李歡瑋, 趙廣舉,2, 穆興民,2, 田 鵬, 張舒羽

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

黃河是中華民族的母親河，黃河流域在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)建設(shè)等方面發(fā)揮著重要的作用。黃河流域?qū)俑珊蛋敫珊祬^(qū)域，長(zhǎng)期面臨水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱、區(qū)域發(fā)展不平衡等諸多問(wèn)題，其生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略[1]。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，黃土高原大規(guī)模水土保持措施的實(shí)施致使黃河水文情勢(shì)發(fā)生顯著變化[2-5]。渭河是黃河流域的最大支流，流域水文情勢(shì)受到人類活動(dòng)和氣候變化的影響，尤其近年來(lái)日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)導(dǎo)致河流水文情勢(shì)發(fā)生不同程度改變，河流生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重威脅，因此，探討渭河流域水文情勢(shì)及其潛在驅(qū)動(dòng)因素對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化配置與調(diào)整水土流失治理格局具有重要意義，同時(shí)對(duì)促進(jìn)黃河流域水資源管理和河流生態(tài)保護(hù)至關(guān)重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水文情勢(shì)變化評(píng)估方面進(jìn)行了大量研究[6-8]。Richter等[6]提出水文變化指標(biāo)法(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)來(lái)衡量生態(tài)的破壞程度，并為評(píng)估和管理河流生態(tài)環(huán)境而針對(duì)IHA指標(biāo)體系提出了變化范圍法(Rang of Variability Approach，RVA)。目前IHA-RVA法被廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外河流水文情勢(shì)變化評(píng)估，探討人類活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的影響。程俊翔等[7]總結(jié)了水文改變指標(biāo)體系在水文情勢(shì)改變?cè)u(píng)估、生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估、生態(tài)環(huán)境流量估算等方面的應(yīng)用。Tian等[8]采用IHA-RVA法對(duì)無(wú)定河水文情勢(shì)變化及成因進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)/大壩建設(shè)和土地利用變化對(duì)該流域水文情勢(shì)影響較大。張洪波等[9]基于IHA指標(biāo)，運(yùn)用層次聚類法構(gòu)建了分區(qū)指標(biāo)體系，明確了渭河流域不同區(qū)域河流生態(tài)水文聯(lián)系的變化情況。本文在分析渭河流域徑流變化特征的基礎(chǔ)上，采用IHA-RVA法對(duì)該流域的水文情勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算分析降雨與人類活動(dòng)因素對(duì)流域內(nèi)徑流變化的貢獻(xiàn)率，通過(guò)分析人類活動(dòng)造成下墊面變化對(duì)水文情勢(shì)的影響，以期為今后水土保持工作的開(kāi)展和流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

渭河是黃河最大一級(jí)支流，起源于甘肅省定西市渭源縣鳥(niǎo)鼠山，經(jīng)陜西渭南市潼關(guān)縣匯入黃河，干流全長(zhǎng)818 km，河道較寬，多沙洲，水流分散。渭河支流較多，北洛河是渭河的第二大支流，起源于陜西省定邊縣魏梁山，于大茘縣東南注入渭河，河流全長(zhǎng)680.3 km，流域面積約為2.69萬(wàn)km2。渭河流域總面積約為13.5萬(wàn)km2，涉及陜西、甘肅、寧夏3個(gè)省(區(qū))，分別占流域總面積的49.8%，44.1%和6.1%；海拔為320～3 916 m，總體上呈西高東低的態(tài)勢(shì)。流域多年平均降水量550 mm，降水自西北向東南遞減、分配不均，主要集中在汛期6—9月[10]，夏季多雨，冬季寒冷干燥，降水稀少(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況

2 材料和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究收集并整理了渭河干流咸陽(yáng)、華縣站(出口控制站)和北洛河出口控制站狀頭站3個(gè)水文站點(diǎn)1965—2018年實(shí)測(cè)日徑流數(shù)據(jù)序列資料，以及研究區(qū)內(nèi)19個(gè)氣象站的月降雨量數(shù)據(jù)。其中，各站54年間日徑流數(shù)據(jù)序列資料來(lái)源于水利部出版的《黃河流域水文資料》；降雨量數(shù)據(jù)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) (http:∥cdc.cma.gov.cn/)，并應(yīng)用反距離加權(quán)方法插值得到了年均降水量。

2.2 研究方法

本文主要采用線性回歸、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和累積距平法分析渭河3個(gè)水文站年徑流量的變化趨勢(shì)和突變特征。采用徑流量與降雨量雙累積曲線的斜率變化確定水文變量階段特征，并根據(jù)回歸方程量化水文情勢(shì)變化受降雨與人類活動(dòng)的影響程度。由于上述方法均較常見(jiàn)，本文不再贅述，具體計(jì)算步驟參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[11-14]。

2.2.1 水文改變指標(biāo)法 水文改變指標(biāo)(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)是由Richter提出[6]，通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間序列日流量變化特征，反映河川徑流水文情勢(shì)變化，該方法包括33個(gè)水文指標(biāo)，分別表征河流水文情勢(shì)的流量、流量脈沖、發(fā)生時(shí)間、歷時(shí)和改變率等5類特征，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 IHA流量指標(biāo)

2.2.2 水文情勢(shì)變化程度 Richter等[6]在水文改變指標(biāo)法(IHA)基礎(chǔ)上提出了變化范圍法(RVA)，評(píng)估水文指標(biāo)變化程度，并以各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差或頻率75%和25%作為各個(gè)指標(biāo)的上下限，即為RVA的目標(biāo)。

2.2.3 水文改變度

(1) 單個(gè)指標(biāo)水文改變度Di。為了量化IHA方法33個(gè)指標(biāo)中單一指標(biāo)受影響后的變異程度，采用水文改變度Di進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中:Di為第i個(gè)指標(biāo)的水文改變程度;N0i為變異后的徑流序列IHA值在25%～75%分類范圍內(nèi)的年數(shù);Ne為相應(yīng)的期望年數(shù)(Ne=Ri×NT,Ri為50%,NT為變異后徑流序列的總年數(shù))。

(2) 整體水文改變度D0?；诿總€(gè)指標(biāo)的水文改變度Di，變異后整體水文改變度D0計(jì)算如下：

(2)

為了客觀反映水文指標(biāo)的變異程度，一般將Di和D0劃分為3個(gè)等級(jí)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，當(dāng)|Di|和|D0|的值介于0 ～ 33%為無(wú)改變或低改變度，用L表示；33% ～ 67%為中改變度，用M表示；67% ～100%為高改變度，用H表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 年徑流變化趨勢(shì)特征

對(duì)渭河流域3個(gè)水文站1965—2018年徑流數(shù)據(jù)序列進(jìn)行線性趨勢(shì)分析(圖2)，各站年徑流量呈明顯下降趨勢(shì)。其中，華縣站流量的減少速率(0.678 6億m3/a)最大，顯著高于其他兩個(gè)站點(diǎn)。采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)方法分析，渭河年徑流呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)(p<0.05)，狀頭站的統(tǒng)計(jì)量-4.01，在3個(gè)站中年際變化最為明顯，徑流量顯著減小，其次為華縣站，咸陽(yáng)站較前兩者變化最小。

圖2 渭河流域3站年徑流量變化及趨勢(shì)

3.2 年徑流突變特征

圖3為咸陽(yáng)、華縣和狀頭水文站年徑流量累積距平曲線。由圖可知，各站年徑流量累積距平曲線形狀較為相似，咸陽(yáng)和華縣站年徑流量在1965—1993年呈上升趨勢(shì)，此后呈下降趨勢(shì)，兩站突變年份均為1993年。狀頭站年徑流量在1965—1994年呈上升趨勢(shì)，此后呈下降趨勢(shì)，其突變年份為1994年。以突變年份為分界點(diǎn)，可將水文序列劃分為基準(zhǔn)期與變化期，基準(zhǔn)期代表水文序列受人為活動(dòng)影響較小，而變化期則受人類活動(dòng)影響顯著。

3.3 流域水文指標(biāo)變化

根據(jù)水文序列突變特征，采用水文改變指標(biāo)法和變化范圍法分別計(jì)算基準(zhǔn)期和變化期的水文變異指標(biāo)。表2展示了5組指標(biāo)的具體變化特征。

圖3 渭河流域3站徑流量累積距平突變

表2 渭河流域各站33個(gè)IHA指標(biāo)改變度及變化率

(1) 各月中值流量變化：由表2可知，3站各月中值流量變異程度存在一定差異，與基準(zhǔn)期相比，咸陽(yáng)站各月中值流量均呈減小趨勢(shì)，尤其是雨季，如7月份平均徑流為122 m3/s減少至變化期的43.1 m3/s；華縣站除1月、12月徑流量分別增加2%和52%外，其余月份均減小，且4月、9月流量減少量最大；狀頭站各月中值流量均呈減小趨勢(shì)，6月流量的變化率最小為23%，其余各月流量變化率均在30%～50%。咸陽(yáng)站各月中值流量發(fā)生中改變度居多，而6月、7月、11月份改變度大于67%，均屬于高改變度；1月、2月、8月份改變度小于33%，均屬于低改變度。華縣站僅6月中值流量變化最為劇烈，屬于高改變度。狀頭站僅4月、7月份均為高改變度

(2) 年極端流量大?。合剃?yáng)站年極端流量中值在1993年后均有不同程度減小，年均90 d最大流量的減少量最多；僅年均1 d，30 d最大流量水文改變度為高改變度。華縣站年均1 d，3 d，30 d最小流量中值呈增加趨勢(shì)，其余指標(biāo)均減?。荒昃钚?、最大流量中值主要為高改變度。狀頭站自1994年后年極端流量中值均呈減小趨勢(shì)；3 d，7 d最小流量均為高改變度，且7 d最小流量改變度高達(dá)100%。3站中，僅華縣站1995年11月30日發(fā)生斷流，斷流天數(shù)為低改變度(4%)，咸陽(yáng)和狀頭站無(wú)斷流天數(shù)。相關(guān)研究表明，造成華縣站斷流的原因可能是進(jìn)入90年代后渭河水沙偏枯，流量減少，高含沙小洪水增多且潼關(guān)高程居高不下，導(dǎo)致渭河下游河道發(fā)生明顯萎縮[15]。

(3) 年極端流量發(fā)生時(shí)間：在變化期，咸陽(yáng)與華縣站年最小流量出現(xiàn)時(shí)間分別提前了15 d和3 d，而年最大流量出現(xiàn)時(shí)間分別推遲了1 d和6 d。狀頭站每年極端流量出現(xiàn)時(shí)間均推遲。3站年極端流量發(fā)生時(shí)間中僅狀頭站最小流量出現(xiàn)時(shí)間為38%，屬于中改變度，其余均為低改變度。3站基流指數(shù)較突變前僅狀頭站呈減小趨勢(shì)。

(4) 高、低流量的頻率及歷時(shí)：咸陽(yáng)、華縣和狀頭站的高流量脈沖次數(shù)與歷時(shí)中值均減小，低流量脈沖次數(shù)均增加，而咸陽(yáng)站和狀頭站的低流量脈沖歷時(shí)中值減小，華縣站的低流量脈沖歷時(shí)中值增加。咸陽(yáng)站高、低流量脈沖次數(shù)與歷時(shí)中值均為低改變度。華縣站僅高流量脈沖次數(shù)為中改變度，其余均為低改變度。3站中僅狀頭站低脈沖歷時(shí)中值變化最為明顯，水文改變度達(dá)75%，為高改變度，低流量脈沖次數(shù)與高流量脈沖歷時(shí)中值為中改變度。

(5) 流量變化改變率及頻率：突變后，各站流量變化率中值均減小，每年流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)中值均增加。咸陽(yáng)站流量變化率中值水文改變度超過(guò)80%，在3站中變化最為顯著，屬于高改變度；華縣站和狀頭站流量的逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加幅度顯著，改變度分別為89%和100%，均屬于高改變度。

3.4 整體水文改變度分析

對(duì)比3個(gè)站33個(gè)水文指標(biāo)變化情況，狀頭站的水文改變程度較咸陽(yáng)和華縣站的水文改變程度更高。見(jiàn)圖4，受水文突變的影響，華縣站發(fā)生高(低)度改變的水文指標(biāo)所占比例最高，占24%(52%)，咸陽(yáng)和狀頭站的高(低)度改變的指標(biāo)所占比例次之，分別為21%(43%)和18%(36%)；狀頭站中度改變的水文指標(biāo)所占比例最高，為46%，咸陽(yáng)和華縣站的中度改變依次降低，分別為36%和24%；3個(gè)站點(diǎn)均高改變度水文指標(biāo)占比最少。

表3為咸陽(yáng)、華縣和狀頭3個(gè)水文站各組指標(biāo)的整體水文改變度，表中H，M和L分別表示高、中和低改變度。分析可知，咸陽(yáng)和華縣站第3，4組為均低改變度，第1，2組為中改變度，僅第5組為高改變度。狀頭站第2，3組為低改變度，其余各組均為中改變度，無(wú)高改變度組。采用RVA法計(jì)算的咸陽(yáng)、華縣和狀頭站的整體水文改變度D0分別為48%，46%和50%，均屬于中改變度。表明突變后，3站的水文指標(biāo)發(fā)生較為顯著的改變。

圖4 渭河流域3站不同等級(jí)變化度所占比例

表3 各水文站流量序列整體水文改變度

3.5 水文情勢(shì)變化歸因分析

采用雙累積曲線法量化人類活動(dòng)與降雨因素對(duì)渭河流域水文情勢(shì)的影響程度。由圖5可知，3個(gè)站的徑流—降雨關(guān)系曲線斜率發(fā)生偏移時(shí)間與累積距平計(jì)算結(jié)果一致。通過(guò)徑流—降雨雙累積曲線回歸分析，計(jì)算得到突變前后兩個(gè)時(shí)段內(nèi)各站降雨與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)(表4)。咸陽(yáng)、華縣和狀頭站的徑流計(jì)算值均遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明流域的徑流量受人類活動(dòng)的影響比氣候變化更加顯著。華縣站，人類活動(dòng)與降雨對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為74.24%和25.76%；而咸陽(yáng)站和狀頭站，人類活動(dòng)對(duì)徑流減少的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨的貢獻(xiàn)率，分別為90.32%和96.41%。

圖5 3站1965-2018年降雨—徑流雙累積曲線

4 討 論

在氣候變化與人類活動(dòng)共同作用下，流域水文情勢(shì)發(fā)生顯著變化，干旱地區(qū)河川徑流量銳減[16]。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)烈的人類活動(dòng)是導(dǎo)致渭河河川徑流銳減的主要影響因素。20世紀(jì)70年代以來(lái)渭河流域修建了大量的水利工程。截至2000年底，渭河流域已修建大、中及小型水庫(kù)302座，總庫(kù)容達(dá)27.3億m3，興利庫(kù)容為15.5億m3[17]。汛期通過(guò)壩庫(kù)工程調(diào)蓄洪水，降低洪峰流量，延長(zhǎng)泄洪滯時(shí)，非汛期通過(guò)水庫(kù)調(diào)度，增加枯季流量，進(jìn)而調(diào)整徑流年內(nèi)分配，對(duì)河流水文情勢(shì)產(chǎn)生影響。渭河年徑流量呈顯著下降趨勢(shì)，但I(xiàn)HA指標(biāo)減小幅度不大，整體改變度為中度改變，月中值流量在汛期減少而非汛期略有增加，同時(shí)一定程度上減少了高脈沖發(fā)生的次數(shù)，對(duì)枯水期的影響尤為明顯[18]。

同時(shí)，渭河中下游累積建成引水工程2 600余處，有效灌溉面積達(dá)121萬(wàn)hm2[17]，其中大型灌區(qū)9處，如寶雞峽灌區(qū)、交口抽渭灌區(qū)等，因此農(nóng)業(yè)灌溉是改變河川徑流的主要因素之一。

表4 不同時(shí)段降水與人類活動(dòng)對(duì)各站的徑流減少貢獻(xiàn)分析

渭河是黃河泥沙主要貢獻(xiàn)支流之一。1957—2000年，多年平均輸沙量為3.52億t，占龍門(mén)—潼關(guān)區(qū)間河段輸沙高達(dá)98.9%[19]。為有效減少入黃泥沙，渭河流域?qū)嵤┝舜笠?guī)模的梯田[20]、淤地壩建設(shè)[21]、退耕還林(草)等[22]水土保持措施，這些措施極大的改變了流域坡面與溝道的水文過(guò)程，進(jìn)而改變了河川徑流的水文情勢(shì)。截至2006年，全流域興修梯田206萬(wàn)hm2，造林種草325萬(wàn)hm2，淤地壩壩控面積1.41萬(wàn)hm2[23]。渭河上游分布大面積的梯田，其有效的改變了地表坡度，縮短坡長(zhǎng)，攔蓄地表徑流，增加地表入滲。退耕還林(草)措施使得渭河流域林草植被覆蓋率顯著提高，如北洛河上游林草植被覆蓋率由70年代的24.3%增加至2013年的53%[23]。植被蓋度與豐富度的增加，顯著提高了冠層降雨截留，減少達(dá)到地面的雨量[24]；林下枯枝落葉層增加土壤濕度和水分入滲量，同時(shí)增大了地表匯流阻力，降低流速，延長(zhǎng)匯流時(shí)間，進(jìn)而減少地表徑流。

5 結(jié) 論

本文利用渭河流域咸陽(yáng)、華縣及狀頭3個(gè)代表性水文站1965—2018年實(shí)測(cè)徑流資料，采用線性回歸法、Mann-Kendall法、累積距平法及雙累積曲線法對(duì)渭河流域徑流變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了分析，結(jié)合IHA-RVA法綜合評(píng)估渭河流域3站突變前后水文指標(biāo)改變程度，分析揭示水利工程建設(shè)、水土保持生態(tài)建設(shè)等人類活動(dòng)對(duì)水文情勢(shì)的影響。取得如下結(jié)論：

(1) 渭河主干和子流域北洛河流域年徑流量呈顯著減少趨勢(shì)，干流咸陽(yáng)站和華縣站分別減少5.5×107m3/a和6.8×107m3/a，北洛河流域減少速率為8.0×106m3/a。咸陽(yáng)和華縣水文站年徑流量變化突變年份為1993年，狀頭站年徑流量變化突變年份為1994年。

(2) 咸陽(yáng)、華縣和狀頭站水文綜合改變度分別為48%，46%，56%，均屬于中等改變度。較突變點(diǎn)前，咸陽(yáng)站流量變化改變率及頻率為高度改變度，各月中值流量均呈下降趨勢(shì)，4—7月中值流量變化幅度較大；華縣站IHA指標(biāo)減少幅度不顯著，月中值流量在汛期減少而非汛期增加，高脈沖發(fā)生的次數(shù)減少；狀頭站各月中值流量、年極端流量均不同程度減少，水文情勢(shì)變化對(duì)4月、7月中值流量與3 d，7 d最小流量、流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)為高改變度。

(3) 人類活動(dòng)是引起河川徑流變化的主要原因，水利工程可以有效調(diào)節(jié)徑流年內(nèi)分配，起到減洪補(bǔ)枯的作用；農(nóng)業(yè)灌溉引水工程改變?cè)兴髀窂降耐瑫r(shí)顯著減少河川徑流量；退耕還林(草)措施等水土保持措施攔蓄地表徑流，增加降雨入滲，對(duì)河道徑流的影響主要以減水作用為主。