馬蓮河流域泥沙演變規(guī)律及其成因分析

黃維東，朱 詠，王啟優(yōu)，張昌順

（1.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州 730070）

在全球氣候變化和人類活動影響下，流域下墊面條件發(fā)生改變，河流泥沙演變規(guī)律發(fā)生較大變化［1－3］。隨著區(qū)域氣溫升高，自然植被覆蓋度大幅度提高，對徑流形成滯蓄、消耗，使河流的徑流量和輸沙量減小；通過實施梯田、淤地壩、林草等水土保持措施，攔蓄了雨水徑流，減輕了水土流失，使河流水量有所減少，泥沙含量大幅度降低，泥沙演變規(guī)律發(fā)生顯著變化［4－6］。馬蓮河流域是黃土高原地區(qū)水土流失最為嚴重的區(qū)域之一，洪水期河流泥沙含量高、水質(zhì)苦咸，水資源可利用量較少，流域水資源嚴重匱乏。近幾十年來，經(jīng)過流域綜合治理，水土流失狀況得到較大改觀，生態(tài)環(huán)境有了一定改善，但與當前黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的要求相比，還存在很大差距。

對河流泥沙演變規(guī)律的研究較多。彭世想等［7］分析了馬蓮河流域水沙變化與水土保持成效，結(jié)果表明，在黃土高原水土保持世界銀行貸款項目實施以后，馬蓮河流域徑流量和輸沙量明顯減小，且輸沙量減小幅度大于徑流量減小幅度，水土保持措施的減水減沙效益較為顯著；杜敏等［8］研究了馬蓮河流域土壤侵蝕產(chǎn)沙變化的格局，結(jié)果表明流域年輸沙量與輸沙模數(shù)隨時間變化呈下降趨勢，輸沙模數(shù)具有明顯的空間分布特征，由北向南遞減；劉淑燕等［9］研究了黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域土地利用變化對徑流輸沙的影響，分析認為坡耕地改梯田可能是導致水沙變化的主要原因。

以往研究對馬蓮河流域泥沙演變規(guī)律進行了分析，但對其成因分析較少。筆者采用與全國第三次水資源調(diào)查評價同步的最新長系列水文資料，系統(tǒng)分析馬蓮河流域的泥沙時空分布規(guī)律，以及影響泥沙變化的降水、氣溫、植被覆蓋度、水土保持措施等因素，計算人類活動和降水對泥沙變化的貢獻率。

1 流域概況

馬蓮河是渭河的二級支流、涇河的最大支流，發(fā)源于陜西省定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)杜家溝，至甘肅省寧縣政平鎮(zhèn)匯入涇河［10］。流域地處東經(jīng)106°20′—108°45′、北緯35°15′—37°10′，集水面積19 086 km2，河長375 km，平均比降0.135%。流域地形總體由北向南傾斜，海拔在885～2 082 m 之間，主要支流有山城川、馬坊川、安山川、合道川、東川、合水川、固城川等。流域平均年降水量472.2 mm，年徑流深23.1 mm，年徑流系數(shù)0.049。出口控制站雨落坪水文站多年平均徑流量4.395 億m3。

流域內(nèi)山、川、塬兼有，溝、峁、梁相間，受地形地貌和局地暴雨洪水影響，水土流失嚴重。干流上的洪德、慶陽、雨落坪水文站實測最大含沙量分別達1 220、1 220、1 050 kg／m3；支流上的賈橋、板橋、悅樂水文站實測最大含沙量分別達981、849、889 kg／m3。流域多年平均輸沙量1.197 億t，年輸沙模數(shù)在1 663～8 148 t／km2之間。

2 資料來源與分析方法

選取馬蓮河流域洪德、慶陽、雨落坪、賈橋、板橋、悅樂等6 個國家基本水文站（馬蓮河流域水系及水文站分布見圖1）1956—2016 年實測水文資料進行分析，資料系列較長，具有一定的可靠性、一致性、代表性，滿足分析計算的需要。

圖1 馬蓮河流域水系及水文站分布

采用多年特征值、歷年過程線、差積曲線等分析河流泥沙年際變化情況，采用年內(nèi)分配百分比、年內(nèi)分配過程線等分析泥沙的年內(nèi)分配，趨勢分析采用坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢相關(guān)等方法，突變分析采用Man－Kendall 法、有序聚類法、Lee－Heghinan 法等［11］，采用“水文法”分析計算人類活動和降水對泥沙變化的貢獻率。

3 泥沙時空分布規(guī)律

3.1 空間分布

馬蓮河流域泥沙分布地區(qū)差異較大，總體從上游向下游遞減，最大產(chǎn)沙區(qū)域在馬蓮河干流洪德水文站以上和支流柔遠川悅樂水文站以上，多年平均輸沙模數(shù)分別為8 148、7 299 t／km2；其次，干流洪德—慶陽區(qū)間和支流東川悅樂—賈橋區(qū)間年輸沙模數(shù)分別為6 614、6 280 t／km2；下游（慶陽＋賈橋＋板橋—雨落坪區(qū)間）年輸沙模數(shù)為4 716 t／km2；支流合水川泥沙最少，年輸沙模數(shù)為1 663 t／km2。馬蓮河流域各區(qū)間水文特征值見表1。

表1 馬蓮河流域各區(qū)間水文特征值

干流各區(qū)間產(chǎn)沙與徑流不對應(yīng)，呈現(xiàn)水沙異源特征。干流3 個區(qū)間年徑流深由最小14.7 mm 遞增到最大27.9 mm，年輸沙模數(shù)則由最大8 148 t／km2遞減到4 716 t／km2。支流柔遠川、東川、合水川的年徑流深、輸沙模數(shù)大小順序一致，年徑流深由32.8 mm 遞減到18.3 mm，年輸沙模數(shù)由7 299 t／km2遞減到1 663 t／km2。

3.2 年際變化

代表站歷年徑流量、輸沙量、含沙量過程線及其差積曲線見圖2。各站年輸沙量變化趨勢基本一致，總體呈減少趨勢，洪德、慶陽、雨落坪水文站年均減少113 萬、84 萬、37 萬t。不同年代輸沙量變化趨勢基本與徑流量變化趨勢一致，輸沙量20 世紀50 年代末增加，60 年代初減少，1965—1978 年基本穩(wěn)定，1979—1988 年連續(xù)減少，1989—2005 年連續(xù)增加，2006—2016 年連續(xù)減少。

圖2 代表站水沙歷年變化過程

含沙量是單位體積渾水中所含干沙的質(zhì)量，代表河流水體的渾濁程度，比較不同河段和不同年代的平均含沙量，可以消除當年來水量大小的影響，真實反映流域水土侵蝕狀況和治理成效。干流3 個站的年輸沙量從上游向下游增加，而年均含沙量在減小，說明越到下游土壤侵蝕越輕，水流越清。年均含沙量與年輸沙量歷年變化趨勢基本一致，總體呈減小趨勢。

3.3 年內(nèi)變化

洪德、慶陽、雨落坪水文站多年平均月輸沙量年內(nèi)分配見圖3，輸沙量年內(nèi)分配極不均勻。汛期（5—9月）輸沙量占全年的99.2%以上，其中7—8 月輸沙量占全年的82.5%～83.7%，非汛期（10—4 月）輸沙量極小、河流基本上清澈見底。

圖3 代表站多年平均輸沙量年內(nèi)分配

4 泥沙演變規(guī)律

4.1 趨勢分析

采用坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢相關(guān)等3 種方法，對各代表站歷年輸沙量進行趨勢檢驗分析，綜合判斷變化趨勢的顯著性，結(jié)果見表2。流域泥沙均呈減少趨勢，其中洪德站輸沙量呈不顯著減少趨勢，慶陽、雨落坪站呈顯著減少趨勢。

表2 代表站輸沙量變化趨勢顯著性檢驗結(jié)果

4.2 突變分析

采用Man－Kendall 法、有序聚類法、Lee－Heghinan法等方法對代表站進行輸沙量突變分析，以突變點為界，分別計算突變前后的均值及跳躍量（見表3）。結(jié)果表明，洪德、慶陽、雨落坪水文站的年輸沙量均發(fā)生顯著突變，突變點分別為2002 年、2003 年、2005 年，突變后年均輸沙量分別減少0.237 2 億、0.446 4 億、0.771 2億t，減少了54.8%、51.4%、57.7%。

表3 代表站年輸沙量突變分析結(jié)果

4.3 泥沙變化的影響因素分析

流域降水是地表產(chǎn)沙的動力條件，其時空分布對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙有直接影響，而流域氣候向暖濕轉(zhuǎn)變導致自然植被覆蓋度增加，水土保持措施等人類活動改變了流域下墊面條件，使產(chǎn)流產(chǎn)沙機制發(fā)生了顯著變化［12］。馬蓮河流域歷年降水量變化過程見圖4（a），年降水量豐枯交替，總體呈略有增加趨勢，年均增加0.11 mm。在流域降水量增加的情況下，徑流和泥沙反而呈減少趨勢，原因主要是流域平均氣溫升高［見圖4（b）］、植被覆蓋指數(shù)NDVI提高［見圖4（c）］、水土保持措施面積增加［見圖4（d）］，對部分雨水形成攔截、調(diào)蓄、消耗，進而減少了土壤侵蝕和泥沙輸移。

圖4 馬蓮河流域降水、氣溫、植被及水土保持措施面積變化過程

突變年份2005 年前后對比見表4，突變后流域年均降水量增加了2.8%，年均氣溫升高14.0%，NDVI提高了10.2%，水土保持工程措施、林草措施面積分別增加了193%、93%。

表4 突變年份前后輸沙量影響因子對比

水土保持措施對流域的減水減沙作用十分顯著。截至2016 年底，馬蓮河流域共修建梯田32 萬hm2，淤地壩400 座，造林45.2 萬hm2，種草13 萬hm2，封禁治理31.4 萬hm2。流域泥沙變化是一個漸變過程，全流域之所以在2005 年發(fā)生突變，與馬蓮河流域?qū)嵤┝它S土高原水土保持世界銀行貸款項目有關(guān)，該項目從1994 年開始，到2004 年完成，一、二期總投資1.258億元，共修建梯田5 860 hm2，建設(shè)淤地壩19 座，完成造林21 570 hm2，人工種草4 600 hm2。

4.4 氣候變化和人類活動對泥沙變化的貢獻率

馬蓮河流域年輸沙量系列在2005 年發(fā)生突變，2005—2016 年年均輸沙量比1956—2004 年減少0.771 2億t。采用“水文法”分析，突變后流域年降水量增加了2.9%，使年輸沙量增加了0.062 9 億t，水土保持措施等人類活動使年輸沙量減少0.834 1 億t，人類活動和降水對輸沙量變化的貢獻率分別為93.0%、7.0%。劉曉燕［13］對黃河近年水沙銳減成因分析結(jié)果表明，涇河上游景村以上2007—2014 年降水使泥沙增加10.3%～18.6%，人類活動使泥沙減少81.4%～89.7%，涇河上游馬蓮河流域的水土保持措施占比較大，梯田、林地、草地、壩地、封禁治理分別占景村以上流域的49.1%、53.6%、65.5%、87.4%、65.5%，本次分析馬蓮河流域人類活動對輸沙量變化的貢獻率略高是合理的。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

（1）輸沙模數(shù)空間分布。馬蓮河流域泥沙分布地區(qū)差異較大，總體從上游向下游遞減，最大產(chǎn)沙區(qū)域在干流洪德站以上和支流柔遠川悅樂站以上，多年平均輸沙模數(shù)分別達8 148、7 299 t／km2；其次，干流洪德—慶陽區(qū)間和支流東川悅樂—賈橋區(qū)間年輸沙模數(shù)分別為6 614、6 280 t／km2；慶陽＋賈橋＋板橋—雨落坪區(qū)間年輸沙模數(shù)為4 716 t／km2；支流合水川泥沙最少，年輸沙模數(shù)為1 663 t／km2。

（2）輸沙量年際年內(nèi)變化。干流洪德、慶陽、雨落坪水文站歷年輸沙量總體呈減少趨勢，年均減少113萬、84 萬、37 萬t；年輸沙量分別在2002 年、2003 年、2005 年后減少了54.8%、51.4%、57.7%。三站輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，汛期5—9 月輸沙量占全年的99.2%以上，其中7—8 月占全年的82.5%～83.7%。

（3）泥沙變化影響因素。人類活動和降水對馬蓮河流域輸沙量變化的貢獻率分別為93.0%、7.0%，人類活動等造成下墊面條件變化是泥沙顯著減少的主要原因。

5.2 建 議

在空間分布上，馬蓮河上游為黃土丘陵溝壑區(qū)，年降水量300 mm 左右，僅為下游的一半，氣候干燥、地面植被差、地形支離破碎，土壤極易被侵蝕，是產(chǎn)沙輸沙和水土流失的重點區(qū)域。馬蓮河流域產(chǎn)流主要為超滲產(chǎn)流，短歷時強降水及其形成的暴漲暴落洪水過程是土壤侵蝕和泥沙輸移的原動力，每年主汛期7—8 月暴雨洪水形成的泥沙占全年的80%以上。近年來，受極端天氣影響，流域局地暴雨洪水頻發(fā)，建議對暴雨形成的場次水沙過程及其成因進一步研究。

馬蓮河近十幾年年均輸沙量減少比例遠小于黃河其他干支流減少比例，流域水土流失治理的空間還很大。馬蓮河2022 年7 月15 日發(fā)生大暴雨，1 h 最大降雨量84.6 mm，12 h 降雨量達367.9 mm，慶陽、雨落坪水文站發(fā)生50 a 一遇洪水，最大洪峰流量分別達4 930、4 290 m3／s，給當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)造成重大損失，流域內(nèi)部分梯田、淤地壩沖毀相當嚴重。為此，流域水土保持措施要避免重建輕管，對水毀和淤積失效的工程應(yīng)及時修復使其發(fā)揮作用。

從根本上解決流域水資源短缺、水土流失嚴重等問題，必須貫徹落實“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，一方面要節(jié)約保護和開發(fā)利用好當?shù)厮Y源，另一方面要積極推進白龍江引水工程（已得到水利部審查并報發(fā)改委審批），增加馬蓮河干支流生態(tài)用水量，確保河流水系連通、河湖健康、生態(tài)環(huán)境改善和區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。