黃河上中游水土保持減沙效果研究

李　敏

(黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

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黃河上中游水土保持減沙效果研究

李敏

(黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

年輸沙量；水土保持；減沙效果；黃河上中游

采用逐步回歸方法，對(duì)1954—2012年黃河年輸沙量、降水量和水土流失治理度數(shù)據(jù)分3個(gè)時(shí)段進(jìn)行了計(jì)算，分析認(rèn)為：水土流失治理度較好地“解釋”了20世紀(jì)80年代以來黃河年輸沙量銳減的現(xiàn)象，回歸方程的顯著性水平均達(dá)到α=0.001；在1967—1987年時(shí)段，相同降雨條件下，水土流失治理度的提高不僅顯著減少了黃河年輸沙量，而且使年輸沙量對(duì)降雨的響應(yīng)趨于“遲緩”，在1988—2012年時(shí)段，僅由水土流失治理度一個(gè)因子就能夠很好地“解釋”黃河年輸沙量的變化；在水土流失治理度超過55%時(shí)，計(jì)算年輸沙量?jī)H1.2億t，以80%的置信度，黃河年輸沙量將小于5億t。

1　概述

1.1黃河上中游水土保持發(fā)展進(jìn)程

根據(jù)各省區(qū)年度統(tǒng)計(jì)上報(bào)，從20世紀(jì)80年代初期開始，黃河上中游每年治理水土流失面積1.2萬km2左右，到2015年累計(jì)治理水土流失面積超過37萬km2，連同20世紀(jì)80年代以前的治理面積，合計(jì)統(tǒng)計(jì)上報(bào)水土流失治理面積超過45萬km2。受人為和自然因素影響，統(tǒng)計(jì)上報(bào)的水土流失治理面積數(shù)據(jù)中存在一定的“水分”。1985年以來，通過對(duì)典型小流域和重點(diǎn)治理區(qū)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量調(diào)查，不斷核實(shí)實(shí)際保存的水土流失治理面積。經(jīng)過大量的核實(shí)工作，黃河中游一般梯田保存率為90%～95%、水保林保存率為70%～80%、種草保存率約為40%，故采用60%左右的綜合保存率對(duì)統(tǒng)計(jì)上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)。根據(jù)黃河中游水土保持委員會(huì)第十二次會(huì)議報(bào)告推算，截至2015年底，黃河上中游共有水土流失綜合治理面積約26萬km2(表1)。從表1可以看出，黃河上中游地區(qū)自1980年以來水土流失綜合治理面積基本呈線性增加趨勢(shì)。

1.2黃河年輸沙量變化

表1　黃河上中游不同時(shí)期的水土流失綜合治理面積

1954—2012年的59年間黃河年輸沙量波動(dòng)變化大體分為3個(gè)階段：①1954—1966年輸沙量持續(xù)高位，年輸沙量超過25億t的有5個(gè)年份，時(shí)段平均年輸沙量為15.66億t；年際間變化劇烈，1964年輸沙量超過26億t，1965年下降到僅4.26億t，1966年又超過26億t[1-2]。②1967—1987年為輸沙量驟降階段，年輸沙量從1967年的26億t以上波動(dòng)減少到1987年的4億多t，期間出現(xiàn)1977年的特殊高輸沙量年份。③1988—2012年為年輸沙量持續(xù)遞減階段，時(shí)段平均年輸沙量5.7億t，進(jìn)入21世紀(jì)后平均值僅為2.6億t(見圖1)。

圖1　1954—2012年黃河年輸沙量變化

2　研究?jī)?nèi)容

由上述分析知，黃河年輸沙量變化過程和黃河中游水土保持發(fā)展進(jìn)程的變化趨勢(shì)具有相似性，而黃河泥沙又基本上來自流經(jīng)黃土高原地區(qū)的渭河、北洛河、汾河和河口鎮(zhèn)(頭道拐)到龍門區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“河龍區(qū)間”)的各支流，其中主要產(chǎn)沙區(qū)域?yàn)楹育垍^(qū)間。因此，本研究選擇渭河(華縣站)、北洛河(氵狀 頭站)、汾河(河津站)控制區(qū)域和河龍區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“4站區(qū)域”)為研究區(qū)，探討黃河中游水土流失綜合治理措施的減沙效果。4站區(qū)域總面積30.05萬km2。黃河自1919年設(shè)站觀測(cè)，距今不到100年，選取資料較完整的1954—2012年作為研究時(shí)段，共計(jì)59年。

3　研究方法

根據(jù)水文學(xué)和水土保持學(xué)基本原理，河流年輸沙量的變化遵循統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，水土流失綜合治理措施的減沙效益亦遵循統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。因此，本研究將研究區(qū)域黃河年輸沙量的產(chǎn)生過程視為一個(gè)灰箱或者黑箱，采用逐步回歸分析方法，篩選具有物理成因概念和含義的解釋因子(自變量)，對(duì)不同時(shí)段的資料進(jìn)行計(jì)算處理，獲得符合水文學(xué)和水土保持學(xué)基本原理、仿真模擬效果好的計(jì)算結(jié)果，分析水土保持對(duì)黃河年輸沙量的影響。理論和研究成果表明，輸沙量與降雨和水土流失治理度等因子之間表現(xiàn)為非線性相關(guān)關(guān)系。為此，本研究對(duì)年輸沙量取對(duì)數(shù)形式，考慮到降雨對(duì)輸沙量影響的復(fù)雜性，對(duì)部分自變量也增加對(duì)數(shù)形式，以獲得更好的結(jié)果。

3.1降雨因子選擇

由于已知黃河泥沙主要源自河龍區(qū)間和汛期降雨(暴雨)產(chǎn)沙，因此對(duì)于降雨因子，初步選取4站區(qū)域年降水量及河龍區(qū)間年降水量、7—8月降水量、最大3日降水量、最大1日降水量等。河龍區(qū)間是黃河中游三大暴雨區(qū)之一，是黃河泥沙的主要來源區(qū)。為了精細(xì)地仿真模擬黃河年輸沙量的變化，將河龍區(qū)間劃分為5個(gè)亞區(qū)(圖2)[3]，其中又將河龍區(qū)間的陜西北片和晉西北片合并為“河吳區(qū)間”片，采用這些亞區(qū)7—8月降水量、最大3日降水量和最大1日降水量等作為“解釋”黃河年輸沙量的備選自變量。以上共初步選擇22個(gè)降雨因子?？紤]到59年系列降雨與輸沙量關(guān)系的復(fù)雜性，增加了降雨因子的自然對(duì)數(shù)(ln)，使參與計(jì)算篩選的降雨變量達(dá)到44個(gè)。

圖2　河龍區(qū)間降雨分區(qū)示意

3.2水土保持因子選擇與預(yù)處理

為了使坡面治理措施與淤地壩相互協(xié)調(diào)，既不重復(fù)計(jì)算，又不產(chǎn)生矛盾，計(jì)算中對(duì)坡面措施面積、大型壩(骨干壩)壩控面積進(jìn)行“耦合”與綜合處理。首先，將核實(shí)的坡面治理措施面積加上大型淤地壩(骨干壩)的壩控面積，并扣除二者的重疊面積，形成“水土流失綜合治理面積”(圖3)，其中大型淤地壩(骨干壩)按20年設(shè)計(jì)淤積年限動(dòng)態(tài)計(jì)算面積[4-5]。

圖3　水土流失綜合治理面積示意

為了使今后對(duì)不同時(shí)間和空間尺度的計(jì)算結(jié)果具有可比性，本研究將水土流失治理度作為參選自變量。水土流失治理度的計(jì)算公式為

式中：D為水土流失治理度，%；A1為水土流失治理面積，萬km2；A2為水土流失面積，萬km2。

4　計(jì)算結(jié)果與分析

4.11954—1966年計(jì)算結(jié)果

1954—1966年研究區(qū)域黃河年輸沙量較大、年際間波動(dòng)劇烈，水土保持工程規(guī)模較小，而且毀林開荒、毀林煉鋼，人為水土流失劇烈。對(duì)這一時(shí)段數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果表明，僅河吳區(qū)間7—8月降水量一個(gè)因子就可以“解釋”該時(shí)段年輸沙量近80%(調(diào)整的R2=0.776)的變化，河吳區(qū)間7—8月降水量與年輸沙量回歸計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　1954—1966年計(jì)算結(jié)果

比較回歸計(jì)算值與實(shí)測(cè)值(圖4)可以看出，回歸計(jì)算年輸沙量與實(shí)測(cè)年輸沙量擬合較好，散點(diǎn)圖顯示計(jì)算年輸沙量為實(shí)測(cè)年輸沙量的95.58%。其中，1966年標(biāo)準(zhǔn)化殘差接近2、計(jì)算值明顯小于實(shí)測(cè)值。初步分析，造成這一現(xiàn)象的原因是該年黃河流域發(fā)生較大的局部暴雨，沖毀了部分水土保持工程措施，造成以往多年攔淤減少的泥沙在當(dāng)年被沖入黃河，使“河吳區(qū)間7—8月降水量”不能夠“解釋”這些輸沙量，因而計(jì)算年輸沙量明顯小于實(shí)測(cè)年輸沙量[6-8]。

圖4　1954—1966年實(shí)測(cè)年輸沙量與計(jì)算年輸沙量比較

4.21967—1987年計(jì)算結(jié)果

4.2.1總體分析

對(duì)1967—1987年數(shù)據(jù)采用逐步回歸方法，通過4次計(jì)算，先后篩選出由河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對(duì)數(shù)、水土流失治理度、河龍區(qū)間最大1日降水量和區(qū)域年降水量的自然對(duì)數(shù)等4個(gè)自變量組成的回歸方程，其相關(guān)系數(shù)R=0.959 0(表3)，顯著性水平α=0.001。

在逐步回歸計(jì)算中，河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對(duì)數(shù)第一個(gè)進(jìn)入回歸方程(表3)，相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.832 0；第二次計(jì)算增加了水土流失治理度，使回歸方程的相關(guān)系數(shù)R超過0.9，調(diào)整的R2達(dá)到0.789 9，說明僅由河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對(duì)數(shù)和水土流失治理度兩個(gè)因子就“解釋”了該時(shí)段黃河年輸沙量近79%的變化；第三次計(jì)算又增加了河龍區(qū)間最大1日降水量，使回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.937 6，調(diào)整的R2達(dá)到0.857 7；第四次計(jì)算增加了區(qū)域年降水量的自然對(duì)數(shù)，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.959 0，調(diào)整的R2達(dá)到0.899 5。

表3　1967—1987年計(jì)算結(jié)果

篩選出的水土流失治理度自變量為負(fù)值，符合“水土保持是黃河泥沙治本措施”的基本原理；篩選出的河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對(duì)數(shù)、河龍區(qū)間最大1日降水量和區(qū)域年降水量的自然對(duì)數(shù)均為正值，符合降雨產(chǎn)沙的基本規(guī)律[9-10]。

根據(jù)回歸方程，得出計(jì)算年輸沙量，將其與實(shí)測(cè)年輸沙量比較可以看出(圖5)，計(jì)算年輸沙量與實(shí)測(cè)年輸沙量擬合很好，散點(diǎn)圖顯示計(jì)算年輸沙量為實(shí)測(cè)年輸沙量的95.76%。

圖5　1967—1987年實(shí)測(cè)年輸沙量與計(jì)算年輸沙量比較

4.2.2標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分析

對(duì)第四次計(jì)算結(jié)果的4個(gè)自變量系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表4)，去掉不同量綱和不同數(shù)量級(jí)的影響，分析各自變量在回歸方程中的相對(duì)重要性。水土流失治理度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為-0.435 5，河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對(duì)數(shù)、河龍區(qū)間最大1日降水量和區(qū)域年降水量的自然對(duì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.315 3、0.324 9和0.250 1。水土流失治理度標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對(duì)值最大，這一現(xiàn)象說明在由這4個(gè)自變量組成的回歸方程中，水土流失治理度對(duì)年輸沙量的影響最大，是該時(shí)段黃河年輸沙量驟降的主要因素。

表4　1967—1987年回歸系數(shù)

4.2.3三維空間圖形分析

由于水土流失治理度與年輸沙量之間是非線性關(guān)系，因此不同水土流失治理度對(duì)年輸沙量的影響程度不同，影響的過程(趨勢(shì))也不同。根據(jù)回歸方程做出在相同降雨條件下不同水土流失治理度不同視角的三維曲面圖形，可直觀對(duì)比分析不同水土流失治理度對(duì)年輸沙量的影響程度和影響趨勢(shì)。為了做出三維圖形，將貢獻(xiàn)率最小的區(qū)域年降水量的自然對(duì)數(shù)固定為時(shí)段的平均值，選擇時(shí)段起始年(1967年)和時(shí)段末尾年(1987年)，繪制水土流失治理度對(duì)年輸沙量影響的曲面進(jìn)行比較分析(圖6)。

由于是對(duì)時(shí)段內(nèi)河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對(duì)數(shù)和河龍區(qū)間最大1日降水量?jī)蓚€(gè)降雨因子全部組合的計(jì)算，因此在1967年回歸曲面中，兩個(gè)降雨因子同時(shí)取最大值時(shí)計(jì)算的年輸沙量超過35億t。從圖6可以看出，1967年和1987年的水土流失治理度對(duì)年輸沙量影響顯著不同。在曲面的最高點(diǎn)，即兩個(gè)降雨因子均處于最大值時(shí)，1987年輸沙量響應(yīng)曲面比1967年輸沙量響應(yīng)曲面降低約20億t；在曲面的最低點(diǎn)，即兩個(gè)降雨因子均處于最小值時(shí)，兩個(gè)年輸沙量響應(yīng)曲面相差幅度約為5億t。對(duì)比分析說明，隨著水土流失治理度的增加，一方面總體上年輸沙量顯著減少，另一方面年輸沙量響應(yīng)曲面在高降雨條件下的減少幅度大于低降雨條件。

比較圖6中1967年和1987年兩個(gè)年份的輸沙量響應(yīng)曲面可以看出，1967年治理水平年輸沙量響應(yīng)曲面陡峭，計(jì)算年輸沙量隨降雨的變化而急劇變化，計(jì)算年輸沙量最高與最低值相差約30億t；1987年治理水平年輸沙量響應(yīng)曲面不僅較低，而且顯著平緩，計(jì)算年輸沙量最高與最低值相差約15億t。這一現(xiàn)象說明水土流失治理不僅大幅度減少了河龍區(qū)間黃河年輸沙量，而且使年輸沙量對(duì)降雨變化響應(yīng)的敏感度降低[11]。

圖6　年輸沙量對(duì)不同水土流失治理度的響應(yīng)曲面

4.31988—2012年計(jì)算結(jié)果

4.3.1回歸計(jì)算結(jié)果

回歸分析表明，1988—2012年時(shí)段僅水土流失治理度一個(gè)因子就能夠“解釋”黃河年輸沙量77.65%的變化(表5)，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.886 5，顯著性水平α=0.001。水土流失治理工程的大規(guī)模開展是該時(shí)段黃河年輸沙量持續(xù)處于低位的根本原因。20世紀(jì)80年代初期實(shí)施的水土保持工程措施持續(xù)發(fā)揮水土保持效益，同時(shí)國(guó)家又在重點(diǎn)水土流失地區(qū)實(shí)施了多個(gè)治理項(xiàng)目，水土保持治理工程規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，水土保持對(duì)黃河年輸沙量的影響更加顯著(圖7)。

表5　1988—2012年計(jì)算結(jié)果

4.3.2減沙分析

截取1999—2012年的計(jì)算結(jié)果，分析計(jì)算年輸沙量變化趨勢(shì)(圖8)。可以看出：1999年水土流失治理度達(dá)到40%，計(jì)算年輸沙量小于5億t，其80%置信度上限不到15億t； 2010年水土保持治理度達(dá)到55%，計(jì)算年輸沙量?jī)H1.2億t，其80%置信度上限小于4.5億t。根據(jù)1988—2012年數(shù)據(jù)分析，在當(dāng)前水土保持治理程度，除非出現(xiàn)稀遇降雨事件，以80%的置信度，黃河年輸沙量將小于5億t。

圖7　1988—2012年水土流失治理度與年輸沙量回歸分析

圖8　1999—2012年計(jì)算結(jié)果80%置信度上下限分析

5　結(jié)論與討論

(1)從20世紀(jì)80年代初期開始，30多年來黃河上中游地區(qū)水土流失治理面積呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，截至2015年黃河中游水土流失綜合治理措施保存面積約為26萬km2。

(2)依據(jù)水土流失治理度和降水量與黃河年輸沙量間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，將1954—2012年劃分為3個(gè)時(shí)段，采用逐步回歸方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，水土流失治理度較好地“解釋”了20世紀(jì)80年代以來黃河年輸沙量銳減的現(xiàn)象，說明水土保持是黃河年輸沙量減少的主要因素。

(3)在計(jì)算時(shí)段內(nèi)(以1967—1987年時(shí)段為例)，相同降雨條件下，水土流失治理度的提高不僅顯著減少了黃河年輸沙量，而且使年輸沙量對(duì)降雨的響應(yīng)趨于“遲緩”。由此，在1988—2012年時(shí)段，僅由水土流失治理度1個(gè)因子就能夠很好“解釋” 黃河年輸沙量的變化。

(4)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，在水土流失治理度超過55%時(shí)，以80%的置信度，黃河年輸沙量將小于5億t。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)09-0068-05

李敏(1952—)，男，江蘇徐州市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樗帘３謹(jǐn)?shù)學(xué)模型。

2016-08-02