張舒羽, 趙廣舉,2, 穆興民,2, 田 鵬, 高 鵬,2, 孫文義,2
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 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, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)
近年來,隨著人類活動的日益加劇,世界大約有24%的河流徑流量變化發(fā)生顯著變化[1],如美國的哥倫比亞河[2]、埃及的尼羅河[3]、中國的長江[4]與黃河[5]人類活動主要是通過大型基礎(chǔ)設(shè)施(如水庫)、城市化和生態(tài)恢復(fù)等方式改變河流水文情勢,但河流的可取水量和其自然流動狀況可改變的程度必然有限。為此,諸多學(xué)者[6]分析了河流水文情勢變化及其主要驅(qū)動因素,以滿足生態(tài)系統(tǒng)對水的需求。Richter等[7]提出了與自然水流狀況相關(guān)的水文變化指標(biāo)(indicators of hydrologic alteration, IHA)評估河川徑流情勢變化情況。為了反映河流生態(tài)系統(tǒng)受影響的程度,使用變異性范圍(RVA)法可以分析河流不同時(shí)期水文指標(biāo)值的可被改變的程度[8]。Yang等[9]采用RVA法對黃河中下游水文情勢改變程度進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果表明小浪底水庫對花園口站水文情勢影響較大。Zhang等[10]在使用IHA/RVA法的基礎(chǔ)上,結(jié)合與IHA指標(biāo)具有良好相關(guān)性的生態(tài)指標(biāo),來分析大壩建設(shè)與生態(tài)水流狀況之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)黃河上中游段水文情勢因梯級水庫的調(diào)度發(fā)生了較大的變化。Tian等[11]采用IHA/RVA法分析評價(jià)了無定河流域的水文改變度,并發(fā)現(xiàn)其與水文連通性指數(shù)(IC)和流域水庫指標(biāo)(RI)具有較好的相關(guān)性,表明土地利用變化和水庫是改變河流水文情勢的重要指標(biāo)。此外,亦有相關(guān)研究分析水利工程及林草植被措施對基流、年徑流系數(shù)等水文變量的影響[12],但少有研究利用IHA指標(biāo)體系綜合評價(jià)不同水土保持措施配置模式下的河川徑流水文情勢變化特征。
黃河干支流水文情勢的改變源于黃土高原地區(qū)大規(guī)模水土保持措施的實(shí)施、干流水庫群建設(shè)及不同河段的取用水。1996年以來,黃土高原的水保措施取得了顯著的成效,使得黃河中游水沙急劇減少[13]。為進(jìn)一步明確不同水土保持措施對河川徑流的水文情勢變化,本文選取梯田為主的散渡河和淤地壩為主的大理河,采用IHA與改進(jìn)的RVA法評價(jià)了河川徑流水文情勢變化特征,量化了降雨變化與人類活動對徑流變化貢獻(xiàn)率。研究結(jié)果可為區(qū)域水土保持措施空間配置優(yōu)化提供決策,對實(shí)施黃土高原未來水土保持,助力流域高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
黃土高原位于黃河中游,地處半濕潤半干旱的氣候過渡帶。作為黃河泥沙的主要源頭,黃土高原的水土流失影響著黃河的生態(tài)安全,是實(shí)施水土保持和生態(tài)修復(fù)工程的重點(diǎn)區(qū)域[14]。本文選取該區(qū)域內(nèi)實(shí)施水土保持措施的典型流域——散渡河和大理河作為研究區(qū)。散渡河流域位于渭河上游,河長228 km,甘谷水文站設(shè)在距河口1 km處,流域面積為2 484 km2。該流域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候,降水偏少,氣候干燥。流域內(nèi)幾乎全部為黃土覆蓋,植被覆蓋度低,河流挾沙量大。面對惡劣的自然條件和嚴(yán)重的水土流失問題,自20世紀(jì)70年代以來,該流域進(jìn)行了以坡改梯為主的水土保持措施綜合治理。大理河流域地處黃土高原中部,是無定河最大的一級支流。流域干流全長170 km,起源于靖邊縣。綏德水文站為大理河流域出口水文站,集水面積為3 893 km2。大理河流域?qū)儆谂瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,降水年內(nèi)分配不均并且降水歷時(shí)短,強(qiáng)度大。該流域?qū)儆邳S土丘陵溝壑區(qū),地形破碎嚴(yán)重,溝壑縱橫,主要土壤類型為易受侵蝕的黃綿土和新積土。流域土壤侵蝕嚴(yán)重,也是黃河流域粗泥沙的主要來源區(qū)之一。截止2011年,流域內(nèi)累計(jì)建設(shè)骨干淤地壩 279座[15],受壩庫工程的調(diào)蓄作用,近幾十年來河流輸沙量出現(xiàn)顯著下降趨勢。
分別收集整理了散渡河和大理河流域出口的甘谷和綏德水文站1965—2018年的實(shí)測日徑流數(shù)據(jù),以及流域內(nèi)雨量站的月降雨量數(shù)據(jù)。其中,54 a間的日徑流數(shù)據(jù)序列資料來源于水利部出版的《中華人民共和國水文年鑒—黃河流域水文資料》,降雨量數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/)獲得,并運(yùn)用反距離加權(quán)方法插值得到流域年平均降雨量。2017年各流域的水土保持措施(包括梯田、淤地壩和水庫)的空間分布是通過Google Earth衛(wèi)星影像進(jìn)行手動勾繪得出,并在流域內(nèi)選取了8個(gè)1 km2左右的典型小流域進(jìn)行無人機(jī)航拍,對勾繪數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明平均解譯精度超過了90%。
2.2.1 徑流時(shí)間序列分析 采用線性趨勢法,非參數(shù)Mann-Kendall(MK)趨勢檢驗(yàn)法、累積距平法對年流量進(jìn)行趨勢性和突變性檢驗(yàn)。采用流量與降雨量雙累積曲線量化分析人類活動與降雨對徑流變化的貢獻(xiàn)率。受篇幅限制,上述4種較為常用方法的具體計(jì)算步驟可參考相關(guān)文獻(xiàn)[16-18]。
2.2.2 改進(jìn)的水文變異范圍法 為了定量分析水土保持措施對河流水文情勢的變化程度,本研究采用了包括流量、流量脈沖、發(fā)生時(shí)間、歷時(shí)和改變率等5個(gè)方面32個(gè)水文變化指標(biāo)(indicators of hydrologic alteration, IHA)對河流的水文特征進(jìn)行描述,具體參數(shù)詳見表1。在此基礎(chǔ)上,采用歐氏距離計(jì)算徑流突變年份前后典型年份(豐、平、枯水年)的變化;結(jié)合IHA水文特征指標(biāo)的改變度和歐氏距離,計(jì)算河流水文情勢的綜合改變度。
表1 IHA指標(biāo)參數(shù)分組描述
(1) 單一指標(biāo)改變度。代表單一指標(biāo)的改變程度(Di),具體計(jì)算方法為:
(1)
Nei=ri·NT
(2)
式中:Di表示第i個(gè)IHA指標(biāo)的改變程度;N0i表示第i個(gè)指標(biāo)在變化后實(shí)際落入變化范圍內(nèi)的年數(shù);Nei表示第i個(gè)指標(biāo)變化后預(yù)期落入變動范圍內(nèi)的年數(shù);ri表示變化前第i個(gè)指標(biāo)落在變化范圍內(nèi)的比例;NT表示變化后受影響的徑流量總年數(shù)。
(2) 水文情勢綜合改變度。為直觀地評價(jià)流域水文特征的變化,體現(xiàn)出各指標(biāo)權(quán)重大小,用公式將32個(gè)水文指標(biāo)聯(lián)系起來,并對較大的Di值賦予較大權(quán)重,計(jì)算出河川水文情勢變化的綜合改變程度D0:
(3)
一般將Di和D0分為3個(gè)等級進(jìn)行量化評價(jià),即0≤|Di|<33%為無改變或低度改變,用L表示;33%≤|Di|<67%為中度改變,用M表示;67%≤|Di|≤100%為高度改變,用H表示。
(3) 考慮典型年份變化的綜合改變度。Yin等[19]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的河流水文情勢變化評價(jià)方法低估了潛在的流態(tài)變化程度,為使得計(jì)算結(jié)果更為合理,其在此基礎(chǔ)上考慮了徑流典型年份的變化,對原RVA法計(jì)算的綜合改變度D0進(jìn)行了改進(jìn),采用歐氏距離計(jì)算典型年份即“豐水年、平水年和枯水年”的變化。豐、平、枯水年分別賦值2,1,0。徑流突變前后典型年份的分布情況為(A1,A2, …,Aa)和(B1,B2,…,Bb)。Ai和Bi=0,1,2。歐氏距離(ED)由下面公式確定:
(4)
其中,k=0,1,2,…,n-k。并將計(jì)算出的歐氏距離進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算公式為:
(5)
式中:S表示標(biāo)準(zhǔn)化后的歐氏距離,用于衡量徑流的豐、平、枯水年的變化,變化范圍為[0,1],數(shù)值越大表示變化越大; ED表示歐氏距離;T表示典型年份的最大距離,當(dāng)有3種典型年份(豐、平、枯水年)時(shí),T=2。
根據(jù)Grantz等[20]所定義典型年的方法,將1965—2018年共54 a采用該方法劃分為豐水年、平水年和枯水年,并將其考慮到綜合改變度OD計(jì)算的公式中:
OD=1-(1-D0)(1-S)
(6)
參照Di與D的分級標(biāo)準(zhǔn),OD一樣劃分為3個(gè)不同的等級來客觀反映考慮典型年變化的綜合水文改變的程度,便可以對河流水文情勢進(jìn)行量化,對河道生態(tài)系統(tǒng)的改變狀況進(jìn)行分析。
3.1.1 徑流年際變化特征 根據(jù)散渡河控制站甘谷站和大理河綏德水文站1965—2018年徑流數(shù)據(jù),采用線性回歸分析流域徑流的年際變化趨勢(圖1)。結(jié)果表明,近50 a來兩個(gè)站的年徑流量均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(p<0.01)。比較而言,甘谷站流量的減少速率(1.51×106m3/a)略高于綏德站(1.06×106m3/a)。根據(jù)非參數(shù)MK趨勢檢驗(yàn),甘谷站的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量Z=|-6.55|大于綏德站(Z=|-2.716|),表明甘谷站的徑流量減少更為顯著。
圖1 甘谷站和綏德站1965-2018年徑流量年際變化過程
3.1.2 徑流情勢的突變分析 從年徑流量累積距平變化曲線可以看出(圖2),1965—2018年期間各站徑流呈現(xiàn)出相對明顯的階段性變化特征。研究發(fā)現(xiàn),兩站的徑流量累積距平以20世紀(jì)90年代為突變點(diǎn),在突變點(diǎn)之前呈現(xiàn)波動上升趨勢,此后呈波動下降趨勢。綜上分析,甘谷站和綏德站的徑流量突變年份分別為1990年和1996年,并將整個(gè)研究時(shí)段分為兩個(gè)時(shí)段:突變年份前的時(shí)期為基準(zhǔn)期,后一時(shí)期因受降水以及人類活動影響較為顯著被稱為變化期。
圖2 甘谷站和綏德站徑流量累積距平突變點(diǎn)識別
3.2.1 IHA水文指標(biāo)變化 為定量評估甘谷站與綏德站的水文變異情況,依據(jù)突變年份分別計(jì)算突變前后不同時(shí)期的水文情勢指標(biāo)(圖3),各組指標(biāo)的具體變化為: ①月流量中值。與突變前相比,甘谷站月流量中值均顯著減小,且減小幅度均超過50%,其中以6月流量減少最多,而綏德站除1月流量增加5.93%外,其余月份均減小,以7月的1.96 m3/s降低至1.41 m3/s 的變化率最大;甘谷站月流量中值發(fā)生高度改變居多,而6月和8月改變度最小,為63%和54%,屬于中度改變。在綏德站,僅8月、11月流量變化最為劇烈,屬于高度改變。 ②年極端流量大小。由圖3可看出,自1990年后甘谷站的年極端流量均減小,年最小90日(d)流量的減小量最多,最大3 d流量的減小量最少。綏德站僅年最小1 d,3 d流量呈增加趨勢,其余指標(biāo)均減?。环治瞿陿O端流量改變度發(fā)現(xiàn),甘谷站年最小流量均為高改變度,而年最大1 d,3 d流量改變度為26%和54%,分別為低、中度改變。綏德站年最小7 d流量的改變度最大,數(shù)值為58%,屬于中度改變。 ③年極端流量發(fā)生時(shí)間:甘谷站在變化期,每年極端流量發(fā)生時(shí)間均推遲,其中年最小流量為高改變度,出現(xiàn)日期推遲了13.5 d,屬于高度改變,但年最大流量出現(xiàn)日期為低度改變;在綏德站,突變后每年極端流量出現(xiàn)的時(shí)間均有小幅縮短,屬于低度改變。兩站的基流指數(shù)較突變前均有明顯增加,綏德站基流指數(shù)的變化率和改變度較甘谷站高。 ④高、低流量的頻率及歷時(shí)。由圖4可以看出,兩站的低流量脈沖歷時(shí)增加,高流量脈沖次數(shù)減小且歷時(shí)未出現(xiàn)變化。低流量脈沖歷時(shí)和高流量脈沖次數(shù),在甘谷站的水文改變度均達(dá)到80%左右,屬于高度改變。但在綏德站,低流量脈沖歷時(shí)和高流量脈沖次數(shù)分別屬于低度和中度改變。其次,突變后低流量脈沖次數(shù)在甘谷站增加了27.59%,為低度改變;在綏德站減小了11.54%,為中度改變。 ⑤流量變化改變率及頻率:突變后,甘谷站流量增加率和減少率均減小,逆轉(zhuǎn)次數(shù)由138次減少至102次,改變度高達(dá)100%;在綏德站流量增加率和減少率較突變前均減少了大約46%,屬于高度改變。流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)也有小幅減少,但為中度改變。河流流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)大小關(guān)系著河流的生態(tài)水文節(jié)律。
注:圖中各指標(biāo)符號對應(yīng)表1 IHA指標(biāo)名稱。下同。
3.2.2 水文情勢改變度變化 由表2可知,甘谷站第1組水文指標(biāo)改變度最大(為69.77%)為高度改變,其他組的水文指標(biāo)均為中度改變;綏德站除第5組水文指標(biāo)改變度為34.05%,屬中度改變外,其余水文指標(biāo)為低度改變。兩個(gè)站點(diǎn)不同的改變程度,表明了水文突變對河川徑流水文情勢的影響程度不同。采用RVA方法計(jì)算的甘谷站和綏德站的綜合改變度D0分別為高度改變(76.1%)和中度改變(34.56%),可知兩個(gè)水文站的水文指標(biāo)在變化期發(fā)生顯著改變,以散渡河水文情勢變化最為顯著。但為了考慮徑流的典型年份變化的影響,計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)化后的歐氏距離S(表2),可知甘谷站和綏德站的改進(jìn)的綜合水文改變度OD分別為90.12%和60.66%。比較改進(jìn)前(D0)后(OD)綜合水文改變度大小可看出,將徑流典型年份的變化納入水文情勢變化評價(jià)后,兩站的綜合水文改變計(jì)算值增大,RVA法低估了流域水文情勢綜合改變度大小。
表2 甘谷站和綏德站水文情勢綜合改變度計(jì)算結(jié)果
河川徑流的變化在流域內(nèi)受到氣候變化與人類活動兩大因素的共同作用。為對兩流域徑流的變化進(jìn)行歸因辨析,在基準(zhǔn)期與變化期分別對累積徑流量與累積降水量進(jìn)行線性回歸分析。由圖4雙累積曲線所示,甘谷站的基準(zhǔn)期與變化期內(nèi)年份與累積徑流量之間的線性關(guān)系的斜率分別約為1.30×105m3/a與5.00×104m3/a;而綏德站斜率分別約為3.30×105m3/a與2.40×105m3/a。曲線的斜率代表單位降雨產(chǎn)生的徑流量,變化期的線性擬合方程的斜率明顯減小,表明人類活動導(dǎo)致流域的徑流量發(fā)生了變化。徑流實(shí)測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算值(表3),說明受人類活動的影響,流域的徑流量顯著減小。在甘谷站,人類活動與降水變化對徑流減少的貢獻(xiàn)率分別為79.07%和20.93%;而在綏德站,人類活動是徑流量減少的主要驅(qū)動力。由此看出,近幾十年來河川徑流減少主要是受到了人類活動影響,如壩庫建設(shè)和水土保持措施實(shí)施。
圖4 兩站1965-2018年降水-徑流雙累積曲線
表3 不同時(shí)段降水與人類活動對各站的徑流減少的貢獻(xiàn)分析
20世紀(jì)60年代以來,黃土高原實(shí)施了大規(guī)模的水土保持措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)截止2015年,黃土高原已修建梯田5.50×106hm2,主要分布在黃河上游和渭河中游地區(qū);淤地壩5.84萬座[21],其中大型淤地壩5 500余座。1999年后,大規(guī)模的退耕還林(草)使得黃土高原植被狀況顯著改善。通過MODIS影像分析可知,黃土高原植被覆蓋度由 1999年的30%左右提高到2018年的近70%[22]。大規(guī)模的梯田、淤地壩、植樹種草等水保措施是導(dǎo)致黃河泥沙銳減的根本原因,其對流域產(chǎn)匯流、產(chǎn)輸沙過程產(chǎn)生顯著的影響,進(jìn)而改變河川的水文情勢。如圖5所示,散渡河流域分布著大面積的梯田,占該流域總面積的72.76%,大理河流域以壩庫工程為主,控制面積接近流域面積的50%(表4),是導(dǎo)致徑流量顯著減少的主要因素。據(jù)調(diào)查,在渭河上游、涇河上中游等地,絕大部分梯田均為水平梯田[23]。梯田措施既改變了原地形的下墊面特征,也改變了降雨、徑流的路徑,同時(shí)使降雨徑流就地?cái)r蓄入滲,并將攔蓄的徑流儲存于土壤中,引起土壤水、壤中流及基流的增加,而儲存在土壤水庫的水分也增大了土壤蒸散及植物蒸騰,最終減少了流域總產(chǎn)流量。焦菊英等[24]研究發(fā)現(xiàn)水平梯田不僅可容納本地產(chǎn)流,而且至少可承受3倍于自身面積的上方坡面匯水。比較均勻的小于50 mm的日降水量可以全部入滲,避免了徑流的產(chǎn)生,起到了蓄水減沙的作用[25]。綜合計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),散渡河的徑流量和各指標(biāo)大小在突變年后呈現(xiàn)明顯的減小趨勢,汛期的各月流量中值都有大幅度的減少,但以非汛期的改變度最大。低流量脈沖次數(shù)增加,年最小流量發(fā)生時(shí)間推遲。該流域綜合水文改變度為高度改變,水文情勢的變化對年最小30 d,90 d流量、最大90 d流量、流量變化改變率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)這些指標(biāo)的影響更為深刻。由此可知,除了受降水等氣候影響因素外,散渡河流域大規(guī)模的梯田措施的布設(shè)對徑流水文情勢具有重要影響,主要以減少徑流為主且對水文流態(tài)的調(diào)控作用顯著,同時(shí)該流域的河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性易受到破壞[26]。研究發(fā)現(xiàn)淤地壩對黃土高原區(qū)的流域水文過程產(chǎn)生顯著影響。一方面,壩地的淤積使得溝道形態(tài)發(fā)生改變,比降降低,過流斷面面積變大,從而造成水流通道斷面形態(tài)發(fā)生變化;另一方面,降低了溝道的過流能力,顯著削弱了流域的洪峰流量[27]。大理河流域的淤地壩已于20世紀(jì)70年代開始修建,淤地壩可有效的削減溝道洪峰下泄,攔蓄泥沙[15];水庫則通過蓄洪補(bǔ)枯對徑流的年內(nèi)分配調(diào)整??傮w而言,大理河年徑流量呈減少趨勢,但I(xiàn)HA指標(biāo)減少幅度不大,說明水利工程措施坦化了河流洪峰過程。具體表現(xiàn)為,月流量中值在汛期減少而在非汛期略有增加,也一定程度上減少了低流量脈沖發(fā)生的次數(shù)。較為均一化的水流下泄過程,使得河流豐水期、枯水期的年內(nèi)變化規(guī)律受到影響甚至?xí)鸩较?,對枯水期的影響尤其明顯[29]。
圖5 散渡河和大理河流域水土保持措施的空間分布
表4 淤地壩、梯田和水庫措施的控制面積及比例
(1) 散渡河和大理河流域的年徑流量均呈現(xiàn)顯著減少趨勢,減少速率分別為1.51×106m3/a與1.06×106m3/a。年徑流分別在1990與1996年發(fā)生突變,與人類大規(guī)模實(shí)施的水土保持措施密不可分。
(2) 以梯田為主要措施的散渡河流域,年徑流的變異性較高,綜合水文改變度為90.12%,屬于高度改變,表明河川水文情勢發(fā)生劇烈變化。變化期,大部分水文指標(biāo)均呈大幅度減少,其中,月流量中值、年最小30 d,90 d流量、最大90 d流量、流量變化改變率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)為高度改變;而低流量脈沖次數(shù)增加,年最小流量發(fā)生時(shí)間的推遲;說明散渡河水文情勢的變化對年最小值流量的影響更加劇烈,且梯田措施的布設(shè)主要以減少徑流為主,其對水文流態(tài)的調(diào)控會對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較為明顯的影響。
(3) 以壩庫工程為主的大理河流域,年徑流變異性不大,綜合水文改變?yōu)?0.66%,屬于中度改變。較基準(zhǔn)期,變化期(1997—2018年)的大部分指標(biāo)均呈減小趨勢,變化率未超過50%。該流域汛期流量減小而非汛期增加,年最小1 d和3 d流量增大,低流量脈沖次數(shù)減小。表明壩庫工程措施使得徑流量發(fā)生了強(qiáng)烈的季節(jié)性變化,同時(shí)顯著削減了洪峰,使流量過程坦化,形成了均一化的水流下泄過程,使得河流的典型年在年內(nèi)的變化規(guī)律受到影響。
本文通過對比兩個(gè)流域發(fā)現(xiàn),相比壩庫工程的建設(shè),大規(guī)模的梯田布設(shè)會造成徑流量顯著減少。壩庫工程措施布設(shè)可對徑流量的年內(nèi)分配進(jìn)行調(diào)節(jié),豐蓄枯補(bǔ)作用大大彰顯。針對黃土高原的水土保持現(xiàn)狀,需要結(jié)合生物措施制定水土保持優(yōu)化配置方案,在有效減蝕攔沙的基礎(chǔ)上,減少徑流的損失。在對水資源進(jìn)行合理的開發(fā)利用的同時(shí),平衡生態(tài)用水量,重點(diǎn)考慮水文情勢變化引發(fā)的潛在生態(tài)環(huán)境問題。建議應(yīng)該注重梯田布設(shè)的規(guī)模,因地制宜推進(jìn)分區(qū)精準(zhǔn)治理,并優(yōu)化水庫調(diào)度模式,提高水資源可持續(xù)利用率。