乌江流域水沙特性变化分析

生态环境2008,17(5):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（40671112）；贵州省水土保持检测站科研项目资助作者简介：熊亚兰（1979年生），女，讲师，博士研究生，研究方向为土壤与环境。E-mail:[e-mail]*通讯作者：张科利，教授，博士生导师，从事土壤侵蚀与水土保持研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2008-05-05乌江流域水沙特性变化分析熊亚兰1，张科利1*，杨光檄2，顾再柯21.地表过程与资源生态国家重点实验室//北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875；2.贵州省水土保持监测站，贵州贵阳210093摘要：对乌江流域水沙特性变化进行分析，是解决长江上游泥沙问题、提高水资源利用率和防灾减灾的根本出发点，同时可为喀斯特地区水土流失治理和生态恢复提供理论依据。文章通过对乌江流域主要水文站鸭池河站、乌江渡站和思南站的降雨──径流──泥沙随时间的变化、降雨──径流和径流──泥沙的相关性和双累积曲线进行分析，研究结果为：降雨量、径流模数和输沙模数随时间的变化无明显趋势，历年输沙模数是鸭池河乌江渡思南。1980年以后由于实施了大量水土保持工程使得输沙模数大量减少。在年均径流模数相同的情况下，1971—1979年这一时期的产沙量要高于1961—1970年。从1971年开始输沙模数相对于径流而言出现趋势性增多，这主要是由人类活动造成。三个站点的双累积曲线变化趋势相似，说明人类活动对河流泥沙的影响，既取决于人类活动的方式、程度，也受制于流域环境条件。关键词：喀斯特；输沙模数；径流模数中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）05-1942-06乌江全长1050km，流域总面积为87920km2，贯贵州西部、中部和东北部及四川东部[1]。对乌江流域降雨─径流─泥沙进行研究有两层含义，首先，乌江是长江上游右岸的最大支流，也是三峡水库最主要的水源补给河流之一，乌江河口距三峡大坝仅489km。自然因素加上长时期人为的破坏，使得乌江流域水土流失严重，河流挟带大量泥沙。泥沙问题处理的好坏，已成为水利、电力、交通和航运工程以及江河防洪成败的关键之一[2]。随着国家西部生态环境建设和长江中上游地区水土保持工程等国家战略的实施，研究乌江流域水沙特性及其变化对于治理长江上游水土流失、提高水资源利用效率、防灾减灾和减少水库的入库泥沙具有指导意思。其次，乌江流域喀斯特地貌分布广泛，各种碳酸盐岩出露面积达64.81％[3-7]。由于喀斯特地区下垫面的特殊性，对乌江流域的水沙特性及其变化进行研究，可掌握喀斯特地区水沙分布规律，得出喀斯特地区降雨─径流──泥沙的相关性，为喀斯特地区的水土流失治理和生态恢复提供理论依据。目前对水沙规律的研究主要集中于黄河流域和长江干流，对长江支流水沙规律研究较少[8-14]。已有研究分析了乌江流域思南站控制面积内的产沙规律，分别建立输沙量和降雨、径流的相关方程，但没有进一步研究不同年代的水沙规律[15-16]。本文通过对乌江干流3个控制面积最大的站点鸭池河站（上游）、乌江渡站（中游）和思南站（下游）的降雨、径流和泥沙实测资料的进行分析，研究结果可为乌江流域水土流失的治理、生态恢复和防灾减灾等提供理论依据。1资料来源和研究方法本研究主要分析乌江流域的降水量、径流模数和输沙模数。选用乌江流域控制面积最大、水文资料序列最长的三个站点鸭池河站（上游）、乌江渡站（中游）和思南站（下游）1960—2000年的年均降雨量、年均径流模数和输沙实测资料的进行分析。1960—1979年的数据来源于《长江流域水文资料（1956～1979）》，1980—2000年数据来源于《贵州省水资源及其开发利用现状调查评价》（附表第一册）。采用Mann-Kendall趋势检验法对各站降雨、径流和泥沙的长期变化趋势进行了分析。基于秩的Mann-Kendall趋势检验法常用来检测如水质、径流、温度、降水等水文时间序列资料的明显趋势变化，是一种非参数统计检验方法，该方法在很多文献中都有介绍，在此就不再一一赘述[17-20]。同时，采用数理统计方法对降雨─径流─泥沙的相关性和双累计曲线进行了分析。2结果和分析2.1降雨─径流─泥沙的时间序列分析图1为三个站点1961—1979年降雨量、径流模数和输沙模数随时间的变化趋势图。1966年的降雨量为历年降雨量的最低值，仅为700mm左右，同时该年径流模数和输沙模数均为历年的最低值，熊亚兰等：乌江流域水沙特性变化分析1943说明径流和输沙量在一定程度上受降雨量的影响。1971年的降雨量为1100mm左右，与历年降雨量的相比略为偏高，径流模数与历年径流模数的相比也略为偏高，但输沙模数却出现了大幅度。以l0年计的短时间尺度而言，气候的变化是有限的，不可能对流域的水沙关系产生重大影响，河流输沙量一般随降水的多寡而增减，因此短时间尺度的河流水沙关系的变化，多和人类活动造成的流域下垫面侵蚀、产沙、输沙环境的变化有关。表1为各站点1960—1979年多年平均降雨量、多年平均径流模数和多年平均输沙模数的统计特征值。变异系数可以反映变量的变异程度，通常认为Cv＜0.1为弱变异；0.1＜Cv≤1为中等程度的变异；Cv＞1为强变异性。从各站的情况来看，降雨量、径流模数和输沙模数具有中等程度的变异，输沙模数的变异系数最大，径流模数和降雨量的变异系数较为接近。另外，采用了Mann-Kendall趋势检验法来检验各站降雨、径流和泥沙的长期变化趋势。如果-1.96≤MK≤1.96（置信水平为0.05）表示研究对象没有趋势，反之，表示研究对象存在长期趋势。在该研究中，各水文站多年平均降雨量、多年平均径流模数和多年平均输沙模数的MK检验值均为-1.96≤MK≤1.96，因此不存在长期趋势。对鸭池河、乌江渡和思南三个站点不同年代（1961—1979年、1971—1979年和1980—2000年）的降雨量、径流量和输沙模数进行分析，发现径流模数和降雨量在各年代相差较小，但输沙模数变化较大，大致为70年代输沙模数最大，其中鸭池河站的输沙模数高达903.7t·km-2·a-1（表1）。80年代以后各站点输沙模数大量减少，其中思南的输沙模数减少最多，降低为216t·km-2·a-1，这主要是因为20世纪80年代以来，贵州先后实施了长江上游防护林工程、珠江上游防护林工程、山区农业综合开发工程、以工代坡改梯工程、基本绿化贵州工程、联合国粮食计划署《中国3365项目工程》等多项大型生态建设工程、退耕还林(草)、封山育林等这些工程的实施加大了全省山水林田路综合治理力度，缓解了水土流失，植树造林面积也不断扩大，但总体不容乐观[15]。导致流域内产沙情况差异的原因甚多，有岩石、地貌等自然因素，也有土地利用、社会经济等人为因素。从不同站点的情况来看，不同年代输沙图1鸭池河站、乌江渡站和思南站的年降雨量、年径流模数和年输沙模数随时间的变化Fig.1Temporalvariationsinannualrainfall,runoffandsedimenttransportatYachihestation,WujiangdustationandSinanstation表1鸭池河、乌江渡和思南站1960—1979年多年平均降雨、径流和泥沙的统计特征值Table1Statisticalcharacterofaveragerainfall,runoffandsedimenttransportatYachihestation,WujiangdustationandSinanstationduring1960—1979鸭池河(18187km2*)乌江渡(27838km2*)思南(51270km2*)输沙模数径流模数降雨量输沙模数径流模数降雨量输沙模数径流模数降雨量平均值80318.91086.457517.61015.9402.4171112.8方差11013213.432417.35639511.725666.723625.410.544765.14变异系数0.410.190.170.410.190.160.380.190.19MK-0.04950.130-0.04950.130-0.04950.0640*表示控制面积表2鸭池河、乌江渡和思南站不同年代降雨─径流─泥沙对比Table2Comparisonofrainfall,runoffandsedimenttransportindifferenttermsatYachihestation,WujiangdustationandSinanstation鸭池河（18187km2*）乌江渡（27838km2*）思南（51270km2*）输沙模数径流模数降雨量输沙模数径流模数降雨量输沙模数径流模数降雨量1961—1970603.319.01078.1421.917.2996.1339.916.81147.7971—1979903.718.71110.8680.118.11062.8448.217.51108.81980—200051417.351011.421616.69969.296.517.471133.5*表示控制面积1944生态环境第17卷第5期（2008年9月）模数均为鸭池河乌江渡思南，说明乌江流域的输沙模数是从上游到下游逐渐减少的。鸭池河站位于清镇市，监测的泥沙主要来自于乌江上游的三岔河和六冲河，而三岔河和六冲河流经贵州省水土流失最严重的地区毕节市，因此鸭池河站控制面积内的输沙模数较高。2.2降雨─径流─泥沙相关性分析以1961—1979年的水文资料为基础，研究了鸭池河、乌江渡和思南站的年均降雨量、年均径流模数和年均输沙模数的相关性（图2）。图2中点绘了各站点年均降雨量与年均径流模数、年均径流模数与年均输沙模数的关系，并用不同的符号区分了1961—1970和1971—1979年的数据点，降雨──径流和径流──泥沙具有一定相关性。用直线方程对降雨──径流和径流──泥沙的关系进行了拟合，直线拟合方程的斜率可以反应输沙模数随降雨量和径流量变化的程度。如图2所示，在对降雨──径流的分析中三个站点1971—1979年的斜率均大于1961—1970年，即后一时期径流随降雨增加的幅度均大于前一时期。在对径流──泥沙的分析中，代表后一时期的直线都位于代表前一时期直线上方，表明在年均径流模数图2年均输沙模数与年均降雨量、年均径流模数的关系Fig.2Relationshipbetweenannualaveragesedimenttransportandrainfall,runoff熊亚兰等：乌江流域水沙特性变化分析1945相同的情况下，后一时期产沙量要高于前一时期。径流──泥沙的和的两条拟合直线互相平行，拟合方程的斜率近似相等，意味着在60年代和70年代产沙量随径流增大的比例相同。2.3基于双累积曲线的分析时间序列中径流模数和输沙模数的变化既是人类活动的结果，又叠加了降水量变化的影响，为了从径流模数和输沙模数的变化中部分地消去降水量变化所引起的影响，一种最常用的方法是双累积曲线分析。双累积曲线是揭示河流泥沙是否有趋势性变化的一种常用的方法。图3中以历年的降雨量、径流模数和输沙模数资料为基础，点绘了鸭池河站、乌江渡站和思南站的降雨──径流和径流──泥沙的双累积曲线，并用不同的符号区分了1961—1970年和1971—1979年的数据点。双累积关系在1961—1970年和1971—1979年分别呈直线分布，说明年均径流模数和年均输沙模数基本没有趋势性变化。但是，从三个站点径流──泥沙的双累积曲线中可以看到一个共同的明显的转折点，即1971—1979年拟合直线明显上偏，说明相对于径流，河流泥沙出现趋势性增多。出现这种情况的原因可能是从60年代中期开始国家进行“三线建设”，军工企业按“山、