Characteristics and influencing factors of water and sediment changes in Jiaojiang River Basin
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摘要: 在人类活动的影响下，径流和泥沙过程的变化受到越来越多人的关注。研究椒江流域水沙变化特征及人类活动影响因素，对椒江流域生态保护和高质量发展具有重要意义。利用椒江流域降水、径流、输沙和遥感影像等长期监测数据，采用多种方法综合分析椒江流域降水、径流和输沙演变特征，包括对椒江流域水文观测资料进行线性回归趋势分析，使用Mann-Kendall突变检验法、滑动t检验法、距平累积曲线法和双累积曲线法进行水文序列的突变检验，使用小波和功率谱进行水文序列的周期分析。在此基础上，采用线性回归方法估算人类活动和气候变化对椒江流域输沙变化的贡献率，最后讨论了人类活动对椒江流域水沙变化的影响。结果表明：椒江降水量存在2～3、4～5、8～9和15～18 a周期；径流量存在2～3、8～9、14～15和18 a周期；输沙量存在2～3、8、12～15和19 a周期。永安溪、始丰溪年降水量、年径流量和始丰溪年输沙量没有显著变化，永安溪输沙量显著减少，63 a间下降了28%。人类活动对永安溪输沙减少的贡献率为86.5%～98.7%，对始丰溪输沙变化的贡献率为50.3%～83.2%。椒江流域水库建设使得年内流量高峰期由6月份向8、9月份发生转移，起到了很好的“蓄峰”作用。流域内土地利用/覆被发生的显著变化以及植被覆盖度的上升降低了流域产沙能力、减少了河流输沙量。Abstract: Under the influence of climate change and human activities, more and more people pay attention to the changes of runoff and sediment processes. It is of great significance to study the characteristics and influencing factors of water and sediment changes in Jiaojiang River Basin, Zhejiang, China, for ecological protection and high-quality development. Based on the long-term monitoring data of precipitation, runoff, sediment transport, and remote sensing images of the basin, we comprehensively analyzed the evolution characteristics of precipitation, runoff, and sediment transport in the basin using various methods, including linear regression trend analysis of hydrological observation data, catastrophe test of hydrological series by Mann-Kendall catastrophe test, sliding T test, anomaly cumulative curve method, double-cumulative-curve method, and periodic analysis of hydrological series by wavelet and power spectrum. Moreover, the linear regression method was used to estimate the contribution rate of human activities and climate change to the sediment transport change in the river basin. At last, the influence of human activities on the water and sediment change in the river basin was discussed. The results show that 2–3 years, 4–5 years, 8–9 years and 15–18 years of precipitation cycles in the two tributaries; runoff cycles of 2–3 years, 8–9 years, 14–15 years and 18 years; and sediment transport cycles of 2–3 years, 8 years, 12–15 years, and 19 years present in Jiaojiang River Basin. The annual precipitation, annual runoff and annual sediment transport of the tributaries Yongan River and Shifeng River had no significant changes, and the annual sediment transport of Yongan River decreased by 28% in the past 63 years from 1957 to 2021. The contribution rate of human activities to the decrease of sediment transport in Yongan River was 86.5%–98.7%, and that in Shifengxi was 50.3%–83.2%. In addition, reservoir construction played a very good role as a buffer. Significant changes in land use/cover reduced the soil erosion in Jiaojiang River Basin with less sediment generation. The vegetation coverage in watersheds of the two tributaries was gradually increasing, which reduced the sediment yield in the watersheds to some extents.
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Keywords:
- Jiaojiang River /
- water and sediment change /
- human activity
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0. 引言
水沙变化是复杂的动力过程，正确认识河流水沙变化特征及规律对流域内防洪减灾、生态治理等具有重要意义[1]。近几十年来，诸多学者围绕河流水沙演变规律及其归因开展了大量研究[2-6]。随着人类活动对河流影响的加剧，河流的水沙通量发生了很大变化，基于水沙变化的流域内生态系统过程、水资源的开发利用等受到直接影响，最终影响流域内经济、社会的可持续发展。浙江省水资源匮乏，有“七山一水二分田”之说，水资源是关系到浙江可持续发展的关键性资源[7]。椒江是浙江省第三大河，水土流失情况较为严重，永安溪和始丰溪是椒江上游最重要的2条河流，近几十年来，当地政府在永安溪和始丰溪开展了水库工程建设和防洪防台设施建设[8-9]，水利设施建设为保障用水安全和防洪减灾发挥了积极作用，同时给椒江流域天然径流和输沙提供了一定程度的人类活动干扰。在较为稳定的气候条件和有限的人类活动影响下，径流和输沙状况可能会随着时间的推移发生系统性变化[10]。河流水文时间序列被认为是由趋势性、突变性、周期性和随机成分叠积而成[11]，充分了解上述特征对正确认识水文时间序列的变化规律、提高水情预测精度等有重要意义。前人对椒江水沙变化研究主要集中在控导工程对水沙变化的影响[12]、椒江水沙年际和年内变化[13]、河口冲淤[14]、河床演变[15]等，并未对椒江水沙序列的突变性、周期性、人类活动对水沙变化贡献率以及影响因素等方面进行深入讨论。
本文以浙江省中部沿海的椒江流域为研究对象，综合多种方法研究了椒江流域水沙变化特征及影响因素，研究结果可以为相关部门在科学制定水土保持措施、合理利用水土资源和规划生态环境保护等方面提供理论支撑。
1. 研究区概况
椒江流域位于浙江省中部沿海地区（图1），全长190 km，流域面积约6 290 km2。椒江是台州市人民的母亲河，是典型的山溪性河流[14]。永安溪和始丰溪是位于椒江上游的2条最主要河流，二者流域范围之和占椒江流域（不包括永宁江流域）的69.2%，永安溪和始丰溪的水沙观测资料可以基本反映椒江流域水沙通量变化规律[13]。永安溪的柏枝岙站和始丰溪的沙段站是椒江流域上游观测时间最长的两个水文站。椒江上游雨量充沛、水土流失严重[12]，多年平均降水量为1 559 mm/a（1991—2020年），多年平均温度为15.9 ℃（1991—2020年）。椒江流域平均高程358 m，南高北低，西高东低。
2. 数据资料和方法
椒江流域降水量、径流量、输沙量、含沙量等数据来自浙江省台州市水文站。遥感影像数据（landsat5/7/8）来自美国地质调查局网站：https://earthexplorer.usgs.gov/。此外，还收集了椒江上游主要水库的修建和蓄水时间、水库容积等基本信息。
首先基于水文站实测的水沙资料进行了椒江流域降水量、径流量、输沙量变化特征的分析，包括趋势分析、突变检测、周期分析。然后，根据突变检验结果划分出一个基准期和若干个变化期，在此基础上利用线性回归方法估算人类活动和气候变化对输沙变化的贡献率。最后，进一步探讨了水沙变化的影响因素。
2.1 水沙变化趋势分析
使用线性回归方法分析永安溪、始丰溪流域降水、径流、输沙趋势，该方法的表达形式为：
$$ y=a\times t+b $$ 式中：a为估计斜率的回归系数； b是截距； t是独立的时间变量； y是水文序列。 a表示水文序列随时间变化的方向（a＞0，增长趋势；a＜0，减少趋势）和幅度（a的绝对值越大，变化趋势越明显）[16]。
2.2 水文序列突变检验
2.2.1 Mann-Kendall突变检验法
Mann-Kendall突变检验法（下文称M-K突变检验），是在水文气象要素趋势变化分析中常用的非参数统计检验方法之一[16-17]，M-K突变检验曲线不仅能指出序列的突变区域和开始突变的时间，又可以判断序列中上升或者下降的趋势。使用该方法时，需要结合某一水文序列构造统计量UFk、UBk。当UFk＞0时，该水文序列呈上升趋势；当UFk＜0时，该水文序列呈下降趋势。当UFk＞1.96时，表明该水文序列通过了95%显著性水平检验，趋势变化显著。将统计量UFk、UBk折线与95%显著水平临界线绘制在一幅图中，如果UFk和UBk两条曲线出现交点，并且交点在临界线之间，则交点对应的时刻就可能发生了突变。
2.2.2 滑动t检验法
滑动t检验法是基于原始水文数据分析序列趋势和变异的常用参数统计方法[18]，通常结合M-K检验提高突变检测的准确性。其原理是，将某一水文序列（X1，X2，X3，···，Xn）在滑动点前后划分出2个子序列（X1，X2，X3，···，Xn1−1）和（Xn1，Xn1+1，Xn1+2，···、Xn），比较两个子序列均值显著性差异来确定突变点发生的范围，构建统计量T，T服从t（n−2）分布，若某一滑动点满足|T|＞tα（n−2），表明该点前后均值存在显著差异，即序列可能在该点附近发生了突变。
2.2.3 距平累积曲线法
距平累积曲线法，是一种判断离散数据点变化趋势的非线性统计方法，用于探测水文气象序列的潜在变化点。其核心是判断离散数据对其均值的离散程度，如果距平累积曲线的一部分由增加和减少2部分组成，那么发生变化的点就可以确定为突变点[19]。
2.2.4 双累积曲线法
双累积曲线法是目前用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法之一[20-21]。双累积曲线是由2个水文序列在一定时间尺度内的累积值组成，斜率突变能够帮助确定水文序列发生转折的时间。
2.3 水文序列周期检验
本文使用功率谱分析和Morlet小波分析来确定永安溪、始丰溪水沙变化的周期性。
2.3.1 功率谱周期分析
功率谱分析是以傅里叶变换为基础的频域分析方法[22-23]，将时间序列的总能量分解到不同的频率上，根据不同频率的波方差贡献诊断序列的主要周期，从而确定周期的主要频率，即序列所隐含的显著周期。将滑动功率谱和置信度曲线绘制到一幅图中，滑动功率谱在置信度曲线之上的部分所对应的时间即为周期。
2.3.2 小波周期分析
小波分析法在识别水文气象序列周期性中有很好的适用性[24]，应用该方法时，需要对所研究的水文气象序列进行小波变换以及对不同尺度的小波系数平方进行积分得到小波方差。小波分析的结果可用3种图件展示：①小波系数实部等值线图，可以反映水文序列不同尺度的周期变化及其在时空域中的分布，进而可以在不同的时间尺度上，分析水文序列的未来趋势；②小波方差图，可以反映水文时间序列波动能量随时间尺度的分布，可用来确定水文序列演化过程中存在的主周期；③主周期趋势图，可以分析不同的时间尺度下，水文序列存在的平均周期以及丰枯变化特征。
3. 结果
3.1 降水、径流和输沙线性回归趋势
1957—2021年间，永安溪平均年降水量为1 608 mm，最大、最小年降水量分别为2 292 mm（2019年）、939 mm（1979年），年降水量以2.18 mm/a的速度增加（图2a）。永安溪多年平均径流量为23亿m3，最大、最小年径流量分别为39亿m3（1990年）、11亿m3（1979年），年径流量以0.000 2亿m3/a的速度减少（图2c）。永安溪多年平均输沙量为37万t，最大、最小年输沙量分别为137万t（2019年）、3.21万t（2003年），年输沙量以0.29万t/a的速度减少（图2e）。始丰溪在1980—2021年间，平均年降水量1 625 mm，最大、最小年降水量分别为2 283 mm（2019年）、966 mm（2003年），年降水量以1.25 mm/a的速度增加（图2b）。始丰溪多年平均径流量为13亿m3，最大、最小径流量分别为21亿m3（1990年）、7亿m3（2003年），年径流量以0.005亿m3/a 的速度减少（图2d）。始丰溪多年平均输沙量为17万t，最大、最小输沙量分别为50万t（2007年）、2万t（1991年），年输沙量以0.07万t/a的速度增加（图2f）。
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图 2 永安溪和始丰溪降水量、径流量、输沙量的年际变化（a）永安溪降水量变化；（b）始丰溪降水量变化；（c）永安溪径流量变化；（d）始丰溪径流量变化；（e）永安溪输沙量变化；（f）始丰溪输沙量变化Figure 2. Interannual changes of precipitation, runoff, and sediment transportation in Yonganxi and Shifengxi综上所述，永安溪、始丰溪的年降水量、年径流量和始丰溪的年输沙量没有显著变化，永安溪的年输沙量变化较大，63 a间下降了28%。
3.2 径流量、输沙量年际变化及突变特征
3.2.1 M-K检验
M-K突变检验结果表明，永安溪年径流量有约74%的时间处于减少趋势，约26%的时间处于增加趋势。其中，1967—1972年，径流量UFk曲线突破显著性水平区间，呈显著减少趋势。径流量UFk和UBk曲线在1962—1963、1990、2019年出现交点（图3a），说明永安溪径流量在上述时间附近可能发生了突变。永安溪年输沙量有约94%的时间处于减少趋势，只有约6%的时间处于增加趋势。1967—1973年以及1976—2013年的45年间，年输沙量的减少速度超过了显著性水平区间，呈显著减少趋势。输沙量UFk和UBk曲线在1963年和2019年出现交点（图3b），说明永安溪输沙量可能发生了突变。
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图 3 永安溪、始丰溪径流量、输沙量M-K突变检验曲线（a）永安溪径流量M-K突变检验曲线；（b）永安溪输沙量M-K突变检验曲线；（c）始丰溪径流量M-K突变检验曲线；（d）始丰溪输沙量M-K突变检验曲线Figure 3. The M-K test curves at abrupt change point of runoff and sediment transport in Yongan River and Shifeng River始丰溪径流量有约60%的时间处于减少趋势，约40%的时间处于增加趋势。变化趋势未突破显著性水平。1985、1991、1994和2019年始丰溪径流量UFk和UBk曲线出现交点（图3c），表明在上述时间始丰溪径流量可能发生了突变。始丰溪输沙量有约69%的时间处于下降趋势，31%的时间处于增加趋势。1983、2007—2009、2017和2019—2020年始丰溪输沙量UFk和UBk曲线出现交点（图3d），表明在上述时间始丰溪输沙量可能发生了突变。
3.2.2 滑动t检验
滑动t检验结果表明，永安溪径流量在1962、1971和1976年突破了显著性水平，输沙量在1965、1970、1976、1986和2003年突破了显著性水平。始丰溪径流量变化未突破显著性水平，输沙量在2011年突破了显著性水平（图4）。表明永安溪、始丰溪径流量和输沙量在上述时间可能发生了突变。
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图 4 永安溪（a）和始丰溪（b）的径流量、输沙量滑动t检验Figure 4. Sliding t test on the runoff and sediment transport for Yongan River （a） and Shifeng River （b）3.2.3 径流量、输沙量距平累积曲线
距平累积计算结果显示，永安溪径流量在1962、1971、1977、1986和2002年发生了突变，输沙量在1965、1972、1975、1992和2004年发生了突变。始丰溪径流量在1983、1986、1990、2002和2009年发生了突变，输沙量在1983、1986、1990、2003年发生了突变（图5）。
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图 5 永安溪（a）、始丰溪（b）径流量、输沙量距平累积曲线Figure 5. The cumulative curve of runoff and sediment transport anomaly in Yongan River （a） and Shifeng River （b）3.2.4 双累积曲线法
永安溪降水—输沙双累积散点可以分为4个不同的阶段，分别为1958—1965、1966—1991、1992—2002、2003—2021年（图6d）。始丰溪降水-输沙双累积散点可以分为3个不同的阶段，分别为1980—1989、1990—2003、2004—2021年（图6b）。
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图 6 永安溪、始丰溪降水量-径流量、降水量-输沙量双累积散点（a）永安溪降水量、输沙量双累积散点；（b）永安溪降水量、径流量双累积散点；（c）始丰溪降水量、输沙量双累积散点；（d）始丰溪降水量、径流量双累积散点Figure 6. Double-cumulative scatter points of precipitation vs runoff and precipitation vs sediment transport for Yongan River and Shifeng River综合突变分析的4种方法的结果（表1）以及流域内影响水沙通量的人类活动事件节点（主要为水库建设），为便于估算人类活动和气候变化对流域内水沙变化的贡献率，将1958—1965年作为永安溪基准期，将1966—1991、1992—2002、2003—2021年3个阶段作为永安溪变化期，将1980—1989年作为始丰溪基准期，将1990—2003、2004—2021年2个阶段作为始丰溪变化期。基于基准期和变化期，使用线性回归方法[25]估算人类活动和气候变化对永安溪、始丰溪输沙变化的贡献率，结果表明永安溪在1966—1991、1992—2002、2003—2021年3个阶段中人类活动对输沙量减少的贡献率分别为86.5%、98.7%、95.8%，气候变化对输沙量减少的贡献率分别为13.5%、1.3%、4.2%。1990—2003年，人类活动对始丰溪输沙量减少的贡献率达到83.2%，气候变化对输沙量减少的贡献率为16.8%。2004—2021年，人类活动对始丰溪输沙量增加的贡献率为50.3%，气候变化对始丰溪输沙量增加的贡献率为49.7%。
表 1 突变检验结果Table 1. Results of abrupt change test in different years3.3 降水量、径流量、输沙量周期性特征
本文利用Matlab2018b、Origin2018，基于Morlet小波分析和功率谱分析方法，确定椒江流域水沙变化的周期特征。
3.3.1 小波周期分析
小波分析结果表明，在永安溪和始丰溪流域内，降水量、径流量、输沙量均具有明显的年际和年代际周期变化特征（图7—12）。由永安溪降水量小波系数实部等值线图（图7a）和小波方差图（图7b）可以看到，降水量序列频率空间的能量中心主要集中在56、44、23、12和4 a，上述5个主周期下的平均周期分别为35、27、15、8、2～3 a（图7c—e）。永安溪径流量序列存在4个主周期，分别为47、25、12和4 a，在主周期尺度下的平均周期分别为31、15、8、2～3 a。从1958—2021年，永安溪径流量经历了高、低、高、低、高的周期性演变过程，到2021年底，永安溪径流量依旧处于高径流期，预计高径流期还将持续到2035年（图8）。永安溪输沙量序列存在4个主周期，分别是47、24、12、5 a，在主周期尺度下的平均周期分别为33、15、8、3 a（图9）。始丰溪降水量序列存在4个主周期，分别为28、14、7、4 a，在主周期尺度下的平均周期分别为18、9、4～5、2～3 a（图10）。始丰溪径流量序列存在4个主周期，分别为29、22、14、4 a，在主周期尺度下的平均周期分别为18、14、9、2.5 a（图11）。始丰溪输沙量序列存在29、18、13、4 a的主周期，在主周期下的平均周期分别为19、12、8、2～3 a（图12）。
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图 7 永安溪降水量小波系数实部等值线（a）；小波方差图（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）Figure 7. The real part of the wavelet coefficient of precipitation in Yongan River （a）; wavelet square difference diagram （b）; real part process lines of characteristic time scale wavelet （c, d, e）![]()
图 8 永安溪径流量小波系数实部等值线（a）；小波方差图（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）Figure 8. The real part of the wavelet coefficient of runoff in Yongan River （a）; wavelet square difference diagram （b）; real part process lines of characteristic time scale wavelet （c, d, e）![]()
图 9 永安溪输沙量小波系数实部等值线（a）；小波方差图（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）Figure 9. The real part of the wavelet coefficient of Sediment transport in Yonganxi （a）; Wavelet square difference diagram （b）; Real part progress lines of characteristic time scale Wavelet （c, d, e）![]()
图 10 始丰溪降水量小波系数实部等值线（a）；小波方差（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）Figure 10. The real part of the wavelet coefficient of precipitation in Shifeng River （a）; wavelet square difference （b）; and the real part progress lines of characteristic time-scale wavelet （c, d, e）![]()
图 11 始丰溪径流量小波系数实部等值线（a）；小波方差（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）Figure 11. The real part of the wavelet coefficient of runoff in Shifeng River （a）; wavelet square difference diagram （b）; the real part progress lines of characteristic time-scale wavelet （c, d, e）![]()
图 12 永安溪输沙量小波系数实部等值线（a）；小波方差（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）Figure 12. The real part of the wavelet coefficient of sediment transport in Shifeng River （a）; wavelet square difference diagram （b）; the real part progress lines of characteristic time-scale wavelet （c, d, e）3.3.2 功率谱周期分析
功率谱周期分析结果表明，永安溪、始丰溪的降水量、径流量、输沙量功率谱曲线较为相似，均出现了2～3 a的周期，此外永安溪输沙量还存在20 a的周期（图13）。
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图 13 永安溪降水（a）、径流（b）、输沙功率谱曲线（c）；始丰溪降水（d）、径流（e）、输沙功率谱曲线（f）Figure 13. Power spectrum curves of precipitation （a）, runoff （b） and sediment transport （C） in Yongan River; and those in Shifeng River in precipitation （d）, runoff （e） and sediment transport （f）综合小波分析和功率谱分析结果以及水文数据的时间尺度，对20 a以上的周期不做讨论，结果表明：永安溪、始丰溪降水量存在2～3、4～5、8～9和15～18 a周期；径流量存在2～3、8～9、14～15和18 a周期；输沙量存在2～3、8、12～15和19 a周期。
4. 讨论
由上文可知，人类活动对永安溪、始丰溪流域输沙变化的贡献率较高。本研究选取可能影响椒江流域水沙变化的人类活动因素，如土地利用/覆被变化、水库建设、植被覆盖度等讨论人类活动对椒江流域水沙变化的影响。
4.1 水库建设的影响
水库主要通过调节径流的分配、拦截泥沙等来改变河流的水沙过程。选取永安溪里林水库、下岸水库以及始丰溪龙溪水库为例，计算建库前、建库时、建库后的平均径流量、输沙量、含沙量、输沙率，结果如表2—4所示。
表 2 里林水库建设前后水沙变化Table 2. Variation of water and sediment before and after construction of Lilin Reservoir流域/水文站 永安溪/柏枝岙站 人类活动 里林水库建设前 里林水库建设中 里林水库建设后 时间 1957-01—
1966-081966-09—
1978-041978-05—
1999-11年均输沙量/万t 66.08 35.43 27.08 悬移质月均输沙率/(kg/s) 22.07 11.36 8.54 月均径流量/
(m3/s)78.95 72.55 72.28 月均含沙量/
(kg//m3)0.108 8 0.069 58 0.059 9 表 3 下岸水库建设前后水沙变化Table 3. Variation of water and sediment before and after construction of Xiaan Reservoir流域/水文站 永安溪/柏枝岙站 建库前后 下岸水库建设前 下岸水库建设中 下岸水库建设后 时间 1978-05—
1999-111999-12—
2003-032003-04—
2007-04年均输沙量/万t 27.08 13.53 32.44 悬移质月均输沙率(kg/s) 8.54 3.97 8.32 月均径流量/
(m3/s)72.28 70.78 61.14 月均含沙量/
(kg//m3)0.059 9 0.034 5 0.067 6 表 4 龙溪水库建设前后水沙变化Table 4. Variation of water and sediment before and after construction of Longxi Reservoir流域/水文站 始丰溪/沙段站 时间段 龙溪水库建设前 龙溪水库建设中 龙溪水库建设后 时间 1980—1984 1985—1990 1991—2021 年均输沙量/万t 18.18 18.01 9.15 悬移质月均输沙率/(kg/s) 5.71 6.65 4.98 月均径流量/(m3/s) 41.18 45.48 39.75 月均含沙量/
(kg//m3)0.083 1 0.076 6 0.065 6 可以看出，永安溪在里林水库建设前后的输沙量、输沙率、径流量、含沙量发生了显著的改变，呈现出明显的减少趋势。永安溪在下岸水库建设期间的输沙量、输沙率、径流量、含沙量相比水库建设前均明显减少，但在下岸水库建设完成之后，水沙均回到水库建设前的水平。始丰溪在龙溪水库建设中的水沙变化不大，年均输沙量和月均含沙量略微减少，月均输沙率和月均径流量略微增加，然而，在龙溪水库建设之后的近30 a，水沙均显著减少。3个水库建设前后水沙的变化特征不一，这与建设水库的目的和使用方式有关。以下岸水库为例，选取下岸水库建设完成的前后10 a的月均径流量数据进行分析，发现在下岸水库建设之前，永安溪径流年内分布差异明显，存在明显的汛期和旱期，其中6月份平均径流量高达202.89 m3/s（图14）。在下岸水库建设完成后，永安溪径流量年内分布差异性减小，年内分布更加均匀，原本6月份严重汛期经过水库的调节作用，使8、9、10月份承担了更多的疏洪作用。水库前后的径流变化，充分反映了水库的“蓄峰补枯”作用。
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图 14 下岸水库建设前后10年月均径流量分布Figure 14. Distribution of monthly runoff before and after the construction of Xiaan Reservoir4.2 土地利用/覆被变化特征及对椒江流域水沙变化的影响
土地利用/覆被通过影响下垫面性质从而影响流域内水沙变化，相关研究[26]表明，土地利用/覆被变化是影响水沙变化的重要因素之一，不同土地利用/覆被类型对产沙的贡献率不同，那么土地利用/覆被的变化必将影响流域内水沙通量的改变。
在ENVI2.3中使用最大似然法对遥感影像进行监督分类，根据1995、2000、2005、2010、2015、2020年永安溪流域、始丰溪流域6个时期土地利用/覆被变化图（图15、16）和土地利用/覆被转移矩阵（表5、6）可以看出，2个流域的土地利用/覆被类型发生了显著的变化。永安溪流域从1995到2020年，耕地面积减少20.43 km2，减幅4.7%，主要向建设用地、林地和水域方向发生了转移。林地面积减少21.85 km2，减幅1.1%，主要向建设用地、耕地和草地方向发生了转移。草地面积增加1.93 km2，增幅5.3%，主要由林地转移而来。水域面积增加5.24 km2，增幅74%，主要由耕地转移而来。建设用地增加35.14 km2，增幅137.5%，主要由耕地、林地转移而来。始丰溪流域从1995到2020年，耕地面积减少40.33 km2，减幅9.8%，主要向建设用地发生了转移。林地减少10.83 km2，减幅1%，主要向草地、建设用地发生了转移。草地增加2.23 km2，增幅4.6%，主要由林地转移而来。水域增加3.09 km2，增幅49.4%，主要由耕地转移而来。建设用地增加45.86 km2，增加190%，主要由耕地和林地转移而来。2个流域的土地利用/覆被变化情况较为相似，耕地面积均减少，林地面积略减少，草地面积增加，水域面积增加，建设用地大幅增加。根据前人研究结果，耕地的产沙效率要远远高于林地和草地，2个流域耕地面积均呈现减少趋势，对输沙量的减少有一定程度上的促进作用。
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图 15 永安溪流域土地利用/覆被变化（1995—2020年）Figure 15. Land use/cover change in Yongan River Basin （1995–2020）![]()
图 16 始丰溪流域土地利用/覆被变化（1995—2020年）Figure 16. land use/cover change in Shifeng River Basin （1995–2020）表 5 永安溪流域土地利用/覆被变化转移矩阵（1995—2020年）Table 5. Transfer matrix of land use/cover change in Yongan River Basin （1995–2020）2020年 草地 耕地 建设用地 林地 水域 未利用地 总计 1995年 草地 28.78 0.17 0.83 6.40 36.17 耕地 0.20 400.55 21.52 10.98 5.23 438.47 建设用地 3.12 22.12 0.28 0.04 25.55 林地 9.12 14.02 16.20 1969.90 0.35 0.00 2009.59 水域 0.18 0.01 0.19 6.67 7.05 未利用地 0.00 0.04 0.04 总计 38.10 418.04 60.69 1987.74 12.29 0.04 2516.88 表 6 始丰溪流域土地利用/覆被转移矩阵（1995—2020年）Table 6. Land use/cover transfer matrix of Shifeng River Basin （1995–2020）2020年 草地 耕地 建设用地 林地 水域 未利用地 总计 1995年 草地 37.92 0.17 0.40 9.50 0.01 48.01 耕地 1.08 362.94 38.63 6.74 2.66 412.05 建设用地 0.00 1.26 22.82 0.04 0.00 24.13 林地 11.23 7.30 8.09 1 025.88 0.66 0.01 1 053.17 水域 0.01 0.05 0.05 0.13 6.02 6.26 未利用地 0.04 0.17 0.21 总计 50.24 371.72 69.99 1 042.34 9.35 0.18 1 543.82 4.3 植被覆盖度变化对椒江流域水沙变化的影响
植被覆盖度变化是在自然因素和人类活动综合作用下的结果，其对于流域内水土流失强弱有着非常重要的影响[27]。本文通过Google Earth Engine，利用全年遥感影像经去云处理，计算了2020、2015、2010、2005、2000、1995、1990、1985年每年的年平均NDVI值，继而计算出植被覆盖度。植被覆盖度值域在0～1，值越大说明植被覆盖程度越高。结果表明：始丰溪流域植被覆盖度均小于永安溪流域。2个流域植被覆盖度均呈现上升趋势（图17），植被覆盖度的增加对流域内产沙和输沙在一定程度上起到了减缓作用。
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图 17 永安溪、始丰溪流域植被覆盖度变化Figure 17. Changes of vegetation coverage in watersheds of Yongan and Shifeng Rivers5. 结论
（1）永安溪、始丰溪年降水量、年径流量和始丰溪年输沙量没有显著变化，永安溪年输沙量变化较大，63 a间下降了28%。人类活动对永安溪输沙减少的贡献率为86.5%～98.7%，对始丰溪输沙变化的贡献率为50.3%～83.2%。
（2）永安溪、始丰溪降水量存在2～3、4～5、8～9和15～18 a周期；径流量存在2～3、8～9、14～15和18 a周期；输沙量存在2～3、8、12～15和19 a周期。
（3）在影响椒江水沙变化的人类活动影响因素中，水库建设使得年内流量高峰期由6月份向8、9月份发生转移，起到了很好的“蓄峰”作用。流域内土地利用/覆被发生的显著变化降低了椒江流域的产沙能力。1985—2020年间，永安溪、始丰溪流域的植被覆盖度逐渐上升，对流域内产沙能力有一定程度的削弱作用。
致谢：感谢浙江省台州市水利局相关工作人员对本研究的大力支持!
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图 2 永安溪和始丰溪降水量、径流量、输沙量的年际变化
（a）永安溪降水量变化；（b）始丰溪降水量变化；（c）永安溪径流量变化；（d）始丰溪径流量变化；（e）永安溪输沙量变化；（f）始丰溪输沙量变化
Figure 2. Interannual changes of precipitation, runoff, and sediment transportation in Yonganxi and Shifengxi
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图 3 永安溪、始丰溪径流量、输沙量M-K突变检验曲线
（a）永安溪径流量M-K突变检验曲线；（b）永安溪输沙量M-K突变检验曲线；（c）始丰溪径流量M-K突变检验曲线；（d）始丰溪输沙量M-K突变检验曲线
Figure 3. The M-K test curves at abrupt change point of runoff and sediment transport in Yongan River and Shifeng River
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图 4 永安溪（a）和始丰溪（b）的径流量、输沙量滑动t检验
Figure 4. Sliding t test on the runoff and sediment transport for Yongan River （a） and Shifeng River （b）
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图 5 永安溪（a）、始丰溪（b）径流量、输沙量距平累积曲线
Figure 5. The cumulative curve of runoff and sediment transport anomaly in Yongan River （a） and Shifeng River （b）
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图 6 永安溪、始丰溪降水量-径流量、降水量-输沙量双累积散点
（a）永安溪降水量、输沙量双累积散点；（b）永安溪降水量、径流量双累积散点；（c）始丰溪降水量、输沙量双累积散点；（d）始丰溪降水量、径流量双累积散点
Figure 6. Double-cumulative scatter points of precipitation vs runoff and precipitation vs sediment transport for Yongan River and Shifeng River
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图 7 永安溪降水量小波系数实部等值线（a）；小波方差图（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）
Figure 7. The real part of the wavelet coefficient of precipitation in Yongan River （a）; wavelet square difference diagram （b）; real part process lines of characteristic time scale wavelet （c, d, e）
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图 8 永安溪径流量小波系数实部等值线（a）；小波方差图（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）
Figure 8. The real part of the wavelet coefficient of runoff in Yongan River （a）; wavelet square difference diagram （b）; real part process lines of characteristic time scale wavelet （c, d, e）
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图 9 永安溪输沙量小波系数实部等值线（a）；小波方差图（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）
Figure 9. The real part of the wavelet coefficient of Sediment transport in Yonganxi （a）; Wavelet square difference diagram （b）; Real part progress lines of characteristic time scale Wavelet （c, d, e）
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图 10 始丰溪降水量小波系数实部等值线（a）；小波方差（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）
Figure 10. The real part of the wavelet coefficient of precipitation in Shifeng River （a）; wavelet square difference （b）; and the real part progress lines of characteristic time-scale wavelet （c, d, e）
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图 11 始丰溪径流量小波系数实部等值线（a）；小波方差（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）
Figure 11. The real part of the wavelet coefficient of runoff in Shifeng River （a）; wavelet square difference diagram （b）; the real part progress lines of characteristic time-scale wavelet （c, d, e）
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图 12 永安溪输沙量小波系数实部等值线（a）；小波方差（b）；特征时间尺度小波实部过程线（c、d、e）
Figure 12. The real part of the wavelet coefficient of sediment transport in Shifeng River （a）; wavelet square difference diagram （b）; the real part progress lines of characteristic time-scale wavelet （c, d, e）
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图 13 永安溪降水（a）、径流（b）、输沙功率谱曲线（c）；始丰溪降水（d）、径流（e）、输沙功率谱曲线（f）
Figure 13. Power spectrum curves of precipitation （a）, runoff （b） and sediment transport （C） in Yongan River; and those in Shifeng River in precipitation （d）, runoff （e） and sediment transport （f）
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图 14 下岸水库建设前后10年月均径流量分布
Figure 14. Distribution of monthly runoff before and after the construction of Xiaan Reservoir
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图 15 永安溪流域土地利用/覆被变化（1995—2020年）
Figure 15. Land use/cover change in Yongan River Basin （1995–2020）
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图 16 始丰溪流域土地利用/覆被变化（1995—2020年）
Figure 16. land use/cover change in Shifeng River Basin （1995–2020）
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图 17 永安溪、始丰溪流域植被覆盖度变化
Figure 17. Changes of vegetation coverage in watersheds of Yongan and Shifeng Rivers
表 2 里林水库建设前后水沙变化
Table 2 Variation of water and sediment before and after construction of Lilin Reservoir
流域/水文站 永安溪/柏枝岙站 人类活动 里林水库建设前 里林水库建设中 里林水库建设后 时间 1957-01—
1966-081966-09—
1978-041978-05—
1999-11年均输沙量/万t 66.08 35.43 27.08 悬移质月均输沙率/(kg/s) 22.07 11.36 8.54 月均径流量/
(m3/s)78.95 72.55 72.28 月均含沙量/
(kg//m3)0.108 8 0.069 58 0.059 9 
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表 3 下岸水库建设前后水沙变化
Table 3 Variation of water and sediment before and after construction of Xiaan Reservoir
流域/水文站 永安溪/柏枝岙站 建库前后 下岸水库建设前 下岸水库建设中 下岸水库建设后 时间 1978-05—
1999-111999-12—
2003-032003-04—
2007-04年均输沙量/万t 27.08 13.53 32.44 悬移质月均输沙率(kg/s) 8.54 3.97 8.32 月均径流量/
(m3/s)72.28 70.78 61.14 月均含沙量/
(kg//m3)0.059 9 0.034 5 0.067 6
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表 4 龙溪水库建设前后水沙变化
Table 4 Variation of water and sediment before and after construction of Longxi Reservoir
流域/水文站 始丰溪/沙段站 时间段 龙溪水库建设前 龙溪水库建设中 龙溪水库建设后 时间 1980—1984 1985—1990 1991—2021 年均输沙量/万t 18.18 18.01 9.15 悬移质月均输沙率/(kg/s) 5.71 6.65 4.98 月均径流量/(m3/s) 41.18 45.48 39.75 月均含沙量/
(kg//m3)0.083 1 0.076 6 0.065 6
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表 5 永安溪流域土地利用/覆被变化转移矩阵（1995—2020年）
Table 5 Transfer matrix of land use/cover change in Yongan River Basin （1995–2020）
2020年 草地 耕地 建设用地 林地 水域 未利用地 总计 1995年 草地 28.78 0.17 0.83 6.40 36.17 耕地 0.20 400.55 21.52 10.98 5.23 438.47 建设用地 3.12 22.12 0.28 0.04 25.55 林地 9.12 14.02 16.20 1969.90 0.35 0.00 2009.59 水域 0.18 0.01 0.19 6.67 7.05 未利用地 0.00 0.04 0.04 总计 38.10 418.04 60.69 1987.74 12.29 0.04 2516.88
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表 6 始丰溪流域土地利用/覆被转移矩阵（1995—2020年）
Table 6 Land use/cover transfer matrix of Shifeng River Basin （1995–2020）
2020年 草地 耕地 建设用地 林地 水域 未利用地 总计 1995年 草地 37.92 0.17 0.40 9.50 0.01 48.01 耕地 1.08 362.94 38.63 6.74 2.66 412.05 建设用地 0.00 1.26 22.82 0.04 0.00 24.13 林地 11.23 7.30 8.09 1 025.88 0.66 0.01 1 053.17 水域 0.01 0.05 0.05 0.13 6.02 6.26 未利用地 0.04 0.17 0.21 总计 50.24 371.72 69.99 1 042.34 9.35 0.18 1 543.82
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