黄河中游典型流域近60年水沙变化趋势及影响因素

选取昕水河和朱家川流域开展研究（图1）。昕水河流域（36°06'20″—36°57'27″N，110°29'15″—111°23'33″E）位于黄河中游多沙粗沙区东岸，发源于吕梁山系，上游属于土石质山区，中、下游属于黄土残塬沟壑区。流域属于暖温带半湿润大陆性季风气候，夏秋季雨水充沛，冬春季气候干燥。朱家川流域位于山西省西北部（38°42'51″—39°18'06″N，110°58'54″—112°13'32″E），流域地形平坦，地势从东到西依次降低，土质为砂壤土，西部靠近黄河沿岸易受到黄河下切侵蚀作用。流域处于我国北方生态脆弱的农牧交错带，全年受温带大陆性季风气候影响，全年降水少，属于干旱半干旱地区。水沙数据是1956—2018年的逐年数据，其中，径流泥沙数据和部分降雨数据来源于黄河水利委员会编著的黄河流域水文年鉴，其余降雨数据来源于中国气象数据网（https://data.cma.cn/）。

选用 Mann-Kendall对流域水沙数据进行趋势和突变检验。该统计方法属于非参数检验的范畴，其优点在于对数据整体趋势做分析，去除极大或极小等极端值对序列的影响，且不受主观因素干扰。其计算方法见公式（1）~公式（3）：

式中： UF ₁ =0，当给定显著性水平α=0.05时，临界值 U _0.01 =±1.96，若| UF |> Uα ，表示长时间数据存在显著的趋势变化。然后将此方法再应用于反序列，反序列顺序为 x _n ， x _n-1 ，…， x ₁ ，将反序列结果标准化后用UB _k 进行表示。最后， UF _k 和 UB _k 可绘制成2条曲 线，若2条曲线出现交点且交点在2条临界线内，则可判断该交点为长时间序列数据的突变点。 采用累积距平法来进一步判断突变点年份，计算方法为：

由图2可知，2条流域年径流量和输沙量变化趋势。昕水河和朱家川小流域年均径流量分别为1.2×10 ⁸ ，0.17×10 ⁸ m ³ ，总体呈降低趋势。水文站实测数据显示，2个流域年径流量在1956—1970年变化较剧烈，而后趋于相对稳定，尤其近10年，年径流量分别降至1950—1970年平均流量的20%。与朱家川小流域相比，昕水河小流域径流量降低更为明显，从1956—1970 年平均径流量2.1×10 ⁸ m ³ 减少为2000—2018年平均径流量0.68×10 ⁸ m ³ 。昕水河和朱家川小流域年均输沙量分别为1.23×10 ⁷ ，0.98×10 ⁷ t，输沙量与径流量变化一致，均呈显著减少趋势。朱家川小流域输沙量降低较为明显，其输沙量1967年出现峰值（1.22×10 ⁸ t），1975年后稳步减少。至2018年，2条流域输沙量均减少超过90%。采用M-K趋势检验法对昕水河和朱家川小流域年径流和输沙量进行趋势检验表明，2条流域径流量和输沙量均呈显著的减少趋势（ p <0.01）。

由图3可知，流域水沙动态数据突变年检验结果。昕水河和朱家川小流域年径流量突变年份分别为1980年和1984年，年输沙量在M-K检验中不存在明显突变点，引用累积距平法对输沙量进行突变检验（图4），昕水河和朱家川小流域输沙量突变年份分别为1980年和1972年。

由图5可知，昕水河小流域径流量主要表现为6~12，13~24，37~52年3类尺度变化周期，6~12年变化周期在1980年前比较明显，13~24年变化周期在1995年前明显，37~52年的周期变化具有全域性。

由图6可知，昕水河径流量存在3个较为明显的尺度，依次对应9年、18年和45年尺度，其中，45年时间尺度对应最大峰值，为第1主周期，9年和18年时间尺度分别对应第2和第3主周期。朱家川小流域径流量存在2~7，11~20，23~43年3类尺度周期变化规律，2~7年变化周期在1990年前比较明显，11~20年变化周期在1975年前明显，23~43年 的周期变化在1985年前较为明显。朱家川径流量存在3个时间尺度，分别为4，16，33年，特别是16年震荡最强烈，对应第1主周期，33年和4年时间尺度分别对应第2和第3主周期。

由图7可知，昕水河和朱家川小流域输沙量变化的小波分析结果。昕水河小流域输沙量呈现3~ 5，6~11，13~20，22~32年4类时间尺度周期变化，其中，3~5 年在1970 年前比较明显，6~11年在1965年较明显，13~20，22~32年持续到2000年前后。小波方差（图8）中显示4个周期的中心尺度分别在4，9，17，27年，9年尺度震荡程度较为强烈，为第1主周期，4，27，9年时间尺度分别为第2、第3和第4主周期;朱家川小流域泥沙量周期变化存在2~5，10~20，22~44年3类尺度，2~5年在1975年比较明显，10~20年在1980年较明显，22~44年在1995年前较为明显。各周期中心尺度分别在3，15，33年，其中，15年尺度显示出最强烈的震荡，为第1主周期，33，3年时间尺度分别为第2和第3主周期。

由图9可知，昕水河小流域和朱家川小流域每次转折曲线斜率均在变小，表明相同降雨量情况下，径流量在减少，降雨—径流的关系随之发生变化。

由表1可知，相较于突变年份前的时期（1956—1979年），昕水河小流域的径流量在1980—2018年期间减少56%，降雨和人类活动的影响对径流量的减少均起到作用，贡献率分别为19%，81%，人类活动起主导作用;对于朱家川小流域，1984—2018年间径流量相较突变年份前的时期（1956—1983年）减少81%，降雨和人类活动对减水的贡献率约为1∶12，人类活动成为该流域径流量锐减的主导因素。

由图10可知，昕水河和朱家川小流域降雨—输沙双累积曲线斜率在输沙突变年份发生转折，转折均朝右偏，表明昕水河小流域和朱家川小流域降雨—输沙的关系分别在1980年和1972年后持续减弱。

由表2可知，昕水河1980—2018年输沙量较突变年份前时期（1956—1979年）减少80%，朱家川1972—2018年输沙量较突变年份前时期（1956—1971年）减少87%。降雨对朱家川输沙量变化的贡献率（35%）高于对昕水河输沙量变化的贡献率（25%），相较于降雨对径流量的影响，降雨对输沙量的影响更强烈，但不及人类活动的贡献率，人类活动仍是输沙量锐减的主导因素。