延河流域植被恢复对径流泥沙的影响
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结合图 2 分析，可以将 1960 － 1971 年作为分析 1971 年之后不同阶段水土保持活动对延河流域水沙变 化影响的参照期。将 1972 － 1996 年与 1997 － 2010 年实测平均降雨量分别代入图 3 中的方程，得到下 垫面不变的情况下的预测平均年径流深和输沙模数 Ｒf 和 Sf 。
图 1 延河流域概况 Fig． 1 Location of the YanhLeabharlann Baidu Basin
2 资料及方法
所用数据年限为 1960 － 2010 年，水文数据包括延河流域甘谷驿水文站的年径流、输沙数据及其控
制范围内化子坪、安塞、延安和甘谷驿水文站等 4 个主要雨量站的年降雨量，采用算术平均值作为区域
面降雨量。以上所用水文数据均来源于黄河水利委员会与水文年鉴。为了便于对延河流域内单位面积
为 50 年） ，气候变化中的降雨量为主要自然变化因子，对径流量和输沙量的影响最大。在自然状态下， 它们之间具有一定的线性统计关系，如果下垫面条件发生了变化，则在相同的降雨条件下产生的径流量 和输沙量就可能不同［19，20］。植被恢复等水土保持措施可以认为是下垫面土地利用发生了变化，作为人 类活动因素考虑。按照上述理论，若忽略其它随机因素对径流、输沙量变化的影响，则可以利用三个阶 段的实测水文资料，确立累积降雨量与累积径流深或输沙模数的无截距项线性回归关系式或线性拟合 系数 k（ 图 3） 。由双累积关系可以看出，降雨量和径流深、输沙模数的双累积关系拟合优度较高（ 相关 系数 Ｒ2 大于 0. 9） ，均达到 0. 001 以上信度的极显著性检验，说明该时期起主要作用的下垫面因子和降 雨因子对流域水沙变化的影响作用稳定，使得累积降雨量与累积径流深和输沙模数之间的统计关系一 定，为定量评估降雨量变化和水土保持活动对延河流域水沙变化的贡献率奠定了比较可靠的分析基础。
沙模数发生突变的年份； 1960 － 1971 年为参照期，降雨量与径流量或输沙量的双累积曲线具有较高拟合度
（ Ｒ2 ＞ 0. 9） ； 与 1960 － 1971 年相比，水沙关系发生根本性变化，以植被恢复为主导的水土保持措施对流域产流
产沙的影响程度分别为 17. 5% 和 55. 9% 。
关键词： 植被恢复； 径流深； 输沙模数； 贡献率； 延河
（ a） 、（ b） ） 。可以看出，在 1971 年和 1996 年出现 2 个明显的突变点，后者也正好与 1994 年延河流域水 土保持世界银行贷款治理项目（ 1994 － 2001） ［18］发挥作用相吻合，同时，也与李传哲等［13］用 MK 秩检验 和 Pettitt 突变点检验获取的突变年结果一致，由此可以将 1960 － 2010 年分为 3 个主要阶段。值得注意 的是，1977 年延河流域的特大暴雨导致径流及泥沙量陡增，在选取突变点时未作考虑。1960 － 1971 年， 大规模水土保持措施实施前期，径流深、输沙模数的累积距平值呈显著增加趋势（ p ＜ 0. 001） 。
度 EＲP和 ESP可分别用 ΔＲP，ΔSP 占预测平均年径流深和输沙模数的百分数来表示
年段
1960 － 1971 1972 － 1996 1997 － 2010 1960 － 2010
平均值 / mm 538. 41 506. 34 479. 19 506. 44
降雨量
变差系数 CV 0. 23 0. 18 0. 22 0. 20
平均值 / mm 40. 88 36. 26 24. 76 34. 30
算是基于两个变量按照同一时间步长逐渐累加，令一个变量为横坐标，一个变量为纵坐标，回归关系的 相关系数 Ｒ2 可以反映变量之间的拟合优度。有关计算水土保持措施对产流产沙影响程度的方法将在
下文详细介绍。
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3 结果与分析
3. 1 径流及输沙量的突变分析 采用累积距平法计算得到延河流域 1960 － 2010 年径流深、输沙模数的累积距平年际变化（ 图 2
67
是黄河中游的一级支流，发源于陕西省靖边县天赐湾乡的周山，由西北向东南流经志丹、安塞、延安、延 长四县（ 区） ，于延长县南河沟乡凉水岸注入黄河，全长 286. 9km，流域面积 7 725 km2 ，水土保持治理面 积 3 498. 5km2 （ 截止到 2006 年） 。本文所研究的延河流域为甘谷驿水文站控制区，甘谷驿站位于陕西 省延安市甘谷驿镇甘谷驿村，建站时间为 1952 年 1 月，该水文站控制面积 5 891 km2 ，至河口距离 112 km。
2014 年 8 月
泥沙研究 Journal of Sediment Ｒesearch
第4 期
延河流域植被恢复对径流泥沙的影响
赵跃中1 ，穆兴民2，3 ，严宝文1 ，赵广举2，3
（ 1． 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2． 西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 3． 中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）
径流深
变差系数 CV 0. 41 0. 28 0. 28 0. 37
输沙模数
平均值 / （ t / km2 / a）
10653. 62 7085. 60 2795. 22 6747. 40
变差系数 CV
0. 75 0. 71 1. 05 0. 90
3. 3 不同驱动因素对水沙变化的影响 河流径流量与输沙量主要受自然作用和人类活动的控制，在比较短的时间尺度上（ 本文时间年限
目前预测产水产沙的方法多为经验公式法，更多的研究表明，基于双累积曲线方法的预测精度较 高。定量评估人类活动对径流、泥沙变化的影响主要是通过选取人类活动干扰相对较少的时期作为基 准期进行时间序列对比分析，而基准期的选择受基础数据的影响较大。大规模的水土保持措施与流域 综合治理势必使降雨在流域面的水分转化及分配比例发生变化［11］，影响流域水分循环，而不同时期起 主导作用的水土保持措施各有侧重，使得流域产水产沙特征呈现阶段性变化［5］。因此，有必要分析水 土保持措施尤其是 20 世纪 90 年代以来以植被恢复为主导的水土保持措施对降雨产流产沙的影响。本 文在分析延河流域 1960 － 2010 年实测降雨、径流量、输沙量等水文要素变化趋势的基础上，结合双累积 曲线选择人类活动与降雨变化对流域产水产沙影响作用相对稳定的阶段作为参照期，定量评估延河流 域 1996 年以后以植被恢复为主导的水土保持措施对流域内产流产沙变化的影响。
中图分类号： P333. 5
文献标识码： A
文章编号： 0468-155X（ 2014） 04-0067-07
随着全球气候变化和人类活动的影响，不同地区河流径流量和输沙量出现了显著的变化［1 － 3］，我国 黄土高原地区的水循环、土壤侵蚀、生态环境也发生了显著变化［4，5］。在黄河中游地区，水土保持措施 是影响河川径流、泥沙变化的主要因素。20 世纪 90 年代以来，通过山川秀美工程和退耕还林（ 草） 工程 的实施，位于黄河中游的延河流域植被得到快速恢复，流域的径流量和输沙量显著减少［6 － 9］，且洪水发 生频率降低［10］。黄河水沙急剧锐减已成为我国政府管理部门密切关注的主要环境问题之一，也是学术 界研究的热点。定量分析人类活动对流域水沙的影响不仅有利于揭示黄土高原侵蚀环境的演变规律， 也为合理进行黄土高原生态建设和黄河水沙治理提供可靠依据。
尽管较佳的线性拟合关系可以预测在下垫面基本不变的情况下降雨产流产沙量，但流域降雨量相
对于参照期会有一定程度的增加或减少，进而对流域产流产沙造成影响。按照线性拟合关系构建原理，
则降雨量变化对流域产流及产沙的影响量 ΔＲP，ΔSP 为两段时期的降雨量变化值 ΔP 与相应的线性拟合 系数 k 之积，当 ΔP 为正时表示降雨量减少使产流产沙量减少，因此降雨量变化对产流产沙量的影响程
Fig． 3
图 3 延河流域主要水文要素双累积关系 The double mass curve of hydrological factors with cumulative precipitation in the Yanhe Basin
（ a） cumulative runoff depth； （ b） cumulative sediment yield modulus
t
∑ X^ =
（ xi － x－）
t = 1，2，…，n
（ 1）
i =1
∑ 式中 x－
=
1 n
n
xi 。
i =1
该方法的核心是判断离散数据对其均值的偏离程度，如果曲线由增大和减小两个主要部分组成，则
由此可以确定该离散数据的突变点，一般认为偏离点出现最大值所对应的年份就是径流量、输沙量发生
突变的年份，相应地，就会将较长的时间序列分为不同阶段。为了定量评估水土保持活动对径流深和输 沙模数的影响，本文采用基于双累积曲线［17］构建线性回归方程对两段时间序列进行对比分析，它的计
上水沙变化作分析，采用径流深和输沙模数进行回归分析。
分析流域水沙变化突变年份的方法较多［10，13，14］，作者结合前人研究成果并采用累积距平法［15，16］对
径流量和输沙量的突变年份进行判断。该方法是由曲线直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统
计方法。时间序列 X（ x1 ，x2 ，…，xn） ，其在某一时刻 t 的累积距平为
摘要： 以 1960 － 2010 年延河主要水文站实测水沙数据为基础，结合主要气象站的实测年降雨量，采用累积距
平法识别出延河流域水沙变化突变年份，并利用双累积曲线确定参照期水文要素的线性回归关系，定量评估
了延河流域不同阶段水土保持措施对流域水沙变化的影响。结果表明： 1971 年和 1996 年为延河径流深、输
1 研究区概况
延河流域地处陕北黄土高原中部，为黄土高原多沙粗沙区，地理位置为 36°21' ～ 37°29'N 和 108° 38' ～ 110°29'E 之间，包括安塞、延长、宝塔三县（ 区） 主体以及志丹、靖边两县部分地区（ 图 1） 。延河
收稿日期： 2013-11-13 基金项目： 国家自然科学基金面上资助项目（ 41271295） ； 中国科学院重点部署项目（ KZZD － EW － 04 － 3） 作者简介： 赵跃中（ 1988 － ） ，男，山西长治人，硕士研究生，主要从事流域水文变化的研究。E-mail： yuezhong． 008@ 163． com 通讯作者： 严宝文。E-mail： yanbaowen@ nwsuaf． edu． cn
化主要是由剧烈的人类活动引起的。
表 1 延河流域不同阶段水文要素特征值 Table 1 The characteristics of the precipitation，runoff depth and sediment yield modulus in the Yanhe Basin in various periods
图 2 延河水文要素累积距平变化特征 Fig． 2 Variations of the cumulative anomaly of Yanhe Basin （ a） runoff depth，（ b） sediment yield modulus
3. 2 延河径流深及输沙模数的变化特征
河流的水沙量与流域降雨量密不可分，降雨是延河径流的主要补给源，在不受剧烈人类活动影响的 前提下，河流水沙变化由降雨量大小决定。由延河流域水文要素不同年代变化特征（ 表 1） 可以看出，延 河流域 1960 － 2010 年期间年降雨量逐渐减少，年降雨量变差系数在 0. 2 左右，起伏程度基本一致； 甘谷 驿站径流深、输沙模数变化显著，且 1997 － 2010 年输沙模数离散程度较大，说明该时期延河流域产沙变
延河径流多集中在汛期［12］，汛期径流量占全年的 60% 以上。延河流域水土流失严重，径流的空间 分异较大，从上游到下游（ 西北向东南） 径流量逐渐减少，上游径流深大于 45 mm，中游区介于 30 ～ 45 mm，下游（ 延长县以下） 低于 30 mm。河流含沙量大，泥沙多为悬移质，根据甘谷驿水文站建站以来实 测资料，延河多年平均输沙量为 0. 415 × 108 t。
结合图 2 分析，可以将 1960 － 1971 年作为分析 1971 年之后不同阶段水土保持活动对延河流域水沙变 化影响的参照期。将 1972 － 1996 年与 1997 － 2010 年实测平均降雨量分别代入图 3 中的方程，得到下 垫面不变的情况下的预测平均年径流深和输沙模数 Ｒf 和 Sf 。
图 1 延河流域概况 Fig． 1 Location of the YanhLeabharlann Baidu Basin
2 资料及方法
所用数据年限为 1960 － 2010 年，水文数据包括延河流域甘谷驿水文站的年径流、输沙数据及其控
制范围内化子坪、安塞、延安和甘谷驿水文站等 4 个主要雨量站的年降雨量，采用算术平均值作为区域
面降雨量。以上所用水文数据均来源于黄河水利委员会与水文年鉴。为了便于对延河流域内单位面积
为 50 年） ，气候变化中的降雨量为主要自然变化因子，对径流量和输沙量的影响最大。在自然状态下， 它们之间具有一定的线性统计关系，如果下垫面条件发生了变化，则在相同的降雨条件下产生的径流量 和输沙量就可能不同［19，20］。植被恢复等水土保持措施可以认为是下垫面土地利用发生了变化，作为人 类活动因素考虑。按照上述理论，若忽略其它随机因素对径流、输沙量变化的影响，则可以利用三个阶 段的实测水文资料，确立累积降雨量与累积径流深或输沙模数的无截距项线性回归关系式或线性拟合 系数 k（ 图 3） 。由双累积关系可以看出，降雨量和径流深、输沙模数的双累积关系拟合优度较高（ 相关 系数 Ｒ2 大于 0. 9） ，均达到 0. 001 以上信度的极显著性检验，说明该时期起主要作用的下垫面因子和降 雨因子对流域水沙变化的影响作用稳定，使得累积降雨量与累积径流深和输沙模数之间的统计关系一 定，为定量评估降雨量变化和水土保持活动对延河流域水沙变化的贡献率奠定了比较可靠的分析基础。
沙模数发生突变的年份； 1960 － 1971 年为参照期，降雨量与径流量或输沙量的双累积曲线具有较高拟合度
（ Ｒ2 ＞ 0. 9） ； 与 1960 － 1971 年相比，水沙关系发生根本性变化，以植被恢复为主导的水土保持措施对流域产流
产沙的影响程度分别为 17. 5% 和 55. 9% 。
关键词： 植被恢复； 径流深； 输沙模数； 贡献率； 延河
（ a） 、（ b） ） 。可以看出，在 1971 年和 1996 年出现 2 个明显的突变点，后者也正好与 1994 年延河流域水 土保持世界银行贷款治理项目（ 1994 － 2001） ［18］发挥作用相吻合，同时，也与李传哲等［13］用 MK 秩检验 和 Pettitt 突变点检验获取的突变年结果一致，由此可以将 1960 － 2010 年分为 3 个主要阶段。值得注意 的是，1977 年延河流域的特大暴雨导致径流及泥沙量陡增，在选取突变点时未作考虑。1960 － 1971 年， 大规模水土保持措施实施前期，径流深、输沙模数的累积距平值呈显著增加趋势（ p ＜ 0. 001） 。
度 EＲP和 ESP可分别用 ΔＲP，ΔSP 占预测平均年径流深和输沙模数的百分数来表示
年段
1960 － 1971 1972 － 1996 1997 － 2010 1960 － 2010
平均值 / mm 538. 41 506. 34 479. 19 506. 44
降雨量
变差系数 CV 0. 23 0. 18 0. 22 0. 20
平均值 / mm 40. 88 36. 26 24. 76 34. 30
算是基于两个变量按照同一时间步长逐渐累加，令一个变量为横坐标，一个变量为纵坐标，回归关系的 相关系数 Ｒ2 可以反映变量之间的拟合优度。有关计算水土保持措施对产流产沙影响程度的方法将在
下文详细介绍。
68
3 结果与分析
3. 1 径流及输沙量的突变分析 采用累积距平法计算得到延河流域 1960 － 2010 年径流深、输沙模数的累积距平年际变化（ 图 2
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是黄河中游的一级支流，发源于陕西省靖边县天赐湾乡的周山，由西北向东南流经志丹、安塞、延安、延 长四县（ 区） ，于延长县南河沟乡凉水岸注入黄河，全长 286. 9km，流域面积 7 725 km2 ，水土保持治理面 积 3 498. 5km2 （ 截止到 2006 年） 。本文所研究的延河流域为甘谷驿水文站控制区，甘谷驿站位于陕西 省延安市甘谷驿镇甘谷驿村，建站时间为 1952 年 1 月，该水文站控制面积 5 891 km2 ，至河口距离 112 km。
2014 年 8 月
泥沙研究 Journal of Sediment Ｒesearch
第4 期
延河流域植被恢复对径流泥沙的影响
赵跃中1 ，穆兴民2，3 ，严宝文1 ，赵广举2，3
（ 1． 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2． 西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 3． 中国科学院水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100）
径流深
变差系数 CV 0. 41 0. 28 0. 28 0. 37
输沙模数
平均值 / （ t / km2 / a）
10653. 62 7085. 60 2795. 22 6747. 40
变差系数 CV
0. 75 0. 71 1. 05 0. 90
3. 3 不同驱动因素对水沙变化的影响 河流径流量与输沙量主要受自然作用和人类活动的控制，在比较短的时间尺度上（ 本文时间年限
目前预测产水产沙的方法多为经验公式法，更多的研究表明，基于双累积曲线方法的预测精度较 高。定量评估人类活动对径流、泥沙变化的影响主要是通过选取人类活动干扰相对较少的时期作为基 准期进行时间序列对比分析，而基准期的选择受基础数据的影响较大。大规模的水土保持措施与流域 综合治理势必使降雨在流域面的水分转化及分配比例发生变化［11］，影响流域水分循环，而不同时期起 主导作用的水土保持措施各有侧重，使得流域产水产沙特征呈现阶段性变化［5］。因此，有必要分析水 土保持措施尤其是 20 世纪 90 年代以来以植被恢复为主导的水土保持措施对降雨产流产沙的影响。本 文在分析延河流域 1960 － 2010 年实测降雨、径流量、输沙量等水文要素变化趋势的基础上，结合双累积 曲线选择人类活动与降雨变化对流域产水产沙影响作用相对稳定的阶段作为参照期，定量评估延河流 域 1996 年以后以植被恢复为主导的水土保持措施对流域内产流产沙变化的影响。
中图分类号： P333. 5
文献标识码： A
文章编号： 0468-155X（ 2014） 04-0067-07
随着全球气候变化和人类活动的影响，不同地区河流径流量和输沙量出现了显著的变化［1 － 3］，我国 黄土高原地区的水循环、土壤侵蚀、生态环境也发生了显著变化［4，5］。在黄河中游地区，水土保持措施 是影响河川径流、泥沙变化的主要因素。20 世纪 90 年代以来，通过山川秀美工程和退耕还林（ 草） 工程 的实施，位于黄河中游的延河流域植被得到快速恢复，流域的径流量和输沙量显著减少［6 － 9］，且洪水发 生频率降低［10］。黄河水沙急剧锐减已成为我国政府管理部门密切关注的主要环境问题之一，也是学术 界研究的热点。定量分析人类活动对流域水沙的影响不仅有利于揭示黄土高原侵蚀环境的演变规律， 也为合理进行黄土高原生态建设和黄河水沙治理提供可靠依据。
尽管较佳的线性拟合关系可以预测在下垫面基本不变的情况下降雨产流产沙量，但流域降雨量相
对于参照期会有一定程度的增加或减少，进而对流域产流产沙造成影响。按照线性拟合关系构建原理，
则降雨量变化对流域产流及产沙的影响量 ΔＲP，ΔSP 为两段时期的降雨量变化值 ΔP 与相应的线性拟合 系数 k 之积，当 ΔP 为正时表示降雨量减少使产流产沙量减少，因此降雨量变化对产流产沙量的影响程
Fig． 3
图 3 延河流域主要水文要素双累积关系 The double mass curve of hydrological factors with cumulative precipitation in the Yanhe Basin
（ a） cumulative runoff depth； （ b） cumulative sediment yield modulus
t
∑ X^ =
（ xi － x－）
t = 1，2，…，n
（ 1）
i =1
∑ 式中 x－
=
1 n
n
xi 。
i =1
该方法的核心是判断离散数据对其均值的偏离程度，如果曲线由增大和减小两个主要部分组成，则
由此可以确定该离散数据的突变点，一般认为偏离点出现最大值所对应的年份就是径流量、输沙量发生
突变的年份，相应地，就会将较长的时间序列分为不同阶段。为了定量评估水土保持活动对径流深和输 沙模数的影响，本文采用基于双累积曲线［17］构建线性回归方程对两段时间序列进行对比分析，它的计
上水沙变化作分析，采用径流深和输沙模数进行回归分析。
分析流域水沙变化突变年份的方法较多［10，13，14］，作者结合前人研究成果并采用累积距平法［15，16］对
径流量和输沙量的突变年份进行判断。该方法是由曲线直观判断离散数据点变化趋势的一种非线性统
计方法。时间序列 X（ x1 ，x2 ，…，xn） ，其在某一时刻 t 的累积距平为
摘要： 以 1960 － 2010 年延河主要水文站实测水沙数据为基础，结合主要气象站的实测年降雨量，采用累积距
平法识别出延河流域水沙变化突变年份，并利用双累积曲线确定参照期水文要素的线性回归关系，定量评估
了延河流域不同阶段水土保持措施对流域水沙变化的影响。结果表明： 1971 年和 1996 年为延河径流深、输
1 研究区概况
延河流域地处陕北黄土高原中部，为黄土高原多沙粗沙区，地理位置为 36°21' ～ 37°29'N 和 108° 38' ～ 110°29'E 之间，包括安塞、延长、宝塔三县（ 区） 主体以及志丹、靖边两县部分地区（ 图 1） 。延河
收稿日期： 2013-11-13 基金项目： 国家自然科学基金面上资助项目（ 41271295） ； 中国科学院重点部署项目（ KZZD － EW － 04 － 3） 作者简介： 赵跃中（ 1988 － ） ，男，山西长治人，硕士研究生，主要从事流域水文变化的研究。E-mail： yuezhong． 008@ 163． com 通讯作者： 严宝文。E-mail： yanbaowen@ nwsuaf． edu． cn
化主要是由剧烈的人类活动引起的。
表 1 延河流域不同阶段水文要素特征值 Table 1 The characteristics of the precipitation，runoff depth and sediment yield modulus in the Yanhe Basin in various periods
图 2 延河水文要素累积距平变化特征 Fig． 2 Variations of the cumulative anomaly of Yanhe Basin （ a） runoff depth，（ b） sediment yield modulus
3. 2 延河径流深及输沙模数的变化特征
河流的水沙量与流域降雨量密不可分，降雨是延河径流的主要补给源，在不受剧烈人类活动影响的 前提下，河流水沙变化由降雨量大小决定。由延河流域水文要素不同年代变化特征（ 表 1） 可以看出，延 河流域 1960 － 2010 年期间年降雨量逐渐减少，年降雨量变差系数在 0. 2 左右，起伏程度基本一致； 甘谷 驿站径流深、输沙模数变化显著，且 1997 － 2010 年输沙模数离散程度较大，说明该时期延河流域产沙变
延河径流多集中在汛期［12］，汛期径流量占全年的 60% 以上。延河流域水土流失严重，径流的空间 分异较大，从上游到下游（ 西北向东南） 径流量逐渐减少，上游径流深大于 45 mm，中游区介于 30 ～ 45 mm，下游（ 延长县以下） 低于 30 mm。河流含沙量大，泥沙多为悬移质，根据甘谷驿水文站建站以来实 测资料，延河多年平均输沙量为 0. 415 × 108 t。