三峽庫(kù)區(qū)劉家溝小流域徑流泥沙特征及趨勢(shì)分析

奚 宏，張志蘭，史東梅，司承靜，楊 軍

(1.重慶市水土保持監(jiān)測(cè)總站，401147，重慶；2.西南大學(xué)，400700，重慶；3.重慶市萬州區(qū)水利局，404020，重慶)

小流域水沙關(guān)系是小流域降雨與下墊面相互作用的復(fù)雜物理過程[1]。水土流失作為一種生態(tài)過程，與徑流泥沙關(guān)系密切，但以往針對(duì)水土流失監(jiān)測(cè)與徑流泥沙相互關(guān)系的研究結(jié)合不夠緊密[2]。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的決定因素是降雨。針對(duì)水土流失過程發(fā)生和傳輸方向上的監(jiān)測(cè)有助于揭示小流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙機(jī)制[3]。多數(shù)學(xué)者在水文過程與徑流泥沙[4]、水土保持監(jiān)測(cè)方面的研究[5]較多，如鄭江坤等[6]發(fā)現(xiàn)川北深丘型紫色土小流域年降雨和年徑流深沒有顯著性變化，輸沙量卻顯著減少，以植被建設(shè)為主的人類活動(dòng)對(duì)流域產(chǎn)沙作用明顯。嘉陵江降水與徑流、輸沙呈正相關(guān)關(guān)系，降水對(duì)徑流影響更大[7]。廖凱濤等[8]發(fā)現(xiàn)濂江河流域以林地為主，多年平均月徑流量與月輸沙量具有極強(qiáng)相關(guān)性(0.985)，具有多水多沙、少水少沙特點(diǎn)。次降雨量、降雨量和降雨強(qiáng)度綜合作用對(duì)朱溪河小流域產(chǎn)沙模數(shù)影響具有促進(jìn)作用，單一降雨強(qiáng)度因子對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)有抑制作用[9]。張富等[10]通過Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法發(fā)現(xiàn)祖厲河流域徑流量、泥沙量均呈逐年減小趨勢(shì)，降水量和徑流量突變開始發(fā)生在1995年，泥沙量突變開始發(fā)生在2000年。徑流、泥沙變化在時(shí)間尺度上不具有完全同步性，不同水土保持措施對(duì)流域侵蝕產(chǎn)沙作用機(jī)理不同[11]。冉大川等[12]采用“水保法”和“水文法”對(duì)水土保持措施與減洪減沙效益進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)綜合布設(shè)水土保持措施對(duì)小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙強(qiáng)度、頻率具有重要影響。目前對(duì)不同時(shí)間尺度下徑流泥沙特征研究較少，且徑流泥沙變化與土地利用變化內(nèi)在聯(lián)系分析不夠深入。研究降雨、土地利用變化對(duì)小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙內(nèi)在機(jī)制具有一定難度。這些問題對(duì)劉家溝小流域水土流失治理及水沙調(diào)控有較大影響。筆者選擇三峽庫(kù)區(qū)劉家溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用降雨、徑流、泥沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析年際、年內(nèi)徑流泥沙狀況和擬合泥沙相關(guān)性方程，以期為小流域水土保持措施布設(shè)、土地利用類型結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有效防治水土流失提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

劉家溝小流域地處三峽庫(kù)區(qū)腹心重慶萬州天城鎮(zhèn)萬河村，地理坐標(biāo)為E 108°21′45″，N 30°53′45″。劉家河小流域面積1.64 km2，全長(zhǎng)3.10 km，溝壑密度1.89 km/km2，海拔452～1 042 m，年平均氣溫18.10 ℃，最高氣溫42.10 ℃，≥10 ℃積溫6 625.7 ℃，無霜期349 d，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。土地利用以耕地、園地、林地和牧草地為主，土壤類型以棕紫色沙壤、黃壤、水稻土和石灰土為主。平均土層厚度20 cm，土壤侵蝕模數(shù)2 826 t/(km2·a)。據(jù)2006—2020年資料統(tǒng)計(jì)，流域年平均降雨量1 258.51 mm，最大年降雨量1 717.30 mm(2017年)，最小年降雨量1 042.41 mm(2010年)。

2 資料與方法

數(shù)據(jù)來源于重慶萬州劉家溝小流域監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站建于2004年，2005年開始運(yùn)行，數(shù)據(jù)較完整，主要包括劉家溝2006—2020年降雨量、洪水水文要素(流量、含沙量) 、逐次洪水測(cè)驗(yàn)成果(徑流量、輸沙量)等實(shí)測(cè)資料。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析徑流量、輸沙量年際變化[13]，利用多年各月徑流量及輸沙量計(jì)算年內(nèi)徑流量和輸沙量[14]。結(jié)合Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)分析劉家溝小流域徑流量及輸沙量趨勢(shì)變化[15]，冪函數(shù)擬合方程反映徑流泥沙的相關(guān)性情況[16-17]。基于劉家溝小流域2006、2010和2017年的3期遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合流域土地利用現(xiàn)狀及實(shí)測(cè)資料，根據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》將小流域土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地和其他土地等6類。通過Excel、SPSS 24.0、ERDAS IMAGINE和ArcGIS 10.2等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析等處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流泥沙年際變化特征

2006—2020年最大徑流量115.76萬m3(2017年)，是最小徑流量28.82萬m3(2019年)的4.02倍(表1)。其中2006年(31.37萬m3)、2010年(36.16萬m3)、2016年(36.44萬m3)和2018年(35.44萬m3)的年均徑流量差距較小。多年平均年徑流量58.20萬m3，其中2006—2009年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2010—2017年波動(dòng)變化，2018—2020年稍有增加。最大徑流深645.70 mm(2017年)，最小徑流深169.30 mm(2019年)，多年平均徑流深為350.04 mm，其中2014年和2017年的徑流深大于500 mm。最大徑流系數(shù)0.38(2017年)，是最小徑流系數(shù)0.16(2019年)的2.38倍，平均徑流系數(shù)0.27；其中2009、2012、2014、2017和2020年的徑流系數(shù)均大于0.3。2006—2020年年均洪峰流量12.49 m3/s，最大洪峰流量出現(xiàn)在2017年(26.45 m3/s)，與最大徑流量出現(xiàn)年份相同，洪峰流量總體波動(dòng)變化。其中2008年(18.90 m3/s)、2009年(18.07 m3/s)、2011年(25.65 m3/s)、2012年(15.35 m3/s)、2017年(26.45 m3/s)和2020年(15.93 m3/s)洪峰流量均大于年均洪峰流量。第一場(chǎng)洪水發(fā)生在2006年5月10日，洪峰流量為0.69 m3/s，2006年共發(fā)生7場(chǎng)，年洪峰量達(dá)6.15 m3/s。以5 a為單位，統(tǒng)計(jì)2006—2020年劉家溝小流域洪水事件發(fā)生頻率，劉家溝小流域洪水事件次數(shù)93次，發(fā)生頻次整體呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2010年前洪水事件發(fā)生頻率較高，2010年后洪水事件頻率增長(zhǎng)幅度較低，主要由于森林覆蓋面積的增加，對(duì)洪水事件有一定影響。其中2010年洪峰流量為8.69 m3/s，主要是因?yàn)橹脖桓采w增加，導(dǎo)致洪峰流量減少，但2011年洪峰流量突增達(dá)25.65 m3/s，可能是由于地表覆被及冠層最大截留量增加，引起根系層水分增加，從而增加洪峰流量。2006—2010年洪水事件發(fā)生31次，2010—2015年洪水事件減少2次，為29次，可能是氣候變化及小流域內(nèi)人類活動(dòng)作用的影響，引起洪峰流量頻次減少，2015—2020年間累計(jì)洪水事件33次，頻率為6.6次/a。2017年發(fā)生洪水事件最多，11次，頻率0.12次/a，可能是2017年的降水較多，很大程度上加劇劉家溝小流域洪水事件，另外徑流輸沙劇增使得洪水事件頻率及強(qiáng)度被急劇放大。2006—2020年洪水事件主要集中在6、7、8這3個(gè)月，共計(jì)52次，占總頻次的55.91%，說明夏汛期洪峰發(fā)生頻率較高。

變異系數(shù)可反映小流域水沙年際變化總體情況，小流域徑流量變異系數(shù)較小，為42.50%，表明劉家溝小流域豐水期和干旱期變化較大。降雨量、徑流量變異系數(shù)均小于100%，分別為14.66%和42.50%，其中多年平均年徑流量變異系數(shù)接近降雨量變異系數(shù)的3倍，徑流極值比為4.16，各年間徑流變化較大。表明小流域降雨量與徑流量年際變化較小，徑流變化除了受降水量的影響，還受到其他因素的影響。主要是小流域生態(tài)恢復(fù)治理與植被覆蓋度的提高，使地表徑流量和泥沙量減少。

近15 a年均輸沙量?jī)H為206.00 t，最大年輸沙量出現(xiàn)在2020年(1 304.57 t)、最小為2019年(52.11 t)，相差1 252.46 t，輸沙量總體呈增大趨勢(shì)(表1)。輸沙量年際變化特征與徑流量相似，最小徑流量和輸沙量均出現(xiàn)在2019年，最大徑流量及輸沙量均出現(xiàn)在2015年之后。2006、2013、2015、2016、2018和2019年的輸沙量均小于100 t，其中2013與2019年輸沙量相差不大。2011、2017和2020年輸沙量較大，均大于200 t。年均侵蝕模數(shù)為1.25 t/(hm2·a)，最大侵蝕模數(shù)7.89 t/(hm2·a)(2020年)是最小侵蝕模數(shù)0.32 t/(hm2·a)(2019年)的24.66倍，主要由于2020年小流域內(nèi)天然氣建設(shè)項(xiàng)目人為擾動(dòng)導(dǎo)致。2009、2011、2014和2017年的侵蝕模數(shù)相差不大，均在1～2 t/(hm2·a)之間，分別為1.17、1.51、1.06和1.78 t/(hm2·a)。2006、2013、2015、2016、2018和2019年侵蝕模數(shù)均小于0.5 t/(hm2·a)。年際輸沙量變異系數(shù)為151.92%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨和徑流變化。變異系數(shù)能較好反映小流域泥沙年際分布特征，變異系數(shù)大于100%表示強(qiáng)變異性，表明小流域年輸沙量變化顯著，與降雨量和徑流量變化并不呈一致性。主要原因是小流域土地利用類型由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀瑢?duì)小流域內(nèi)降雨徑流影響大于地表產(chǎn)沙。

表1 劉家溝小流域年際徑流量、輸沙量特征Tab.1 Characteristics of interannual runoff and sediment transport in Liujiagou small watershed

3.2 徑流泥沙年內(nèi)變化特征

小流域年內(nèi)徑流量多集中在5—10月，占全年85.4%(表2)。主要是因?yàn)榻涤攴峙洳痪鶆驅(qū)е碌?，在非汛期由于降雨量較少引起小流域徑流量較小，5—10月隨小流域降雨逐漸增多，徑流得到充分補(bǔ)給，徑流量波動(dòng)上升。6月徑流量達(dá)峰值，占年徑流量21.6%；1月徑流量最少，僅有3 323.6 m3，占全年降雨量0.6%；7和9月徑流量相差不大，分別為9.81萬和9.19萬m3，分別占全年的16.9%和15.8%；2和12月徑流量分別為0.43萬和0.60萬m3，分別占0.7%和1.0%。1—6月呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度最大為5—6月，增加5.34萬 m3；6—8月呈減小趨勢(shì)，8—9月徑流量由4.81萬m3增至9.19萬m3，9—12月呈減小趨勢(shì)，11—12月減少幅度變小，降幅由6.2%變?yōu)?.3%。

表2 劉家溝小流域年內(nèi)徑流量、輸沙量特征Tab.2 Characteristics of annual runoff and sediment transport in Liujiagou small watershed

小流域年內(nèi)輸沙量多集中在5—9月，輸沙量185.29 t，占全年總輸沙量的89.95%(表2)。主要因?yàn)榻涤昙昂恿髑治g影響，在汛期，因降雨量和徑流量大幅度增大，輸沙量以數(shù)倍增幅速率迅速上漲。7月輸沙量達(dá)頂峰，其值為69.68 t，占年輸沙量的33.82%。1和12月輸沙量占全年輸沙量0.01%。5和9月輸沙量分別為23.26和21.58 t，分別占全年的11.29%和10.47%。2和3月輸沙量分別為0.34和0.40 t，分別占0.16%和0.19%。1—7月呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度最大為5—6月，增加34.52 t；7—8月呈減小趨勢(shì)，8—9月稍有增加，由13.00 t增至21.58 t，9—12月呈減小趨勢(shì)，11—12月減少幅度變小，降幅由4.33%變?yōu)?.74%，減少量分別為8.92 t和3.57 t。

3.3 徑流泥沙年際突變點(diǎn)分析

通過Matlab軟件對(duì)2006—2020年劉家溝小流域徑流量及輸沙量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。小流域年徑流量Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值Z=0.20，表明隨時(shí)間增大小流域徑流量呈增大趨勢(shì)。當(dāng)Z的絕對(duì)值≥1.28和≥1.64時(shí)，分別表示通過信度90%和95%顯著性檢驗(yàn)，因此年徑流量沒有通過90%的顯著性檢驗(yàn)，增加趨勢(shì)不明顯。如圖1a所示，正序列統(tǒng)計(jì)量UF值多數(shù)年份大于0，徑流年際變化呈上升趨勢(shì)；UF曲線與UB曲線在2006—2007年、2017—2018年和2019—2020年3個(gè)時(shí)段出現(xiàn)交叉點(diǎn)，位于2臨界線之間，說明小流域徑流在這3個(gè)時(shí)段發(fā)生突變。小流域徑流量突變點(diǎn)主要發(fā)生在2018年，主要是2018年徑流量較2017顯著減少，由115.76萬m3減至35.44萬m3，2017—2018年降雨量明顯減少，其變化是由于降雨變化的影響。根據(jù)年徑流量突變特征，優(yōu)化小流域水土保持措施布置，提升小流域水源涵養(yǎng)生態(tài)功能。

圖1 小流域年徑流泥沙突變點(diǎn)檢測(cè)Fig.1 Detection of abrupt change points of annual runoff and sediment in small watershed

小流域年輸沙量的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)值Z=0.10，隨時(shí)間變化流域年輸沙量有增加態(tài)勢(shì)，增加趨勢(shì)仍沒有通過信度為90%的顯著檢驗(yàn)。如圖1b所示，UF曲線及UB曲線在2006—2007年、2012—2013年、2013—2015年、2016—2017年、2017—2019年和2019—2020年6個(gè)時(shí)段出現(xiàn)交叉點(diǎn)，位于信度線之間，說明小流域泥沙量在這6個(gè)時(shí)段內(nèi)發(fā)生突變。輸沙量突變點(diǎn)主要發(fā)生在2006、2012和2020年，其中2020年輸沙量(1 304.57 t)較2019年(52.11 t)變化極大，主要由于“經(jīng)開大道延伸段下穿道D377天然氣管道遷改工程”建設(shè)活動(dòng)產(chǎn)生了大量松散堆積物匯入小流域，同時(shí)改變了坡面產(chǎn)匯流條件，從而小流域形成了大部分輸沙量，而降雨量波動(dòng)則變?yōu)榇我颍梢娦×饔騼?nèi)人為擾動(dòng)活動(dòng)和土地利用類型變化對(duì)泥沙變化具有重要影響。總體看來，徑流量與輸沙量的突變發(fā)生時(shí)間一致(2006—2007年)，但輸沙量的突變點(diǎn)較徑流量更多。

3.4 徑流泥沙演變影響因素分析

徑流泥沙受降雨量影響為主，徑流量、侵蝕模數(shù)與降雨量存在一定關(guān)系。對(duì)小流域2006—2020年徑流量及年降雨量進(jìn)行冪函數(shù)擬合分析，由圖2a可知，年徑流量與年降雨量的擬合方程為y=0.003 2x2.656 7，年徑流量與年降雨量呈顯著相關(guān)(決定系數(shù)為0.745 4)，表明年徑流量與年降雨量間存在顯著相關(guān)性，監(jiān)測(cè)資料數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)可靠性[18]。隨年降雨量增加，年徑流量趨于增加，其中最大年降雨量1 717.3 mm(2017年)，最大年徑流量115.76萬m3(2017年)，說明年徑流量與降雨量最大值同步?？偟膩碚f，地表徑流量大小與降雨量大小呈正相關(guān)，同期年降雨量逐年增加，小流域地表徑流量隨之增加，降雨量越大，則年徑流量越大，降雨量與徑流泥沙的相關(guān)性緊密。劉家溝小流域輸沙量與降雨量關(guān)系如圖2b所示，采用冪函數(shù)對(duì)年輸沙量及年降雨量進(jìn)行擬合，擬合方程為y=5E-10x3.686 5，其中年輸沙量與年降雨量擬合程度較低，但呈正向相關(guān)(決定系數(shù)為0.365 8)，說明多沙年常出現(xiàn)豐水年，反之，少沙年則出現(xiàn)枯水年。隨年降雨量增加，年輸沙量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中最大年降雨量與最大年輸沙量同步，分別為1 717.3 mm(2017年)和286.78 t(2017年)?？偟膩碚f，年降雨量增加引起地表徑流量和輸沙量增加，年降雨量與徑流量相關(guān)性緊密，與年輸沙量緊密性較小。

圖2 小流域徑流泥沙與年降雨量關(guān)系Fig.2 Relationship between runoff, sediment and annual rainfall in small watershed

根據(jù)徑流泥沙年際突變點(diǎn)結(jié)果，以輸沙量突變年份2012年為界，將研究時(shí)段劃分為2個(gè)時(shí)期，分別擬合2006—2012年和2013—2020年平均年降雨量、徑流量和輸沙量關(guān)系(表3)。2006—2012年，降雨量和輸沙量、徑流量和輸沙量決定系數(shù)均大于0.7，而降雨量和徑流量的決定系數(shù)僅為0.542 5，說明降雨量與輸沙量的相關(guān)性密切，徑流量與輸沙量密切相關(guān)，而降雨量與徑流量相關(guān)性較小，可能是因?yàn)橥恋乩梅绞礁淖兊挠绊憽?013—2020年降雨量與徑流量呈明顯正比變化關(guān)系，決定系數(shù)最高0.862 6，說明劉家溝小流域年降雨量與年徑流量關(guān)系較密切，降雨量越大，徑流量越大，且降雨量的增幅大于徑流量的增幅。

土地利用類型的改變會(huì)影響流域徑流量及產(chǎn)沙量。劉家溝小流域年徑流量及年輸沙量峰值均發(fā)生在2017—2020年，而2006—2017小流域年徑流量及年輸沙量較低，除了降雨量較小影響外，主要是土地利用方式發(fā)生變化的影響。如表4所示，2006—2017間劉家溝小流域耕地和園地面積顯著減少，林地面積呈增長(zhǎng)迅速，其中小流域內(nèi)耕地面積比例由50.61%下降到16.46%。相反，林地面積由0.37 km2(22.56%)增加到1.14 km2(69.51%)，其中2010—2017林地面積增加較明顯，一定程度使小流域年輸沙量降低。2006—2010年期間，小流域年徑流量及年輸沙量呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，整體差異較小，主要因?yàn)?006年之后，小流域土地利用方式基本不變，耕地面積稍有減少，林地面積略有增加，降雨仍是影響該時(shí)期小流域水沙變化的主要因素，但由于降雨量達(dá)1 717.3 mm(最大)，使得2017年徑流量(115.76萬m3)和年輸沙量(286.78 t)仍較大。隨著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化程度增加，尤其城鎮(zhèn)建設(shè)用地、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開挖產(chǎn)生的松散工程堆積體等增加，人類活動(dòng)對(duì)流域內(nèi)徑流量、泥沙量變化的影響程度增加，而小流域土地利用變化導(dǎo)致徑流量、泥沙量的變化減少；觀測(cè)期間耕地和林地所占比例較大，其次是園地、草地，建設(shè)用地和其他土地所占比例較小。其他因素(梯田、林草地等水土保持措施面積增加)對(duì)徑流量影響小于對(duì)輸沙量影響，降雨、土地利用類型、植被覆蓋度是輸沙量的主要影響因素。

表3 不同時(shí)期徑流泥沙擬合方程Tab.3 Fitting equation of runoff and sediment in different periods

表4 劉家溝小流域土地利用類型變化Tab.4 Changes of land use types in Liujiagou small watershed

4 結(jié)論與討論

1)小流域年輸沙量變異系數(shù)大于年徑流量和年降雨量變化程度。小流域年均徑流量、輸沙量和洪峰流量分別為58.20萬m3/s、206.00 t和12.49 m3/s，最大徑流系數(shù)(0.38，2017年)為最小徑流系數(shù)(0.16，2019年)的2.38倍。

2)小流域徑流量和輸沙量均隨時(shí)間呈總體增大趨勢(shì)，兩者突變發(fā)生時(shí)間一致。徑流量顯著突變點(diǎn)在2018年，而輸沙量突變點(diǎn)發(fā)生在2006、2012和2020年，主要由于期間小流域內(nèi)天然氣建設(shè)工程的人為擾動(dòng)活動(dòng)引起的。

3)年降雨量對(duì)小流域徑流量的影響較大，對(duì)年輸沙量影響不明顯。年降雨量與年徑流量呈顯著相關(guān)(決定系數(shù)為0.745 4)，年降雨量與輸沙量呈正向相關(guān)(決定系數(shù)為0.365 8)，表明劉家溝小流域監(jiān)測(cè)資料數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

4)水土保持生態(tài)修復(fù)工程總體上降低小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量。小流域生態(tài)修復(fù)工程效應(yīng)發(fā)揮年份與徑流泥沙突變年份一致，降雨、土地利用類型、植被覆蓋度是影響小流域輸沙量的主要因素，應(yīng)同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡面水土保持措施對(duì)小流域徑流泥沙影響的貢獻(xiàn)。