甘肅省黃河流域水土保持措施減水減沙效益研究

牟 極，楊正華，張 芮，孫 超，盧小霞，王 強(qiáng)

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 748599)

水少沙多是黃河的突出特點(diǎn)。隨著氣候條件的變化和水庫、淤地壩、梯田、造林等工程的建設(shè)，黃河流域水沙關(guān)系發(fā)生重大變化，進(jìn)而影響河道輸沙與沖淤過程。許多學(xué)者從不同角度對黃河流域水沙關(guān)系進(jìn)行了研究，分析了黃河流域不同區(qū)域的水沙關(guān)系變化特征。謝發(fā)兵等[1]提出水土保持措施的實(shí)施和大型水利工程的運(yùn)行是改變黃河干流水沙關(guān)系的主要原因。翟婷婷等[2]發(fā)現(xiàn)水土保持措施可有效調(diào)蓄洪峰、降低含沙量，在水土保持措施影響下延河流域洪峰流量和最大含沙量分別降低了89.77%和49.25%。本研究統(tǒng)計(jì)1956—2020年甘肅省黃河流域主要水文站徑流量、輸沙量數(shù)據(jù)，分析徑流量、輸沙量的變化特征，探討降水量對徑流量、輸沙量的影響，計(jì)算水土保持措施的減水減沙效益。

1 研究區(qū)概況

黃河干流在甘肅省境內(nèi)全長913 km，流經(jīng)甘南、臨夏、蘭州、白銀等4個(gè)市(州)的15個(gè)縣(區(qū))。甘肅省黃河流域涉及甘南、臨夏、武威、蘭州、白銀、定西、天水、平?jīng)?、慶陽等9個(gè)市(州)，總面積14.59萬km2，總?cè)丝? 854萬人。近年來，甘肅省水土流失綜合治理取得顯著成績，截至2020年甘肅省黃河流域水土流失面積4.71萬km2，累計(jì)實(shí)施水土保持措施面積682.8萬hm2，其中興修梯田200.27萬hm2、營造水土保持林238.67萬hm2、種草91.13萬hm2、封禁治理85.93萬hm2、其他66.80萬hm2。

2 研究方法

本研究統(tǒng)計(jì)1956—2020年甘肅省蘭州、瑪曲、紅旗和安寧渡4個(gè)水文站徑流量、輸沙量數(shù)據(jù)，以及甘肅省黃河流域13個(gè)雨量站的降水觀測數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[3](以下簡稱“M-K檢驗(yàn)”)分析1956—2020年甘肅省黃河流域徑流量和輸沙量的變化趨勢及突變點(diǎn)，利用Matlab、Origin2021軟件分析降水量和徑流量、降水量和輸沙量的關(guān)系，運(yùn)用SPSS 25軟件分別建立降水量和徑流量、降水量和輸沙量的關(guān)系式。并以蘭州水文站為例，采用雙累積曲線法和回歸分析法，定量計(jì)算水土保持措施的減水減沙效益。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量和輸沙量變化特征分析

甘肅省黃河流域年徑流量M-K檢驗(yàn)結(jié)果見圖1，統(tǒng)計(jì)量UF在1956—1992年為正值，在1993—2020年為負(fù)值，說明黃河流域甘肅段1956—1992年年徑流量呈現(xiàn)上升趨勢，1993—2020年年徑流量呈現(xiàn)下降趨勢。其中2000—2012年UF超出了95%的置信下限，說明該時(shí)段內(nèi)年徑流量呈顯著下降趨勢。統(tǒng)計(jì)量UF與統(tǒng)計(jì)量UB相交于1984年，說明1956—2020年徑流序列發(fā)生突變的年份為1984年。

圖1 1956—2020年甘肅省黃河流域年徑流量M-K檢驗(yàn)

甘肅省黃河流域年輸沙量M-K檢驗(yàn)結(jié)果見圖2，1956—2020年年輸沙量的變化趨勢與年徑流量不同。統(tǒng)計(jì)量UF在1956—1961年為正值，在1962—2020年為負(fù)值，說明甘肅省黃河流域1956—1961年年輸沙量呈現(xiàn)上升趨勢，1962—2020年呈現(xiàn)下降趨勢。其中1982—2020年(除1986年)UF超出了95%置信下限，說明該時(shí)段內(nèi)年輸沙量呈顯著下降趨勢。統(tǒng)計(jì)量UF與統(tǒng)計(jì)量UB相交于1971年，說明1956—2020年年輸沙量發(fā)生突變的年份是1971年。

圖2 1956—2020年甘肅省黃河流域年輸沙量M-K檢驗(yàn)

3.2 降水量對徑流量和輸沙量的影響

1956—2020年甘肅省黃河流域年降水量、年徑流量、年輸沙量變化如圖3、4所示?？傮w上，年降水量和年徑流量、年降水量和年輸沙量之間變化并未呈現(xiàn)一致性，年降水量對年徑流量與年輸沙量的影響并不明顯。整體來看，在1956—1970年年徑流量和年輸沙量對年降水量變化的響應(yīng)比較強(qiáng)烈，在1970年后年徑流量和年輸沙量對年降水量變化的響應(yīng)明顯弱化。

圖3 1956—2020年甘肅省黃河流域年降水量與年徑流量變化

圖4 1956—2020年甘肅省黃河流域年降水量與年輸沙量變化

3.3 減水減沙效益計(jì)算

選取蘭州水文站為例，統(tǒng)計(jì)蘭州水文站1956—2020年的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，采用M-K檢驗(yàn)得到年徑流量的突變年份是1971年，以此將時(shí)間序列分為基準(zhǔn)期(1956—1971年)和變化期(1972—2020年)，定量計(jì)算水土保持措施對徑流量和輸沙量變化的影響，分析水土保持措施的減水減沙效益。

3.3.1 雙累積曲線法

基準(zhǔn)期年均徑流量322.91億m3，變化期年均徑流量減少到306.19億m3，年均徑流量減少16.72億m3，變化期共減少徑流量819.28億m3。采用雙累積曲線法分析累積年降水量與累積年徑流量的關(guān)系(圖5)，累積年降水量與累積年徑流量的線性關(guān)系較好，基準(zhǔn)期和變化期的擬合線性方程式分別為

∑W=1.026 8∑P-148.21

(1)

∑W=0.945 2∑P+572.55

(2)

式中：∑W為累積年徑流量，億m3；∑P為累積年降水量，mm。

圖5 1956—2020年累積年降水量與累積年徑流量關(guān)系

將甘肅省黃河流域歷年累積年降水量代入基準(zhǔn)期的降水產(chǎn)流模型，計(jì)算得到模擬累積年徑流量，并與實(shí)測累積年徑流量進(jìn)行對比(圖6)。變化期模擬累積年徑流量與實(shí)測累積年徑流量的差值可認(rèn)為是水土保持措施的減水量，計(jì)算得到變化期水土保持治理措施共減少徑流量408.38億m3。

圖6 1956—2020年甘肅省黃河流域模擬累積年徑流量與實(shí)測累積年徑流量

基準(zhǔn)期年均輸沙量1.10億t，變化期年均輸沙量減少到0.70億t，平均每年減少0.40億t，變化期共減少輸沙量19.60億t。累積年降水量與累積年輸沙量的關(guān)系見圖7，累積年降水量與累積年輸沙量的線性關(guān)系較差，基準(zhǔn)期和變化期的降水產(chǎn)沙數(shù)學(xué)模型分別為

∑WS=0.003 3∑P+0.857 7

(3)

∑WS=0.001 7∑P+7.892 0

(4)

式中：∑WS為累積年輸沙量，億t。

圖7 1956—2020年累積年降水量與累積年輸沙量曲線

將甘肅省黃河流域歷年累積年降水量代入基準(zhǔn)期的降水產(chǎn)沙模型，計(jì)算得到模擬累積年輸沙量，并與實(shí)測累積年輸沙量進(jìn)行對比(圖8)，變化期模擬累積年輸沙量與實(shí)測累積年輸沙量的差值可認(rèn)為是水土保持措施的減沙量，計(jì)算得到變化期水土保持措施共減少輸沙量15.23億t。

圖8 1956—2020年甘肅省黃河流域模擬累積年輸沙量與實(shí)測累積年輸沙量

3.3.2 回歸分析法

基于甘肅省黃河流域基準(zhǔn)期每年汛期降水量與徑流量，構(gòu)建基準(zhǔn)期汛期降水量與徑流量的回歸模型(表1)，其中線性模型相關(guān)性最好，因此選取線性模型計(jì)算1956—2020年模擬徑流量，并與實(shí)測徑流量值進(jìn)行對比(圖9)?；鶞?zhǔn)期年徑流量的模擬值與實(shí)測值相差較小，變化期年徑流量的模擬值總體上大于實(shí)測值，變化期年徑流量模擬值與實(shí)測值的差值可認(rèn)為是水土保持措施的減水量，計(jì)算得到變化期水土保持措施共減少徑流量2 317.14億m3。

表1 甘肅省黃河流域基準(zhǔn)期汛期降水量-徑流量曲線模型

圖9 甘肅省黃河流域年徑流量模擬值與實(shí)測值

基于甘肅省黃河流域每年汛期降水量與輸沙量，構(gòu)建汛期降水量與輸沙量的回歸模型(表2)，其中線性模型的相關(guān)性最好，因此選取線性模型計(jì)算甘肅省黃河流域1956—2020年模擬輸沙量，并與實(shí)測值進(jìn)行對比(圖10)，基準(zhǔn)期年輸沙量的模擬值與實(shí)測值相差較小，變化期年輸沙量的模擬值總體上大于實(shí)測值，變化期年輸沙量模擬值與實(shí)測值的差值可認(rèn)為是水土保持措施的減沙量，計(jì)算得到變化期水土保持措施共減少輸沙量33.22億t。

表2 甘肅省黃河流域基準(zhǔn)期汛期降水量-輸沙量曲線模型

3.3.3 對比分析

相比于基準(zhǔn)期，甘肅省黃河流域變化期共減少徑流量819.28億m3，共減少輸沙量19.60億t。對比雙累積曲線法和統(tǒng)計(jì)分析法的計(jì)算結(jié)果，雙累積曲線法計(jì)算得到變化期水土保持措施共減少徑流量408.38億m3，占實(shí)際減少量的49.85%，變化期水土保持措施共減少輸沙量15.23億t，占實(shí)際減少量的77.70%；回歸分析法計(jì)算得到變化期水土保持措施共減少徑流量2 317.14億m3，是實(shí)際減少量的2.83倍，變化期水土保持措施共減少輸沙量33.22億t，是實(shí)際減少量的1.70倍。綜上考慮雙累積曲線法的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，因此選取雙累積曲線法的計(jì)算結(jié)果，相比于基準(zhǔn)期，變化期甘肅省黃河流域水土保持措施共減少徑流量408.38億m3，共減少輸沙量15.23億t。

圖10 甘肅省黃河流域年輸沙量模擬值與實(shí)測值

4 結(jié) 論

(1)1956—2020年甘肅省黃河流域年徑流量和年輸沙量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，年徑流量發(fā)生突變的年份是1984年，年輸沙量發(fā)生突變的年份是1971年。

(2)相比于基準(zhǔn)期，變化期甘肅省黃河流域水土保持措施共減少徑流量408.38億m3，水土保持措施減水效益為49.85%；水土保持措施共減少輸沙量15.23億t，水土保持措施減沙效益為77.70%。