退耕背景下北洛河上游水沙變化分析

劉二佳，張曉萍?，謝名禮，陳妮

(1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院研究生院，100049，北京;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

黃土高原是我國乃至世界上水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地方，其中黃土丘陵溝壑區(qū)面積約21萬km2，地形破碎，植被稀疏，面蝕、溝蝕嚴(yán)重，大多數(shù)地區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)為3 000～2萬t/(km2·a)［1］。黃河多年平均輸沙量為16億t，近10年來平均輸沙量降為7.7億t［2］，極高的侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)及高含沙水流條件造成下游河道和水庫的淤積，加劇了近年來的洪水災(zāi)害，嚴(yán)重制約該區(qū)域生態(tài)安全和社會發(fā)展［3］。20世紀(jì)末期，大規(guī)模地實施林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程，增加植被覆蓋，降低降雨動能，改善土壤結(jié)構(gòu)性，攔蓄地表徑流，減少土壤侵蝕，從而影響局部地區(qū)的水循環(huán)過程和水沙演變過程［4-6］。有關(guān)黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持措施期、退耕還林期、后退耕時代徑流量、輸沙量的變化及其影響因素、生態(tài)建設(shè)的水沙調(diào)控效應(yīng)、氣候和人類活動的貢獻率和不同水土保持措施的減水減沙效益等方面已經(jīng)有大量的研究［7-11］，這對于正確認識該區(qū)生態(tài)環(huán)境改善條件下的侵蝕產(chǎn)沙機制具有重要的作用;然而，在不同的植被分布格局和土地利用結(jié)構(gòu)背景下，流域不同時間尺度的水沙變化過程及其特點有何不同，目前并沒有清晰的認識。北洛河是黃土高原丘陵溝壑區(qū)的一條典型流域，因此，對林(草)業(yè)生態(tài)建設(shè)前后流域的水沙變化過程進行對比分析，有助于深入認識黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還林(草)前后泥沙輸移機制和土壤侵蝕規(guī)律的差別?；诖?，選擇較短時間內(nèi)土地利用/覆蓋在結(jié)構(gòu)、格局上都發(fā)生了明顯變化的北洛河上游［12］為研究區(qū)，分析在下墊面改變的條件下，流域徑流、輸沙要素在不同時間尺度上的水沙演變趨勢和特征，并對其驅(qū)動因素探討分析，不僅可為退耕還林(草)生態(tài)工程的建設(shè)和效益評價提供理論支持，而且可為該區(qū)生態(tài)建設(shè)的進一步正確配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北洛河是黃河的二級支流，流經(jīng)陜西榆林、延安、銅川、渭南4個地(市)的16個縣(區(qū))，于陜西大荔縣注入渭河，位于 E 108°32′～110°10′，N 34°33′～37°19′。其上游指吳起水文站以上的部分，流域面積3 424.4 km2，河長275 km，主河道平均比降1.6‰。位于黃土高原的腹地，是黃土高原丘陵溝壑區(qū)的第二副區(qū)，地形破碎、溝壑縱橫，山高坡陡。屬暖溫帶半干旱氣候，多年平均降雨448.7 mm(1980—2009年)，汛期占年降雨量的71.8%，常以暴雨的形式出現(xiàn)。土層深厚，以黃綿土為主要土壤類型，抗蝕性差，濕陷性大，易受流水侵蝕，容易形成洪峰尖瘦、暴漲暴落的突發(fā)性高含沙水流，是黃河中游產(chǎn)、輸沙模數(shù)較高的地區(qū)。過去由于過度農(nóng)耕和肆意放牧，形成了以農(nóng)牧用地占絕對優(yōu)勢的土地利用結(jié)構(gòu)［13］。經(jīng)過近年來持續(xù)的生態(tài)建設(shè)，該區(qū)林草覆蓋面積明顯增長，形成以落葉闊葉林及灌木草叢為主的次生植被［12］。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用北洛河上游吳起水文站(1980—2009年)的月流量、月輸沙量數(shù)據(jù)以及吳起氣象站點1980—2009年逐日降水量數(shù)據(jù)分析水文氣象要素的變化。

2.2 研究方法

2.2.1 Pettit突變檢驗 利用Pettit非參數(shù)檢驗法可以避免異常值的干擾以及數(shù)據(jù)分布特征的影響，研究水文氣象要素的變化特征，確定其突變點［14-15］。對于具有N個樣本的時間序列，構(gòu)造統(tǒng)計量

式中 j和 t=2，…，N。令 xj-xk=θ，則 sgnθ值由下式確定:

可知，Ut，N為x序列(徑流量)第i個數(shù)值大于或者小于第j個數(shù)值的累積數(shù)。

原假設(shè)認為時間序列的突變不顯著，而備擇假設(shè)認為時間序列的變化趨勢顯著，其統(tǒng)計量

統(tǒng)計量的顯著性檢驗

2.2.2 降雨侵蝕力的計算

采用章文波等［16］的降雨侵蝕力模型對吳起氣象站的年降雨侵蝕力進行計算，公式為:

式中:Mi為第 i年的降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h);k為一年內(nèi)的時間;Dj為年內(nèi)第j日的侵蝕性降雨量，其中，以12 mm 為侵蝕性降雨的標(biāo)準(zhǔn)［17］，小于12 mm的次降雨按0處理，mm;Pd12為日均雨量2 mm(以上)的日均降雨量，mm;α和β為參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流、輸沙變化時段的確定

降雨是徑流的直接來源，侵蝕是產(chǎn)沙的根本動力，降雨侵蝕力是評價輸沙的最好指標(biāo)［18］，基于此，分別選用徑流量-降雨量和輸沙量-降雨侵蝕力雙累積曲線確定北洛河上游1980—2009年水沙變化特征。由圖1和2可知:這2條曲線均在1994年和2002年左右發(fā)生了2次明顯的突變;但是1994年斜率的變化是由于極端降水事件引起的［11］，并非下墊面條件明顯改變。

圖1 徑流量-降雨量雙累積曲線Fig．1 Double accumulative curve of annual volume of runoff and rainfall

圖2 輸沙量-降雨侵蝕力雙累積曲線Fig．2 Double accumulative curve of annual sediment discharge and rainfall erosivity

為進一步驗證水沙的突變特征，采用Pettit方法判定了水沙突變發(fā)生的確切時間(圖3)，可以看出，在99%信度水平下，年徑流量、輸沙量的統(tǒng)計檢驗指標(biāo)均在2002年出現(xiàn)最低點，說明年徑流量、輸沙量從此年份開始發(fā)生明顯變化;因此，為研究退耕還林前后的水沙變化特征，將徑流、輸沙變化劃分為1980—2002年和2003—2009年2個時段。

圖3 Pettit臨界年份檢驗圖Fig．3 Pettit test for detecting changes of annual volume of runoff and sediment discharge

3.2 年時間尺度

3.2.1 徑流量的年變化特征對比 從年徑流量隨時間變化(圖4(a))可以看出:1980—2002年期間，徑流量波動較大，呈顯著增加趨勢，多年平均徑流量為0.96億m3/a，最大值出現(xiàn)在1994年，為3億320萬m3，是多年平均值的3.16倍，大于平均值的年份有7年，占30.43%，小于多年平均值的年份有16年，占69.57%;2003—2009年，徑流量波動較小，呈顯著下降趨勢，最高值出現(xiàn)在2007年，為7 100萬m3，且多年平均徑流量小于1980—2002年，為5 400萬m3，其中大于多年平均值的年份 2年，占28.57%，小于平均值的年份有5年，占71.42%。

圖4 北洛河上游徑流量和輸沙量的年際變化Fig．4 Annual volume of runoff and sediment discharge change in the upper catchment of Beiluo River

3.2.2 輸沙量的年變化特征對比 人口壓力、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地的經(jīng)營方式是輸沙量變化的最主要原因［19］。從輸沙量隨時間的變化(圖4(b))可以看到:1980—2002年輸沙量上下波動較大，呈顯著增加趨勢，多年平均輸沙量為3 500萬t，1994年8月31日出現(xiàn)過1次50年一遇的特大暴雨，使得滯留在坡腳、溝底、陷穴等位置的侵蝕物質(zhì)幾乎全部被沖刷和搬運到河道，導(dǎo)致當(dāng)年的輸沙量大幅增加，輸沙量達到2億200萬t，是多年平均值的5.78倍，說明流域內(nèi)缺少水利工程分蓄洪水。大于平均值的年份有6年，占26.09%，小于多年平均值的年份有17年，占73.91%;2003—2009年，輸沙量波動較小，呈顯著下降趨勢，多年平均輸沙量小于1980—2002年，為600萬t;峰值出現(xiàn)在2004年，為1 400萬t，是平均值的2.33倍;大于多年平均值的年份有4年，占57.14%;小于平均值的年份有3年，占42.86%:表明雖然人口的增加，城鎮(zhèn)化的發(fā)展，以及大規(guī)模的開采資源造成輸沙量一定程度的增加［20］;但是大面積的森林覆蓋和良好的植被對于減沙起到了關(guān)鍵性的作用，從另一個方面也說明了國家相關(guān)政策法規(guī)執(zhí)行力度較好，規(guī)劃措施得到合理的落實。

3.3 月時間尺度

3.3.1 流量變化特征對比 月降水量與月均流量變化過程如圖5所示。1980—2002年月均流量介于0.54～10.89 m3/s之間，隨著月降水量的增大，月均流量在1—3月期間顯著增加，在3—5月明顯降低，5—8月顯著增大;8—12月，隨著月降水量的減小，月均流量逐漸減小。2003—2009年月均徑流量介于0.46～3.59 m3/s之間，月徑流量變化過程與第1階段基本相同，但是1—3月，當(dāng)降雨量從3.54 mm增加到9.64 mm時，月均流量的變化率大于1980—2002年，3—12月月均流量的變化率小于第1階段。從圖6可以看出徑流的年內(nèi)分配呈明顯的雙峰型分布，最大流量出現(xiàn)在8月，1980—2002年和 2003—2009年汛期流量分別占全年的66.06%和46.39%，10月—翌年2月流量分別占全年的14.61%和22.54%，3—5月流量分別占全年的19.34%和31.07%。分析其原因，退耕還林(草)工程的實施使得6—9月大量徑流滯蓄，削減汛期水量。

圖5 不同階段降雨量-月均流量過程圖Fig．5 Process diagram of rainfall amount-monthly mean discharge in different periods

3.3.2 輸沙率變化特征對比

圖6 不同階段月均流量的變化Fig．6 Average monthly discharge in different periods

1980—2002年月均輸沙率介于0.15～6 500.57 kg/s之間(圖7)，變幅較大，月均輸沙率變化過程為:1—8月，無論月均流量是增大還是減小，其月均輸沙率都在增大;8—12月，隨著月均流量減小，月均輸沙率減小，月均流量-月均輸沙率整個變化過程基本呈現(xiàn)8字形。2003—2009月均輸沙率隨月均流量的變化過程大致與第1階段相似，同樣呈現(xiàn)8字形格局，不同之處在于，3—4月月均輸沙率隨月均流量減小而減小，其余月份月均輸沙率的變幅及變率小于1980—2002年。由圖8可知，泥沙的年內(nèi)分配曲線呈單峰型，最大輸沙率也出現(xiàn)在8月，相比之下，1980—2002年和2003—2009年汛期輸沙率分別占全年的96.31%和94.52%，10月—翌年2月輸沙率分別占全年的0.37%和0.78%，3—5月輸沙率分別占全年的3%和4%，1980—2002年最大月均輸沙率(6 500.57 kg/s)是 2003—2009年(965.76 kg/s)的6.73倍。

由上述分析可見，在黃土丘陵溝壑區(qū)，可蝕性物質(zhì)存在“儲存-釋放”的過程。10月—翌年5月為儲備期，地表物質(zhì)風(fēng)化、凍融作用以及人類活動使得地表儲存了大量的可蝕性物質(zhì)，在6—9月，隨著降雨的增多，降雨強度的增大，前期儲存的物質(zhì)被大量釋放，不存在泥沙供應(yīng)不足的現(xiàn)象，為高含沙水流的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ);但是由于植被可以增加地表粗糙率，減小風(fēng)速，降低流速，穩(wěn)固土壤，使得泥沙輸移大幅減少。

4 不同階段水沙過程差異的原因分析

圖7 不同階段月均流量-月輸沙率過程圖Fig．7 Process diagram of average monthly dischargesediment discharge in different periods

圖8 不同階段月均輸沙率變化Fig．8 Average monthly sediment delivery in different periods

流域水沙的演變過程受多種因素的影響，如地形地貌特征、雨滴濺蝕能力、徑流的輸沙能力、土壤的抗侵蝕能力、植被覆蓋度以及土地利用方式和水利水土保持工程措施等方面的綜合作用。

4.1 降雨因素

從降雨量、降雨侵蝕力隨年份變化的曲線(圖9)可以看出:2003—2009年，年降雨量和降雨侵蝕力分別由1980—2002年的446.48 mm和1392.79 MJ·mm/(hm2·h)減小至 441.99 mm 和 1 249.59.74 MJ·mm/(hm2·h)，變幅分別為 10.06% 和 10.28%;因此，2003—2009年的降水具有減少徑流和輸沙的潛在條件，但減少幅度較小，而徑流量和輸沙量較1980—2002年明顯減少。說明林草措施所造成的侵蝕環(huán)境的改變是水沙急劇減少的主導(dǎo)因素。

圖9 北洛河上游1980—2009年降雨量和降雨侵蝕力的變化Fig．9 Rainfall amount(a)and rainfall erosivity(b)change in the upper catchment from 1980 to 2009

4.2 人類活動因素

人類活動對水沙過程演變的影響主要表現(xiàn)土地利用方式和強度、植被覆蓋度和格局的演變以及水利水土保持工程措施的實施。在各項水土保持措施中，淤地壩對于輸沙率減少的貢獻率遠高于其他措施，平均攔沙壽命為10年左右［21-22］。同時，北洛河上游的水土保持工程大部分修建于20世紀(jì)80年代以前，且在70年代發(fā)揮了主要的減沙效益，多數(shù)已經(jīng)淤滿。截至2004年流域內(nèi)共修建淤地壩95座，占流域總面積的7.1%，規(guī)模小。對于1980—2009年而言，淤地壩發(fā)揮的減沙效益已經(jīng)十分有限，因此工程措施對流域徑流和泥沙變化的貢獻很小。通過對1997年和2002年TM遙感影像解譯可知，農(nóng)耕地面積減少幅度達21.31%，高覆蓋度的草地面積由49.4 km2增加到532.8 km2，林地(包括灌木)增加幅度達38.73%，大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)成為評價期內(nèi)流域徑流和泥沙變化的重要原因。植被通過影響地表粗糙度、徑流量、入滲量、行洪路徑，從而使產(chǎn)匯流過程發(fā)生改變，減少了徑流攜沙能力。流域內(nèi)的退耕還林工程主要在1999年實施完成，但徑流和輸沙在2002年開始出現(xiàn)顯著變化，說明植被重建對流域水沙的有效調(diào)控具有一定的滯后期。

為了更好地反映水沙演變對人類活動的響應(yīng)特征，剔除降雨等自然因素的影響，分別采用單位降雨條件下的產(chǎn)流率(標(biāo)準(zhǔn)化徑流量，單位為m3/mm)和單位降雨侵蝕力輸沙量(輸沙量負荷，單位為t/(MJ·mm·hm2·h))反映徑流、泥沙對下墊面條件改變的響應(yīng)。1980—2002年和2003—2009年平均標(biāo)準(zhǔn)化年徑流量分別為21.34萬和12.51萬m3/mm，平均輸沙量負荷分別為 2.31 萬、4 300 t/(MJ·mm·hm2·h)，減水、減沙效應(yīng)分別為41%和81%。這就意味著在黃土丘陵溝壑區(qū)，通過植被重建減少河道的輸沙，必將減少一定數(shù)量的徑流;因此，面對我國黃河下游水資源嚴(yán)重不足的形勢，在黃土高原地區(qū)通過植被建設(shè)控制水土流失、調(diào)控河道水沙，必須考慮區(qū)域水資源承載力和水環(huán)境容量的限制，合理確定生態(tài)建設(shè)的實施范圍和規(guī)模。

5 結(jié)論與討論

1)雙累計曲線和Pettit突變檢驗表明，1980—2009年北洛河上游徑流、輸沙變化可以分為1980—2002年和2003—2009年2個階段。

2)受降雨和人類活動的影響，年時間尺度上，1980—2002年期間，徑流量、輸沙量波動較大，呈顯著增加趨勢，2003—2009年，徑流量、輸沙量波動較小，呈顯著下降趨勢，多年平均徑流量、輸沙量小于1980—2002年。

3)在月時間尺度上，受自然和人類活動的影響，1980—2002年與2003—2009年月降水量與月均流量過程基本相同，月均流量和輸沙率關(guān)系基本呈現(xiàn)順時針的8字形，不同之處在于變幅及變率不同。徑流的年內(nèi)分配呈雙峰型，泥沙的年內(nèi)分配呈單峰型，最大流量均出現(xiàn)在8月，1980—2002年年均產(chǎn)流的66.06%發(fā)生在汛期，年均產(chǎn)沙量的96.31%在該時段內(nèi)產(chǎn)沙，而2003—2009年，汛期46.39%徑流產(chǎn)生了94.52%的泥沙，說明植被覆蓋度的增加，汛期減水幅度要比減沙幅度大。

4)驅(qū)動力分析可知，2003—2009年，降雨量和降雨侵蝕力減小幅度分別為10.06%和10.28%，降水具有減少徑流和輸沙的潛在條件，但減少幅度較小。林草重建是水沙大幅減少的主導(dǎo)因素。植被的減水、減沙效應(yīng)分別為41%和81%。

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