人 民 黄 河YELLOW RIVER
第 43 卷第 6 期2021 年 6 月
Vol.43 ,No.6
Jun. , 2021
【水文泥沙】
罕台川流域水沙演变过程及驱动因素分析
刘 璐1，郭月峰S 姚云峰1，祁 伟1,
2，刘晓宇1，杨 燕3
(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特010018； 2.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，
内蒙古呼和浩特010020； 3.内蒙古自治区水土保持监测站，内蒙古呼和浩特010020)
摘要：为了给黄河流域水土流失有效治理提供理论依据，对黄河内蒙古段罕台川流域进行水沙变化及驱动因素分析，采用置信椭
圆相关分析、累积距平、5 a 滑动平均及双累积曲线方法分析罕台川流域水沙变化过程及降水与人类活动对水沙变化的贡献率。结
果表明：①罕台川流域水沙年际变化极为显著，水沙变化总体基本一致，呈波动下降趋势，年输沙量与径流量呈显著相关；②计算得 出罕台川流域1998—2017年年均减水568万m 3，减少率为43.73%，其中降水对径流减少过程发挥36.09%的抑制作用，人类活动对
径流减少过程发挥136.09%的促进作用。1998—2017年年均减沙222万t ，减少率为80.73%，其中降水对输沙减少过程发挥6.30%
的抑制作用，人类活动对输沙减少过程发挥106.30%的促进作用。水土流失综合治理等人类活动是引起流域径流量、输沙量减少
的主要驱动因素，说明罕台川流域自20世纪90年代以来水土流失综合治理取得显著成效。
关键词：孔兑；水沙变化；减流减沙；驱动因素；人类活动中图分类号：S157；TV882.1
文献标志码：A doi ：10.3969/j.issn.l000-1379.2021.06.006
引用格式：刘璐，郭月峰，姚云峰，等.罕台川流域水沙演变过程及驱动因素分析［J ］人民黄河,2021,43(6) ：28-32.
Analysis on Changes of Runoff and Sediment Load and Driving Factor in Hantaichuan Basin
LIU Lu 1 , GUO Yuefeng 1 , YAO Yunfeng 1 , QI Wei 1，2, LIU Xiaoyu 1 , YANG Yan 3
( 1.College of Desert Control Science and Engineering ， Inner Mongolia Agricultural University ， Hohhot 010018， China ；
2. Inner Mongolia Water Resources and Hydropower Exploration and Design Institute ， Hohhot 010020， China ；
3.Inner Mongolia Monitoring Station of Soil and Water Conservation ， Hohhot 010020， China )
Abstract ： In order to provide a theoretical basis for effective control of soil and water loss in the Yellow River basin ， the paper analyzed the runoff and sediment changes and driving factors in the Hantaichuan basin in the Inner Mongolia section of the Yellow River and used the con
fidence ellipse correlation analysis ， cumulative anomaly ， 5-year sliding average and double cumulative curve methods to analyze the water
and sediment change process in the basin and the contribution rate of precipitation and human activities to the water-sediment change of Han-
taichuan basin. The results show that there is a significant inter-annual variation and a decreasing trend of runoff and sediment in the Hantai-
chuan basin and the inter-annual sediment transport is significantly correlated with the runoff. According to the calculation ， the average annu
al runoff reduction in the Hantaichuan basin from 1998 to 2017 is 5.68 million m 3 and the effect of runoff reduction is 43.73%， of which ，
rainfall plays 36.09% inhibitory effect and human activities play 136.09% promoting effect. From 1998 to 2017, the average annual sediment
reduction is 2.22 million tons and the effect of sediment reduction is 80.73%， of which ， rainfall plays 6.30% inhibitory role and human activ
ities play 106.30% promoting role in the sediment load reduction. Human activities such as comprehensive soil and water loss control are the
main driving factors that cause runoff and sediment load changes in the basin ， which indicates that the comprehensive soil and water conser
vation control in the Hantaichuan basin has achieved remarkable results since the 1990s.
Key words ： tributary ； variation of runoff and sediment ； reduction of runoff and sediment ； driving factor ； human activity
罕台川为黄河内蒙古段十大孔兑(孔兑即山洪 沟)之一，其生态环境恶劣，水土流失严重，风沙灾害
频繁，防洪形势严峻，严重威胁区域生态环境，制约当
地经济社会发展，山洪泥沙容易形成沙坝，堵塞黄
河［1-2］，是主要的水土流失治理区域。
十大孔兑是位于黄河上游宁蒙河段的10条季节
性支流，其由南向北并列汇入黄河，在暴雨的作用下极 易形成高含沙洪水，造成黄河上游三湖河口至头道拐
段的淤积⑶。目前针对十大孔兑典型流域西柳沟的
研究较多，许炯心⑷对十大孔兑侵蚀产沙的时空变化
收稿日期：2020-01-19
基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFC0506702 )；内蒙 古自治区应用技术研究与开发资金计划项目(201702109)；国 家自然科学基金资助项目(31960329,31500584)；内蒙古农业 大学优秀青年科学基金培养项目(2017XYQ-3)；内蒙古自治区 “青年科技英才支持计划”项目(NJYT-17B19)
作者简介：刘璐(1995—)，女，内蒙古乌兰察布人，硕士研究 生，研究方向为水土保持与荒漠化防治
通信作者：郭月峰(1982—)，女，内蒙古乌海人，副教授，博 士，主要从事水土保持与荒漠化防治研究工作E-mail : guoyuefeng0525@ 126
・28 •
及成因进行分析，发现流域输沙量集中于大雨大沙年份，产沙模数具有明显的空间分异特征，其变化过程主要是由暴雨特征的差异与流域下垫面的变化引起的；刘韬等⑸、王平等⑷、Qin等⑺主要从十大孔兑暴雨洪水产沙输沙关系、黄河上游孔兑高含沙洪水特点与冲淤特性、西柳沟流域暴雨产流产沙关
系、内蒙古河段冲淤演变过程对水沙的响应等方面进行水沙相关特性分析研究；李璇［8］、张建等［9］分别对西柳沟流域水沙流失特点及治理措施、十大孔兑水沙特性及治理措施进行了探讨研究；冉大川等［10］、刘通等［11］分别对西柳沟流域水沙变化进行成因分析，结果表明人类活动与降水影响权重之比为0.45:0.55，人类活动特别是水土保持和退耕还林还草，是影响该流域径流泥沙过程变化的主要因素；斯琴等［12］对罕台川流域进行水沙变化规律研究后发现该流域径流与输沙关系密切，且二者变化趋势基本一致。流域水沙变化是全球共同关注的问题［13-14］，而气候变化和人类活动交互影响下的流域水沙变化是全球泥沙研究的前沿和难点［15］。
鉴于此，基于罕台川流域水文资料，研究流域水沙关系，揭示水沙变化规律，分析流域水沙减少量以及降水和人类活动对流域水沙变化的贡献率，以此掌握流域内水土流失综合治理等人类活动对水沙及区域生态环境的影响作用，为黄河流域水土流失有效治理提供科学参考。
1研究区概况与方法
1.1研究区概况
罕台川干流全长90.4km，流域面积1030km2；水土流失严重［12］，多年平均侵蚀模数为8500t/（km2・a），多年平均径流量为1185万m3，多年平均输沙量为158万t；属于干旱大陆性气候区，气候干燥、风大沙多，多年平均降水量为312.9mm，由南向北逐渐减少，其中风沙区雨量最少，年均20
0mm左右。罕台川上游为丘陵沟壑区，是泥沙的主要来源区，其地表抗蚀能力极差，且植被覆盖度低，荒坡上优势植物落为羊草和针茅，人工种植树种主要有柠条和沙棘等；中游为风沙区，主要受风蚀影响，流动沙丘活动频繁，主要植物有油蒿和沙竹；下游为冲积平原区，沟道坡降变缓，河床淤积严重。
1.2基础数据来源
本次分析利用罕台川流域1981—2017年的水文资料。流域水文资料（年径流量、年输沙量）来源于鄂尔多斯市达拉特旗水文站；1983年无实测水文资料，采用双累积曲线法插补得到。流域降水数据来源于水文站以及罕台庙、青达门和耳字壕3个雨量站。流域水土保持综合治理资料来自野外实地调查、达拉特旗年报数据、内蒙古鄂尔多斯市水土保持局以及第一次全国水利普查公报。
1.3研究方法
采用SAS软件INSIGHT模块对年径流量和输沙量进行置信椭圆相关分析，使之落入设定置信水平区域，若变量相关则置信椭圆呈扁长状，若变量不相关则置信椭圆呈圆形，变量相关程度与置信椭圆长半轴的长度成正比，置信椭圆可直观反映变量相关程度。
累积距平法［16］是将要素值与其多年平均值的偏差进行累积，可以直观而准确地表达罕台川流域水
沙阶段性变化特征。滑动平均法［17］基于水文序列逐年增减新旧数值并作均值处理，得出新的水文时间序列，这样可以消除偶然变动因素，体现其变化趋势。双累积曲线法［18-19］可用于分析水文要素的趋势性变化及变化强度，本文采用该方法分析罕台川流域人类活动是否对径流、输沙造成影响及其贡献率。
绘制罕台川流域降水量、输沙量及径流量双累积曲线，将转折变化前视为天然期，转折变化后视为变化期。建立天然期降水量、输沙量与径流量关系曲线拟合模型，从而计算出变化期年输沙量和年径流量模拟值，再利用以下公式计算降水量及人类活动对流域输沙量、径流量变化的贡献率。
△W7K（s、w）=^1（s、w）实测-^2（*、w）模拟
△W A（s、w）=人2（s、w）模拟-«2（s、w）实测
C7K（s、w）=A W水（s、w）/［^1（s,w）实测-^2（*、”）实测］X100%
C人（s、w）=^W A（s、w）/［^1（s,w）实测-人2（\”）实测］X100%
式中：AW水（"、w）、AW人（s、w）分别为降水及人类活动影响输沙量、径流量所产生的变化量；乩（“）实测、伦（s、w）实测分别为天然期及变化期输沙量、径流量实测值，其中s、w 分别表示输沙量、径流量;«2（s,w）模拟为变化期输沙量、径流量模拟值G"、w）、C人（,w）分别为降水及人类
活动对流域输沙量、径流量变化的贡献率。
在数据处理过程中利用Excel、SAS9.0、SPSS以及Origin软件进行统计分析、差异显著性分析和绘图。
2结果与分析
2.1流域水沙演变过程分析
2.1.1水沙相关关系分析
对罕台川流域输沙量与径流量进行相关性分析，结果见表1。由表1可知各时段输沙量与径流量高度相关，相关系数疋均大于0.8，对相关系数进行显著性检验,P值均小于0.05，达到显著相关。
29・
表1罕台川流域输沙量与径流量相关性分析结果
时段相关系数P 值最优拟合模型
1981—1989 年0.918 80.005S = -0.001 7叨+5.703 3甲+206.64
1990—1999 年0.931 10.000S =19.8 初.850 4
2000—2009 年0.972 30.000S = -0.004 7 叨+ 10.928 甲+160.142010—2017 年0.983 40.000S = -0.013 9叨+ 16.438甲+135.791981—2017 年
0.895 0
0.030
S = -0.002 4叨+7.181 6甲+267.86
注:S 为年输沙量，万t;W 为年径流量，万m 3
由径流量与输沙量相关关系的置信椭圆(见图1) 可以看出，罕台川流域1981—2017年输沙量与径流量 相关性置信椭圆呈较扁长状，其中在2000—2009年、
2010—2017年输沙量与径流量相关性置信椭圆呈极
扁长状，表明罕台川流域径流量与输沙量之间存在着 显著的正相关关系。
径流量/万n?(e) 1981—2017 年
径流量/万n?
(d) 2010—2017年图1罕台川流域输沙量与径流量相关性置信椭圆
径流量/万廿径流量/万打
(b) 1990—1999年径流量/万n?(c) 2000—2009年
2.1.2水沙年际变化分析 径流量及输沙量变差系数分别为1.173,2.434，说明近
选取1981—2017年罕台川流域水沙资料进行年
40 a 来罕台川流域径流量和输沙量年际差异显著，且
际变化情况分析，见表2o 由表2可知，1981—2017年
输沙量的年际变化程度大于径流量的。
表2主要水文要素统计特征值
时段
径流量
输沙量
降水量
多年平均/万m 3
变差系数多年平均/万t
变差系数多年平均/mm 变差系数
1981—1989 年1 383.44 1.078381.88 1.750275.090.2841990—1999 年1 269.50 1.054158.25 1.196328.650.1602000—2009 年595.20 1.07242.19 1.457313.580.2462010—2017 年703.370.97337.48 1.218356.610.2691981—2017 年
992.57 1.173155.16
2.434
317.590.260
1981—1989年罕台川流域多年平均径流量和输沙 量均最大，径流量和输沙量以及降水量的变差系数分别 为1.078、1.750、0.284，表明这一期间各水文要素变化显 著、分布不集中，产生的大量径流和泥沙主要受降水因素
的影响。从总体来看，降水量多年变化呈波动状，变差系 数变化幅度较小，但径流量与输沙量变差系数总体呈下
降趋势，径流量和输沙量的多年平均值逐年代减小，且近 些年在降水量增加的情况下对降水的响应趋于迟缓。 2.1.3水沙变化趋势分析
由图2〜图4可见，罕台川流域年输沙量和年径流
量均有波动，年径流量变化幅度更加明显。从水沙滑
动平均变化曲线可以看出自1998年开始径流量和输 沙量总体呈下降趋势，其中输沙量下降趋势更加显著。 与径流输沙变化趋势不同，总体呈波动上升趋势，多年
平均降水量为317.6 mm 。
水沙变化表现为3个阶段(见图4)：①1981—
1993年，径流量和输沙量处于明显波动状态，其中
1989年径流量与输沙量呈骤升趋势与该年雨量强度
大有关;②1994—1998年，径流量和输沙量处于上升
趋势，可能与同期降水量较大有关;③1998—2017年,
・30 •
罕台川径流量及输沙量持续显著下降。
2 5001 500
1 000
500
10000
8 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001980 1983 19861989 19921995 1998 2001 2004 2007 2010
2013 2016 2019
年份
图2罕台川流域年径流量和输沙量累积距平变化情况
p q 'T t s *
握迤烝聯
600500400
/\
（\
100
-♦■年降水量 —
—5 a 滑动平均 •……多年平均 ••…;••线性趋势1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008 2011 2014 2017
年份
图3罕台川流域年降水量波动变化趋势
-■-年输沙量T -年径流量
—
— 5 a 滑动平均（输沙量） —— 5 a 滑动平均（径流量） .....线性趋势（年径流量） .....线性趋势（ ）
1\.
19811984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008 2011 2014 2017
年份
黄河是怎样变化的图4罕台川流域年输沙量、径流量波动变化趋势
2.2流域水沙变化驱动因素分析2.2.1径流量、输沙量趋势转折点的确定
罕台川流域径流量及输沙量都分别于1989年、
1998年发生明显的趋势性变化（见图5）。1989年趋 势性变化主要是因为该年份发生暴雨。1998年趋势
性变化主要是因为该流域于20世纪90年代开始建设2.2.2 降水产流产沙拟合函数的建立
基于Excel 软件将罕台川流域天然期径流量、输
沙量的累积值分别与年降水量的累积值进行拟合，得 到相应的拟合函数，并对拟合函数进行F 显著性检 验。将罕台川流域1981—2017年降水量的累积值分
别代入输沙、径流拟合函数，计算得到该流域1981—
2017年累积年径流量、累积年输沙量的模拟值。
降水产沙拟合函数为
S = 0.515 6X+1 911.6 （人2 = 0.967 8）
式中:S 为累积输沙量，万t ；X 为累积降水量,mm 。
该拟合函数在P <0.001的显著性水平上通过F
检验，说明该函数可靠性强，达到极显著相关，可作为 计算模拟值依据。
降水产流拟合函数为
W =5.536X+3 011.6 （R 2 = 0.973 2）
式中：W 为累积径流量，万m 3。
该拟合函数在P <0.001的显著性水平上通过F
检验，说明该函数可靠性强，达到极显著相关，可作为
计算模拟值依据。
基于产流产沙拟合函数，分别计算罕台川流域
1981—2017年（缺1983年实测资料）累积年径流量及
累积年输沙量，再与1998—2017年（变化期）累积年
径流量及累积年输沙量实测值进行比较（见图6）。
1981—1997年（天然期）径流量及输沙量的模拟值与
同期实测值基本吻合，而1998—2017年径流量及输沙 量模拟值均大于实测值， 且输沙量模拟值与实测值差 异程度大于径流量差异程度。
48 000r
骨干坝、开展水土流失综合治理等，人类活动对流域径
流量、输沙量变化发挥了作用，且该时段降水量未有明 显的波动变化。因此，以1981—1997年为天然期，以
1998—2017年为变化期
40 000
35 000
30 00025 000 国
2 5005 000
2 000
20 000 垢
辿15 000 <10 000 除
2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000
累积年降水量/mm
0______I ______I ___I ______I ______L 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 2013 2017
年份
(a) 年径流量模拟值与实测值对比
图5罕台川流域输沙量和径流量与降水量双累积趋势变化
9 000-8 000 §7 000 f ； 6 000
5 000 §4 000
歸 3 000
2 0001000
W81 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 2013 2017
年份
(b) 年输沙量模拟值与实测值对比
图6罕台川流域年径流量和输沙量模拟值与实测值对比
31
・
2.2.3 降水与人类活动对水沙变化贡献率分析
降水及人类活动对水沙变化贡献率计算结果见表
3、表4o 1998—2017年(变化期)罕台川流域年均减 水568万m 3，减少率为43.73%，其中降水对径流量减
少过程发挥36.09%的抑制作用，人类活动对径流量减
少过程发挥136.09%的促进作用；1998—2017年(变
化期)罕台川流域年均减沙222万t，减少率为
80.73%，其中降水对输沙量减少过程发挥6.30%的抑 制作用，人类活动对输沙量减少过程发挥106.30%的 促进作用。罕台川流域减沙效果大于减水效果，且其 中水土流失综合治理等人类活动为引起1998—2017
年径流量、输沙量变化的主要驱动因素。
表3径流量与输沙量实测值与模拟值计算结果
表4 1998—2017年降水及人类活动对水沙
变化贡献率计算结果
时段
径流量/万m 3输沙量/万t 实测值
模拟值
实测值
模拟值1981—1997 年1 2991 283275275
1998—2017 年
731
1 504
53
289
注；径流量单位为万m 3，输沙量单位为万t；负值表示抑制作用，正值
项目减少量
减少 率/%降水变化贡献人类活动贡献影响量
占比/%影响量
占比/%径流量56843.73-205-36.09
773136.09输沙量
222
80.73
-14-6.30
236
106.30
表示促进作用
3结论
(1) 罕台川流域径流量和输沙量年际间变化极为 显著，输沙量的年际变化程度大于径流量的；1981— 2017年输沙量与径流量高度相关，水沙相关系数K 2均
大于0.8(P <0.05)，达到显著性水平。
(2) 罕台川流域自20世纪90年代开始实施水保 措施以来输沙量和径流量呈下降趋势，在降水量呈上 升趋势时径流量和输沙量对降水的响应趋于迟缓。
(3) 降水及人类活动对水沙变化贡献率的计算结
果表明，该流域减沙效果大于减水效果，降水对水沙减
少过程发挥抑制作用， 人类活动对水沙减少过程发挥 促进作用；水土流失综合治理等人类活动是引起
1998—2017年径流量、输沙量减少的主要驱动因素， 罕台川流域自20世纪90年代以来水土流失综合治理 取得显著成效。参考文献：
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