水土保持措施對羅玉溝流域水沙變化的影響

2019-01-12 06:56:32秦瑞杰陸廣勇安樂平蔡玖錙

中國水土保持 2019年1期

秦瑞杰，陸廣勇，安樂平，李雷，蔡玖錙

(1.黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站，甘肅天水 741000；2.廣西博環環境咨詢服務有限公司，廣西南寧 530005)

黃土丘陵溝壑區地形破碎、溝壑縱橫、生態環境脆弱，是黃土高原水土流失最嚴重的區域之一，嚴重的水土流失不僅破壞了生態環境，而且制約了當地社會經濟的可持續發展[1]。選擇黃土丘陵溝壑區典型流域——羅玉溝流域為研究對象，以流域內1986—2010年實測的降水、徑流、泥沙資料為基礎數據，通過整理分析，在前人相關研究成果的基礎上，對流域水沙變化、水土流失成因進行分析，希望能為探索該區域水土流失規律、治理方向和措施布設提供參考。

1 流域概況及研究方法

1.1 流域概況

羅玉溝是黃河水系藉河左岸的一條支溝，位于天水市區北部，地理位置介于105°30′33.8″～105°44′2.5″E、34°35′21.7″～34°39′22″N，流域面積(卡口站以上)72.79 km2，主溝道長21.81 km，平均寬3.37 km。流域內有大小支溝138條，溝壑密度為3.54 km/km2，屬于典型的黃土丘陵溝壑區。流域內多年平均降水量552.5 mm(1986—2010年)，降水量年際變化大，年內分配不均，汛期(5—10月)降水量455.1 mm，占年降水量的82.4%，年蒸發量1 293.3 mm，干燥度為1.3；年平均氣溫10.7 ℃，≥10 ℃活動積溫3 360 ℃，無霜期184 d，年平均風速1.3 m/s；主要土壤類型為山地灰褐土，其分布面積占流域面積的91.7%；主要農作物有小麥、玉米、馬鈴薯等，經濟林以櫻桃、蘋果、梨、核桃等樹種為主。

1.2 資料收集及分析方法

1985年黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站(以下簡稱“天水站”)在羅玉溝流域布設雨量站、卡口站，并開始降水、徑流、泥沙觀測。本研究應用的1986—2010年間的流域降水、徑流、泥沙觀測資料均來源于天水站在羅玉溝流域布設的雨量站和左家場溝口站的觀測成果，主要包括歷年降水量、徑流量及輸沙量數據。水土保持措施數量主要來源于天水站歷年統計資料、天水市水利統計年報，以及采用人工調查、遙感調查手段獲取的水土保持措施統計數據，主要包括梯田、林地、草地等的面積。

選擇整理1986—2010年間連續實測、配套數據進行分析處理，利用SPSS 24.0中的描述統計、相關分析、回歸分析、方差分析等統計方法進行數據分析處理。

2 結果與分析

2.1 水沙關系變化分析

2.1.1 徑流、泥沙統計結果

圖1為羅玉溝流域1986—2010年歷年降水量、徑流量、輸沙量情況。由圖1可知，研究區1986—2010年歷年降水量、徑流量和輸沙量變化波動較明顯，變化范圍分別為378.2～841.4 mm、13.6萬～682.2萬m3、0.6萬～162.4萬t。

對流域內1986—2010年左家場溝口站實測資料進行統計分析，結果表明：流域內多年平均降水量為552.5 mm，年降水量的變差系數和偏態系數分別為0.21、0.75；多年平均徑流量為201.32萬m3，年徑流量的變差系數和偏態系數分別為0.19、0.98；多年平均輸沙量為33.83萬t，年輸沙量的變差系數和偏態系數分別為1.21、1.77。輸沙量的變異性和年度差異性最大，即輸沙量雖然受降水量和徑流量影響，但是其波動程度要大于降水量和徑流量。由圖1還可以看出，年徑流量、輸沙量、降水量的最大值分別出現在1988、1988和2003年，最小值分別出現在2010、2010和1997年，最大和最小值出現年份并不完全一致，表明流域水沙變化除了受降水量的影響，還受到其他因素的影響。

圖1 羅玉溝流域1986—2010年歷年降水量、徑流量、輸沙量

2.1.2 降水輸沙關系

點繪年徑流量、降水量、輸沙量散點圖，進行回歸分析，建立它們之間的關系，見圖2。可以看出，年徑流量、輸沙量與降水量之間均表現為較好的冪函數關系，且年降水量對徑流量的影響比較明顯，而年輸沙量與徑流量之間則呈現出較好的線性關系。

(a)年徑流量和降水量關系

(b)年輸沙量和降水量關系

(c)年輸沙量和徑流量關系

2.2 水土保持措施對流域水沙關系的影響

2.2.1 水土保持措施面積變化

羅玉溝流域大規模治理開始于20世紀80年代中期，本研究選擇1986、1993、2001、2009年作為代表不同時期治理水平的典型年份，對羅玉溝流域的水土流失治理水平進行分析。可以認為1986年以前為未治理期，將1986年流域土地利用作為本底值，與1986年后各典型年份土地利用情況進行對比，重點對比梯田、林地、草地、果園等水土保持措施面積變化情況。各典型年份流域土地利用情況見表1。

(1)梯田。1986年流域內梯田面積為292.93 hm2，僅占流域總面積的4.02%，而坡耕地面積占流域總面積的比例卻高達68.93%。從20世紀80年代后期開始，流域內水土流失治理措施逐年增加，到1993年梯田面積增長到353.90 hm2，2001年增長到404.66 hm2，到2009年達到1 847.16 hm2。特別是2001—2009年藉河流域水土保持示范區的實施使坡耕地面積持續減少，梯田化水平明顯提高。1986—2009年，流域內坡耕地面積由5 017.36 hm2減少到2 567.42 hm2，減少了48.8%。

表1 羅玉溝流域不同時期土地利用情況統計

(2)林地。1986年流域內共有林地(含灌木林地、有林地、果園)892.70 hm2，僅占流域總面積的12.26%。到1993年，林地面積增長到1 366.52 hm2，2001年又增長到1 603.69 hm2，2009年林地面積相比2001年有所減少，但其中果園面積增長較快，從2001年的450.12 hm2增長到2009年的735.33 hm2，增長了63.36%。主要原因是，1986—2010年流域內大力推廣大櫻桃園建設，建成了煙鋪大櫻桃基地，并配套建設了灌溉、道路等設施，在改善生態環境的同時，也增加了當地群眾的經濟收入。

(3)草地。1986年流域內共有草地706.78 hm2，占流域總面積的9.71%。隨著生產條件的不斷改善，流域內農戶養牲畜的人數逐漸減少，人工草地也相應減少，到2001年，草地面積減少到476.97 hm2，但之后隨著中藥材等經濟作物種植面積的增加，到2009年草地面積又增加到851.27 hm2。

2.2.2 不同時期水沙關系變化

為更好地分析流域土地利用方式改變，尤其是梯田、林草等措施布設對流域水沙關系的影響，將流域水沙數據分為1986—1999、2000—2010年兩個時期，以定量分析水土保持措施對流域水沙關系變化的影響。

羅玉溝流域不同時期年徑流量和輸沙量隨土地利用變化而變化，隨著梯田、林地和草地面積增加，年徑流量和輸沙量均表現出不同程度的減少趨勢。1986—1999年流域內平均年降水量、徑流量、輸沙量分別為532.90 mm、237.56萬m3、37.37萬t，而2000—2010年平均年降水量、徑流量、輸沙量分別為577.55 mm、155.21萬m3、29.33萬t。與1986—1999年相比，2000—2010年平均年降水量增加了8.4%，而平均年徑流量、輸沙量則分別降低了34.7%和21.5%。

擬合1986—1999、2000—2010年平均年徑流量、降水量、輸沙量的關系，結果見圖3。由圖3可以看出，與1986—1999年相比，2000—2010年羅玉溝流域在年降水量增加的同時年徑流量及輸沙量趨于減少。研究表明，除降雨等氣候因素外，土地利用方式、地表植被覆蓋狀況等也是土壤侵蝕的主要影響因素[2-4]。分析流域內1986—2010年土地利用方式及地表植被覆蓋變化可知，25年間羅玉溝流域土地利用變化主要體現為流域大規模綜合治理導致的水土保持措施面積變化，以及由此引起的地表植被覆蓋變化。與1986—1999年相比，2000—2010年流域內坡耕地面積減少，梯田、林草地面積增加，最終導致了流域水沙總量減少。同時，從不同時期流域年降水量、徑流量和輸沙量的關系可以看出，梯田、林草地等水土保持措施面積的增加對于徑流量的影響要大于對輸沙量的影響。