中国南北过渡带典型流域输沙变化及其驱动因素.pdf
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1、引用格式:张萱,田鹏,穆兴民,赵广举,张雅童中国南北过渡带典型流域输沙变化及其驱动因素 山地学报,():,():山 地 学 报 文章编号:():收稿日期():;改回日期():基金项目():国家科技基础资源调查专项();国家自然科学基金()。();()作者简介():张萱(),女,四川成都人,硕士研究生,主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。(),:通讯作者():田鹏(),女,博士,副教授,主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。(),:中国南北过渡带典型流域输沙变化及其驱动因素张萱,田 鹏 ,穆兴民,赵广举,张雅童(西北农林科技大学 水土保持研究所;资源环境学院,陕西 杨凌 ;南京水利科学研究院 水文水资
2、源与水利工程科学国家重点实验室,南京 )摘要:南北过渡带是中国重要的地理 生态过渡带。南北过渡带主要河流的径流量和输沙量发生显著变化,直接影响了流域生态治理、水资源开发利用。前期研究多集中于南北过渡带的某一流域,针对整个区域河流输沙量时空变化特征及驱动因素仍缺乏较系统深入的研究。本文基于 年渭河、汉江和嘉陵江三个典型流域 个代表性水文站实测输沙资料,采用 趋势检验和 突变检验分析流域输沙时空变化特征,结合双累积曲线法定量评估输沙变化影响因素。研究结果表明:()三个典型流域内各水文站年输沙量减小趋势均达到极显著水平(),咸阳、皇庄以及北碚站 年的年均输沙量与 世纪 年代相比,减幅超过 ;()各站
3、输沙序列主要在 世纪 年代末和 年左右发生突变;()研究区多年平均输沙模数呈现西高东低的空间分布,且随时间变化整体呈现减小趋势,主要侵蚀产沙区包括渭河上游、汉江丹江干流沿岸、汉中盆地周边地区、嘉陵江干流中下游及其支流西汉水、白龙江中下游、涪江上游区域;()人类活动是河流输沙量减少的主要驱动因素,对输沙变化的贡献率均超过 ;渭河流域输沙量减少主要受水土保持治理影响,汉江和嘉陵江流域则与生态工程以及梯级水利工程建设有关。本研究可为南北过渡带不同区域水土流失防治以及流域综合治理提供科学依据。关键词:输沙量;驱动因素;贡献率;人类活动;南北过渡带中图分类号:文献标志码:河流水沙是流域气候、植被、地貌和
4、水文等自然条件与人类活动的综合反映。河流水沙变化不仅影响河道演化、河流生态系统与生物地球化学循环,还会对流域水资源供给和水利工程的运行产生重要影响。近年来,随着气候变化和人类活动(如水土保持、生态工程和水利工程等)的加剧,中国许多河流的径流量与输沙量变化显著,直接影响了水利工程规划和水资源开发利用 。南北过渡带是中国重要的地理 生态过渡带,具有高度的气候敏感性、环境复杂性和自然地理要素过渡性,不仅是长江流域和黄河流域的天然界限,也是南水北调中线工程的主要水源区 。研究发现 :南北过渡带主要河流的径流量和输沙量发生显著变化;汉江流域受水土保持与大型水利工程影响,河流水沙急剧减少 ;嘉陵江流域输沙
5、锐减则受降水、水土保持措施、水利工程以及河道采砂等综合影响,水利工程拦沙和水土保持治理的减沙贡献率分别为 和 。南北过渡带地跨黄土高原南部与秦巴山区,土壤、地貌和植被等空间差异显著,由此导致各流域土壤侵蚀与河流输沙表现不同特征。已有研究多集中于南北过渡带的某一流域,缺乏对该区域河流输沙变化及其驱动因素的全面对比分析,亦难以识别流域侵蚀产沙热点区域及重点水土流失治理区。因此,开展南北过渡带典型流域输沙时空变化研究,对该区域的水土保持、水利工程建设、河道整治及防洪减灾等方面具有重要的图 研究区示意图 注:底图审图号 ()号,下载地址:指导意义。本文选取南北过渡带地区渭河、汉江以及嘉陵江为典型代表流
6、域,基于 年干支流共 个水文站点实测输沙数据,采用 趋势检验、突变检验以及双累积曲线等方法,探究典型流域输沙时空变化特征,定量评估气候变化和人类活动对各流域输沙变化的影响,以期为区域水土流失防治和流域综合治理提供参考。研究区概况南北过渡带位于我国中部(,),总面积约为 ,地貌类型复杂多样,主要包括秦岭山地、大巴山山地以及汉江河谷盆地,其中山地丘陵为主要地形。区域内暖温带和亚热带气候并存且差异较大,以秦岭南坡 等高线为界,北部为暖温带半湿润气候,南部则为亚热带湿润气候,年均降水量 。本文选取该地区渭河、汉江以及嘉陵江三个典型流域作为研究区,其中渭河南岸、汉江上游、丹江流域以及嘉陵江上游主要位于过
7、渡带区域。渭河作为黄河流域第一大支流,其干流长为 ,南岸支流多发源于秦岭北麓,河流湍急,水量丰沛;北岸支流流经黄土丘陵沟壑区,含沙量大,区域输沙模数 。咸阳站为泾河汇入渭河干流前的控制站,控制面积 ,占全流域的 。汉江是长江流域的最大支流,干流长度 ,包括旬河、丹江、唐河以及白河等支流,构成叶脉状水系。流域多年平均输沙量 ,输沙年际和年内变化较大。皇庄站位于流域中下游交界处,控制面积为 ,占全流域的 。嘉陵江是长江流域的第二大支流,干流长度 ,上游流经狭窄河谷地带,中游流经丘陵地区,下游主要经过川中盆地,其干流、涪江和渠江等水系于重庆合川区汇合并呈扇形分布。该流域是长江上游的重点产沙区,流域面
8、 积 仅 占 上 游 ,但 来 沙 量 占 比 高 达 ,多年平均输沙量 。北碚站位于干流下游,集水面积为 。本文研究区包括咸阳站以上渭河干流区域、皇庄站以上汉江区域以及北碚站以上的嘉陵江区域,流域水系以及水文站分布见图 。数据来源及研究方法?数据收集与整理本研究收集整理了三个典型流域具有代表性的 个水文站实测年输沙量数据,其中,林家村、魏家山地学报 卷 第 期堡、咸阳等 个站点(表 )数据年份为 年,其余 个站点数据年份为 年和 年;整理了研究区内气象站的日降雨资料,利用算术平均法计算流域的面平均雨量。输沙资料摘录自 黄河流域水文年鉴 和 长江流域水文年鉴,降雨资料来源于国家气象科学数据中心
9、(:)。数据空间分辨率为 ,来源于国家地球系统科学数据中心图 典型流域子流域划分 (:)。依据水文站的分布情况及其输沙数据的完整性,本文将研究区划分为 个集水区间(图 ),基于 年和 年的输沙数据序列,计算各集水区间的输沙模数(即某一时间内区域来沙量与对应集水面积之比),对比分析三个流域不同年代的侵蚀产沙特征。?研究方法本研究采用线性趋势法、趋势检验法以及 突变检验法分析三条典型流域输沙量变化特征,采用双累积曲线法定量评估流域输沙变化对降水与人类活动的响应。()趋势检验法 趋势检验法(以下简称 趋势检验)可用于检验水文要素序列的变化趋势及显著性水平,要求时间序列随机独立,概率分布等同 。表 典
10、型流域 年各站输沙量 趋势检验 流域水文站控制面积()年均变化率()值渭河汉江嘉陵江林家村 魏家堡 咸阳 白河 皇庄 罗渡溪 小河坝 武胜 北碚 注:表示序列趋势通过 的显著性检验,表示通过 的显著性检验。对于时间序列 (,),其统计量为:()()式中,()为符号函数;为时间序列长度;,中国南北过渡带典型流域输沙变化及其驱动因素和 分别为序列上第 年和第 年的数据值。当 小于、等于或者大于 时,()取值分别为 、和 ,则 趋势检验的统计结果为:()()()槡()()()()()槡()()在给定的置信水平下,若 为正值则表明序列呈现增加趋势,若为负值则呈现减少趋势。若 大于等于 、时,表示序列趋
11、势分别通图 典型流域 年三站输沙量线性变化趋势分析 过 、的显著检验。()突变检验法 突变检验法以水文要素序列发生趋势性变化为前提,依据序列均值变化规律判断其发生突变的具体时间,检验结果可能得到多个突变点,最终需要依据实际情况及具体原因确定最佳突变点 。对于时间序列,构造统计量 为:,()()式中,和 分别为,。同理,当 小于、等于或者大于 时,()分别取值为 、和。根据统计量 可计算得到以下关系式,并判断得出时间序列的突变时间:,()()()双累积曲线法双累积曲线法常用于检验水文要素一致性及其演变趋势 。其中,年降水量 年输沙量双累积曲线可用于研究人类活动引起河流输沙变化的突变时间和趋势性强
12、度,若累积曲线的斜率发生明显偏离,则说明人类活动显著影响输沙量变化,偏离点对应年份即为突变年份,斜率偏离程度越高,表明人类活动干扰程度越大。结果与分析?输沙量时间变化特征 输沙量年际变化趋势分析三个流域出口控制水文站 年输沙序列的线性变化趋势,结果如图 所示。咸阳、皇庄以及北碚站 年实测输沙量均呈减小趋势,多年平均输沙量分别为 、和 。对比不同时段平均输沙量(图)可知,年咸阳、皇庄和北碚站年平均输沙量分别为 、和 ,而 年间 个站点年平均输沙量分别为 、和 ,减幅由大到小分别为皇庄站()、咸阳站()、北碚站(),其中皇庄站和北碚站输沙量分别在 和 锐减,减幅分别为 和 。输沙量锐减差异主要与各
13、流域水土保持治理和水利工程建设等人类活动实施有关。根据流域内 个主要水文站 年输沙序列的 趋势检验结果(表 )可知:各水文站输沙量锐减趋势均达到极显著水平()。汉江皇 庄 站 年 输 沙 量 减 少 趋 势 最 显 著(值 为 ),其次为渭河林家村站(值为 ),嘉陵江干流武胜和北碚站年输沙量减少趋势较支流罗渡溪和小河坝站更为明显。山地学报 卷 第 期 输沙量突变特征采用 突变检验法分析 个干流水文站 年输沙序列的突变特征(图 )可知,各站年输沙量突变年份存在差异。咸阳站年输沙量在 年和 年发生突变,皇庄站为 年和 年,北碚站为 年和 年,检验结果达图 典型流域 年三站输沙量年际变化特征 图 典
14、型流域 年三站输沙量 突变检验 到了 的置信水平。根据各站突变分析结果可将突变前后时间段划分为基准期和变化期,对比分析不同阶段三个典型流域输沙变化特征(表 )。结果显示,各站点年平均输沙量均在变化期显著减少。与基准期相比,咸阳站变化期输沙量分别减少了 和 ;皇庄站变化期输沙量分别减少 和 ,变化期(年)输沙量变化主要受 年丹江口水库蓄水影响;北碚站变化期输沙量分别减少 和 ,变化期(年)输沙量减少主要与 年嘉陵江流域推行“长治”工程有关。各站点输沙数据的极值比和变差系数也发生明显变化,咸阳、皇庄以及北碚站的极值比分别由基准期的 、和 升高至变化期的 、和 ,同时三站年输沙量变差系数在变化期均呈
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