退耕还林（草）对北洛河上游水沙变化的影响

蒋观滔，高 鹏，2，穆兴民，2，柴雪柯

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

黄土高原20世纪70年代以来开展大规模水土保持工程，1999年国家实施了退耕还林（草）工程后，生态环境大幅度改善，黄河中游主要泥沙来源区径流量和输沙量均显著减少［1－2］。据1919—1960年资料统计，黄河三门峡站年均输沙量约为15.9亿t，而1961—2000年，年输沙量为11.2亿t，退耕还林（草）工程实施后的近10a（2001—2009年）年均输沙量为3.6亿t［3］。因此，近年来众多学者对引起黄河水沙减少的驱动因素开展了广泛的研究。Wang［4］和Liu［5］等探讨了黄河干流水沙时空变化特征及其对气候变化和人类活动的响应；张建云等［6］认为黄河中游气温升高和降水减少是径流减少的重要原因之一；冉大川［7］和于一鸣［8］等通过运用水保法和水文法先后确定了河龙区间各项水土保持措施的减水减沙能力。除了对黄河干流的研究，黄河支流泾河［9］、洛河［10］、渭河［11］和汾河［12］的水沙变化驱动因素分析的研究也多有报道。

区分人类活动和气候变化对水文序列的影响程度，尤其是量化人类活动的影响，普遍使用的研究方法就是对序列进行趋势性检验，找到使得水文序列产生明显变化的突变点［13－15］。目前国内对水文序列突变点的研究很多，然而，使用的方法不同，水文序列时间年限不同，得到的变异点的结果也不完全一致［16］。谢平等［17］认为不同的突变检验方法计算精度不同，检验的结果也并不一致，为此提出了系统的水文变异综合诊断法。北洛河是黄河的二级支流，上游位于黄土丘陵沟壑区，水土流失严重。近年来，随着退耕还林（草）以及山川秀美等生态工程的实施，土地覆被格局发生显著变化，生态环境得到显著改善。本文结合北洛河上游控制站吴起水文站1971—2010年水沙数据进行统计分析，对水文序列的突变年份进行检验，比较分析突变年前后水沙变化特征及其驱动因素，并定量估算人类活动和气候变化对水沙的影响程度，为客观评价黄土高原生态建设水土保持效益提供科学的理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

北洛河是黄河的二级支流，渭河的一级支流，是陕西省典型的多泥沙河流之一。北洛河发源于陕西省定边县白于山的魏梁山，流经陕西榆林、延安、铜川、渭南4个地（市）的16个县（区），于大荔县东南注入渭河，河源海拔高程1 785m，河口高程325m，总落差1 460m；平均比降1.52‰，河长680km，流域面积26 905km2。本研究中的北洛河上游指北洛河流域吴起水文站以上的部分，河长275km，主河道平均比降1.60‰，流域总面积3 424.4km2，可分为两部分：北洛河源头区，在定边县境内，面积1 040.6 km2；北洛河上游吴起段，在吴起县境内，面积2 383.9km2。区域多年平均降雨量448.7mm，4—10月降水量占全年降雨总量的93%，年均气温约7.5℃，无霜期96～146d，为暖温带大陆性干旱季风气候。多年平均陆地蒸发量400～450mm，是典型干旱半干旱地区。该区域属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，地形破碎，沟壑纵横，土层深厚，主要土壤类型为黄绵土［18－19］，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。由于长期对土地超载利用，天然植被已严重破坏，现存植被主要为退耕还林后恢复的次生植被，以沙棘（Hippophae rhamnoides）、柠条（Caragana mocrophylla）等灌木，河北杨（Populus hopeiensis）、小叶杨（Populus simonii）等阔叶乔木及紫花苜蓿（Medicago sativa）等人工牧草为主。

1.2 资料来源

本文选取的是北洛河上游控制站吴起水文站以及吴起气象站1971—2010年4—10月实测降水，径流和输沙量资料分析水文气象要素变化，由于“94·8”洪水［20］引起的吴起县城区段洛河支流头道川、二道川、乱石头川上有近10座淤地坝发生溃坝，1994年的水沙资料不用于统计分析。

1.3 研究方法

1.3.1 水文要素趋势和突变分析 雷红富等［21］对10种水文变异检验方法的性能进行了比较研究，认为对于均值发生变异的序列来说，有序聚类，滑动T检验的效率较高。本研究采用有序聚类法［22－23］分析北洛河上游流域控制站吴起水文站1971—2010年实测水沙数据的变化趋势，同时采用Pettitt［15］、Mann－Kendall［24］和 滑 动T检 验 法［17，21－22］综 合 分 析 和 识 别吴起水文站水沙系列突变点，以避免单一的突变点检验方法的不准确性。

1.3.2 降水与人类活动影响程度估算 双累积曲线法是用于水文气象要素一致性的检验、资料校正及插补的常用方法［25］，通过观察双累积曲线是否发生偏转来判断水文气象要素是否存在趋势性变化。将突变前的实测径流量作为基准值，通过构建的线性回归方程计算不同时段的实测径流及理论径流量，不同时段理论值与基准值的差异即为降水对径流变化的影响量；不同时段理论值与实测值之间的差值即为人类活动对径流变化的影响量［26－27］。

2 结果与分析

2.1 降水量、径流量和输沙量及其变化趋势

北洛河上游不同年代三个水文要素特征值见表1。多年平均降水量为416.7mm，年均径流量为0.69亿m3，年均输沙量为0.26亿t。代际间，降水量变化幅度不大，径流量和输沙量总体呈减小趋势，在减小过程中，1990年代有小幅增加，2000年代径流量和输沙量减小显著，相对于多年平均值分别减少了33%和62%。1971—2010年径流量和输沙量大于平均值的年份均为16a，多集中于1970年代，分别为6a和8a。输沙量极值比达到348，主要是由于2007年年输沙量仅为20.6万t，而最大年输沙量为7 178.3万t（1992年）。

北洛河上游1971—2010年4—10月实测降水量，径流量和输沙量见图1。从图中可以看出降水量波动幅度不大，径流量和输沙量波动显著，且输沙量波动幅度大于径流量。三个水文要素的相关系数、Kendall秩次相关系数和Spearman秩次相关系数见表2，三种方法的检验结果均表明径流量和输沙量在相关系数达到0.01信度的显著性水平下趋势显著，相关系数为负值说明径流量和输沙量随时间推移呈减小趋势，而降水量没有明显的变化趋势。

表1 北洛河上游流域不同年代水文要素特征值

图1 北洛河上游1971－2010年4－10月降水量、径流量、输沙量过程线及5a滑动平均线

2.2 径流量和输沙量突变分析及原因调查

采用有序聚类法分析北洛河上游径流量和输沙量发生趋势性跃变的临界年份见图2，可以看出径流量和输沙量都在2002年发生突变，检验统计量分别为－3.72和－4.03，都达到了0.05的显著性水平。为进一步验证径流泥沙突变年份，采用三种方法进行突变检验。Pettitt检验法的结果如图3所示，在0.05的显著性水平检测到径流输沙的突变年份为2002年；非参数Mann－Kendall法检验结果见图4，在0.05的显著性水平下，径流量的突变年份为2003年，输沙量突变年份为2002年。滑动T检验结果见表3，在0.01的显著性水平下径流量和输沙量突变年份均为2002年。从四种突变检验方法的结果汇总来看（表4），除Mann－Kendall法检测的径流突变年份为2003年外，其他方法的检验结果一致，径流量和输沙量发生突变的年份均为2002年，突变年份发生在退耕还林（草）工程实施后3a。

表2 北洛河上游水文三要素年际变化趋势的相关分析

1999年国家实施退耕还林（草）工程，区内营造起大面积的人工林地和草地，植被覆盖度增加，水土流失和风沙危害得到了一定的控制和改善，大规模的生态建设成为评价期内流域径流泥沙减少的重要原因。由于植被自然演替速度缓慢，这个时期的人工林草处于生长初期阶段，保育土壤及防风固沙效果还不明显。根据1986年和2003年TM遥感影像［28］解译可知，耕地面积减少了75.13%，林地面积增长了4.34倍，林地和草地面积分别占区域面积的36.76%和45.30%，其中高覆盖度草地20.62%。随着退耕还林草和荒山造林等生态建设所营造的林草逐渐成熟，植被的减水减沙作用效果显著，流域下垫面的情况的改善引起了径流量和输沙量的急剧减小，与本文检测的突变点为2002年基本相吻合。

图2 北洛河上游1971－2010年4－10月径流量和输沙量［Sn（τ）］变化曲线

图3 北洛河上游1971－2010年4－10月径流量和输沙量Pettitt检验

图4 北洛河上游1971－2010年4－10月径流量和输沙量Mann－Kendall检验

表3 滑动T检验结果

表4 径流量、输沙量突变分析汇总

2.3 降水及人类活动对北洛河上游流域水沙变化的影响程度

利用双累积曲线对降水量、径流量和输沙量进行累加处理，见图5，可以看出降雨量与径流量和输沙量构成的双累积曲线都出现了转折点，突变之后的回归曲线斜率小于突变之前的曲线斜率。根据突变年份，将径流量和输沙量分为突变前期（1971—2002年）和突变后期（2003—2010年）。前期的年均降水量、径流量和输沙量分别为420.0mm，0.77亿 m3，3.15×107t，后期分别为403.3mm，0.38亿 m3，7.6×106t。与前期相比，在年平均降水量减少4%的情况下，年均径流量和输沙量分别减少了64%和76%。通过拟合的线性回归方程估算由降水引起的径流和输沙的减少量，进而计算出人类活动对径流量和输沙量的贡献率。结果如表5，6所示：相对于1971—2002年，2003—2010年降水和人类活动对径流量的影响程度分别为70.8%和29.2%，对输沙量的影响程度分别为34.0%和66.0%。值得注意的是，输沙量的减小幅度大于径流量的减小幅度，可能原因是由于：（1）河道径流量的减少导致输沙能力的降低，泥沙沉积在河道；（2）水土保持工程措施及植被的拦沙效率远大于拦水效率。

2.4 人类活动因素

人类活动对水沙变化的影响主要表现为土地利用方式、植被覆盖度以及水土保持工程措施的实施。20世纪80年代和90年代前期，北洛河上游流域土地覆盖变化的总体规律是农民为了增加粮食产量不断扩大耕地面积，到90年代后期，随着退耕还林（草）工程的实施，耕地面积大量减少，林地面积大幅度增加［29］，致使径流量和输沙量在1990年代有所增加，而在2000年代显著减小。截至2004年流域内共修建淤地坝95座，占全区总面积的7.1%［30］，水土保持工程治理规模较小。坝系工程多建于20世纪80年代之前，而淤地坝平均拦沙寿命为10a，对于1971—2010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。

图5 北洛河上游1971－2010年4－10月降水量－径流量和降水量－输沙量双累积曲线

表5 北洛河上游径流量突变原因分析结果

表6 北洛河上游输沙量突变原因分析结果

1999年，区内涉及的吴起县作为全国试点县开展退耕还林（草）工程，通过制定“封山禁牧，舍饲养畜”政策，一次性退耕1.04×105hm2，取得了明显的生态、经济和社会效益，成为全国退耕还林第一县［31］。根据1997年和2004年TM遥感影像［30］的解译可知，区内中、低覆盖度草地大幅减少，而覆盖度大于60%的高覆盖度草地则由1997年的49.4km2增加为2004年的578.1km2，林地（包括灌木）增加幅度达38.7%。植被通过对降雨的层层拦蓄、吸渗，不仅大大滞后了产流时间，而且影响地表粗糙度，从而使产汇流过程发生改变，减少了径流携沙能力。因此，可以推断，1999年退耕还林（草）工程实施后，生态植被恢复等人类活动是影响北洛河上游水沙减少的主导因素。

3 结 论

（1）通过对北洛河上游1971—2010年4—10月降水量、径流量和输沙量的统计分析和趋势检验：降水量无明显的趋势性变化，径流量和输沙量呈显著减小趋势。

（2）采用有序聚类法、Pettitt检验法、Mann－Kendall检验法和滑动T检验法对径流量和输沙量的突变年份进行检验，并结合水土保持措施资料，得到水沙发生突变的年份均为2002年。流域内的退耕还林（草）工程主要于1999年实施完成，但径流、输沙在2002后才显著变化，说明植被建设的水沙调控效应存在滞后期，需经过一定生长周期才能有效影响流域水沙。

（3）根据突变年份将径流量和输沙量分为突变前期（1971—2002年）和突变后期（2003—2010年）。以突变前期（1971—2002年）为基准期，利用双累积曲线计算得到突变后期（2003—2010年）的降水和人类活动对径流量的影响程度分别为70.8%和29.2%，对输沙量的影响程度分别为34.0%和66.0%，结合人类活动因素分析表明：以退耕还林（草）为主的人类活动是北洛河上游泥沙减少的主要驱动力。

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