退耕背景下北洛河上游水沙变化分析

刘二佳，张晓萍†，谢名礼，陈妮

(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌)

黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地方，其中黄土丘陵沟壑区面积约21万km2，地形破碎，植被稀疏，面蚀、沟蚀严重，大多数地区年土壤侵蚀模数为3 000～2万t/(km2·a)［1］。黄河多年平均输沙量为16亿t，近10年来平均输沙量降为7.7亿t［2］，极高的侵蚀产沙模数及高含沙水流条件造成下游河道和水库的淤积，加剧了近年来的洪水灾害，严重制约该区域生态安全和社会发展［3］。20世纪末期，大规模地实施林业生态建设工程，增加植被覆盖，降低降雨动能，改善土壤结构性，拦蓄地表径流，减少土壤侵蚀，从而影响局部地区的水循环过程和水沙演变过程［4-6］。有关黄土丘陵沟壑区水土保持措施期、退耕还林期、后退耕时代径流量、输沙量的变化及其影响因素、生态建设的水沙调控效应、气候和人类活动的贡献率和不同水土保持措施的减水减沙效益等方面已经有大量的研究［7-11］，这对于正确认识该区生态环境改善条件下的侵蚀产沙机制具有重要的作用;然而，在不同的植被分布格局和土地利用结构背景下，流域不同时间尺度的水沙变化过程及其特点有何不同，目前并没有清晰的认识。北洛河是黄土高原丘陵沟壑区的一条典型流域，因此，对林(草)业生态建设前后流域的水沙变化过程进行对比分析，有助于深入认识黄土丘陵沟壑区退耕还林(草)前后泥沙输移机制和土壤侵蚀规律的差别。基于此，选择较短时间内土地利用/覆盖在结构、格局上都发生了明显变化的北洛河上游［12］为研究区，分析在下垫面改变的条件下，流域径流、输沙要素在不同时间尺度上的水沙演变趋势和特征，并对其驱动因素探讨分析，不仅可为退耕还林(草)生态工程的建设和效益评价提供理论支持，而且可为该区生态建设的进一步正确配置提供科学依据。

1 研究区概况

北洛河是黄河的二级支流，流经陕西榆林、延安、铜川、渭南4个地(市)的16个县(区)，于陕西大荔县注入渭河，位于 E 108°32′～110°10′，N 34°33′～37°19′。其上游指吴起水文站以上的部分，流域面积3 424.4 km2，河长275 km，主河道平均比降1.6‰。位于黄土高原的腹地，是黄土高原丘陵沟壑区的第二副区，地形破碎、沟壑纵横，山高坡陡。属暖温带半干旱气候，多年平均降雨448.7 mm(1980—2009年)，汛期占年降雨量的71.8%，常以暴雨的形式出现。土层深厚，以黄绵土为主要土壤类型，抗蚀性差，湿陷性大，易受流水侵蚀，容易形成洪峰尖瘦、暴涨暴落的突发性高含沙水流，是黄河中游产、输沙模数较高的地区。过去由于过度农耕和肆意放牧，形成了以农牧用地占绝对优势的土地利用结构［13］。经过近年来持续的生态建设，该区林草覆盖面积明显增长，形成以落叶阔叶林及灌木草丛为主的次生植被［12］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

采用北洛河上游吴起水文站(1980—2009年)的月流量、月输沙量数据以及吴起气象站点1980—2009年逐日降水量数据分析水文气象要素的变化。

2.2 研究方法

2.2.1 Pettit突变检验 利用Pettit非参数检验法可以避免异常值的干扰以及数据分布特征的影响，研究水文气象要素的变化特征，确定其突变点［14-15］。对于具有N个样本的时间序列，构造统计量

式中 j和 t=2，…，N。令 xj-xk=θ，则 sgnθ值由下式确定:

可知，Ut，N为x序列(径流量)第i个数值大于或者小于第j个数值的累积数。

原假设认为时间序列的突变不显著，而备择假设认为时间序列的变化趋势显著，其统计量

统计量的显著性检验

2.2.2 降雨侵蚀力的计算

采用章文波等［16］的降雨侵蚀力模型对吴起气象站的年降雨侵蚀力进行计算，公式为:

式中:Mi为第 i年的降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h);k为一年内的时间;Dj为年内第j日的侵蚀性降雨量，其中，以12 mm 为侵蚀性降雨的标准［17］，小于12 mm的次降雨按0处理，mm;Pd12为日均雨量2 mm(以上)的日均降雨量，mm;α和β为参数。

3 结果与分析

3.1 径流、输沙变化时段的确定

降雨是径流的直接来源，侵蚀是产沙的根本动力，降雨侵蚀力是评价输沙的最好指标［18］，基于此，分别选用径流量-降雨量和输沙量-降雨侵蚀力双累积曲线确定北洛河上游1980—2009年水沙变化特征。由图1和2可知:这2条曲线均在1994年和2002年左右发生了2次明显的突变;但是1994年斜率的变化是由于极端降水事件引起的［11］，并非下垫面条件明显改变。

图1 径流量-降雨量双累积曲线Fig．1 Double accumulative curve of annual volume of runoff and rainfall

图2 输沙量-降雨侵蚀力双累积曲线Fig．2 Double accumulative curve of annual sediment discharge and rainfall erosivity

为进一步验证水沙的突变特征，采用Pettit方法判定了水沙突变发生的确切时间(图3)，可以看出，在99%信度水平下，年径流量、输沙量的统计检验指标均在2002年出现最低点，说明年径流量、输沙量从此年份开始发生明显变化;因此，为研究退耕还林前后的水沙变化特征，将径流、输沙变化划分为1980—2002年和2003—2009年2个时段。

图3 Pettit临界年份检验图Fig．3 Pettit test for detecting changes of annual volume of runoff and sediment discharge

3.2 年时间尺度

3.2.1 径流量的年变化特征对比 从年径流量随时间变化(图4(a))可以看出:1980—2002年期间，径流量波动较大，呈显著增加趋势，多年平均径流量为0.96亿m3/a，最大值出现在1994年，为3亿320万m3，是多年平均值的3.16倍，大于平均值的年份有7年，占30.43%，小于多年平均值的年份有16年，占69.57%;2003—2009年，径流量波动较小，呈显著下降趋势，最高值出现在2007年，为7 100万m3，且多年平均径流量小于1980—2002年，为5 400万m3，其中大于多年平均值的年份 2年，占28.57%，小于平均值的年份有5年，占71.42%。

图4 北洛河上游径流量和输沙量的年际变化Fig．4 Annual volume of runoff and sediment discharge change in the upper catchment of Beiluo River

3.2.2 输沙量的年变化特征对比 人口压力、农业生产和土地的经营方式是输沙量变化的最主要原因［19］。从输沙量随时间的变化(图4(b))可以看到:1980—2002年输沙量上下波动较大，呈显著增加趋势，多年平均输沙量为3 500万t，1994年8月31日出现过1次50年一遇的特大暴雨，使得滞留在坡脚、沟底、陷穴等位置的侵蚀物质几乎全部被冲刷和搬运到河道，导致当年的输沙量大幅增加，输沙量达到2亿200万t，是多年平均值的5.78倍，说明流域内缺少水利工程分蓄洪水。大于平均值的年份有6年，占26.09%，小于多年平均值的年份有17年，占73.91%;2003—2009年，输沙量波动较小，呈显著下降趋势，多年平均输沙量小于1980—2002年，为600万t;峰值出现在2004年，为1 400万t，是平均值的2.33倍;大于多年平均值的年份有4年，占57.14%;小于平均值的年份有3年，占42.86%:表明虽然人口的增加，城镇化的发展，以及大规模的开采资源造成输沙量一定程度的增加［20］;但是大面积的森林覆盖和良好的植被对于减沙起到了关键性的作用，从另一个方面也说明了国家相关政策法规执行力度较好，规划措施得到合理的落实。

3.3 月时间尺度

3.3.1 流量变化特征对比 月降水量与月均流量变化过程如图5所示。1980—2002年月均流量介于0.54～10.89 m3/s之间，随着月降水量的增大，月均流量在1—3月期间显著增加，在3—5月明显降低，5—8月显著增大;8—12月，随着月降水量的减小，月均流量逐渐减小。2003—2009年月均径流量介于0.46～3.59 m3/s之间，月径流量变化过程与第1阶段基本相同，但是1—3月，当降雨量从3.54 mm增加到9.64 mm时，月均流量的变化率大于1980—2002年，3—12月月均流量的变化率小于第1阶段。从图6可以看出径流的年内分配呈明显的双峰型分布，最大流量出现在8月，1980—2002年和 2003—2009年汛期流量分别占全年的66.06%和46.39%，10月—翌年2月流量分别占全年的14.61%和22.54%，3—5月流量分别占全年的19.34%和31.07%。分析其原因，退耕还林(草)工程的实施使得6—9月大量径流滞蓄，削减汛期水量。

图5 不同阶段降雨量-月均流量过程图Fig．5 Process diagram of rainfall amount-monthly mean discharge in different periods

3.3.2 输沙率变化特征对比

图6 不同阶段月均流量的变化Fig．6 Average monthly discharge in different periods

1980—2002年月均输沙率介于0.15～6 500.57 kg/s之间(图7)，变幅较大，月均输沙率变化过程为:1—8月，无论月均流量是增大还是减小，其月均输沙率都在增大;8—12月，随着月均流量减小，月均输沙率减小，月均流量-月均输沙率整个变化过程基本呈现8字形。2003—2009月均输沙率随月均流量的变化过程大致与第1阶段相似，同样呈现8字形格局，不同之处在于，3—4月月均输沙率随月均流量减小而减小，其余月份月均输沙率的变幅及变率小于1980—2002年。由图8可知，泥沙的年内分配曲线呈单峰型，最大输沙率也出现在8月，相比之下，1980—2002年和2003—2009年汛期输沙率分别占全年的96.31%和94.52%，10月—翌年2月输沙率分别占全年的0.37%和0.78%，3—5月输沙率分别占全年的3%和4%，1980—2002年最大月均输沙率(6 500.57 kg/s)是 2003—2009年(965.76 kg/s)的6.73倍。

由上述分析可见，在黄土丘陵沟壑区，可蚀性物质存在“储存-释放”的过程。10月—翌年5月为储备期，地表物质风化、冻融作用以及人类活动使得地表储存了大量的可蚀性物质，在6—9月，随着降雨的增多，降雨强度的增大，前期储存的物质被大量释放，不存在泥沙供应不足的现象，为高含沙水流的发生提供了物质基础;但是由于植被可以增加地表粗糙率，减小风速，降低流速，稳固土壤，使得泥沙输移大幅减少。

4 不同阶段水沙过程差异的原因分析

图7 不同阶段月均流量-月输沙率过程图Fig．7 Process diagram of average monthly dischargesediment discharge in different periods

图8 不同阶段月均输沙率变化Fig．8 Average monthly sediment delivery in different periods

流域水沙的演变过程受多种因素的影响，如地形地貌特征、雨滴溅蚀能力、径流的输沙能力、土壤的抗侵蚀能力、植被覆盖度以及土地利用方式和水利水土保持工程措施等方面的综合作用。

4.1 降雨因素

从降雨量、降雨侵蚀力随年份变化的曲线(图9)可以看出:2003—2009年，年降雨量和降雨侵蚀力分别由1980—2002年的446.48 mm和1392.79 MJ·mm/(hm2·h)减小至 441.99 mm 和 1 249.59.74 MJ·mm/(hm2·h)，变幅分别为 10.06% 和 10.28%;因此，2003—2009年的降水具有减少径流和输沙的潜在条件，但减少幅度较小，而径流量和输沙量较1980—2002年明显减少。说明林草措施所造成的侵蚀环境的改变是水沙急剧减少的主导因素。

图9 北洛河上游1980—2009年降雨量和降雨侵蚀力的变化Fig．9 Rainfall amount(a)and rainfall erosivity(b)change in the upper catchment from 1980 to 2009

4.2 人类活动因素

人类活动对水沙过程演变的影响主要表现土地利用方式和强度、植被覆盖度和格局的演变以及水利水土保持工程措施的实施。在各项水土保持措施中，淤地坝对于输沙率减少的贡献率远高于其他措施，平均拦沙寿命为10年左右［21-22］。同时，北洛河上游的水土保持工程大部分修建于20世纪80年代以前，且在70年代发挥了主要的减沙效益，多数已经淤满。截至2004年流域内共修建淤地坝95座，占流域总面积的7.1%，规模小。对于1980—2009年而言，淤地坝发挥的减沙效益已经十分有限，因此工程措施对流域径流和泥沙变化的贡献很小。通过对1997年和2002年TM遥感影像解译可知，农耕地面积减少幅度达21.31%，高覆盖度的草地面积由49.4 km2增加到532.8 km2，林地(包括灌木)增加幅度达38.73%，大规模的生态建设成为评价期内流域径流和泥沙变化的重要原因。植被通过影响地表粗糙度、径流量、入渗量、行洪路径，从而使产汇流过程发生改变，减少了径流携沙能力。流域内的退耕还林工程主要在1999年实施完成，但径流和输沙在2002年开始出现显著变化，说明植被重建对流域水沙的有效调控具有一定的滞后期。

为了更好地反映水沙演变对人类活动的响应特征，剔除降雨等自然因素的影响，分别采用单位降雨条件下的产流率(标准化径流量，单位为m3/mm)和单位降雨侵蚀力输沙量(输沙量负荷，单位为t/(MJ·mm·hm2·h))反映径流、泥沙对下垫面条件改变的响应。1980—2002年和2003—2009年平均标准化年径流量分别为21.34万和12.51万m3/mm，平均输沙量负荷分别为 2.31 万、4 300 t/(MJ·mm·hm2·h)，减水、减沙效应分别为41%和81%。这就意味着在黄土丘陵沟壑区，通过植被重建减少河道的输沙，必将减少一定数量的径流;因此，面对我国黄河下游水资源严重不足的形势，在黄土高原地区通过植被建设控制水土流失、调控河道水沙，必须考虑区域水资源承载力和水环境容量的限制，合理确定生态建设的实施范围和规模。

5 结论与讨论

1)双累计曲线和Pettit突变检验表明，1980—2009年北洛河上游径流、输沙变化可以分为1980—2002年和2003—2009年2个阶段。

2)受降雨和人类活动的影响，年时间尺度上，1980—2002年期间，径流量、输沙量波动较大，呈显著增加趋势，2003—2009年，径流量、输沙量波动较小，呈显著下降趋势，多年平均径流量、输沙量小于1980—2002年。

3)在月时间尺度上，受自然和人类活动的影响，1980—2002年与2003—2009年月降水量与月均流量过程基本相同，月均流量和输沙率关系基本呈现顺时针的8字形，不同之处在于变幅及变率不同。径流的年内分配呈双峰型，泥沙的年内分配呈单峰型，最大流量均出现在8月，1980—2002年年均产流的66.06%发生在汛期，年均产沙量的96.31%在该时段内产沙，而2003—2009年，汛期46.39%径流产生了94.52%的泥沙，说明植被覆盖度的增加，汛期减水幅度要比减沙幅度大。

4)驱动力分析可知，2003—2009年，降雨量和降雨侵蚀力减小幅度分别为10.06%和10.28%，降水具有减少径流和输沙的潜在条件，但减少幅度较小。林草重建是水沙大幅减少的主导因素。植被的减水、减沙效应分别为41%和81%。

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