马莲河流域泥沙演变规律及其成因分析

黄维东，朱 咏，王启优，张昌顺

（1.甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070）

在全球气候变化和人类活动影响下，流域下垫面条件发生改变，河流泥沙演变规律发生较大变化［1－3］。随着区域气温升高，自然植被覆盖度大幅度提高，对径流形成滞蓄、消耗，使河流的径流量和输沙量减小；通过实施梯田、淤地坝、林草等水土保持措施，拦蓄了雨水径流，减轻了水土流失，使河流水量有所减少，泥沙含量大幅度降低，泥沙演变规律发生显著变化［4－6］。马莲河流域是黄土高原地区水土流失最为严重的区域之一，洪水期河流泥沙含量高、水质苦咸，水资源可利用量较少，流域水资源严重匮乏。近几十年来，经过流域综合治理，水土流失状况得到较大改观，生态环境有了一定改善，但与当前黄河流域生态保护和高质量发展的要求相比，还存在很大差距。

对河流泥沙演变规律的研究较多。彭世想等［7］分析了马莲河流域水沙变化与水土保持成效，结果表明，在黄土高原水土保持世界银行贷款项目实施以后，马莲河流域径流量和输沙量明显减小，且输沙量减小幅度大于径流量减小幅度，水土保持措施的减水减沙效益较为显著；杜敏等［8］研究了马莲河流域土壤侵蚀产沙变化的格局，结果表明流域年输沙量与输沙模数随时间变化呈下降趋势，输沙模数具有明显的空间分布特征，由北向南递减；刘淑燕等［9］研究了黄土丘陵沟壑区典型小流域土地利用变化对径流输沙的影响，分析认为坡耕地改梯田可能是导致水沙变化的主要原因。

以往研究对马莲河流域泥沙演变规律进行了分析，但对其成因分析较少。笔者采用与全国第三次水资源调查评价同步的最新长系列水文资料，系统分析马莲河流域的泥沙时空分布规律，以及影响泥沙变化的降水、气温、植被覆盖度、水土保持措施等因素，计算人类活动和降水对泥沙变化的贡献率。

1 流域概况

马莲河是渭河的二级支流、泾河的最大支流，发源于陕西省定边县红柳沟镇杜家沟，至甘肃省宁县政平镇汇入泾河［10］。流域地处东经106°20′—108°45′、北纬35°15′—37°10′，集水面积19 086 km2，河长375 km，平均比降0.135%。流域地形总体由北向南倾斜，海拔在885～2 082 m 之间，主要支流有山城川、马坊川、安山川、合道川、东川、合水川、固城川等。流域平均年降水量472.2 mm，年径流深23.1 mm，年径流系数0.049。出口控制站雨落坪水文站多年平均径流量4.395 亿m3。

流域内山、川、塬兼有，沟、峁、梁相间，受地形地貌和局地暴雨洪水影响，水土流失严重。干流上的洪德、庆阳、雨落坪水文站实测最大含沙量分别达1 220、1 220、1 050 kg／m3；支流上的贾桥、板桥、悦乐水文站实测最大含沙量分别达981、849、889 kg／m3。流域多年平均输沙量1.197 亿t，年输沙模数在1 663～8 148 t／km2之间。

2 资料来源与分析方法

选取马莲河流域洪德、庆阳、雨落坪、贾桥、板桥、悦乐等6 个国家基本水文站（马莲河流域水系及水文站分布见图1）1956—2016 年实测水文资料进行分析，资料系列较长，具有一定的可靠性、一致性、代表性，满足分析计算的需要。

图1 马莲河流域水系及水文站分布

采用多年特征值、历年过程线、差积曲线等分析河流泥沙年际变化情况，采用年内分配百分比、年内分配过程线等分析泥沙的年内分配，趋势分析采用坎德尔秩次相关、斯波曼秩次相关、线性趋势相关等方法，突变分析采用Man－Kendall 法、有序聚类法、Lee－Heghinan 法等［11］，采用“水文法”分析计算人类活动和降水对泥沙变化的贡献率。

3 泥沙时空分布规律

3.1 空间分布

马莲河流域泥沙分布地区差异较大，总体从上游向下游递减，最大产沙区域在马莲河干流洪德水文站以上和支流柔远川悦乐水文站以上，多年平均输沙模数分别为8 148、7 299 t／km2；其次，干流洪德—庆阳区间和支流东川悦乐—贾桥区间年输沙模数分别为6 614、6 280 t／km2；下游（庆阳＋贾桥＋板桥—雨落坪区间）年输沙模数为4 716 t／km2；支流合水川泥沙最少，年输沙模数为1 663 t／km2。马莲河流域各区间水文特征值见表1。

表1 马莲河流域各区间水文特征值

干流各区间产沙与径流不对应，呈现水沙异源特征。干流3 个区间年径流深由最小14.7 mm 递增到最大27.9 mm，年输沙模数则由最大8 148 t／km2递减到4 716 t／km2。支流柔远川、东川、合水川的年径流深、输沙模数大小顺序一致，年径流深由32.8 mm 递减到18.3 mm，年输沙模数由7 299 t／km2递减到1 663 t／km2。

3.2 年际变化

代表站历年径流量、输沙量、含沙量过程线及其差积曲线见图2。各站年输沙量变化趋势基本一致，总体呈减少趋势，洪德、庆阳、雨落坪水文站年均减少113 万、84 万、37 万t。不同年代输沙量变化趋势基本与径流量变化趋势一致，输沙量20 世纪50 年代末增加，60 年代初减少，1965—1978 年基本稳定，1979—1988 年连续减少，1989—2005 年连续增加，2006—2016 年连续减少。

图2 代表站水沙历年变化过程

含沙量是单位体积浑水中所含干沙的质量，代表河流水体的浑浊程度，比较不同河段和不同年代的平均含沙量，可以消除当年来水量大小的影响，真实反映流域水土侵蚀状况和治理成效。干流3 个站的年输沙量从上游向下游增加，而年均含沙量在减小，说明越到下游土壤侵蚀越轻，水流越清。年均含沙量与年输沙量历年变化趋势基本一致，总体呈减小趋势。

3.3 年内变化

洪德、庆阳、雨落坪水文站多年平均月输沙量年内分配见图3，输沙量年内分配极不均匀。汛期（5—9月）输沙量占全年的99.2%以上，其中7—8 月输沙量占全年的82.5%～83.7%，非汛期（10—4 月）输沙量极小、河流基本上清澈见底。

图3 代表站多年平均输沙量年内分配

4 泥沙演变规律

4.1 趋势分析

采用坎德尔秩次相关、斯波曼秩次相关、线性趋势相关等3 种方法，对各代表站历年输沙量进行趋势检验分析，综合判断变化趋势的显著性，结果见表2。流域泥沙均呈减少趋势，其中洪德站输沙量呈不显著减少趋势，庆阳、雨落坪站呈显著减少趋势。

表2 代表站输沙量变化趋势显著性检验结果

4.2 突变分析

采用Man－Kendall 法、有序聚类法、Lee－Heghinan法等方法对代表站进行输沙量突变分析，以突变点为界，分别计算突变前后的均值及跳跃量（见表3）。结果表明，洪德、庆阳、雨落坪水文站的年输沙量均发生显著突变，突变点分别为2002 年、2003 年、2005 年，突变后年均输沙量分别减少0.237 2 亿、0.446 4 亿、0.771 2亿t，减少了54.8%、51.4%、57.7%。

表3 代表站年输沙量突变分析结果

4.3 泥沙变化的影响因素分析

流域降水是地表产沙的动力条件，其时空分布对流域产流产沙有直接影响，而流域气候向暖湿转变导致自然植被覆盖度增加，水土保持措施等人类活动改变了流域下垫面条件，使产流产沙机制发生了显著变化［12］。马莲河流域历年降水量变化过程见图4（a），年降水量丰枯交替，总体呈略有增加趋势，年均增加0.11 mm。在流域降水量增加的情况下，径流和泥沙反而呈减少趋势，原因主要是流域平均气温升高［见图4（b）］、植被覆盖指数NDVI提高［见图4（c）］、水土保持措施面积增加［见图4（d）］，对部分雨水形成拦截、调蓄、消耗，进而减少了土壤侵蚀和泥沙输移。

图4 马莲河流域降水、气温、植被及水土保持措施面积变化过程

突变年份2005 年前后对比见表4，突变后流域年均降水量增加了2.8%，年均气温升高14.0%，NDVI提高了10.2%，水土保持工程措施、林草措施面积分别增加了193%、93%。

表4 突变年份前后输沙量影响因子对比

水土保持措施对流域的减水减沙作用十分显著。截至2016 年底，马莲河流域共修建梯田32 万hm2，淤地坝400 座，造林45.2 万hm2，种草13 万hm2，封禁治理31.4 万hm2。流域泥沙变化是一个渐变过程，全流域之所以在2005 年发生突变，与马莲河流域实施了黄土高原水土保持世界银行贷款项目有关，该项目从1994 年开始，到2004 年完成，一、二期总投资1.258亿元，共修建梯田5 860 hm2，建设淤地坝19 座，完成造林21 570 hm2，人工种草4 600 hm2。

4.4 气候变化和人类活动对泥沙变化的贡献率

马莲河流域年输沙量系列在2005 年发生突变，2005—2016 年年均输沙量比1956—2004 年减少0.771 2亿t。采用“水文法”分析，突变后流域年降水量增加了2.9%，使年输沙量增加了0.062 9 亿t，水土保持措施等人类活动使年输沙量减少0.834 1 亿t，人类活动和降水对输沙量变化的贡献率分别为93.0%、7.0%。刘晓燕［13］对黄河近年水沙锐减成因分析结果表明，泾河上游景村以上2007—2014 年降水使泥沙增加10.3%～18.6%，人类活动使泥沙减少81.4%～89.7%，泾河上游马莲河流域的水土保持措施占比较大，梯田、林地、草地、坝地、封禁治理分别占景村以上流域的49.1%、53.6%、65.5%、87.4%、65.5%，本次分析马莲河流域人类活动对输沙量变化的贡献率略高是合理的。

5 结论与建议

5.1 结 论

（1）输沙模数空间分布。马莲河流域泥沙分布地区差异较大，总体从上游向下游递减，最大产沙区域在干流洪德站以上和支流柔远川悦乐站以上，多年平均输沙模数分别达8 148、7 299 t／km2；其次，干流洪德—庆阳区间和支流东川悦乐—贾桥区间年输沙模数分别为6 614、6 280 t／km2；庆阳＋贾桥＋板桥—雨落坪区间年输沙模数为4 716 t／km2；支流合水川泥沙最少，年输沙模数为1 663 t／km2。

（2）输沙量年际年内变化。干流洪德、庆阳、雨落坪水文站历年输沙量总体呈减少趋势，年均减少113万、84 万、37 万t；年输沙量分别在2002 年、2003 年、2005 年后减少了54.8%、51.4%、57.7%。三站输沙量年内分配极不均匀，汛期5—9 月输沙量占全年的99.2%以上，其中7—8 月占全年的82.5%～83.7%。

（3）泥沙变化影响因素。人类活动和降水对马莲河流域输沙量变化的贡献率分别为93.0%、7.0%，人类活动等造成下垫面条件变化是泥沙显著减少的主要原因。

5.2 建 议

在空间分布上，马莲河上游为黄土丘陵沟壑区，年降水量300 mm 左右，仅为下游的一半，气候干燥、地面植被差、地形支离破碎，土壤极易被侵蚀，是产沙输沙和水土流失的重点区域。马莲河流域产流主要为超渗产流，短历时强降水及其形成的暴涨暴落洪水过程是土壤侵蚀和泥沙输移的原动力，每年主汛期7—8 月暴雨洪水形成的泥沙占全年的80%以上。近年来，受极端天气影响，流域局地暴雨洪水频发，建议对暴雨形成的场次水沙过程及其成因进一步研究。

马莲河近十几年年均输沙量减少比例远小于黄河其他干支流减少比例，流域水土流失治理的空间还很大。马莲河2022 年7 月15 日发生大暴雨，1 h 最大降雨量84.6 mm，12 h 降雨量达367.9 mm，庆阳、雨落坪水文站发生50 a 一遇洪水，最大洪峰流量分别达4 930、4 290 m3／s，给当地人民生命财产造成重大损失，流域内部分梯田、淤地坝冲毁相当严重。为此，流域水土保持措施要避免重建轻管，对水毁和淤积失效的工程应及时修复使其发挥作用。

从根本上解决流域水资源短缺、水土流失严重等问题，必须贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，一方面要节约保护和开发利用好当地水资源，另一方面要积极推进白龙江引水工程（已得到水利部审查并报发改委审批），增加马莲河干支流生态用水量，确保河流水系连通、河湖健康、生态环境改善和区域经济社会可持续发展。