水土保持措施对罗玉沟流域水沙变化的影响

秦瑞杰，陆广勇，安乐平，李 雷，蔡玖锱

(1.黄河水利委员会 天水水土保持科学试验站，甘肃 天水 741000；2.广西博环环境咨询服务有限公司，广西 南宁 530005)

黄土丘陵沟壑区地形破碎、沟壑纵横、生态环境脆弱，是黄土高原水土流失最严重的区域之一，严重的水土流失不仅破坏了生态环境，而且制约了当地社会经济的可持续发展[1]。选择黄土丘陵沟壑区典型流域——罗玉沟流域为研究对象，以流域内1986—2010年实测的降水、径流、泥沙资料为基础数据，通过整理分析，在前人相关研究成果的基础上，对流域水沙变化、水土流失成因进行分析，希望能为探索该区域水土流失规律、治理方向和措施布设提供参考。

1 流域概况及研究方法

1.1 流域概况

罗玉沟是黄河水系藉河左岸的一条支沟，位于天水市区北部，地理位置介于105°30′33.8″～105°44′2.5″E、34°35′21.7″～34°39′22″N，流域面积(卡口站以上)72.79 km2，主沟道长21.81 km，平均宽3.37 km。流域内有大小支沟138条，沟壑密度为3.54 km/km2，属于典型的黄土丘陵沟壑区。流域内多年平均降水量552.5 mm(1986—2010年)，降水量年际变化大，年内分配不均，汛期(5—10月)降水量455.1 mm，占年降水量的82.4%，年蒸发量1 293.3 mm，干燥度为1.3；年平均气温10.7 ℃，≥10 ℃活动积温3 360 ℃，无霜期184 d，年平均风速1.3 m/s；主要土壤类型为山地灰褐土，其分布面积占流域面积的91.7%；主要农作物有小麦、玉米、马铃薯等，经济林以樱桃、苹果、梨、核桃等树种为主。

1.2 资料收集及分析方法

1985年黄河水利委员会天水水土保持科学试验站(以下简称“天水站”)在罗玉沟流域布设雨量站、卡口站，并开始降水、径流、泥沙观测。本研究应用的1986—2010年间的流域降水、径流、泥沙观测资料均来源于天水站在罗玉沟流域布设的雨量站和左家场沟口站的观测成果，主要包括历年降水量、径流量及输沙量数据。水土保持措施数量主要来源于天水站历年统计资料、天水市水利统计年报，以及采用人工调查、遥感调查手段获取的水土保持措施统计数据，主要包括梯田、林地、草地等的面积。

选择整理1986—2010年间连续实测、配套数据进行分析处理，利用SPSS 24.0中的描述统计、相关分析、回归分析、方差分析等统计方法进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 水沙关系变化分析

2.1.1 径流、泥沙统计结果

图1为罗玉沟流域1986—2010年历年降水量、径流量、输沙量情况。由图1可知，研究区1986—2010年历年降水量、径流量和输沙量变化波动较明显，变化范围分别为378.2～841.4 mm、13.6万～682.2万m3、0.6万～162.4万t。

对流域内1986—2010年左家场沟口站实测资料进行统计分析，结果表明：流域内多年平均降水量为552.5 mm，年降水量的变差系数和偏态系数分别为0.21、0.75；多年平均径流量为201.32万m3，年径流量的变差系数和偏态系数分别为0.19、0.98； 多年平均输沙量为33.83万t，年输沙量的变差系数和偏态系数分别为1.21、1.77。输沙量的变异性和年度差异性最大，即输沙量虽然受降水量和径流量影响，但是其波动程度要大于降水量和径流量。由图1还可以看出，年径流量、输沙量、降水量的最大值分别出现在1988、1988和2003年，最小值分别出现在2010、2010和1997年，最大和最小值出现年份并不完全一致，表明流域水沙变化除了受降水量的影响，还受到其他因素的影响。

图1 罗玉沟流域1986—2010年历年降水量、径流量、输沙量

2.1.2 降水输沙关系

点绘年径流量、降水量、输沙量散点图，进行回归分析，建立它们之间的关系，见图2。可以看出，年径流量、输沙量与降水量之间均表现为较好的幂函数关系，且年降水量对径流量的影响比较明显，而年输沙量与径流量之间则呈现出较好的线性关系。

(a)年径流量和降水量关系

(b)年输沙量和降水量关系

(c)年输沙量和径流量关系

2.2 水土保持措施对流域水沙关系的影响

2.2.1 水土保持措施面积变化

罗玉沟流域大规模治理开始于20世纪80年代中期，本研究选择1986、1993、2001、2009年作为代表不同时期治理水平的典型年份，对罗玉沟流域的水土流失治理水平进行分析。可以认为1986年以前为未治理期，将1986年流域土地利用作为本底值，与1986年后各典型年份土地利用情况进行对比，重点对比梯田、林地、草地、果园等水土保持措施面积变化情况。各典型年份流域土地利用情况见表1。

(1)梯田。1986年流域内梯田面积为292.93 hm2，仅占流域总面积的4.02%，而坡耕地面积占流域总面积的比例却高达68.93%。从20世纪80年代后期开始，流域内水土流失治理措施逐年增加，到1993年梯田面积增长到353.90 hm2，2001年增长到404.66 hm2，到2009年达到1 847.16 hm2。特别是2001—2009年藉河流域水土保持示范区的实施使坡耕地面积持续减少，梯田化水平明显提高。1986—2009年，流域内坡耕地面积由5 017.36 hm2减少到2 567.42 hm2，减少了48.8%。

表1 罗玉沟流域不同时期土地利用情况统计

(2)林地。1986年流域内共有林地(含灌木林地、有林地、果园)892.70 hm2，仅占流域总面积的12.26%。到1993年，林地面积增长到1 366.52 hm2，2001年又增长到1 603.69 hm2，2009年林地面积相比2001年有所减少，但其中果园面积增长较快，从2001年的450.12 hm2增长到2009年的735.33 hm2，增长了63.36%。主要原因是，1986—2010年流域内大力推广大樱桃园建设，建成了烟铺大樱桃基地，并配套建设了灌溉、道路等设施，在改善生态环境的同时，也增加了当地群众的经济收入。

(3)草地。1986年流域内共有草地706.78 hm2，占流域总面积的9.71%。随着生产条件的不断改善，流域内农户养牲畜的人数逐渐减少，人工草地也相应减少，到2001年，草地面积减少到476.97 hm2，但之后随着中药材等经济作物种植面积的增加，到2009年草地面积又增加到851.27 hm2。

2.2.2 不同时期水沙关系变化

为更好地分析流域土地利用方式改变，尤其是梯田、林草等措施布设对流域水沙关系的影响，将流域水沙数据分为1986—1999、2000—2010年两个时期，以定量分析水土保持措施对流域水沙关系变化的影响。

罗玉沟流域不同时期年径流量和输沙量随土地利用变化而变化，随着梯田、林地和草地面积增加，年径流量和输沙量均表现出不同程度的减少趋势。1986—1999年流域内平均年降水量、径流量、输沙量分别为532.90 mm、237.56万m3、37.37万t，而2000—2010年平均年降水量、径流量、输沙量分别为577.55 mm、155.21万m3、29.33万t。与1986—1999年相比，2000—2010年平均年降水量增加了8.4%，而平均年径流量、输沙量则分别降低了34.7%和21.5%。

拟合1986—1999、2000—2010年平均年径流量、降水量、输沙量的关系，结果见图3。由图3可以看出，与1986—1999年相比，2000—2010年罗玉沟流域在年降水量增加的同时年径流量及输沙量趋于减少。研究表明，除降雨等气候因素外，土地利用方式、地表植被覆盖状况等也是土壤侵蚀的主要影响因素[2-4]。分析流域内1986—2010年土地利用方式及地表植被覆盖变化可知，25年间罗玉沟流域土地利用变化主要体现为流域大规模综合治理导致的水土保持措施面积变化，以及由此引起的地表植被覆盖变化。与1986—1999年相比，2000—2010年流域内坡耕地面积减少，梯田、林草地面积增加，最终导致了流域水沙总量减少。同时，从不同时期流域年降水量、径流量和输沙量的关系可以看出，梯田、林草地等水土保持措施面积的增加对于径流量的影响要大于对输沙量的影响。

(a)年径流量和降水量关系

(b)年输沙量和降水量关系

(c)年输沙量和径流量关系

3 结 论

(1)罗玉沟流域年径流量、输沙量与降水量之间均表现为较好的幂函数关系，而年输沙量与径流量之间则呈现出较好的线性关系。

(2)罗玉沟流域1986—1999、2000—2010年年径流量和输沙量均表现出不同程度的减少趋势，这主要是由于流域内水土保持措施面积的改变，特别是梯田、林地和草地面积增加，以及坡耕地面积减少的影响。