葉子萱, 趙廣舉,2, 穆興民,2, 高 鵬,2, 孫文義,2
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)
黃河是我國(guó)第二大河流,也是世界上著名的高含沙河流。黃河水沙變化與下游洪澇災(zāi)害防治、水資源合理配置以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題息息相關(guān)。因此,開(kāi)展黃河水沙變化研究是我國(guó)水科學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問(wèn)題之一[1],對(duì)于進(jìn)一步完善治黃方略以及合理布局重大水利工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,也是黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。
河流水沙關(guān)系受流域土壤、植被、降雨、土地利用以及水土保持綜合治理措施等自然和人為因素的共同影響[3-4]。近年來(lái)有關(guān)黃土高原河川徑流、輸沙關(guān)系變化的研究成果眾多。劉淑燕等[5]發(fā)現(xiàn)流域水沙關(guān)系會(huì)隨著降雨條件和土地利用類(lèi)型的改變而發(fā)生變化。夏露等[6]發(fā)現(xiàn)昕水河1958—2002年徑流輸沙表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系,2003—2015年二者的相關(guān)性顯著減弱,水土保持工程措施的實(shí)施是該流域水沙關(guān)系變化的主要原因。胡晉飛[7]研究發(fā)現(xiàn)水土保持措施綜合治理后,西川河流域1996—2012年的日水沙關(guān)系較1974—1989年發(fā)生變化,日流量-輸沙率比例模型斜率在后一時(shí)段內(nèi)顯著下降。金雙彥等[8]利用降雨-徑流-輸沙關(guān)系模型分析降雨變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)孤山川流域1979年之后次洪水量和沙量的影響,結(jié)果表明降雨變化對(duì)次洪水沙的影響呈逐年代遞減趨勢(shì),2000—2010年人類(lèi)活動(dòng)對(duì)次洪水量和沙量的影響均占主導(dǎo)地位。大量研究表明,人類(lèi)活動(dòng)尤其是水土保持措施實(shí)施是黃河流域水沙變化的主要原因[9-12],而多數(shù)研究集中于年際尺度水沙變化,事件尺度的研究相對(duì)較少。由于黃土高原侵蝕產(chǎn)沙多來(lái)源于幾場(chǎng)較強(qiáng)的極端降雨事件,基于場(chǎng)次降雨事件水沙變化的研究有助于更好地理解徑流、輸沙變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程及其對(duì)下墊面環(huán)境變化的響應(yīng)。
本文以孤山川、佳蘆河、西川河為研究對(duì)象,系統(tǒng)搜集整理3個(gè)流域1974—1989年和2007—2019年的洪水水文要素摘錄數(shù)據(jù),對(duì)比研究各流域在不同時(shí)段內(nèi)的水沙關(guān)系特征,探討水土保持綜合治理對(duì)流域水沙關(guān)系的調(diào)控,以期為黃土高原地區(qū)未來(lái)的生態(tài)恢復(fù)與水土保持綜合治理提供參考。
本文選取位于黃河中游河龍區(qū)間(河口鎮(zhèn)至龍門(mén))的孤山川、佳蘆河和西川河流域作為研究區(qū)(圖1)。孤山川、佳蘆河和西川河流域分別位于河龍區(qū)間右岸的上、中、下段,流域面積分別為1 273,1 134,801 km2,河長(zhǎng)分別為79.4,93,65.3 km,年均降雨量分別為493,402,520 mm。3個(gè)流域均屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降雨年內(nèi)分布不均,集中在汛期6—9月,多為短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨。各流域在不同時(shí)段內(nèi)的年均徑流深和年均輸沙量見(jiàn)表1。

表1 流域概況Table 1 Information of three watersheds

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 The location of study area
孤山川流域主要地貌類(lèi)型為黃土高原丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),境內(nèi)梁峁起伏,溝系發(fā)育較好,溝壑密度2.9 km/km2[12],主要土壤類(lèi)型為栗鈣土和黃綿土。佳蘆河流域主要地貌類(lèi)型為黃土梁峁丘陵溝壑區(qū),梁峁頂平緩,溝谷較寬闊,土壤類(lèi)型主要為淡栗鈣土和栗鈣土。西川河流域主要地貌類(lèi)型為黃土高原丘陵溝壑區(qū),流域內(nèi)地形破碎、多為黃土梁峁?fàn)钋鹆隃瞎鹊孛?黃綿土是該流域主要的土壤類(lèi)型。研究區(qū)內(nèi)土質(zhì)較為疏松,透水性良好,再加上植被稀疏,極易形成地表徑流,水土流失十分嚴(yán)重。近70 a來(lái),黃土高原實(shí)施了大規(guī)模的水土流失治理,尤其是1999年退耕還林還草以來(lái),流域植被狀況不斷向好,梯田和淤地壩控制面積逐漸增加,有效降低坡面土壤侵蝕和河流輸沙量。
2.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 本文采用的基礎(chǔ)資料為3個(gè)水文站(孤山川流域高石崖站、佳蘆河流域申家灣站、西川河流域棗園站)1974—1989年及2007—2019年(其中佳蘆河流域2010年數(shù)據(jù)未公開(kāi))的實(shí)測(cè)流量和含沙量數(shù)據(jù)。各站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)發(fā)布的《黃河流域水文年鑒》。數(shù)據(jù)在發(fā)布前經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)核對(duì),具有可靠性、一致性和代表性。
2.1.2 數(shù)據(jù)處理 對(duì)于某一特定的洪水事件,洪水事件徑流深H(mm)可通過(guò)以下公式計(jì)算:
(1)
洪水事件輸沙量SY(kg)計(jì)算公式如下:

(2)
式中:Δt為時(shí)間間隔(min);Qt為洪水事件瞬時(shí)流量(m3/s);SSCt為洪水事件瞬時(shí)含沙量(kg/m3);A為水文站控制面積(m2)。
2.2.1 徑流、輸沙特征指標(biāo)選取 根據(jù)《黃河流域水文年鑒》中洪水事件的流量和含沙量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算流域次洪事件年均徑流深、年均輸沙量、年均洪峰流量以及年均最大含沙量4個(gè)徑流輸沙特征指標(biāo),通過(guò)統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析各流域在不同時(shí)段內(nèi)徑流輸沙特征指標(biāo)的變化趨勢(shì)及空間差異。選取徑流深(H,mm)和輸沙模數(shù)(SSY,t/km2)來(lái)探討治理后各流域場(chǎng)次洪水事件的水沙關(guān)系變化。選取年內(nèi)多場(chǎng)洪水的平均總歷時(shí)(T,h)、年徑流深(H,mm)、年內(nèi)多場(chǎng)洪水的平均洪峰流量(Qmax,m3/s)、年內(nèi)多場(chǎng)洪水的平均流量均值(Qm,m3/s)、年輸沙量(SY,t)、年內(nèi)多場(chǎng)洪水的平均最大含沙量(Smax,kg/m3)和年內(nèi)多場(chǎng)洪水的平均含沙量均值(SSC,kg/m3)進(jìn)行相關(guān)性分析,識(shí)別治理前后兩個(gè)時(shí)段內(nèi)各流域徑流、輸沙特征指標(biāo)間的相關(guān)性。
2.2.2 次洪事件水沙關(guān)系 用于表征河流洪水事件徑流深和輸沙模數(shù)間相關(guān)關(guān)系的水沙關(guān)系曲線主要包括冪函數(shù)和線性函數(shù)兩種函數(shù)形式。前人研究發(fā)現(xiàn)黃土高原的水沙關(guān)系不適合用冪函數(shù)來(lái)擬合,且線性比例函數(shù)可以更加有效地表征流域水沙關(guān)系[13]。因此,本文將線性函數(shù)與冪函數(shù)的擬合結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,最終采用線性函數(shù)對(duì)各個(gè)流域次洪事件的徑流深和輸沙模數(shù)進(jìn)行擬合,分析各流域次洪過(guò)程的水沙關(guān)系變化。
2.2.3 徑流和輸沙特征指標(biāo)的相關(guān)性分析 采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法計(jì)算各流域不同時(shí)段內(nèi)徑流與輸沙特征指標(biāo)間的相關(guān)性。皮爾遜相關(guān)系數(shù)[14]用于度量?jī)蓚€(gè)變量間的線性相關(guān)性,其取值范圍為[-1,1]。計(jì)算公式如下:
(3)
式中:cov(X,Y)為X與Y的協(xié)方差;var(X)為X的方差;var(Y)為Y的方差。
輸沙指標(biāo)與徑流指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)越大,則兩者的相關(guān)性越好,說(shuō)明輸沙受徑流的影響越大。
表2為3個(gè)流域在研究時(shí)段內(nèi)的洪水事件頻次,包括孤山川的144場(chǎng)、佳蘆河的143場(chǎng)和西川河的116場(chǎng)洪水。由表可知,各流域在2007—2019年的洪水總場(chǎng)次以及年均場(chǎng)次較1974—1989年均顯著減少。孤山川、佳蘆河和西川河流域2007—2019年的洪水總場(chǎng)次較1974—1989年分別減少72.57%,57.00%,73.91%年均洪水場(chǎng)次分別減少66.20%,42.86%,68.97%。

表2 各流域研究時(shí)段內(nèi)的洪水次數(shù)及年均場(chǎng)次Table 2 Frequency of flood events during study periods in three watersheds
1974—1989年和2007—2019年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)各流域次洪事件的水沙變化如圖2所示,年均徑流深、年均輸沙量、年均洪峰流量及年均最大含沙量均有不同程度的減少。2007—2019年孤山川、佳蘆河和西川河流域的年均輸沙量和年均最大含沙量均低于1974—1989年,年均輸沙量分別下降了95.03%,32.93%,77.70%,其中減幅最大的是孤山川,由1974—1989年的2.65×106t減少為2007—2019年的1.32×105t;年均最大含沙量分別下降89.49%,65.96%,43.10%。孤山川和西川河流域的年均徑流深由1974—1989年的4.55,2.71 mm減少為2007—2019年的1.98,1.48 mm,分別下降了56.48%,45.39%;年均洪峰流量分別下降79.05%,63.04%。而佳蘆河流域在后一研究時(shí)段內(nèi)的年均徑流深以及年均洪峰流量呈上升趨勢(shì),其2007—2019年的年均徑流深和年均洪峰流量較1974—1989年分別增加94.83%,24.77%。各流域治理后(2007—2019年)場(chǎng)次洪水事件對(duì)應(yīng)的最大含沙量和洪峰流量較前一時(shí)段均顯著降低,且洪峰流量的降幅低于最大含沙量,說(shuō)明水土保持措施可以有效地減少高含沙水流。年均徑流深和年均輸沙量顯著降低,且年均輸沙量的減幅大于年均徑流深,表明黃土高原大規(guī)模水土保持綜合治理改變了流域次洪輸沙能力。

圖2 3個(gè)流域不同時(shí)期洪水事件特征值Fig. 2 Characteristics of flood events during different periods in three watersheds
孤山川流域較其他流域具有較大的變異系數(shù),不同指標(biāo)波動(dòng)變化劇烈,其中孤山川流域1974—1989年的年均徑流深范圍為0.58~9.62 mm,佳蘆河和西川河流域1974—1989年的年均徑流深分別介于0.20~3.89 mm和0.46~5.20 mm。對(duì)比3個(gè)流域在不同時(shí)段的各個(gè)指標(biāo)發(fā)現(xiàn),孤山川流域的年均徑流深、年均洪峰流量、年均輸沙量以及年均最大含沙量在1974—1989年最大,在2007—2019年最小,由此可以推斷出治理后孤山川流域年均徑流深和年均輸沙量降幅最大。
利用線性函數(shù)進(jìn)一步探究3個(gè)流域次洪事件的水沙關(guān)系變化。如圖3所示,3個(gè)流域的徑流深-輸沙模數(shù)(H-SSY)在1974—1989年均呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系(R2>0.9),且西川河流域各時(shí)段內(nèi)模型方程決定系數(shù)最高,線性模型擬合效果最好。對(duì)比而言,2007—2019年,3個(gè)流域的徑流深-輸沙模數(shù)的決定系數(shù)由1974—1989年的0.95,0.95,0.96分別下降為2007—2019年的0.39,0.60,0.69。

圖3 3個(gè)流域不同時(shí)期次洪水水沙關(guān)系曲線Fig. 3 The flow-sediment relationship curve of flood events during different periods in three watersheds
水沙線性關(guān)系模型中,可用回歸方程的一次項(xiàng)系數(shù)來(lái)表征洪水事件單位徑流深的產(chǎn)輸沙能力即歷次洪水事件的平均含沙量。由線性方程擬合結(jié)果可知,3個(gè)流域在2007—2019年的模型關(guān)系斜率較1974—1989年都發(fā)生了顯著下降,分別下降了87.04%,55.48%,52.60%,降幅最大的是孤山川,由1974—1989年的530.67降為2007—2019年的68.78,降幅最小的是佳蘆河,由1974—1989年的510.50降為2007—2019年的241.96,表明流域次洪事件過(guò)程中的水沙關(guān)系發(fā)生了變化,徑流輸沙能力下降,水土保持措施對(duì)洪沙調(diào)控起到重要作用。孤山川和西川河關(guān)系模型常數(shù)項(xiàng)顯著減少,佳蘆河關(guān)系模型常數(shù)項(xiàng)呈增加的變化趨勢(shì)。以上結(jié)果表明大規(guī)模水土保持及退耕還林還草工程對(duì)流域場(chǎng)次洪水事件水沙變化的綜合影響,流域內(nèi)水土保持防護(hù)體系逐步完善,林草植被覆蓋率增加。3個(gè)流域中,佳蘆河在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的模型關(guān)系斜率最大(即平均含沙量最大),分別為602.98,268.47,表明該流域在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的土壤侵蝕更為嚴(yán)重,單位徑流深的輸沙能力較強(qiáng)。
基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對(duì)1974—1989年以及2007—2019年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)流域洪水事件不同徑流輸沙指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析。
由圖4可知,孤山川流域1974—1989年的各項(xiàng)徑流指標(biāo)中,年徑流深(H)、平均洪峰流量(Qmax)以及平均流量(Qm)與年輸沙量(SY)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),其相關(guān)系數(shù)分別為0.98,0.95,0.91,其中年徑流深與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)最高,表明次洪事件過(guò)程中的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與年徑流深關(guān)系最為緊密;2007—2019年,年輸沙量與各徑流指標(biāo)的相關(guān)性降低,其中變化最大的是年輸沙量與年徑流深的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)由1974—1989年的0.98下降為2007—2019年的0.63。1974—1989年徑流特征指標(biāo)中的平均洪峰流量與平均流量、年徑流深顯著相關(guān)(p<0.05),其相關(guān)系數(shù)分別為0.95,0.94;2007—2019年反映徑流特征指標(biāo)間的相關(guān)性較1974—1989年無(wú)明顯差異。

圖4 孤山川流域不同時(shí)段次洪徑流輸沙指標(biāo)相關(guān)性分析Fig. 4 Correlation analysis between runoff and sediment variables of flood events in the Gushanchuan watershed
圖5為佳蘆河流域次洪事件徑流與輸沙特征指標(biāo)的相關(guān)矩陣圖。1974—1989年,年徑流深(H)、平均洪峰流量(Qmax)以及平均流量(Qm)與年輸沙量(SY)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),其相關(guān)系數(shù)分別為0.95,0.87,0.86,其中年徑流深與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)0.9以上,由此可知佳蘆河流域洪水事件過(guò)程中的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度也與年徑流深的關(guān)系最為密切;2007—2019年,年輸沙量與年徑流深的相關(guān)性減弱,其相關(guān)系數(shù)由1974—1989年的0.95下降為2007—2019年的0.78。1974—1989年反映徑流特征的3個(gè)指標(biāo)間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),其相關(guān)系數(shù)均在0.85以上;2007—2019年反映徑流特征指標(biāo)間的相關(guān)性較1974—1989年無(wú)明顯差異。

圖5 佳蘆河流域不同時(shí)段次洪徑流輸沙指標(biāo)相關(guān)性分析Fig. 5 Correlation analysis between runoff and sediment variables of flood events in the Jialuhe watershed
由圖6可知,1974—1989年,在各項(xiàng)徑流指標(biāo)中,年徑流深(H)、平均洪峰流量(Qmax)以及平均流量(Qm)與年輸沙量(SY)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01),其相關(guān)系數(shù)分別為0.98,0.97,0.86,其中年徑流深、平均洪峰流量與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上,表明西川河流域洪水事件過(guò)程中的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度與年徑流深和平均洪峰流量的關(guān)系更為密切;2007—2019年,年輸沙量與各徑流指標(biāo)的相關(guān)性減弱,其年輸沙量與年徑流深、平均洪峰流量的相關(guān)系數(shù)由1974—1989年的0.98,0.97分別下降為2007—2019年的0.83,0.77。1974—1989年反映徑流特征的指標(biāo)中,年徑流深與平均流量、平均洪峰流量顯著相關(guān)(p<0.01),其相關(guān)系數(shù)分別為0.90,0.94;2007—2019年反映徑流特征的指標(biāo)中年徑流深與平均流量以及平均洪峰流量的相關(guān)性減弱,其相關(guān)系數(shù)由1974—1989年的0.90,0.94分別下降為2007—2019年的0.66,0.55。

圖6 西川河流域不同時(shí)段次洪徑流輸沙指標(biāo)相關(guān)性分析Fig. 6 Correlation analysis between runoff and sediment variables of flood events in the Xichuanhe watershed
孤山川、佳蘆河和西川河流域場(chǎng)次洪水事件反映輸沙特征的指標(biāo)中,平均含沙量(SSC)與平均最大含沙量(Smax)顯著相關(guān)(p<0.01),且各流域2007—2019年反映輸沙特征指標(biāo)間的相關(guān)性較1974—1989年無(wú)明顯差異。各流域兩個(gè)時(shí)段的年內(nèi)多場(chǎng)洪水平均總歷時(shí)(T)與徑流指標(biāo)(年徑流深、平均流量、平均洪峰流量)和輸沙指標(biāo)(年輸沙量、平均含沙量、平均最大含沙量)的相關(guān)性不顯著。
對(duì)比兩個(gè)時(shí)段次洪水沙變化特征,孤山川和西川河流域治理后(2007—2019年)的年均徑流深、年均洪峰流量、年均輸沙量以及年均最大含沙量均遠(yuǎn)低于治理前(1974—1989年),這與Tian等[15]的研究結(jié)果一致。佳蘆河流域治理后的年均輸沙量和年均最大含沙量顯著減少,年均徑流深和年均洪峰流量有所增加,這是由于2007—2019年流域次洪降雨量較前一時(shí)段有所增加[10]。各流域治理后徑流深-輸沙模數(shù)線性比例模型斜率顯著下降,單位徑流深的產(chǎn)輸沙能力下降,且治理后年輸沙量與徑流指標(biāo)(年徑流深、平均洪峰流量)的相關(guān)性也顯著降低,表明3個(gè)流域的水沙關(guān)系在治理后均發(fā)生了顯著變化。2000年后黃河中游輸沙量減少主要受人類(lèi)活動(dòng)的影響[16],水土保持措施是黃土高原徑流輸沙減少的主要原因[17-18]。流域不同水土保持措施改變了流域坡面侵蝕、河道泥沙輸移過(guò)程,進(jìn)而導(dǎo)致河流水沙發(fā)生顯著變化。孤山川流域自20世紀(jì)70—80年代以來(lái)進(jìn)行了大規(guī)模的水土保持綜合治理,流域內(nèi)林草覆蓋面積由1975年的806.71 km2增加到2012年的976.55 km2[19];梯田與淤地壩控制面積達(dá)到453.19 km2,占流域面積的35.6%[15],水土保持措施的實(shí)施改變了流域水沙關(guān)系,降低了流域次洪事件中單位徑流深的輸沙能力(圖3),加之該流域在2007—2019年的洪水總場(chǎng)次遠(yuǎn)低于前一時(shí)段(表2),使得治理后孤山川流域的徑流、輸沙量大幅下降。1999年以來(lái),在黃土高原進(jìn)行的大規(guī)模植被恢復(fù)顯著改變了下墊面環(huán)境,從而增加了降雨截留、下滲,同時(shí)增加了地表粗糙度,降低水流動(dòng)力,使流域輸沙量大幅減少。高海東等[17]發(fā)現(xiàn)植被措施對(duì)黃河中游輸沙量減少的貢獻(xiàn)為54%,遠(yuǎn)高于工程措施(34%)和水庫(kù)(12%)的貢獻(xiàn)率。冉大川等[20]對(duì)佳蘆河“2012-07-27”洪水的分析也驗(yàn)證了植被對(duì)洪水泥沙的削減作用高于工程措施。統(tǒng)計(jì)各流域2007—2019年歸一化植被指數(shù)(NDVI)發(fā)現(xiàn),佳蘆河流域治理后(2007—2019年)的植被覆蓋率為51.72%,遠(yuǎn)低于孤山川和西川河流域的64.35%,67.99%,同時(shí)佳蘆河流域場(chǎng)次極端暴雨量增加是該流域徑流增加、而輸沙量減少不明顯的原因。
(1) 孤山川和西川河流域2007—2019年場(chǎng)次洪水事件的年均徑流深、年均洪峰流量、年均輸沙量以及年均最大含沙量較1974—1989年均明顯下降,其中年均徑流深分別下降56.48%,45.39%,年均輸沙量分別下降95.03%,77.70%;佳蘆河治理后的年均輸沙量下降了32.93%,年均徑流深升高了94.83%。佳蘆河流域變化最不顯著可能是由于該流域2007—2019年的次洪降雨量較前一時(shí)段有所增加且流域內(nèi)植被覆蓋率較低。
(2) 治理后徑流深-輸沙模數(shù)線性函數(shù)斜率降低并且年輸沙量與徑流指標(biāo)(年徑流深、平均洪峰流量、平均流量)的相關(guān)性減弱,表明水土保持措施等人類(lèi)活動(dòng)改變了流域的水沙關(guān)系,單位徑流深的產(chǎn)輸沙能力下降,高含沙水流出現(xiàn)頻次和量級(jí)均顯著下降。
本研究?jī)H對(duì)3個(gè)流域的徑流、輸沙相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并討論了導(dǎo)致水沙變化的原因,需在今后的研究中進(jìn)一步量化人類(lèi)活動(dòng)以及降水對(duì)流域次洪過(guò)程中水沙通量減少的貢獻(xiàn)率。