禿尾河流域水土保持措施對河流泥沙變化的影響*

周 旭,穆興民,2,張 鑫,嚴寶文

（1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊陵712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊陵 712100）

河流水沙變化是氣候和土地利用變化環(huán)境效應研究的重要內(nèi)容[1-2]。其研究對黃河流域泥沙治理有重要意義。國際上,在 IHP、WCRP、IGBP、GWSP等研究計劃中都不同程度的涉及土地利用/覆蓋變化(LUCC)與水文科學關系方面的工作,相應的水文效應方面也有大量研究成果[3]。但因研究方法和技術的缺陷或不足,立足水文法、水保法及水文模型法的研究成果不能滿足水土保持、水資源配置等的決策與建設需要。目前,黃土高原的水土保持工程已達到相當規(guī)模,顯著地改變了流域的下墊面條件,而近50余年來禿尾河流域徑流及輸沙特征發(fā)生了很大的變化,但已有對河龍區(qū)間支流的變化研究略顯不足,不利于以全面評價水土保持工程的作用。本文以地處多沙粗沙區(qū)的禿尾河流域為例,依據(jù)實測資料,分析了降水、輸沙變化趨勢以及水沙變化的臨界年份,定量計算出不同時段泥沙衰減量以及由于降水的變化和水土保持措施影響導致的減沙量所占比重,從而分離出水土保持措施對輸沙量的影響,為水土保持措施擾動下的水文效應評價提供一定的基礎。

1 研究區(qū)概況

禿尾河發(fā)源于陜西神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)宮泊海子[4],自西北向東南流經(jīng)瑤鎮(zhèn)、公草灣、古今灘、高家堡,在萬鎮(zhèn)的河口岔村注入黃河,是黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土流失最嚴重的多沙支流之一。干流全長139.6 km,流域面積 3 295 km2,地勢總體呈東南低,西北高;流域地處干旱、半干旱地區(qū),屬大陸性氣候,冬季干冷,夏季炎熱,其多年平均降水量417.4 mm(1956-2000年),區(qū)域內(nèi)植被稀少。流域分為4個地貌類型區(qū)[5]:草灘區(qū),流動風沙區(qū),蓋沙區(qū),黃土丘陵區(qū)。禿尾河流域較大規(guī)模治理始于20世紀70年代初,至1996年底,流域水土保持措施總保存面積占水文站以上流域面積的35.1%,均是以植被措施為主的治理類型區(qū)。流域內(nèi)資源豐富,經(jīng)濟發(fā)展迅速,總?cè)丝诩s5萬人,人口密度為45.17人/km2;經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主,改革開放以來,煤炭開采業(yè)得到了迅猛發(fā)展,同時也帶動了本區(qū)運輸、建筑、原材料加工及服務性行業(yè)的發(fā)展。有在建、規(guī)劃的2片大型工業(yè)園區(qū),禿尾河將成為當?shù)匕l(fā)展的重要水源[6]。

2 資料與方法

2.1 資料情況

采用的禿尾河流域1956-2007年降水、徑流、泥沙資料來自于黃河流域水文年鑒;流域面平均降雨量采用公草灣、高家堡、高家川三站算術平均值[7],其中1996-2007年面降雨量根據(jù)榆林站雨量資料延展得到。高家堡1967年設站,其缺少泥沙資料按照高家堡-高家川輸沙相關線插補展延得到的。降雨和輸沙年內(nèi)變化特征依據(jù)1956-1990年相應序列分析,年際變化分析時選擇相應序列為1956-2007年。高家堡站位于流域的中游,高家川位于流域的下游,是禿尾河流域的把口站。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall秩相關分析方法 降水及泥沙的變化趨勢和突變點分析采用Mann-Kendall秩相關分析方法進行統(tǒng)計分析。該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,由于其不要求所分析數(shù)據(jù)服從某一概率分布,同時也不受個別異常值的干擾,能夠客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢,且其趨勢檢測能力與參數(shù)趨勢檢測方法相同,因而被廣泛應用于氣候參數(shù)和水文序列的分析中。這一方法的核心是通過統(tǒng)計學方法檢驗時間序列要素均值變化的確切時間來確定躍變變化的確切時間。

2.2.2 時間序列的對比分析法 對比分析法是依據(jù)治理和非治理期集水區(qū)的實測資料,分析不同水土流失治理情況下的水文效應,它包括集水區(qū)對比分析和時間序列對比分析法。時間序列對比分析法主要以同一流域為研究對象,根據(jù)相同水文站實測資料,通過分析實行治理前后水文要素的變化,評價水土保持對流域水沙的影響。應用時間序列對比分析法的技術關鍵是確定治理前后臨界年份[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特性

3.1.1 降水量年內(nèi)分配 禿尾河流域降水量年內(nèi)分配不均,6-9月面平均降水量占年值76.4%;汛期降水量集中于7-8月,其多年平均降水量為213.6 mm,占多年均值的51.6%,占汛期多年均值的67.6%。最大月降水量發(fā)生在8月,最小月降水在12月。流域面平均降水量季節(jié)分配如圖1所示。

圖1 禿尾河流域面平均降雨量季節(jié)分配

3.1.2 降水量年際變化 禿尾河流域多年平均降水量413.9 mm,在20世紀70年代以前年際變化比較大,最大年降水量694.7 mm(1958年),最小年128.7 mm(1965年),極值比為5.4。各年代降水量中,20世紀50年代降水量最大為536.5 mm,其次是60年代為456.0 mm,之后亦逐漸減小,70,80年代比較接近,2000年以后降水又有所增加,如圖2所示。

采用Mann-Kendall秩相關分析方法檢驗(如圖3),表明:禿尾河流域自1956年以來降水量隨機變化劇烈,且整體有下降的趨勢,但沒有達到0.05信度的顯著性水平。

圖2 禿尾河流域降雨量累計距平及實測降雨年際變化過程

3.2 泥沙特性分析

3.2.1 輸沙量的年內(nèi)變化 禿尾河年均輸沙量2 380萬t,年內(nèi)分配主要集中于汛期(6-9月),尤其是7-8月(見表1)。汛期平均輸沙量占全年輸沙量的89.7%,其中7-8月輸沙量占81.2%。最大月輸沙量(7月)占全年輸沙量的41.5%,最小月輸沙量(1月)占全年輸沙量的0.1%。可以看出禿尾河流域輸沙量年內(nèi)分配極不均勻。這種變化可能受暴雨洪水影響所致,因為輸沙量的大小變化與暴雨洪水的關系密切相關,而暴雨洪水大都發(fā)生于汛期,所以輸沙量的年內(nèi)分配主要集中于汛期。

圖3 禿尾河流域降水量趨勢變化分析

表1 禿尾河流域主要測站輸沙量年內(nèi)特征

3.2.2 輸沙量的年際變化 禿尾河輸沙量的年際變化劇烈,把口站多年平均輸沙量1 872.4萬t,最大年7 250萬 t(1959年),最小年210萬 t(1965年),極值比達34。該流域在20世紀50年代輸沙量最大,年均輸沙量為4 061萬t,到了60年代輸沙量下降到了 3 115.4萬t,80年代減到了最小值996.5萬t,在90年代初由于降水量的增加,導致輸沙量減小幅度減弱,2000年之后盡管降雨量仍在增加,但輸沙量顯著減小,查閱相關文獻[4],至1996年底,禿尾河流域水土保持措施總保存面積已占水文站以上流域面積的35.1%,說明水土保持工程發(fā)揮了很大的攔沙作用(見圖4)。

計算出高家堡和高家川站的徑流變差系數(shù),綜合比較徑流與輸沙的年際變化差異,詳見表2?？梢钥闯?各站泥沙的CV,S值均大于對應徑流的CV,Q值,CV,S/CV,Q的比值在2.5～3.7之間變化。即說明禿尾河流域泥沙的年際變化遠遠大于徑流的年際變化。其中泥沙的CV,S值從上游向下游逐漸減小,各站CV,S值介于0.84～0.95之間;而徑流的CV,Q值則是逐漸增加的。

表2 禿尾河流域各代表站年輸沙量變化特征

圖4 禿尾河流域輸沙量累計距平及輸沙年際變化過程

3.3 水土保持措施對流域輸沙的影響

影響流域泥沙變化的因素主要包括氣候條件、流域下墊面條件及人類活動等3個方面[10]。就同一流域而言,年際間流域面積是相對穩(wěn)定的,變化的是降雨因素和人類活動。流域降水是地表產(chǎn)沙的動力條件,其時空分布對流域產(chǎn)水產(chǎn)沙有直接影響,而水土保持,土地利用等人類活動改變了流域下墊面條件,使產(chǎn)匯流機制發(fā)生了變化,故人類活動和降雨的變化是導致水沙量變化的根本和直接原因。

禿尾河流域受人類活動影響因素比較單一,流域水土流失治理程度較高,較大規(guī)模治理始于20世紀70年代初,此前可基本視為天然狀態(tài)。20世紀80年代初禿尾河流域累計治理面積占流域面積的比例達到10%以上。到1996年底,禿尾河流域水土保持措施總保存面積已占水文站以上流域面積的35.1%。禿尾河梯田和壩地的面積比例很小,而林草措施面積比例較高,它代表了以植被措施為主的治理類型區(qū)。流域內(nèi)水利工程如水庫等[4-5],都是小型水庫,相對于林草工程措施面積而言,所占比重不大,因此,本文認為禿尾河流域泥沙變化的主要影響因素為水土保持措施和降水的變化。

3.3.1 流域輸沙量變化的臨界年份 流域輸沙量發(fā)生趨勢性躍變的臨界年份如圖5所示。分析表明:在95%信度水平下,禿尾河流域輸沙量在多年變化中呈明顯下降趨勢,且從1977年開始發(fā)生突變。臨界年份前后平均輸沙量分別為3 170萬 t、1 050萬t。與前期相比,在面平均降水量減小15%的情況下,流域輸沙量減小幅度達66.9%,汛期輸沙量減少了2 024.82萬t,減小幅度為69.7%。所以初步認為流域水土流失治理對輸沙量的趨勢性減少起主要作用。

圖5 禿尾河流域多年平均輸沙量趨勢變化分析

為了更好地量化水土流失治理前后輸沙量的變化情況,結(jié)合降水-輸沙雙累積曲線進行分析,見圖6?？梢钥闯?在1965年曲線斜率發(fā)生較小變化,經(jīng)分析,高家川站自1965年遷站,控制面積由原來3 295km2變?yōu)? 250 km2,輸沙量的微小變化可能與流域面積變化有關;1977年開始曲線斜率明顯減小,這與20世紀70年代大規(guī)模水土流失有密切關系;1989年曲線斜率有所增加,到2000年又開始減小。故將流域水沙變化時段劃分為5個,即:Ⅰ(1956-1964年)、Ⅱ(1965-1976年)、Ⅲ(1977-1988年)、Ⅳ(1989-1999年)、Ⅴ(2000-2007年)。

圖6 禿尾河流域降水量-輸沙量雙累計曲線

3.3.2 水土保持措施對不同時段流域輸沙變化的影響 為了消除雨量影響[13],令

式中:E——侵蝕率(或產(chǎn)沙系數(shù))(t/mm),則

令相鄰時段的平均值各為WS1,WS2,P1,P2及E1,E2。對WS=E×P取全微分,并以差分式表示為

式(3)也可寫成ΔWS=ˉPΔE+ˉEΔP的形式。

結(jié)合降水-輸沙累計曲線和式(3),計算得禿尾河流域輸沙量各階段的變化量(見表3)。

在治理前期,即第Ⅰ(1956-1964年)至第Ⅱ(1965-1976年)階段,降雨對輸沙衰減量的影響為775.3萬t,水土保持影響為50.1萬t,雨量影響和水土保持影響分別占93.9%、6.1%,說明禿尾河流域在20世紀70年代以前受人類活動影響較弱,泥沙變化主要是由降水變化引起的;而在第Ⅱ(1965-1976年)至第Ⅲ(1977-1988年)階段,降雨影響為68.4萬t,水土保持影響高達1 602.5.9萬t,二者所占比例分別為4.1%、95.9%。可以看出,在這一階段輸沙量衰減水土保持措施起了主導作用,降雨影響明顯減弱。

在第Ⅲ(1977-1988年)至第Ⅳ(1989-1999年)階段,降雨影響為144.2萬t,水土保持影響為161.1萬t,由于這一階段降雨量的增加,使得二者所占比例分別變?yōu)?7.2%、52.8%,也說明該階段輸沙的少量增加是受降雨影響所致。在第Ⅳ(1989-1999年)至第Ⅴ(2000-2007年)階段,降雨影響為137.17萬 t,水土保持影響為1 073.57萬t,二者所占比例分別為11.3%、88.7%。這一階段,盡管降雨量仍在增加,但水土保持對泥沙影響程度仍占很大比重,說明禿尾河流域20世紀70年代輸沙衰減的主要驅(qū)動力是水土保持措施,這也肯定了近年來水土流失治理取得的成效。

3.3.3 水土保持措施對流域輸沙年內(nèi)變化的影響

利用中的ΔP項對臨界年份之后的輸沙序列修正,分離出降水對輸沙的影響,以此來反映前后期水土保持措施對流域輸沙年內(nèi)變化的影響,結(jié)果見表4。分析表明,水土流失綜合治理使月輸沙量減少,但不同月份輸沙減少程度差異較大。與前期相比,7-8月輸沙減少幅度為25.5%,6-9月輸沙減少幅度為 24.4%,而枯水期(10月-翌年 5月)僅為4.9%。說明水土保持措施對流域7、8月份輸沙量影響最大,對其它月份減沙作用不是很顯著。

表3 禿尾河流域不同時段輸沙量衰減原因分析

表4 修正后前后期流域輸沙量年內(nèi)變化

4 結(jié)論

(1)禿尾河流域面平均降水量趨勢性變化不顯著,降水年內(nèi)分配不均。流域輸沙年際變化很大,輸沙量變差系數(shù)為0.84～0.95,泥沙的年際變化遠遠大于徑流的年際變化。輸沙量發(fā)生突變的臨界年份為1977年。

(2)不同時段水土保持措施對流域輸沙變化的影響差異很大。采用降雨-輸沙量雙累計曲線,定量計算了5個時段降水變化和水土流失治理導致的減沙量及其所占比重,結(jié)果表明水土保持措施是禿尾河流域20世紀70年代輸沙衰減的主要驅(qū)動力。

(3)水土流失綜合治理使月輸沙量減少,但不同月份輸沙減少程度差異較大。與前期相比,7、8月份輸沙減少幅度為25.5%,6-9月輸沙減少幅度為24.4%,而枯水期(10月-翌年5月)僅為4.9%。說明水土保持措施對流域7,8月份輸沙量影響最大,對其它月份減沙作用不是很顯著。

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