长江经济带岩溶地区河流水沙特征与石漠化土地相关性分析

吴协保，宁小斌，肖金顶，黄俊威，刘 伟，卢 立

(1.国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014；2.安化县林业局，湖南 安化 413500)

石漠化是长江中上游地区的核心生态问题，事关长江经济带高质量发展[1-3]。在《中南林业调查规划》2021年第一、二期上分析了长江经济带石漠化土地现状及动态变化状况的基础上，本文以长江流域岩溶石漠化地区主要水文站自上世X纪50年代建站以来的主要水沙监测数据，以及国家林业和草原局三期石漠化监测数据[4-5]为基础，分析主要水文站不同阶段水沙特征及变化规律，并与长江流域及乌江流域石漠化土地动态变化数据进行相关性分析，探讨河流水沙特征与石漠化土地动态变化原因，为“十四五”及今后石漠化防治对策的制订与生态修复实施提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

本文中石漠化土地现状及动态变化数据来源于2005—2016年国家林业和草原局组织的岩溶地区3次石漠化监测成果报告;水文监测基础数据资料来源于长江流域2000—2016年历年《中国河流泥沙公报》，主要选择长江流域岩溶地区石漠化相对集中分布的水文站，包括长江干流的寸滩站和宜昌站，长江主要支流乌江武隆站、汉江皇庄站、湘江湘潭站、资水桃江站、沅江桃源站和澧水石门站等8个水文站。

1.2 研究方法

利用Excel的数理统计与图表功能，对长江流域水文监测数据动态变化规律进行分析；运用Excel趋势线指数回归法对石漠化土地面积与年输沙量、本世纪以来各年度年输沙量变化等进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 主要水沙特征动态状况

2.1.1 年径流量

长江流域8个主要水文站2000年前多年平均径流量平均值为1 326.1亿m3，较2001—2016年多年平均径流量偏高8.27%，除湘江湘潭站2000年前多年平均径流量低于2001—2016年多年平均径流量1.04%外，其余各主要水文站偏高幅度为1.32%～17.73%，表明长江流域各主要水文站年径流量有减少趋势，除与区域年降雨量紧密相关外，还和近来流域内水利水电设施建设、区域林草植被改善相关。

2001—2015年间，主要水文站年径流量实际变动规律总体不明显，但年度间差异明显，除汉江皇庄站整体呈现递减趋势外，其余各水文站2006—2010年径流量多年平均值总体偏低；而2001—2005年年径流量多年平均值略高于2011—2015年态势，偏高幅度为2.88%～20.17%。

2016年长江流域主要水文站年径流量平均值较2001—2016年多年平均径流量高8.27%，除长江寸滩站与本世纪多年径流量平均值基本持平、汉江皇庄站低于本世纪多年径流量平均值42.24%外，其余各站均较2001—2015年多年径流量平均值偏高6.34%～36.3%(详见表1)。

2.1.2 年输沙量

长江流域各主要水文站2000年前多年平均输沙量平均值为13 229.3万t，较2001—2016年多年平均输沙量高2.89倍；2000年前主要水文站多年平均输沙量较2001—2016年多年平均值高0.84～8.56倍，表明2001—2016年长江主要水文站年输沙量远低于2000年前年输沙量；长江干流宜昌站2000年前多年平均输沙量较2001—2016年高6.14倍，而三峡库尾干流寸滩站2000年前多年平均输沙量仅高1.64倍，与三峡大坝2003年截流蓄水，下游宜昌站输沙量显著减少紧密相关。长江流域主要水文站年输沙量动态变化，详见表2。

表2 长江流域主要水文站分阶段年输沙量动态变化表名称年平均输沙量/万t2000年前2001—2016年2001—2005年2006—2010年2011—2015年2016年长江寸滩44 364.018012.625 571.718 320.010 146.04 250.0长江宜昌50 089.67015.315 972.03 234.01 840.0850.0乌江武隆2 801.8594.71 066.0494.0224.0330.0汉江皇庄5 571.2582.7828.0660.0260.0130.0湘江湘潭1 020.4552.6616.4641.8399.6510.0资水桃江223.653.1101.125.333.0148.0

2001—2016年，主要水文站年输沙量年际变动规律总体不明显，但年度间差异明显，与主要水文站年径流量存在一定的正相关性，即年径流量大的年份，年输沙量普遍偏多。2001—2016年间，各水文站年输沙量总体呈现降低趋势，主要水文站的年输量平均值与年度呈对数相关减少，R2为0.803 6(详见图1)。各主要水文站2001—2005年多年平均输沙量平均为5620.2万t，较2006—2010年多2 675.3万t，较2011—2015年多3 985.8万t，比2016年高6.76倍，分阶段多年平均输沙量减少趋势明显。除湘江湘潭站、资水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年年均输沙量减少趋势有异常外，其余各水文站均为2001—2005年多年年均输沙量大于2006—2010年，且远大于2011—2015年。

图1 长江流域主要水文站年输沙量平均值动态 变化图

2016年长江流域主要水文站年输沙量平均为831.9万t，是2001—2016年多年平均的24.5%，而2016年主要水文站年径流量平均是2001—2016年多年径流量平均的1.06倍，体现出长江流域年输沙量总体明显减少的变化趋势。

以上结果表明自1998年长江流域发生大洪灾后，除长江流域梯级水利水电设施建设力度加大外，国家加大生态保护与建设力度，实施了天然林资源保护、退耕还林、珠防长防等防护林、生态公益林补偿等工程，区域坡耕地比重下降，林草植被改善，水土流失明显改善，石漠化土地面积减少，生态建设成效日趋显现)。

2.1.3 年平均含沙量

长江流域主要水文站2001—2016年多年年平均含沙量为0.277 6 kg/m3，是2000年前多年年平均含沙量的27.82%；各主要水文站2001—2016年多年年平均输沙量均低于2000年前，2001—2016年多年年平均输沙量是2000年前多年平均输沙量的12.31%～53.59%。汉江皇庄站和长江宜昌站下降幅度最大，主要于三峡水库修建及丹江口水库加高及南水北调工程实施，水利水电设施阻滞洪水与泥沙，且下游流量减少紧密相关。长江流域主要水文站年平均含沙量动态变化，详见表3。

表3 长江流域主要水文站年平均含沙量动态变化表名称年平均含沙量/kg/m32000年前2001—2016年2001—2005年2006—2010年2011—2015年2016年长江寸滩1.248 20.553 30.751 00.585 00.313 40.131长江宜昌1.140 90.174 30.381 90.085 50.045 30.020乌江武隆0.562 80.133 20.227 20.118 70.052 20.058汉江皇庄1.158 10.142 60.186 10.148 70.070 20.055湘江湘潭0.154 70.082 90.088 70.102 30.062 80.058资水桃江0.096 30.024 60.043 50.012 50.016 20.055

2001—2016年，长江流域各主要水文站年平均含沙量变动规律与年输沙量基本保持一致，具体表现为主要水文站年平均含沙量总体呈现下降态势，主要水文站的年平均含沙量平均值与年度呈对数相关减少，R2为0.837 8(详见图2)。2001—2005年主要水文站多年平均含沙量为0.433 4 kg/m3，是2006—2010年的1.73倍，是2011—2015年的3.26倍，是2016年的6.88倍。除湘江湘潭站、资水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年平均含沙量减少趋势有异常外，其余各水文站均为2001—2005年多年平均含沙量大于2006—2010年，且远大于2011—2015年。

图2 长江流域主要水文站年平均含沙量动态变化图

2016年长江流域主要水文站多年平均含沙量平均为0.063 7 kg/m3，为2001—2016年多年平均的22.94%。但资水桃江站、澧水石门站2016年平均含沙量均超过2001—2016多年平均值，分别为2001—2016年多年平均值的2.24倍和1.02倍，主要是2016年径流量是2001—2016年多年平均值的1.23倍和1.33倍，表明年径流量大，年平均含沙量亦相对较高。

2.1.4 输沙模数

长江流域各主要水文站多年平均输沙模数变动规模与年平均含沙量变动规律基本保持一致，即各主要水文站2000年前输沙模数远高于2001—2016年输沙模数，而2001—2016年各主要水文站输沙模数总体呈减少态势。各主要水文站2000年前输沙模数多年平均值为57.4 t /(km2·a)，远高于2001—2016年多年平均，是其3.89倍；各主要水文站2000年前输沙模数多年平均值是2001—2016年多年平均的1.85～9.56倍，其中以汉江皇庄减少幅度最大。21世纪以来，除湘江湘潭站、资水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年平均输沙模数减少趋势有异常外，其余各水文站均为2001—2005年多年平均输沙模数大于2006—2010年，且远大于2011—2015年，体现区域石漠化土地、水土流失面积与土壤流失量均在降低，而区域林草植被与生态环境正在改善。长江流域主要水文站输沙模数动态变化，详见表4 。

表4 长江流域主要水文站输沙模数动态变化表类别年平均输沙模数 t/(km2·a)2000年前2001—2016年2001—2005年2006—2010年2011—2015年2016年长江寸滩511.9207.9295.1211.4117.149.0长江宜昌498.269.8158.832.218.38.5乌江武隆337.671.6128.459.527.039.8汉江皇庄392.141.058.346.418.39.1湘江湘潭125.067.775.578.749.062.5资水桃江83.719.937.99.512.455.4

2016年长江流域主要水文站多年平均输沙模数平均为3.6 t /(km2·a)，是2001—2016年多年平均的24.47%。但资水桃江站、澧水石门站2016年平均输沙模数均超过2001—2016年多年平均值，分别为后者的2.76倍和1.36倍，主要是2016年资水与澧水年径流量大有关。

2.2 主要水文站年均输沙量与石漠化土地动态变化相关性分析

本文以长江流域及石漠化土地集中分布、程度较重的乌江流域 (武隆站)为例，2001—2005年多年平均输沙量对应第一次石漠化监测成果数据(2006年)，2006—2010年多年平均输沙量对应第二次成果数据(2011年)，2011—2015年多年平均输沙量对应第3次成果数据(2016年)。运用Excel趋势线指数回归法分析长江主要水文站平均和武隆站输沙量与石漠化土地面积的相关性关系(图3)。

图3 年均输沙量与石漠化土地面积相关性分析

结果表明:长江流域各主要水文站平均和武隆站河流输沙量分别与长江及乌江流域石漠化土地面积呈指数正相关关系，长江流域R2为0.903 5，乌江流域R2为0.984 1；随石漠化土地面积减少，输沙量亦降低。2001—2016年河流输沙量呈现降低，首先与长江流域大型水利水电设施建设紧密相关，比如三峡水电站2003年正式蓄水，蓄水前2001—2003年宜昌站年均输沙量达30 566.7万t，蓄水后的2003—2016年年均输沙量仅为3 812.9万t，表明三峡水库在调蓄洪水、阻滞泥沙方面作用重大；其次，自21世纪以来随着退耕还林还草、珠江防护林、土地综合治理等国家重点生态工程持续推进，尤其是2008年石漠化综合治理生态修复工程实施，石漠化土地综合治理的力度不断加大；最后，随着异地生态扶贫搬迁、城镇化建设与劳务输出等，岩溶地区生态环境承载量降低，人为干扰减少，陡坡耕地比重持续下降，林草植被结构不断优化，乔灌植被比重增加，林草植被综合盖度逐年提升，区域生态环境明显改善，区域水土流失面积与强度逐年降低，是河流年输沙量总体减少的主要因素[6]。据长江水利委员会发布的《长江流域水土保持公报》(2006—2015年)和《长江流域水土保持公告》(2018年)，截止2013年和2018年，长江流域现有水土流失面积分别为38.46万km2和34.67万km2，分别较全国第二次水土流失遥感调查结果(2002年)和2013年调查结果减少了27.5%和9.85%，水土流失面积与河流输沙量变化趋势基本吻合[7-8]。

3 结论与讨论

3.1 结论

1) 除湘江湘潭站2000年前多年平均径流量较2001—2016年多年平均径流量偏低外，其余各水文站普遍偏高1.32%～17.73%；而2001年以来各水文站年径流量年际变动规律不明显，年度之间差异显著，除汉江皇庄站呈现递减趋势外，其余各站普遍存在2006—2010年径流量多年平均值较低，而2001—2005年又略高于2011—2015年的趋势；而2016年除长江寸滩与汉江皇庄年径流量略低于2001—2015年多年均值外，其余各站均高于2001—2015年多年均值。

2) 各主要水文站2000年前多年平均输沙量显著高于2001—2016年多年平均值，较2001—2016年多年平均值高0.84～8.56倍；除湘江湘潭站、资水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年年均输沙量减少趋势有异常外，其余各水文站均为2001—2005年多年年均输沙量普遍大于2006—2010年，且远大于2011—2015年的特点，主要水文站年输沙量普遍呈对数相关减少态势(R2为0.803 6)；且各主要水文站年平均含沙量、输沙模数的变动规律与年输沙量基本保持一致。

3) 主要水文站年均输沙量与石漠化土地动态变化存在指数正相关关系(长江流域R2为0.903 5，乌江流域R22为0.984 1)，河流年输沙量减少除与流域主要水利水电设施建设相关外，与区域生态建设及石漠化治理工程力度加大，陡坡耕种比重下降，区域生态环境显明改善，水土流失范围及强度普遍下降亦紧密相关。

3.2 讨论

通过对长江经济带岩溶地区主要水文站多年水沙特征的系统研究，各主要水文站年径流量主要受区域年降雨量大小影响，年际之间变动大，且没有规律可循；但河流年输沙量虽与年径流量存在一定的正相关，但各主要水文站2001—2016年间河流年输沙量、年平均含沙量及输沙模数普遍低于20世纪年输沙量，且2001—2016年间，总体呈现下降趋势，除与流域梯级水利水电设施建设力度加大，实现调蓄洪水及阻滞泥沙作用相关外；同时与21世纪以来生态工程持续实施，石漠化与水土流失面积减少，区域生态环境持续改善，林草植被修复后阻滞地表径流亦存在紧密关系。因此，科学推进长江经济带内石漠化及水土流失综合治理，扩大治理面积，加大治理强度，加快区域林草植被恢复，全面改善区域生态环境状况，是减少河流泥沙含量的治本之策，也是实现长江经济带可持续发展的必由之路。