黄土高原泾河流域1960—2000年的年输沙量时空变化

刘革非，于澎涛†，王彦辉，屠新武，熊伟，徐丽宏

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京;2.水利部黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，472000，河南三门峡)

黄土高原泾河流域1960—2000年的年输沙量时空变化

刘革非1，于澎涛1†，王彦辉1，屠新武2，熊伟1，徐丽宏1

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，100091，北京;2.水利部黄河水利委员会三门峡库区水文水资源局，472000，河南三门峡)

为制订合理有效的水土流失治理政策，需定量了解流域的泥沙输移总量及其时空变化。以黄土高原多泥沙的典型流域泾河为例，按有连续水文观测数据的11个水文站的控制范围，把流域划分为11个河段，统计分析1960—2000年间的年均输沙量和输沙模数在不同年代的变化和空间上的差异。结果表明:1)20世纪60年代泾河流域年均输沙量为3.024 9亿t/a，年均输沙模数为6 672 t/(km2·a);输沙等级为强度，但空间分布不均匀，其中输沙等级为极强度和强度的河段面积占流域面积的72.6%，其年均输沙量占流域总量的86.0%;输沙等级为中度和轻度的河段面积占流域面积的27.4%，其年均输沙量占流域的14.0%。2)20世纪70年代以来，泾河流域年均输沙量开始减少，90年代已减至2.657 8亿t/a，较60年代下降了12.1%，减沙主要发生在输沙等级为极强度的河段，其减沙量占流域总减沙量的93.5%，尤其以降水较高、植被较好的西部地区为主要贡献区，而其他输沙等级河段的年输沙量基本保持不变。因此，在侵蚀性暴雨增加的气候变化背景下，植被稀疏、抵抗暴雨侵蚀能力差的半干旱地区应列为水土保持重点地区。

水土流失;输沙模数;时空差异;黄土高原;泾河流域

黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重的地区，其年泥沙输出量占黄河总泥沙量的90%［1］。而黄土高原中部的泾河流域是重要泥沙来源地之一［2］，其流域面积仅占黄土高原面积的7%，但多年平均输沙量高达2.6亿t/a，占黄土高原年输沙量的16.3%。为治理严重的水土流失，泾河流域20世纪70年代以来相继采取了一些水土保持措施，并取得一定成效［3-6］，如1970—1996年间年均输沙量减少了7 090万 t/a，合计 23.5%［4］;但整个流域内的减沙效果空间差异巨大，如1971—2003年间年输沙量在泾河干流显著下降，在支流马连河却显著增加［5］:因此，要评估水土流失的治理效果和制订针对性的治理政策，还需了解流域内泥沙量的时空差异。然而，目前有关研究［3-7］较少考虑流域内的差别，这可能会掩盖和模糊了治理措施与泥沙变化的关系，影响制订针对性的治理策略，降低治理措施的科学性和有效性。笔者根据泾河流域11个水文站1960—2000年的泥沙数据，分析流域输沙量的时空变化，期望能为准确评估治理效果及制订合理治理措施提供科学依据。

1 研究区概况

泾河(E 106°20'～ 109°08'，N 34°34'～ 37°30')发源于宁夏六盘山，位于黄土高原中部，面积4万5 388 km2。流域内地形分异明显，北部为黄土丘陵沟壑，中部和南部为黄土塬，西部为六盘山土石山区，东部为子午岭黄土丘陵区。泾河流域为典型的温带大陆性气候，处于温带半湿润区向半干旱区的过渡地带［8］。流域多年平均气温为8℃，最冷月平均气温为-8～10℃，最热月平均温度22～24℃;年均降水量350～600 mm，主要集中于夏季，占年降水量的72% ～86%，且降水强度大，年际变化也大。土壤为典型的黄绵土和黑垆土，结构疏松，极易塌陷、流失。植被整体上为温带森林草原过渡类型，但气候的地域分异导致了植被格局的空间递变，从黄土区山地、残塬沟壑区到黄土丘陵沟壑区依次出现了森林、灌丛和草地。由于开发历史早，自然植被已遭到严重破坏，退化严重［9］，当前森林覆盖率仅6.5%左右，有些地区仅3%。泾河流域侵蚀严重，尤其黄土丘陵区多年平均输沙模数高达1万t/(km2·a)［3］。

2 研究方法

为反映泾河流域内的输沙率空间差异，根据流域内有长期水文观测记录的11个水文站的控制范围，将整个流域分为11个河段(图1)。其中:马连河流域包括4个河段，即山城川、东川、马连河中游和马连河下游河段;泾河干流上游包括5个河段，即汭河、洪河、泾河干流上游、蒲河主干及其支流茹河河段;泾河中下游包括2个河段，即三水河和泾河中下游河段。各河段所属支流及控制面积详见表1，各河段控制面积的计算见表2。

之后，基于11个河段的控制面积和11个水文站1960—2000年的实际年输沙量，按表2计算各河段单位面积年均输沙量，即年输沙模数

图1 泾河流域河段分布图Fig．1 River courses distribution in Jinghe Basin

式中:Yij为第j河段第i年的年输沙模数，t/(km2·a);Sij为该河段第i年的年总输沙量，t;Aj为第j河段控制面积，km2。在此基础上，进一步计算各河段在20世纪60、70、80和90年代的年均输沙模数。

根据输沙模数划分输沙强度等级有利于评价河段的输沙水平。由于黄土高原除渭河等少部分河谷外，其余地区丘陵、沟壑众多，缺乏可供泥沙沉积的开阔地段，泥沙输移比均接近于1［10］，即侵蚀模数与输沙模数基本相等;因此，根据行业标准SL 190—1996《土壤侵蚀分类分级标准》［11］划分输沙强度等级，即分为微弱、轻度、中度、强度、极强、剧烈等6级。

3 结果与分析

3.1 泾河流域20世纪60年代的输沙特征

在20世纪60年代，泾河全流域年均输沙量为3亿249万 t/a，年均输沙模数为6 672 t/(km2·a)，平均输沙等级为强度;但空间分布并不均匀，各河段输沙强度介于极强度和轻度之间(图2)。其中，极强度河段面积占流域总面积的30.7%，其年均输沙量1亿4 366万t/a，占全流域年均输沙量的47.5%(表3)，它包括4个河段，即泾河流域西部的茹河河段、洪河河段、泾河干流上游河段和泾河流域北部的山城川河段，它们在60年代的年均输沙模数分别为1 万3391、1万1322、1 万552 和1 万636 t/(km2·a)。41.9%，年均输沙量1亿1 920万t/a，占全流域的38.5%(表3)，它包括泾河流域中部偏北的马连河中游河段、东川河段和泾河中下游河段(图2)，它们在20世纪60年代的年均输沙模数分别为7 658、6 813和 5 254 t/(km2·a)。

表1 泾河流域的河段特征Tab．1 Characteristics of river courses in Jinghe Basin

表2 河段控制面积和年输沙量的计算Tab．2 Calculation of the area and annual sediment yield of each river course

续表2

图2 泾河20世纪60年代各河段输沙强度等级分布Fig．2 River courses and their grades of sediment yield intensity in Jinghe Basin during 1960's

输沙等级为中度的河段面积为7 024 km2，占泾河流域总面积的15.5%，年均输沙量3 301万t/a，占全流域年均输沙量的10.9%(表3)，它包括马连河下游河段和汭河河段，其20世纪60年代的年均输沙模数分别为4 828和4 285 t/(km2·a)。

输沙等级为轻度的面积较小，仅占泾河流域总面积的11.9%，年均输沙量923万t/a，占全流域的3.1%(表3)，它包括三水河河段和位于泾河上游的蒲河主河段。

可以看出，输沙能力较强的极强度和强度河段占泾河流域的大多数，它们主要分布于流域的西部和中北部，并且集中了全流域近90%的输沙量。

3.2 泾河流域不同强度输沙河段的输沙变化

泾河流域年均输沙模数在20世纪60—80年代持续下降，从60年代的6 672 t/(km2·a)降至80年代的4 272 t/(km2·a)，减小了36.0%，输沙强度等级亦从强度降为中度;但在90年代又大幅反弹，输沙等级又回到强度，年均输沙模数升至5 862 t/(km2·a)，较80年代增加了37.2%，但仍较60年代低11.9%。流域各部分(河段)的输沙变化是不均匀、不同步的(图3)，下面按输沙等级分区介绍流域的输沙变化。

3.2.1 极强度输沙河段的输沙变化 在20世纪60年代输沙等级为极强度的河段，输沙变化可分为持续下降型和先降后升型。其中，泾河流域西部的洪河河段和泾河干流上游河段为持续下降型，其年均输沙模数分别从60年代的1万1 322和1万552 t/(km2·a)持续减小至90年代的3 506和3 884 t/(km2·a)，分别减小了66.8%和65.7%，输沙等级均由极强度降为中度。而泾河流域西部的茹河河段则为先降后升型，其年均输沙模数在60—80年代持续下降，从60年代的1万3 391 t/(km2·a)减至80年代的6 894 t/(km2·a)，减小了48.5%，输沙等级亦由极强度降为强度;但在90年代又回升至1万169 t/(km2·a)，较80年代增加了47.5%，输沙等级又变回为极强度，但仍比60年代低24.1%。山城川河段也为先降后升型，其年均输沙模数由60年代的1万636 t/(km2·a)减至70年代的6 831 t/(km2·a)，减少了35.8%;但在80年代就开始回升，在90年代回升幅度最大，年均输沙模数已增至1万3 501 t/(km2·a)，比最低的70年代增加了97.6%，比60年代也增加了26.9%，甚至超过了60年代输沙模数最大河段——茹河河段的1万3 391 t/(km2·a)，成为泾河流域输沙模数最大的河段。

表3 泾河流域不同输沙等级河段的年均输沙量在20世纪60年代至90年代的变化Tab．3 Changes of annual sediment yield of river courses in Jinghe Basin from 1960’s to 1990’s

图3 泾河流域1960—2000年各河段的输沙模数变化Fig．3 Changes of sediment yield modulus from river courses in Jinghe Basin during the period from 1960 to 2000

这4个河段，90年代的年均输沙量为1亿935万t/a，较之60年代的1亿4 366万 t/a减小了23.9%，占泾河全流域年均输沙量的比率亦从60年代的47.5%减少到39.6%(表3)。这说明极强度输沙的河段在这40年间的减沙幅度较全流域减沙更明显，对泾河流域减沙作用的贡献大。

3.2.2 强度输沙河段的输沙变化 强度输沙河段的输沙变化过程不同于极强输沙等级河段，表现为先降后升，其中，泾河中下游河段表现为先下降再小幅反弹，其年均输沙模数从60年代的5 254 t/(km2·a)减至80年代的3 337 t/(km2·a)，减小了36.5%，输沙等级也降为中度;在90年代又小幅回升，年均输沙模数增至4 047 t/(km2·a)，较之最低的80年代增加了21.3%，但仍比60年代低24.5%，输沙等级仍为中度。与此不同的是，马连河中游河段和东川河段则表现为先下降，再于90年代大幅回升，如马连河中游河段的年均输沙模数在90年代大幅回升至8 499 t/(km2·a)，比最低的80年代增加了33.4%，比60年代亦增加了11.0%，输沙等级亦升为极强度。这3个河段在90年代的年均输沙量为1亿1 876万t/a，与60年代的1亿1 920万 t/a接近，这说明强度输沙河段在这40年间输沙总量变化较小;而且由于泾河流域的输沙总量减少了，它们占全流域年均输沙量的比率亦从60年代的38.5%增加到90年代的44.7%(表3)。

3.2.3 中度及轻度输沙河段的输沙变化 在20世纪60年代输沙等级为中度的河段，输沙变化表现为持续下降和先降后升2种类型。其中，位于泾河流域西部的汭河河段为持续下降型，其年均输沙模数由60年代的4 285 t/(km2·a)减为90年代的978 t/(km2·a)，减小了77.2%，输沙等级由中度降为轻度。而泾河流域中部的马连河下游河段为先降后升型，其年均输沙模数在90年代大幅回升至5 247 t/(km2·a)，较之最低的80年代增加了86.5%，比60年代亦增加了8.7%，输沙等级升至强度。

输沙等级为轻度的河段，输沙变化虽然也表现为持续下降和先升后降2种类型，但都徘徊在轻度甚至微度等级，如泾河流域东南部的三水河河段为持续下降型，年均输沙模数由60年代的1 989 t/(km2·a)减为 90 年代的 627 t/(km2·a)，减小了68.5%，输沙等级亦由轻度降为微度。

尽管中度及轻度输沙河段的输沙量在过去40年间发生了上述变化，但其在泾河流域总输沙量的比例没有显著变化(表3)，这也说明中度和轻度输沙河段对泾河流域输沙或减沙的贡献均较小。

4 讨论

泾河流域经历了显著的气候变化，其年降水量在1960—2000年间减少了18.8%，尤其年径流量减小幅度更大，高达56.1%(表4)，但同期年输沙模数仅减小了11.9%，说明年降水量及径流总量的减少只能在一定程度上解释年输沙量的降低。实际上，侵蚀性暴雨引起的地表径流变化与输沙量变化的关系往往更密切［4］，在泾河流域，全年50% ～60%的降水集中于7—9月［12］，其中近60%为侵蚀性降雨及暴雨［13］，产生高含沙水流的频率极高［4］。据统计［4］，泾河流域 20 世纪 90 年代的暴雨雨量比80年代增加了2.6%，洪峰径流量增加了22.2%，这与90年代输沙模数的反弹相一致，说明流域输沙量更多地受到侵蚀性暴雨及暴雨径流量的影响。

表4 泾河流域不同年代以及不同区域的年降水量和年径流量的变化Tab．4 Annual precipitation and annual runoff in different periods and regions of Jinghe Basin

流域年输沙量还受人类活动和地表覆被变化影响。在黄土高原，相关的人类活动主要包括植树造林、修造梯田、建淤地坝等水土保持工程［6］，或毁林开荒、陡坡开荒、过度放牧等增加土壤侵蚀的破坏性行为［7］。据统计，20世纪90年代泾河流域毁林开荒、陡坡开荒产生的泥沙量比70和80年代分别增加了69.0%和40.2%［7］;但是，人类活动类型较多，其影响难以量化，而且破坏地表覆盖和植树造林等人类活动的产流产沙影响往往具有长期性和时间滞后性［14］，加之保护性和破坏性的人类活动往往在时空上相互交织，如因过度整地减少了地表覆盖，造林初期的土壤侵蚀量也可能增大:因此，依据统计数据准确区分多种因素在不同时段的流域输沙量影响非常困难。

在泾河流域的不同地区，年降水量、侵蚀性降雨量、人类活动的类型和强度以及森林植被覆被的本底和变化过程都不相同，它们的共同作用导致了40年间输沙量变化格局的空间差异。在泾河流域西部，40年间的年降水量和径流量都在减少，分别为25.0%和74.7%，而且西部地区气候相对湿润，地表植被覆盖较好，抵御暴雨侵蚀的能力较强，植树造林在这一地区更易成功，森林覆盖率以及森林质量的提高可能会在很大程度上解释为什么年径流量降低幅度远大于年降水量的降低幅度［14-15］;因而是降水量的减少和森林植被覆盖的改善共同导致了40年间西部地区输沙模数的持续下降，并成为全流域输沙减少的主要贡献区。在泾河流域中部，40年间的年降水量和径流量分别减少了21.2%和34.8%;在泾河流域北部，年降水量减少幅度和中部相近，为24.4%，但年径流量却增加了17.9%(表4)，其降水量与径流量的变化关系明显不同于流域南部和西部。这可能是由于更加干旱的中北部地区植被覆盖差，在气候变化导致的暴雨增多的情况下更易产生侵蚀性的暴雨径流，或者地表植被覆盖的质量在下降，导致40年间的输沙量整体上没有减少。

由此看来，在属于半干旱区的泾河流域中部和北部地区，植被覆盖比属于半湿润区的西部和南部地区更加脆弱，气候变化导致的暴雨径流增加引起的土壤侵蚀和河流输沙量增大的作用更加显著;因此应是未来水土流失重点治理流域中的重点区域，需更加严格地控制开荒、过牧等的范围和强度，保护和恢复地表植被，以控制土壤侵蚀、减少河流泥沙。此外，降水—植被—产流—产沙的过程和数量关系与特定地区的地形地貌、土壤质地、植被类型等多种因素的多个特征紧密相关，要深入理解和准确预测未来气候变化与改变森林植被及地面形态的人为活动共同影响下的流域输沙量响应及其空间差异，还需一系列的机制性、过程性的研究。

5 结论

1)20世纪60年代，泾河全流域输沙强度等级为强度，年均输沙量为3亿249万t/a，年均输沙模数为6 672 t/(km2·a)，但空间上不均匀，表现为以强度和极强度等级输沙区为主，其面积占到全流域的72.6%，年输沙量占全流域的86.0%。

2)20世纪70年代以来，泾河流域输沙呈现出不同程度的下降，90年代流域年均输沙量较60年代减少了12.1%。这主要源于极强度输沙等级河段的输沙量大幅下降，其90年代的年均输沙量为1亿935万t/a，比60年代减小了23.9%，减沙量占流域总减沙量的93.5%。

3)20世纪60—90年代，在植被覆盖较好的泾河流域西部地区，由于降水量减少和造林种草及修建梯田等治理活动的共同作用，其年均输沙模数持续减小，成为整个泾河流域减沙的主要贡献区。而在干旱少雨、植被稀疏的泾河流域中北部地区，其年均输沙模数在60—80年代减小，但在90年代有所回升，这可能是因为侵蚀性暴雨增加。由此看来，植被稀疏的半干旱地区，更需合理利用和努力提高地表植被覆盖，使该地区成为水土流失的重点关注和治理地区。

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Spatial-temporal variation of annual sediment yield during 1960—2000 in the Jinghe Basin of Loess Plateau in China

Liu Gefei1，Yu Pengtao1，Wang Yanhui1，Tu Xinwu2，Xiong Wei1，Xu Lihong1
(1.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing;2.Hydrology and Water Resources Bureau of Sanmenxia Reservoir，Yellow River Conservancy Commission，472000，Sanmenxia，Henan:China)

Quantitative estimation of river sediment yield and its spatial-temporal variation within a river basin is prerequisite to develop an effective strategy for soil erosion control.In this study，the Jinghe basin，where high soil erosion exists，was chosen as representative research area.Based on existing longterm records of 11 hydrological stations，the total river basin was divided into eleven river courses to quantify the spatial-temporal heterogeneity of annual sediment yield during the period of 1960—2000.The results indicated that there was a strong annual sediment yield in Jinghe Basin in the 1960’s，it was 302.49 million t/a for the total river basin and the corresponding annual sediment modulus was 6 672 t/(km2·a)on average.There was a visible spatial heterogeneity of annual sediment yield within the basin.The total area of river courses with sediment yield intensity grades of“extreme”and“severe”accounted for 72.6%of the total basin area，which contributed 86.0%of the annual sediment yield of the total basin.The river courses with sediment yield intensity grade of“moderate”and“slight”covered 27.4%of the total basin area and contributed 14.0%of annual sediment yield of total basin.Since 1970’s，the annual sediment yield in Jinghe Basin reduced.Compared with that of 1960’s，the average of annual sediment yield for the whole basin in 1990’s decreased to 265.78 million t/a，with a reduction ratio of 12.1%.However，93.5%of this sediment reduction took place in the river courses with “extreme”grade of sediment yield intensity.This demonstrated that the river courses with“extreme”grade of sediment yield intensity made a substantial contribution to the sediment reduction in Jinghe Basin，especially the river courses in the west region of Jinghe Basin with higher precipitation and better vegetation coverage;while the sediment yield and contribution from the areas with other grades of sediment yield intensity was basically unchanged.Under the future regional climate change with increasing erosive rain-storms，the semi-arid regions of the Jinghe Basin with lower vegetation coverage and resistance against rainfall erosion should be listed as the key area for erosion control.

soil erosion;sediment yield modulus;spatial-temporal variation;Loess Plateau;Jinghe Basin

2011-04-18

2011-10-10

项目名称:国家自然科学基金项目“干旱缺水地区森林生长固碳与生态耗水的关系”(41071023)、“干旱缺水地区土地覆被变化对区域耗水的影响”(40730631);林业公益性行业科研专项“西北典型区域基于水分管理的森林植被承载力研究”(200904056)、“多功能林业发展的政策保障体系研究”(200904005);国家林业局六盘山森林定位站和森林生态环境重点实验室资助

刘革非(1985—)，男，硕士研究生。主要研究方向:森林水文。E-mail:liugefei85@126.com

†责任作者简介:于澎涛(1970—)，女，副研究员。主要研究方向:森林生态水文。E-mail:yupt@caf.ac.cn

(责任编辑:程 云)