黃土高原典型支流淤地壩攔沙對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)

魏艷紅，焦菊英,2?，張世杰

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；3.安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院，230088，合肥)

黃土高原典型支流淤地壩攔沙對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)

魏艷紅1，焦菊英1,2?，張世杰3

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；3.安徽省水利部淮委水利科學(xué)研究院，230088，合肥)

為探明淤地壩攔沙作用對(duì)河流輸沙量變化的影響，依據(jù)淤地壩作用年限、壩控面積、壩控流域侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)及淤地壩排沙率，確定淤地壩攔沙量的估算方法，并結(jié)合2009年淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)，分析黃土高原典型支流淤地壩攔沙對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)。延河與皇甫川淤地壩在不同年代的攔沙量分別在92.48萬～854.35萬t/a與36.47萬～1 138.75萬t/a之間，淤地壩攔沙量占人類活動(dòng)影響的比例在一級(jí)和二級(jí)突變后分別為29.1%、28.5%與8.4%、18.2%；2000年以后延河與皇甫川輸沙量減幅均達(dá)到85%以上，而淤地壩攔沙量的貢獻(xiàn)率分別小于10%和20%。淤地壩的攔沙作用已不是目前輸沙量減少的主要因素，但由于土壤侵蝕環(huán)境的不同，淤地壩在皇甫川對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)比在延河要大。

淤地壩； 攔沙量； 土壤侵蝕； 輸沙量； 延河； 皇甫川

黃土高原嚴(yán)重的水土流失造成大量泥沙下泄入黃，致使黃河成為世界著名的懸河，嚴(yán)重威脅著黃河下游堤壩及人民生命安全。黃土高原的水土流失治理及其對(duì)黃河泥沙變化的影響一直是相關(guān)管理部門和學(xué)術(shù)界關(guān)心的熱點(diǎn)問題。自20世紀(jì)50年代以來，國家對(duì)黃土高原實(shí)施了一系列的水土流失治理，特別是1999年國家大規(guī)模地實(shí)施了退耕還林(草)政策，恢復(fù)植被以遏制黃土高原嚴(yán)重的土壤侵蝕，改善自然生態(tài)環(huán)境，減少黃河泥沙。與此同時(shí)，由于淤地壩具有明顯的攔沙淤地效益，大規(guī)模的淤地壩工程建設(shè)也在快速發(fā)展[1-2]。根據(jù)第1次全國水利普查水土保持情況公報(bào)，截至2011年黃土高原共有淤地壩5萬8 446座，其中治溝骨干工程5 655座[3]。黃土高原自20世紀(jì)50年代至今，先后經(jīng)歷了坡面治理、坡面和溝谷聯(lián)合治理、小流域綜合治理、退耕還林還草工程、淤地壩“亮點(diǎn)工程”等一系列的水土保持治理措施，入黃泥沙顯著減少。目前，黃河潼關(guān)站年均輸沙量已由20世紀(jì)70年代前的16億t銳減到2000—2014年的2.7億t，已明顯改變了以往人們對(duì)黃河泥沙的認(rèn)識(shí)。同樣，黃河中游典型支流延河和皇甫川的輸沙量也呈明顯減少趨勢[4-5]。現(xiàn)階段，黃土高原地區(qū)由于水利水保措施的加強(qiáng)，植被恢復(fù)良好，只要不遇到高強(qiáng)度暴雨，很難形成大的洪峰流量和輸沙量[6]，新近修建的淤地壩大部分處于無沙可淤的狀態(tài)，可見一味增加淤地壩數(shù)量并非最佳選擇。同時(shí)，盡管眾多學(xué)者對(duì)淤地壩的減水減沙效益及計(jì)算方法[7-8]、減蝕作用機(jī)理[9-10]、壩地泥沙淤積特征[11-12]和泥沙來源[13]等方面進(jìn)行了大量的研究，但目前黃河泥沙減少到底是以退耕還林(草)工程的減蝕成效為主？還是以淤地壩的攔沙成效為主？目前黃土高原淤地壩建設(shè)的必要性如何？這些都是目前黃土高原生態(tài)文明建設(shè)中亟待回答的科學(xué)問題，事關(guān)未來黃土高原水土流失治理的投資方向與決策，是黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展、黃河泥沙管理與健康運(yùn)行的重要的依據(jù)。為此，本研究以黃土高原不同類型區(qū)的典型支流為對(duì)象，在計(jì)算淤地壩攔沙量及支流輸沙量的基礎(chǔ)上，探明淤地壩的攔沙作用對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)，以期為進(jìn)一步揭示黃河水沙變化的歸因及黃土高原淤地壩建設(shè)決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究選取了黃土高原不同類型區(qū)的典型支流：黃土丘陵區(qū)的延河與砒砂巖區(qū)的皇甫川作為研究對(duì)象來展開研究。延河流域位于黃土高原中部，全長286.9 km，流域面積7 725 km2，是黃河右岸、中游區(qū)上段河口鎮(zhèn)至龍門段的一級(jí)支流，流域內(nèi)黃土丘陵溝壑面積占全流域的90%?；矢Υ饔蚋闪鏖L137 km，流域面積3 246 km2，地處黃土高原與鄂爾多斯高原的交接地帶，屬于水蝕風(fēng)蝕過渡區(qū)，是黃河中游多沙粗沙區(qū)內(nèi)的粗泥沙集中來源區(qū)[14]。

2 研究方法

用于本研究的數(shù)據(jù)分別來自2009年水利部黃土高原淤地壩安全大檢查專項(xiàng)行動(dòng)數(shù)據(jù)，延河甘谷驛和皇甫川皇甫水文站的觀測數(shù)據(jù)，以及研究區(qū)及其周邊地區(qū)其他學(xué)者及團(tuán)隊(duì)基于淤地壩鉆探反演的侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)。采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Pettitt檢驗(yàn)分析延河和皇甫川流域1955—2015年輸沙變化的趨勢和突變特征。Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)Z值為正表示增加趨勢，為負(fù)表示減少趨勢；|Z|≥1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過了置信度為90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

在統(tǒng)計(jì)分析延河與皇甫川流域淤地壩資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)已有可獲取的資料尋求估算不同時(shí)段淤地壩攔沙量的方法，并以淤地壩的已淤庫容為依據(jù)對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確定計(jì)算時(shí)段內(nèi)淤地壩攔沙量的估算方法：

S=P·A·M·(1-R)。

式中：S為計(jì)算時(shí)段內(nèi)淤地壩的攔沙量，萬t；P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)淤地壩的作用年限，a；A為壩控面積，km2；M為流域侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)，t/(km2·a)；R為排沙損失率。

對(duì)于作用年限的確定，據(jù)20世紀(jì)90年代陜西省完成的淤地壩調(diào)查及相關(guān)科研項(xiàng)目的實(shí)地調(diào)查，截至1991年，1980年以前建成的中小淤地壩已經(jīng)失效。據(jù)此確定不同年份所建淤地壩的作用年限：在計(jì)算20世紀(jì)60、70、80年代的攔沙量時(shí)，淤地壩的作用年限就是計(jì)算時(shí)段內(nèi)淤地壩的實(shí)際運(yùn)行年限；在計(jì)算20世紀(jì)90年代的攔沙量時(shí)，1975年以前所建淤地壩不參與計(jì)算；在計(jì)算2000年以后的攔沙量時(shí)，1980年以前建成的淤地壩不參與計(jì)算。

依據(jù)淤地壩已淤庫容對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，截至2008年延河流域淤地壩已淤庫容1億7 408.2萬m3，據(jù)在延河坊塌和馬家溝流域?qū)崪y平均密度1.32 t/m3，得到總泥沙淤積量2億2 978.8萬t；皇甫川流域淤地壩已淤庫容1億4 169.6萬m3，根據(jù)皇甫川滿紅溝和特拉溝流域的實(shí)測平均密度1.20 t/m3，得到總泥沙淤積量1億7 003.5萬t。通過對(duì)延河和皇甫川及周邊前人研究成果及本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同淤地壩淤積量測量估算結(jié)果[12-13,15-20]進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，得到不同年代延河和皇甫川壩控流域的侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)，具體見表1。根據(jù)上述公式計(jì)算得到延河與皇甫川流域淤地壩截至2008年的總攔沙量分別為2億6 245.7萬和2億3 091.2萬t。然而，淤地壩并不能將流域所有的產(chǎn)沙量攔蓄在壩里，會(huì)有一些淤地壩在暴雨中被損毀產(chǎn)沙或者通過溢洪道排沙，若取淤地壩的排沙損失率為15%計(jì)算，延河流域與皇甫川流域淤地壩截至2008年的總攔沙量分別為2億2 308.9萬和1億9 627.5萬t，與依據(jù)已淤庫容計(jì)算結(jié)果(2億2 978.8萬和1億7 003.5萬t)基本一致，這也說明在沒有已淤庫容等實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，可按照淤地壩作用年限、壩控面積、壩控流域侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)及淤地壩排沙率來計(jì)算不同時(shí)段的淤地壩攔沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型支流淤地壩攔沙量估算

延河流域不同年代淤地壩的年均攔沙量在92.48萬～854.35萬t/a之間，平均404.33萬t/a。雖然20世紀(jì)70年代和80年代的壩控面積僅為流域面積的21.3%和24.3%，但淤地壩的年均攔沙量分別為789.06萬t/a和854.35萬t/a；在2000—2015年壩控面積占到流域面積的32.3%，而2000—2009年均攔沙量僅為92.48萬t/a，遠(yuǎn)低于20世紀(jì)60年代的年均攔沙量227.63萬t/a；在2010—2015年間，即使在2013年7月長歷時(shí)特大暴雨發(fā)生的條件下，年均攔沙量為217.35萬t/a，接近于20世紀(jì)60年代流域壩控面積比僅為4.0%時(shí)的年均攔沙量(表1)?？梢?，延河流域在1990年以后淤地壩的攔沙作用明顯低于20世紀(jì)70—80年代，年均攔沙量在90萬～250萬t/a之間，僅為20世紀(jì)70—80年代的11%～31%。

對(duì)于皇甫川流域，不同年代淤地壩的年均攔沙量變化在36.47萬～1 138.75萬t/a之間，平均為546.26萬t/a。20世紀(jì)60年代僅有淤地壩23座，壩控面積只有流域面積的1.8%，年均攔沙量最??；70年代以后皇甫川被列為重點(diǎn)治理流域之一，從而加快了淤地壩建設(shè)，攔沙作用明顯提高。流域壩控面積的比例由70年代的10.3%增加到80年代的19.0%和90年代的36.1%，年均攔沙量相應(yīng)地由219.05萬t/a增加到630.19萬和740.79萬t/a。在2000—2015年間流域壩控面積比例高達(dá)56.1%，由于流域綜合治理及退耕還林草工程的實(shí)施，淤地壩攔沙量有所減少，在2000—2009年平均攔沙量為512.38萬t/a，但在2010—2015年卻高達(dá)1 138.75萬t/a，這是由于2012年7月特大暴雨下土壤侵蝕較為嚴(yán)重。

表1不同時(shí)段延河和皇甫川流域淤地壩攔沙量

Tab.1Sediment retention by check-dams in different periods in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds

年份Decade侵蝕產(chǎn)沙模數(shù)Erosionmodulust/(km2·a)壩控面積占流域面積比例Proportionofdam-controlledareatowatershedarea/%淤地壩攔沙量Sedimentretentionbycheck-dams/(104t·a-1)延河Yanhe皇甫川Huangfuchuan延河Yanhe皇甫川Huangfuchuan延河Yanhe皇甫川Huangfuchuan1960—19698000110004.01.8227.6336.471970—197970001300021.310.3789.06219.051980—198950001500024.319.0854.34630.191990—199930001000026.236.1245.14740.782000—20091500500032.356.192.48512.382010—20153000900032.356.1217.351138.75

注：由于2008年后建壩不多，壩控面積依據(jù)2008年底的數(shù)據(jù)。Note: As few dams were constructed after 2008, the dam-controlled area is based on the data by the end of 2008.

3.2 淤地壩攔沙對(duì)輸沙量減少的貢獻(xiàn)

延河和皇甫川流域的年輸沙量均呈顯著減少趨勢(P<0.01)。延河和皇甫川流域在1955—2015年輸沙量一級(jí)突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在1996年、1984年(P<0.05)，在一級(jí)突變點(diǎn)以前輸沙量序列均沒有發(fā)生突變，之后輸沙量突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在2005年、2003年(P<0.05)(表2)。

以一級(jí)突變點(diǎn)為界，根據(jù)延河(1955—1995年)和皇甫川(1955—1983年)流域的降雨量-輸沙量雙累積曲線得到的線性擬合方程(圖1)，求得延河和皇甫川流域不同時(shí)段輸沙量計(jì)算值，來定量估算人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響。延河和皇甫川流域輸沙減少量在突變之后逐漸增加，減沙量分別在1 825.0萬～4 219.8萬t/a和2 749.2萬～5 036.6萬t/a之間，而輸沙減少量占一級(jí)突變前實(shí)測值的比例分別在37.2%～86.0%和48.2%～88.2%之間；降水變化對(duì)輸沙減少的影響在突變后逐漸減弱，人類活動(dòng)對(duì)輸沙減少的影響在突變后逐漸增強(qiáng)；一級(jí)突變之后，2個(gè)流域在1996—2004年和1984—2002年淤地壩的攔沙量分別為342.6萬和661.0萬t/a，攔沙量占人類活動(dòng)影響的比例分別為29.1%和28.5%；二級(jí)突變之后，2個(gè)流域在2005—2015年和2003—2015年淤地壩的攔沙量分別為415.5萬和929.5萬t/a，攔沙量占人類活動(dòng)影響的比例分別為8.4%和18.2%(表3)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，2條支流的輸沙量減幅均超過85%，而淤地壩的攔沙量占人類活動(dòng)影響的比例在延河流域<10%，在皇甫川<20%，說明淤地壩攔沙作用已不是輸沙量減少的主要原因，而植被恢復(fù)等因素的作用已明顯得以發(fā)揮。同時(shí)，延河流域與皇甫川流域由于土壤侵蝕環(huán)境的不同，特別是植被恢復(fù)效果、壩控面積占流域面積比例的差異性，淤地壩在皇甫川流域?qū)斏沉繙p少的貢獻(xiàn)比在延河流域要大。

表2延河和皇甫川流域輸沙變化趨勢及突變點(diǎn)

Tab.2Trend and abrupt change of sediment discharge in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds

流域WatershedZ值Zvalue顯著性水平Significancelevel/%Sen’s斜率Sen’sslope(β)一級(jí)突變Firstabruptchange二級(jí)突變Secondabruptchange延河流域Yanhe-4.2099-0.0119962005皇甫川流域Huangfuchuan-4.8899-0.0119842003

圖1 延河和皇甫川流域降雨量和輸沙量雙累積曲線圖Fig.1 Precipitation-sediment discharge cumulative curve in the Yanhe and Huangfuchaun watersheds

流域Watershed年份Decade實(shí)測值Measuredvalue/(104t·a-1)計(jì)算值Calculatedvalue/(104t·a-1)輸沙減少量Sedimentreduction降水影響Precipitation人類活動(dòng)影響Humanactivities量Amount/(104t·a-1)比例Percent%量Amount/(104t·a-1)比例Percent%量Amount/(104t·a-1)比例Percent%淤地壩攔沙量Sedimentretention/(104t·a-1)攔沙量占人類活動(dòng)影響的比例Percent/%1955—19954903.94770.1延河Yanhe1996—20043078.84258.01825.037.2645.835.41179.264.6342.629.12005—2015684.15627.04219.886.0-723.2-17.14942.9117.1415.58.4皇甫川1955—19835709.15744.6Huangfu-chuan1984—20022959.95280.32749.248.2428.815.62320.484.4661.028.52003—2015672.55787.85036.688.2-78.7-1.65115.3101.6929.518.2

4 結(jié)論

延河和皇甫川不同年代淤地壩的年均攔沙量分別為92.48萬～854.35萬t/a和36.47萬～1 138.75萬t/a。2條支流的年輸沙量均呈顯著減少趨勢，其中降水變化對(duì)輸沙減少的影響在突變后逐漸減弱，而人類活動(dòng)的影響在突變后逐漸增強(qiáng)；在一級(jí)突變之后，延河和皇甫川流域淤地壩攔沙量占人類活動(dòng)影響的比例分別是29.1%和28.5%，二級(jí)突變之后分別是8.4%和18.2%。進(jìn)入21世紀(jì)2條支流輸沙量減幅超過85%，而淤地壩攔沙量的貢獻(xiàn)在延河流域<10%，在皇甫川流域<20%，說明淤地壩的攔沙作用已不是輸沙量減少的主要因素。由于土壤侵蝕環(huán)境的不同，淤地壩在皇甫川流域?qū)斏沉繙p少的貢獻(xiàn)比在延河流域要大。

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Contributionofsedimentretentionbycheck-damstosedimentdischargereductionoftypicaltributariesontheLoessPlateau

WEI Yanhong1, JIAO Juying1, 2, ZHANG Shijie3

(1.State key Laboratory of Soil Erosion and Dyland Farning on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi, China;2.State key Laboratory of Soil Erosion and Dyland Farning on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A & F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China；3.Anhui and Huaihe River Water Resources Research Institute, 230088, Hefei, China)

BackgroundThis work aims to ascertain the contribution of sediment retention by check-dams to sediment discharge reduction, and to further reveal the attribution of the water and sediment changes in the Yellow River and provide the decision-making basis of check-dam construction on the Loess Plateau.MethodsThe typical tributaries of Yanhe River in the loess hilly-gully region and Huangfuchuan River in the weathered sandstone hilly-gully (pisha) region were selected. On the basis of the safety survey database of check-dams in 2009, the operation period of check-dams, dams-controlled area, erosion-sediment yield modulus of dams-controlled watershed and sediment delivery ratio, the estimation method of the sediment retention were determined, and the contribution of sediment retention by check-dams to sediment discharge reduction in the typical tributaries on the Loess Plateau was analyzed.ResultsThe average annual retained sediment amount by check-dams in different decades during 1960-2015 in the Yanhe watershed ranged from 0.92 million t/a to 8.54 million t/a, in which the maximum appeared in the 1980s, followed by the 1970s (7.89 million t/a), the minimum occurred in 2000-2009. While in the Huangfuchuan watershed, the average annual retained sediment amount in different decades varied from 0.36 million t/a to 11.39 million t/a, the maximum in 2010-2015, then 1990s (7.41 million t/a) and the minimum in 1960s. In addition, the results showed that the significant reduction of the annual sediment discharge in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds (P<0.01) according to the Mann-Kendall trend test. On the basis of the Pettitt’s abrupt test, the first transition year of the annual sediment discharge from 1955 to 2014 in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds appeared in 1996 and 1984 (P<0.05), while the second transition year of the annual sediment discharge were in 2005 and 2003 (P<0.05), respectively. Meanwhile, the sediment discharge reduction after the abrupt change ranged from 18.25 million t/a to 42.20 million t/a in the Yanhe watershed and from 27.49 million t/a to 50.37 million t/a in the Huangfuchuan watershed, respectively. The influence of precipitation on sediment discharge reduction was weakened after abrupt change, while the effect of human activities was enhanced gradually. In addition, the contribution of sediment retention amount by check-dams to human activities in the Yanhe and Huangfuchuan tributaries were 29.1% and 28.5% after the first transition year, 8.4% and 18.2% after the second transition year, respectively. After 2000, the decreased sediment discharge was more than 85% in the Yanhe and Huangfuchuan tributaries, while the contribution of retained sediment amount by check-dams was less than 10% and 20%, respectively.ConclusionsIt showed that the effect of sediment retention by check-dams was not the main factor of sediment discharge reduction. Due to the different soil erosion environment, especially the differences in the vegetation restoration effect and proportion of dam-controlled area to watershed area, the contribution of check-dams on sediment discharge reduction in the Huangfuchuan tributary was greater than that in the Yanhe tributary.

check-dams; sediment retained amount; soil erosion; sediment discharge; Yanhe River; Huangfuchuan River

S157.9

A

2096-2673(2017)05-0016-07

10.16843/j.sswc.2017.05.003

2017-01-23

2017-07-01

項(xiàng)目名稱： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“黃土高原生態(tài)修復(fù)的土壤侵蝕效應(yīng)與控制機(jī)制”(2016YFC0501604)；國家自然科學(xué)基金“黃丘區(qū)坡面退耕與淤地壩對(duì)坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙的阻控機(jī)理”(41371280)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金“黃土丘陵溝壑區(qū)退耕坡面植被恢復(fù)對(duì)淤地壩攔淤潛力的影響”(20130204110025)

魏艷紅(1988—)，女，博士研究生。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail: yhweigo@163. com

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焦菊英(1965—)，女，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：流域侵蝕產(chǎn)沙，土壤侵蝕與植被關(guān)系及水土保持效益評(píng)價(jià)。E-mail: jyjiao@ms.iswc.ac.cn