近51年昌马河流域水沙演变特征及其驱动因素分析

Analysis of evolution characteristics and driving factors of runoff and sediment load in Changma River Basin over past 51 years

摘要

目的 揭示昌马河流域水沙演变规律、水沙协调特征及其主要驱动因素，为流域水沙治理、水资源开发利用和生态环境保护提供科学依据。 方法 基于1972—2022年昌马堡站月径流量和月输沙量数据，采用TFPW-MK趋势检验、水沙关系协调性分析和累积斜率变化率曲线法等，系统分析流域水沙年内分配、变化趋势、突变特征、不协调度及影响因素。 结果 近51年来，径流量和输沙量年内分配渐趋于不均匀；分别以1.56亿m³/10 a和4.55万t/a的速率呈上升趋势，且具有明显的周期变化，均于1998年发生突变；逐年来沙系数均大于0.011，流域总体处于水少沙多状态，6—8月水沙关系最不协调，但随时间的推移失调程度有所减弱；气候变化和人类活动分别是径流量和输沙量变化的主导因素，贡献率分别为64.25%和50.64%。 结论 昌马河流域水沙总体呈增加趋势，年内分配不均和季节性水沙失调特征明显；径流变化主要受气候变化影响，输沙变化主要受人类活动影响。研究结果可为流域水资源优化配置、泥沙防治和生态保护提供支撑。

Abstract

Objective This study reveals the evolution patterns and coordination characteristics of runoff and sediment in the Changma River Basin， along with their primary driving factors， thereby providing a scientific basis for runoff-sediment management， water resources development and utilization， and ecological environmental protection within the river basin. Methods Based on monthly runoff and sediment load data from the Changmabao station from 1972 to 2022， this study employed methods including the trend-free pre-whitening Mann-Kendall （TFPW-MK） test， runoff-sediment relationship coordination analysis， and the slope change ratio of cumulative quantity （SCRCQ） method to systematically analyze the intra-annual distribution， variation trends， abrupt changes， incoordination degree， and influencing factors of runoff and sediment in the river basin. Results Over the past 51 years， the intra-annual distribution of runoff and sediment load gradually became more uneven. Both showed increasing trends at rates of 1.56×10⁸ m³/10 a and 4.55×10⁴ t/a， respectively， showing significant periodic variations， with abrupt changes both occurring in 1998. The annual sediment coefficient exceeded 0.011， indicating that the river basin was generally in a state of low runoff and high sediment. The runoff-sediment relationship was most uncoordinated from June to August， although the incoordination degree weakened over the past 51 years time. Climate change and human activities were the dominant factors of changes in runoff and sediment load， with contribution rates of 64.25% and 50.64%， respectively. Conclusion Runoff and sediment in the Changma River Basin show an overall increasing trend， with pronounced characteristics of uneven intra-annual distribution and seasonal runoff-sediment incoordination. Runoff variations are primarily influenced by climate change， and sediment load variations are mainly driven by human activities. The findings can provide support for optimized water resource allocation， sediment control， and ecological protection in the river basin.

Graphical abstract

关键词

水沙时空变化 / 不协调度 / TFPW-MK / 昌马河流域

Key words

spatiotemporal variation of runoff and sediment / incoordination degree / TFPW-MK / Changma River Basin

径流量与输沙量作为衡量内陆河流域核心水文特征的关键指标，在干旱区具有特殊意义，不仅揭示了河流水量储备与补给状况，更反映其携带泥沙对河道形态、库区淤积及绿洲土壤的影响，是研究区域生态环境变迁、水土流失及水量平衡问题的重要基础^［1-2］。内陆河以封闭水循环为主、对外输出有限且受人类活动干扰较强，水沙过程在维系流域绿洲稳定、生态廊道存续中起着关键作用。然而，随着全球气候变化加剧与人类活动的深度干预，内陆河水沙失衡问题日益突出，一方面，径流减少导致水少沙多，加剧河道淤积；另一方面，过度调控又可能造成水多沙少，削弱绿洲土壤肥力补给。这些问题已成为内陆河流域水资源管理与生态保护领域亟需突破的关键课题^［3-5］。因此，系统揭示干旱区内陆河水沙演变规律与驱动机制，对优化流域调度、防治水土流失和提升生态系统稳定性具有重要意义。

当前，内陆河流域水沙关系研究逐渐成为水文与生态领域的研究热点，学者们围绕不同流域、不同尺度展开了多维度探索。卢晗等^［4］利用累积量斜率变化率法定量分解了气候变化和人类活动对水沙通量的贡献，认为输沙量的变化主要受人类活动控制。李光轩等^［5］基于SHAP值法定量评估降水、积雪融水和冰川融水对径流变化的驱动力，结果显示在疏勒河昌马堡站子流域冰川融水是径流增加的首要因素。陈红光等^［6］利用改进SWAT模型等方法，分析了内蒙古乌拉盖河流域近40年径流时空演变，指出气候变化是该流域径流变化的主要影响因素。陈康等^［7］对比塔里木河、黑河、疏勒河近70年水沙数据发现，塔里木河年径流量无显著趋势性变化，黑河与疏勒河年径流量呈显著增加趋势，但输沙量塔里木河和黑河显著减少，疏勒河因灌区扩展导致的坡面侵蚀加剧使输沙量呈增加趋势。王昱等^［8］借助Mann-Kendall秩相关检验法、累积距平法和相关分析法，探究黑河上游干流水沙变化特征及驱动因子，提出降水增加是径流增多的主因，而输沙量变化存在空间差异，札马什克站、祁连站输沙量由于水土流失加剧而增加，莺落峡站输沙量则因水库拦沙作用而减少。严宇红等^［9］运用水文统计法和非线性复相关模型法等多种分析方法，深入探索疏勒河流域泥沙时空分布规律及水沙关系，结果显示，疏勒河流域多年来泥沙量呈增加趋势。魏霞等^［10］基于疏勒河流域昌马堡站、潘家庄站、党城湾站3个水文站的实测径流量和输沙量序列资料，分析了疏勒河流域径流量和输沙量变化规律，研究表明疏勒河流域水沙总体呈递增趋势。尽管现有研究已揭示部分内陆河干流水沙规律，但多聚焦于黑河、石羊河等典型流域的干流或全流域尺度，重点关注气温、降水与径流演变，针对疏勒河上游昌马河的研究仍相对薄弱^［11］。昌马河流域位于祁连山与河西走廊西部，受区域气候波动影响明显，出山口来水来沙变化敏感^［12］。流域出山口昌马堡站多年平均径流量达 11.15亿m³，输沙量达 377.22万t，是疏勒河水沙的核心来源，对上游水循环与下游生态维持均具有决定性作用。然而，现有研究缺乏对昌马河长期水沙演变规律、阶段性变化、水沙协调度及驱动因素的系统量化分析。特别是在相似气候背景下，水库建设和耕地扩张可能造成径流与输沙的不同步，导致水少沙多或水多沙少的时段性失衡，这一现象在昌马河流域尚未得到充分验证。

基于此，本研究以昌马河为研究对象，选取昌马堡站1972—2022年实测径流与输沙数据，揭示昌马河流域长期水沙联合演变规律，明确其趋势性、突变性、持续性及周期性特征；解析在气候变化与人类活动共同作用下，流域水沙时空变化及其不协调性；定量评估气候因素与人类活动对水沙变化的贡献率。研究采用线性趋势法、Pettitt突变检验、累积斜率变化率曲线法等多种水文统计方法，系统探究不同时段及多时间尺度下的水沙动态变化，不仅为昌马河流域的河流生态保护、水库调度及水资源优化配置提供了坚实科学依据，也为我国其他类似流域的水沙管理与生态环境建设，提供了可借鉴的研究范式。

1 研究区概况

疏勒河发源于祁连山脉的岗格尔肖合力岭，河源高程为4 737 m，干流全长583 km（图1）。昌马河作为疏勒河的主要支流，全长347 km，集水面积约为1.10万km²，地理位置介于96°42′—99°00′E，38°18′—39°54′N^［13］。通常将昌马堡水文站以上流域定义为昌马河流域（即疏勒河上游），而昌马堡水文站以下流域则定义为疏勒河流域。昌马河流域上游主要依赖祁连山脉的冰川和融雪补给，中游流经昌马盆地，下游最终注入广阔的冲积平原。该流域属于温带大陆性气候，多年平均降水量为286 mm，多年平均潜在蒸散发量为466.3 mm。海拔4 500 m以上冰川分布广泛，覆盖面积达421 km²，占总面积的3.7%，冰川水资源储量丰富^［14］。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究选取疏勒河上游昌马河流域作为研究区，气象数据均来源于托勒气象站（托勒气象站位于昌马河流域近邻，为距离研究区最近的国家基本气象站，处于与研究区一致的祁连山北麓山前干旱半干旱气候带，能够表征区域尺度的年际与季节变化）。月径流量和月输沙量数据来源于昌马河流域代表站昌马堡水文站1972—2022年实测逐月径流数据和输沙资料，所有实测数据真实可靠，满足“三性”检查要求。

2.2 研究方法

基于昌马河流域昌马堡站1972—2022年月径流量和月输沙量数据，选用不均匀系数^［15］、完全调节系数^［12］、集中度和集中期^［16］分析昌马河流域年内分配的不均匀性及其集中程度。利用Pettitt突变检验法^［17］确定昌马河流域年径流量和年输沙量突变点。运用线性倾向估计法^［18］和TFPW-MK趋势检验法^［19］分析年径流量和年输沙量的趋势性，并利用斯皮尔曼秩次相关检验^［20］和Z检验^［21］来判断其趋势的显著性。采用R/S分析法^［22］探究年输沙量和年径流量未来变化趋势。通过计算水沙关系不协调度^［23-24］，分析水沙关系不协调性。运用累积斜率变化率曲线法^［25］对年径流量和年输沙量变化进行归因分析。引入标准化径流指数^［25］、标准化降水指数^［26］和标准化降水蒸散发指数^［27］与水文气象要素之间进行相关性分析，揭示昌马河流域干旱指数对水文气象驱动因子的敏感性及其作用机制。

累积斜率变化率曲线法计算方法如下：

累积斜率变化率曲线法（简称SCRCQ法）是在突变点识别的基础上，将年径流量（年输沙量）变异前后划分为基准期（T_a）和变异期（T_b），变异前后年份与累积径流量之间的线性关系的斜率分别为S_Ra和S_Rb，年份与累积输沙量之间的线性关系的斜率分别为S_Sa和S_Sb，年份与累积降水之间线性关系的斜率分别为S_Pa和S_Pb，年份与累积气温之间线性关系的斜率分别为S_Ta和S_Tb^［25］。

降水量对径流量或输沙量变化的贡献率为：

{\eta }_P=〔\frac{S_{\mathrm{P}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{P}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{P}\mathrm{a}}\right|}〕/〔\frac{S_{\mathrm{R}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{R}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{R}\mathrm{a}}\right|}〕\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

{\eta }_P=〔\frac{S_{\mathrm{P}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{P}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{P}\mathrm{a}}\right|}〕/〔\frac{S_{\mathrm{S}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{S}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{S}\mathrm{a}}\right|}〕\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

气温对径流量或输沙量变化的贡献率为：

{\eta }_T=〔\frac{S_{\mathrm{T}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{T}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{T}\mathrm{a}}\right|}〕/〔\frac{S_{\mathrm{R}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{R}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{R}\mathrm{a}}\right|}〕\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

{\eta }_T=〔\frac{S_{\mathrm{T}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{T}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{T}\mathrm{a}}\right|}〕/〔\frac{S_{\mathrm{S}\mathrm{b}}-S_{\mathrm{S}\mathrm{a}}}{\left|S_{\mathrm{S}\mathrm{a}}\right|}〕\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

气候变化对水沙变化的贡献率为：

{\eta }_C={\eta }_P+{\eta }_T（5）

人类活动对水沙变化的贡献率为：

{\eta }_H=\mathrm{1}-{\eta }_C（6）

3 结果与分析

3.1 水沙年内分配规律

3.1.1 水沙月趋势变化分析

通过统计昌马河流域1972—2022年径流量和输沙量年内分配数据绘制昌马河流域水沙年内各月分配情况图，由图2可知，昌马河流域径流量和输沙量均呈单峰型，主要集中在7月和8月，多年平均年径流量为11.15亿m³，多年平均年输沙量为377.22万t，1970s、1980s、1990s、2000s和2010s月均径流量和输沙量均呈上升趋势，1972—2022年月均径流量和输沙量分别以0.04亿m³/a和2.10万t/a的速率呈上升趋势。1980s、2000s和2010s月最大径流量主要出现在7月份，1970s和1990s月最大径流量主要出现在8月份。1980s和2010s月最大输沙量主要出现在7月份。1970s、1990s和2000s月最大输沙量主要出现在8月份。

3.1.2 水沙年内不均匀性与集中程度分析

由图3可知，1972—2022年昌马河流域径流量和输沙量年内分配不均匀系数分别在1996年和2000年出现最大值，分别为1.20和2.86，此时水沙年内分配相对不均匀。在1973年和1982年出现最小值0.68，1.44，此时水沙年内分配较为均匀。径流量和输沙量不均匀系数分别以5.58×10^-3/10 a和4.9×10^-2/10 a的速率呈缓慢上升趋势。径流量和输沙量年内分配的完全调节系数分别在1991年和1996年出现最大值为0.44，0.81，径流量和输沙量完全调节系数分别以1.99×10^-3/10 a和9.07×10^-3/10 a的速率呈不显著上升趋势，表明昌马河流域径流量和输沙量年内分配均趋于不均匀。

昌马河流域径流量和输沙量集中度和集中期由图3可知，昌马河流域径流量的集中度为0.39~0.64，均值为0.52。输沙量的集中度为0.78~0.97，均值为0.90。昌马河流域水沙年内分布集中度呈微弱上升趋势，说明水沙年内分配趋于不均匀，径流量的集中度均小于输沙量的集中度，输沙量比径流量年内分布更为集中。1972—2022年昌马河流域径流量和输沙量集中期主要在7月，径流量集中期最大值为210.94°（8月1日），最小值为173.51°（6月24日），多年平均集中期为191.11°（7月11日）。输沙量集中期最大值为213.17°（8月3日），最小值为159.04°（6月10日），多年平均集中期为187.49°（7月5日）。径流量集中期出现的时间相差37 d，输沙量集中期出现的时间相差55 d。

3.2 水沙年际变化特征

3.2.1 趋势性分析

通过昌马河流域近51年来年径流量和年输沙量变化趋势图（图4）可知，昌马河流域年径流量和年输沙量均呈上升趋势，昌马河流域年径流量以1.56亿m³/10 a的速率呈上升趋势，年输沙量以4.55万t/a的速率呈上升趋势。考虑年径流量和年输沙量的突变特征，年径流量和年输沙量在突变前后趋势如图4所示，年径流量和年输沙量均在1998年前后发生跳跃性变化，年径流量在突变前呈下降趋势，在突变后呈上升趋势，年输沙量在突变前后均呈下降趋势，但在突变后的年输沙量明显大于突变前的年输沙量，总体还是呈上升趋势。

考虑到气候的差异性，为了提高时间序列趋势检验的准确性，利用TFPW-MK趋势检验法对昌马河流域年和四季径流量、输沙量趋势进行去相关处理，如图5所示，年和四季径流量Z值分别为 5.50，4.50，4.86，5.20，5.08均大于0，年输沙量和夏、秋两季输沙量Z值分别为2.36，2.47，1.25均大于0，春、冬两季输沙量Z值小于0，分别为-1.79和-3.07。表明年和四季径流量呈上升趋势，年输沙量和夏、秋两季输沙量也呈上升趋势，而春、冬两季输沙量呈下降趋势。运用斯皮尔曼秩次相关检验和Z检验对昌马河流域年径流量和年输沙量进行显著性分析，由表1可知，总体而言，1972—2022年昌马河流域年径流量和年输沙量均呈显著上升趋势。

3.2.2 突变性分析

采用Pettitt检验方法分别对昌马河流域年径流量和年输沙量进行突变分析，由表2和图6可知，昌马河流域年径流量在 1998年出现显著突变，p<0.01；突变前后年径流量均值由8.78亿m³升至13.61亿m³，增幅约55%。年输沙量在1998年出现不显著突变，p=0.071，未达0.05的显著水平，但均值由276.99万t升至481.45万t，提高约74%，呈现指示性上移。

3.2.3 持续性分析

采用R/S分析法计算Hurst指数来分析昌马河流域年径流量和年输沙量的未来变化趋势，结果见图7，年径流量和年输沙量Hurst指数分别为0.978 0，0.799 2，四季径流量的Hurst指数为0.855 7，0.953 5，0.897 0，0.957 9。四季输沙量的Hurst指数为0.610 8，0.800 3，0.547 5，0.635 0。0.5<H<1均表现出很强的正持续性，说明昌马河流域径流量和输沙量变化将继续与1972—2022年的变化趋势保持一致，在未来仍将保持上升趋势，且短时期内不会发生改变。

3.2.4 周期性分析

采用Morlet小波分析法对昌马河流域近51年年径流量和年输沙量序列进行周期分析，由图8可知，年径流量存在4个主周期，14 a为第一主周期，32 a，8 a和4 a分别为第二、第三、第四主周期，在第一主周期14 a的尺度下副周期为9 a，存在6个明显的丰水中心和5个枯水中心，其中丰水中心的最大值出现在2018年，枯水中心的最小值出现在2014年。年输沙量也存在4个主周期，14 a为第一主周期，30 a，8 a和21 a分别为第二、第三和第四主周期，在第一主周期14 a的尺度下副周期也为9 a，存在6个明显的丰水中心和5个枯水中心，其中丰水中心最大值出现在2018年，枯水中心的最小值出现在2013年。

3.3 水沙关系协调度分析

通过分析逐年来沙系数变化（图9）可知，近51年来昌马河流域的来沙系数以-0.01/10 a的速率总体呈下降趋势，结合5 a滑动平均曲线也可看出昌马河流域来沙系数呈波动下降趋势，多年平均年内来沙系数变化主要呈先增大后减小的状态，6—8月来沙系数处于高值，于7月达到最大值0.064，此时含沙量最大，且来沙系数均大于0.011，表明昌马河流域流量相对较小而含沙量相对较大，处于水少沙多的状态，这与它的地理位置密不可分。昌马河流域位于疏勒河上游，其地理和气候特征决定了该区域的水文情况。由于其属于典型的干旱半干旱地区，降水量稀少，由于水量较少且流速缓慢，水流未能有效带走来自上游的泥沙，导致泥沙含量较高。

由逐年水沙不协调度变化情况可知，昌马河流域水沙不协调度均大于0，呈波动下降趋势，水沙不协调主要是由水少沙多造成的。在1972—2022年期间多年平均的年内含沙量主要集中在6—8月，在该时期随着流量的增大，含沙量升高，年内水沙最不协调，呈水少沙多的状态。在1—2月和10—12月水沙不协调度小于0，此时水沙逐渐从水少沙多的状态转变为水多沙少的状态。总的来说，昌马河流域的水沙特性呈现季节性变化，在干旱季节主要是水少沙多，而在洪水期则会出现水多沙多的现象。这种复杂的水沙关系为流域的水资源管理和库区调度提出了挑战。

3.4 水沙变化的定量归因分析

气候变化和人类活动是影响流域水沙关系的两个关键性要素，昌马河流域年径流量和年输沙量的突变年份均为1998年，故以1998年为界，划分基准期和变异期分别为1972—1997年、1998—2022年绘制昌马河流域径流量、输沙量、降水量和气温累积曲线图见图10。结合表3通过累积斜率变化率曲线法计算得到降水、气温和下垫面属性对径流变化的贡献率分别为28.34%，35.91%和35.75%，对输沙变化的贡献率分别为21.77%，27.59%和50.64%。即气候变化和人类活动对昌马河流域径流变化的贡献率分别为64.25%，35.75%，对输沙变化的贡献率分别为49.36%和50.64%。这说明近51年间，气候变化主导流域径流增加，而人类活动驱动流域输沙量增长。

昌马河流域作为疏勒河流域的出山口区域，受大规模人类活动干扰较小，其水沙变化主要受气候变化的驱动。然而，近年来，随着人类活动逐渐成为全球气候变化的主导因素，其对昌马河流域水文特征的影响也日益显著。通过分析昌马河流域多年平均气温和多年降水量的变化可知（图11），流域年平均气温自1956—2022年呈显著上升趋势（Z=7.451），气温在67年间上升了2.5 ℃，年平均增幅为0.032 ℃，气温的年际波动较大。流域年降水量自1956—2022年呈显著上升趋势（Z=3.864），年平均增幅为0.523 mm。研究表明，昌马河流域气温变化受到了全球气候变暖的显著影响，全球变暖的主要驱动因素是人类活动（如碳排放和能源消耗）所导致的温室气体浓度增加。昌马河流域的上游主要为山区，气温升高直接导致了径流量的增大；随着融雪量的增加和河道内流速的变化，河流的输沙能力也会随之增强，进而导致河流下游泥沙含量的增加。

4 讨论

4.1 水沙演变规律

昌马河流域径流量与输沙量的年内分配呈现显著的单峰型特征（图2）。受东亚季风边缘效应影响，汛期降水主要集中在6月至8月，以短历时、高强度降雨事件为主。雨滴击溅作用强烈且地表径流侵蚀加剧，导致径流量与输沙量同步剧增。汛期径流量占全年总量的58.41%，而输沙量则高达92.98%。不均匀系数和完全调节系数均呈微弱上升趋势，表明水沙年内分配存在一定程度的不协调性。这种时空分布不均与高集中度的特征，使其对年际极端降水事件的敏感性显著增强。该模式可能促成了1998年的突变现象，并解释了长期趋势的持续性。本研究既与现有成果保持一致，又体现了该流域的特殊性。已有对疏勒河上游与干流的研究均指出，近几十年来水沙过程发生了明显的趋势性转变和年内再分配，气候变暖与降水变化对高山径流的调节作用尤为关键，与本文年内水沙过程显著集中于夏季和突变年份高度吻合^{［11，12，13，28］}。类似地，在石羊河和渭干河等流域，径流与输沙也表现出显著的年代际波动和阶段性变化，极端降雨和洪水事件进一步加剧了年内分配的不均匀性^［1-2］。甘肃黄河流域的空间对比分析进一步揭示出水沙演变具有区域异质性，为理解昌马河流域提供了重要的区域对照^［29］。

4.2 水沙关系协调度

水沙不协调度为量化流域水动力与泥沙动力转变提供了关键证据（图9）。研究显示汛期来沙系数均大于0.011，且不协调度长期为正，表明丰水季呈现水少沙多状态，集中强降雨导致河道径流不足以全程输移泥沙，易导致河床淤积，使水沙来沙系数和不协调度最大，而协调程度最低。而枯水季因降雨强度低、泥沙供给少，不协调度降低，水沙不协调程度相对缓和^［23］。年际尺度上，不协调度呈波动下降，指向水沙匹配总体改善，这与黄河潼关站通过P-Ⅲ型曲线分析 58年水沙数据得出的水沙协调度存在阶段性波动、长期呈改善趋势结论相呼应^［30］。结合本文归因结果，径流增加在一定程度上增强了河流输沙能力，使年来沙系数和水沙不协调度呈下降趋势，但汛期泥沙集中输出仍维持了流域水少沙多的基本特征。结合汛期输沙量集中度较高，表明此类水沙动态还隐含洪峰期泥沙调控能力减弱的风险，可能进一步影响河道冲淤平衡与流域生态安全^［23-24］。

4.3 水沙动态潜在机制

4.3.1 气候变化对昌马河流域水沙变化的影响

昌马河流域属于干旱半干旱区内陆河流域，考虑到流域地理位置、气候条件、地形地貌以及人类活动等多种因素的影响。基于1972—2022年径流、输沙、降水、潜在蒸散发等水文气象数据，引入（standardized runoff index， SRI）、标准化降水指数（standardized precipitation index， SPI）和标准化降水蒸散发指数（standardized precipitation evapotranspiration index， SPEI，通过与径流（R）以及输沙（S）和各气象要素（降水P、温度T、潜在蒸散发ET₀）之间的相关性分析，揭示了昌马河流域干旱指数对水文气象驱动因子的敏感性及其作用机制。反映了干旱过程中的主要驱动因素及其对水文系统的影响。由图12可知，SRI与R， T， P和S均表现出较强相关性，相关系数分别为0.88，0.72，0.53，0.58。SPI与R， P之间呈显著正相关（相关系数分别为0.62，0.76），但S的相关性较弱（R=0.42， p<0.01），这主要是由于流域以山区地貌为主，输沙过程不仅受降水驱动，还受到地表侵蚀强度和径流条件的共同影响。输沙量更容易受到长期干旱的影响，而非短期干旱。长期干旱通过改变土壤结构、植被覆盖以及侵蚀潜力，间接影响输沙过程。因此，SPI与输沙量的相关性会因时间尺度的不同而减弱。此外，SPI与SRI表现出强相关性（R=0.67， p<0.001），表明降水变化引起的干旱与径流变化引起的干旱具有一致性。SPEI与P的相关性（R=0.63， p<0.001）略低于SPI，因为SPEI在反映降水蒸发平衡时考虑了潜在蒸散发（ET₀）的影响。在昌马河流域，温度升高通过蒸散发作用放大了干旱的综合效应，这是SPEI与其他干旱指数的主要区别。干旱年份尽管降水减少，但ET₀可能因为气温升高而显著增加（T与ET₀的相关性为R=0.61， p<0.001），进一步加剧了水分亏缺。

昌马河流域降水量主要集中于夏季的短期强降雨，在这种背景下，短期降水事件对径流的影响远大于长期气候水量平衡，导致径流与SPEI的相关性较弱。输沙量的变化更多由降水和径流驱动，蒸散发通过改变土壤湿度条件间接影响产沙。但在该流域，这种间接效应被地表侵蚀、地形坡度、植被覆盖等因素掩盖，限制了SPEI对输沙过程的解释力，因此两者相关性较低。昌马河流域输沙量主要由洪水径流过程控制。丰水年由强降雨产生的地表径流加剧河流侵蚀和泥沙输送，而在枯水年径流量减少则削弱河流输沙能力。SRI值降低时，输沙量同步下降，表明干旱通过径流过程间接影响了输沙。流域内植被覆盖率较低，土壤结构疏松，对降水和径流变化的响应极为敏感。在干旱年份，降水减少导致植被生长受限，地表抗侵蚀能力下降，使得输沙量减少。

4.3.2 人类活动对昌马河流域水沙变化的影响

以昌马河流域 1985年、1998年、2010年和2022年4期三阶段作为土地利用演变监测的目标年份，并绘制各期土地利用现状图。由图13可知，昌马河流域土地利用类型以草地、裸地和冰川为主。1985—1998年耕地、林地、草地、水体的面积均有所增大，而冰川、裸地和湿地的面积均有所减小，其中草地和水体的面积增加最大，1985年草地和水体面积分别为8 583.27 km²，17.42 km²，1998年草地和水体面积分别增至8 655.79 km²，27.20 km²。1998—2010年耕地、林地、灌木地、草地、水体、冰川、裸地和湿地面积均有不同程度的减小。2010—2022年草地、水体和冰川面积均有所减小，耕地、林地、灌木地、裸地、湿地面积分别由14.83 km²，1.75 km²，0.000 9 km²，3 631.26 km²，0.002 7 km²增加至19.91 km²，1.94 km²，0.69 km²，3 866.67 km²，0.069 3 km²。另外新增一城市用地（面积为0.069 km²）。总体来看， 37年间昌马河流域土地利用变化的主要特征是耕地和湿地面积的缓慢增加、建设用地面积的不断扩展以及其他用地面积的减少。表明其他土地利用类型正在逐步向耕地、湿地和城市用地转变，这与该流域在经济活动、生态环境、社会发展以及政策管理方面密切相关。

5 结论

（1） 昌马河流域径流量和输沙量年内均呈单峰型分布，主要集中在7月和8月。径流量和输沙量的不均匀系数和完全调节系数呈缓慢上升趋势。水沙年内分布集中度较高，径流量的集中度均小于输沙量的集中度，输沙量比径流量年内分布更为集中。

（2） 昌马河流域径流量和输沙量均在1998年发生突变，年径流量和年输沙量分别以1.56亿m³/10 a和4.55万t/a的速率呈显著上升趋势。四季径流量与夏、秋两季输沙量也呈上升趋势，而春、冬两季输沙量呈下降趋势。0.5<H<1均表现出很强的正持续性，径流量和输沙量变化将继续与1972—2022年的变化趋势保持一致，在未来仍将保持上升趋势。年径流量和年输沙量的第一主周期均为14 a，在第一主周期14 a的尺度下副周期均为9 a，均出现了11次丰—枯交替变化。

（3） 昌马河流域年来沙系数均大于0.011，且呈下降趋势，含沙量相对减小，水沙不协调度于6—8月处于峰值，此时水沙关系最不协调。

（4） 流域径流变化主要受气候调控，贡献率为64.25%，而输沙量增加则主要由人类活动主导，贡献率为50.64%。径流受冰雪融水补给影响大，干旱时降水减少、高温消融等影响导致径流和输沙发生变化。该流域输沙主要由洪水径流控制，干旱通过径流间接影响输沙，植被对降水和径流变化敏感。

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基金资助

甘肃省水利科学试验研究及技术推广项目“金昌市水资源—经济发展—生态环境协调发展研究”(25GSLK087)

“气候变化下出山径流的不确定性分析及缺水风险评估”(25GSLK078)