降水和水土保持對羅玉溝流域水沙變化的影響

摘 要：流域徑流和輸沙對降水變化和水土保持的響應可為水土保持效益評價提供科學依據(jù)。根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)羅玉溝流域1987-2010年的水文泥沙數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall法，檢驗流域降水、徑流和輸沙的變化趨勢；結(jié)合流域水土保持措施的資料，探討降水和水土保持對流域水沙變化的影響。結(jié)果顯示，年降雨量和年降雨侵蝕力分別是羅玉溝流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙的主要影響因素。年降雨量和年降雨侵蝕力在1987-2010年時期的變化趨勢不顯著，但年徑流深和年輸沙量呈顯著減少趨勢。這是因為坡面工程措施和植被措施改善了羅玉溝流域的下墊面條件，降低了流域的降雨產(chǎn)流能力和侵蝕產(chǎn)沙能力；溝道工程措施通過攔蓄徑流泥沙，減少了對下游溝道的侵蝕。研究結(jié)果對流域治理規(guī)劃具有一定的指導意義。

關鍵詞：降雨；徑流；輸沙；水土保持

黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失嚴重，是實現(xiàn)該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素。流域水土流失受降水和人類活動的雙重影響[1-4]。20世紀90年代后期以來，隨著黃土丘陵溝壑地區(qū)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和水土保持生態(tài)建設的大力推進，人類活動不斷加劇，加之在全球氣候變化的背景下，流域下墊面和降雨等水文要素進一步發(fā)生變化，從而引起黃土丘陵溝壑區(qū)流域水沙發(fā)生新的變化。降雨是導致水土流失的原動力，降雨量、降雨強度及降雨歷時等降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙密切相關[5-7]。人類活動通過改變土地利用方式和實施水土保持措施來改變流域下墊面，使產(chǎn)流產(chǎn)沙機制發(fā)生變化[4，6-9]。只有了解流域水沙變化的原因，才能科學地制訂流域水土流失治理方案。羅玉溝流域在土壤侵蝕類型上可作為黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的典型代表，也是該地區(qū)水土流失綜合治理的典型流域。因此，本研究依據(jù)多年實測水文泥沙資料，分析羅玉溝流域的徑流和輸沙變化趨勢和特征，探討降水和水土保持對流域水沙變化的影響，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)流域綜合治理和評價提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

羅玉溝流域位于天水市北郊，是渭河支流藉河左岸的一級支流，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。流域面積72.79km2，呈狹長形，羽狀溝系，平均寬度3.37km，主溝長21.63km。流域內(nèi)溝壑密度為3.54km/km2。流域多年平均降水量548.9mm，年降水量最小值330.1mm，最高值842.2mm，6-9月降水量占年降水量的60%以上，雨熱同期，多年平均蒸發(fā)量1293.3mm。年平均氣溫10.7℃，一月平均氣溫-2.3℃，七月平均氣溫22.6℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-19.2℃。流域水土流失面積達到47.87km2，多年平均年徑流模數(shù)為3.07萬m3/（km2·y），多年平均年侵蝕模數(shù)為7500t/（km2·y）。羅玉溝流域雨量站和出口水文測驗站見圖1。

1998年，我國第一個大型水土保持生態(tài)建設項目“藉河示范區(qū)工程”開展實施，羅玉溝流域是藉河示范區(qū)主要流域之一。根據(jù)黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站的實地調(diào)查和測算，截止2006年6月底，水土流失治理面積達到2734.44hm2，其中梯田927.45hm2、喬木林665.48hm2、灌木林350.73hm2、果園740.97hm2、經(jīng)濟林40.69hm2，建成骨干壩2座、中型壩3座和小型壩32座。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

文章所用到的羅玉溝流域的水文泥沙數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站，數(shù)據(jù)年限為1987-2010年。

文章采用Mann-Kendall檢驗法分析羅玉溝流域的年降雨、徑流和輸沙時間序列的變化趨勢。Mann-Kendall檢驗法是由國際氣象組織（WMO）推薦的應用于環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列趨勢分析的方法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，與參數(shù)統(tǒng)計檢驗法相比，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，而且計算也比較簡單，是目前比較常用的趨勢診斷方法[10-12]。

累積距平法是一種較常用的判斷變化趨勢的方法，同時通過對累積距平曲線的觀察，也可以劃分變化的階段性[11-13]。文章采用累積距平法對年降雨量變化階段進行劃分。對于序列x，其某一時刻的累積距平表示為：

將n個時刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進行趨勢分析和階段劃分。累積距平曲線呈上升趨勢，表示距平值增加，呈下降趨勢則表示距平值減小。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時間。從曲線小的波動變化可以考察其短期的距平值變化。

文章年降雨侵蝕力值的計算選取王萬忠等（1995）建立的估算年降雨侵蝕力值的關系式[14]：

式中，R為年降雨侵蝕力，m·t·cm/hm2·h·y；P≥10為次降雨大于等于10mm的年降雨總量，mm；I60為年最大60min降雨量，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降雨和水沙變化特征

研究區(qū)在1987-2010年降雨量和年降雨侵蝕力年際變化見圖2。研究區(qū)在1987-2010年時期內(nèi)的年平均降雨量為559.5mm，其中2003年的降雨量最大，達到842.0mm；1997年的降雨量最小值，只有378.2mm。年降雨侵蝕力最小值也發(fā)生在1997年，為68.1m·t·cm/hm2·h·y；最大值發(fā)生在2007年，為360.1m·t·cm/hm2·h·y。圖2顯示年降雨侵蝕力的年際變化與年降雨量并不完全一致，如2001年和2003年相比，2001年的降雨量為597.4mm，但年降雨侵蝕力達到360.1m·t·cm/hm2·h·y；2003年的年降雨量雖然最大，但是年降雨侵蝕力僅為180.5m·t·cm/hm2·h·y。

根據(jù)公式（1）計算得到羅玉溝流域在1987-2010年期間降雨量累積距平的年際變化（圖3），在1993年和2007年前后表現(xiàn)出增大和減小趨勢，在2002年前后表現(xiàn)出減小和增大的趨勢。將各流域降雨量在1987-2010年時期的變化劃分為4個時期：P1（1987-1993年）、P2（1994-2002年）、P3（2003-2007年）和P4（2008-2010年）。流域在4個時期的年平均降雨量見表1，其中P3的年平均降雨量最大，P2的年平均降雨量最小。方差分析顯示，P1和P3之間的年平均降雨量不具有顯著性差異（P<0.05），P2與P4之間的年平均降雨量也不具有顯著性差異，但P1和P3的年平均降雨量顯著大于P2與P4。

羅玉溝4個時期之間的年平均徑流深都具有顯著差異（P<0.05），其中P1年平均徑流深最大，達到51.5mm；P4年平均徑流深最小，僅為4.8mm。P1的年平均輸沙模數(shù)顯著大于其它時期，達到7453.9t km-2，P2和P3之間差異性不顯著，P4的年平均輸沙模數(shù)最小，僅為433.7t km-2。

為進一步分析流域降雨、徑流和輸沙的變化規(guī)律，采用Mann-Kendall檢驗法判斷了年降雨量、年降雨侵蝕力、年徑流深和年輸沙模數(shù)的變化趨勢及顯著性，詳見表2。

由表2可以看出年降雨量和年降雨侵蝕力的Mann-Kendall檢驗結(jié)果Z值分別為-0.22和-0.02在置信水平為α=0.01的相應臨界值±1.64之間，表明羅玉溝流域在1987-2010年時期的年降雨量和年降雨侵蝕力下降趨勢不顯著。年徑流深和年輸沙模數(shù)的Z值分別為-2.06和-1.66，超過了置信水平為α=0.01的下臨界值-1.64，表明羅玉溝流域在1987-2010年時期的年降雨量和年降雨侵蝕力呈顯著下降趨勢。

3.2 降水對徑流和輸沙變化的影響

羅玉溝的年降雨量-年徑流深關系和年降雨量-年輸沙模數(shù)關系分別見圖4（a）和圖4（b）。圖4（a）和圖4（b）顯示羅玉溝的年降雨量與年徑流深和年輸沙模數(shù)之間線性擬合函數(shù)的R2分別為0.65和0.32，表明年降雨量可以分別解釋年徑流深和年輸沙模數(shù)變異的65%和32%。圖5（a）和圖5（b）顯示羅玉溝的年降雨侵蝕力與年徑流深和年輸沙模數(shù)之間線性擬合函數(shù)的R2分別為0.66和0.71，表明年降雨侵蝕力可以分別解釋年徑流深和年輸沙模數(shù)變異的66%和71%。

對比年降雨量和年降雨侵蝕力與年徑流深和年輸沙模數(shù)的關系，表明年降雨量是羅玉溝流域年徑流量變化的主要影響因素，年降雨侵蝕力是年輸沙量變化的主要影響因素。

3.3 水土保持對徑流和輸沙變化的影響

由表1可知，P1和P3之間的年平均降雨量和年平均降雨侵蝕力差異不顯著，但是相比較P1，P3的年平均徑流深和年平均輸沙模數(shù)分別減少了36.7%和31.5%。而且由表2得到羅玉溝流域的年降雨量和年降雨侵蝕力在1987-2010年時期的變化趨勢不顯著，但是年徑流深和年輸沙模數(shù)呈顯著下降趨勢。表明在降水沒有發(fā)生顯著變化的情況下，羅玉溝流域的徑流和輸沙顯著減少。這是因為水土保持對羅玉溝流域的影響：坡改梯和植被措施改善了流域的下墊面條件，增加了流域植被覆蓋面積，降低了流域降雨產(chǎn)流能力和侵蝕產(chǎn)沙能力；淤地壩等溝道工程措施通過攔蓄徑流和淤積泥沙，削減了洪峰流量，并縮短了溝道和改變了溝道地形條件，從而減輕了對流域下游溝道的沖刷和減少了溝道的侵蝕，有效地減少了流域產(chǎn)流量和輸沙量。而且在年降雨量較小的情況下，水土保持的減水比例和減沙比例較大。P2和P4的年平均降雨量顯著小于P1和P3，并且P2和P4之間的年平均降雨量和年平均降雨侵蝕力不具有顯著性差異。但是相比較P2，P4的年平均徑流深和年平均輸沙模數(shù)分別減少了61.0%和87.6%。

4 結(jié)束語

（1）年降雨量是羅玉溝流域產(chǎn)流的主要影響因素，年降雨侵蝕力是流域產(chǎn)沙的主要影響因素。（2）水土保持降低了羅玉溝流域的降雨產(chǎn)流能力和侵蝕產(chǎn)沙能力，顯著減少了流域產(chǎn)流量和輸沙量。

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