1960—2010年延河水沙特征及其對退耕工程的潛在響應(yīng)

王鈺,馮起,2?

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院,710119,西安;2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,730000,蘭州)

1960—2010年延河水沙特征及其對退耕工程的潛在響應(yīng)

王鈺1,馮起1,2?

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院,710119,西安;2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,730000,蘭州)

河流水沙特征與流域降水量和下墊面變化密切相關(guān)。為揭示流域降雨以及退耕還林對延河流域水沙特征的影響,本文以延河甘谷驛站控制區(qū)1960—2010年流域降水量、河流徑流量和輸沙量實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)分析了延河水沙變化特征及其對流域降水量的響應(yīng),并對比分析了退耕前、后(以2002年為界)延河水沙變化。結(jié)果表明:在1960—2010年間,延河甘谷驛站控制區(qū)年及汛期(6—9月)降水量、徑流量和輸沙量呈波動遞減趨勢,汛期降水量、徑流量和輸沙量值約占年值的64.8%、71.7%和98.1%;年及汛期輸沙量與徑流量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,徑流量變化可分別解釋年及汛期87.6%和92.2%的輸沙量變化,降水量變化可分別解釋年及汛期22.7%和23.6%的輸沙量變化;退耕后流域年及汛期平均輸沙量、徑流量和徑流系數(shù)顯著低于退耕前,剔除退耕前后降水量差異影響,退耕工程對年及汛期累計(jì)輸沙量變化分別貢獻(xiàn)87.5%和86.9%,對年及汛期累計(jì)徑流量變化分別貢獻(xiàn)77.4%和75.4%。研究闡明退耕可顯著降低年及汛期平均徑流量、徑流系數(shù)和輸沙量。

河流水沙特征;降水;退耕還林還草;黃土高原

黃河水沙問題一直是社會各界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。自20世紀(jì)50年代起,針對黃土高原嚴(yán)重的水土流失及黃河下游安全需求,我國政府在黃土高原地區(qū)實(shí)施了一系列水土流失治理工程,特別是1999年起實(shí)施的國家退耕還林(草)工程以來,黃河水沙特征發(fā)生了極為顯著的變化,目前黃河潼關(guān)站年輸沙量已由20世紀(jì)70年代前的16億t銳減到近2010年的3.1億t[1-2]。黃河輸沙量的顛覆性變化,已引起社會各界廣泛關(guān)注。

河流水沙特征與流域降水量和下墊面變化密切相關(guān),其中降水量直接影響流域侵蝕產(chǎn)沙狀況,而由人類活動引起的下墊面改變,使流域產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制發(fā)生改變,也會引發(fā)河流水沙變化[3]。有研究[4-5]表明,退耕還林還草工程實(shí)施以來,黃土高原的自然景觀與以往相比發(fā)生了巨大變化,顯著改變了黃土高原的下墊面狀況,不僅有效削減了降雨侵蝕動力,同時也增強(qiáng)了土壤抗侵蝕性,其結(jié)果勢必影響土壤侵蝕狀況,導(dǎo)致流域侵蝕發(fā)生顯著變化,進(jìn)而影響黃河泥沙變化。與此同時,受全球氣候變化影響,黃河流域在1961—2008年以來,降水呈現(xiàn)明顯的降低趨勢[6],而由于降水量的減少,可能導(dǎo)致河流輸沙量降低。

近年來,許多學(xué)者對黃河水沙變化及其原因進(jìn)行了研究;但由于所用資料多集中于2000年以前,受數(shù)據(jù)序列長度的影響,很難反映近期,特別是實(shí)施退耕工程以來的水沙變化情況[7]。地處黃土丘陵溝壑區(qū)的延河,是黃河的一級支流,長期以來流域侵蝕極為嚴(yán)重,是黃河泥沙來源的重點(diǎn)流域之一,其水沙變化在一定程度上能反映黃河中游地區(qū)水沙變化趨勢[8-9]。本文以延河流域甘谷驛站控制區(qū)的近50年水文泥沙及其流域降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析延河水沙動態(tài)特征,并分析退耕工程實(shí)施前后,流域降水及其水沙變化,以期揭示延河水沙特征對退耕工程的潛在響應(yīng),并為分析認(rèn)識黃河流域水沙銳減的原因提供一定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延河發(fā)源于陜西省靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)的周山,從西北向東南流經(jīng)志丹、安塞、延安和延長四(市)縣,于延長縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近匯入黃河。延河全長286.9 km,流域總面積7 725 km2,海拔495～1 795 m,河道平均比降為0.329%,流域平均坡度17°,流域地形破碎,屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū),溝壑平均密度為4.75 km/km2。流域多年降水量514 mm,年平均氣溫約9.3℃,年平均蒸發(fā)量1 000 mm,植被類型以森林灌叢草原為主,土壤類型以黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土為主,土質(zhì)疏松,抗侵蝕能力差,水土流失嚴(yán)重,多年平均輸沙量(甘谷驛站)為4 110萬t[1011]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

降水?dāng)?shù)據(jù)來自延安氣象站(1960—2010年)、志丹氣象站(1960—2010年)、靖邊氣象站(1965—2010年)、安塞氣象站(1970—2010年)、延長氣象站(1960—2010年)的逐日實(shí)測降水;徑流量、輸沙量數(shù)據(jù)采用甘谷驛站(1956—2010年)逐日實(shí)測數(shù)據(jù),其中甘谷驛水文站控制面積5 891 km2,包括靖邊(193.22 km2)、志丹(1 539.32 km2)、安塞(1 371.43 km2)、延安(440.65 km2)和甘谷驛(2 346.39 km2)。由于寶塔區(qū)、延長縣、安塞縣、志丹縣總面積占流域面積的98%,本文所涉及退耕還林還草數(shù)據(jù)采用上述4個縣區(qū)的數(shù)據(jù)表征,來源于《延安統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在獲得各氣象站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)后,分別計(jì)算甘谷驛站控制區(qū)年降水量及汛期(6—9月)降水量;依據(jù)甘谷驛站實(shí)測徑流及輸沙數(shù)據(jù),整理獲得年及汛期徑流量及輸沙量數(shù)據(jù)及其徑流含沙量,并結(jié)合整理獲得的流域降水量,計(jì)算甘谷驛站控制區(qū)年及汛期徑流系數(shù)。

由于延河流域退耕實(shí)施年為1999年,1999—2001年工程處于起步階段,其間退耕面積增幅緩慢,并考慮退耕植被恢復(fù)過程需要一定時間,故選取2002年為分界點(diǎn),分別計(jì)算退耕前(1960—2001年)及退耕后(2002—2010年)甘谷驛站控制區(qū)年及汛期平均降水量、平均徑流量、平均輸沙量、平均徑流系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)差。采用SAS 8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件分析退耕工程實(shí)施前后降水量、徑流量、輸沙量、徑流系數(shù)的變化;采用Excel軟件分析計(jì)算降水量、輸沙量、徑流量間的相關(guān)關(guān)系,以及徑流系數(shù)與徑流含沙量相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 1960—2010年流域降水及河流水沙特征

圖1 1960—2010延河甘谷驛站流域年及汛期降水量(圖1a)、徑流量(圖1b)、徑流系數(shù)(圖1c)和輸沙量(圖1d)特征Fig.1 Precipitation(1a),runoff(1b),runoff coefficient(1c),sediment discharge(1d)of yearly and flood season in Ganguyi station of the Yanhe River during 1960 to 2010

在1960—2010年間,甘谷驛站控制區(qū)年及汛期平均降水量分別為520和337 mm,汛期降水約占年降水量的64.8%(圖1a)。整個觀測期內(nèi),年及汛期降水量總體呈現(xiàn)波動減少趨勢,遞減率分別為2.94和2.02 mm/a,變異系數(shù)分別為0.22和0.23(圖1a);年及汛期平均徑流量分別為2.02億和1.45億m3,以194萬和173萬m3/a的速率遞減,變異系數(shù)分別為0.37和0.53(圖1b);流域年及汛期徑流系數(shù)未發(fā)現(xiàn)明顯的遞減趨勢(圖1c)?？傮w而言,延河流域徑流系數(shù)較低,除1978年汛期徑流系數(shù)＞0.15外,其余年份年及汛期徑流系數(shù)均＜0.15,且變異系數(shù)分別為0.27和0.41。

在1960—2020年間,流域年及汛期平均輸沙量分別為3 950萬和3 850萬t,且呈大幅波動遞減趨勢,年及汛期輸沙量變異系數(shù)分別高達(dá)0.90和0.91,并分別以88.5萬和90.2萬t每年的速率遞減(圖1d),汛期多年平均輸沙量約占年輸沙量的98.1%。

2.2 河流水沙關(guān)系及其對流域降水的響應(yīng)

在1960—2010年間,延河甘谷驛站控制區(qū)河流徑流含沙量與徑流系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05),汛期及其年徑流系數(shù)可分別決定其徑流含沙量變化的62.4%和65.5%,徑流系數(shù)每增加0.01,汛期及年徑流含沙量將分別增加26.55和41.58 kg/m3(圖2a);河流年及汛期輸沙量變化與徑流量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,汛期及年徑流量可分別決定其輸沙量變化的92.2%和87.6%,徑流量每增加1 000萬m3,汛期及年輸沙量將分別增加433萬和441.2萬t(圖2b)。

在1960—2010年間,流域年及汛期徑流量與同期降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,降水量變化可分別決定年及汛期徑流量變化的41.3%和36.8%(圖2c);流域年及汛期輸沙量與同期降水量也呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2d)。與徑流-輸沙關(guān)系相比,降水-輸沙關(guān)系的相關(guān)系數(shù)較低,由此表明,徑流量是影響流域輸沙量的最主要因素(圖2b,d)。

2.3 退耕工程實(shí)施前后河流水沙及流域降水量差異

與退耕前(1960—2001年)相比,退耕后(2002—2010年)甘谷驛站控制區(qū)流域年及汛期平均降水量略有減小,但差異不顯著(P＞0.05)(圖3a);流域年及汛期平均徑流量、平均輸沙量及其平均徑流系數(shù)顯著減小(P＜0.05),特別是退耕后年及汛期平均輸沙量較退耕前降低66.1%(圖3b,c,d)。

2.4 退耕對河流水沙變化的潛在影響

圖2 延河甘谷驛站控制區(qū)徑流系數(shù)與徑流含沙量關(guān)系(圖2a)、徑流量-輸沙量關(guān)系(圖2b)、其降水量-徑流量關(guān)系(圖2c)及降水量-輸沙量關(guān)系(圖2d)Fig.2 Relationships of runoff coefficient with sediment concentration(2a),runoff with sediment discharge(2b),precipitation with runoff(2c),and precipitation with sediment discharge(2d)in Ganguyi station of the Yanhe River

圖3 退耕前、后延河甘谷驛站控制區(qū)流域年及汛期平均降水量(圖3a)、平均徑流量(圖3b)、平均輸沙量(圖3c)和徑流系數(shù)(圖3d)差異Fig.3 Differences of annual and flood season average precipitation(3a),average runoff(3b),average sediment discharge (3c),average runoff coefficient(3d)between before and after Grain for Green Project conducted in Ganguyi station of the Yanhe River

退耕前,延河甘谷驛站控制區(qū)流域年及汛期累計(jì)降水量與同期累計(jì)輸沙量和累計(jì)徑流量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2＞0.98),表明采用累計(jì)降水量可以較為準(zhǔn)確的模擬計(jì)算累計(jì)輸沙量和累計(jì)徑流量(圖 4a,c)。依據(jù)此模擬結(jié)果對退耕后(2002—2010年)水沙進(jìn)行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)年及汛期實(shí)測累計(jì)輸沙量比預(yù)測值分別降低64.1%和64.5%(圖4b),而年及汛期實(shí)測累計(jì)徑流量比預(yù)測值分別降低29.5%和35.7%(圖4d)。

圖4 延河甘谷驛站控制區(qū)(1960—2001)年及汛期降水-輸沙雙累計(jì)曲線(圖4a)、降水-徑流雙累計(jì)曲線(圖4c), 2002—2010年及汛期輸沙累計(jì)量實(shí)測值及預(yù)測值(圖4b)、徑流累計(jì)量實(shí)測值及預(yù)測值(圖4d)Fig.4 Precipitation-sediment discharge cumulative curve(4a),precipitation-runoff cumulative curve(4c)during 1960 to 2001,measured and simulated accumulated sediment discharge(4b)and runoff(4d)during 2002 to 2010,in Ganguyi station of the Yanhe River

3 討論

3.1 降水變化對延河水沙特征的影響

降水是引起黃土高原地區(qū)嚴(yán)重的水土流失的一個重要因素[13]。徐學(xué)選等[14]研究指出,近50年來,延河流域降水量減少是流域水沙變化的基本原因,同時也是流域徑流量減少的主要原因;但是,本研究表明,退耕后年和汛期平均降水量雖有所降低,但其差異并不顯著,通過對比降雨-徑流雙累計(jì)曲線和降雨-輸沙雙累計(jì)曲線模擬值與實(shí)測值發(fā)現(xiàn),在退耕后由于年和汛期累計(jì)降水量的減少,僅引起年及汛期累計(jì)徑流量減少22.6%和24.6%,引起年及汛期累計(jì)輸沙量減少12.5%和13.1%。而任宗萍等[11]的研究也表明,在1974—1996和1997—2008年間,由于流域降水減少,分別引起甘谷驛站徑流量減少24.4%和37.2%。由此表明,降水量的變化只是影響了徑流量和輸沙量的小部分變化,而非其變化的最主要原因。

3.2 退耕工程對延河水沙特征的影響

河流水沙與流域人為活動及其下墊面變化密切相關(guān)[1617]。20世紀(jì)60年代以來,國家在延河流域開展了修建梯田、植樹造林、修建淤地壩等水土保持工程,截至1998年,累計(jì)治理水土流失面積33.9%,在一定程度改變了流域下墊面狀況。本研究表明,從20世紀(jì)60年代中期至70年代中期,甘谷驛站河流輸沙量呈大幅下降趨勢,在70年代中期至80年代中期維持較低水平,在80年代中期至90年代中期呈現(xiàn)波動遞增(圖1d)。上述輸沙量波動變化可能與流域淤地壩建設(shè)密切相關(guān)。資料表明,延河流域在20世紀(jì)60年代末至70年代開展大規(guī)模的淤地壩建設(shè),淤地壩能快速攔截溝道泥沙量,但其減沙作用隨時間推移越來越小[18];因此延河流域淤地壩建設(shè)及其庫容量變化是影響上述各階段流域輸沙量變化的主要原因。

而與淤地壩減水減沙的效果不同,林草措施隨時間的推移作用越來越大。在1999—2010年間,延河流域累計(jì)退耕還林還草面積由1999年的39.4 km2(占流域面積的0.510%)增加到2010年的1 230 km2(占流域面積的16.0%)[11]。本研究表明,退耕后年及汛期徑流量及輸沙量顯著減少(圖3b,c)。謝紅霞等[18]的研究表明,實(shí)施退耕還林還草工程以來,延河流域水沙減少主要是由于流域林草植被覆蓋率的增加所致。與此同時,本研究也表明,作為能夠在一定程度上能夠反應(yīng)流域降雨產(chǎn)流匯流過程的徑流系數(shù),與退耕工程實(shí)施前多年平均值相比,退耕后其年和汛期值也顯著降低(圖3d)。由此表明,退耕工程的實(shí)施,顯著影響了流域下墊面狀況及其流域降水產(chǎn)匯流過程,并最終顯著影響河流水沙特征。

4 結(jié)論

1960—2010年間延河甘谷驛站控制區(qū)年及汛期降水量、徑流量和輸沙量呈現(xiàn)波動遞減趨勢,其中降水量變幅相對較小,而輸沙量變幅很大。徑流量和輸沙量變化與同期降水量變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其中降水變化可分別解釋40%左右的徑流變化和23%左右的輸沙量變化。

退耕還林還草工程的實(shí)施,顯著影響延河流域水沙特征,與退耕前相比,退耕后年及汛期平均徑流量、徑流系數(shù)和輸沙量顯著降低。退耕后(2002—2010年)年及汛期實(shí)測累計(jì)徑流量比模擬預(yù)測值分別降低29.5%和35.7%,剔除降水變化的影響,退耕工程減少年及汛期累計(jì)徑流量貢獻(xiàn)率分別為77.4%和75.4%;退耕后(2002—2010年),年及汛期實(shí)測累計(jì)輸沙量比模擬預(yù)測值分別降低64.8%和64.5%,剔除降水變化的影響,退耕工程減少年及汛期累計(jì)輸沙量貢獻(xiàn)率分別為87.5%和86.9%。

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Characteristics of runoff and sediment transport during 1960-2010 and its response to Grain for Green Project in Yanhe River

WANG Yu1,FENG Qi1,2
(1.College of Tourism and Environment,Shaanxi Normal University,710119,Xi'an,China;2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,730000,Lanzhou,China)

[Background]Analysis on the trends of runoff and sediment transport and their driving forces,such as precipitation,human activities and other factors,is the basis for watershed management. Previous studies showed that the dynamics of river runoff and sediment transport were closely related to soil erosion and precipitation.The relationship of rainfall-runoff-sediment delivery is important for evaluating the benefits of erosion control practices.In recent years,the sediment discharge of the Yellow River is decreasing dramatically,which has caused wide public attention.[Methods]In this study,on the basis of runoff and sediment data measured at Ganguyi station,and the precipitation data of 5 meteorological stations in Yanhe River basin,we analyzed the dynamics of precipitation,runoff,sediment discharge,runoff coefficient,and the response of runoff and sediment dynamics to watershed precipitation in Yanhe River during 1960-2010.Meanwhile,in order to explain the effect of Grain for Green Project on runoff and sediment transport,the difference of river runoff and sediment delivery between 1960-2001 and 2002-2010 were also studied.Based on precipitation-runoff curve and precipitation-sediment transport cumulative curve,the relationship between precipitation and runoff and sediment was determined in 1960-2001,and with the determined relationship,the simulated runoff and sediment transport were predicted in the period of 2002-2010,then were compared to the measured data in the same period of 2002-2010,thus,the effect of Grain for Green Project on river runoff and sediment transport was determined.[Results]1)The annual precipitation,runoff and sediment transport at flood season decreased with fluctuation from 1960-2010.The flood season accounted for 64.8%,71.7%and 98.1%of average annual precipitation,runoff and sediment transport,respectively.2)The sediment transport were significantly related to runoff per year and in flood season.The variation of runoff caused 87.6%and 92.2%sediment load changes per year and in flood season,respectively.The watershed precipitation also affected sediment transport due to its significant relationship with runoff.3)Compared with the data of 1960-2001 before the Grain for Green Project conducted,and the average yearly and flood season runoff and sediment transport were decreased significantly in the period of 2002-2010 after the Grain for Green Project conducted.Excluding the impact of precipitation difference between 1960-2001 and 2002-2010,the Grain for Green Project contributed 87.5%and 86.9%cumulative amount of sediment changes,and 77.4%and 75.4%cumulative amount of runoff changes per year and flood season.[Conclusions]These results are beneficial to understand the dramatic changes of runoff and sediment transport in Yellow River in past 10 years,and also conducive to evaluate the effects of Grain for Green Project on soil erosion controlling on the Loess Plateau regions.

characteristics of runoff and sediment transport;precipitation;Grain for Green Project;the Loess Plateau

S157.1

A

2096-2673(2017)01-0001-07

10.16843/j.sswc.2017.01.001

項(xiàng)目名稱:國家自然科學(xué)基金“黃土區(qū)典型鄉(xiāng)土草本植物對土壤侵蝕動力學(xué)過程的調(diào)控機(jī)理研究”(41571260)

王鈺(1983—),女,博士研究生。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:wangyu@snnu.edu.cn.

?通信作者簡介:馮起(1965—),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:生態(tài)水文。E-mail:qifeng@lzb.ac.cn.