禿尾河流域水土保持措施對(duì)河流泥沙變化的影響*

周 旭,穆興民,2,張 鑫,嚴(yán)寶文

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊陵712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵 712100）

河流水沙變化是氣候和土地利用變化環(huán)境效應(yīng)研究的重要內(nèi)容[1-2]。其研究對(duì)黃河流域泥沙治理有重要意義。國(guó)際上,在 IHP、WCRP、IGBP、GWSP等研究計(jì)劃中都不同程度的涉及土地利用/覆蓋變化(LUCC)與水文科學(xué)關(guān)系方面的工作,相應(yīng)的水文效應(yīng)方面也有大量研究成果[3]。但因研究方法和技術(shù)的缺陷或不足,立足水文法、水保法及水文模型法的研究成果不能滿足水土保持、水資源配置等的決策與建設(shè)需要。目前,黃土高原的水土保持工程已達(dá)到相當(dāng)規(guī)模,顯著地改變了流域的下墊面條件,而近50余年來禿尾河流域徑流及輸沙特征發(fā)生了很大的變化,但已有對(duì)河龍區(qū)間支流的變化研究略顯不足,不利于以全面評(píng)價(jià)水土保持工程的作用。本文以地處多沙粗沙區(qū)的禿尾河流域?yàn)槔?依據(jù)實(shí)測(cè)資料,分析了降水、輸沙變化趨勢(shì)以及水沙變化的臨界年份,定量計(jì)算出不同時(shí)段泥沙衰減量以及由于降水的變化和水土保持措施影響導(dǎo)致的減沙量所占比重,從而分離出水土保持措施對(duì)輸沙量的影響,為水土保持措施擾動(dòng)下的水文效應(yīng)評(píng)價(jià)提供一定的基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

禿尾河發(fā)源于陜西神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)宮泊海子[4],自西北向東南流經(jīng)瑤鎮(zhèn)、公草灣、古今灘、高家堡,在萬鎮(zhèn)的河口岔村注入黃河,是黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土流失最嚴(yán)重的多沙支流之一。干流全長(zhǎng)139.6 km,流域面積 3 295 km2,地勢(shì)總體呈東南低,西北高;流域地處干旱、半干旱地區(qū),屬大陸性氣候,冬季干冷,夏季炎熱,其多年平均降水量417.4 mm(1956-2000年),區(qū)域內(nèi)植被稀少。流域分為4個(gè)地貌類型區(qū)[5]:草灘區(qū),流動(dòng)風(fēng)沙區(qū),蓋沙區(qū),黃土丘陵區(qū)。禿尾河流域較大規(guī)模治理始于20世紀(jì)70年代初,至1996年底,流域水土保持措施總保存面積占水文站以上流域面積的35.1%,均是以植被措施為主的治理類型區(qū)。流域內(nèi)資源豐富,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,總?cè)丝诩s5萬人,人口密度為45.17人/km2;經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主,改革開放以來,煤炭開采業(yè)得到了迅猛發(fā)展,同時(shí)也帶動(dòng)了本區(qū)運(yùn)輸、建筑、原材料加工及服務(wù)性行業(yè)的發(fā)展。有在建、規(guī)劃的2片大型工業(yè)園區(qū),禿尾河將成為當(dāng)?shù)匕l(fā)展的重要水源[6]。

2 資料與方法

2.1 資料情況

采用的禿尾河流域1956-2007年降水、徑流、泥沙資料來自于黃河流域水文年鑒;流域面平均降雨量采用公草灣、高家堡、高家川三站算術(shù)平均值[7],其中1996-2007年面降雨量根據(jù)榆林站雨量資料延展得到。高家堡1967年設(shè)站,其缺少泥沙資料按照高家堡-高家川輸沙相關(guān)線插補(bǔ)展延得到的。降雨和輸沙年內(nèi)變化特征依據(jù)1956-1990年相應(yīng)序列分析,年際變化分析時(shí)選擇相應(yīng)序列為1956-2007年。高家堡站位于流域的中游,高家川位于流域的下游,是禿尾河流域的把口站。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall秩相關(guān)分析方法 降水及泥沙的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)分析采用Mann-Kendall秩相關(guān)分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,由于其不要求所分析數(shù)據(jù)服從某一概率分布,同時(shí)也不受個(gè)別異常值的干擾,能夠客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢(shì),且其趨勢(shì)檢測(cè)能力與參數(shù)趨勢(shì)檢測(cè)方法相同,因而被廣泛應(yīng)用于氣候參數(shù)和水文序列的分析中。這一方法的核心是通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法檢驗(yàn)時(shí)間序列要素均值變化的確切時(shí)間來確定躍變變化的確切時(shí)間。

2.2.2 時(shí)間序列的對(duì)比分析法 對(duì)比分析法是依據(jù)治理和非治理期集水區(qū)的實(shí)測(cè)資料,分析不同水土流失治理情況下的水文效應(yīng),它包括集水區(qū)對(duì)比分析和時(shí)間序列對(duì)比分析法。時(shí)間序列對(duì)比分析法主要以同一流域?yàn)檠芯繉?duì)象,根據(jù)相同水文站實(shí)測(cè)資料,通過分析實(shí)行治理前后水文要素的變化,評(píng)價(jià)水土保持對(duì)流域水沙的影響。應(yīng)用時(shí)間序列對(duì)比分析法的技術(shù)關(guān)鍵是確定治理前后臨界年份[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特性

3.1.1 降水量年內(nèi)分配 禿尾河流域降水量年內(nèi)分配不均,6-9月面平均降水量占年值76.4%;汛期降水量集中于7-8月,其多年平均降水量為213.6 mm,占多年均值的51.6%,占汛期多年均值的67.6%。最大月降水量發(fā)生在8月,最小月降水在12月。流域面平均降水量季節(jié)分配如圖1所示。

圖1 禿尾河流域面平均降雨量季節(jié)分配

3.1.2 降水量年際變化 禿尾河流域多年平均降水量413.9 mm,在20世紀(jì)70年代以前年際變化比較大,最大年降水量694.7 mm(1958年),最小年128.7 mm(1965年),極值比為5.4。各年代降水量中,20世紀(jì)50年代降水量最大為536.5 mm,其次是60年代為456.0 mm,之后亦逐漸減小,70,80年代比較接近,2000年以后降水又有所增加,如圖2所示。

采用Mann-Kendall秩相關(guān)分析方法檢驗(yàn)(如圖3),表明:禿尾河流域自1956年以來降水量隨機(jī)變化劇烈,且整體有下降的趨勢(shì),但沒有達(dá)到0.05信度的顯著性水平。

圖2 禿尾河流域降雨量累計(jì)距平及實(shí)測(cè)降雨年際變化過程

3.2 泥沙特性分析

3.2.1 輸沙量的年內(nèi)變化 禿尾河年均輸沙量2 380萬t,年內(nèi)分配主要集中于汛期(6-9月),尤其是7-8月(見表1)。汛期平均輸沙量占全年輸沙量的89.7%,其中7-8月輸沙量占81.2%。最大月輸沙量(7月)占全年輸沙量的41.5%,最小月輸沙量(1月)占全年輸沙量的0.1%?？梢钥闯龆d尾河流域輸沙量年內(nèi)分配極不均勻。這種變化可能受暴雨洪水影響所致,因?yàn)檩斏沉康拇笮∽兓c暴雨洪水的關(guān)系密切相關(guān),而暴雨洪水大都發(fā)生于汛期,所以輸沙量的年內(nèi)分配主要集中于汛期。

圖3 禿尾河流域降水量趨勢(shì)變化分析

表1 禿尾河流域主要測(cè)站輸沙量年內(nèi)特征

3.2.2 輸沙量的年際變化 禿尾河輸沙量的年際變化劇烈,把口站多年平均輸沙量1 872.4萬t,最大年7 250萬 t(1959年),最小年210萬 t(1965年),極值比達(dá)34。該流域在20世紀(jì)50年代輸沙量最大,年均輸沙量為4 061萬t,到了60年代輸沙量下降到了 3 115.4萬t,80年代減到了最小值996.5萬t,在90年代初由于降水量的增加,導(dǎo)致輸沙量減小幅度減弱,2000年之后盡管降雨量仍在增加,但輸沙量顯著減小,查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4],至1996年底,禿尾河流域水土保持措施總保存面積已占水文站以上流域面積的35.1%,說明水土保持工程發(fā)揮了很大的攔沙作用(見圖4)。

計(jì)算出高家堡和高家川站的徑流變差系數(shù),綜合比較徑流與輸沙的年際變化差異,詳見表2?？梢钥闯?各站泥沙的CV,S值均大于對(duì)應(yīng)徑流的CV,Q值,CV,S/CV,Q的比值在2.5～3.7之間變化。即說明禿尾河流域泥沙的年際變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑流的年際變化。其中泥沙的CV,S值從上游向下游逐漸減小,各站CV,S值介于0.84～0.95之間;而徑流的CV,Q值則是逐漸增加的。

表2 禿尾河流域各代表站年輸沙量變化特征

圖4 禿尾河流域輸沙量累計(jì)距平及輸沙年際變化過程

3.3 水土保持措施對(duì)流域輸沙的影響

影響流域泥沙變化的因素主要包括氣候條件、流域下墊面條件及人類活動(dòng)等3個(gè)方面[10]。就同一流域而言,年際間流域面積是相對(duì)穩(wěn)定的,變化的是降雨因素和人類活動(dòng)。流域降水是地表產(chǎn)沙的動(dòng)力條件,其時(shí)空分布對(duì)流域產(chǎn)水產(chǎn)沙有直接影響,而水土保持,土地利用等人類活動(dòng)改變了流域下墊面條件,使產(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生了變化,故人類活動(dòng)和降雨的變化是導(dǎo)致水沙量變化的根本和直接原因。

禿尾河流域受人類活動(dòng)影響因素比較單一,流域水土流失治理程度較高,較大規(guī)模治理始于20世紀(jì)70年代初,此前可基本視為天然狀態(tài)。20世紀(jì)80年代初禿尾河流域累計(jì)治理面積占流域面積的比例達(dá)到10%以上。到1996年底,禿尾河流域水土保持措施總保存面積已占水文站以上流域面積的35.1%。禿尾河梯田和壩地的面積比例很小,而林草措施面積比例較高,它代表了以植被措施為主的治理類型區(qū)。流域內(nèi)水利工程如水庫(kù)等[4-5],都是小型水庫(kù),相對(duì)于林草工程措施面積而言,所占比重不大,因此,本文認(rèn)為禿尾河流域泥沙變化的主要影響因素為水土保持措施和降水的變化。

3.3.1 流域輸沙量變化的臨界年份 流域輸沙量發(fā)生趨勢(shì)性躍變的臨界年份如圖5所示。分析表明:在95%信度水平下,禿尾河流域輸沙量在多年變化中呈明顯下降趨勢(shì),且從1977年開始發(fā)生突變。臨界年份前后平均輸沙量分別為3 170萬 t、1 050萬t。與前期相比,在面平均降水量減小15%的情況下,流域輸沙量減小幅度達(dá)66.9%,汛期輸沙量減少了2 024.82萬t,減小幅度為69.7%。所以初步認(rèn)為流域水土流失治理對(duì)輸沙量的趨勢(shì)性減少起主要作用。

圖5 禿尾河流域多年平均輸沙量趨勢(shì)變化分析

為了更好地量化水土流失治理前后輸沙量的變化情況,結(jié)合降水-輸沙雙累積曲線進(jìn)行分析,見圖6。可以看出,在1965年曲線斜率發(fā)生較小變化,經(jīng)分析,高家川站自1965年遷站,控制面積由原來3 295km2變?yōu)? 250 km2,輸沙量的微小變化可能與流域面積變化有關(guān);1977年開始曲線斜率明顯減小,這與20世紀(jì)70年代大規(guī)模水土流失有密切關(guān)系;1989年曲線斜率有所增加,到2000年又開始減小。故將流域水沙變化時(shí)段劃分為5個(gè),即:Ⅰ(1956-1964年)、Ⅱ(1965-1976年)、Ⅲ(1977-1988年)、Ⅳ(1989-1999年)、Ⅴ(2000-2007年)。

圖6 禿尾河流域降水量-輸沙量雙累計(jì)曲線

3.3.2 水土保持措施對(duì)不同時(shí)段流域輸沙變化的影響 為了消除雨量影響[13],令

式中:E——侵蝕率(或產(chǎn)沙系數(shù))(t/mm),則

令相鄰時(shí)段的平均值各為WS1,WS2,P1,P2及E1,E2。對(duì)WS=E×P取全微分,并以差分式表示為

式(3)也可寫成ΔWS=ˉPΔE+ˉEΔP的形式。

結(jié)合降水-輸沙累計(jì)曲線和式(3),計(jì)算得禿尾河流域輸沙量各階段的變化量(見表3)。

在治理前期,即第Ⅰ(1956-1964年)至第Ⅱ(1965-1976年)階段,降雨對(duì)輸沙衰減量的影響為775.3萬t,水土保持影響為50.1萬t,雨量影響和水土保持影響分別占93.9%、6.1%,說明禿尾河流域在20世紀(jì)70年代以前受人類活動(dòng)影響較弱,泥沙變化主要是由降水變化引起的;而在第Ⅱ(1965-1976年)至第Ⅲ(1977-1988年)階段,降雨影響為68.4萬t,水土保持影響高達(dá)1 602.5.9萬t,二者所占比例分別為4.1%、95.9%?？梢钥闯?在這一階段輸沙量衰減水土保持措施起了主導(dǎo)作用,降雨影響明顯減弱。

在第Ⅲ(1977-1988年)至第Ⅳ(1989-1999年)階段,降雨影響為144.2萬t,水土保持影響為161.1萬t,由于這一階段降雨量的增加,使得二者所占比例分別變?yōu)?7.2%、52.8%,也說明該階段輸沙的少量增加是受降雨影響所致。在第Ⅳ(1989-1999年)至第Ⅴ(2000-2007年)階段,降雨影響為137.17萬 t,水土保持影響為1 073.57萬t,二者所占比例分別為11.3%、88.7%。這一階段,盡管降雨量仍在增加,但水土保持對(duì)泥沙影響程度仍占很大比重,說明禿尾河流域20世紀(jì)70年代輸沙衰減的主要驅(qū)動(dòng)力是水土保持措施,這也肯定了近年來水土流失治理取得的成效。

3.3.3 水土保持措施對(duì)流域輸沙年內(nèi)變化的影響

利用中的ΔP項(xiàng)對(duì)臨界年份之后的輸沙序列修正,分離出降水對(duì)輸沙的影響,以此來反映前后期水土保持措施對(duì)流域輸沙年內(nèi)變化的影響,結(jié)果見表4。分析表明,水土流失綜合治理使月輸沙量減少,但不同月份輸沙減少程度差異較大。與前期相比,7-8月輸沙減少幅度為25.5%,6-9月輸沙減少幅度為 24.4%,而枯水期(10月-翌年 5月)僅為4.9%。說明水土保持措施對(duì)流域7、8月份輸沙量影響最大,對(duì)其它月份減沙作用不是很顯著。

表3 禿尾河流域不同時(shí)段輸沙量衰減原因分析

表4 修正后前后期流域輸沙量年內(nèi)變化

4 結(jié)論

(1)禿尾河流域面平均降水量趨勢(shì)性變化不顯著,降水年內(nèi)分配不均。流域輸沙年際變化很大,輸沙量變差系數(shù)為0.84～0.95,泥沙的年際變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑流的年際變化。輸沙量發(fā)生突變的臨界年份為1977年。

(2)不同時(shí)段水土保持措施對(duì)流域輸沙變化的影響差異很大。采用降雨-輸沙量雙累計(jì)曲線,定量計(jì)算了5個(gè)時(shí)段降水變化和水土流失治理導(dǎo)致的減沙量及其所占比重,結(jié)果表明水土保持措施是禿尾河流域20世紀(jì)70年代輸沙衰減的主要驅(qū)動(dòng)力。

(3)水土流失綜合治理使月輸沙量減少,但不同月份輸沙減少程度差異較大。與前期相比,7、8月份輸沙減少幅度為25.5%,6-9月輸沙減少幅度為24.4%,而枯水期(10月-翌年5月)僅為4.9%。說明水土保持措施對(duì)流域7,8月份輸沙量影響最大,對(duì)其它月份減沙作用不是很顯著。

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