隆院男，唐 蓉，蔣昌波，黃 草，吳長山

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近60年湘江流域水沙特性及其對人類活動的響應(yīng)

隆院男1,2，唐 蓉1，蔣昌波1,2，黃 草1,2，吳長山2,3

（1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410114； 3.Wisconsin-Milwaukee大學(xué)地理系，威斯康星州 密爾沃基 WI 53211）

湘江流域人類活動對湘江水沙變化具有顯著影響。利用M-K次序法、Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)法和雙累積曲線法分析湘江干支流1953-2014年的年徑流量、汛期徑流量和非汛期徑流量與輸沙量的關(guān)系，并分析水土保持和水庫建設(shè)等人類活動與水沙演變的關(guān)系。結(jié)果表明：1）湘江干支流水文站的年徑流量、汛期徑流量與輸沙量的相關(guān)性強(qiáng)，且1990年后湘潭站徑流量-輸沙量的相關(guān)系數(shù)為0.83，而非汛期相關(guān)性較弱。1990年前，干流站點(diǎn)徑流量和輸沙量處于波動狀態(tài)，1990年后干流站點(diǎn)徑流量總體呈增加趨勢，但輸沙量呈減小趨勢，且老埠頭站的輸沙量發(fā)生微幅突變。除個(gè)別站點(diǎn)之外，支流站點(diǎn)的徑流量和輸沙量發(fā)生突變的年份與變化規(guī)律均一致。2）水土保持以及水庫建設(shè)對湘江流域的攔沙作用是輸沙量減少的主要原因。相比支流，水土保持對湘江干流流域的輸沙量減少影響更顯著，水庫建設(shè)與湘江干支流輸沙量減少均密切相關(guān)。3）根據(jù)湘江流域輸沙量突變點(diǎn)可劃分A（1960－1987年）、B（1988－1996年）、C（1997－2013年）3個(gè)時(shí)期，在不考慮溫度變化的影響下，以A時(shí)期1960－1987年為基準(zhǔn)期，利用累積量斜率變化率比較法可知，相比基準(zhǔn)期A時(shí)期，B、C時(shí)期水土保持和水庫攔沙等人類活動對輸沙量的減少的貢獻(xiàn)率為88.58%和94.01%，人類活動為輸沙量減小的主要因素。

徑流；侵蝕；水文；輸沙量；水土保持；水庫攔沙；突變分析；湘江流域

0 引 言

流域系統(tǒng)對人類活動和全球氣候變化異常敏感，而流域水沙變化是這一動態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的部分，其與河道演變、江湖關(guān)系和河勢穩(wěn)定緊密相關(guān)。受到人類活動以及自然條件的影響，許多流域水土流失問題嚴(yán)重，隨著社會的不斷發(fā)展，人類對資源和環(huán)境的要求日益增加，流域水沙災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響日益突出，與人們的生活息息相關(guān)。且作為流域地貌變化的主導(dǎo)因素，流域水沙變化已受到國內(nèi)與國際河流地貌學(xué)者的高度重視。

眾多學(xué)者圍繞流域水沙變化的主要表征量徑流量和輸沙量，針對水沙變化特征、演變規(guī)律和驅(qū)動因素進(jìn)行了一系列研究。相比氣候年際變化，自1950年來河流水沙變化在長時(shí)間尺度上對人類活動因素具有更為直接和敏感的響應(yīng)[1-3]。前人研究發(fā)現(xiàn)，近年來河流徑流量變化不明顯，而輸沙量呈下降趨勢[4-6]，Walling等[7]對世界146條主要河流的水沙趨勢進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)其中約有一半的河流輸沙量呈下降的趨勢，其主要是受到區(qū)域氣候變化[8-9]和人類活動[10]的影響，但主要原因是人類的活動。后續(xù)學(xué)者分別針對如水庫建設(shè)、水土保持及國家政策等人類活動開展河流水沙變化相關(guān)研究，如部分學(xué)者探討水庫修建對水沙的影響，發(fā)現(xiàn)修建大型水庫在一定的年限內(nèi)起到攔沙作用[11-12]，會減少下游泥沙輸送[13-15]。王延貴等[16]深入分析長江水庫攔沙對水沙態(tài)勢變異的作用，發(fā)現(xiàn)干流上下游輸沙量規(guī)律有差異，上游站點(diǎn)的輸沙量衰減幅度大于下游站點(diǎn)。與此同時(shí)，研究表明水土保持和植樹造林對流域水沙變化的影響，Liu等[17]分析我國入海河流水沙負(fù)荷的變化，發(fā)現(xiàn)土地利用/覆被變化對年徑流量和含沙量的變化具有重要影響。冉大川等[18]以1989 年作為流域治理前后的分界年對黃河內(nèi)蒙古段西柳溝流域水沙變化對下墊面治理的響應(yīng)進(jìn)行了歸因分析，發(fā)現(xiàn)林地的減水減沙貢獻(xiàn)率均為最大，水土保持生態(tài)建設(shè)成效比較顯著。不同的人類活動對流域水沙存在不同程度影響，水庫對泥沙的攔沙滯淤作用明顯，會減少下游泥沙輸送，水土保持措施能有效減少地表徑流和產(chǎn)沙量。

湘江是長江的一級支流，也是洞庭湖流域最大的支流，是洞庭湖流域水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。隨著人類活動不斷增強(qiáng)，湘江流域的徑流量和輸沙量發(fā)生了顯著變化，引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。因而，參考前人對于不同流域水沙變化特性的研究，少部分學(xué)者探究了湘江流域部分站點(diǎn)的徑流量和輸沙量變化規(guī)律。學(xué)者分析了湘潭站點(diǎn)的徑流泥沙演變規(guī)律，研究表明輸沙量下降趨勢明顯[19-20]。其他學(xué)者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，輸沙量的減少與水利工程攔沙和水土保持等有關(guān)[21-23]。然而，前人的研究大多針對湘江流域內(nèi)某個(gè)站點(diǎn)開展研究，對湘江全流域徑流泥沙演變過程的系統(tǒng)研究較少，并未從整體上探討湘江流域內(nèi)水沙時(shí)空演變特征及其變化機(jī)制。因而，綜合考慮不同人類活動影響因素對湘江流域水沙變化的影響，深入分析全流域代表性站點(diǎn)徑流量和輸沙量的變化規(guī)律，對于探究湘江流域水沙特性及其對人類活動的響應(yīng)機(jī)制具有較重要意義。

本文旨在通過選取湘江干流上游、中游、下游代表站點(diǎn)（湘潭、衡陽、老埠頭）以及選取主要支流代表站點(diǎn)（大西灘、甘溪、歐陽海、神山頭）長系列水沙數(shù)據(jù)，探討湘江流域近60年的水沙演變規(guī)律，結(jié)合前人的研究成果、遙感影像解譯成果以及大量的水土保持措施和水庫資料，深入分析水沙演變規(guī)律和人類活動的響應(yīng)機(jī)制，并利用累積量斜率變化率比較法定量分析了不考慮溫度影響的情況下降雨量與人類活動對水沙變化的貢獻(xiàn)率。

1 研究資料和方法

1.1 研究資料

1.1.1 水文數(shù)據(jù)

湘江是長江的七大主要支流之一，位于111°22′12″－112°28′48″E，26°7′48″－28°21′36″N，發(fā)源于廣西靈川縣海洋山，自南向北流經(jīng)廣西的興安、全州至斗牛嶺后進(jìn)入湖南省境，流經(jīng)湖南省的永州、衡陽、湘潭、長沙，至湘陰縣濠河口注入洞庭湖（圖1）。

圖1 湘江流域地理位置

本文水文數(shù)據(jù)選取湘江干流主要控制站（上游老埠頭站（1960－2012）、中游衡陽站（1953－2014）、下游湘潭站（1953－2014））、主要代表性支流控制站（舂陵水歐陽海站（1977－2014）、蒸水神山頭站（1960－2014）、洣水甘溪站（1970－2008）、淥水大西灘站（1959－2014））長序列水沙數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于湖南省水文水資源勘測局。并采用1985－2014年的湖南水利志和湖南省水利統(tǒng)計(jì)年鑒資料分析人類活動對流域水沙特性的影響。

1.1.2 遙感數(shù)據(jù)

選用來源于地理空間數(shù)據(jù)云1993－2014年的Landsat TM以及OIL數(shù)據(jù)，條帶號分別為（124，43）、（124，42）、（124，41）、（123，43）、（123，42）（123，41）以及（122，42）。湘江流域大部分位于124 path，因而整個(gè)流域以124所在影像的時(shí)間為主，遙感影像的時(shí)間均為9－10月份（汛期，徑流量、輸沙量占全年比重最大），在此階段植被生長良好，遙感影像可得到充分的顯示。利用ENVI處理軟件對獲取影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣糾正等預(yù)處理，結(jié)合Google Earth 工具進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯，得到1993年和2013 年兩期湘江流域土地利用圖，得到5種土地利用類型：林地、耕地、建筑用地、水域及其他用地。

1.2 研究方法

1.2.1 水文數(shù)據(jù)分析方法

本文主要采用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法以及Pettitt法對湘江流域的水沙變化進(jìn)行突變分析。

1）M-K檢驗(yàn)法不受少數(shù)異常值的干擾，不僅可判斷序列的變化趨勢，也可檢測序列是否存在突變點(diǎn)，并指出突變發(fā)生時(shí)間，已廣泛應(yīng)用于水文時(shí)間序列分析中。

d的均值與方差定義為

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定條件下，設(shè)定統(tǒng)計(jì)量

式中UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布樣本，令顯著性水平的臨界值為0，當(dāng)UF>0時(shí)，說明有明顯的增加或減少趨勢，由式（4）反向計(jì)算樣本序列得到k，曲線UF和曲線UB的交點(diǎn)可能是突變點(diǎn)。

2）Pettitt突變檢驗(yàn)方法能判斷突變點(diǎn)的位置及數(shù)量，也能判斷突變點(diǎn)是否達(dá)到顯著水平，已廣泛應(yīng)用于氣象水文時(shí)間序列分析中。

對于時(shí)間序列數(shù)據(jù)（1,2,…,x），定義統(tǒng)計(jì)量為

U為第一個(gè)樣本序列超過第二個(gè)樣本序列次數(shù)的統(tǒng)計(jì)組成的新序列。統(tǒng)計(jì)量K和相關(guān)概率的顯著性檢驗(yàn)公式為

若≤0.05，則點(diǎn)為顯著的變異點(diǎn)。

1.2.2 土地利用研究方法

采用土地利用動態(tài)度對湘江流域的土地利用類型進(jìn)行分析。土地利用類型動態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[24]，其表達(dá)式為

式中為湘江流域研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；S、S分別為研究期初和研究期末某一土地利用類型的面積。

1.2.3 累積量斜率變化率比較法

假設(shè)累積輸沙量-年份線性關(guān)系式和累積降水量-年份線性關(guān)系式的斜率在突變點(diǎn)前后分別為S、S（單位：萬t/a）和S、S（單位：mm/a），則累積輸沙量R（單位：%）和累積降雨量斜率變化率R（單位：%）為

降雨量變化對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率C（單位：%）為

氣溫變化導(dǎo)致輸沙量變化，流域內(nèi)累積蒸散總量-年份線性關(guān)系的斜率變化率為C（單位：%），則人類活動對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率[25] C（單位：%）為

2 結(jié)果與分析

2.1 湘江干流水沙特性變化

2.1.1 水沙突變分析

圖2為湘江干流上中下游控制站點(diǎn)徑流量和輸沙量的M-K趨勢分析。1953－1993年，湘潭站年徑流量處于波動時(shí)期，該時(shí)期內(nèi)1955－1961年、1963－1976年以及1981－1993年的徑流量呈下降趨勢；1993年以后年徑流量呈上升趨勢，但均并未達(dá)到95%置信水平。年徑流量和線分別相交于1975、1980、1983和1987年，未突破95%置信水平，徑流量在1975、1980、1983和1987年發(fā)生不顯著突變。湘潭站輸沙量在1953－1986年呈波動變化，1987年后輸沙量一直呈下降趨勢，且和線交于1997年，并達(dá)到95%的置信水平，表明輸沙量呈現(xiàn)顯著減少趨勢。衡陽站徑流量的M-K趨勢分析結(jié)果與湘潭站基本一致。1953－1985年，輸沙量處于波動階段，1986－2014年輸沙量呈現(xiàn)顯著減少趨勢。老埠頭站徑流量的M-K趨勢分析結(jié)果與湘潭站和衡陽站基本一致，不同之處在于1972－1987呈增加趨勢；從老埠頭站輸沙量的M-K趨勢分析結(jié)果來看（圖2c），1972－1990年存在不顯著增加趨勢，其他時(shí)間段基本處于不顯著減少趨勢，且在1991和1995年發(fā)生不顯著突變。各個(gè)站點(diǎn)具體突變年份如圖3。

注：UF：原序列，UB：反向序列。下同。

湘潭、衡陽和老埠頭站的年、汛期及非汛期徑流量和輸沙量的Pettitt突變檢驗(yàn)結(jié)果表明（表1），3個(gè)站點(diǎn)的年徑流量的突變年份均在1991年，>0.05，表明3個(gè)站點(diǎn)均在1991年發(fā)生了不顯著突變，且汛期徑流量的規(guī)律與年徑流量一致。湘潭、衡陽和老埠頭站點(diǎn)年輸沙量突變年份分別發(fā)生于1985、1986和1985年，汛期輸沙量突變發(fā)生的年份基本與年輸沙量突變發(fā)生的年份一致，且湘潭和衡陽站的≤0.05，表明湘潭和衡陽站的輸沙量發(fā)生了顯著突變，老埠頭站的輸沙量發(fā)生了不顯著突變。

圖3 湘江干支流站點(diǎn)年徑流量和輸沙量M-K法突變年份分布

對比M-K法和Pettitt法的檢驗(yàn)結(jié)果可知，2個(gè)站點(diǎn)的徑流量在1990年左右發(fā)生了不顯著突變，而湘潭站和衡陽站的輸沙量發(fā)生了顯著突變。且Pettitt法檢驗(yàn)到的突變年份（1985年和1986年）與M-K分析法得到的輸沙量開始減少的年份（1987－2014年）一致；同時(shí)，M-K分析法和Pettitt法均檢測到老埠頭站的輸沙量發(fā)生了不顯著突變。

2.1.2 徑流量與輸沙量的關(guān)系

圖4為湘江干流站點(diǎn)年、汛期和非汛期徑流量和輸沙量的關(guān)系。由圖4可知，老埠頭站1990年前平均徑流量為195.69億m3，平均年輸沙量為18.72億t。1990年后平均年徑流量相比上個(gè)階段增加13.75億m3，平均年輸沙量減少了4.18億t。衡陽站1990年前平均徑流量為412.41億m3，平均年輸沙量為61.01億t。1990年后平均年徑流量相比上個(gè)階段增加61.41億m3，平均年輸沙量減少了29.76億t。湘潭站1990年前平均徑流量為632.95億m3，平均年輸沙量為109.39億t。1990年后平均年徑流量相比上個(gè)階段增加55.95億m3，平均年輸沙量減少了46.6億t。1953－1990年期間從上游至下游平均年徑流量呈上升趨勢，1990－2014年期間平均年徑流量增加的幅度先增加后減小。1990年前，平均年輸沙量上游老埠頭站的輸沙量明顯小于下游湘潭站的輸沙量，1990年后平均年輸沙量相比上個(gè)階段明顯呈下降趨勢，且下降幅度由上游至下游逐漸增加。汛期徑流量約占全年徑流的70%，非汛期占30%；汛期輸沙量約占全年輸沙90%，非汛期輸沙量占10%。

表1 湘江干流站點(diǎn)年、汛期及非汛期徑流量和輸沙量的Pettitt突變檢驗(yàn)結(jié)果

對比分析湘江干流站點(diǎn)1990年之前和1990年之后的汛期和非汛期徑流量和輸沙量關(guān)系。由圖4湘潭站的徑流量-輸沙量的散點(diǎn)分布可知，相同年徑流量下，1990年之后的年輸沙量明顯少于1990年以前的年輸沙量，而汛期徑流量和輸沙量間的關(guān)系也類似，但非汛期間的關(guān)系并不顯著。衡陽站和老埠頭站規(guī)律與湘潭站一致，從湘江上游至下游，這種關(guān)系趨于明顯。對比3個(gè)站點(diǎn)的汛期、非汛期徑流量與輸沙量的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)年內(nèi)1990年前后2個(gè)階段輸沙量與汛期徑流量緊密相關(guān)，說明年內(nèi)水沙的來源主要集中于汛期。且徑流量與輸沙量的相關(guān)系數(shù)，從上游老埠頭站（=0.165?11.971,2=0.623）往下游湘潭站（=0.22?49.405,2=0.83）相關(guān)系數(shù)呈增加趨勢，且湘潭站的汛期徑流量與輸沙量呈明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83。

流域水沙特性如發(fā)生系統(tǒng)變化，在水沙量雙累積曲線圖上將表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折，即累積曲線斜率明顯變大或減小[26]。從湘江干流水文站水沙量雙累積曲線圖（圖5a）可以看出：1990年前，湘潭站雙累積曲線基本呈直線，對應(yīng)的來沙系數(shù)沒有明顯的變化，說明在此階段湘潭站水沙搭配關(guān)系、輸沙能力和沖淤特征沒有明顯變化；1990年后，雙累積曲線斜率明顯增大（向徑流量偏轉(zhuǎn)），說明輸沙量有所減小，且來沙系數(shù)開始不斷減少，其均值由1990年之前的0.17減至1990年之后的0.08，表明湘潭站累積輸沙量增速小于徑流量，來水含沙量不斷減小。老埠頭站、衡陽站規(guī)律與湘潭站的基本一致。

圖4 湘江干流站點(diǎn)年、汛期和非汛期徑流量和輸沙量

圖5 湘江干流站點(diǎn)水沙搭配關(guān)系

2.2 湘江主要支流水沙特性變化

2.2.1 水沙突變分析

圖6給出了代表性支流站點(diǎn)的徑流量和輸沙量的M-K趨勢分析。圖6a大西灘站年徑流一直處于增加趨勢，并在1998年突破了95%的置信水平（即0=1.96）。大西灘站曲線在1959－1987年和1993－2001年間處于0值水平線以上，其中在1970年突破了95%的置信水平，1959－1987年輸沙量呈顯著增加趨勢，2002－2014年呈減少趨勢，輸沙量在1999年發(fā)生了不顯著突變。甘溪站年徑流量在1994年前基本上呈減少趨勢，1995－2008年呈增加趨勢，年徑流量在1992年發(fā)生了不顯著突變。1975－1986年，甘溪站輸沙量處于增加趨勢，1987－2008年甘溪站輸沙量處于減少趨勢；和線存在多個(gè)交點(diǎn)，但均未達(dá)到95%的置信水平，并未發(fā)生顯著突變。神山頭站年徑流量在1973－2014年處于增加趨勢，并于2007年達(dá)到了95%的置信水平，增加趨勢明顯，1980年為突變點(diǎn)。1970－1987年神山頭站輸沙量處于增加趨勢，1987－2014年減少趨勢明顯，并達(dá)到了95%的置信水平，且在2002年發(fā)生了顯著突變。歐陽海站年徑流量在1983－2014呈顯著增加趨勢，并于2001年達(dá)到了95%的置信水平，且年徑流量在1991年發(fā)生了顯著突變。1984－2014年，除個(gè)別年份外，歐陽海站輸沙量一直呈減少趨勢；和線在區(qū)間內(nèi)存在多個(gè)交點(diǎn)，但均未達(dá)到95%的置信水平，說明并未發(fā)生顯著突變。具體發(fā)生顯著突變與不顯著突變的年份分析見圖3。

圖6 湘江主要支流站點(diǎn)年徑流量和輸沙量M-K法突變檢驗(yàn)過程線

表2給出了大西灘、甘溪、神山頭和歐陽海站的年、汛期及非汛期徑流量和輸沙量的Pettitt突變檢驗(yàn)結(jié)果，由表可知，4個(gè)站點(diǎn)的年徑流量的突變年份均發(fā)生在1990年前后，這與干流站點(diǎn)發(fā)生突變的年份基本一致，且汛期徑流量的規(guī)律與年徑流量一致。4個(gè)站點(diǎn)的年輸沙量突變年份分別發(fā)生于1998、1984、1983和1981年，除大西灘站外，其他站點(diǎn)的年輸沙量突變出現(xiàn)年份都在1980年初，也與干流站點(diǎn)一致；此外，四個(gè)站點(diǎn)中，只有神山頭站的年輸沙量發(fā)生了顯著突變。

對比M-K法和Pettitt法的檢驗(yàn)結(jié)果可知，支流站點(diǎn)的徑流量在1990年左右發(fā)生了不顯著突變。由Pettitt法與M-K分析法的檢驗(yàn)結(jié)果可知，支流各站點(diǎn)輸沙量的突變點(diǎn)變化規(guī)律不明顯，且與干流站點(diǎn)的輸沙量變化不同步。

表2 湘江流域支流站點(diǎn)年、汛期及非汛期徑流量和輸沙量的Pettitt突變檢驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 徑流量與輸沙量的關(guān)系

歐陽海站1990年前平均徑流量為36.15億m3，平均年輸沙量為0.7億t。1990年后平均年徑流量相比上個(gè)階段增加5.41億m3，平均年輸沙量微幅變化。神山頭站、甘溪站和大西灘站與神山頭站規(guī)律基本一致，在1990年后與上個(gè)階段相比，年徑流量均呈增加趨勢，而年輸沙量呈下降趨勢。1953－1990年期間從上游至下游所有支流站點(diǎn)中平均年徑流量和年平均輸沙量甘溪站居首位，大西灘站次之。汛期徑流量約占全年徑流70%，非汛期徑流量占30%；汛期輸沙量約占全年輸沙90%，非汛期輸沙量占10%，與干流占比一致。

圖8為湘江支流各水文控制站水沙雙累積曲線和來沙系數(shù)變化過程，從圖可以看出：神山頭站在1990年之前雙累積曲線呈直線狀，來沙系數(shù)逐漸減小，在1990年之后雙累積曲線斜率上凸，逐漸偏向徑流量，表明干流各站點(diǎn)輸沙量減小幅度大于徑流量的減小幅度。神山頭站輸沙量總體變化趨勢與干流站點(diǎn)同步；歐陽海站在1959－2014年期間雙累積曲線基本上呈直線狀態(tài)，且斜率小，說明歐陽海站輸沙量小，來沙系數(shù)總體呈減小趨勢，說明累計(jì)總輸沙量的增速小于徑流量；甘溪站與大西灘站，其雙累積曲線斜率呈波動狀態(tài)，來沙系數(shù)也為波段狀態(tài)，變化幅度大。

圖7 湘江主要支流站點(diǎn)年、汛期和非汛期徑流量和輸沙量

圖8 湘江支流站點(diǎn)水沙搭配關(guān)系

2.3 人類活動對湘江流域水沙變化的影響

2.3.1 土地利用變化

人類活動對河川徑流和泥沙的影響越來越大，墾荒、放牧、砍伐森林等破壞自然環(huán)境的行為越來越多，使流域水土流失面積不斷增加[27]。湘江流域水土流失分布面廣，根據(jù)湖南省水土保持規(guī)劃[28]可知，1984年水土流失面積44 000 km2，占全省總面積的20.8%。1993年水土流失總面積33 704 km2，占全省總面積15.9%。2013年，全省現(xiàn)有水土流失面積37357.47 km2，占土地總面積的17.63%。近30年水土流失問題在不斷地改善。對于涵養(yǎng)水源和減少地表侵蝕來說，良好的植被覆蓋起著重要作用。流域內(nèi)不同的土地利用類型在一定程度上能影響河流的徑流量和含沙量。

流域內(nèi)主要的土地利用類型有林地、耕地、建筑用地以及水域等，從林地、耕地到建筑用地的變化對湘江的水沙變化有重要的作用。由上文湘江干流水沙突變分析可知，湘江流域總體的突變年份約為1997年。本文通過選取突變點(diǎn)1997年前的1993年以及突變點(diǎn)后的2013年對流域土地利用的動態(tài)度變化進(jìn)行分析（表3），整個(gè)流域的用地類型耕地呈減小趨勢，動態(tài)度為?1.76%，而建筑用地大幅度增加，動態(tài)度達(dá)7.59%，林地呈緩慢增加的趨勢，動態(tài)度為0.32%。（即表3中湘潭站數(shù)據(jù)）在支流水文站點(diǎn)的控制流域，20 年內(nèi)，舂陵水流域（歐陽海站）建筑用地面積增加迅速，而耕地的用地面積減小，動態(tài)度為?4.71%；淥水流域（大西灘站）林地的動態(tài)度較大，呈增加的趨勢；洣水流域（甘溪站）耕地和其他用地的用地面積明顯減少，動態(tài)度分別為?1.55%和?4.99%，而林地和建筑用地的用地面積增加；蒸水流域建筑用地和林地增加快，動態(tài)度達(dá)9.5%和0.91%，耕地面積減小，動態(tài)度達(dá)?1.18%。綜上，湘江流域土地利用類型總體上沒有發(fā)生較大變化，而僅在數(shù)量上發(fā)生大幅度變化。林地、耕地以及建筑用地總是流域的主要的土地利用類型，其次是水域。根據(jù)孔維健等[29-31]對不同土地利用類型/植被類型徑流量以及輸沙量的研究，發(fā)現(xiàn)林地對降雨的截留作用強(qiáng)，且土壤滲透能力較強(qiáng)，徑流量和徑流系數(shù)小，而耕地徑流量、徑流系數(shù)大；對于輸沙量，林地能夠有效減少和攔蓄徑流泥沙，導(dǎo)致輸沙量小，而耕地存在大量裸露地表，加之農(nóng)業(yè)耕作等大量人類活動的影響，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。湘江流域輸沙量總體上呈減小趨勢，與林地的增加導(dǎo)致攔蓄的泥沙增加有關(guān)。湘江干流流域上游老埠頭站、衡陽站在20 a年間，林地、耕地的動態(tài)度呈負(fù)值，而湘潭站的林地動態(tài)值為正值、耕地為負(fù)值。在兩者共同作用下，老埠頭站和衡陽站的徑流量與輸沙量的相關(guān)性低于湘潭站。總體來說，干流與各支流流域在突變年份1997年前，林地、耕地的占地面積大對徑流的減少有重要的影響；而1997年后，耕地以及其他用地的面積呈減少趨勢，而林地和建筑用地的用地面積大幅度增加，導(dǎo)致徑流量增加、輸沙量減少。

表3 湘江干支流站點(diǎn)控制流域的土地利用動態(tài)度

流域是一個(gè)緊密相關(guān)的的整體，具有自然整體性。為探究湘江流域在2個(gè)時(shí)間階段的土地利用變化規(guī)律，以舂陵水流域?yàn)槔呼┝晁饔蛟趦蓚€(gè)階段（1989－1993年、1994－2013年）林地均呈增加趨勢，增長率分別為10%和5%，這得益于國家頒布的《森林法》和《水土保持工作條例》的貫徹實(shí)施。隨著人口增長和城鎮(zhèn)發(fā)展，建筑用地大幅度增加，由1989年的占比0.5%增加到2013年的3%。25 a間，部分耕地轉(zhuǎn)為林地，部分水域轉(zhuǎn)為林地，部分耕地轉(zhuǎn)為建筑用地，從而耕地以及水域在流域內(nèi)呈減少的趨勢，減少率均為1%?？梢?，林地面積呈增長的趨勢、耕地面積呈減小趨勢，由于植被的自然演替和人類活動的影響，湘江流域生態(tài)關(guān)系不斷變化，引起了水沙變化。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，流域內(nèi)林地增加，削弱了暴雨期間水土流失從而減小湘江的輸沙量，使輸沙量呈減小的趨勢，這與上文湘江干流、支流水沙突變分析中的結(jié)果一致。而徑流量可能受到降雨等氣象因素的影響大于人類活動的影響[32]，使得徑流量總體呈增加趨勢。

圖9 1989、1993年以及2013年舂陵水流域各土地利用占流域總面積比例

2.3.2 水庫攔沙

利用2012中國河流泥沙公報(bào)提供的水沙資料，分析了1950－2012年長江流域干支流水沙變化趨勢及成因[33]，指出流域水土保持、水庫攔沙、河道采砂和過度建設(shè)等人類活動是長江流域水沙變異的主要因素，其中水庫攔沙作用明顯。為了充分利用長江上游的水能資源，長江上游干流和主要支流已修建或在規(guī)劃修建了許多水庫，水庫修建后將調(diào)節(jié)河流水沙過程，攔蓄了部分徑流和泥沙，水庫泥沙淤積，減少了進(jìn)入下游的輸沙量。水庫攔沙對下游輸沙量的影響由兩方面反映，一是水庫攔沙減少泥沙向下游的輸送量，二是水庫下游清水挾沙力增加，可通過河床沿程沖刷恢復(fù)部分沙量[34]。

圖10 1983年、1993年以及2014年干支流流域輸沙量和大型水庫庫容的變化過程

對1983年、1993年和2014年的湖南省水利統(tǒng)計(jì)年鑒進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，1983年，湖南省總共修建了大型水庫11個(gè)，總庫容39.93億m3，中型水庫220個(gè)，小型水庫12 489個(gè)，總庫容143.2億m3。截止1993年，湖南省總共修建了大型水庫31個(gè)，中型水庫49個(gè)，小型水庫26 751個(gè)，累計(jì)庫容由1983年的183.13億m3增加至558.74億m3。到2014年，湖南省共修建了43座大型水庫，中型水庫335座，累計(jì)庫容增加至565.63億m3。湖南省的水庫工程的建設(shè)基本在1993年已經(jīng)全部完成。綜上，全省范圍內(nèi)，累計(jì)庫容呈增加趨勢，特別是1983年-1993年期間。湘江干、支流上大量水庫等水利工程的建設(shè)，會影響湘江干流的輸沙量變化。圖10是湘江流域以及支流舂陵水流域、洣水流域、淥水流域、蒸水流域1983、1993和2014年的大型水庫的累計(jì)庫容以及年輸沙量的關(guān)系，1983－1993年的年輸沙量的曲線斜率明顯大于1993－2014年，全流域的水庫庫容在此階段出現(xiàn)了大幅度增加，表明水庫攔沙的效果非常明顯，而在1993－2014年，全流域的大型水庫的庫容增加不明顯，輸沙量的減小趨勢有所減緩。

支流流域，1983－1993年，洣水（甘溪站）流域修建了1個(gè)大型水庫，大型水庫庫容由2.53億m3增至8.37億m3，蒸水流域（神山頭站）修建大型水庫2個(gè)，庫容6.9億m3，而其他支流流域無增加。根據(jù)《湖南水利統(tǒng)計(jì)年鑒—1994》和《湖南水利統(tǒng)計(jì)年鑒—2005》，1993－2014年，淥水流域新增1個(gè)大型水庫，庫容達(dá)到4.06億m3。1983年之前，湘江流域輸沙量呈波動的趨勢，說明此階段水庫對流域的攔沙作用并不明顯。1983－1993年，累計(jì)總庫容顯著增加，隨著水庫累積庫容增大，輸沙量也隨之減少。1993－2014年，相比前一個(gè)階段，新增水庫數(shù)量總體呈增加趨勢。

上文湘江主要支流徑流量與輸沙量的突變分析中，1997年輸沙量在顯著下降，說明流域輸沙量減小，水庫的攔沙作用大。干流流域從上游老埠頭站到下游湘潭站累計(jì)庫容隨著干流站點(diǎn)的增加而增加，根據(jù)圖10的庫容-輸沙量曲線可知，輸沙量會隨之減小，可知從上游到下游控制站徑流量與輸沙量的相關(guān)性會增加。支流蒸水流域在1990年之前庫容-輸沙量曲線斜率明顯大于1990年之后，這與神山頭站徑流量與輸沙量的相關(guān)系數(shù)的規(guī)律一致，說明支流站點(diǎn)的徑流量與輸沙量的關(guān)系與水庫的建設(shè)相關(guān)性強(qiáng)。從上文的分析，可知1987－2014年，湘江流域的輸沙量整體呈減小趨勢，這表明隨著水庫的修建，水庫庫容大幅度增加，水庫對泥沙的攔沙滯淤作用明顯，會減少下游泥沙輸送，從而使輸沙量呈減少趨勢。

2.3.3 人類活動對水沙變化的影響

在前文的分析中可知，湘江流域輸沙量整體上呈下降趨勢，且在1987年和1997年發(fā)生突變，1997年發(fā)生顯著性突變。另外，根據(jù)張婷婷等[35]學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)湘江流域溫度呈上升趨勢但是變化不顯著，可知溫度對輸沙量的影響不明顯。因而本研究將氣候因素對水沙變化的影響簡化為降雨量的影響，且僅整體對人類活動對輸沙量產(chǎn)生的影響進(jìn)行定量分析。

本文將選取湘江流域7個(gè)氣象站點(diǎn)（南縣、株洲、衡陽、道縣、常寧和郴州）的數(shù)據(jù)利用累積量斜率變化率比較法[25]對降雨和人類活動等導(dǎo)致輸沙量減少的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。通過累計(jì)距平法發(fā)現(xiàn)降雨量的突變點(diǎn)為1987年，而輸沙量的突變點(diǎn)為1987年和1997年，其結(jié)果與湘江干流水沙突變分析中的結(jié)果一致。從而將降雨量和輸沙量劃分為3個(gè)時(shí)期（A：1960－1987年、B：1988－1996年、C：1997－2013年）。B與A時(shí)期相比，累積輸沙量與年份的關(guān)系式斜率減少了317.85萬t/a，減少了27.39%（表4）；同時(shí)期相比，累積降雨量的斜率增加了47.6 mm/a，增加率為3.13%（表5）。利用公式（12）、（13）可知，當(dāng)不考慮溫度的影響時(shí)，降雨量對輸沙量的貢獻(xiàn)率為11.42%，人類活動對輸沙量減少的貢獻(xiàn)率為88.58%。同理可知，C與A時(shí)期相比，累積輸沙量與年份的關(guān)系式斜率減少了606.1萬t/a，減少了52.23%；同時(shí)期相比，累積降雨量的斜率增加了47.6 mm/a，增加率為3.13%。降雨量對輸沙量的貢獻(xiàn)率為5.99%，人類活動對輸沙量減少的貢獻(xiàn)率為94.01%。C與B時(shí)期相比，斜率減小288.2萬t/a，減小率為34.21%，累積降水量的斜率在此階段保持不變。這顯然是人類活動引起的。從而C與B時(shí)期相比，輸沙量減小的降水量貢獻(xiàn)率為0，而在不考慮氣溫影響時(shí)人類活動的貢獻(xiàn)率為100%。

表4 湘江流域累積輸沙量斜率及其變化率

表5 湘江流域累積降雨量斜率及其變化率

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類活動隨之增加。湘江流域由于國家頒布的退耕還林政策，近年來林地和建筑用地的占地面積呈增加的趨勢，而耕地和水域面積處于減小的狀態(tài)，水土保持的治理情況日漸改善，對湘江的輸沙量減少貢獻(xiàn)增加。另外，從20世紀(jì)80年代至今，湘江流域新增水庫數(shù)量增加，且湘江干支流修建了很多大型水庫，如歐陽海水庫、五強(qiáng)溪水庫等。隨著水庫庫容的增加，攔沙作用增強(qiáng)，流向下游的輸沙量減小。降雨對輸沙量減小的貢獻(xiàn)逐漸降低，而水土保持、水庫攔沙等人類活動成為輸沙量減少主要因素，與上述累積量斜率變化率比較法得到的結(jié)果一致。B、C時(shí)期相比A時(shí)期，人類活動對輸沙量的貢獻(xiàn)率，為88.58%和94.01%，C時(shí)期相比B時(shí)期為100%。

3 結(jié) 論

1）相同年徑流量的情況下，干流輸沙量于1990年后發(fā)生劇變，1990年之后年徑流量與輸沙量相關(guān)性強(qiáng)，汛期規(guī)律與其一致，且湘潭站相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83，而非汛期相關(guān)關(guān)系弱。湘江流域干流站點(diǎn)徑流量總體呈增加趨勢，而輸沙量呈減小趨勢。采用M-K次序法和Pettitt非參數(shù)檢驗(yàn)法，發(fā)現(xiàn)干流3個(gè)站點(diǎn)的徑流量突變點(diǎn)均在1990年，輸沙量的突變點(diǎn)在1986年，且湘潭站和衡陽站輸沙量發(fā)生了顯著突變。

2）湘江支流站點(diǎn)的徑流量和輸沙量趨勢與干流站點(diǎn)的趨勢基本一致，支流徑流量突變點(diǎn)也發(fā)生于1990年，而輸沙量的突變點(diǎn)位于1980年，且4個(gè)支流站點(diǎn)中，僅神山頭發(fā)生了顯著突變。

3）水土保持政策對湘江干流的輸沙量與徑流量的相關(guān)性的影響比支流流域的大。水庫的建設(shè)與湘江干支流的徑流量與輸沙量變化均具有較強(qiáng)相關(guān)性，使得干流與支流的來沙被大量的攔截。水庫的修建、流域水土保持均是湘江干、支流人類活動影響方面的因素，水庫攔沙的作用明顯，可能是湘江流域的主要影響因素。

4）通過對湘江流域降雨量和輸沙量進(jìn)行突變分析，可分為3個(gè)時(shí)期（A：1960－1987年、B：1988－199年、C：1997－2013年）。在不考慮溫度影響的情況下，以A時(shí)期1960－1987年為基準(zhǔn)期，相比A時(shí)期，B時(shí)期和C時(shí)期降雨量和人類活動（水土保持、水庫攔沙等）的貢獻(xiàn)率分別為11.42%、88.58%和5.99%、94.01%。降雨對水沙變化影響相對不大，而人類活動的影響逐漸增強(qiáng)。

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Variability characteristics of runoff-sediment discharge and their response to human activities in Xiang River basin in recent 60 years

Long Yuannan1,2, Tang Rong1, Jiang Changbo1,2, Huang Cao1,2, Wu Changshan2,3

(1.,,410114,; 2.,410114,; 3.,3210..,,WI 53211,)

River water and sediment characteristics are the main index reflecting the surface hydrological cycle process and soil erosion, and is of great significance to water resources and water ecological environment in the basin. In recent years, influenced by human activities and natural conditions, soil erosion in many watersheds is serious. With the population and economic development, demands for resources and influence on environment by human activities are increasing, and the impact of water and sediment disasters on social and economic development is increasingly prominent and their consequences are closely related to people’s quality of lives. Human activities in Xiang River Basin have a significant impact on the change of runoff and sediment discharge in Xiang River. Through applying the Mann-Kendall test, Pettitt test, and double cumulative curve, we analyzed the relationships between human activities (e.g. water-soil conservations, reservoir constructions, etc.) and annual runoff, flood season runoff as well as non-flood season runoff and sediment transport of the mainstream and tributaries of Xiang River from 1953 to 2014. Among them, the main control stations of the main stream include the Laobutou station in the upper stream, Hengyang station in the middle stream and Xiangtan station in the lower stream. The main representative control stations of the tributaries include Ouyanghai station in Chongling River, Shenshantou station in Zheng River, Ganxi station in Mi River and Daxitan station in Lu River. Results indicated that annual runoff and flood season runoff at main-stream and tributaries stations showed a strong correlation (2=0.83 in Xiangtan station) with sediment loads, while the correlations were weak in non-flood seasons after 1990. Before 1990, the runoff and sediment loads at main stream stations were basically fluctuating. After 1990, the runoff at main stream stations showed an increasing trend, while the sediment discharge showed a decreasing trend at those stations, and particularly mutated slightly at Laobutou station. Except for several stations, the mutation years and the variations of the runoff and sediment discharge at tributary stations were consistent overall. Water-soil conservations and reservoir construction were verified to be main factors leading to the decrease in sediment discharge in Xiang River basin. Compared to tributary basin, the water-soil conservations had a more significant impact on the reduction of sediment discharge in the main stream of Xiang River. Moreover a strong correlation between reservoir constructions and sediment discharge reduction was found at the main streams as well as tributaries. According to the abrupt change point of sediment transport in Xiang River Basin in 1987 and 1997, the long series of data were divided into three periods: Period A ( 1960-1987 ), Period B (1988-1996) and Period C (1997-2013). Without considering the influence of temperature change, the contribution rate of rainfall and human activities to the reduction of sediment discharge can be calculated by the cumulative slope change rates. Compared with period A, the contribution rate of human activities such as soil and water conservation and reservoir sediment interception to the reduction of sediment transport in periods B and C was 88.58% and 94.01%. That was, human activities were the main factors for the reduction of sediment transport.

runoff; erosion; hydrology; sediment discharge; soil and water conservation; sediment detention by reservoirs; mutation analysis; Xiang River basin

隆院男，唐 蓉，蔣昌波，黃 草，吳長山. 近60年湘江流域水沙特性及其對人類活動的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(24)：132－143. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.016 http://www.tcsae.org

Long Yuannan, Tang Rong, Jiang Changbo, Huang Cao, Wu Changshan. Variability characteristics of runoff-sediment discharge and their response to human activities in Xiang River basin in recent 60 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 132－143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.016 http://www.tcsae.org

2018-06-22

2018-11-17

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51239001）和湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016JJ3011）聯(lián)合資助

隆院男，博士，講師，主要從事水資源與水環(huán)境方面的研究。Email：lynzhb@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.016

TV147

A

1002-6819(2018)-24-0132-12