黄河头道拐水沙变化多元驱动因子贡献率分析_冉大川
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n
η i = α i / ∑ α i × 100 %
i =1
（ 3）
η i 为各主导驱动因子相对贡献率，% ； α i 为各主导驱动因子指数的绝对值 （ 0 ＜ α i ＜ 1. 0 ） 。 合并 P 和 C 中各主导驱动因子的相对贡献率 ，即可分别得到其对年径流模数和年输沙模数变化的总贡献率。 设 P 中各 式中 主导驱动 因 子 的 相 对 贡 献 率 之 和 为 η P ， C 中 各 主 导 驱 动 因 子 的 相 对 贡 献 率 之 和 为 η C ， 则 二 者 关 系 为η P + η C = 100% 。 3 水沙变化基本概况
c d
性响应关系表述为 （ 1） （ 2）
式中 M 为头道拐站年径流模数； M S 为头道拐站年输沙模数。P 和 C 分别代表气候因子和下垫面因子 ，P = f （ P1 ， P2 ， …， P m ） ， 其 中 P1 ， P2 ， …， P m 代 表 不 同 气 候 因 子； C = g （ C1 ， C2 ， …， C n ） ， 其 中 C1 ， C2 ，…，C n 代表各类下垫面因子。 P 主要包括降水 （ 最大 1 日降水、 最大 30 日降水、 汛期降水和年降水 等） 、气温、大风日数等； C 主要包括水土保持治理措施面积、 引水引沙、 支流来水来沙、 河道冲淤、 水库 调蓄、水库拦沙和风沙量等。a、b、c、d 为指数。 2. 2. 2 贡献率评估 通过构建的非线性响应模型，评价各主导因子对年径流模数和年输沙模数变化的相对贡献率 ：
［13 ］ 是该系统的输入变量。根据主成分分析法 ， 筛选输入变量中的主导驱动因子； 采用多元回归分析法建立 非线性响应模型，评价主导因子的相对贡献率。
2. 2. 1
非线性响应模型 根据水文学原理，流域产流产沙主要取决于降雨和下垫面两大因素及其变化 ，可将头道拐来水来沙非线 M = f（ P， C） = P a C b M S = f（ P， C） = P C
自 1950 年以来，头道拐来水来沙量具有明显的时段变化特征 （ 表 1 ） 。若以刘家峡水库修建前的 1950 — 1968 年作为分析的基准期，自刘家峡水库开始运用的 1969 年到龙羊峡水库运用前的 1986 年，头道拐站年均
3 径流量减少 26. 8 亿 m ，年均输沙量减少 0. 652 亿 t； 龙羊峡和刘家峡水库联合运用的 1987 —2010 年， 年均 3 径流量减少 107. 9 亿 m ，减幅为 40. 6% ，年均输沙量减少 1. 323 亿 t，减幅达 75. 4% （ 图 2 ） 。根据线性倾向 3 估计法回归计算结果，年径流量减少速率为 2. 23 亿 m / a，年输沙量减少速率为 0. 027 亿 t / a。
1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 冉大川 ，姚文艺 ，申震洲 ，倪用鑫 ，董飞飞 （ 1． 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003 ； 2. 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003 ）
摘要： 根据 1950 —2010 年水沙实测资料，采用统计分析方法，通过构建非线性响应模型，辨识了水沙变化主导驱 动因子，定量评估了多因子对黄河上游头道拐水沙变化的贡献率 。 结果表明： 头道拐 1950 —2010 年多年平均径流
3 量减少速率为 2. 23 亿 m / a，多年平均输沙量减少速率为 0. 027 亿 t / a，1987 —2010 年径流泥沙减少趋势更为明显，
同期输沙量减幅明显大于径流量减幅； 1969 —2010 年气候因子和下垫面因子对头道拐站年径流模数和年输沙模数 变化的贡献率均约为 2∶ 8 ，下垫面因子明显占主导地位，其中宁蒙灌区年引水量对年径流模数变化的贡献率最大， 达到 42% ，龙羊峡和刘家峡等水库运用对年输沙模数变化的贡献率最大，达到 34% 。预计今后兰州以上径流变化 和兰州至头道拐区间主要支流来沙变化两大自然因素将是头道拐水沙变化的主导因子； 灌区引水和支流水土保持 综合治理减沙对头道拐水沙变化的贡献率将居主导地位 。 关键词： 非线性响应模型； 驱动因子； 贡献率； 水沙变化； 黄河上游 中图分类号： P343. 1 文献标志码： A 6791 （ 2015 ） 06076910 文章编号： 1001-
0323 ； 网络出版时间： 20151119 收稿日期： 2015网络出版地址： http： / / www. cnki. net / kcms / detail /32. 1309. P. 20151119. 1057. 010. html 基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973 计划） 资助项目（ 2011CB403303 ） 作者简介： 冉大川（ 1964 —） ，男，甘肃镇原人，教授级高级工程师，博士，主要从事水土保持与黄河水沙变化研究 。 Email： xfrdc@ sohu. com
图1
黄河上游地理位置示意
Fig. 1 Geographic location of desert and wide valley section of the upper Yellow Ｒiver
第6 期
冉大川，等： 黄河头道拐水沙变化多元驱动因子贡献率分析
771
2 2. 1
Байду номын сангаас
资料与研究方法 资料来源
河道水沙是河流系统物质和能量的载体 。河流出口站水沙变化不仅受降水 、下垫面和人类活动等河道系 统外界因素的影响，还受到河床演变等河道系统内在因素的影响 ，如何定量分析各要素对河流水沙变化的贡
［1 ］ 献率，是当前国内外河流水沙变化研究关注的焦点。 如 Griffiths 等 分析了美国莫哈韦沙漠小流域修建水 库、铁路等人类活动对水沙变化的影响 ， 认为受人类活动的干扰， 径流量与泥沙输移量变化的关系并不密 ［2 ］ 2 切； Jorge 等 通过对巴西东南部面积为 1. 24 万 km 的皮拉西卡巴流域降水量和径流量的分析 ，发现人类大 规模取水是造成径流量减少和水文地质参数变化的原因 。但国外相关研究缺乏降雨、植被和人类活动等多元
对黄河上游水沙变化特点进行了多时间尺度和趋势识别的小波分析 ， 认为头道拐站水沙序 ［9 ］ 列年际变化主要受流域上游降雨和工农业用水逐年增加的影响 ； 李二辉等 对 1919 —2010 年黄河上中游区 秀杰和练继建 径流量变化进行了分析，认为上游年径流量变化具有明显的阶段性， 自 1985 年以来呈显著减少趋势， 目前 ［10 ］ 处于枯水期。Liu 等 根据黄河干流头道拐等 9 个水文站 1950 —2006 年的资料， 分析了黄河上、 中、 下游
，1991 —2005 年水文资 本文研究中 1950 —1990 年、2006 —2010 年水文资料来自 《黄河流域水文资料 》 。宁蒙灌区年引水引沙量资料来自内蒙古黄河工程管理局 ； 龙羊峡水库、 刘家 料来自 《中国河流泥沙公报》 峡水库调蓄量系根据两大水库历年水位与库容曲线推算 ； 龙羊峡水库淤积量根据水库进出口站水沙资料推 算，刘家峡水库淤积量来自刘家峡水电厂实测资料 ，其他水库淤积量通过调查收集。分析的主要支流包括湟 。水土保持措施面积来自青海省、甘肃省和宁夏回族自 水、洮河、庄浪河、祖厉河、清水河和 “十大孔兑” 治区水土保持局历年水土保持年报资料和第一次全国水利普查 。 根据年报资料统计核实， 截至 2010 年底主 2 要支流水土保持措施保存面积合计 257. 5 万 hm 。 2. 2 研究方法 径流输沙模数是气候和下垫面耦合作用下流域水沙变化的综合响应参数 ，头道拐站年径流模数和年输沙 模数是 “降雨产流侵蚀产沙” 系统的输出变量，气候因子 （ 主要是降水 ） 和下垫面因子 （ 主要是人类活动 ）
308. 7 亿 m3 ，占黄河流域的 53. 2% ，是黄河的主要清水来源区； 兰州至下河沿河段面积为 3. 17 万 km2 ， 黄 2 河上游来沙量最大的支流祖厉河在该河段中游汇入 ； 宁蒙河段全长 990 km，控制面积为 11. 38 万 km ， 建有
2 两大引黄灌区（ 简称宁蒙灌区） ，其有效灌溉面积达 95 万 hm ， 支流清水河和 “十大孔兑 ” 分别从宁夏河段 和内蒙古河段汇入。黄河上游主要支流水土流失治理始于 20 世纪五六十年代，1970 年以后开始较大规模的 3 3 综合治理。头道拐水文站多年平均天然径流量为 337 亿 m ， 占黄河流域多年平均天然径流量 535 亿 m 的 63% ； 多年平均输沙量为 1. 022 亿 t，占黄河流域多年平均输沙量 16 亿 t 的 6. 4% 。
驱动因子对大尺度流域水沙变化贡献率的分析实例
［34 ］
。
黄河河源至内蒙古自治区托克托县的头道拐为黄河上游 ，是黄河流域径流的主要来源区。国内以往有关 ［5 ］ 黄河上游尤其是宁蒙河段的水沙变化研究较多 。如 Xu 分析了自 1960 年以来黄河兰州至头道拐区间水沙变
［6 ］ 化成因，评价了水库运用、灌溉和水土保持对水沙变化的作用； Yao 和 Xu 阐明了人类活动、 气候变化对 ［7 ］ 黄河上游悬移质输沙的影响。侯素珍等 以头道拐断面为主要研究对象分析了黄河上游水沙变化特点 ； 王
770
水
科
学
进
展
第 26 卷
河治理开发与管理提供了科学依据 。但是目前缺乏对头道拐水沙变化多元驱动因子的筛选研究 ，对长时段多 因素贡献率的系统评价也仍显不足 。 自 20 世纪 80 年代中期以来，黄河上游水沙发生显著变化， 径流泥沙持续减少， 头道拐水文站 1987 — 2010 年实测平均径流输沙量分别只占该站 1950 —1968 年平均值的 59. 3% 和 24. 6% 。黄河上游水沙变化与近 期黄河水沙剧减变化密切相关，直接关系到治黄方略的确定、 流域水沙资源的配置以及重大水利工程的布 局，是中国水科学研究领域一项基础性与战略性兼具的重大问题 ； 开展黄河上游水沙变化多元驱动因子贡献 率分析与定量计算，具有重要的理论价值和现实意义 。本文以黄河上游为研究对象， 采用非线性统计方法， 对水沙变化多元驱动因子进行筛选 ，辨识主导因子，并通过构建非线性响应模型，评价主导因子贡献率。 研 究结果可以为评价黄河上游水土流失治理效果 、进行水资源有效开发利用以及重大水利工程布局等决策提供 科学依据。 1 研究区概况
η i = α i / ∑ α i × 100 %
i =1
（ 3）
η i 为各主导驱动因子相对贡献率，% ； α i 为各主导驱动因子指数的绝对值 （ 0 ＜ α i ＜ 1. 0 ） 。 合并 P 和 C 中各主导驱动因子的相对贡献率 ，即可分别得到其对年径流模数和年输沙模数变化的总贡献率。 设 P 中各 式中 主导驱动 因 子 的 相 对 贡 献 率 之 和 为 η P ， C 中 各 主 导 驱 动 因 子 的 相 对 贡 献 率 之 和 为 η C ， 则 二 者 关 系 为η P + η C = 100% 。 3 水沙变化基本概况
c d
性响应关系表述为 （ 1） （ 2）
式中 M 为头道拐站年径流模数； M S 为头道拐站年输沙模数。P 和 C 分别代表气候因子和下垫面因子 ，P = f （ P1 ， P2 ， …， P m ） ， 其 中 P1 ， P2 ， …， P m 代 表 不 同 气 候 因 子； C = g （ C1 ， C2 ， …， C n ） ， 其 中 C1 ， C2 ，…，C n 代表各类下垫面因子。 P 主要包括降水 （ 最大 1 日降水、 最大 30 日降水、 汛期降水和年降水 等） 、气温、大风日数等； C 主要包括水土保持治理措施面积、 引水引沙、 支流来水来沙、 河道冲淤、 水库 调蓄、水库拦沙和风沙量等。a、b、c、d 为指数。 2. 2. 2 贡献率评估 通过构建的非线性响应模型，评价各主导因子对年径流模数和年输沙模数变化的相对贡献率 ：
［13 ］ 是该系统的输入变量。根据主成分分析法 ， 筛选输入变量中的主导驱动因子； 采用多元回归分析法建立 非线性响应模型，评价主导因子的相对贡献率。
2. 2. 1
非线性响应模型 根据水文学原理，流域产流产沙主要取决于降雨和下垫面两大因素及其变化 ，可将头道拐来水来沙非线 M = f（ P， C） = P a C b M S = f（ P， C） = P C
自 1950 年以来，头道拐来水来沙量具有明显的时段变化特征 （ 表 1 ） 。若以刘家峡水库修建前的 1950 — 1968 年作为分析的基准期，自刘家峡水库开始运用的 1969 年到龙羊峡水库运用前的 1986 年，头道拐站年均
3 径流量减少 26. 8 亿 m ，年均输沙量减少 0. 652 亿 t； 龙羊峡和刘家峡水库联合运用的 1987 —2010 年， 年均 3 径流量减少 107. 9 亿 m ，减幅为 40. 6% ，年均输沙量减少 1. 323 亿 t，减幅达 75. 4% （ 图 2 ） 。根据线性倾向 3 估计法回归计算结果，年径流量减少速率为 2. 23 亿 m / a，年输沙量减少速率为 0. 027 亿 t / a。
1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 冉大川 ，姚文艺 ，申震洲 ，倪用鑫 ，董飞飞 （ 1． 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003 ； 2. 水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003 ）
摘要： 根据 1950 —2010 年水沙实测资料，采用统计分析方法，通过构建非线性响应模型，辨识了水沙变化主导驱 动因子，定量评估了多因子对黄河上游头道拐水沙变化的贡献率 。 结果表明： 头道拐 1950 —2010 年多年平均径流
3 量减少速率为 2. 23 亿 m / a，多年平均输沙量减少速率为 0. 027 亿 t / a，1987 —2010 年径流泥沙减少趋势更为明显，
同期输沙量减幅明显大于径流量减幅； 1969 —2010 年气候因子和下垫面因子对头道拐站年径流模数和年输沙模数 变化的贡献率均约为 2∶ 8 ，下垫面因子明显占主导地位，其中宁蒙灌区年引水量对年径流模数变化的贡献率最大， 达到 42% ，龙羊峡和刘家峡等水库运用对年输沙模数变化的贡献率最大，达到 34% 。预计今后兰州以上径流变化 和兰州至头道拐区间主要支流来沙变化两大自然因素将是头道拐水沙变化的主导因子； 灌区引水和支流水土保持 综合治理减沙对头道拐水沙变化的贡献率将居主导地位 。 关键词： 非线性响应模型； 驱动因子； 贡献率； 水沙变化； 黄河上游 中图分类号： P343. 1 文献标志码： A 6791 （ 2015 ） 06076910 文章编号： 1001-
0323 ； 网络出版时间： 20151119 收稿日期： 2015网络出版地址： http： / / www. cnki. net / kcms / detail /32. 1309. P. 20151119. 1057. 010. html 基金项目： 国家重点基础研究发展计划（ 973 计划） 资助项目（ 2011CB403303 ） 作者简介： 冉大川（ 1964 —） ，男，甘肃镇原人，教授级高级工程师，博士，主要从事水土保持与黄河水沙变化研究 。 Email： xfrdc@ sohu. com
图1
黄河上游地理位置示意
Fig. 1 Geographic location of desert and wide valley section of the upper Yellow Ｒiver
第6 期
冉大川，等： 黄河头道拐水沙变化多元驱动因子贡献率分析
771
2 2. 1
Байду номын сангаас
资料与研究方法 资料来源
河道水沙是河流系统物质和能量的载体 。河流出口站水沙变化不仅受降水 、下垫面和人类活动等河道系 统外界因素的影响，还受到河床演变等河道系统内在因素的影响 ，如何定量分析各要素对河流水沙变化的贡
［1 ］ 献率，是当前国内外河流水沙变化研究关注的焦点。 如 Griffiths 等 分析了美国莫哈韦沙漠小流域修建水 库、铁路等人类活动对水沙变化的影响 ， 认为受人类活动的干扰， 径流量与泥沙输移量变化的关系并不密 ［2 ］ 2 切； Jorge 等 通过对巴西东南部面积为 1. 24 万 km 的皮拉西卡巴流域降水量和径流量的分析 ，发现人类大 规模取水是造成径流量减少和水文地质参数变化的原因 。但国外相关研究缺乏降雨、植被和人类活动等多元
对黄河上游水沙变化特点进行了多时间尺度和趋势识别的小波分析 ， 认为头道拐站水沙序 ［9 ］ 列年际变化主要受流域上游降雨和工农业用水逐年增加的影响 ； 李二辉等 对 1919 —2010 年黄河上中游区 秀杰和练继建 径流量变化进行了分析，认为上游年径流量变化具有明显的阶段性， 自 1985 年以来呈显著减少趋势， 目前 ［10 ］ 处于枯水期。Liu 等 根据黄河干流头道拐等 9 个水文站 1950 —2006 年的资料， 分析了黄河上、 中、 下游
，1991 —2005 年水文资 本文研究中 1950 —1990 年、2006 —2010 年水文资料来自 《黄河流域水文资料 》 。宁蒙灌区年引水引沙量资料来自内蒙古黄河工程管理局 ； 龙羊峡水库、 刘家 料来自 《中国河流泥沙公报》 峡水库调蓄量系根据两大水库历年水位与库容曲线推算 ； 龙羊峡水库淤积量根据水库进出口站水沙资料推 算，刘家峡水库淤积量来自刘家峡水电厂实测资料 ，其他水库淤积量通过调查收集。分析的主要支流包括湟 。水土保持措施面积来自青海省、甘肃省和宁夏回族自 水、洮河、庄浪河、祖厉河、清水河和 “十大孔兑” 治区水土保持局历年水土保持年报资料和第一次全国水利普查 。 根据年报资料统计核实， 截至 2010 年底主 2 要支流水土保持措施保存面积合计 257. 5 万 hm 。 2. 2 研究方法 径流输沙模数是气候和下垫面耦合作用下流域水沙变化的综合响应参数 ，头道拐站年径流模数和年输沙 模数是 “降雨产流侵蚀产沙” 系统的输出变量，气候因子 （ 主要是降水 ） 和下垫面因子 （ 主要是人类活动 ）
308. 7 亿 m3 ，占黄河流域的 53. 2% ，是黄河的主要清水来源区； 兰州至下河沿河段面积为 3. 17 万 km2 ， 黄 2 河上游来沙量最大的支流祖厉河在该河段中游汇入 ； 宁蒙河段全长 990 km，控制面积为 11. 38 万 km ， 建有
2 两大引黄灌区（ 简称宁蒙灌区） ，其有效灌溉面积达 95 万 hm ， 支流清水河和 “十大孔兑 ” 分别从宁夏河段 和内蒙古河段汇入。黄河上游主要支流水土流失治理始于 20 世纪五六十年代，1970 年以后开始较大规模的 3 3 综合治理。头道拐水文站多年平均天然径流量为 337 亿 m ， 占黄河流域多年平均天然径流量 535 亿 m 的 63% ； 多年平均输沙量为 1. 022 亿 t，占黄河流域多年平均输沙量 16 亿 t 的 6. 4% 。
驱动因子对大尺度流域水沙变化贡献率的分析实例
［34 ］
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黄河河源至内蒙古自治区托克托县的头道拐为黄河上游 ，是黄河流域径流的主要来源区。国内以往有关 ［5 ］ 黄河上游尤其是宁蒙河段的水沙变化研究较多 。如 Xu 分析了自 1960 年以来黄河兰州至头道拐区间水沙变
［6 ］ 化成因，评价了水库运用、灌溉和水土保持对水沙变化的作用； Yao 和 Xu 阐明了人类活动、 气候变化对 ［7 ］ 黄河上游悬移质输沙的影响。侯素珍等 以头道拐断面为主要研究对象分析了黄河上游水沙变化特点 ； 王
770
水
科
学
进
展
第 26 卷
河治理开发与管理提供了科学依据 。但是目前缺乏对头道拐水沙变化多元驱动因子的筛选研究 ，对长时段多 因素贡献率的系统评价也仍显不足 。 自 20 世纪 80 年代中期以来，黄河上游水沙发生显著变化， 径流泥沙持续减少， 头道拐水文站 1987 — 2010 年实测平均径流输沙量分别只占该站 1950 —1968 年平均值的 59. 3% 和 24. 6% 。黄河上游水沙变化与近 期黄河水沙剧减变化密切相关，直接关系到治黄方略的确定、 流域水沙资源的配置以及重大水利工程的布 局，是中国水科学研究领域一项基础性与战略性兼具的重大问题 ； 开展黄河上游水沙变化多元驱动因子贡献 率分析与定量计算，具有重要的理论价值和现实意义 。本文以黄河上游为研究对象， 采用非线性统计方法， 对水沙变化多元驱动因子进行筛选 ，辨识主导因子，并通过构建非线性响应模型，评价主导因子贡献率。 研 究结果可以为评价黄河上游水土流失治理效果 、进行水资源有效开发利用以及重大水利工程布局等决策提供 科学依据。 1 研究区概况
