1980年降水周期特征比較明顯，而2～4 a尺度上的周期特征在1950—1960年比較明顯?；谀杲邓〔ǚ讲顖D(圖2)，對(duì)應(yīng)的峰值分別為40，24，8，3 a。這些不同的周期共同控制著烏蘭木倫河流域降雨的“豐—枯”特征。

圖1 烏蘭木倫河流域1960-2015年降雨量變化特征

圖2 烏蘭木倫河年降水小波系數(shù)、小波方差

3.2 烏蘭木倫河水沙趨勢(shì)分析

烏蘭木倫河流域徑流量在1960—2015年呈階梯狀下降趨勢(shì)，流域60，70年代年均徑流量分別為2.5億m3，2.4億m3，80，90年代年均徑流量分別為1.9億m3，1.4億m3，2000—2015年均徑流量為0.7億m3(表1)?；贛ann-Kendall趨勢(shì)分析，烏蘭木倫河流域年徑流的變化趨勢(shì)Z=-5.62，|Z|>1.96，通過(guò)置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，表明烏蘭木倫河流域徑流呈顯著下降趨勢(shì)?；赑ettitt非參數(shù)方法檢驗(yàn)，得到烏蘭木倫河徑流序列的突變點(diǎn)在1996年(圖3)。以1996年為界，1960—1996年和1997—2015年流域年均徑流量分別為2.12億m3，0.76億m3，與1960—1996年相比，流域徑流量下降64.1%；1997—2015年流域年徑流量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.2，年際徑流變化幅度明顯變小。

圖3 烏蘭木倫河年徑流量和輸沙量的Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)

烏蘭木倫河流域1960—2015年平均輸沙量為1 771.5億t。與徑流量相似，流域輸沙量也呈現(xiàn)階梯狀下降趨勢(shì)，其下降趨勢(shì)更加劇烈。流域年均輸沙量在60—70年代約為3 000 萬(wàn)t；80—90年代快速下降到2 000 萬(wàn)t以下，2000年以后下降到100萬(wàn)t以下，2008年以后下降至不足10萬(wàn)t(表1)?；贛ann-Kendall趨勢(shì)分析，烏蘭木倫河流域年輸沙量的變化趨勢(shì)Z=-5.56，|Z|>1.96，通過(guò)置信度99%的顯著性檢驗(yàn)，表明烏蘭木倫河流域輸沙量呈顯著下降趨勢(shì)?；赑ettitt非參數(shù)方法檢驗(yàn)，得到烏蘭木倫河輸沙量變化的突變點(diǎn)也在1996年。以1996年為界，1960—1996年和1997—2015年流域年均輸沙量分別為2 659.8萬(wàn)t和41.7萬(wàn)t，與1960—1996年相比，流域年輸沙量下降高達(dá)98.4%。

表1 烏蘭木倫河徑流泥沙特征表

3.3 烏蘭木倫河水沙變化周期特征

進(jìn)一步分析徑流輸沙的周期規(guī)律，對(duì)年徑流和年輸沙進(jìn)行小波周期分析。得到烏蘭木倫河年徑流量存在2～4 a，8～10 a，15～17 a共3個(gè)尺度的周期(圖4)，徑流過(guò)程存在多周期的時(shí)間特征，而且徑流的周期在整個(gè)時(shí)段并不穩(wěn)定，只是在60年代到80年代相對(duì)穩(wěn)定。從小波系數(shù)實(shí)部圖和小波系數(shù)方差圖得到烏蘭木倫河枯水年多于豐水年，在56 a的時(shí)間序列上，主周期為16 a左右，更長(zhǎng)時(shí)間尺度的周期，需要進(jìn)一步增加時(shí)間序列。

從年輸沙小波系數(shù)圖可以得出(圖5)，年輸沙量的周期與徑流量周期相似，在2～4 a，5～8 a，8～10 a，15～17 a存在4個(gè)周期；不同尺度的周期只是在60年代到80年代相對(duì)穩(wěn)定，而且主周期也未形成，周期的時(shí)間特征與徑流周期特征幾乎一致，說(shuō)明烏蘭木倫河流域水沙相關(guān)性很大，泥沙特征很大程度上受到徑流序列演變特征的影響。與降水的周期相比，徑流輸沙周期在小的周期上與降雨的相似。

圖4 烏蘭木倫河年徑流小波系數(shù)、小波方差

圖5 烏蘭木倫河年輸沙量小波系數(shù)、小波方差

4 討 論

4.1 烏蘭木倫河水沙變化歸因分析

烏蘭木倫河1960—2015年徑流量和輸沙量均呈顯著下降趨勢(shì)，且下降具有明顯的階段性特征，這與黃河中游干流及主要支流水沙變化趨勢(shì)基本一致[3,6]。自20世紀(jì)50年代，黃河水沙急劇減少，黃河潼關(guān)站1960—1986年平均徑流量和輸沙量分別為402.3億m3，12.1億t，1987—1999年徑流量和輸沙量分別為261.4億m3，8.1億t，2000—2012年徑流量和輸沙量分別為229.0億m3，2.8億t[5]。

盡管烏蘭木倫河徑流量和輸沙量從1980年代以后發(fā)生明顯下降趨勢(shì)，但流域年徑流量和輸沙量下降的突變點(diǎn)均發(fā)生在1996年(圖3)。與1960—1996年相比，1997—2015年流域徑流量和輸沙量分別下降達(dá)64.1%和98.4%。這一突變時(shí)間與窟野河年徑流量發(fā)生突變時(shí)間一致[15-16]。20世紀(jì)90年代大規(guī)模的煤炭開(kāi)采被認(rèn)為是烏蘭木倫河徑流減少的主要原因[15,17]。烏蘭木倫河流域1985—1992年煤炭開(kāi)采處于較低水平，年產(chǎn)能不足100萬(wàn)t，從1990年代后期開(kāi)始，流域內(nèi)煤炭產(chǎn)能呈指數(shù)式增長(zhǎng)，2012年煤炭產(chǎn)能達(dá)2.7億t[10]。由于煤炭資源大規(guī)模開(kāi)采，造成采礦區(qū)地表塌陷，導(dǎo)致地表水大量滲漏，引起河川徑流量減少，進(jìn)而輸沙量下降[17]。張思鋒等研究認(rèn)為，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致烏蘭木倫河流域徑流量下降89.5%，其中，采煤活動(dòng)對(duì)徑流量下降的貢獻(xiàn)占77.3%。在采煤活動(dòng)中，由煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的地表塌陷占52.5%，礦井疏排水占24.8%。除煤炭開(kāi)采外，盡管流域降雨量近幾十年來(lái)無(wú)明顯變化，但雨強(qiáng)持續(xù)減小，尤其是2000年以后降雨強(qiáng)度持續(xù)偏小，中小雨強(qiáng)有利于降雨就地入滲，減小地表徑流；長(zhǎng)期無(wú)連續(xù)高強(qiáng)度降雨，使得流域產(chǎn)流系數(shù)減小[18]。另外，流域最近幾十年來(lái)植被蓋度明顯增加[13]，從1986—2008年中高蓋度植被面積比例由15.9%增加到40.7%，植被覆蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，高覆蓋度面積增加，低覆蓋度面積下降[19]，植被蓋度的增加也有利于減少水土流失，進(jìn)而減少流域徑流量和輸沙量。

4.2 烏蘭木倫河水沙變化周期特征

烏蘭木倫河流域徑流量和輸沙量變化分別存在15～17 a，8～10 a，2～4 a和15～17 a，8～10 a，5～8 a，2～4 a不同尺度的周期特征。其中，8～10 a和2～4 a的徑流量和輸沙量變化周期與流域短時(shí)間尺度的降雨量變化周期基本一致，反映了流域徑流量和輸沙量在短時(shí)間尺度上主要受到降雨量變化的影響。趙廣舉等的研究也發(fā)現(xiàn)，黃河中游干流龍門(mén)站水沙短周期性振蕩主要是降水季節(jié)和年際變化的結(jié)果，并且，月流量3～4 a的變化周期與影響我國(guó)西部地區(qū)降雨的副高脊線位置的準(zhǔn)3 a周期具有一致性；而7～9 a的振蕩中心與地極移動(dòng)振幅變化的7 a周期以及ENSO的周期特征一致。此外，有研究表明太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)影響降水變化進(jìn)而對(duì)流域徑流產(chǎn)沙影響[20]。烏蘭木倫河流域徑流量和輸沙量8～10 a的周期與太陽(yáng)黑子11 a左右的活動(dòng)周期接近，反映了太陽(yáng)黑子對(duì)流域徑流量和輸沙量在8～10 a年尺度上可能有一定的影響。另外，流域水沙變化的長(zhǎng)時(shí)間尺度周期并未形成，并且徑流周期以及輸沙周期在1990s年代后期也逐漸消失，這可能是因?yàn)榇笠?guī)模的人類(lèi)活動(dòng)改變了流域水沙變化的自然周期。綜上，烏蘭木倫河流域徑流量和輸沙量的短周期變化主要受降雨、太陽(yáng)活動(dòng)等自然因子調(diào)控，并受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，而更長(zhǎng)周期的水沙變化特征則有賴(lài)于百年以上的水文序列。

5 結(jié) 論

(1) 烏蘭木倫河降水量沒(méi)有表現(xiàn)出明顯上升或下降趨勢(shì)變化，流域降水量存在4個(gè)尺度的周期變化，并且在35～42 a和20～25 a的時(shí)間尺度上，存在著明顯的豐枯豐交替，且時(shí)間周期特征比較穩(wěn)定。

(2) 烏蘭木倫河徑流量和輸沙量呈梯狀下降趨勢(shì)，徑流量在流域60，70年代年均徑流量約為2.5億m3，90年代年均徑流量為1.4億m3，2000年以后年均徑流量為0.7億m3。流域年輸沙量下降趨勢(shì)更加劇烈，年均輸沙量在60—70年代約為3 000 萬(wàn)t；2000年以后下降到100萬(wàn)t以下，2008年以后下降至不足10萬(wàn)t。

(3) 徑流量和輸沙量的突變點(diǎn)均在1996年，徑流量存在2～4 a，8～10 a，15～17 a共3個(gè)尺度的周期，而輸沙量存在2～4 a，5～8 a，8～10 a，15～17 a共4個(gè)周期，徑流周期和輸沙周期特征相似，不同時(shí)間尺度的周期并不穩(wěn)定，在1990s年代后期也逐漸消失。