罗玉沟流域水沙变化趋势及影响因素

秦瑞杰, 李 平, 肖培青, 马田铂, 王柯凡

(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.黄河水利科学研究院, 水利部 黄土高原水土保持重点实验室, 郑州 450003)

流域水沙关系是反映流域径流量和输沙量关系的指标,受多种因素的影响[1-3]。近年来,气候变化和人类活动的加剧,对流域径流量和输沙量均产生显著影响[1,2,4-7]。孙倩等[8]对黄河中游多沙粗沙区水沙变化趋势及主控因素进行研究指出,不同流域径流输沙的变化均主要是由人类活动影响造成的。郭爱军等[9]对泾河流域降雨—径流关系研究指出,与1960—1996年相比,1997—2010年人类活动和气候变化对流域径流减少贡献率分别为80.96%和19.04%。而王随继等[10]通过分析皇甫川流域径流量和降水量的变化趋势及影响因素,指出不同时期降雨和人类活动对流域径流量减少的贡献率分别为36.43%,16.81%和63.57%,83.19%。孙兆峰等[11]对秃尾河流域径流衰减驱动因子分析研究指出,在径流衰减驱动因子中,人类活动和气候因子的权重分别为71.1%和28.9%。研究表明,研究区域不同,人类活动和气候对流域水沙变化的影响程度存在明显不同。

黄土高原是中国生态环境最为脆弱的区域之一,而黄土高原丘陵沟壑区是黄河泥沙的主要来源,是黄土高原水土流失最严重的地区[12]。20世纪80年代开始,黄土高原地区开展了以流域为单元的综合治理与开发,20世纪90年代末实施了一系列退耕还林还草的生态恢复工程[13],这些水土保持措施的实施,使得黄土高原土地利用格局发生了较大变化,改变了流域下垫面条件,进而对流域的水沙关系产生深远影响[14-16]。对于黄土高原地区,气候因子中降水因子以及人类活动导致的土地利用变化是影响流域水沙变化最重要的因素,近年来成为黄土高原地区研究的热点话题[1,3,7,8,10,17]。基于此,本文以黄土高原丘陵沟壑区典型流域—罗玉沟流域为研究对象,基于1986—2016年实测流域降水和水沙资料,通过Spearman秩次相关检验方法和累积双曲线法,分析31年来流域降水和水沙变化趋势,探讨流域水沙演变的驱动因素,明晰流域径流泥沙演变规律及其影响因素。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区小流域水土流失治理和水土保持措施布置提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

罗玉沟流域位于甘肃省天水市北郊,是渭河支流藉河左岸的一级支沟。地理位置位于105°30′—105°45′E,34°34′—34°40′N,沟口测流断面以上控制面积72.79 km2,流域呈狭长形,羽毛状沟系,平均宽度3.37 km,主沟长21.81 km,平均比降3.35%。流域按土壤、地貌特征划分为黄土区、杂土区和土石山区 3个类型区,主要土壤类型为山地灰褐土,占全流域91.7%。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。该流域于1983年被列为黄河水利委员会水土保持试点小流域、甘肃省重点综合治理小流域,1985年设站开始降水、径流和泥沙观测。

罗玉沟流域属大陆性季风气候,降水年内季节分配不均,冬春季干旱少雨,夏秋季降雨丰富,多年平均降水量为550.6 mm,其中6—9月份降水占60%以上,雨热同期。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。流域近年来经济林发展很快,以樱桃、苹果、梨等为主。

1.2 数据处理及研究方法

本文涉及的水文资料主要包括1986—2016年降水、径流和输沙量观测数据,其中降水资料来源于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)在罗玉沟流域先后布设的31个雨量站,径流、泥沙数据来源于天水站布设的罗玉沟流域径流站实测径流泥沙观测成果,水土保持措施数据主要来源于天水站历年调查统计结果。研究方法主要包括Spearman秩次相关检验方法[18-19],累积距平法和累积量斜率变化率比较法[8,10,20]。

本文采取累积量斜率变化率比较法计算降水和水土保持措施对罗玉沟流域径流和输沙的贡献率,通过年降水量—年径流量和年降水量—年输沙量的双累积曲线进行分析计算[8,10,20]。利用SPSS 24.0中的描述统计、相关分析、回归分析以及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 流域年降水量、径流量和输沙量的变化特征

2.1.1 不同时期流域各水文参数变化分析 1986—2016年罗玉沟流域不同时期年降水量、径流量和输沙量特征值见表1。由表可知,近31年罗玉沟流域多年平均降水量为550.6 mm,不同时期流域年均降水量表现为降低—升高—降低趋势,其中2000—2010年年降水量均值比1990—1999年增加了12.0%。不同时期年降水量的变异系数接近,1990—1999年年降水量的极值比最大,最大年降水量与最小年降水量相差一倍。

表1 不同时期罗玉沟流域年均降水量、径流量和输沙量变化特征Table 1 Characteristics of annual precipitation, runoff and sediment discharge in the Luoyugou watershed in different periods

与年降水量相比,不同时期流域年径流量变化趋势存在明显差异。不同时期流域年径流量呈逐渐降低趋势,1986—1989年年径流量是2011—2016年年均径流量的2.5倍。不同时期年径流量变异系数和极值比总体呈增大趋势,表明不同时期流域年径流量的年际波动性较强,年际间存在较大差异。

不同时期流域年输沙量的变化趋势与年降水量基本一致,但与年径流量变化趋势存在不同。1986—1989年流域年输沙量分别是1990—1999年、2000—2010年和2011—2016年的2.8,2.4,4.4倍。不同时期流域年输沙量的变异系数均不小于1,2011—2016年变异系数高达1.62,且年际间极值比差异也较大,表明年输沙量的年际差异较大,变化较为剧烈,其波动性大于年降水量和年径流量。

2.1.2 流域年降水量、年径流量及年输沙量变化趋势分析 利用Spearman秩次相关检验方法[18-19]对1986—2016年罗玉沟流域年降水量、径流量和输沙量进行统计分析,得到不同水文特征值与年份的秩相关系数(表2)。由表2可知,随着时间的推移,年降水量的检验统计量未达到显著性水平,说明1986—2016年流域年降水量随时间变化无显著增减趋势。年径流量和年输沙量的秩相关系数均达到了显著水平,且均为负值,表明随着时间的推移,流域年径流量和输沙量均呈现显著减少的变化趋势。

表2 罗玉沟流域1986-2016年年降水量、径流量和输沙量变化趋势检验Table 2 Change trend test of annual precipitation, runoff and sediment during 1986-2016

2.2 流域水文参数突变及水沙变化驱动力因素分析

2.2.1 流域突变年份分析 根据1986—2016年流域降水量累积距平的年际变化可知(图1),降水量累积距平变化表现为上升—下降—上升的变化趋势。31年间年降水量有两个突变年份,分别是1993年和2002年。2002年以后年降水量累积距平呈波动上升趋势。与年降水量变化趋势不同,流域年径流量变化的突变年份只有一个,为1993年,与降水量的第一个突变点一致。1993年以后,年径流量累积距平呈现波动下降趋势。流域年输沙量的累积距平值变化较大,1986—2016年呈上升—下降的波动变化趋势。1993年以后整体上流域年输沙量累积距平呈波动降低的趋势,且与年径流量的突变年份一致。

图1 罗玉沟流域年降水量累积距平,年径流量累积距平和年输沙量累积距平

罗玉沟流域降水具有明显的枯水期和丰水期,但年径流量和输沙量在1993年均呈波动降低的趋势,表明年降水量虽然是影响流域水沙变化的主要因素,但不同时期流域水沙变化与降水量并非完全一致。说明除降水因素外,流域水沙变化还受其他因素的影响。

根据1986—2016年罗玉沟流域径流量和输沙量突变点年份,即1993年,将流域水沙数据分为两个时期,1986—1993年和1994—2016年(图2)。由图可知,不同时期流域年径流量与输沙量均呈现较好的线性关系,但不同时期流域水沙关系存在不同,1994—2016年时期流域输沙量随径流量增加的幅度明显小于1986—1993年阶段的增幅。

图2 不同时期罗玉沟流域水沙关系

2.2.2 流域水沙变化影响因素分析 影响流域水沙变化的因素主要是气候和人类活动。对于气候因素而言,由于黄土高原地区气温变化不显著,对流域径流量的影响远小于其他因素,因此本文暂未考虑气温变化导致的蒸发量对流域径流输沙的影响[21],主要分析降水因素对流域水沙变化的影响。对罗玉沟流域而言,流域面积相对较小,且无大规模的取水等活动,因而影响流域水沙关系的人类活动主要体现在不同时期流域下垫面条件改变,主要是水土流失综合治理对土地利用方式的改变。

将突变年份之前的时期作为基准期,发生突变之后的时期作为水土保持措施期。将措施期各年累积降水量带入基准期双累积曲线建立的回归方程,得到计算年径流量和年输沙量[8,10]。不同时段计算值的差异即为降水对径流量或输沙量的影响量;同时段理论值与实测值之间的差值即为水土保持措施对径流量或输沙量的影响量(图3)。

图3 罗玉沟流域不同时期累积降雨量-年份;累积径流量-年份;累积输沙量-年份关系

计算结果见表3。由表可知,与1986—1993年基准期相比,1994—2016年降水和水土保持措施对流域径流量减少的贡献率分别为16.50%和83.50%,对流域输沙量减少分别为19.03%和80.97%。由此表明,1994—2016年水土保持措施对流域径流量和输沙量的变化存在显著影响,且对流域年输沙量贡献率小于对年径流量贡献率。

表3 降水和水土保持措施对罗玉沟流域径流量、输沙量的影响Table 3 Effects of precipitation and human activities on runoff and sediment in Luoyugou basin

3 讨 论

3.1 降水对流域水沙变化影响

降水是影响流域水沙量变化的主要因素之一,黄土高原的径流和泥沙主要是由极端暴雨产生的[22]。对黄河中游多沙粗沙区水沙变化主控因素研究表明,流域降水对流域径流量、输沙量的影响介于1.0%～41.1%和1.7%～34.0%[8]。赵阳等[23]和寇馨月等[24]通过分析罗玉沟流域1986—2008年和1986—2010年水沙数据,指出气候变化对径流和泥沙变化的贡献率分别为33.1%,32.5%和18.48%,27.15%。而本文的研究结果则分别为16.50%和19.03%,表明贡献率分析方法以及数据时序长短等可能对分析结果存在一定影响[20,25]。

利用皮尔逊Ⅲ型频率曲线分析方法对罗玉沟流域1986—2016年年降水量进行丰水年、平水年和枯水年的划分(25%,50%,25%),罗玉沟流域丰水年、平水年和枯水年年降雨量分界点分别为620.9,453.8 mm。由1986—2016年罗玉沟流域年降水量年际变化可知,罗玉沟流域年降水存在明显的丰水期和枯水期,例如1994—1998年期间流域年均降水量仅424.8 mm,尤其是1997年,降水量仅367.3 mm,属于明显的枯水期。按照不同降水频率对流域水沙关系分析可知(图4),不同降水水平年流域水沙关系存在明显不同,枯水期由于较低降水量导致此时期的产流产沙量明显低于其他时期。张守红等[25]对无定河流域的研究指出,枯水期降雨减少对径流、输沙减少的贡献率较大,分别达到29.0%和30.3%。由于观测时限的限制,1993年以前罗玉沟流域无明显的枯水期水沙观测资料,因此在以往定量研究降水和水土保持措施对流域水沙贡献的影响时,并未充分考虑枯水期对流域水沙变化的影响,其结果有可能低估降水对流域水沙变化的贡献率[9,26]。

图4 罗玉沟流域不同降水水平年流域水沙关系

3.2 水土保持措施对流域水沙变化的影响

下垫面条件不同,流域水沙关系存在明显差异。对黄河上中游径流量变化[27]和黄土高原藉河流域[28]研究指出,人类活动及其引起的土地利用变化对流域径流量的贡献分别为84.9%和90.2%。对罗玉沟流域而言,影响流域水沙关系的人类活动主要体现在不同时期流域水土流失综合治理活动。罗玉沟流域大规模水土流失综合治理自20世纪80年代中期开始,但流域综合治理的蓄水减沙效益一般在造林初期较低,随着植被的生长而逐渐增大。郑金丽等研究结果指出,流域大规模水土保持措施开展、水利工程的兴建时间是影响黄河流域降雨—径流关系发生转变的重要因素[29]。

罗玉沟流域1986—2016年不同时期水土保持措施面积分布见表4。由表可知,不同时期罗玉沟流域梯田面积呈增加趋势,与1986年梯田面积相比,2013年流域梯田面积增加了8.0倍;1993年以后,流域林地面积呈增加—降低的趋势,而草地面积整体上呈缓慢增加趋势,主要是由于流域内部分林地逐渐转变为草地。与坡耕地相比,梯田和林草地可以有效增加流域涵养水源的能力,也可以在一定程度上减少水土流失量,使得流域年输沙量迅速降低[30-31]。而本文研究结果表明,1993年以后,流域的年径流量和年输沙量均呈现出不同程度的降低趋势,与流域水土保持措施发挥效应的年限基本吻合。此外,1998年以来,依托黄河流域水土保持藉河示范区项目,罗玉沟流域开展了新一轮水土流失综合治理,对2000年以后流域水沙同样具有一定影响。

表4 不同时期罗玉沟流域水土保持措施面积Table 4 Soil and water conservation measures area in Luoyugou watershed in different periods hm2

除梯田和林草等水土保持措施外,1993—2016年流域开展了水土保持沟道治理工程,先后修建了20多座淤地坝,这些工程措施在沟道治理中发挥了重大作用。淤地坝的修建对于控制流域侵蚀产沙,减少泥沙输移方面作用显著[32]。

由表5可知,与1986—1993年相比,1994—2016年在流域年降水量基本接近的情况下(变化率0.8%～7.1%),流域年径流量减少32.6%～89.6%,年输沙量降低39.3%～74.1%,表明流域水土保持综合治理对不同频次降水下流域年径流量和输沙量均有显著影响,且对枯水年径流量和输沙量的影响幅度最大。穆兴民等[33]对甘肃西峰南小河沟流域杨家沟和董庄沟的研究指出,水土保持的作用使小流域枯水年径流减少最显著,丰水年减少较小,本文的研究结果与其一致。

表5 1986-2016年罗玉沟流域不同降水频率水文参数变化Table 5 Variation of hydrological parameters under different precipitation frequencies in Luoyugou watershed from 1986-2016

此外,对罗玉沟流域1986—2016年年最大含沙量进行Spearman秩次相关检验,结果表明,多年最大含沙量呈极显著降低变化趋势。晏清洪等[34]研究指出,不同次降水雨型下,水土保持措施对小流域产流输沙的影响存在明显不同,水土保持对降雨量大、降雨强度大的雨型减水减沙效果最好,表明水土保持措施对流域次降雨条件下的水沙过程也具有显著影响。

4 结 论

(1) 1986—2016年罗玉沟流域年降水量的波动程度远小于年径流量和年输沙量,流域年降水量随时间变化无显著增减趋势,而流域年径流量和输沙量随时间呈现显著减少的变化趋势。年降水量在1993年、2000年发生突变;年径流量和年输沙量仅在1993年发生突变。1986—1993年和1994—2016年流域年径流量与输沙量均呈现较好的线性关系,且1994—2016年时期流域输沙量随径流量增加的幅度明显小于1986—1993年阶段的增幅。

(2) 与1986—1993年相比,1994—2016年期间降水和水土保持措施对流域径流量减少的贡献率分别为16.50%和83.50%,对流域输沙量减少分别为19.03%和80.97%。水土保持措施对流域水沙减少起主导作用,且对径流量变化的贡献率大于输沙量。不同降水水平年,流域水沙关系存在明显不同,枯水期由于降水量少导致产流产沙量明显低于其他时期。不同降水水平年下,水土保持措施对流域径流和泥沙的减幅分别为32.6%～89.6%和39.3%～74.1%。