羅玉溝流域水沙變化趨勢(shì)及影響因素

秦瑞杰, 李 平, 肖培青, 馬田鉑, 王柯凡

(1.黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站, 甘肅 天水 741000;2.黃河水利科學(xué)研究院, 水利部 黃土高原水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450003)

流域水沙關(guān)系是反映流域徑流量和輸沙量關(guān)系的指標(biāo),受多種因素的影響[1-3]。近年來,氣候變化和人類活動(dòng)的加劇,對(duì)流域徑流量和輸沙量均產(chǎn)生顯著影響[1,2,4-7]。孫倩等[8]對(duì)黃河中游多沙粗沙區(qū)水沙變化趨勢(shì)及主控因素進(jìn)行研究指出,不同流域徑流輸沙的變化均主要是由人類活動(dòng)影響造成的。郭愛軍等[9]對(duì)涇河流域降雨—徑流關(guān)系研究指出,與1960—1996年相比,1997—2010年人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域徑流減少貢獻(xiàn)率分別為80.96%和19.04%。而王隨繼等[10]通過分析皇甫川流域徑流量和降水量的變化趨勢(shì)及影響因素,指出不同時(shí)期降雨和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別為36.43%,16.81%和63.57%,83.19%。孫兆峰等[11]對(duì)禿尾河流域徑流衰減驅(qū)動(dòng)因子分析研究指出,在徑流衰減驅(qū)動(dòng)因子中,人類活動(dòng)和氣候因子的權(quán)重分別為71.1%和28.9%。研究表明,研究區(qū)域不同,人類活動(dòng)和氣候?qū)α饔蛩匙兓挠绊懗潭却嬖诿黠@不同。

黃土高原是中國(guó)生態(tài)環(huán)境最為脆弱的區(qū)域之一,而黃土高原丘陵溝壑區(qū)是黃河泥沙的主要來源,是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)[12]。20世紀(jì)80年代開始,黃土高原地區(qū)開展了以流域?yàn)閱卧木C合治理與開發(fā),20世紀(jì)90年代末實(shí)施了一系列退耕還林還草的生態(tài)恢復(fù)工程[13],這些水土保持措施的實(shí)施,使得黃土高原土地利用格局發(fā)生了較大變化,改變了流域下墊面條件,進(jìn)而對(duì)流域的水沙關(guān)系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[14-16]。對(duì)于黃土高原地區(qū),氣候因子中降水因子以及人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變化是影響流域水沙變化最重要的因素,近年來成為黃土高原地區(qū)研究的熱點(diǎn)話題[1,3,7,8,10,17]。基于此,本文以黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型流域—羅玉溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于1986—2016年實(shí)測(cè)流域降水和水沙資料,通過Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)方法和累積雙曲線法,分析31年來流域降水和水沙變化趨勢(shì),探討流域水沙演變的驅(qū)動(dòng)因素,明晰流域徑流泥沙演變規(guī)律及其影響因素。研究結(jié)果可為黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域水土流失治理和水土保持措施布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

羅玉溝流域位于甘肅省天水市北郊,是渭河支流藉河左岸的一級(jí)支溝。地理位置位于105°30′—105°45′E,34°34′—34°40′N,溝口測(cè)流斷面以上控制面積72.79 km2,流域呈狹長(zhǎng)形,羽毛狀溝系,平均寬度3.37 km,主溝長(zhǎng)21.81 km,平均比降3.35%。流域按土壤、地貌特征劃分為黃土區(qū)、雜土區(qū)和土石山區(qū) 3個(gè)類型區(qū),主要土壤類型為山地灰褐土,占全流域91.7%。流域內(nèi)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(qū)。該流域于1983年被列為黃河水利委員會(huì)水土保持試點(diǎn)小流域、甘肅省重點(diǎn)綜合治理小流域,1985年設(shè)站開始降水、徑流和泥沙觀測(cè)。

羅玉溝流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候,降水年內(nèi)季節(jié)分配不均,冬春季干旱少雨,夏秋季降雨豐富,多年平均降水量為550.6 mm,其中6—9月份降水占60%以上,雨熱同期。年蒸發(fā)量1 293.3 mm,干燥度為1.3。年平均氣溫 10.7℃,≥10℃活動(dòng)積溫3 360℃,無霜期184 d。流域近年來經(jīng)濟(jì)林發(fā)展很快,以櫻桃、蘋果、梨等為主。

1.2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

本文涉及的水文資料主要包括1986—2016年降水、徑流和輸沙量觀測(cè)數(shù)據(jù),其中降水資料來源于黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱天水站)在羅玉溝流域先后布設(shè)的31個(gè)雨量站,徑流、泥沙數(shù)據(jù)來源于天水站布設(shè)的羅玉溝流域徑流站實(shí)測(cè)徑流泥沙觀測(cè)成果,水土保持措施數(shù)據(jù)主要來源于天水站歷年調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果。研究方法主要包括Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)方法[18-19],累積距平法和累積量斜率變化率比較法[8,10,20]。

本文采取累積量斜率變化率比較法計(jì)算降水和水土保持措施對(duì)羅玉溝流域徑流和輸沙的貢獻(xiàn)率,通過年降水量—年徑流量和年降水量—年輸沙量的雙累積曲線進(jìn)行分析計(jì)算[8,10,20]。利用SPSS 24.0中的描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、回歸分析以及方差分析等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域年降水量、徑流量和輸沙量的變化特征

2.1.1 不同時(shí)期流域各水文參數(shù)變化分析 1986—2016年羅玉溝流域不同時(shí)期年降水量、徑流量和輸沙量特征值見表1。由表可知,近31年羅玉溝流域多年平均降水量為550.6 mm,不同時(shí)期流域年均降水量表現(xiàn)為降低—升高—降低趨勢(shì),其中2000—2010年年降水量均值比1990—1999年增加了12.0%。不同時(shí)期年降水量的變異系數(shù)接近,1990—1999年年降水量的極值比最大,最大年降水量與最小年降水量相差一倍。

表1 不同時(shí)期羅玉溝流域年均降水量、徑流量和輸沙量變化特征Table 1 Characteristics of annual precipitation, runoff and sediment discharge in the Luoyugou watershed in different periods

與年降水量相比,不同時(shí)期流域年徑流量變化趨勢(shì)存在明顯差異。不同時(shí)期流域年徑流量呈逐漸降低趨勢(shì),1986—1989年年徑流量是2011—2016年年均徑流量的2.5倍。不同時(shí)期年徑流量變異系數(shù)和極值比總體呈增大趨勢(shì),表明不同時(shí)期流域年徑流量的年際波動(dòng)性較強(qiáng),年際間存在較大差異。

不同時(shí)期流域年輸沙量的變化趨勢(shì)與年降水量基本一致,但與年徑流量變化趨勢(shì)存在不同。1986—1989年流域年輸沙量分別是1990—1999年、2000—2010年和2011—2016年的2.8,2.4,4.4倍。不同時(shí)期流域年輸沙量的變異系數(shù)均不小于1,2011—2016年變異系數(shù)高達(dá)1.62,且年際間極值比差異也較大,表明年輸沙量的年際差異較大,變化較為劇烈,其波動(dòng)性大于年降水量和年徑流量。

2.1.2 流域年降水量、年徑流量及年輸沙量變化趨勢(shì)分析 利用Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)方法[18-19]對(duì)1986—2016年羅玉溝流域年降水量、徑流量和輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到不同水文特征值與年份的秩相關(guān)系數(shù)(表2)。由表2可知,隨著時(shí)間的推移,年降水量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量未達(dá)到顯著性水平,說明1986—2016年流域年降水量隨時(shí)間變化無顯著增減趨勢(shì)。年徑流量和年輸沙量的秩相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了顯著水平,且均為負(fù)值,表明隨著時(shí)間的推移,流域年徑流量和輸沙量均呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)。

表2 羅玉溝流域1986-2016年年降水量、徑流量和輸沙量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)Table 2 Change trend test of annual precipitation, runoff and sediment during 1986-2016

2.2 流域水文參數(shù)突變及水沙變化驅(qū)動(dòng)力因素分析

2.2.1 流域突變年份分析 根據(jù)1986—2016年流域降水量累積距平的年際變化可知(圖1),降水量累積距平變化表現(xiàn)為上升—下降—上升的變化趨勢(shì)。31年間年降水量有兩個(gè)突變年份,分別是1993年和2002年。2002年以后年降水量累積距平呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。與年降水量變化趨勢(shì)不同,流域年徑流量變化的突變年份只有一個(gè),為1993年,與降水量的第一個(gè)突變點(diǎn)一致。1993年以后,年徑流量累積距平呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。流域年輸沙量的累積距平值變化較大,1986—2016年呈上升—下降的波動(dòng)變化趨勢(shì)。1993年以后整體上流域年輸沙量累積距平呈波動(dòng)降低的趨勢(shì),且與年徑流量的突變年份一致。

圖1 羅玉溝流域年降水量累積距平,年徑流量累積距平和年輸沙量累積距平

羅玉溝流域降水具有明顯的枯水期和豐水期,但年徑流量和輸沙量在1993年均呈波動(dòng)降低的趨勢(shì),表明年降水量雖然是影響流域水沙變化的主要因素,但不同時(shí)期流域水沙變化與降水量并非完全一致。說明除降水因素外,流域水沙變化還受其他因素的影響。

根據(jù)1986—2016年羅玉溝流域徑流量和輸沙量突變點(diǎn)年份,即1993年,將流域水沙數(shù)據(jù)分為兩個(gè)時(shí)期,1986—1993年和1994—2016年(圖2)。由圖可知,不同時(shí)期流域年徑流量與輸沙量均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,但不同時(shí)期流域水沙關(guān)系存在不同,1994—2016年時(shí)期流域輸沙量隨徑流量增加的幅度明顯小于1986—1993年階段的增幅。

圖2 不同時(shí)期羅玉溝流域水沙關(guān)系

2.2.2 流域水沙變化影響因素分析 影響流域水沙變化的因素主要是氣候和人類活動(dòng)。對(duì)于氣候因素而言,由于黃土高原地區(qū)氣溫變化不顯著,對(duì)流域徑流量的影響遠(yuǎn)小于其他因素,因此本文暫未考慮氣溫變化導(dǎo)致的蒸發(fā)量對(duì)流域徑流輸沙的影響[21],主要分析降水因素對(duì)流域水沙變化的影響。對(duì)羅玉溝流域而言,流域面積相對(duì)較小,且無大規(guī)模的取水等活動(dòng),因而影響流域水沙關(guān)系的人類活動(dòng)主要體現(xiàn)在不同時(shí)期流域下墊面條件改變,主要是水土流失綜合治理對(duì)土地利用方式的改變。

將突變年份之前的時(shí)期作為基準(zhǔn)期,發(fā)生突變之后的時(shí)期作為水土保持措施期。將措施期各年累積降水量帶入基準(zhǔn)期雙累積曲線建立的回歸方程,得到計(jì)算年徑流量和年輸沙量[8,10]。不同時(shí)段計(jì)算值的差異即為降水對(duì)徑流量或輸沙量的影響量;同時(shí)段理論值與實(shí)測(cè)值之間的差值即為水土保持措施對(duì)徑流量或輸沙量的影響量(圖3)。

圖3 羅玉溝流域不同時(shí)期累積降雨量-年份;累積徑流量-年份;累積輸沙量-年份關(guān)系

計(jì)算結(jié)果見表3。由表可知,與1986—1993年基準(zhǔn)期相比,1994—2016年降水和水土保持措施對(duì)流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別為16.50%和83.50%,對(duì)流域輸沙量減少分別為19.03%和80.97%。由此表明,1994—2016年水土保持措施對(duì)流域徑流量和輸沙量的變化存在顯著影響,且對(duì)流域年輸沙量貢獻(xiàn)率小于對(duì)年徑流量貢獻(xiàn)率。

表3 降水和水土保持措施對(duì)羅玉溝流域徑流量、輸沙量的影響Table 3 Effects of precipitation and human activities on runoff and sediment in Luoyugou basin

3 討 論

3.1 降水對(duì)流域水沙變化影響

降水是影響流域水沙量變化的主要因素之一,黃土高原的徑流和泥沙主要是由極端暴雨產(chǎn)生的[22]。對(duì)黃河中游多沙粗沙區(qū)水沙變化主控因素研究表明,流域降水對(duì)流域徑流量、輸沙量的影響介于1.0%～41.1%和1.7%～34.0%[8]。趙陽等[23]和寇馨月等[24]通過分析羅玉溝流域1986—2008年和1986—2010年水沙數(shù)據(jù),指出氣候變化對(duì)徑流和泥沙變化的貢獻(xiàn)率分別為33.1%,32.5%和18.48%,27.15%。而本文的研究結(jié)果則分別為16.50%和19.03%,表明貢獻(xiàn)率分析方法以及數(shù)據(jù)時(shí)序長(zhǎng)短等可能對(duì)分析結(jié)果存在一定影響[20,25]。

利用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線分析方法對(duì)羅玉溝流域1986—2016年年降水量進(jìn)行豐水年、平水年和枯水年的劃分(25%,50%,25%),羅玉溝流域豐水年、平水年和枯水年年降雨量分界點(diǎn)分別為620.9,453.8 mm。由1986—2016年羅玉溝流域年降水量年際變化可知,羅玉溝流域年降水存在明顯的豐水期和枯水期,例如1994—1998年期間流域年均降水量?jī)H424.8 mm,尤其是1997年,降水量?jī)H367.3 mm,屬于明顯的枯水期。按照不同降水頻率對(duì)流域水沙關(guān)系分析可知(圖4),不同降水水平年流域水沙關(guān)系存在明顯不同,枯水期由于較低降水量導(dǎo)致此時(shí)期的產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯低于其他時(shí)期。張守紅等[25]對(duì)無定河流域的研究指出,枯水期降雨減少對(duì)徑流、輸沙減少的貢獻(xiàn)率較大,分別達(dá)到29.0%和30.3%。由于觀測(cè)時(shí)限的限制,1993年以前羅玉溝流域無明顯的枯水期水沙觀測(cè)資料,因此在以往定量研究降水和水土保持措施對(duì)流域水沙貢獻(xiàn)的影響時(shí),并未充分考慮枯水期對(duì)流域水沙變化的影響,其結(jié)果有可能低估降水對(duì)流域水沙變化的貢獻(xiàn)率[9,26]。

圖4 羅玉溝流域不同降水水平年流域水沙關(guān)系

3.2 水土保持措施對(duì)流域水沙變化的影響

下墊面條件不同,流域水沙關(guān)系存在明顯差異。對(duì)黃河上中游徑流量變化[27]和黃土高原藉河流域[28]研究指出,人類活動(dòng)及其引起的土地利用變化對(duì)流域徑流量的貢獻(xiàn)分別為84.9%和90.2%。對(duì)羅玉溝流域而言,影響流域水沙關(guān)系的人類活動(dòng)主要體現(xiàn)在不同時(shí)期流域水土流失綜合治理活動(dòng)。羅玉溝流域大規(guī)模水土流失綜合治理自20世紀(jì)80年代中期開始,但流域綜合治理的蓄水減沙效益一般在造林初期較低,隨著植被的生長(zhǎng)而逐漸增大。鄭金麗等研究結(jié)果指出,流域大規(guī)模水土保持措施開展、水利工程的興建時(shí)間是影響黃河流域降雨—徑流關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變的重要因素[29]。

羅玉溝流域1986—2016年不同時(shí)期水土保持措施面積分布見表4。由表可知,不同時(shí)期羅玉溝流域梯田面積呈增加趨勢(shì),與1986年梯田面積相比,2013年流域梯田面積增加了8.0倍;1993年以后,流域林地面積呈增加—降低的趨勢(shì),而草地面積整體上呈緩慢增加趨勢(shì),主要是由于流域內(nèi)部分林地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍Ｅc坡耕地相比,梯田和林草地可以有效增加流域涵養(yǎng)水源的能力,也可以在一定程度上減少水土流失量,使得流域年輸沙量迅速降低[30-31]。而本文研究結(jié)果表明,1993年以后,流域的年徑流量和年輸沙量均呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢(shì),與流域水土保持措施發(fā)揮效應(yīng)的年限基本吻合。此外,1998年以來,依托黃河流域水土保持藉河示范區(qū)項(xiàng)目,羅玉溝流域開展了新一輪水土流失綜合治理,對(duì)2000年以后流域水沙同樣具有一定影響。

表4 不同時(shí)期羅玉溝流域水土保持措施面積Table 4 Soil and water conservation measures area in Luoyugou watershed in different periods hm2

除梯田和林草等水土保持措施外,1993—2016年流域開展了水土保持溝道治理工程,先后修建了20多座淤地壩,這些工程措施在溝道治理中發(fā)揮了重大作用。淤地壩的修建對(duì)于控制流域侵蝕產(chǎn)沙,減少泥沙輸移方面作用顯著[32]。

由表5可知,與1986—1993年相比,1994—2016年在流域年降水量基本接近的情況下(變化率0.8%～7.1%),流域年徑流量減少32.6%～89.6%,年輸沙量降低39.3%～74.1%,表明流域水土保持綜合治理對(duì)不同頻次降水下流域年徑流量和輸沙量均有顯著影響,且對(duì)枯水年徑流量和輸沙量的影響幅度最大。穆興民等[33]對(duì)甘肅西峰南小河溝流域楊家溝和董莊溝的研究指出,水土保持的作用使小流域枯水年徑流減少最顯著,豐水年減少較小,本文的研究結(jié)果與其一致。

表5 1986-2016年羅玉溝流域不同降水頻率水文參數(shù)變化Table 5 Variation of hydrological parameters under different precipitation frequencies in Luoyugou watershed from 1986-2016

此外,對(duì)羅玉溝流域1986—2016年年最大含沙量進(jìn)行Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn),結(jié)果表明,多年最大含沙量呈極顯著降低變化趨勢(shì)。晏清洪等[34]研究指出,不同次降水雨型下,水土保持措施對(duì)小流域產(chǎn)流輸沙的影響存在明顯不同,水土保持對(duì)降雨量大、降雨強(qiáng)度大的雨型減水減沙效果最好,表明水土保持措施對(duì)流域次降雨條件下的水沙過程也具有顯著影響。

4 結(jié) 論

(1) 1986—2016年羅玉溝流域年降水量的波動(dòng)程度遠(yuǎn)小于年徑流量和年輸沙量,流域年降水量隨時(shí)間變化無顯著增減趨勢(shì),而流域年徑流量和輸沙量隨時(shí)間呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)。年降水量在1993年、2000年發(fā)生突變;年徑流量和年輸沙量?jī)H在1993年發(fā)生突變。1986—1993年和1994—2016年流域年徑流量與輸沙量均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,且1994—2016年時(shí)期流域輸沙量隨徑流量增加的幅度明顯小于1986—1993年階段的增幅。

(2) 與1986—1993年相比,1994—2016年期間降水和水土保持措施對(duì)流域徑流量減少的貢獻(xiàn)率分別為16.50%和83.50%,對(duì)流域輸沙量減少分別為19.03%和80.97%。水土保持措施對(duì)流域水沙減少起主導(dǎo)作用,且對(duì)徑流量變化的貢獻(xiàn)率大于輸沙量。不同降水水平年,流域水沙關(guān)系存在明顯不同,枯水期由于降水量少導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯低于其他時(shí)期。不同降水水平年下,水土保持措施對(duì)流域徑流和泥沙的減幅分別為32.6%～89.6%和39.3%～74.1%。