贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)減水減沙效益評(píng)價(jià)

涂安國(guó)，楊 潔，李 英，莫明浩，廖軼群

（江西省水土保持科學(xué)研究所，江西 南昌330029）

贛江流域是我國(guó)南方水土流失嚴(yán)重地區(qū)之一，其中贛江上游尤為嚴(yán)重。贛江流域水土保持工作從1980年興國(guó)縣塘背河小流域列入全國(guó)首批水土保持綜合治理試點(diǎn)小流域開(kāi)始，至今已有30a余的歷史，先后實(shí)施了贛江上游國(guó)家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程，國(guó)家農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)水土保持項(xiàng)目，鄱陽(yáng)湖流域水土保持重點(diǎn)治理一期工程等一批水土保持重點(diǎn)防治工程。水土保持生態(tài)建設(shè)效益評(píng)價(jià)是水土保持措施方案及政策可行性評(píng)價(jià)的依據(jù)［1］，但目前對(duì)贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施的效益仍未進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，并且以往的定性研究多于定量研究。本研究采用水文分析法，對(duì)贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)的減水減沙效益進(jìn)行定量分析，以期為該流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 流域概況

贛江為鄱陽(yáng)湖流域第一大河，發(fā)源于石城縣，自南向北流經(jīng)贛州、萬(wàn)安、吉安、樟樹(shù)等20多個(gè)縣市至南昌市分4支注入鄱陽(yáng)湖，主河全長(zhǎng)823km。流域范圍涉及贛州、吉安、萍鄉(xiāng)、宜春、新余等市所轄的44個(gè)縣，入湖控制站外洲水文站以上集水面積80 948km2，約占江西全省面積的50%。

贛江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，春夏之交多梅雨，秋冬季節(jié)降雨較少，春寒、夏熱、秋旱、冬冷，四季變化分明，春秋季短，冬夏季長(zhǎng)，結(jié)冰期短，無(wú)霜期長(zhǎng)。流域多年平均降水量1 626.8mm，平均氣溫約18℃，多年平均蒸發(fā)量約1 550mm。贛江水量豐沛，平均年徑流量6.87×1010m3（外洲站），流域多年平均徑流深849mm。徑流的年內(nèi)、年際變化巨大，連續(xù)4個(gè)月最大徑流量均發(fā)生在4—7月，其量約占年徑流的58%～61%，最小月值多出現(xiàn)在1月，比重小于年值的3%。

據(jù)江西省第3次土壤侵蝕遙感調(diào)查，贛江流域現(xiàn)有水土流失面積15 523.44km2，占流域總面積的19.92%，占鄱陽(yáng)湖流域水土流失面積的48.72%。其中輕度流失面積5 810.16km2，中度流失面積4 824.2km2，強(qiáng)度及強(qiáng)度以上的流失面積4 898.08 km2。據(jù)贛江外洲站統(tǒng)計(jì)，贛江流域多年平均輸沙量9.21×106t，平均含沙量0.132kg／m3，輸沙模數(shù)為136t／km2［2］。截至2007年，贛江流域上游水土保持重點(diǎn)治理工程已完成綜合治理面積234 485.4hm2，其中修筑水平臺(tái)地1 519hm2；營(yíng)造水保林79 723.6 hm2；開(kāi)發(fā)經(jīng)果林19 658.5hm2；種草9 671.3hm2；封禁治理124 844.4hm2；修筑塘壩388座，谷坊6 069座，蓄水池941座；開(kāi)挖水平竹節(jié)溝10 341.5km。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選擇1956—2008年贛江流域外洲水文站的徑流泥沙和流域內(nèi)主要?dú)庀笳镜慕邓Y料作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中贛江流域外洲水文站輸沙量和徑流資料來(lái)源于江西省水文局，流域內(nèi)降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于江西省氣象局提供的流域內(nèi)14個(gè)氣象站逐年數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

水土保持減水減沙效益計(jì)算方法可分為“水文法”和“水保法”［3］。由于贛江流域現(xiàn)仍缺少對(duì)各單項(xiàng)水土保持措施減洪減沙效益的有效監(jiān)測(cè)和對(duì)水保治理措施質(zhì)量的評(píng)價(jià)，應(yīng)用“水保法”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)欠準(zhǔn)確，難以進(jìn)行精確定量分析，因此，這次研究采用“水文法”對(duì)贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)減水減沙效益進(jìn)行計(jì)算?！八姆ā笔抢昧饔蛩哪嗌秤^測(cè)資料分析水土保持減水減沙作用的一種方法，其優(yōu)點(diǎn)是建立的模型比較直觀、簡(jiǎn)單，計(jì)算也較方便，在目前水文資料精度的情況下，對(duì)于大面積水沙變化計(jì)算不失為一種有效方法?！八姆ā敝饕薪?jīng)驗(yàn)公式法、雙累積曲線法、不同系列對(duì)比法、單位毫米有效降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量對(duì)比分析法和徑流系數(shù)還原法五種水文分析方法［4］。本次研究主要應(yīng)用以下兩種方法。

（1）雙累積曲線法。根據(jù)治理以前贛江外洲水文站1956—1983年的實(shí)測(cè)資料，經(jīng)回歸分析求得累積降水量與累積徑流量和累積輸沙量的線性相關(guān)方程，將治理后贛江外洲水文站1984—2008年的累積降水量值分別代入方程中，求得累積徑流量和累積輸沙量的模擬值，然后與同期實(shí)測(cè)值比較，即得減水減沙作用。

（2）不同系列對(duì)比法。將1984—2008年贛江外洲治理后［5］水文站實(shí)測(cè)年均徑流量和輸沙量與1956—1983年治理前實(shí)測(cè)年均徑流量和輸沙量的直接對(duì)比。

2 流域水沙特性分析

2.1 流域水沙變化趨勢(shì)分析

圖1表示外洲站1956—2008年的年徑流量和年輸沙量隨時(shí)間的變化。贛江流域入湖徑流和泥沙年內(nèi)分布極不均勻，尤其是輸沙量，月入湖泥沙極值比值達(dá)36以上。贛江年徑流量和輸沙量一般從1月開(kāi)始逐月增加，至6月最大，然后逐月減少，至12月達(dá)到最小輸沙量。汛期4—9月輸沙量占全年的83.99%，其中4—6月輸沙量占65.82%；贛江入湖泥沙和降水量、徑流量年內(nèi)分配基本一致。

圖1 1956－2008年贛江外洲站水沙演變過(guò)程

贛江流域多年平均入湖年徑流量和泥沙量年際變化幅度較大。流域入湖年徑流量1963年最小，1970年最大，極值比為4.2，變異系數(shù)為0.25；入湖年輸沙2004年最小，1961年最大，兩者極值比達(dá)10.25，變異系數(shù)為0.5。Mann—Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯示，1955—1966年贛江外洲站入湖輸沙量處于增長(zhǎng)的趨勢(shì)（圖2），尤其是在1956—1961年呈逐年增加的趨勢(shì)。1986—2008年輸沙量呈減少的趨勢(shì)，并且在1995年通過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)，輸沙量減少趨勢(shì)顯著。贛江外洲入湖徑流總體呈增加趨勢(shì)，尤其是1997年之后，其增加趨勢(shì)達(dá)到95%以上顯著性水平，其中1962，1981和1986年徑流增加量產(chǎn)生了突變。

圖2 贛江外洲站1956－2008年徑流量M－K統(tǒng)計(jì)（95%置信區(qū)間）

2.2 流域水沙關(guān)系及其影響因素分析

降水變化是引起徑流量變化的直接原因，而徑流量與輸沙量有著較為密切的關(guān)系。對(duì)外洲站1956—2008年年徑流量和年輸沙量與降水量進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果表明，贛江流域年徑流量、輸沙量與年降水量均呈良好的正相關(guān)，顯著性水平達(dá)99%以上，表明贛江流域來(lái)沙量主要取決于來(lái)水量的大小，即降水量大，徑流量大，產(chǎn)沙量也大。

為進(jìn)一步揭示贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)對(duì)流域水沙關(guān)系的影響，點(diǎn)繪累積年輸沙量與累積年徑流量關(guān)系圖（圖3）。河流水沙的變化主要受氣候變化所決定的自然因素和人類活動(dòng)兩方面的作用。在正常情況下，輸沙累計(jì)值雖有波動(dòng)，但不會(huì)有系統(tǒng)偏離，累計(jì)年徑流與累計(jì)年輸沙量的關(guān)系應(yīng)為一直線；若該直線在某一時(shí)間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則表明降水以外的人類活動(dòng)對(duì)年輸沙量產(chǎn)生了影響。

人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響主要體現(xiàn)在流域水土保持措施的實(shí)施、修建水利工程及工農(nóng)業(yè)用水等水資源開(kāi)發(fā)利用等方面。

圖3 1956－2008年外洲站年徑流量－年輸沙量雙累計(jì)曲線

由圖3可以看出，外洲站輸沙量—徑流量雙累積曲線主要有2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第1個(gè)在1965年，第2個(gè)在1990年，由此將曲線分為3個(gè)階段。流域覆被作為下墊面要素的重要組成部分對(duì)徑流和泥沙的變化有著重要的影響，植被，特別是森林植被，可以起到蓄水、保水、保土作用，削減洪峰流量，增加枯水流量。從1966年開(kāi)始的十年動(dòng)亂期間，贛江上游水土保持和森林保護(hù)工作遭到破壞，森林砍伐殆盡。贛江自1983年以來(lái)加強(qiáng)水土保持和興建水利工程，截止到2007年，贛江流域共修建107座中型以上水庫(kù)，總庫(kù)容7.50×109m3［6］，從而改變了贛江水文規(guī)律，尤其是贛江的泥沙變化規(guī)律。萬(wàn)安水庫(kù)自1989年設(shè)立以來(lái)，每年平均淤積量達(dá)2.34×104t，每年攔截贛江上游來(lái)沙量40%，這些泥沙均淤積在水庫(kù)庫(kù)區(qū)［7］。

3 水土保持效益分析

3.1 流域降水產(chǎn)流產(chǎn)沙模型建立

近30a來(lái)，贛江流域內(nèi)開(kāi)展了大規(guī)模的水土保持工作，使流域下墊面發(fā)生了巨大的變化，這種變化在水沙方面可以通過(guò)實(shí)測(cè)資料的變化來(lái)反映，可通過(guò)建立雙曲線水文模型推算水土保持措施的減水減沙效益。此次研究資料分析系列為贛江外洲1956—2008年，依據(jù)人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)沙影響的程度及水保措施實(shí)施的階段，將分析時(shí)段劃分為1956—1983年治理前期和1984—2008年治理后期。對(duì)贛江流域外洲站1956—1983年累積年降水量與徑流量和輸沙量的累積值分別進(jìn)行擬合，得到擬合曲線方程：

式中：Q——累計(jì)年徑流量（108m3）；P——累計(jì)年降水量（mm）；S——累計(jì)年輸沙量（104t）。

3.2 效益計(jì)算與分析

將贛江流域1984—2008年年降水量的累積值分別帶入上述曲線方程，計(jì)算得到外洲站1984—2008年累積徑流量和輸沙量的模擬值，與同期實(shí)測(cè)累積值進(jìn)行比較得到1984—2008年累積徑流和輸沙的減少量。計(jì)算結(jié)果（圖4）顯示，贛江流域在水土保持生態(tài)建設(shè)的初期1983，1984年產(chǎn)沙量增加，而之后產(chǎn)生明顯的減沙效益，2008年減少入湖泥沙9.08×106t，減沙率達(dá)80.54%。但流域水土保持生態(tài)建設(shè)對(duì)徑流的減少卻不明顯，反而后期有所增加。

利用不同系列對(duì)比法研究結(jié)果顯示，1956—1983年贛江流域年均降水量為1 556.1mm，外洲站年平均徑流量為6.09×1010m3，輸沙量為1.17×107t。而治理后期1984—2008年贛江流域年均降水量為1 569.67mm，外洲站年平均徑流量為6.61×1010m3，輸沙量為6.03×106t，減沙效率為48.57%，但徑流量卻有所增加，這一結(jié)果和雙累積曲線法計(jì)算結(jié)果相似。

圖4 贛江流域水土保持減水減沙效益

贛江流域水土保持建設(shè)對(duì)入湖徑流不但沒(méi)減少，反而在后期有所增加，這是因?yàn)橼M江流域?yàn)槲覈?guó)南方紅壤地區(qū)，該地區(qū)的水土保持會(huì)明顯增大壤中流和地下徑流在徑流中的比例［8］。水土保持生態(tài)建設(shè)能改變流域產(chǎn)、匯流的下墊面，通過(guò)森林植被的林冠截留，枯枝落葉層和水土保持工程措施的攔蓄，增加土壤入滲，減少地表徑流，削減洪峰流量，延長(zhǎng)匯流時(shí)間，起到防洪減災(zāi)效果，但對(duì)總的入湖徑流量卻沒(méi)有減少。程冬兵等［9］對(duì)江西紅壤坡地研究結(jié)果顯示，年均地表徑流與地下徑流調(diào)配比值百喜草覆蓋、百喜草敷蓋和裸露對(duì)照處理分別為1／51.7，1／35.5和1／1.4。植被的作用減少了地表蒸散使得流域出口徑流量增大，這與鄱陽(yáng)湖流域在氣溫上升背景下蒸散量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)相吻合［10］。

4 結(jié)論

（1）近50a來(lái)，贛江入湖徑流呈增加趨勢(shì)，而泥沙呈減少趨勢(shì)，水沙的變化主要受氣候變化和人類活動(dòng)兩方面的作用。人為活動(dòng)，尤其是水利水保工程措施對(duì)流域入湖泥沙有極為重要的影響。

（2）贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)前期泥沙的產(chǎn)生會(huì)有所增加，但在措施生效期后能夠有效減少流域輸沙量，治理后期1984—2008年平均減沙5.70×106t左右，減沙效率為48.57%。隨著水土保持措施的生效，減沙率有逐年上升而后穩(wěn)定的趨勢(shì)，2008年減沙率達(dá)80.54%。

（3）贛江流域水土保持生態(tài)建設(shè)對(duì)流域年徑流量的影響不大，后期徑流量會(huì)有所增加。但水土保持生態(tài)建設(shè)能增加土壤入滲，減少地表徑流，削減洪峰流量，延長(zhǎng)匯流時(shí)間，起到防洪減災(zāi)效果。

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