地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (8): 826 -837. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.046

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基于 IHA-RVA法的沱沱河水沙变化及归因分析
许杏 1 , 2( ), 江玉吉 3, 张凡 1 , 2( ), 曾辰 1, 王莉 1, 王冠星 1, 江鹏 4   
  1. 1.中国科学院青藏高原研究所, 青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室, 北京 100101
    2.中国科学院大学, 北京 100049
    3.西藏自治区水文水资源勘测局, 西藏 拉萨 850000
    4.河海大学水文水资源学院, 江苏 南京 210098
  • 收稿日期:2022-12-21 修回日期:2023-05-25 出版日期:2023-08-10
  • 通讯作者: 张凡 E-mail:xuxing@itpcas.ac.cn;zhangfan@itpcas.ac.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“青藏高原典型高山冻土流域融雪侵蚀机理研究与过程模拟”(41877081)

Variation and Attribution Analysis of Runoff and Sediment Flux in the Tuotuo River using IHA-RVA

Xing XU 1 , 2( ), Yuji JIANG 3, Fan ZHANG 1 , 2( ), Chen ZENG 1, Li WANG 1, Guanxing WANG 1, Peng JIANG 4   

  1. 1.State Key Laboratory of Tibetan Plateau Earth System, Environment and Resources (TPESER), Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
    2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    3.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000, China
    4.College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • Received:2022-12-21 Revised:2023-05-25 Online:2023-08-10 Published:2023-08-28
  • Contact: Fan ZHANG E-mail:xuxing@itpcas.ac.cn;zhangfan@itpcas.ac.cn
  • About author:XU Xing (1999-), female, Yueyang City, Hunan Province, Ph. D student. Research areas include simulation of runoff and sediment processes in cold regions. E-mail: xuxing@itpcas.ac.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China “Snowmelt erosion mechanism of typical alpine permafrost watershed in the Tibetan Plateau”(41877081)
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近年来青藏高原暖湿化加剧了江河源区产汇流和侵蚀输沙过程的变化，而冰冻圈要素的变化使得该过程更加复杂。采用突变检验与IHA-RVA分析了沱沱河1986—2017年径流量和输沙量的变化程度，并基于PLS-PM结合其他环境因子对水沙通量的变化进行归因分析，结果表明： ① 沱沱河水沙通量于1998年突变后显著增加，整体改变度分别为71.2%和67.5%，为高度改变，表明气候变化对河源区水沙通量的影响不亚于人类活动对中下游的影响。 ② 在气温与降水的驱动下，5~10月水沙通量显著增加，各月变化程度受到土壤、河道冻结程度以及植被变化的影响；年输沙量的变化由极端输沙事件的增加主导，降水量、冰川融水量和土壤解冻程度是主要影响因素。 ③ 寒区水沙过程受降水、冰川、土壤冻融及植被的综合影响，有待对其进一步研究以保障青藏高原生态屏障建设与周边区域的可持续发展。

关键词: 沱沱河, 水沙变化, IHA-RVA, PLS-PM, 突变检验

In recent decades, the warming and humidification of the Tibetan Plateau have aggravated changes in the runoff and sediment transport processes in the headwater area, and the uniqueness of the cryosphere has made them more complex. In this study, abruption tests and IHA-RVA were performed to assess the variation in the runoff and sediment flux of the Tuotuo River before and after the abrupt change from 1986 to 2017. PLS-PM attribution analysis was performed using environmental factors for runoff and sediment flux change attribution. The following three important conclusions were drawn: first, from 1986 to 2017, the runoff and sediment flux of the Tuotuo River changed abruptly around 1998, and the overall degrees of change were 71.2% and 67.5%, respectively; both were highly altered. This indicates that the impact of climate change on runoff and sediment flux in the headwater was not smaller than that of human activity downstream. Second, under the influence of temperature and precipitation, runoff and sediment fluxes from May to October increased significantly, and the degree of abruption was affected by the thawing degree of the soil, river channel, and vegetation coverage. The variation in the sediment flux was dominated by extreme sediment transport events, which were primarily caused by increased rainfall, ice melting, and soil thawing. Third, the runoff and sediment processes in cold regions are complex because of the combined influence of rainfall, glaciers, soil freeze-thaw, and vegetation. Therefore, it is necessary to further study the local region's ecological security and sustainable development downstream.

Key words: Tuotuo river, Runoff and sediment flux variation, IHA-RVA, PLS-PM, Abruption test

中图分类号: 

图1 沱沱河流域概况
Fig. 1 Tuotuo River basin
表1 用于径流量的水文改变指标
Table 1 Indicators of Hydrologic Alteration （ IHA） used in discharge
组别 组名 指标 具体含义
第1组 各月平均状态 5~10月径流量中值 5~10月各月日径流量的中值
第2组 年极端值大小 i 日最大径流量（ i = 1,3 , 7,30,90 ） 年内相邻 i 日径流量平均值的最大值
第3组 年极端值发生时间 1日最大径流量出现的年积日 每年单日最大径流量出现的日期距离当年1月1日的天数
第4组 脉冲频率及历时 年内高径流量脉冲发生次数及历时 年内低于基准期日径流量发生频率25%的洪水事件出现的 次数及平均历时天数
第5组 变化频率 径流量逆转次数 年内日径流量从上升（下降）趋势转为下降（上升）趋势的次数
表2 用于输沙量的水文改变指标
Table 2 Indicators of Hydrologic Alteration （ IHA） used in sediment flux
组别 组名 指标 具体含义
第1组 各月平均状态 5~10月输沙量中值 5~10月各月日输沙量的中值
第2组 年内极端状态 i 日最大输沙量（ i = 1,3 , 7,30 ） 年内相邻 i 日输沙量平均值的最大值
第3组 脉冲频率及历时 年内高输沙量脉冲发生次数及历时 年内低于基准期日输沙量发生频率25%的输沙事件出现的 次数及平均历时天数
图2 1986—2017年沱沱河径流量及输沙量累积距平法与Mann-Kendall法突变检验结果
Fig. 2 Mann-Kendall test and cumulative anomaly method results of Tuotuo River runoff and sediment flux during 1986-2017
表3 IHA-RVA法应用案例总结
Table 3 The summary of IHA-RVA application cases
站点名称 站点位置 流域面积/km2 研究 变量 数据时间 突变年份及原因 整体改变度/% 参考 文献
沱沱河站 长江源头 16 749 径流量 1986—2017年 1998年，气候变化为主 71.2 本文
莺落峡站 黑河上游干流 10 009 径流量 1960—2015年 2002年，气候变化为主 73.8 ［ 19 ］
蔡家沟站 松花江支流拉林河 19 923 径流量 1957—2015年 1975年，人类活动及气候变化 68.7 ［ 27 ］
屏山站 金沙江下游 458 529 径流量 1956—2012年 1997年，水库修建和气候变化 69.3 ［ 28 ］
长阳站 长江中游支流清江 17 600 径流量 1951—2010年 2000年，隔河岩水电站和水布垭水库的 运行以及其他人类活动 73.6 ［ 29 ］
外洲站 赣江中游干流 80 948 径流量 1959—2016年 1991年，水库修建等人类活动 34.8 ［ 30 ］
宜昌站 长江上游干流 1 005 501 径流量 1878—2010年 1960年，长江干流和支流多座水库的修建 35.6 ［ 31 ］
沱沱河站 长江源头 16 749 输沙量 1986—2017年 1998年，气候变化为主 67.5 本文
头道拐站 黄河上游干流 367 898 含沙量 1962—2010年 1986年，龙羊峡水库和刘家峡水库的联合 运行及气候变化 68.1 ［ 32 ］
林家坪站 黄河支流湫水河 1 873 输沙量 1960—2000年 1979年，黄河中游大规模的水土保持措施 36.1 ［ 15 ］
温家川站 黄河支流窟野河 8 645 输沙量 1960—2000年 1979年，黄河中游大规模的水土保持措施 69.3 ［ 15 ］
高村站 黄河下游引黄工程起点流域 734 146 含沙量 1958—2016年 2006年，“引黄入冀补淀工程”开始修建 74.9 ［ 18 ］
城陵矶站 洞庭湖出口 259 400 含沙量 1987—2009年 2003年，三峡工程开始蓄水 75.6 ［ 16 ］
表4 1986— 2017年沱沱河径流量及输沙量 IHA-RVA法计算结果
Table 4 IHA-RVA results of Tuotuo River runoff and sediment flux during 1986-2017
指标 径流量 输沙量
基准期中值 变化期中值 改变度/% 基准期中值 变化期中值 改变度/%
5月中值 11.9 16.6 -85.0（H） 2.0 3.6 5.0
6月中值 20.0 41.3 -25.0（L） 3.4 13.6 -70.0（H）
7月中值 50.0 83.1 -10.0（L） 19.6 64.8 -40.0（M）
8月中值 52.6 112.7 -70.0（H） 31.2 98.1 -40.0（M）
9月中值 35.1 70.4 -70.0（H） 2.3 12.1 -55.0（M）
10月中值 10.5 25.5 -100.0（H） 0.5 1.4 -70.0（H）
1日最大值 180.3 260.3 5.0 431.1 901.5 -40.0（M）
3日最大值 171.8 238.7 5.0 325.3 636.3 -25.0（L）
7日最大值 150.4 205.6 -10.0（L） 224.4 453.3 -25.0（L）
30日最大值 90.6 143.0 -70.0（H） 95.2 203.6 -25.0（L）
90日最大值 56.6 112.5 -70.0（H） — — —
单日最大值发生时间 204.5 218.5 5.0 — — —
高脉冲发生次数 4.0 4.5 -40.0（M） 5.0 6.0 68.0
高脉冲平均历时 6.8 9.5 5.0 5.5 7.2 20.0
逆转次数 61.0 66.5 -25.0（L） — — —
图3 基准期与变化期5~10月径流量中值（a）或输沙量中值（b）对比
Fig. 3 Comparison of median runoff （a） or median sediment flux （b） from May to October between baseline period and change period
图4 基准期与变化期的（a）气温和地表温度及（b）降水量与归一化植被指数对比
Fig. 4 Comparison of （a） air temperature and ground temperature， （b） precipitation and NDVI between baseline period and change period
图5 2022年5月19日（a）和2022年5月24日（b）沱沱河不同支流河段的河冰状况
Fig. 5 River ice conditions in different tributary reaches of the Tuotuo River on （a） May 19， 2022 and （b） May 24， 2022
图6 以日输沙量10%发生频率为界的1986—2017年平均输沙量趋势图
Fig. 6 The trend of average sediment transport from 1986 to 2017 greater or less than the probability of 10% daily sediment flux
表5 极端输沙事件偏最小二乘模型的潜变量与显变量
Table 5 Results of temperature and precipitation at Tuotuo River during baseline period and change period
潜变量 初始显变量 筛选后的显变量
气温（T） 平均气温、最高气温、最低气温 平均气温、最高气温
降水（P） 前1~10日累积降雨量 前1~2日累积降雨量
蒸散发（E） 潜在蒸发量 潜在蒸发量
植被（V） 归一化植被指数 归一化植被指数
土壤解冻程度（F） 平均地表温度、最高地表温度、最低地表温度 平均地表温度
冰川（G） 冰川融水量 冰川融水量
径流量（R） 径流量 径流量
含沙量（SSC） 含沙量 含沙量
输沙量（SF） 输沙量 输沙量
图7 1986—2017年（a， GoF=0.64）、1986—1997年（b， GoF=0.60）及1998—2017年（c， GoF=0.65）极端输沙事件PLS-PM归因分析结果
*表示 p < 0.05，对应虚线；**表示 p < 0.001，对应实线
Fig. 7 Results of PLS-PM for extreme sediment flux events for 1986-2017（a， GoF=0.64）， 1986-1997 （b， GoF=0.60）， and 1998-2017（c， GoF=0.65）
* indicates p < 0.05 with a dotted line； while ** indicates p < 0.001 with a solid line
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