黄河河龙区间退耕还林前后淤地坝拦沙特征分析

梁 越,焦菊英

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,杨凌 712100 2 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌 712100 3 中国科学院大学,北京 100049

黄河中游河龙区间是黄河流域水土流失最严重的区域,也是黄河泥沙的主要来源区[1- 2]。为控制水土流失,国家在河龙区间进行了梯田、淤地坝、水库等一系列水利水保工程建设[3],其中淤地坝是黄土高原治理水土流失广泛使用的沟道治理措施[4]。淤地坝在拦泥保土、淤地造田以及合理利用水资源等方面成效显著,大规模建设淤地坝,在治理水土流失、减少入黄泥沙、改善生态环境等方面具有不可替代的重要作用[5]。现阶段,尤其是退耕还林(草)工程实施以来,林草覆盖率显著提高[6],土壤侵蚀程度降低[7],生态环境明显改善。退耕后黄土高原34%的区域土壤侵蚀率下降,48%的区域土壤侵蚀率不变,18%的区域土壤侵蚀率轻微增加,且强烈侵蚀的区域收缩而轻微侵蚀的区域扩张[8]；在吴起县,退耕后平均土壤侵蚀模数比退耕前减少了45.96%,每年可减少土壤侵蚀量约1704万t[9]；在模拟年降雨条件下,榆林市2013年土壤流失总量比退耕前的2000年和2001年分别减少了40%和41%[10]。

因此,当前是否应该继续进行大规模的淤地坝建设引起学者们的广泛探讨。在当前的侵蚀环境下,很多坝控流域实际侵蚀模数小于设计值,淤地坝大量空置,坝内多有积水而无法利用[11],造成经济资源和水土资源的双重浪费；如果全面按照淤地坝建设规划实施,截至2020年,淤地坝建设将减少43亿m3的水量进入黄河[12],严重影响下游的用水安全。退耕前后河龙区间淤地坝拦沙的变化究竟如何？当前河龙区间淤地坝拦淤潜力如何？今后淤地坝的建设应该如何规划？这些问题的解决对未来河龙区间水土保持措施配置、水土保持投资规模和方向无疑具有重要的参考意义。然而,目前关于退耕还林(草)工程前后淤地坝拦沙变化的研究还较少涉及,且现有的研究一般是针对单个淤地坝开展的[13],样本量小,偶然性大,不足以代表区域淤地坝拦沙变化的整体规律。

鉴于此,本研究通过对延河流域和皇甫川流域多个典型淤地坝的淤积量进行实地测量,同时结合已发表文献中河龙区间淤地坝拦沙数据的收集,分析河龙区间淤地坝退耕前后拦沙的变化特征,探明当前河龙区间淤地坝淤积速度和拦淤潜力,以期为未来河龙区间淤地坝建设规划、水土保持治理和生态文明建设以及退耕还林还草工程的水土保持效应评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 淤地坝拦沙数据来源

作者团队近年来在陕北安塞县坊塌、马家沟小流域以及皇甫川流域特拉沟、满红沟小流域对建于1975—2013年间的11座典型淤地坝进行了实地测量(表1),并计算了淤积总量和拦沙模数。

同时,从CNKI、百度学术与中国学位论文全文数据库中以“黄土高原”、“淤地坝”、“Loess Plateau”与“Check dam”等为关键词搜集了国内外近20年来发表的有关淤地坝拦沙的文献,筛选具有淤地坝拦沙量详细数据的文献,整理淤地坝位置、名称、控制面积、运行时段、淤积量和拦沙模数等信息。共筛选了15篇文献,包括29个淤地坝(表1)。

表1 用于分析的淤地坝及其拦沙情况

*将原文为淤积体积的换算为淤积量,其中,安塞云台山沟取泥沙容重为1.3 g/cm3

1.2 淤地坝拦沙数据分析

本研究采用分区分时段的方法对河龙区间淤地坝拦沙进行对比分析,即将作者团队实地测量和文献搜集的淤地坝拦沙模数数据划分为不同分区不同时段并计算其平均值,其中各个淤地坝按照其运行时段参与不同时段拦沙模数的计算。

本研究将1999年及以前的时间认定为退耕前的阶段,将2000年及以后的时间认定为退耕后的阶段[28]；根据学者对水土保持政策和治理阶段的划分[29]结合文献中淤地坝的运行时段,进一步将各坝退耕前计算时段分为1950—1963年、1964—1978年、1979—1999年三个时段；将退耕后计算时段分为2000—2004年(退耕初期)以及2005年以后(退耕中后期)两个时段[30]。参考以往文献中对河龙区间地理空间的划分[31],将河龙区间河口镇到吴堡区间划分为河龙区间北部,将吴堡到龙门之间的无定河流域及其周边划分为河龙区间中部,将吴堡到龙门之间的其他区域划分为河龙区间南部。

由于拦沙模数数据不服从正态分布且方差不齐,故使用Kruskal-Wallis检验进行非参数检验和两两比较分析(sig=0.05)来对比不同时段淤地坝拦沙模数的差异。本文使用Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 9.0软件进行统计分析和作图。

1.3 植被覆盖度的来源与处理

本研究利用坝控流域的植被覆盖度作为淤地坝拦沙的影响因素,使用的植被覆盖度(FVC)数据来源于中科院遥感与数字地球研究所数字农业研究室,利用像元二分法产生。由于每年夏季是植物典型的生长季,植被覆盖最好[32],所以分别利用1990年、2002年和2013年7月份的植被覆盖度数据来代表退耕前后1979—1999年、2000—2004年和2005年之后三个时段植被覆盖度的平均情况。其中各淤地坝坝控流域的植被覆盖度利用Arcgis 10.1进行提取。

2 结果与分析

2.1 退耕还林(草)前后淤地坝拦沙变化特征

退耕后河龙区间北部、中部和南部淤地坝年均拦沙模数比退耕前分别减少了6991.3 t km-2a-1(49.5%)、13757.8 t km-2a-1(84.1%)和4610.7 t km-2a-1(52.1%)(图1),三个分区退耕后的淤地坝拦沙模数均显著小于退耕前(P<0.05)；根据水利部的水力侵蚀程度分级标准(SL190—2007),退耕后河龙区间北部、中部和南部坝控流域总体上侵蚀程度分别由极强烈侵蚀、剧烈侵蚀和极强烈侵蚀转变为强烈侵蚀、中度侵蚀和中度侵蚀。退耕后河龙区间中部淤地坝拦沙模数为2596.5 t km-2a-1,河龙区间南部是中部的1.6倍(4230.9 t km-2a-1),河龙区间北部是中部的2.7倍(7138.5 t km-2a-1),均超过了西北黄土高原地区的容许土壤流失量(1000 t km-2a-1)。综上所述,退耕还林(草)工程在河龙区间小流域的减沙效应表现为：中部 >南部 >北部。

2.2 退耕还林(草)前淤地坝拦沙特征

河龙区间北部、中部和南部淤地坝退耕前的平均拦沙模数分别为14129.8 t km-2a-1、16354.4 t km-2a-1和8841.7 t km-2a-1,其坝控流域总体的侵蚀程度分别属于极强烈侵蚀、剧烈侵蚀和极强烈侵蚀。河龙区间南部和中部在1950—1963年、1964—1978年、1979—1999年三个时段内的淤地坝拦沙模数分别为18223.5 t km-2a-1、13404.9 t km-2a-1、5419.2 t km-2a-1和24224.9 t km-2a-1、10443.6 t km-2a-1、17074.9 t km-2a-1,随时间推进均呈现减小的趋势,且不同时段的淤地坝拦沙模数存在显著性差异(P<0.05)(图2)。河龙区间北部淤地坝拦沙模数在三个时段内的淤地坝拦沙模数分别为17187.5 t km-2a-1、14165.6 t km-2a-1、14119.0 t km-2a-1,随时间推移变化幅度不大,且不存在显著性差异(P>0.05)。

图1 河龙区间各分区退耕前后淤地坝拦沙变化特征 Fig.1 The variation of retained sediment amount before and after the “Grain to Green” project on different subzones in the He-Long Reach of the Yellow River不同字母表示不同时段淤地坝拦沙模数存在显著性差异；误差棒表示标准误

图2 河龙区间各分区退耕前淤地坝拦沙模数 Fig.2 Retained sediment amount in different periods before “Grain to Green” project on different regions in the He-Long Reach of the Yellow River

2.3 退耕还林(草)后淤地坝拦沙特征

图3 河龙区间各分区退耕后淤地坝拦沙模数 Fig.3 Retained sediment amount in different periods after “Grain to Green” project on different regions in the He-Long Reach of the Yellow River

退耕还林(草)工程实施后,河龙区间南部和中部在两个时段的淤地坝拦沙模数变化不大,坝控流域的侵蚀程度总体上均处于中度侵蚀；河龙区间北部在退耕后两个时段的淤地坝拦沙模数分别为8647.7 t km-2a-1和5776.8 t km-2a-1,随时段推进变化呈现降低的趋势,2005年之后的淤地坝拦沙模数比2000—2004年减少了33.2%(图3),但不同时段的淤地坝拦沙模数无显著性差异(P>0.05)。退耕后河龙区间北部淤地坝的拦沙模数远大于中部和南部,而中部和南部淤地坝的拦沙模数在退耕后两个时段均较为接近。

3 讨论

流域侵蚀产沙一般受气候变化和人类活动的综合影响[33]。由于河龙区间近60年来的侵蚀性降雨和降雨侵蚀力均没有发生显著性变化[2,34],因此降雨变化并不是宏观上河龙区间退耕后小流域淤地坝拦沙量下降的主要原因,退耕后植被覆盖的变化可能是小流域侵蚀产沙量下降的主要推动力。

由图4、5可知,河龙区间植被覆盖度均随时段推进不断上升,而淤地坝年均拦沙模数随时段推进而不断下降,其变化趋势与植被覆盖度相反；河龙区间北部、中部和南部的淤地坝在退耕初期(2000—2004年)年均拦沙模数总体上随植被覆盖度的上升比1979—1999年时段分别降低了38.8%、74.3%和25.2%,下降幅度很大,而从2000—2004年到2005年以后时段,河龙区间中部和南部的平均植被覆盖度分别由54%、58%上升到68%和78%,而河龙区间中部的年均拦沙模数仅下降了9.63%(422 t km-2a-1),而南部还略有上升。这可能是由于短期淤地坝拦沙变化受降雨的年际变异影响较大,也与植被覆盖降低侵蚀产沙的作用存在临界值有关[3,35],在河龙区间,当植被覆盖度低于50%时,侵蚀产沙量随植被覆盖度的上升而迅速下降,但当植被覆盖度超过50%之后,侵蚀产沙量则处于较低水平且趋于稳定,此时植被覆盖度继续上升对降低侵蚀产沙的作用并不明显。

图4 河龙区间1990—2013年7月平均植被覆盖度Fig.4 Vegetation coverage in July in He-Long Reach of the Yellow River during 1990 to 2013

图5 河龙区间各分区坝控流域植被覆盖度与淤地坝拦沙模数关系Fig.5 Corresponding relationship between retained sediment amount and vegetation coverage of dam-controlled watersheds in the sub-zones of the He-Long Reach of the Yellow River

此外,退耕前河龙区间小流域的坡面水土保持综合治理也明显地降低了淤地坝的拦沙量,具体表现为河龙区间北部、中部和南部在1979—1999年时段内的年均拦沙模数分别为1950—1963年的82.1%、70.5%和29.7%。小流域综合治理措施改变了流域下垫面特性及产汇流条件,不同程度地发挥了滞洪拦沙作用[36]。综上,退耕还林(草)工程和坡面水土保持治理措施均能有效地降低小流域侵蚀产沙,削减入黄泥沙,具有较好的水土保持效应。

虽然淤地坝平均拦沙模数总体上随时间推进呈现下降的趋势,且退耕后显著小于退耕前,然而,近年来,极端暴雨事件下的小流域侵蚀产沙非常严重,依然会导致较大的淤地坝拦沙量。例如,2013年7月延河流域发生连续强降雨事件,通过旋廻层淤积量反演淤地坝的泥沙淤积过程可知,7月12日(降雨量为100mm)安塞坊塌4号坝、洞儿沟流域、阎桥流域和芦渠流域的次产沙模数最大,分别为3756.8 t/km2、7546.0 t/km2、2843.2 t/km2和3994.3 t/km2[37]。再如,作者团队通过对2017年无定河流域“7·26”特大暴雨事件下子洲12座淤地坝的拦沙量进行调查,发现淤地坝拦沙模数变化在9715.6—53920.5 t/km2之间,次降雨的淤地坝拦沙模数就远高于本文得出的河龙区间中部在退耕后的淤地坝年平均拦沙模数(2596.5 t km-2a-1)。这表明,虽然退耕后河龙区间小流域淤地坝拦沙量整体上显著降低,生态环境明显改善,但在遭受极端暴雨事件时依然会产生极高的侵蚀产沙量,极端暴雨事件对淤地坝多年拦沙量的贡献极大。

由于退耕后河龙区间淤地坝拦沙模数显著小于退耕前,因此基于退耕前小流域侵蚀程度的淤地坝建设规模已不再适应退耕后的实际情况。退耕后河龙区间中部和南部淤地坝平均拦沙模数分别是退耕前的15.9%和47.9%,坝控流域侵蚀程度总体上由剧烈侵蚀和极强烈侵蚀均转变为中度侵蚀,因此未来河龙区间南部和中部淤地坝建设应根据坝控流域侵蚀产沙的改变合理缩减规模,以免对水资源造成过度消耗,导致下游用水紧张。同时,考虑到河龙区间当前不同区域小流域的侵蚀环境,未来水土保持规划需要协调配置坡面水土保持措施和沟道治理措施,并根据当前小流域的侵蚀产沙状况,及时对淤地坝建设规划做出合理调整。

4 结论

(1) 退耕后,河龙区间北部、中部和南部淤地坝平均拦沙模数比退耕前分别减少了49.5%、84.1%和52.1%,北部、中部和南部淤地坝拦沙模数均显著小于退耕前；坝控流域的总体侵蚀程度由极强烈侵蚀、剧烈侵蚀和极强烈侵蚀分别变为强烈侵蚀、中度侵蚀和中度侵蚀,退耕后植被覆盖度的提高是河龙区间小流域淤地坝拦沙模数降低的主要原因。

(2) 由于小流域的水土保持综合治理,退耕前河龙区间中部和南部淤地坝拦沙模数随时间推进均呈现减小的趋势,不同时段淤地坝拦沙模数总体上均呈现显著性差异,而河龙区间北部淤地坝拦沙模数随时间推进变化不大,且差异不显著。

(3) 退耕还林(草)工程在河龙区间小流域的减沙效应表现为：中部 >南部 >北部。退耕还林(草)工程实施后,黄河中游河龙区间坝控流域的侵蚀模数大幅度降低,生态环境有所改善,但河龙区间坝控流域的侵蚀模数仍然超过容许土壤流失量,尤其是河龙区间北部坝控流域侵蚀程度还处于强烈侵蚀,需要继续加大水土保持工作投入力度。

(4) 退耕后河龙区间中部和南部淤地坝年均拦沙模数分别是退耕前的15.9%和47.9%,坝控流域侵蚀程度总体上由剧烈侵蚀和极强烈侵蚀均转变为中度侵蚀,淤地坝建设规模应该有所缩小以适应现阶段坝控流域侵蚀程度的变化。