黃土高原流域水沙變化研究進展

寧 珍,高光耀,*,傅伯杰

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

氣候變化在全球范圍內不同程度地改變了流域水文過程[1],進而影響流域輸沙量[2]。20世紀以來,為改善日益惡化的生態(tài)環(huán)境,世界各國開展了廣泛的的生態(tài)恢復工程[3]。人類活動驅動下的地表過程變化深刻影響了生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能與空間分布,引起流域水沙過程變化[2]。氣候-下墊面-產流輸沙構成了流域的水文系統(tǒng),流域產流輸沙對氣候和下墊面有著復雜的響應關系,具有非線性和不確定性特征[4-5]。過去幾十年,世界上大部分河流的徑流和輸沙量均發(fā)生顯著變化,不同區(qū)域、不同河流在不同階段的水沙變化程度具有明顯差異性,而人類活動和氣候變化對水沙變化的驅動作用也體現(xiàn)出較強的時空變異特征[1,6-7]。流域水沙變化已成為全球變化研究的重要組成部分,對其變化過程和驅動機制的認識有助于流域生態(tài)環(huán)境管理,對可持續(xù)發(fā)展決策也至關重要。

黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴重的地區(qū),大量泥沙帶入黃河中游河段,使黃河成為世界上含沙量最多的河流,多年平均輸沙量達16億噸,其泥沙量占世界河流泥沙總量的6%[8]。自20世紀50年代,尤其是70年代以來,黃土高原地區(qū)開展了大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境建設和水土流失綜合治理,如大面積人工造林種草、修建淤地壩和梯田以及小流域綜合整治等[9-10]。1999年之后又推行了退耕還林(草)工程政策,土地利用和地表覆蓋條件發(fā)生強烈演變[11-12]。同時,在全球氣候變暖的背景下,自20世紀50年代以來,黃土高原地區(qū)的降水減少,氣溫升高,氣候暖干化的趨勢明顯[13-14]。植被措施使得坡面的產流產沙能力明顯降低,且植被生長會增加流域蒸散發(fā),消耗一定的水資源,而工程措施將大量泥沙攔截在小流域內,氣候暖干化也會使得徑流出現(xiàn)一定程度的降低。因此,劇烈的人類活動和明顯的氣候變化對黃土高原地區(qū)流域水循環(huán)和侵蝕產沙產生了深刻的影響,土壤侵蝕明顯減弱,河流輸沙顯著降低。監(jiān)測資料顯示,黃河徑流量與輸沙量過去60年急劇降低,減少約70%,潼關站的輸沙量由20世紀70年代每年16億噸劇減為2000年以來的平均值3億噸左右[15-16]。此外,黃土高原降雨集中且多暴雨,而且地形地貌和景觀格局具有明顯的空間異質性,使得區(qū)域產流產沙特征時空分異顯著。因此,深入解析黃土高原流域水沙變化的時空尺度與驅動機制對黃土高原水土流失治理和生態(tài)環(huán)境建設以及黃河水沙調控具有重要意義。圍繞這一問題,本文從流域徑流輸沙和水沙關系變化特征、流域水沙變化歸因分析和流域水沙變化驅動機制等三個方面對黃土高原流域水沙變化的相關研究進行綜述和探討,并歸納需要進一步研究的問題。

1 流域徑流輸沙和水沙關系變化特征

黃土高原劇烈的土地覆被變化和明顯的氣候變化綜合作用顯著改變了水文過程,使得黃土高原主要流域近60年來徑流輸沙均表現(xiàn)出顯著的下降趨勢,且呈現(xiàn)出一定的空間分異特征。Zhang等和Rustomji等的研究表明,1950—2000年期間河口龍門區(qū)間11個主要流域的年徑流量和輸沙量均顯著降低,下降幅度分別為0.13—1.58 mm/a和0.03—0.42×103t km-2a-1,年徑流輸沙突變的拐點在1971—1985年之間,且7個流域的年平均含沙量呈顯著下降趨勢[17-18]。1957—2012年期間,黃土高原58個主要子流域中有44個子流域的年徑流量呈顯著下降趨勢(-0.1—2.6 mm/a),52個子流域的年輸沙量顯著降低(-2.86—636 t km-2a-1),徑流輸沙下降最顯著區(qū)域主要位于黃土高原北部,變化不顯著區(qū)域主要位于渭河下游,徑流輸沙下降表現(xiàn)出階段性特征(1957—1979、1980—1999和2000—2012),且2000—2012下降最劇烈[19]。Zheng等利用122個水文站的數(shù)據(jù)分析表明,黃土高原2008—2016多年平均徑流和輸沙量相比1971—1987年分別減少22%和74%[20]。

上述研究主要集中在分析徑流和輸沙量在年尺度上的變化特征,徑流輸沙變化在不同時間尺度上的變異特征逐漸引起重視。Gao等研究表明,1961—2011年期間河口龍門區(qū)間近一半多流域徑流量的年際變異系數(shù)出現(xiàn)增加趨勢,而幾乎所有流域輸沙量、產沙系數(shù)和含沙量的年際變異系數(shù)增加[21]。以上結果說明,徑流輸沙的總量在顯著降低,但其年際間的變異性在逐漸增強。另外,黃土高原的徑流輸沙主要集中在汛期,而且極端暴雨事件發(fā)揮著重要作用,7—8月徑流輸沙對年值的貢獻可分別達50%和80%,最大單日徑流和輸沙量約占年值的10%和30%[22]。Rustomji等的研究也表明,最大5日徑流天數(shù)可輸送全年輸沙量的50%—99%[18]。因此,黃土高原流域徑流輸沙的年際變異性增強,不同時間尺度間的水沙變化表現(xiàn)出較強的關聯(lián)特征,且極端事件對黃土高原水沙變化具有關鍵作用。

黃土高原的水文情勢在過去幾十年也出現(xiàn)明顯變化,相關研究分析了除徑流和輸沙量外其他水文情勢變量的變化趨勢。黃土高原大部分流域的年徑流系數(shù)、含沙量和產沙系數(shù)在過去60年均表現(xiàn)出顯著下降趨勢[23-24]。Mu等通過對比前后時段(1957—1978,1979—2003)河龍區(qū)間佳蘆河、禿尾河、湫水河和延河等流域的徑流頻率曲線,發(fā)現(xiàn)徑流在高頻期(非汛期)減少約20%—45%,在低頻期(汛期)減少更多,超過50%[25]。黃土高原主要流域的基流均顯著降低,但基流比在大部分流域表現(xiàn)出上升趨勢,且在一些流域上升趨勢顯著,這主要是由于水土保持和植被恢復措施對徑流的調蓄功能,使得基流比增加,而地表徑流的比例降低[26]。Gao等利用日徑流資料估算黃土高原流域的地下儲水量,發(fā)現(xiàn)1955—2010年期間,北部區(qū)域的大部分流域地下水儲水量呈顯著下降趨勢(-0.0299 mm/a),南部區(qū)域的流域呈上升趨勢(-0.00467 mm/a),另有8個流域的地下水儲水量沒有顯著變化[27]。因此,黃土高原的水沙情勢變化表現(xiàn)出較強的復雜性,除徑流和輸沙量外,需要考慮更多的水文要素,全面刻畫流域的水沙變化特征。

黃土高原的流域水沙關系也是流域水沙變化研究的熱點話題。許炯心從高含沙水流、廖建華等從含沙量變化等角度研究水沙行為特征,認為水土保持措施及植被改善降低了年均含沙量,減少了高含沙水流發(fā)生頻率[28-29]。Rustomji等的研究表明1950—2000期間黃土高原典型流域低徑流條件下的水沙關系曲線變化較小,而水土保持工程措施使得高徑流條件下的含沙量出現(xiàn)較大程度的降低[18]。Gao等對比了1950—1999和2000年以后黃土高原7個典型流域徑流輸沙動態(tài)關系的變化,認為水土保持措施和退耕還林還草工程顯著降低了徑流的產沙能力,削弱了大部分流域的水沙關系[30]。Zheng等研究了1950—1995期間不同空間(小區(qū)、小流域和流域)和時間(次降雨事件和年)尺度的水沙關系,發(fā)現(xiàn)次降雨事件的徑流-輸沙關系可用比例函數(shù)表達,而年徑流-輸沙之間為線性關系[31]。Zhang等的研究表明,生態(tài)恢復改變了不同時間尺度上的水沙關系,使得各徑流條件下的含沙量均大幅降低[32]。Gao等系統(tǒng)研究黃土高原主要流域1950—2014的水沙關系變化,結果表明2000年之前年和月徑流-輸沙均表現(xiàn)出較好的線性關系,冪函數(shù)水沙曲線可以較好描述日尺度上的水沙關系,但2000年之后,徑流-輸沙之間的相關性明顯減弱,難以用確定的函數(shù)關系式表征[33]。因此,黃土高原流域水沙關系在不同階段(基準期、水土保持綜合治理期、退耕還林還草實施期)和不同時間尺度(年、月、日)均表現(xiàn)出明顯的尺度依賴性,而水沙關系的變異性主要受植被恢復措施影響。

2 流域水沙變化歸因分析

流域水沙變化的影響因素主要歸為兩大類：人類活動和氣候變化。人類活動的影響主要體現(xiàn)在通過工程措施和生產生活取水等直接作用和改變流域下墊面條件進而間接影響流域產流產沙等兩個方面。氣候變化影響流域水文循環(huán)系統(tǒng),以降水和氣溫為主要表征形式的氣候變化對徑流的形成、地域分布及其攜沙能力起著重要作用。徑流變化歸因分析方法比較成熟,國內外學者主要采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、氣候彈性和水文模擬等方法定量區(qū)分氣候變化和人類活動對流域徑流變化的影響[34-36]。對于輸沙,由于其過程復雜且受多種因素影響,以往一般采用經驗統(tǒng)計或分布式水文模型的方法進行歸因分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析通過在人類活動影響較少的基準期建立降雨等氣候變量與徑流輸沙的統(tǒng)計關系式,預測人類活動影響期的徑流輸沙量并與實測值對比進行水沙變化的歸因分析。氣候彈性系數(shù)方法基于水量平衡方程和Budyko假設,通過徑流的降水和潛在蒸散發(fā)彈性系數(shù),確定出降水和蒸散發(fā)變化導致的徑流變化量,根據(jù)水量平衡方程確定氣候變化對徑流的影響。流域水文模擬法以水文模型為工具還原天然徑流和輸沙量,通過對比分析人類活動影響期的實測徑流輸沙量與還原的天然徑流輸沙量差值來分離人類活動影響期間各因素對流域水沙的影響程度,成為目前量化人類活動與氣候變化貢獻的重要研究方法。黃土高原流域水沙變化歸因目前開展了大量研究,很多研究都綜合采用多種方法進行貢獻分割,并進行相互比較和驗證。

對于徑流變化的原因,以往研究普遍認為在2000年之前,水土保持措施引起的流域地表覆蓋變化對徑流減少的貢獻略大于氣候變化的影響,而人類活動是2000年之后徑流顯著降低的主要原因,且人類活動和氣候變化的貢獻率存在較大的空間異質性,北部區(qū)域流域人類活動貢獻率大于南部區(qū)域。Zhao等采用Budyko模型和線性回歸方法分析了黃土高原18個主要流域1950—2010期間年徑流變化的主要原因,結果表明氣候變化是北洛河和延河流域徑流降低的主要原因,而其它流域徑流降低主要是由人類活動引起的,水土保持工程、水利工程建設和農業(yè)灌溉是徑流顯著降低的主要因素[37]。Liang等采用基于Budyko框架的彈性系數(shù)和拆解分析方法分割了氣候變化和生態(tài)恢復對黃土高原14個主要流域1961—2009期間年徑流量變化的貢獻,結果表明生態(tài)恢復措施是徑流量減少的主要原因,氣候變化影響較小,貢獻率分別為68%和32%,而且生態(tài)恢復對黃土高原北部區(qū)域徑流變化的影響較南部大,南部區(qū)域徑流變化對氣候變化的響應更為敏感[38]。Gao等基于彈性系數(shù)方法分析了黃土高原14個主要流域年徑流變化的原因,認為地表覆蓋變化是黃土高原徑流減少的主要原因,降雨對徑流減少的作用大于潛在蒸散發(fā),在具體流域,土地覆被和氣候變化所起的作用不盡相同,地表覆蓋在10個流域起主導作用,氣候變化在3個流域為主要因素,在1個流域兩者影響基本相同[23]。Wu等采用8種不同形式的Budyko模型,開展了黃土高原17個主要流域1961—2013期間汛期和非汛期徑流變化的歸因分析,結果發(fā)現(xiàn)汛期和非汛期徑流變化對降雨的敏感性要高于潛在蒸散發(fā),8種Budyko模型計算的汛期徑流變化貢獻率比較一致,但非汛期徑流的歸因分析結果存在較大變異,人類活動是汛期徑流減少的主要原因(貢獻率約為73%),但氣候變化對非汛期徑流減少的作用要大于人類活動[39]。Wu等系統(tǒng)分析了經驗統(tǒng)計、彈性系數(shù)和水文模型等方法進行徑流變化歸因分析的優(yōu)缺點,并以黃土高原的延河流域為案列,比較了3種方法得到的貢獻分割結果,發(fā)現(xiàn)氣候變化的貢獻率為46.1%—60.8%(平均值為54.1%),人類活動的貢獻率為39.1%—53.9%(平均值為45.9%),彈性系數(shù)和水文模型計算的結果比較一致,而經驗統(tǒng)計方法存在較大的不確定性[40]。從上述研究可以看出,不同方法得到的氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻量結果基本一致,通過分布式水文模型可以深入揭示氣候變化、植被恢復等下墊面條件改變對流域水文過程的影響機制與時空分異特征。

對于輸沙變化的原因,普遍認為人類活動的貢獻率要明顯大于氣候變化,2000年之前水土保持工程措施(特別是淤地壩)是輸沙減少的主要因素,而植被恢復措施逐漸成為2000年之后輸沙降低的主要因子[41]。Feng等利用 WATEM/SEDEM 模型研究了黃土高原小流域輸沙對土地利用變化的響應機制,認為退耕還林政策實施導致的農地面積減少是流域輸沙量降低的主要原因[42]。Gao等基于降雨-輸沙統(tǒng)計模型分析了黃土高原15個主要流域1961—2011期間輸沙減少原因,結果表明,地表覆被對輸沙減少的貢獻率大于70%,降雨的貢獻率小于30%,特別是2000年以來,在植被恢復和水土保持工程措施綜合作用下,地表覆蓋貢獻率接近90%,土地覆被變化對水沙銳減的驅動在時間上存在“加劇性特征”[21]。Yang等基于統(tǒng)計分析方法的結果表明,植被恢復和梯田對黃土高原主要流域輸沙減少的貢獻為66.3%,氣候變化的作用為9.1%[43]。Wang等發(fā)展了基于泥沙恒等式的歸因診斷分析方法,率定了各因素對黃土高原過去60年輸沙減少的貢獻量,發(fā)現(xiàn)58%的輸沙量減少是由產流能力降低引起的,其次是產沙能力(30%)和降水(12%)的貢獻,壩庫、梯田等工程措施是1970年代至1990年代黃土高原產沙減少的主要原因,占54%,2000年以來,隨著退耕還林還草工程的實施,植被措施成為土壤保持的主要貢獻者,占57%[16]。Zhao等采用6種不同的方法(線性回歸、雙累積曲線、泥沙恒等式因子分析、淤地壩沉積物方法、Sediment Delivery Distributed (SEDD) 模型和Soil Water Assessment Tool(SWAT)模型)分割了人類活動和氣候變化對黃土高原皇甫川流域過去60年輸沙減少的貢獻率,結果表明人類活動的貢獻率為93.6%±4.1%,氣候變化的貢獻率為6.4%±4.1%,除線性回歸外其余五種方法的計算結果基本一致[44]。Zhang等發(fā)展了基于彈性系數(shù)理論的流域輸沙變化歸因分析方法,分割了降雨、潛在蒸散發(fā)和地表覆被特征對徑流輸沙變化的貢獻量,從水土保持工程綜合治理期(1980—1999)到退耕還林還草實施期(2000—2014),生態(tài)恢復對徑流減少的貢獻量從55%增加到75%,對輸沙減少的貢獻量從63%增加到81%,植被恢復措施逐漸成為水沙減少的主導因子[45-46]。以往研究均一致表明人類活動是輸沙減少的主要原因,但植被恢復、梯田淤地壩等水土保持工程措施以及水庫建設等各因子對輸沙變化的具體影響目前仍難以準確量化。

3 流域水沙變化驅動機制

黃土高原過去60年總的氣候變化趨勢是降雨在絕大部分流域降低,潛在蒸散發(fā)降低和增加的流域各占一半左右,但非汛期的潛在蒸散發(fā)在絕大部分流域均顯著增加,這使得氣候變化對非汛期徑流降低的作用明顯[39]。降雨與徑流輸沙關系呈現(xiàn)出明顯的時空格局特征。在基準期(1970年之前),降雨與徑流輸沙的回歸關系顯著,而且西北部流域降雨與徑流輸沙關系的顯著性大于東南部流域,但2000年之后,降雨-徑流輸沙關系顯著減弱,且空間格局特征發(fā)生較大變化[21]。盡管氣候變化不是黃土高原徑流輸沙變化的主要原因,但降雨格局特別是暴雨事件分布對黃土高原流域徑流輸沙具有重要影響,而且水土保持工程和植被恢復措施使得流域產流產沙的降雨閾值明顯增加,進一步增強了極端降雨的重要性[21]。張建軍采用偏最小二乘回歸(partial least squares regression,PLSR)識別了影響徑流輸沙的極端氣象因子,結果顯示驅動產流的主導氣象因子分別為年總降水量、有效降水總量、年最大次降水量、大雨降水量(日降水量>25 mm)、大雨天數(shù)和年連續(xù)降水天數(shù),驅動產沙的主導因子為年最大次降水量、大雨降水量(日降水量>25 mm)、侵蝕性降水量、年總降水量和年連續(xù)降水天數(shù)[47]。除極端氣候事件外,氣候變化引起的干旱過程也是黃土高原流域水沙變化的重要原因[48-49]。

人類活動主要通過改變流域下墊面條件進而對水文過程產生顯著影響,以往研究主要分析了水土保持工程措施和植被恢復對流域水沙變化的影響機制。Xin等的研究表明,退耕還林(草)工程實施前植被覆蓋與產沙量呈負相關關系,工程實施后植被歸一化指數(shù)上升,流域產沙量下降,退耕還林(草)對流域產沙減少具有重要的作用[50]。張曉明等研究表明森林植被的增加與坡改梯措施能顯著減少流域豐水、平水及枯水期的徑流量,土地利用/覆被變化對流域徑流的影響具有季節(jié)性,且森林植被增加對徑流的減少作用比坡改梯措施明顯[51]。Liang等發(fā)現(xiàn)流域地表特征參數(shù)隨生態(tài)建設治理面積比例呈線性增加,流域特征參數(shù)變大意味著下墊面條件改變導致流域產流能力的下降,而且60—80年代坡面措施與下墊面參數(shù)的關系并不密切,但是隨著時間的推移尤其在90年代以后坡面措施對流域特征變化的驅動作用逐步加強[38]。Wang等的研究表明,坡面和溝道的生物和工程等多種措施共同作用把黃河輸沙量控制到了人類活動影響之前的程度[16]。Gao等定量分析了地表覆蓋變化對水沙影響的時空格局特征,發(fā)現(xiàn)土地覆被變化對水沙銳減的驅動在空間上存在明顯的南北分異特征,年代平均徑流系數(shù)、產沙系數(shù)和含沙量均與流域地表覆蓋變化的面積比例存在顯著的線性關系[21,23]。Shao等通過模型模擬發(fā)現(xiàn),2000年以來黃土高原蒸散發(fā)增加速率為4.39 mm/a,植被耗水量增加速率為4.9 mm/a,植被恢復是徑流減少的關鍵因子[52]。張建軍通過分析輸沙變化的彈性系數(shù)發(fā)現(xiàn),黃土高原泥沙減少是徑流減少和含沙量降低共同作用的結果,植被恢復主要通過改變徑流來減少輸沙,而淤地壩等工程措施主要改變水沙關系來減少輸沙,同時土地覆被對水沙減少的貢獻率隨生態(tài)恢復措施的面積漸進增加,但減水減沙貢獻在一定面積比例時(約50%)會存在閾值[46]。上述研究表明,影響黃土高原流域水沙變化的主要下墊面因子逐漸從工程措施過渡到植被措施,生態(tài)恢復在關注面積的同時,要考慮生態(tài)恢復的空間布局和優(yōu)化配置,合理配置工程和植被恢復措施,實現(xiàn)減沙不減水的生態(tài)水文效益最大化目標。

流域下墊面條件改變引起的景觀格局變化對流域水沙具有重要影響。劉曉君等的研究表明,景觀指數(shù)與徑流量、泥沙量呈顯著線性相關,其中景觀多樣性相關的指數(shù)如香農多樣性指數(shù)(Shannon Diversity Index)和辛普森多樣性指數(shù)(Simpson Diversity Index)均與徑流呈極顯著正相關,而泥沙僅與蔓延度指數(shù)(Contagion Index)、斑塊結合度(Patch Cohesion Index)呈顯著負相關[53]。Tian等發(fā)現(xiàn)連接性指數(shù)(Index of Connectivity)和水庫指數(shù)(Reservoir Index)均與流域徑流變化程度存在較好的相關性,而且土地利用變化對徑流的影響程度要強于壩庫建設[54]。Zhou和Li基于土壤侵蝕的“源-匯”理論,發(fā)展了坡度-水文響應單元景觀指數(shù)(Slope-HRUs landscape index)來定量指征流域徑流輸沙變化,并在延河流域得到較好應用[55]。

4 研究展望

人類活動引起的下墊面條件改變(如土地利用變化、水土保持工程、植被恢復措施)是黃土高原流域水沙變化的關鍵因素,而人類活動很大程度上是受政策驅動。具體來說,從1949—2010年,黃土高原共出臺與泥沙管理相關的主要政策19個,如大躍進、農業(yè)學大寨、小流域綜合治理和退耕還林等[56]。相關政策的出臺,使得土地利用和下墊面發(fā)生劇烈變化,黃土高原流域水沙相應的經歷了急劇增加,又明顯降低的發(fā)展階段[57-58]。因此,黃土高原輸沙減少是長期政策調整發(fā)展的結果,同時也受社會經濟發(fā)展狀況等多種因素的影響[56]。根據(jù)黃土高原地區(qū)綜合治理規(guī)劃大綱(2010—2030年),黃土高原未來還將繼續(xù)實施大規(guī)模的生態(tài)建設工程。同時,以全球變暖為突出標志的氣候變化,特別是極端天氣事件的增加,進一步加速了流域水文過程的時空演變進程。

基于上述背景,黃土高原流域水沙變化應加強機理機制、模型方法和趨勢預測等方面的研究,重點關注以下方向：(1)流域水沙特征和極值事件的時空演變規(guī)律。加強對流域水沙演變的時空尺度特征特別是水沙關系非線性特征的定量研究,全面揭示水沙情勢變化特征與機制。量化極值事件在水沙變化中的重要作用,闡明極端氣候事件對水沙動態(tài)的影響機制。(2)水沙變化影響機制的多要素綜合解析。加強植被恢復、工程措施和地形土壤等具體因子和氣候變化以及人類活動直接驅動(社會經濟發(fā)展、生態(tài)建設政策)對水沙變化影響的定量貢獻和時空格局研究,發(fā)展耦合地表覆被動態(tài)特征和氣候變化的降雨-徑流-輸沙模型,揭示生態(tài)恢復與水沙演變過程互饋機制。(3)未來水沙動態(tài)的情景模擬與趨勢預測。隨著黃土高原壩庫等工程措施攔沙能力的逐漸下降,在黃土高原維持一個可持續(xù)的植被生態(tài)系統(tǒng)對有效保持土壤和控制黃河輸沙量反彈具有更加重要的作用。因此,亟需開展未來氣候變化、社會經濟發(fā)展和生態(tài)建設工程情景下水沙動態(tài)的趨勢預測,為新時期黃土高原生態(tài)綜合治理和水資源管理與黃河水沙管理提供策略建議。