退耕還林（草）對北洛河上游水沙變化的影響

蔣觀滔，高 鵬，2，穆興民，2，柴雪柯

（1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

黃土高原20世紀70年代以來開展大規模水土保持工程，1999年國家實施了退耕還林（草）工程后，生態環境大幅度改善，黃河中游主要泥沙來源區徑流量和輸沙量均顯著減少［1－2］。據1919—1960年資料統計，黃河三門峽站年均輸沙量約為15.9億t，而1961—2000年，年輸沙量為11.2億t，退耕還林（草）工程實施后的近10a（2001—2009年）年均輸沙量為3.6億t［3］。因此，近年來眾多學者對引起黃河水沙減少的驅動因素開展了廣泛的研究。Wang［4］和Liu［5］等探討了黃河干流水沙時空變化特征及其對氣候變化和人類活動的響應；張建云等［6］認為黃河中游氣溫升高和降水減少是徑流減少的重要原因之一；冉大川［7］和于一鳴［8］等通過運用水保法和水文法先后確定了河龍區間各項水土保持措施的減水減沙能力。除了對黃河干流的研究，黃河支流涇河［9］、洛河［10］、渭河［11］和汾河［12］的水沙變化驅動因素分析的研究也多有報道。

區分人類活動和氣候變化對水文序列的影響程度，尤其是量化人類活動的影響，普遍使用的研究方法就是對序列進行趨勢性檢驗，找到使得水文序列產生明顯變化的突變點［13－15］。目前國內對水文序列突變點的研究很多，然而，使用的方法不同，水文序列時間年限不同，得到的變異點的結果也不完全一致［16］。謝平等［17］認為不同的突變檢驗方法計算精度不同，檢驗的結果也并不一致，為此提出了系統的水文變異綜合診斷法。北洛河是黃河的二級支流，上游位于黃土丘陵溝壑區，水土流失嚴重。近年來，隨著退耕還林（草）以及山川秀美等生態工程的實施，土地覆被格局發生顯著變化，生態環境得到顯著改善。本文結合北洛河上游控制站吳起水文站1971—2010年水沙數據進行統計分析，對水文序列的突變年份進行檢驗，比較分析突變年前后水沙變化特征及其驅動因素，并定量估算人類活動和氣候變化對水沙的影響程度，為客觀評價黃土高原生態建設水土保持效益提供科學的理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

北洛河是黃河的二級支流，渭河的一級支流，是陜西省典型的多泥沙河流之一。北洛河發源于陜西省定邊縣白于山的魏梁山，流經陜西榆林、延安、銅川、渭南4個地（市）的16個縣（區），于大荔縣東南注入渭河，河源海拔高程1 785m，河口高程325m，總落差1 460m；平均比降1.52‰，河長680km，流域面積26 905km2。本研究中的北洛河上游指北洛河流域吳起水文站以上的部分，河長275km，主河道平均比降1.60‰，流域總面積3 424.4km2，可分為兩部分：北洛河源頭區，在定邊縣境內，面積1 040.6 km2；北洛河上游吳起段，在吳起縣境內，面積2 383.9km2。區域多年平均降雨量448.7mm，4—10月降水量占全年降雨總量的93%，年均氣溫約7.5℃，無霜期96～146d，為暖溫帶大陸性干旱季風氣候。多年平均陸地蒸發量400～450mm，是典型干旱半干旱地區。該區域屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區，地形破碎，溝壑縱橫，土層深厚，主要土壤類型為黃綿土［18－19］，抗蝕性差，濕陷性大，易受流水侵蝕，容易形成洪峰尖瘦、暴漲暴落的突發性高含沙水流，是黃河中游產、輸沙模數較高的地區。由于長期對土地超載利用，天然植被已嚴重破壞，現存植被主要為退耕還林后恢復的次生植被，以沙棘（Hippophae rhamnoides）、檸條（Caragana mocrophylla）等灌木，河北楊（Populus hopeiensis）、小葉楊（Populus simonii）等闊葉喬木及紫花苜蓿（Medicago sativa）等人工牧草為主。

1.2 資料來源

本文選取的是北洛河上游控制站吳起水文站以及吳起氣象站1971—2010年4—10月實測降水，徑流和輸沙量資料分析水文氣象要素變化，由于“94·8”洪水［20］引起的吳起縣城區段洛河支流頭道川、二道川、亂石頭川上有近10座淤地壩發生潰壩，1994年的水沙資料不用于統計分析。

1.3 研究方法

1.3.1 水文要素趨勢和突變分析 雷紅富等［21］對10種水文變異檢驗方法的性能進行了比較研究，認為對于均值發生變異的序列來說，有序聚類，滑動T檢驗的效率較高。本研究采用有序聚類法［22－23］分析北洛河上游流域控制站吳起水文站1971—2010年實測水沙數據的變化趨勢，同時采用Pettitt［15］、Mann－Kendall［24］和 滑 動T檢 驗 法［17，21－22］綜 合 分 析 和 識 別吳起水文站水沙系列突變點，以避免單一的突變點檢驗方法的不準確性。

1.3.2 降水與人類活動影響程度估算 雙累積曲線法是用于水文氣象要素一致性的檢驗、資料校正及插補的常用方法［25］，通過觀察雙累積曲線是否發生偏轉來判斷水文氣象要素是否存在趨勢性變化。將突變前的實測徑流量作為基準值，通過構建的線性回歸方程計算不同時段的實測徑流及理論徑流量，不同時段理論值與基準值的差異即為降水對徑流變化的影響量；不同時段理論值與實測值之間的差值即為人類活動對徑流變化的影響量［26－27］。

2 結果與分析

2.1 降水量、徑流量和輸沙量及其變化趨勢

北洛河上游不同年代三個水文要素特征值見表1。多年平均降水量為416.7mm，年均徑流量為0.69億m3，年均輸沙量為0.26億t。代際間，降水量變化幅度不大，徑流量和輸沙量總體呈減小趨勢，在減小過程中，1990年代有小幅增加，2000年代徑流量和輸沙量減小顯著，相對于多年平均值分別減少了33%和62%。1971—2010年徑流量和輸沙量大于平均值的年份均為16a，多集中于1970年代，分別為6a和8a。輸沙量極值比達到348，主要是由于2007年年輸沙量僅為20.6萬t，而最大年輸沙量為7 178.3萬t（1992年）。

北洛河上游1971—2010年4—10月實測降水量，徑流量和輸沙量見圖1。從圖中可以看出降水量波動幅度不大，徑流量和輸沙量波動顯著，且輸沙量波動幅度大于徑流量。三個水文要素的相關系數、Kendall秩次相關系數和Spearman秩次相關系數見表2，三種方法的檢驗結果均表明徑流量和輸沙量在相關系數達到0.01信度的顯著性水平下趨勢顯著，相關系數為負值說明徑流量和輸沙量隨時間推移呈減小趨勢，而降水量沒有明顯的變化趨勢。

表1 北洛河上游流域不同年代水文要素特征值

圖1 北洛河上游1971－2010年4－10月降水量、徑流量、輸沙量過程線及5a滑動平均線

2.2 徑流量和輸沙量突變分析及原因調查

采用有序聚類法分析北洛河上游徑流量和輸沙量發生趨勢性躍變的臨界年份見圖2，可以看出徑流量和輸沙量都在2002年發生突變，檢驗統計量分別為－3.72和－4.03，都達到了0.05的顯著性水平。為進一步驗證徑流泥沙突變年份，采用三種方法進行突變檢驗。Pettitt檢驗法的結果如圖3所示，在0.05的顯著性水平檢測到徑流輸沙的突變年份為2002年；非參數Mann－Kendall法檢驗結果見圖4，在0.05的顯著性水平下，徑流量的突變年份為2003年，輸沙量突變年份為2002年。滑動T檢驗結果見表3，在0.01的顯著性水平下徑流量和輸沙量突變年份均為2002年。從四種突變檢驗方法的結果匯總來看（表4），除Mann－Kendall法檢測的徑流突變年份為2003年外，其他方法的檢驗結果一致，徑流量和輸沙量發生突變的年份均為2002年，突變年份發生在退耕還林（草）工程實施后3a。

表2 北洛河上游水文三要素年際變化趨勢的相關分析

1999年國家實施退耕還林（草）工程，區內營造起大面積的人工林地和草地，植被覆蓋度增加，水土流失和風沙危害得到了一定的控制和改善，大規模的生態建設成為評價期內流域徑流泥沙減少的重要原因。由于植被自然演替速度緩慢，這個時期的人工林草處于生長初期階段，保育土壤及防風固沙效果還不明顯。根據1986年和2003年TM遙感影像［28］解譯可知，耕地面積減少了75.13%，林地面積增長了4.34倍，林地和草地面積分別占區域面積的36.76%和45.30%，其中高覆蓋度草地20.62%。隨著退耕還林草和荒山造林等生態建設所營造的林草逐漸成熟，植被的減水減沙作用效果顯著，流域下墊面的情況的改善引起了徑流量和輸沙量的急劇減小，與本文檢測的突變點為2002年基本相吻合。

圖2 北洛河上游1971－2010年4－10月徑流量和輸沙量［Sn（τ）］變化曲線

圖3 北洛河上游1971－2010年4－10月徑流量和輸沙量Pettitt檢驗

圖4 北洛河上游1971－2010年4－10月徑流量和輸沙量Mann－Kendall檢驗

表3 滑動T檢驗結果

表4 徑流量、輸沙量突變分析匯總

2.3 降水及人類活動對北洛河上游流域水沙變化的影響程度

利用雙累積曲線對降水量、徑流量和輸沙量進行累加處理，見圖5，可以看出降雨量與徑流量和輸沙量構成的雙累積曲線都出現了轉折點，突變之后的回歸曲線斜率小于突變之前的曲線斜率。根據突變年份，將徑流量和輸沙量分為突變前期（1971—2002年）和突變后期（2003—2010年）。前期的年均降水量、徑流量和輸沙量分別為420.0mm，0.77億 m3，3.15×107t，后期分別為403.3mm，0.38億 m3，7.6×106t。與前期相比，在年平均降水量減少4%的情況下，年均徑流量和輸沙量分別減少了64%和76%。通過擬合的線性回歸方程估算由降水引起的徑流和輸沙的減少量，進而計算出人類活動對徑流量和輸沙量的貢獻率。結果如表5，6所示：相對于1971—2002年，2003—2010年降水和人類活動對徑流量的影響程度分別為70.8%和29.2%，對輸沙量的影響程度分別為34.0%和66.0%。值得注意的是，輸沙量的減小幅度大于徑流量的減小幅度，可能原因是由于：（1）河道徑流量的減少導致輸沙能力的降低，泥沙沉積在河道；（2）水土保持工程措施及植被的攔沙效率遠大于攔水效率。

2.4 人類活動因素

人類活動對水沙變化的影響主要表現為土地利用方式、植被覆蓋度以及水土保持工程措施的實施。20世紀80年代和90年代前期，北洛河上游流域土地覆蓋變化的總體規律是農民為了增加糧食產量不斷擴大耕地面積，到90年代后期，隨著退耕還林（草）工程的實施，耕地面積大量減少，林地面積大幅度增加［29］，致使徑流量和輸沙量在1990年代有所增加，而在2000年代顯著減小。截至2004年流域內共修建淤地壩95座，占全區總面積的7.1%［30］，水土保持工程治理規模較小。壩系工程多建于20世紀80年代之前，而淤地壩平均攔沙壽命為10a，對于1971—2010年而言，淤地壩發揮的減沙效益已經十分有限，因此工程措施對流域徑流和泥沙變化的貢獻很小。

圖5 北洛河上游1971－2010年4－10月降水量－徑流量和降水量－輸沙量雙累積曲線

表5 北洛河上游徑流量突變原因分析結果

表6 北洛河上游輸沙量突變原因分析結果

1999年，區內涉及的吳起縣作為全國試點縣開展退耕還林（草）工程，通過制定“封山禁牧，舍飼養畜”政策，一次性退耕1.04×105hm2，取得了明顯的生態、經濟和社會效益，成為全國退耕還林第一縣［31］。根據1997年和2004年TM遙感影像［30］的解譯可知，區內中、低覆蓋度草地大幅減少，而覆蓋度大于60%的高覆蓋度草地則由1997年的49.4km2增加為2004年的578.1km2，林地（包括灌木）增加幅度達38.7%。植被通過對降雨的層層攔蓄、吸滲，不僅大大滯后了產流時間，而且影響地表粗糙度，從而使產匯流過程發生改變，減少了徑流攜沙能力。因此，可以推斷，1999年退耕還林（草）工程實施后，生態植被恢復等人類活動是影響北洛河上游水沙減少的主導因素。

3 結 論

（1）通過對北洛河上游1971—2010年4—10月降水量、徑流量和輸沙量的統計分析和趨勢檢驗：降水量無明顯的趨勢性變化，徑流量和輸沙量呈顯著減小趨勢。

（2）采用有序聚類法、Pettitt檢驗法、Mann－Kendall檢驗法和滑動T檢驗法對徑流量和輸沙量的突變年份進行檢驗，并結合水土保持措施資料，得到水沙發生突變的年份均為2002年。流域內的退耕還林（草）工程主要于1999年實施完成，但徑流、輸沙在2002后才顯著變化，說明植被建設的水沙調控效應存在滯后期，需經過一定生長周期才能有效影響流域水沙。

（3）根據突變年份將徑流量和輸沙量分為突變前期（1971—2002年）和突變后期（2003—2010年）。以突變前期（1971—2002年）為基準期，利用雙累積曲線計算得到突變后期（2003—2010年）的降水和人類活動對徑流量的影響程度分別為70.8%和29.2%，對輸沙量的影響程度分別為34.0%和66.0%，結合人類活動因素分析表明：以退耕還林（草）為主的人類活動是北洛河上游泥沙減少的主要驅動力。

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