Quantitative estimation of the impact of precipita- tion and human activities on runoff change of the Huangfuchuan River Basin

The runoff of some rivers in the world especially in the arid and semi-arid areas has decreased remarkably with global or regional climate change and enhanced human activities. The runoff decrease in the arid and semi-arid areas of northern China has brought severe problems in livelihoods and ecology. To reveal the variation characteristics, trends of runoff and their influencing factors have been important scientific issues for drainage basin man- agement. The objective of this study was to analyze the variation trends of the runoff and quantitatively assess the contributions of precipitation and human activities to the runoff change in the Huangfuchuan River Basin based on the measured data in 1960-2008. Two inflection points （turning years） of 1979 and 1998 for the accumulative runoff change, and one inflection point of 1979 for the accumulative precipitation change were identified using the methods of accumulative anomaly analysis. The linear relationships between year and ac- cumulative runoff in 1960-1979, 1980-1997 and 1998-2008 and between year and accu- mulative precipitation in 1960-1979 and 1980-2008 were fitted. A new method of slope change ratio of accumulative quantity （SCRAQ） was put forward and used in this study to calculate the contributions of different factors to the runoff change. Taking 1960-1979 as the base period, the contribution rate of the precipitation and human activities to the decreased runoff was 36.43% and 63.57% in 1980-1997, and 16.81% and 83.19% in 1998-2008, re- spectively. The results will play an important role in the drainage basin management. More- over, the new method of SCRAQ can be applied in the quantitative evaluation of runoff change and impacts by different factors in the river basin of arid and semi-arid areas.

降雨量和水土保持对皇甫川输沙量变化的贡献率分析

为探究黄河支流输沙量减少与流域内降雨量变化及水土保持措施的定量关系。以黄河中游皇甫川流域为研究区域,基于1960—2015年准格尔气象站日降水量、皇甫水文站年径流量和年输沙量数据,分析对皇甫川流域年径流量与年输沙量有影响的降雨量参数。通过双累积曲线法和突变点检验法确定输沙量变化的3个典型时期:Per1(1960—1986年)、Per2(1987—1999年)和Per3(2000—2015年);计算了降雨量变化、植被恢复和工程措施对该流域不同时期输沙量变化的贡献率。结果表明:(1)1960—2015年皇甫川流域降雨强度超过25 mm/d的降雨减少,径流量和输沙量呈显著减少趋势(M—K检验Z<0,p<0.01);(2)因水土保持引起流域下垫面条件的改变,当Per3与Per1时期中有相似降雨量的年份,Per3时期这些年份的输沙量比Per1时期显著减少,减小范围为50.2%~98.6%;(3)1987—1999年植被恢复和工程措施的减沙贡献率分别为73.0%和38.4%,2000—2015年降雨量变化、植被恢复和工程措施的减沙贡献率分别为11.5%,69.8%和18.7%。研究结果定量计算了降雨量变化和水土保持对皇甫川流域输沙量减少的贡献率,有助于阐明黄河中游沙量锐减的原因。

皇甫川流域水沙变化特点及其趋势分析

以地处多沙粗沙区的皇甫川流域为例,采用实测资料,对其水沙量进行了统计分析。采用滑动平均法、Mann-Kendall非参数秩次相关检验法,对控制站皇甫站水沙变化趋势进行了研究。结果表明:在一定显著性水平下,皇甫川流域径流与泥沙在多年变化中均呈明显下降趋势。最后,针对影响水沙变化的降水与人类活动因素,应用不同时段的雨-水-沙关系,结合双累积曲线的变化过程,定量计算了不同时段的水沙衰减量以及由于雨水衰减影响和水土保持影响的减沙量所占比重。

黄土高原典型支流淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献

为探明淤地坝拦沙作用对河流输沙量变化的影响,依据淤地坝作用年限、坝控面积、坝控流域侵蚀产沙模数及淤地坝排沙率,确定淤地坝拦沙量的估算方法,并结合2009年淤地坝安全大检查数据,分析黄土高原典型支流淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献。延河与皇甫川淤地坝在不同年代的拦沙量分别在92.48万~854.35万t/a与36.47万~1 138.75万t/a之间,淤地坝拦沙量占人类活动影响的比例在一级和二级突变后分别为29.1%、28.5%与8.4%、18.2%;2000年以后延河与皇甫川输沙量减幅均达到85%以上,而淤地坝拦沙量的贡献率分别小于10%和20%。淤地坝的拦沙作用已不是目前输沙量减少的主要因素,但由于土壤侵蚀环境的不同,淤地坝在皇甫川对输沙量减少的贡献比在延河要大。

河龙区间减沙效益与水土流失治理度的关系

研究黄河中游河龙区间水土保持措施减沙效益与水土流失治理度的关系。结果表明:1)河龙区间减沙效益与水土流失治理度呈正相关关系。二者关系可以按照治理度与减沙效益取值范围的不同,明显分为减沙效益高值区和减沙效益低值区2个区,其单位治理度的减沙效益基本相等。减沙效益低值区的治理度小于15%时,基本没有减沙效益。“两川两河”要想取得10%以上的减沙效益,治理度应超过30%。2)河龙区间减沙效益与水土流失治理度关系分为减沙效益高值区、减沙效益中值区和减沙效益低值区3个区后,减沙效益高值区的治理度提高10%,减沙效益可以提高约8%;减沙效益中值区的治理度提高10%,减沙效益提高8%;减沙效益低值区的治理度提高10%,减沙效益只能提高3.4%。因此,构筑减少黄河粗泥沙的第一道防线,建议首选位于减沙效益低值区的窟野河和皇甫川流域。

皇甫川流域水沙变化趋势及影响因素分析

为研究皇甫川流域水沙变化趋势,采用线性趋势法得皇甫川流域1954-2016年径流量和年输沙量均呈显著减少趋势;利用累积距平法检测出皇甫川流域水沙系列在1954-1979年为丰水期,1980-1996年为平水期及1997-2016年为枯水期。皇甫川流域内土地利用类型、植被覆盖度、淤地坝等水保措施在20世纪80年代大规模的水土保持治理工程实施后发生了明显变化,流域森林、草地面积大幅增加;流域的NDVI指数在2000-2016年间的增长速率是1981-1999年的2.5倍;淤地坝的修建、引水量的增加均致使流域产水产沙量显著减小。由于1954-2016年间降水量减少趋势不明显,皇甫川流域人类活动采取的水土保持治理措施是导致水沙量减少的主要因素。

皇甫川流域十年治理大见成效

皇甫川是黄河中游的一条多沙支流，也是黄河主要粗沙产区之一。１９８３年皇甫川流域列为全国重点治理区后，准格尔旗开展治理的一期工程开展３８条小流域，通过十年综合治理，累计保存治理面积７５０．７ｋｍ２，治理程度达７３．８％；人均产粮由３２６ｋｇ提高到５２６ｋｇ，人均收入由１１６元提高到５５７元；总产值由１９８２年的１３６１．１万元增加到６３８５万元；土地生产率由每平方公里１．７１万元提高到７．７５万元；可增加环境容量６．３人／ｋｍ２据测算，重点治理区的蓄水效益达７３％，减沙率为７０．６％。

黄河中游砒砂岩地区皇甫川流域气候变化特征分析

采用 1 961～ 2 0 0 0年连续 40年的逐月气象数据 ,分析黄河中游典型砒砂岩地区-皇甫川流域气候及其变化特征。分析结果表明 :皇甫川流域大陆性气候特点明显 ,降雨主要集中在每年的 6月～ 9月 ,这四个月的降雨量占全年的 76.7% ,形成河川径流的汛期。皇甫川流域年降雨量和汛期降雨量具有明显的减少趋势而且降雨量年际之间的波动很大 ;年均气温具有明显上升趋势 ,近 40年来年均气温升高了 0 .4℃ ;年平均风速总的变化趋势是逐渐降低的。另外 ,皇甫川流域湿度指数总体变化具有降低趋势 ,而温暖指数则是大幅度增高。可见 ,皇甫川流域气候变化具有明显地干和热的趋势。

黄河黄甫川流域水文特性分析

黄甫川是黄河的一级支流 ,是黄河中游地区主要洪水、产沙区域之一。本文在统计了近 5 0年实测资料的基础上 ,分析了黄甫川流域的降水、径流、泥沙等年内、年际变化、地区分布规律和暴雨洪水特性 。

数字流域模型淤地坝模块改进及减水减沙效益评估

淤地坝具有重要的水土保持作用,但其减水减沙效益的科学评估仍存在困难.一方面,淤地坝减水减沙的物理机制仍难以刻画;另一方面,观测资料有限且难以获取.以概化淤地坝卧管及溢洪道等部分的泄流机制及整体水沙调控机制为基础,改进和检验了数字流域模型的淤地坝模块,应用改进后的模型模拟皇甫川流域水沙过程并评估淤地坝减水减沙效益.研究结果表明:不考虑淤地坝的情况下,模型对淤地坝数量较少的近似自然状态期(1979~1986年)适用性较好,而对淤地坝数量较多的受扰状态期(2007~2012年)适用性较差,水沙模拟值明显高于实测值.考虑淤地坝的物理机制后,与原模型相比,除个别年份外,改进后的模型对受扰状态期水沙过程的模拟精度具有明显的提高,其逐日流量NSE(Nash-Sutcliffe效率系数)从-51.085~0.450提高到0.134~0.802,逐日输沙率NSE从-56.740~0.390提高到0.066~0.857.使用改进后的模型计算得受扰状态期淤地坝平均拦水量为0.142×10^(8)m^(3),减水效益为40.9%;平均拦沙量为0.050×10^(8)t,减沙效益为50.3%.研究成果可为认识淤地坝调控水沙物理机制提供模型支撑和为淤地坝建设规划提供科学指导.

皇甫川流域水沙变化及驱动因素分析

皇甫川流域地处黄河中游典型的多沙粗沙区,该区域的水沙变化对黄河下游水沙情势的改变具有重要指示意义。利用双累积曲线确定1954—2010年皇甫川流域水沙变化的典型时段,对其趋势进行分析,并基于20世纪50年代以来水利水保措施的实施来剖析流域水沙变化的驱动因素。结果表明:皇甫川流域水沙的演变过程可划分为4个典型时段,即1954—1978年、1979—1987年、1988—2002年、2003—2010年。1954—1978年,流域治理度低,受人类活动影响较小,为水沙的自然变化时段;1979—2010年水利水保措施的减水减沙效应不断增大,双累积曲线法计算的减水减沙效应分别为41.8%和49.7%,径流/输沙系数还原法计算的减水减沙效应分别为44.7%和48.3%。