黃土丘陵區小流域土地覆被變化對徑流產沙量的影響

趙 陽,曹文洪,謝 剛,成 晨,殷小琳,劉 冰,張曉明

(中國水利水電科學研究院,流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京100048)

黃土丘陵區小流域土地覆被變化對徑流產沙量的影響

趙 陽,曹文洪,謝 剛,成 晨,殷小琳,劉 冰,張曉明*

(中國水利水電科學研究院,流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京100048)

為探討黃土丘陵區小流域土地覆被變化特征及其對流域徑流產沙量的影響,以黃土丘陵區呂二溝、羅玉溝及其嵌套流域(橋子溝)等3個小流域為研究對象,運用數理統計學、配對流域等方法定量分析了3個小流域不同研究時段內土地覆被變化對徑流產沙量的影響.結果表明,1982～2004年間,林地面積以1.07%/a的速率快速遞增是呂二溝流域土地覆被變化的最明顯特征,而羅玉溝流域在國家坡改梯工程影響下,坡耕地面積大幅減少,1986～1995年間約73%坡耕地轉化為梯田;結合配對流域法可知,土地覆被變化是導致流域徑流和產沙減少的主要原因,在相同降雨條件下,徑流深、泥沙量分別減少43.76%和35.23%.流域年徑流模數與年降水量和流域森林覆被率均呈指數關系,流域森林覆被率增加5%,徑流模數可減少18.43%～37.58%.

黃土丘陵區；土地覆被變化；徑流；產沙；配對流域法

土地覆被變化被認為是影響流域水文過程的關鍵因素之一[1].一方面,土地覆被變化會通過改變地表粗糙度及下墊面土壤物理特征,對地表徑流、泥沙的產生、流域地下水形成以及水資源的時空分配造成影響[2-3];另一方面,土地覆被變化,尤其是森林面積變化會通過改變地表蒸散發特征,對流域水量平衡產生影響[4].黃土高原作為我國乃至全球水土流失狀況最為嚴重的地區[5],近年來,隨著開發建設項目的不斷增多,人類活動強度的不斷加大,區域土地覆被狀況發生了較大變化,由其引發的區域環境改變已經對該地區生態環境、水土流失、水文水資源狀況產生了重大影響,由此而引發的水資源減少以及水土流失問題,已經得到了國內外學者的廣泛關注[6-8].為此,加強土地覆被變化下的水文響應研究,尤其是森林植被變化與水文過程的耦合作用研究,對理解黃土丘陵區水循環規律有重要的理論指導意義.

當前,流域尺度徑流產沙對土地覆被變化的響應,尤其對森林植被變化的生態水文響應研究日益引發廣泛關注[9-11].發展至今,有關植被與徑流產沙的相關研究已較為深入.Imeson等[12]認為植被與徑流產沙的相關研究可分為3類:其一,微尺度生物過程對土壤可蝕性的影響[13-14];二,探討植被及地被物層如何減緩徑流流速、減少雨滴擊濺等[14];三,探討空間非連續的植被分布格局與徑流、產沙源匯區的相關關系[15-16].采用的方法主要包括:實驗室模擬[17],野外配對流域觀測[18],水文模型模擬[19-20],數理統計分析[11]等方法.本研究在結合前期工作基礎之上,以黃土丘陵區3個小流域為對象,探討了小流域尺度土地覆被變化對流域徑流產沙量的影響,研究結果旨在為黃土丘陵區植被重建,水土資源合理配置以及改善流域水資源狀況等提供參考.

1 研究區概況

呂二溝、羅玉溝流域及其嵌套流域(橋子溝)等3個小流域均位于甘肅省天水市境內(圖1),屬黃土丘陵溝壑區第三副區.羅玉溝流域多年平均降水量549mm,多年平均干旱指數1.3,年平均氣溫10.7℃;呂二溝流域多年平均降水量534mm,多年平均干旱指數為1.74;山地灰褐土是以上研究流域典型地帶性土壤,其中,羅玉溝流域喬木樹種主要有銀白楊(Populus olba)、旱柳(Saliχ malsuclama Roidz)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、側柏(Platycladus orientalis)等;呂二溝流域上游農田較少,植被較好,主要樹種為刺槐(Robinia pseudoscacia)、旱柳(Saliχ malsuclama Roidz)等.各流域具體信息見表1.

圖1 研究流域位置示意Fig.1 Location of the study watersheds

表1 研究流域地形特征Table1 Topography character of the study watersheds

2 研究方法

2.1 流域降水、徑流、泥沙資料收集

數據選用黃河水利委員會天水水土保持試驗站羅玉溝、呂二溝以及橋子溝3個試驗流域自1986～2004年(其中,由于觀測站建站時間原因,呂二溝流域定位觀測時間可延長至1982年)的定位觀測的降水、徑流、泥沙資料.

2.2 降水、徑流、泥沙觀測方法

研究流域降水量觀測均使用JDZ-1型數字雨量計和筒徑為20cm的雨量筒進行觀測.其中,羅玉溝流域內均勻布設趙家灣,廖家陷等9個觀測點;呂二溝流域內均勻布設6個觀測點;橋子溝流域均勻布設4個觀測點.

呂二溝、羅玉溝以及橋子西溝流域溝口徑流站均為梯形斷面,而橋子東溝徑流站為三角形斷面;徑流流速采用浮標法測定;泥沙采用人工取樣法觀測,取樣次數與測流次數基本相同,泥沙樣采用置換法處理.

2.3 配對流域法

Huang(2003)等[21]研究認為配對流域法是研究小流域土地利用變化對徑流影響的有效方法.目前,該方法已被廣泛應用于流域尺度林水關系研究,尤其在研究森林采伐以及森林植被恢復對流域水沙過程影響等方面應用較為廣泛[22].為研究流域土地覆被變化對徑流泥沙的影響,本文采用配對流域法分析了相同降水條件下橋子東溝與橋子西溝流域徑流產沙狀況.

2.4 流域土地利用變化

選取羅玉溝流域1986、1995年TM影像、2004年的 spot影像以及呂二溝流域1982、1989TM影像、2004年SPOT影像,運用ERDAS IMAGINE軟件和ArcGIS的空間分析功能,同時結合流域實測資料,得到研究流域不同時段的土地覆被情況.利用1:1萬地形圖為基準,利用二次多項式變化模型建立遙感影像和地形圖間的像元對應關系,經幾何校正的圖像誤差不超過0.5個像元.然后將校正后的影像進行拼接,采取人機交互式解譯方法,參考研究區野外實測資料對研究區遙感影像進行解譯,建立3期土地利用數據庫,并參考《中國土地分類系統》(2001)[23],將土地利用類型分為6類:坡耕地、梯田、居民用地、果園、林地和草地.

3 結果與分析

3.1 流域土地覆被變化特征

圖2 3個流域不同時期土地覆被類型變化Fig.2 Land cover change of the three watersheds in different period

由圖2可知,坡耕地急劇減少,梯田迅速增加是羅玉溝流域1986～1995年間土地利用變化最明顯的特征之一,隨著20世紀80年代中后期流域坡改梯工程的大力實施,1986～1995年間,羅玉溝流域73%的坡耕地轉化為梯田;此外,林地面積1986～2004年間增加5.32%,果園與居民用地面積均小幅增加,分別為0.38%和0.23%,草地面積呈減少趨勢,研究時段內減少1.51%;就呂二溝流域而言,隨著20世紀80年代中期封育等生態恢復治理工程的實施,林地面積逐漸增加,果園面積急劇減少是該流域研究時段內土地覆被變化的最明顯特征,具體表現為:林地大幅增加24.52%,草地與果園大幅減少,分別為13.43%和10.24%,居民用地小幅增加0.63%,坡耕地和梯田小幅減少,分別為0.07%和1.41%;橋子溝作為羅玉溝流域的一個支溝,其土地覆被變化趨勢與羅玉溝流域基本一致.具體表現為:近年來隨著水土流失治理工程的實施及其他人為干擾的不斷增強,橋子東溝流域土地利用發生劇烈變化,坡改梯工程致使坡耕地面積大幅減少47.83%,梯田面積大幅增加26.57%;隨著后期退耕還林及開發建設項目的開展,梯田面積小幅縮小,林地等水土保持措施得到進一步推廣,1986～2004年間林地面積增加17.98%,居民用地面積增加3.28%,而草地面積變化微小.橋子西溝作為對照流域,1986～2004年間,流域土地利用變化不大(圖2).

3.2 流域降水徑流輸沙變化規律

3.2.1 流域降水年際變化特征 由圖3知,羅玉溝和呂二溝流域降水量年際間呈現波動減少趨勢,變異系數CV分別為0.22和0.27,說明呂二溝流域年降水量年際間波動幅度更大.此外,羅玉溝流域多年平均降水量為548.9mm;呂二溝流域多年平均降水量為579.1mm.2個研究流域年降水量均在2003年達到最大值,其中,羅玉溝流域2003年降水量達到842.01mm,而呂二溝流域2003年降水量達到923.05mm,年降水量極大值的出現與2個研究流域2003年8.25以及9.5特大暴雨的發生密切相關.

3.2.2 流域年徑流輸沙變化規律 徑流系數是流域匯水面積內總徑流量與降水量的比值,在降水類型變化不大情況下,它能在一定程度上排除降水因素對徑流的影響,可綜合反映流域內自然地理要素對徑流的影響.由圖4可知,羅玉溝流1986～2004年間徑流系數呈現明顯減少趨勢( P=0.004),且變異系數CV為0.83,說明流域徑流系數年際間離散程度較高,變化差異較大,其中,流域徑流系數最大值出現在1988年,1997年達到最小值;呂二溝流域徑流系數同樣呈現減少趨勢,但減少趨勢并不明顯( P=0.083),變異系數CV為0.95,呂二溝流域徑流系數最大值出現在1997年.結合流域降水年際變化特征分析(圖3)及相關文獻資料可以發現[20],羅玉溝及呂二溝流域研究時段后期年徑流系數出現較大波動的原因主要與流域內降雨類型年際變化相關.參考相關研究結果可以發現[20,22],羅玉溝流域侵蝕性降水占流域降水比例1986～2004年間變化不明顯,但1988、1999、2001以及2003年汛期均有特大暴雨、暴雨出現;呂二溝流域1985、1997、2003年侵蝕性降水同樣較多.暴雨情景下,流域產流形式多以超滲產流為主,為此,暴雨等極端天氣的出現是流域年徑流系數發生較大波動的主要原因.此外,由圖5可知,2個研究流域輸沙量變化趨勢與流域徑流變化趨勢基本一致,總體呈下降趨勢,說明流域徑流輸沙關系具有一致性,即徑流較大的年份對應輸沙量較大.

圖3 羅玉溝和呂二溝流域降水量年際變化趨勢Fig.3 Trend analysis of precipitation in Luoyugou and Lvergou, respectively

圖4 羅玉溝、呂二溝流域徑流系數趨勢Fig.4 Trend analysis of runoff coefficient in Luyugou and Lvergou, respectively

3.3 流域土地覆被變化對徑流輸沙的影響

結合 Zhao等[24]相關研究,羅玉溝流域年徑流率在1994年前后發生突變減少,且研究結果表明人類活動引發的土地覆被變化是引起流域徑流減少的主要因素,這與該流域20世紀90年代初期大規模土地利用類型轉化密切相關[25].根據劉昌明等[26]、吳家兵等[27]相關研究成果,黃土高原地區進行坡耕地梯田化改造后,可做到攔蓄70%～95%的地表徑流,黃土高原森林減少年徑流一般值大約在37%以上,這與本研究得出的徑流泥沙減少趨勢一致.呂二溝流域徑流泥沙同樣在20世紀90年代初期發生銳減,這與1982～1989年間流域林地面積大幅增加(約13.62%)密不可分.考慮到在黃土丘陵區,土壤侵蝕的產生通常是由暴雨導致的,因此,為分析驗證流域土地覆被變化對徑流產沙的影響,選取橋子東溝及橋子西溝流域幾次相同降雨,分析了流域土地覆被變化下的徑流產沙響應.由表2可知,橋子東溝流域作為水土流失治理流域,在次降水量相同的情況下,徑流深及輸沙量明顯小于橋子西溝,平均減少率分別為43.76%和35.23%,說明以梯田、林地面積增加,坡耕地面積減少為主要特征的土地植被覆蓋變化對于流域徑流輸沙量有明顯減少作用.

圖5 羅玉溝、呂二溝流域輸沙量趨勢Fig.5 Trend analysis of sediment yield in Luoyugou and Lvergou, respectively

表2 典型次降雨徑流產沙對比分析Table2 Comparison on runoff and sediment yield in single storm

3.4 森林植被變化與流域徑流變化關系

由土地覆被變化分析表明,羅玉溝流域坡耕地、梯田面積在研究時段內變化幅度較大,劉昌明等[26]相關研究已表明黃土高原地區進行坡耕地梯田化改造后,可做到攔蓄70%～95%的地表徑流,可見,坡改梯工程的實施在攔蓄徑流方面發揮著巨大作用.然而,森林覆被率增加同樣作為研究區域研究時段內土地覆被變化的明顯特征,森林覆被率變化與徑流變化相關關系如何,有待進一步分析.因此,為進一步探討流域森林植被變化對流域徑流的影響,根據上述3個流域多年降水、徑流和森林植被變化情況,分別建立了3個流域徑流模數與年降水量、流域森林覆被率的統計關系模型:

式中:R為流域年徑流模數,m3/(km2?a);P為年降水量,mm;C為流域森林覆被率,%.

從式(1)～式(3)可見,流域年徑流模數與年降水量和流域森林覆被率均呈指數關系,其大小隨年降水量增大而增加,隨森林植被覆被率的增加而減少.將式(1)～式(3)可歸納為:

式中:a,b,d 為系數.

利用式(1)～式(3),假設年降水為流域研究時段內多年平均降水量,即羅玉溝流域548.9mm,橋子溝流域529.7mm,呂二溝流域579.1mm,得到流域年徑流模數與不同森林覆被率的關系(圖6).由圖6可知,3個流域森林覆被率>30%時,流域徑流模數絕對值隨森林面積增加呈緩慢減少趨勢,而當流域森林覆被率<30%時,隨林地面積增加,徑流模數絕對值減小明顯,因此,30%可作為當地以水源涵養為目標的流域適宜森林覆被率參考閾值.同時,根據式(1)～式(3),可推算出,當流域森林覆被率增加5%,則羅玉溝流域、橋子溝流域和呂二溝流域徑流模數分別減少37.58%、19.29%和18.43%.從減少土壤侵蝕,涵養水源、緩解農林用地矛盾角度而言,30%可以作為流域以涵養水源為目標的流域適宜覆被率.因此,當流域森林覆被率達到適宜覆被率后,切忌盲目造林,以緩解糧食短缺等造成的農林用地矛盾.

圖6 流域森林植被覆被率與徑流模數關系Fig.6 The relationship of forest coverage and runoff modulus

4 結論

4.1 黃土丘陵區3個流域在研究時段內土地覆被發生深刻變化,其中,羅玉溝流域在國家坡改梯政策的影響下,流域土地覆被在20世紀90年代初期發生巨大變化,約73%的坡耕地轉變為梯田;林地面積逐年增加是呂二溝流域研究時段內土地利用變化的最明顯特征,年增長率達到1.07%.4.2 3個流域在研究時段內徑流率以及輸沙量均呈現出不同程度的減少趨勢,在次降水量相同情況下,流域徑流深及輸沙量分別平均減少43.76%和35.23%,說明土地覆被變化對流域徑流輸沙量有明顯減少作用.

4.3 流域年降水量和森林覆被率與流域徑流模數之間呈指數關系,其關系式可表示為.利用該式對3個流域分析表明,若流域森林覆被率增加5%,則徑流模數可減少18.43%～37.58%.

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致謝：本研究數據處理工作在北京林業大學涂志華、賈劍波博士等協助下完成,在此表示感謝.

Effect of land cover change on runoff and sediment yield of small watershed in Loess Hilly-gully region.

ZHAO Yang, CAO Wen-hong, XIE Gang, CHENG Chen, YIN Xiao-lin, LIU Bing, ZHANG Xiao-ming*
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing100048, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2111～2117

To explore the impacts of land cover change on runoff and sediment yield in Loess Hilly-gully region, Lvergou watershed, Luoyugou watershed and her son basins of Qiaozigou in the study region were selected as the research objects. Mathematical statistics method and paired catchments approach were applied to analyze the effect of land cover change on runoff and sediment yield. Brief conclusions can be drawn as follows: The rapid increase of forest land at the rate of1.07% per year was the most obvious features of the land cover changes in Lvergou watershed during the period of1982-2004. Moreover, under the influence of terracing sloping fields, about73% of sloping farmland was converted to terraces in Luoyugou watershed during the period of1986-2004. Combined with the paired catchments approach, land cover change was the strongest contributor to the reduction in annual runoff and sediment yield of watersheds, and the average reduction rate reached43.76% and35.23% under the same rainfall condition, respectively. Annual runoff modulus and precipitation and forest cover rate were significantly correlated, and showed an exponential relationship for each watershed during the study period. When the forest cover rate increased by5%, the runoff modulus decreased by18.43% to37.58%.

t：loess hilly-gully region；land cover change；runoff；sediment yield；paired catchments approach

X53,F301.24

：A

：1000-6923(2014)08-2111-07

趙 陽(1986-),男,河北棗強人,工程師,博士,主要從事流域生態水文、水土保持研究.發表論文30余篇.

2013-11-22

國家自然科學基金(51379008);流域水循環模擬與調控國家重點實驗室自主研究課題(2014QN04)

* 責任作者, 高級工程師, zxmwq@126.com