秃尾河流域水土保持措施对河流泥沙变化的影响*

周 旭,穆兴民,2,张 鑫,严宝文

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨陵712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵 712100）

河流水沙变化是气候和土地利用变化环境效应研究的重要内容[1-2]。其研究对黄河流域泥沙治理有重要意义。国际上,在 IHP、WCRP、IGBP、GWSP等研究计划中都不同程度的涉及土地利用/覆盖变化(LUCC)与水文科学关系方面的工作,相应的水文效应方面也有大量研究成果[3]。但因研究方法和技术的缺陷或不足,立足水文法、水保法及水文模型法的研究成果不能满足水土保持、水资源配置等的决策与建设需要。目前,黄土高原的水土保持工程已达到相当规模,显著地改变了流域的下垫面条件,而近50余年来秃尾河流域径流及输沙特征发生了很大的变化,但已有对河龙区间支流的变化研究略显不足,不利于以全面评价水土保持工程的作用。本文以地处多沙粗沙区的秃尾河流域为例,依据实测资料,分析了降水、输沙变化趋势以及水沙变化的临界年份,定量计算出不同时段泥沙衰减量以及由于降水的变化和水土保持措施影响导致的减沙量所占比重,从而分离出水土保持措施对输沙量的影响,为水土保持措施扰动下的水文效应评价提供一定的基础。

1 研究区概况

秃尾河发源于陕西神木县瑶镇乡宫泊海子[4],自西北向东南流经瑶镇、公草湾、古今滩、高家堡,在万镇的河口岔村注入黄河,是黄河中游河口镇至龙门区间水土流失最严重的多沙支流之一。干流全长139.6 km,流域面积 3 295 km2,地势总体呈东南低,西北高;流域地处干旱、半干旱地区,属大陆性气候,冬季干冷,夏季炎热,其多年平均降水量417.4 mm(1956-2000年),区域内植被稀少。流域分为4个地貌类型区[5]:草滩区,流动风沙区,盖沙区,黄土丘陵区。秃尾河流域较大规模治理始于20世纪70年代初,至1996年底,流域水土保持措施总保存面积占水文站以上流域面积的35.1%,均是以植被措施为主的治理类型区。流域内资源丰富,经济发展迅速,总人口约5万人,人口密度为45.17人/km2;经济结构以传统农业为主,改革开放以来,煤炭开采业得到了迅猛发展,同时也带动了本区运输、建筑、原材料加工及服务性行业的发展。有在建、规划的2片大型工业园区,秃尾河将成为当地发展的重要水源[6]。

2 资料与方法

2.1 资料情况

采用的秃尾河流域1956-2007年降水、径流、泥沙资料来自于黄河流域水文年鉴;流域面平均降雨量采用公草湾、高家堡、高家川三站算术平均值[7],其中1996-2007年面降雨量根据榆林站雨量资料延展得到。高家堡1967年设站,其缺少泥沙资料按照高家堡-高家川输沙相关线插补展延得到的。降雨和输沙年内变化特征依据1956-1990年相应序列分析,年际变化分析时选择相应序列为1956-2007年。高家堡站位于流域的中游,高家川位于流域的下游,是秃尾河流域的把口站。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall秩相关分析方法 降水及泥沙的变化趋势和突变点分析采用Mann-Kendall秩相关分析方法进行统计分析。该方法是一种非参数统计检验方法,由于其不要求所分析数据服从某一概率分布,同时也不受个别异常值的干扰,能够客观地表征样本序列的整体变化趋势,且其趋势检测能力与参数趋势检测方法相同,因而被广泛应用于气候参数和水文序列的分析中。这一方法的核心是通过统计学方法检验时间序列要素均值变化的确切时间来确定跃变变化的确切时间。

2.2.2 时间序列的对比分析法 对比分析法是依据治理和非治理期集水区的实测资料,分析不同水土流失治理情况下的水文效应,它包括集水区对比分析和时间序列对比分析法。时间序列对比分析法主要以同一流域为研究对象,根据相同水文站实测资料,通过分析实行治理前后水文要素的变化,评价水土保持对流域水沙的影响。应用时间序列对比分析法的技术关键是确定治理前后临界年份[8]。

3 结果与分析

3.1 降水特性

3.1.1 降水量年内分配 秃尾河流域降水量年内分配不均,6-9月面平均降水量占年值76.4%;汛期降水量集中于7-8月,其多年平均降水量为213.6 mm,占多年均值的51.6%,占汛期多年均值的67.6%。最大月降水量发生在8月,最小月降水在12月。流域面平均降水量季节分配如图1所示。

图1 秃尾河流域面平均降雨量季节分配

3.1.2 降水量年际变化 秃尾河流域多年平均降水量413.9 mm,在20世纪70年代以前年际变化比较大,最大年降水量694.7 mm(1958年),最小年128.7 mm(1965年),极值比为5.4。各年代降水量中,20世纪50年代降水量最大为536.5 mm,其次是60年代为456.0 mm,之后亦逐渐减小,70,80年代比较接近,2000年以后降水又有所增加,如图2所示。

采用Mann-Kendall秩相关分析方法检验(如图3),表明:秃尾河流域自1956年以来降水量随机变化剧烈,且整体有下降的趋势,但没有达到0.05信度的显著性水平。

图2 秃尾河流域降雨量累计距平及实测降雨年际变化过程

3.2 泥沙特性分析

3.2.1 输沙量的年内变化 秃尾河年均输沙量2 380万t,年内分配主要集中于汛期(6-9月),尤其是7-8月(见表1)。汛期平均输沙量占全年输沙量的89.7%,其中7-8月输沙量占81.2%。最大月输沙量(7月)占全年输沙量的41.5%,最小月输沙量(1月)占全年输沙量的0.1%。可以看出秃尾河流域输沙量年内分配极不均匀。这种变化可能受暴雨洪水影响所致,因为输沙量的大小变化与暴雨洪水的关系密切相关,而暴雨洪水大都发生于汛期,所以输沙量的年内分配主要集中于汛期。

图3 秃尾河流域降水量趋势变化分析

表1 秃尾河流域主要测站输沙量年内特征

3.2.2 输沙量的年际变化 秃尾河输沙量的年际变化剧烈,把口站多年平均输沙量1 872.4万t,最大年7 250万 t(1959年),最小年210万 t(1965年),极值比达34。该流域在20世纪50年代输沙量最大,年均输沙量为4 061万t,到了60年代输沙量下降到了 3 115.4万t,80年代减到了最小值996.5万t,在90年代初由于降水量的增加,导致输沙量减小幅度减弱,2000年之后尽管降雨量仍在增加,但输沙量显著减小,查阅相关文献[4],至1996年底,秃尾河流域水土保持措施总保存面积已占水文站以上流域面积的35.1%,说明水土保持工程发挥了很大的拦沙作用(见图4)。

计算出高家堡和高家川站的径流变差系数,综合比较径流与输沙的年际变化差异,详见表2。可以看出,各站泥沙的CV,S值均大于对应径流的CV,Q值,CV,S/CV,Q的比值在2.5～3.7之间变化。即说明秃尾河流域泥沙的年际变化远远大于径流的年际变化。其中泥沙的CV,S值从上游向下游逐渐减小,各站CV,S值介于0.84～0.95之间;而径流的CV,Q值则是逐渐增加的。

表2 秃尾河流域各代表站年输沙量变化特征

图4 秃尾河流域输沙量累计距平及输沙年际变化过程

3.3 水土保持措施对流域输沙的影响

影响流域泥沙变化的因素主要包括气候条件、流域下垫面条件及人类活动等3个方面[10]。就同一流域而言,年际间流域面积是相对稳定的,变化的是降雨因素和人类活动。流域降水是地表产沙的动力条件,其时空分布对流域产水产沙有直接影响,而水土保持,土地利用等人类活动改变了流域下垫面条件,使产汇流机制发生了变化,故人类活动和降雨的变化是导致水沙量变化的根本和直接原因。

秃尾河流域受人类活动影响因素比较单一,流域水土流失治理程度较高,较大规模治理始于20世纪70年代初,此前可基本视为天然状态。20世纪80年代初秃尾河流域累计治理面积占流域面积的比例达到10%以上。到1996年底,秃尾河流域水土保持措施总保存面积已占水文站以上流域面积的35.1%。秃尾河梯田和坝地的面积比例很小,而林草措施面积比例较高,它代表了以植被措施为主的治理类型区。流域内水利工程如水库等[4-5],都是小型水库,相对于林草工程措施面积而言,所占比重不大,因此,本文认为秃尾河流域泥沙变化的主要影响因素为水土保持措施和降水的变化。

3.3.1 流域输沙量变化的临界年份 流域输沙量发生趋势性跃变的临界年份如图5所示。分析表明:在95%信度水平下,秃尾河流域输沙量在多年变化中呈明显下降趋势,且从1977年开始发生突变。临界年份前后平均输沙量分别为3 170万 t、1 050万t。与前期相比,在面平均降水量减小15%的情况下,流域输沙量减小幅度达66.9%,汛期输沙量减少了2 024.82万t,减小幅度为69.7%。所以初步认为流域水土流失治理对输沙量的趋势性减少起主要作用。

图5 秃尾河流域多年平均输沙量趋势变化分析

为了更好地量化水土流失治理前后输沙量的变化情况,结合降水-输沙双累积曲线进行分析,见图6。可以看出,在1965年曲线斜率发生较小变化,经分析,高家川站自1965年迁站,控制面积由原来3 295km2变为3 250 km2,输沙量的微小变化可能与流域面积变化有关;1977年开始曲线斜率明显减小,这与20世纪70年代大规模水土流失有密切关系;1989年曲线斜率有所增加,到2000年又开始减小。故将流域水沙变化时段划分为5个,即:Ⅰ(1956-1964年)、Ⅱ(1965-1976年)、Ⅲ(1977-1988年)、Ⅳ(1989-1999年)、Ⅴ(2000-2007年)。

图6 秃尾河流域降水量-输沙量双累计曲线

3.3.2 水土保持措施对不同时段流域输沙变化的影响 为了消除雨量影响[13],令

式中:E——侵蚀率(或产沙系数)(t/mm),则

令相邻时段的平均值各为WS1,WS2,P1,P2及E1,E2。对WS=E×P取全微分,并以差分式表示为

式(3)也可写成ΔWS=¯PΔE+¯EΔP的形式。

结合降水-输沙累计曲线和式(3),计算得秃尾河流域输沙量各阶段的变化量(见表3)。

在治理前期,即第Ⅰ(1956-1964年)至第Ⅱ(1965-1976年)阶段,降雨对输沙衰减量的影响为775.3万t,水土保持影响为50.1万t,雨量影响和水土保持影响分别占93.9%、6.1%,说明秃尾河流域在20世纪70年代以前受人类活动影响较弱,泥沙变化主要是由降水变化引起的;而在第Ⅱ(1965-1976年)至第Ⅲ(1977-1988年)阶段,降雨影响为68.4万t,水土保持影响高达1 602.5.9万t,二者所占比例分别为4.1%、95.9%。可以看出,在这一阶段输沙量衰减水土保持措施起了主导作用,降雨影响明显减弱。

在第Ⅲ(1977-1988年)至第Ⅳ(1989-1999年)阶段,降雨影响为144.2万t,水土保持影响为161.1万t,由于这一阶段降雨量的增加,使得二者所占比例分别变为47.2%、52.8%,也说明该阶段输沙的少量增加是受降雨影响所致。在第Ⅳ(1989-1999年)至第Ⅴ(2000-2007年)阶段,降雨影响为137.17万 t,水土保持影响为1 073.57万t,二者所占比例分别为11.3%、88.7%。这一阶段,尽管降雨量仍在增加,但水土保持对泥沙影响程度仍占很大比重,说明秃尾河流域20世纪70年代输沙衰减的主要驱动力是水土保持措施,这也肯定了近年来水土流失治理取得的成效。

3.3.3 水土保持措施对流域输沙年内变化的影响

利用中的ΔP项对临界年份之后的输沙序列修正,分离出降水对输沙的影响,以此来反映前后期水土保持措施对流域输沙年内变化的影响,结果见表4。分析表明,水土流失综合治理使月输沙量减少,但不同月份输沙减少程度差异较大。与前期相比,7-8月输沙减少幅度为25.5%,6-9月输沙减少幅度为 24.4%,而枯水期(10月-翌年 5月)仅为4.9%。说明水土保持措施对流域7、8月份输沙量影响最大,对其它月份减沙作用不是很显著。

表3 秃尾河流域不同时段输沙量衰减原因分析

表4 修正后前后期流域输沙量年内变化

4 结论

(1)秃尾河流域面平均降水量趋势性变化不显著,降水年内分配不均。流域输沙年际变化很大,输沙量变差系数为0.84～0.95,泥沙的年际变化远远大于径流的年际变化。输沙量发生突变的临界年份为1977年。

(2)不同时段水土保持措施对流域输沙变化的影响差异很大。采用降雨-输沙量双累计曲线,定量计算了5个时段降水变化和水土流失治理导致的减沙量及其所占比重,结果表明水土保持措施是秃尾河流域20世纪70年代输沙衰减的主要驱动力。

(3)水土流失综合治理使月输沙量减少,但不同月份输沙减少程度差异较大。与前期相比,7、8月份输沙减少幅度为25.5%,6-9月输沙减少幅度为24.4%,而枯水期(10月-翌年5月)仅为4.9%。说明水土保持措施对流域7,8月份输沙量影响最大,对其它月份减沙作用不是很显著。

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