退耕還林（草）對(duì)北洛河上游水沙變化的影響

蔣觀滔，高 鵬，2，穆興民，2，柴雪柯

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

黃土高原20世紀(jì)70年代以來開展大規(guī)模水土保持工程，1999年國(guó)家實(shí)施了退耕還林（草）工程后，生態(tài)環(huán)境大幅度改善，黃河中游主要泥沙來源區(qū)徑流量和輸沙量均顯著減少［1－2］。據(jù)1919—1960年資料統(tǒng)計(jì)，黃河三門峽站年均輸沙量約為15.9億t，而1961—2000年，年輸沙量為11.2億t，退耕還林（草）工程實(shí)施后的近10a（2001—2009年）年均輸沙量為3.6億t［3］。因此，近年來眾多學(xué)者對(duì)引起黃河水沙減少的驅(qū)動(dòng)因素開展了廣泛的研究。Wang［4］和Liu［5］等探討了黃河干流水沙時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)；張建云等［6］認(rèn)為黃河中游氣溫升高和降水減少是徑流減少的重要原因之一；冉大川［7］和于一鳴［8］等通過運(yùn)用水保法和水文法先后確定了河龍區(qū)間各項(xiàng)水土保持措施的減水減沙能力。除了對(duì)黃河干流的研究，黃河支流涇河［9］、洛河［10］、渭河［11］和汾河［12］的水沙變化驅(qū)動(dòng)因素分析的研究也多有報(bào)道。

區(qū)分人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水文序列的影響程度，尤其是量化人類活動(dòng)的影響，普遍使用的研究方法就是對(duì)序列進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)，找到使得水文序列產(chǎn)生明顯變化的突變點(diǎn)［13－15］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)水文序列突變點(diǎn)的研究很多，然而，使用的方法不同，水文序列時(shí)間年限不同，得到的變異點(diǎn)的結(jié)果也不完全一致［16］。謝平等［17］認(rèn)為不同的突變檢驗(yàn)方法計(jì)算精度不同，檢驗(yàn)的結(jié)果也并不一致，為此提出了系統(tǒng)的水文變異綜合診斷法。北洛河是黃河的二級(jí)支流，上游位于黃土丘陵溝壑區(qū)，水土流失嚴(yán)重。近年來，隨著退耕還林（草）以及山川秀美等生態(tài)工程的實(shí)施，土地覆被格局發(fā)生顯著變化，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。本文結(jié)合北洛河上游控制站吳起水文站1971—2010年水沙數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)水文序列的突變年份進(jìn)行檢驗(yàn)，比較分析突變年前后水沙變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素，并定量估算人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水沙的影響程度，為客觀評(píng)價(jià)黃土高原生態(tài)建設(shè)水土保持效益提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北洛河是黃河的二級(jí)支流，渭河的一級(jí)支流，是陜西省典型的多泥沙河流之一。北洛河發(fā)源于陜西省定邊縣白于山的魏梁山，流經(jīng)陜西榆林、延安、銅川、渭南4個(gè)地（市）的16個(gè)縣（區(qū)），于大荔縣東南注入渭河，河源海拔高程1 785m，河口高程325m，總落差1 460m；平均比降1.52‰，河長(zhǎng)680km，流域面積26 905km2。本研究中的北洛河上游指北洛河流域吳起水文站以上的部分，河長(zhǎng)275km，主河道平均比降1.60‰，流域總面積3 424.4km2，可分為兩部分：北洛河源頭區(qū)，在定邊縣境內(nèi)，面積1 040.6 km2；北洛河上游吳起段，在吳起縣境內(nèi)，面積2 383.9km2。區(qū)域多年平均降雨量448.7mm，4—10月降水量占全年降雨總量的93%，年均氣溫約7.5℃，無霜期96～146d，為暖溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候。多年平均陸地蒸發(fā)量400～450mm，是典型干旱半干旱地區(qū)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷狞S土高原丘陵溝壑區(qū)，地形破碎，溝壑縱橫，土層深厚，主要土壤類型為黃綿土［18－19］，抗蝕性差，濕陷性大，易受流水侵蝕，容易形成洪峰尖瘦、暴漲暴落的突發(fā)性高含沙水流，是黃河中游產(chǎn)、輸沙模數(shù)較高的地區(qū)。由于長(zhǎng)期對(duì)土地超載利用，天然植被已嚴(yán)重破壞，現(xiàn)存植被主要為退耕還林后恢復(fù)的次生植被，以沙棘（Hippophae rhamnoides）、檸條（Caragana mocrophylla）等灌木，河北楊（Populus hopeiensis）、小葉楊（Populus simonii）等闊葉喬木及紫花苜蓿（Medicago sativa）等人工牧草為主。

1.2 資料來源

本文選取的是北洛河上游控制站吳起水文站以及吳起氣象站1971—2010年4—10月實(shí)測(cè)降水，徑流和輸沙量資料分析水文氣象要素變化，由于“94·8”洪水［20］引起的吳起縣城區(qū)段洛河支流頭道川、二道川、亂石頭川上有近10座淤地壩發(fā)生潰壩，1994年的水沙資料不用于統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 研究方法

1.3.1 水文要素趨勢(shì)和突變分析 雷紅富等［21］對(duì)10種水文變異檢驗(yàn)方法的性能進(jìn)行了比較研究，認(rèn)為對(duì)于均值發(fā)生變異的序列來說，有序聚類，滑動(dòng)T檢驗(yàn)的效率較高。本研究采用有序聚類法［22－23］分析北洛河上游流域控制站吳起水文站1971—2010年實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，同時(shí)采用Pettitt［15］、Mann－Kendall［24］和 滑 動(dòng)T檢 驗(yàn) 法［17，21－22］綜 合 分 析 和 識(shí) 別吳起水文站水沙系列突變點(diǎn)，以避免單一的突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法的不準(zhǔn)確性。

1.3.2 降水與人類活動(dòng)影響程度估算 雙累積曲線法是用于水文氣象要素一致性的檢驗(yàn)、資料校正及插補(bǔ)的常用方法［25］，通過觀察雙累積曲線是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)來判斷水文氣象要素是否存在趨勢(shì)性變化。將突變前的實(shí)測(cè)徑流量作為基準(zhǔn)值，通過構(gòu)建的線性回歸方程計(jì)算不同時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流及理論徑流量，不同時(shí)段理論值與基準(zhǔn)值的差異即為降水對(duì)徑流變化的影響量；不同時(shí)段理論值與實(shí)測(cè)值之間的差值即為人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響量［26－27］。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量、徑流量和輸沙量及其變化趨勢(shì)

北洛河上游不同年代三個(gè)水文要素特征值見表1。多年平均降水量為416.7mm，年均徑流量為0.69億m3，年均輸沙量為0.26億t。代際間，降水量變化幅度不大，徑流量和輸沙量總體呈減小趨勢(shì)，在減小過程中，1990年代有小幅增加，2000年代徑流量和輸沙量減小顯著，相對(duì)于多年平均值分別減少了33%和62%。1971—2010年徑流量和輸沙量大于平均值的年份均為16a，多集中于1970年代，分別為6a和8a。輸沙量極值比達(dá)到348，主要是由于2007年年輸沙量?jī)H為20.6萬t，而最大年輸沙量為7 178.3萬t（1992年）。

北洛河上游1971—2010年4—10月實(shí)測(cè)降水量，徑流量和輸沙量見圖1。從圖中可以看出降水量波動(dòng)幅度不大，徑流量和輸沙量波動(dòng)顯著，且輸沙量波動(dòng)幅度大于徑流量。三個(gè)水文要素的相關(guān)系數(shù)、Kendall秩次相關(guān)系數(shù)和Spearman秩次相關(guān)系數(shù)見表2，三種方法的檢驗(yàn)結(jié)果均表明徑流量和輸沙量在相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.01信度的顯著性水平下趨勢(shì)顯著，相關(guān)系數(shù)為負(fù)值說明徑流量和輸沙量隨時(shí)間推移呈減小趨勢(shì)，而降水量沒有明顯的變化趨勢(shì)。

表1 北洛河上游流域不同年代水文要素特征值

圖1 北洛河上游1971－2010年4－10月降水量、徑流量、輸沙量過程線及5a滑動(dòng)平均線

2.2 徑流量和輸沙量突變分析及原因調(diào)查

采用有序聚類法分析北洛河上游徑流量和輸沙量發(fā)生趨勢(shì)性躍變的臨界年份見圖2，可以看出徑流量和輸沙量都在2002年發(fā)生突變，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分別為－3.72和－4.03，都達(dá)到了0.05的顯著性水平。為進(jìn)一步驗(yàn)證徑流泥沙突變年份，采用三種方法進(jìn)行突變檢驗(yàn)。Pettitt檢驗(yàn)法的結(jié)果如圖3所示，在0.05的顯著性水平檢測(cè)到徑流輸沙的突變年份為2002年；非參數(shù)Mann－Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果見圖4，在0.05的顯著性水平下，徑流量的突變年份為2003年，輸沙量突變年份為2002年。滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果見表3，在0.01的顯著性水平下徑流量和輸沙量突變年份均為2002年。從四種突變檢驗(yàn)方法的結(jié)果匯總來看（表4），除Mann－Kendall法檢測(cè)的徑流突變年份為2003年外，其他方法的檢驗(yàn)結(jié)果一致，徑流量和輸沙量發(fā)生突變的年份均為2002年，突變年份發(fā)生在退耕還林（草）工程實(shí)施后3a。

表2 北洛河上游水文三要素年際變化趨勢(shì)的相關(guān)分析

1999年國(guó)家實(shí)施退耕還林（草）工程，區(qū)內(nèi)營(yíng)造起大面積的人工林地和草地，植被覆蓋度增加，水土流失和風(fēng)沙危害得到了一定的控制和改善，大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)成為評(píng)價(jià)期內(nèi)流域徑流泥沙減少的重要原因。由于植被自然演替速度緩慢，這個(gè)時(shí)期的人工林草處于生長(zhǎng)初期階段，保育土壤及防風(fēng)固沙效果還不明顯。根據(jù)1986年和2003年TM遙感影像［28］解譯可知，耕地面積減少了75.13%，林地面積增長(zhǎng)了4.34倍，林地和草地面積分別占區(qū)域面積的36.76%和45.30%，其中高覆蓋度草地20.62%。隨著退耕還林草和荒山造林等生態(tài)建設(shè)所營(yíng)造的林草逐漸成熟，植被的減水減沙作用效果顯著，流域下墊面的情況的改善引起了徑流量和輸沙量的急劇減小，與本文檢測(cè)的突變點(diǎn)為2002年基本相吻合。

圖2 北洛河上游1971－2010年4－10月徑流量和輸沙量［Sn（τ）］變化曲線

圖3 北洛河上游1971－2010年4－10月徑流量和輸沙量Pettitt檢驗(yàn)

圖4 北洛河上游1971－2010年4－10月徑流量和輸沙量Mann－Kendall檢驗(yàn)

表3 滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果

表4 徑流量、輸沙量突變分析匯總

2.3 降水及人類活動(dòng)對(duì)北洛河上游流域水沙變化的影響程度

利用雙累積曲線對(duì)降水量、徑流量和輸沙量進(jìn)行累加處理，見圖5，可以看出降雨量與徑流量和輸沙量構(gòu)成的雙累積曲線都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，突變之后的回歸曲線斜率小于突變之前的曲線斜率。根據(jù)突變年份，將徑流量和輸沙量分為突變前期（1971—2002年）和突變后期（2003—2010年）。前期的年均降水量、徑流量和輸沙量分別為420.0mm，0.77億 m3，3.15×107t，后期分別為403.3mm，0.38億 m3，7.6×106t。與前期相比，在年平均降水量減少4%的情況下，年均徑流量和輸沙量分別減少了64%和76%。通過擬合的線性回歸方程估算由降水引起的徑流和輸沙的減少量，進(jìn)而計(jì)算出人類活動(dòng)對(duì)徑流量和輸沙量的貢獻(xiàn)率。結(jié)果如表5，6所示：相對(duì)于1971—2002年，2003—2010年降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度分別為70.8%和29.2%，對(duì)輸沙量的影響程度分別為34.0%和66.0%。值得注意的是，輸沙量的減小幅度大于徑流量的減小幅度，可能原因是由于：（1）河道徑流量的減少導(dǎo)致輸沙能力的降低，泥沙沉積在河道；（2）水土保持工程措施及植被的攔沙效率遠(yuǎn)大于攔水效率。

2.4 人類活動(dòng)因素

人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響主要表現(xiàn)為土地利用方式、植被覆蓋度以及水土保持工程措施的實(shí)施。20世紀(jì)80年代和90年代前期，北洛河上游流域土地覆蓋變化的總體規(guī)律是農(nóng)民為了增加糧食產(chǎn)量不斷擴(kuò)大耕地面積，到90年代后期，隨著退耕還林（草）工程的實(shí)施，耕地面積大量減少，林地面積大幅度增加［29］，致使徑流量和輸沙量在1990年代有所增加，而在2000年代顯著減小。截至2004年流域內(nèi)共修建淤地壩95座，占全區(qū)總面積的7.1%［30］，水土保持工程治理規(guī)模較小。壩系工程多建于20世紀(jì)80年代之前，而淤地壩平均攔沙壽命為10a，對(duì)于1971—2010年而言，淤地壩發(fā)揮的減沙效益已經(jīng)十分有限，因此工程措施對(duì)流域徑流和泥沙變化的貢獻(xiàn)很小。

圖5 北洛河上游1971－2010年4－10月降水量－徑流量和降水量－輸沙量雙累積曲線

表5 北洛河上游徑流量突變?cè)蚍治鼋Y(jié)果

表6 北洛河上游輸沙量突變?cè)蚍治鼋Y(jié)果

1999年，區(qū)內(nèi)涉及的吳起縣作為全國(guó)試點(diǎn)縣開展退耕還林（草）工程，通過制定“封山禁牧，舍飼養(yǎng)畜”政策，一次性退耕1.04×105hm2，取得了明顯的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，成為全國(guó)退耕還林第一縣［31］。根據(jù)1997年和2004年TM遙感影像［30］的解譯可知，區(qū)內(nèi)中、低覆蓋度草地大幅減少，而覆蓋度大于60%的高覆蓋度草地則由1997年的49.4km2增加為2004年的578.1km2，林地（包括灌木）增加幅度達(dá)38.7%。植被通過對(duì)降雨的層層攔蓄、吸滲，不僅大大滯后了產(chǎn)流時(shí)間，而且影響地表粗糙度，從而使產(chǎn)匯流過程發(fā)生改變，減少了徑流攜沙能力。因此，可以推斷，1999年退耕還林（草）工程實(shí)施后，生態(tài)植被恢復(fù)等人類活動(dòng)是影響北洛河上游水沙減少的主導(dǎo)因素。

3 結(jié) 論

（1）通過對(duì)北洛河上游1971—2010年4—10月降水量、徑流量和輸沙量的統(tǒng)計(jì)分析和趨勢(shì)檢驗(yàn)：降水量無明顯的趨勢(shì)性變化，徑流量和輸沙量呈顯著減小趨勢(shì)。

（2）采用有序聚類法、Pettitt檢驗(yàn)法、Mann－Kendall檢驗(yàn)法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)徑流量和輸沙量的突變年份進(jìn)行檢驗(yàn)，并結(jié)合水土保持措施資料，得到水沙發(fā)生突變的年份均為2002年。流域內(nèi)的退耕還林（草）工程主要于1999年實(shí)施完成，但徑流、輸沙在2002后才顯著變化，說明植被建設(shè)的水沙調(diào)控效應(yīng)存在滯后期，需經(jīng)過一定生長(zhǎng)周期才能有效影響流域水沙。

（3）根據(jù)突變年份將徑流量和輸沙量分為突變前期（1971—2002年）和突變后期（2003—2010年）。以突變前期（1971—2002年）為基準(zhǔn)期，利用雙累積曲線計(jì)算得到突變后期（2003—2010年）的降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響程度分別為70.8%和29.2%，對(duì)輸沙量的影響程度分別為34.0%和66.0%，結(jié)合人類活動(dòng)因素分析表明：以退耕還林（草）為主的人類活動(dòng)是北洛河上游泥沙減少的主要驅(qū)動(dòng)力。

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