黃河河龍區(qū)間退耕還林前后淤地壩攔沙特征分析

梁 越,焦菊英

1 中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

黃河中游河龍區(qū)間是黃河流域水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域,也是黃河泥沙的主要來(lái)源區(qū)[1- 2]。為控制水土流失,國(guó)家在河龍區(qū)間進(jìn)行了梯田、淤地壩、水庫(kù)等一系列水利水保工程建設(shè)[3],其中淤地壩是黃土高原治理水土流失廣泛使用的溝道治理措施[4]。淤地壩在攔泥保土、淤地造田以及合理利用水資源等方面成效顯著,大規(guī)模建設(shè)淤地壩,在治理水土流失、減少入黃泥沙、改善生態(tài)環(huán)境等方面具有不可替代的重要作用[5]?，F(xiàn)階段,尤其是退耕還林(草)工程實(shí)施以來(lái),林草覆蓋率顯著提高[6],土壤侵蝕程度降低[7],生態(tài)環(huán)境明顯改善。退耕后黃土高原34%的區(qū)域土壤侵蝕率下降,48%的區(qū)域土壤侵蝕率不變,18%的區(qū)域土壤侵蝕率輕微增加,且強(qiáng)烈侵蝕的區(qū)域收縮而輕微侵蝕的區(qū)域擴(kuò)張[8]；在吳起縣,退耕后平均土壤侵蝕模數(shù)比退耕前減少了45.96%,每年可減少土壤侵蝕量約1704萬(wàn)t[9]；在模擬年降雨條件下,榆林市2013年土壤流失總量比退耕前的2000年和2001年分別減少了40%和41%[10]。

因此,當(dāng)前是否應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行大規(guī)模的淤地壩建設(shè)引起學(xué)者們的廣泛探討。在當(dāng)前的侵蝕環(huán)境下,很多壩控流域?qū)嶋H侵蝕模數(shù)小于設(shè)計(jì)值,淤地壩大量空置,壩內(nèi)多有積水而無(wú)法利用[11],造成經(jīng)濟(jì)資源和水土資源的雙重浪費(fèi)；如果全面按照淤地壩建設(shè)規(guī)劃實(shí)施,截至2020年,淤地壩建設(shè)將減少43億m3的水量進(jìn)入黃河[12],嚴(yán)重影響下游的用水安全。退耕前后河龍區(qū)間淤地壩攔沙的變化究竟如何？當(dāng)前河龍區(qū)間淤地壩攔淤潛力如何？今后淤地壩的建設(shè)應(yīng)該如何規(guī)劃？這些問(wèn)題的解決對(duì)未來(lái)河龍區(qū)間水土保持措施配置、水土保持投資規(guī)模和方向無(wú)疑具有重要的參考意義。然而,目前關(guān)于退耕還林(草)工程前后淤地壩攔沙變化的研究還較少涉及,且現(xiàn)有的研究一般是針對(duì)單個(gè)淤地壩開(kāi)展的[13],樣本量小,偶然性大,不足以代表區(qū)域淤地壩攔沙變化的整體規(guī)律。

鑒于此,本研究通過(guò)對(duì)延河流域和皇甫川流域多個(gè)典型淤地壩的淤積量進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,同時(shí)結(jié)合已發(fā)表文獻(xiàn)中河龍區(qū)間淤地壩攔沙數(shù)據(jù)的收集,分析河龍區(qū)間淤地壩退耕前后攔沙的變化特征,探明當(dāng)前河龍區(qū)間淤地壩淤積速度和攔淤潛力,以期為未來(lái)河龍區(qū)間淤地壩建設(shè)規(guī)劃、水土保持治理和生態(tài)文明建設(shè)以及退耕還林還草工程的水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 淤地壩攔沙數(shù)據(jù)來(lái)源

作者團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在陜北安塞縣坊塌、馬家溝小流域以及皇甫川流域特拉溝、滿(mǎn)紅溝小流域?qū)ㄓ?975—2013年間的11座典型淤地壩進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量(表1),并計(jì)算了淤積總量和攔沙模數(shù)。

同時(shí),從CNKI、百度學(xué)術(shù)與中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)中以“黃土高原”、“淤地壩”、“Loess Plateau”與“Check dam”等為關(guān)鍵詞搜集了國(guó)內(nèi)外近20年來(lái)發(fā)表的有關(guān)淤地壩攔沙的文獻(xiàn),篩選具有淤地壩攔沙量詳細(xì)數(shù)據(jù)的文獻(xiàn),整理淤地壩位置、名稱(chēng)、控制面積、運(yùn)行時(shí)段、淤積量和攔沙模數(shù)等信息。共篩選了15篇文獻(xiàn),包括29個(gè)淤地壩(表1)。

表1 用于分析的淤地壩及其攔沙情況

*將原文為淤積體積的換算為淤積量,其中,安塞云臺(tái)山溝取泥沙容重為1.3 g/cm3

1.2 淤地壩攔沙數(shù)據(jù)分析

本研究采用分區(qū)分時(shí)段的方法對(duì)河龍區(qū)間淤地壩攔沙進(jìn)行對(duì)比分析,即將作者團(tuán)隊(duì)實(shí)地測(cè)量和文獻(xiàn)搜集的淤地壩攔沙模數(shù)數(shù)據(jù)劃分為不同分區(qū)不同時(shí)段并計(jì)算其平均值,其中各個(gè)淤地壩按照其運(yùn)行時(shí)段參與不同時(shí)段攔沙模數(shù)的計(jì)算。

本研究將1999年及以前的時(shí)間認(rèn)定為退耕前的階段,將2000年及以后的時(shí)間認(rèn)定為退耕后的階段[28]；根據(jù)學(xué)者對(duì)水土保持政策和治理階段的劃分[29]結(jié)合文獻(xiàn)中淤地壩的運(yùn)行時(shí)段,進(jìn)一步將各壩退耕前計(jì)算時(shí)段分為1950—1963年、1964—1978年、1979—1999年三個(gè)時(shí)段；將退耕后計(jì)算時(shí)段分為2000—2004年(退耕初期)以及2005年以后(退耕中后期)兩個(gè)時(shí)段[30]。參考以往文獻(xiàn)中對(duì)河龍區(qū)間地理空間的劃分[31],將河龍區(qū)間河口鎮(zhèn)到吳堡區(qū)間劃分為河龍區(qū)間北部,將吳堡到龍門(mén)之間的無(wú)定河流域及其周邊劃分為河龍區(qū)間中部,將吳堡到龍門(mén)之間的其他區(qū)域劃分為河龍區(qū)間南部。

由于攔沙模數(shù)數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布且方差不齊,故使用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)和兩兩比較分析(sig=0.05)來(lái)對(duì)比不同時(shí)段淤地壩攔沙模數(shù)的差異。本文使用Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

1.3 植被覆蓋度的來(lái)源與處理

本研究利用壩控流域的植被覆蓋度作為淤地壩攔沙的影響因素,使用的植被覆蓋度(FVC)數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字農(nóng)業(yè)研究室,利用像元二分法產(chǎn)生。由于每年夏季是植物典型的生長(zhǎng)季,植被覆蓋最好[32],所以分別利用1990年、2002年和2013年7月份的植被覆蓋度數(shù)據(jù)來(lái)代表退耕前后1979—1999年、2000—2004年和2005年之后三個(gè)時(shí)段植被覆蓋度的平均情況。其中各淤地壩壩控流域的植被覆蓋度利用Arcgis 10.1進(jìn)行提取。

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕還林(草)前后淤地壩攔沙變化特征

退耕后河龍區(qū)間北部、中部和南部淤地壩年均攔沙模數(shù)比退耕前分別減少了6991.3 t km-2a-1(49.5%)、13757.8 t km-2a-1(84.1%)和4610.7 t km-2a-1(52.1%)(圖1),三個(gè)分區(qū)退耕后的淤地壩攔沙模數(shù)均顯著小于退耕前(P<0.05)；根據(jù)水利部的水力侵蝕程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007),退耕后河龍區(qū)間北部、中部和南部壩控流域總體上侵蝕程度分別由極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈侵蝕、中度侵蝕和中度侵蝕。退耕后河龍區(qū)間中部淤地壩攔沙模數(shù)為2596.5 t km-2a-1,河龍區(qū)間南部是中部的1.6倍(4230.9 t km-2a-1),河龍區(qū)間北部是中部的2.7倍(7138.5 t km-2a-1),均超過(guò)了西北黃土高原地區(qū)的容許土壤流失量(1000 t km-2a-1)。綜上所述,退耕還林(草)工程在河龍區(qū)間小流域的減沙效應(yīng)表現(xiàn)為：中部 >南部 >北部。

2.2 退耕還林(草)前淤地壩攔沙特征

河龍區(qū)間北部、中部和南部淤地壩退耕前的平均攔沙模數(shù)分別為14129.8 t km-2a-1、16354.4 t km-2a-1和8841.7 t km-2a-1,其壩控流域總體的侵蝕程度分別屬于極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕。河龍區(qū)間南部和中部在1950—1963年、1964—1978年、1979—1999年三個(gè)時(shí)段內(nèi)的淤地壩攔沙模數(shù)分別為18223.5 t km-2a-1、13404.9 t km-2a-1、5419.2 t km-2a-1和24224.9 t km-2a-1、10443.6 t km-2a-1、17074.9 t km-2a-1,隨時(shí)間推進(jìn)均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),且不同時(shí)段的淤地壩攔沙模數(shù)存在顯著性差異(P<0.05)(圖2)。河龍區(qū)間北部淤地壩攔沙模數(shù)在三個(gè)時(shí)段內(nèi)的淤地壩攔沙模數(shù)分別為17187.5 t km-2a-1、14165.6 t km-2a-1、14119.0 t km-2a-1,隨時(shí)間推移變化幅度不大,且不存在顯著性差異(P>0.05)。

圖1 河龍區(qū)間各分區(qū)退耕前后淤地壩攔沙變化特征 Fig.1 The variation of retained sediment amount before and after the “Grain to Green” project on different subzones in the He-Long Reach of the Yellow River不同字母表示不同時(shí)段淤地壩攔沙模數(shù)存在顯著性差異；誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)誤

圖2 河龍區(qū)間各分區(qū)退耕前淤地壩攔沙模數(shù) Fig.2 Retained sediment amount in different periods before “Grain to Green” project on different regions in the He-Long Reach of the Yellow River

2.3 退耕還林(草)后淤地壩攔沙特征

圖3 河龍區(qū)間各分區(qū)退耕后淤地壩攔沙模數(shù) Fig.3 Retained sediment amount in different periods after “Grain to Green” project on different regions in the He-Long Reach of the Yellow River

退耕還林(草)工程實(shí)施后,河龍區(qū)間南部和中部在兩個(gè)時(shí)段的淤地壩攔沙模數(shù)變化不大,壩控流域的侵蝕程度總體上均處于中度侵蝕；河龍區(qū)間北部在退耕后兩個(gè)時(shí)段的淤地壩攔沙模數(shù)分別為8647.7 t km-2a-1和5776.8 t km-2a-1,隨時(shí)段推進(jìn)變化呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),2005年之后的淤地壩攔沙模數(shù)比2000—2004年減少了33.2%(圖3),但不同時(shí)段的淤地壩攔沙模數(shù)無(wú)顯著性差異(P>0.05)。退耕后河龍區(qū)間北部淤地壩的攔沙模數(shù)遠(yuǎn)大于中部和南部,而中部和南部淤地壩的攔沙模數(shù)在退耕后兩個(gè)時(shí)段均較為接近。

3 討論

流域侵蝕產(chǎn)沙一般受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響[33]。由于河龍區(qū)間近60年來(lái)的侵蝕性降雨和降雨侵蝕力均沒(méi)有發(fā)生顯著性變化[2,34],因此降雨變化并不是宏觀上河龍區(qū)間退耕后小流域淤地壩攔沙量下降的主要原因,退耕后植被覆蓋的變化可能是小流域侵蝕產(chǎn)沙量下降的主要推動(dòng)力。

由圖4、5可知,河龍區(qū)間植被覆蓋度均隨時(shí)段推進(jìn)不斷上升,而淤地壩年均攔沙模數(shù)隨時(shí)段推進(jìn)而不斷下降,其變化趨勢(shì)與植被覆蓋度相反；河龍區(qū)間北部、中部和南部的淤地壩在退耕初期(2000—2004年)年均攔沙模數(shù)總體上隨植被覆蓋度的上升比1979—1999年時(shí)段分別降低了38.8%、74.3%和25.2%,下降幅度很大,而從2000—2004年到2005年以后時(shí)段,河龍區(qū)間中部和南部的平均植被覆蓋度分別由54%、58%上升到68%和78%,而河龍區(qū)間中部的年均攔沙模數(shù)僅下降了9.63%(422 t km-2a-1),而南部還略有上升。這可能是由于短期淤地壩攔沙變化受降雨的年際變異影響較大,也與植被覆蓋降低侵蝕產(chǎn)沙的作用存在臨界值有關(guān)[3,35],在河龍區(qū)間,當(dāng)植被覆蓋度低于50%時(shí),侵蝕產(chǎn)沙量隨植被覆蓋度的上升而迅速下降,但當(dāng)植被覆蓋度超過(guò)50%之后,侵蝕產(chǎn)沙量則處于較低水平且趨于穩(wěn)定,此時(shí)植被覆蓋度繼續(xù)上升對(duì)降低侵蝕產(chǎn)沙的作用并不明顯。

圖4 河龍區(qū)間1990—2013年7月平均植被覆蓋度Fig.4 Vegetation coverage in July in He-Long Reach of the Yellow River during 1990 to 2013

圖5 河龍區(qū)間各分區(qū)壩控流域植被覆蓋度與淤地壩攔沙模數(shù)關(guān)系Fig.5 Corresponding relationship between retained sediment amount and vegetation coverage of dam-controlled watersheds in the sub-zones of the He-Long Reach of the Yellow River

此外,退耕前河龍區(qū)間小流域的坡面水土保持綜合治理也明顯地降低了淤地壩的攔沙量,具體表現(xiàn)為河龍區(qū)間北部、中部和南部在1979—1999年時(shí)段內(nèi)的年均攔沙模數(shù)分別為1950—1963年的82.1%、70.5%和29.7%。小流域綜合治理措施改變了流域下墊面特性及產(chǎn)匯流條件,不同程度地發(fā)揮了滯洪攔沙作用[36]。綜上,退耕還林(草)工程和坡面水土保持治理措施均能有效地降低小流域侵蝕產(chǎn)沙,削減入黃泥沙,具有較好的水土保持效應(yīng)。

雖然淤地壩平均攔沙模數(shù)總體上隨時(shí)間推進(jìn)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且退耕后顯著小于退耕前,然而,近年來(lái),極端暴雨事件下的小流域侵蝕產(chǎn)沙非常嚴(yán)重,依然會(huì)導(dǎo)致較大的淤地壩攔沙量。例如,2013年7月延河流域發(fā)生連續(xù)強(qiáng)降雨事件,通過(guò)旋廻層淤積量反演淤地壩的泥沙淤積過(guò)程可知,7月12日(降雨量為100mm)安塞坊塌4號(hào)壩、洞兒溝流域、閻橋流域和蘆渠流域的次產(chǎn)沙模數(shù)最大,分別為3756.8 t/km2、7546.0 t/km2、2843.2 t/km2和3994.3 t/km2[37]。再如,作者團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)2017年無(wú)定河流域“7·26”特大暴雨事件下子洲12座淤地壩的攔沙量進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)淤地壩攔沙模數(shù)變化在9715.6—53920.5 t/km2之間,次降雨的淤地壩攔沙模數(shù)就遠(yuǎn)高于本文得出的河龍區(qū)間中部在退耕后的淤地壩年平均攔沙模數(shù)(2596.5 t km-2a-1)。這表明,雖然退耕后河龍區(qū)間小流域淤地壩攔沙量整體上顯著降低,生態(tài)環(huán)境明顯改善,但在遭受極端暴雨事件時(shí)依然會(huì)產(chǎn)生極高的侵蝕產(chǎn)沙量,極端暴雨事件對(duì)淤地壩多年攔沙量的貢獻(xiàn)極大。

由于退耕后河龍區(qū)間淤地壩攔沙模數(shù)顯著小于退耕前,因此基于退耕前小流域侵蝕程度的淤地壩建設(shè)規(guī)模已不再適應(yīng)退耕后的實(shí)際情況。退耕后河龍區(qū)間中部和南部淤地壩平均攔沙模數(shù)分別是退耕前的15.9%和47.9%,壩控流域侵蝕程度總體上由劇烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕均轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸惹治g,因此未來(lái)河龍區(qū)間南部和中部淤地壩建設(shè)應(yīng)根據(jù)壩控流域侵蝕產(chǎn)沙的改變合理縮減規(guī)模,以免對(duì)水資源造成過(guò)度消耗,導(dǎo)致下游用水緊張。同時(shí),考慮到河龍區(qū)間當(dāng)前不同區(qū)域小流域的侵蝕環(huán)境,未來(lái)水土保持規(guī)劃需要協(xié)調(diào)配置坡面水土保持措施和溝道治理措施,并根據(jù)當(dāng)前小流域的侵蝕產(chǎn)沙狀況,及時(shí)對(duì)淤地壩建設(shè)規(guī)劃做出合理調(diào)整。

4 結(jié)論

(1) 退耕后,河龍區(qū)間北部、中部和南部淤地壩平均攔沙模數(shù)比退耕前分別減少了49.5%、84.1%和52.1%,北部、中部和南部淤地壩攔沙模數(shù)均顯著小于退耕前；壩控流域的總體侵蝕程度由極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕分別變?yōu)閺?qiáng)烈侵蝕、中度侵蝕和中度侵蝕,退耕后植被覆蓋度的提高是河龍區(qū)間小流域淤地壩攔沙模數(shù)降低的主要原因。

(2) 由于小流域的水土保持綜合治理,退耕前河龍區(qū)間中部和南部淤地壩攔沙模數(shù)隨時(shí)間推進(jìn)均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),不同時(shí)段淤地壩攔沙模數(shù)總體上均呈現(xiàn)顯著性差異,而河龍區(qū)間北部淤地壩攔沙模數(shù)隨時(shí)間推進(jìn)變化不大,且差異不顯著。

(3) 退耕還林(草)工程在河龍區(qū)間小流域的減沙效應(yīng)表現(xiàn)為：中部 >南部 >北部。退耕還林(草)工程實(shí)施后,黃河中游河龍區(qū)間壩控流域的侵蝕模數(shù)大幅度降低,生態(tài)環(huán)境有所改善,但河龍區(qū)間壩控流域的侵蝕模數(shù)仍然超過(guò)容許土壤流失量,尤其是河龍區(qū)間北部壩控流域侵蝕程度還處于強(qiáng)烈侵蝕,需要繼續(xù)加大水土保持工作投入力度。

(4) 退耕后河龍區(qū)間中部和南部淤地壩年均攔沙模數(shù)分別是退耕前的15.9%和47.9%,壩控流域侵蝕程度總體上由劇烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕均轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸惹治g,淤地壩建設(shè)規(guī)模應(yīng)該有所縮小以適應(yīng)現(xiàn)階段壩控流域侵蝕程度的變化。