黃河中游典型支流無定河流域水土流失動態(tài)監(jiān)測

張 棟, 趙 院, 趙 輝

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021; 2.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100053)

20世紀(jì)60年代以來，受氣候變化和人類活動的影響，黃河徑流量和輸沙量呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢[1]。無定河流域位于黃河中游地區(qū)，是黃河泥沙特別是粗泥沙的主要來源區(qū)之一，也一直是國家開展水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域，其水土流失變化特征和治理成效是黃河中游水土保持工作的重要體現(xiàn)[2-3]。

近年來，部分學(xué)者從自然因素和人為因素等方面入手，研究了無定河流域水土流失成因及其變化的主導(dǎo)因素。金超[4]等通過無定河流域1961—2012年的水文氣象和工程措施數(shù)據(jù)，采用累積量斜率變化法，得出人類活動明顯影響流域徑流泥沙的變化。蔣凱鑫等[5]通過歸因分析法得出人類活動中，灌溉引水和造林主要影響了無定河流域的徑流變化，而淤地壩建設(shè)和造林主要影響流域輸沙變化，同時提出，淤地壩淤滿或失效明顯影響減水沙效益。進(jìn)一步地，韓向楠等[6]基于無定河流域淤地壩數(shù)量及控制面積、空間分布，計(jì)算攔沙指標(biāo)并判斷攔沙能力失效，得出有效淤地壩數(shù)量和主要發(fā)揮攔沙功能淤地壩類型，進(jìn)一步得出2011—2017年，無定河流域淤地壩攔沙效益。綜上所述，科學(xué)構(gòu)建水土保持綜合防治體系是解決水土流失問題的主要途徑。那么，無定河流域的水土流失究竟發(fā)生了什么樣的變化？還存在什么樣的問題？新時期流域水土保持工作的方向是什么？這些問題都非常值得關(guān)注。本文擬重點(diǎn)研究無定河流域水土流失面積、強(qiáng)度分布及其變化規(guī)律，并結(jié)合歷史工作經(jīng)驗(yàn)，有針對性地開展水土流失防治工作，為該流域未來的水土保持工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

無定河屬黃河一級支流，西起白于山北麓，流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市和陜西省榆林市、延安市，于陜西省清澗縣河口匯入黃河，干流全長491 km，流域面積30 261 km2。流域位于黃河中游地區(qū)的西北部，毛烏素沙地南緣，涉及黃河中游典型的黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)和風(fēng)沙區(qū)3個區(qū)域，水力、風(fēng)力侵蝕交錯并存。無定河流域?qū)贉貛Т箨懶愿珊蛋敫珊导撅L(fēng)氣候類型，多年平均降水量300～550 mm，由南向北遞減，多年平均氣溫7.9～11.2 ℃，土壤以黃綿土和風(fēng)沙土為主[7-8]。無定河流域確定為黃河中游地區(qū)的重點(diǎn)治理對象以來，先后開展了一系列水土保持工作，水土保持措施種類、數(shù)量眾多，是體現(xiàn)黃河中游多沙、粗沙區(qū)水土流失狀況，黃河中游水土保持工作成效的典型支流之一(圖1)。

圖1 無定河流域在黃河中游的位置、水系及地貌分區(qū)

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與用途

2.1.1 土壤侵蝕強(qiáng)度面積數(shù)據(jù) 土壤侵蝕強(qiáng)度面積數(shù)據(jù)來源于1985年第一次全國水土流失遙感普查，1999年黃河流域水土保持遙感普查，2011年第一次全國水利普查，2019年全國水土流失動態(tài)監(jiān)測形成的土壤侵蝕矢量或柵格數(shù)據(jù)，主要用于分析流域內(nèi)整體水土流失空間分布和各類型、強(qiáng)度侵蝕面積的動態(tài)變化。

2.1.2 徑流泥沙實(shí)測數(shù)據(jù) 來源于無定河流域內(nèi)趙石窯、韓家峁、橫山、丁家溝、綏德、白家川6個水文站的實(shí)測徑流、泥沙數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間序列為1980—2018年，主要用于分析流域水沙變化趨勢以及各支流流域的徑流泥沙分布特征。

2.2 分析方法

2.2.1 水土流失強(qiáng)度面積及其空間分布 按照無定河流域邊界，裁切1985，1999，2011，2019年土壤侵蝕空間數(shù)據(jù)，形成土壤侵蝕空間分布圖，并按侵蝕類型、侵蝕強(qiáng)度提取土壤侵蝕面積，統(tǒng)計(jì)分析水土流失現(xiàn)狀及其動態(tài)變化。水土流失面積為水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕面積之和[9]。

2.2.2 水沙分布特征 基于收集的泥沙、徑流資料，計(jì)算年均輸沙量和年均徑流量，并通過各站空間位置劃分區(qū)間，結(jié)合區(qū)間控制面積計(jì)算輸沙模數(shù)和徑流深。

2.2.3 水沙變化特征 采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)分析白家川水文站徑流、泥沙的變化趨勢[10-11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失面積現(xiàn)狀

如表1及圖2所示，無定河流域2019年水土流失總面積1.20×104km2。其中，輕度侵蝕面積占50.03%，中度侵蝕面積占27.75%，強(qiáng)烈及以上侵蝕面積占22.22%。從侵蝕類型來看，流域以水力侵蝕為主，占水土流失面積的72.19%。

注：水土流失面積為水力侵蝕與風(fēng)力侵蝕面積之和。

表1 黃河中游主要支流流域水土流失面積比例

流域內(nèi)水土流失面積占土地總面積的39.70%，明顯高于全國平均水平的28.34%。對比黃河中游的其他典型支流流域，無定河流域發(fā)生水土流失面積的比例與涇河、北洛河接近，大于渭河和汾河，但水土流失面積中，強(qiáng)烈以上侵蝕面積的占比遠(yuǎn)大于其他4個支流流域，差值區(qū)間為3.66%～14.06%，流域水土流失依舊嚴(yán)重。

3.2 水土流失現(xiàn)狀空間分布特征

如圖3及表2所示，從無定河流域2019年水土流失空間分布特征來看，水力侵蝕主要集中分布在流域南部地區(qū)的黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)，風(fēng)力侵蝕主要集中分布在流域北部的風(fēng)沙區(qū)。進(jìn)一步分析無定河流域水沙空間分布特征，根據(jù)位于流域出口處的白家川水文站實(shí)測結(jié)果，1980年—2018年，年均輸沙量4.91×107t，輸沙模數(shù)1 655.18 t/(km2·a)，年均徑流量9.13×108m3，年均徑流深30.79 mm。位于上游的干流(趙石窯—橫山+韓家峁段)、海流兔河韓家峁以上、蘆河橫山以上及中游的干流(丁家溝—趙石窯段)輸沙模數(shù)相對較小分別為947.43，32.18，600.37，947.43 t/(km2·a)，均小于流域平均水平；位于下游的干流(白家川—綏德+丁家溝段)、小黑河綏德以上徑流深趨近于流域平均水平，分別為31.23，24.36 mm，但輸沙模數(shù)較大，分別為6 053.40，5 194.08 t/(km2·a)，是流域平均水平的3.66，3.14倍，該區(qū)域是未來開展水土保持工作的重點(diǎn)區(qū)域。

圖3 無定河流域水土流失空間分布及水文站分布

表2 無定河流域各區(qū)間徑流泥沙特征

3.3 水土流失動態(tài)變化

3.3.1 水土流失面積變化 如表3所示，1985—2019年，水土流失面積減少1.40×104km2，其中，水力侵蝕面積減少2 594.59 km2，風(fēng)力侵蝕面積減少1.14×104km2，減幅分別為53.87%，23.03%和77.39%，風(fēng)力侵蝕面積占水土流失面積的比例由1985年的57%降至2019年的28%，流域內(nèi)主要侵蝕類型由風(fēng)力侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)樗η治g。從不同時段面積的動態(tài)變化來看，1985—1999年和1999—2011年，風(fēng)力侵蝕面積大幅減小，年均減幅為2.36%和4.37%，但在1999—2011年，水力侵蝕面積增加845.29 km2，年均增幅0.67%；2011—2019年，水力侵蝕面積大幅減小，年均減少面積占水土流失減少面積的66.25%。

表3 無定河流域年際水土流失動態(tài)變化 km2

對比黃河中游其他支流1985—2019年水土流失面積變化(表4)，無定河流域水土流失面積減幅為48.01%，明顯高于粗泥沙集中來源區(qū)的皇甫川、佳蘆河，以及多沙粗沙區(qū)的湫水河、涇河和北洛河，差值區(qū)間為8.15%～43.65%；從強(qiáng)烈以上流失面積減幅來看，無定河減幅高于皇甫川和湫水河，接近于佳蘆河、涇河和北洛河。無定河流域水土流失面積大幅減小，較高強(qiáng)度等級的流失面積減幅與其他顯著減小的支流基本持平，水土流失綜合治理成效在黃河中游多沙、粗沙區(qū)顯著，具有典型性。

表4 1985—2019年黃河中游其他典型支流流域水土流失面積減幅

如圖4所示，從各侵蝕強(qiáng)度等級面積年均變化量來看，水力侵蝕中，3個時間段內(nèi)極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積呈現(xiàn)出向較低侵蝕強(qiáng)度等級轉(zhuǎn)化的趨勢，但在1999—2011年，輕度侵蝕面積大幅增加，2011年開始，高強(qiáng)度侵蝕面積減幅明顯變小，輕度侵蝕成為減少面積中比例較大的侵蝕類型。風(fēng)力侵蝕中，1985—1999年，極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積增加，其他強(qiáng)度等級面積均呈減少趨勢；1999—2011年，各強(qiáng)度等級侵蝕面積均減少；2011—2019年，強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積減少，減少幅度隨強(qiáng)度等級增加逐級遞減；中度侵蝕較少面積不大，輕度侵蝕面積增加，呈現(xiàn)出高強(qiáng)度侵蝕向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移的趨勢。

圖4 各強(qiáng)度等級水土流失面積變化

3.3.2 水土流失空間變化 如圖3及圖5所示，1985—2019年，流域內(nèi)風(fēng)力侵蝕由1985年的集中連片分布轉(zhuǎn)為零星分布，主要集中在流域內(nèi)榆陽區(qū)北部、烏審旗東北部和南部、鄂克托旗南部、鄂托克前旗等地區(qū)；水力侵蝕空間位置分布與1985年相比基本無變化，但干流趙石窯至流域出口段左岸侵蝕強(qiáng)度略有降低，水力侵蝕依舊集中分布在流域內(nèi)的子洲縣、米脂縣、綏德縣、清澗縣、子長縣、延安市安塞區(qū)、榆林市橫山區(qū)南部、靖邊縣南部等地區(qū)。

圖5 1985年無定河流域水土流失空間分布

3.3.3 水沙變化 按照Mann-Kendall趨勢性檢驗(yàn)結(jié)果，在p=0.01顯著性水平下，輸沙量Z<-pNorm，徑流量|Z|≤pNorm，表明無定河流域輸沙量在1980—2018年，存在減小的趨勢；進(jìn)一步在p=0.05顯著性水平下，徑流量Z<-pNorm，表明徑流量同樣存在減小的趨勢(表5)。

表5 無定河流域Mann-kendall趨勢性檢驗(yàn)結(jié)果

3.4 水土流失變化分析

20世紀(jì)80年代以來，無定河流域被列為全國水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，先后開展和實(shí)施了小流域綜合治理、退耕還林、水土保持生態(tài)修復(fù)、重點(diǎn)治理、淤地壩建設(shè)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管等工程和項(xiàng)目，流域水土流失狀況明顯好轉(zhuǎn)。截止2000年，流域內(nèi)投入運(yùn)行的淤地壩約2 800余座，其中，骨干壩占比在80%以上[4]，淤地壩建設(shè)有效攔蓄了入河泥沙，高強(qiáng)度水力侵蝕面積大幅下降。1999年，國家實(shí)施退耕還林政策，流域內(nèi)大部分坡耕地轉(zhuǎn)為林草地，植被覆蓋面積大幅增加，前人研究結(jié)果表明，2000—2015年，無定河流域NDVI年均值增幅達(dá)到37%，植被覆蓋度顯著增加面積占流域總面積的85.38%[12-13]。植被蓋度的提高，起到抑制地面輸沙等多方面作用，進(jìn)而減弱風(fēng)蝕對地表土壤的影響，北部風(fēng)沙區(qū)流動沙丘逐漸轉(zhuǎn)為固定沙丘。風(fēng)蝕面積在1999—2011年呈現(xiàn)出大幅減小的趨勢。此外，截止2015年，榆林毛烏素沙區(qū)沙、水、田、林、路綜合治理面積占沙區(qū)總面積的86%；至2020年，內(nèi)蒙古烏審旗治沙率達(dá)到70%。毛烏素沙地形成了基干林帶南北控制，固沙林、護(hù)牧林、農(nóng)田防護(hù)林、護(hù)路林、島狀防護(hù)林縱橫交錯帶、片、網(wǎng)相結(jié)合的防護(hù)林體系，風(fēng)力侵蝕由集中連片分布轉(zhuǎn)為零星分布。而水力侵蝕方面，部分早期修建的中小型淤地壩因淤滿或失效[5]，加之退耕還林還草初期，地表覆蓋低，喬灌木尚未成林，草地質(zhì)量差，地表枯落物尚未形成，植被攔截雨滴、徑流功能不顯著，淺層植物根系對土壤的錨固、加筋能力弱，加之部分種植業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，局部侵蝕情況惡化[14]，可能導(dǎo)致了1999—2011年，高強(qiáng)度侵蝕向低強(qiáng)度轉(zhuǎn)移的趨勢減緩，水力侵蝕面積略有增加。2011年以后，流域內(nèi)水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕面積均呈現(xiàn)出強(qiáng)度、面積雙下降的趨勢，表明流域內(nèi)實(shí)施的水土流失綜合治理項(xiàng)目和重點(diǎn)治理工程已經(jīng)進(jìn)入效益穩(wěn)定期，流域內(nèi)水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕面積在2011—2019年均呈現(xiàn)出強(qiáng)度、面積雙下降的趨勢。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 無定河流域水土流失依舊嚴(yán)重，是主要生態(tài)環(huán)境問題。無定河流域2019年水土流失面積1.20×104km2，占土地面積的比例高出全國平均水平近12%，其侵蝕類型以水力侵蝕為主，占水土流失面積的72.19%。對比黃河流域內(nèi)的其他重點(diǎn)支流(涇河、北洛河、渭河、汾河，表1)，強(qiáng)烈以上水土流失面積占比在1.20～2.72倍之間，水土流失問題依舊突出。

流域水蝕、風(fēng)蝕交錯分布，北部風(fēng)沙區(qū)以風(fēng)力侵蝕為主，南部黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)以水力侵蝕為主。風(fēng)力侵蝕主要集中分布在流域內(nèi)榆陽區(qū)北部、烏審旗東北部和南部、額克托旗南部、鄂托克前旗等地區(qū)；水力侵蝕中，下游干流(白家川—綏德+丁家溝段)、小黑河綏德以上的輸沙模數(shù)超過流域平均水平的3倍，是主要的泥沙策源地，也是未來開展水土保持工作的重點(diǎn)區(qū)域。

(2) 水土保持工作成效顯著，有效遏制無定河流域土壤侵蝕。較1985年，無定河流域有近1.40×104km2的土地面積不再發(fā)生水土流失，水土流失面積減幅達(dá)到53.87%。北部風(fēng)沙區(qū)水土流失面積大幅減小，流域內(nèi)風(fēng)力侵蝕由1985年的集中連片分布轉(zhuǎn)為零星分布；南部丘陵區(qū)泥沙、徑流量均呈現(xiàn)減小趨勢，水力侵蝕面積、強(qiáng)度雙降下降，侵蝕面積減幅為23.03%，強(qiáng)烈以上侵蝕面積減幅達(dá)到72.26%，相比黃河中游多沙粗沙區(qū)和粗泥沙集中來源區(qū)的其他重點(diǎn)支流，無定河流域水土流失面積減幅顯著，流域生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好。

(3) 突出水土保持工作重點(diǎn)，加強(qiáng)無定河流域水土流失綜合治理。水土保持是生態(tài)文明建設(shè)的重要手段，應(yīng)繼續(xù)踐行“統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、突出重點(diǎn)，有效開展水土保持綜合防治”的做法，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境。未來無定河水土保持工作中，應(yīng)持續(xù)推進(jìn)小流域綜合治理，加強(qiáng)林草地?fù)嵊∪乇Ｗo(hù)制度，強(qiáng)化人為水土流失監(jiān)管，堅(jiān)持因地制宜，科學(xué)規(guī)劃，工程措施、生物措施和農(nóng)耕措施優(yōu)化配置，山、水、田、林、路、村綜合治理的做法，構(gòu)建峁頂、峁邊、溝道三道防線。同時加大科研力度，明確“水土流失圖斑落地”方案，有序推進(jìn)水土流失圖斑落地工作，指導(dǎo)區(qū)域水土流失綜合防治工作。

4.2 討 論

本研究基于1985—2019年無定河流域水土流失狀況，對水土流失分布、動態(tài)變化原因進(jìn)行分析，無定河流域水土流失面積、強(qiáng)度呈現(xiàn)雙下降趨勢。前人研究中，利用歸因分析等方法對影響水土流失的氣候、降水等自然因素以及造林、淤地壩等人為因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，人為因素在無定河流域水沙變化中起著主導(dǎo)作用，且人為因素中，灌溉、造林主要起到減少徑流的作用，造林、種草、淤地壩建設(shè)起到減少泥沙的作用，且截止2011年，有近72%的淤地壩失效，這也可能是導(dǎo)致研究中1999—2011年無定河水力侵蝕存在小幅度增加的原因[4-6]。無定河流域流失面積及高強(qiáng)度侵蝕面積依舊大于黃河中游地區(qū)的涇河、北洛河、渭河和汾河，而水土流失面積減幅明顯高于黃河中游多沙粗沙區(qū)和粗泥沙集中來源區(qū)的皇甫川、佳蘆河、湫水河、涇河和北洛河等5個重點(diǎn)支流，其水土流失現(xiàn)狀特征和水土保持成效對中游地區(qū)開展水土保持工作具有典型的指導(dǎo)意義。

研究使用的4期土壤侵蝕強(qiáng)度面積數(shù)據(jù)來源于水利部組織的歷次普查和動態(tài)監(jiān)測成果，徑流泥沙實(shí)測數(shù)據(jù)來源于各水文站長序列的觀測數(shù)據(jù)成果，二者之間亦有關(guān)聯(lián)，但也存在差別。普查和動態(tài)監(jiān)測是根據(jù)影響土壤侵蝕的因子要素，通過理論模型計(jì)算得到土壤侵蝕強(qiáng)度。其中的部分因子取值，來源于監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)[15-17]。但因子的時空精度也導(dǎo)致了模型計(jì)算與實(shí)際觀測結(jié)果存在一定差異。研究中，普查和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要用于分析流域水土流失的強(qiáng)度、面積、空間分布、年度動態(tài)變化以及和其他流域進(jìn)行對比分析；而實(shí)測數(shù)據(jù)主要用于分析水沙變化趨勢以及量化各支流流域的徑流泥沙分布特征。如何進(jìn)一步將兩套數(shù)據(jù)在時空尺度上進(jìn)行對比和銜接，優(yōu)化監(jiān)測模型，是精準(zhǔn)指導(dǎo)水土流失防治工作的關(guān)鍵，也是未來研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。