黃河中游輸沙與減沙的時空分異特征

馬麗梅，王萬忠，2，焦菊英，2，簡金世

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊陵712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊陵712100）

河流輸沙量變化是流域水土流失強度變化的重要體現，是全球水土流失研究的重要內容［1］。黃河流域土壤侵蝕嚴重，河床不穩定，生態環境十分脆弱，導致黃河成為世界上含沙量最多的河流［2］。黃河中游水土流失十分嚴重，致使下游河道嚴重淤積，河床平均每年抬高約10cm，形成“地上懸河”，對人類生存與社會發展造成重大影響［3］。近幾十年，黃河中游地區氣候暖、干化趨勢明顯，人類活動加劇，特別是大型水庫、淤地壩、梯田等水利水保措施工程和植樹造林、退耕還林（草）等活動的開展，使得黃河中游地區輸沙量顯著減少，引起了各方面的極大關注［4－5］。黃河中游及各流域在不同治理時期特別是退耕還林草以來的減沙情況，以及降雨與人類活動對輸沙量的影響如何呢？這些問題都是黃河中游水土保持及下游河道治理研究中亟待解決的問題。為此，利用黃河中游不同區間和河龍區間22條支流的輸沙量數據，分析了50多年來（1955－2007年）輸沙量的時空變化特征以及降雨與人類活動對輸沙量變化的影響和貢獻率，以期增強對黃河中游及其各支流區間的輸沙量時空變化的認識，定量認識降雨和人類活動對輸沙量變化的影響，為黃河中游生態環境的可持續發展和宏觀決策提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

黃河中游河段流經黃土高原地區，支流帶入大量的泥沙，中游陜縣水文站最大年輸沙量為391 000.0萬t（1933年）。黃河中游河口鎮到龍門區間（簡稱河龍區間）及涇河、渭河、北洛河、汾河流域，面積約28.7萬km2，是黃河流域水土流失最為嚴重的地區［6］。區內降水量時空分布不均勻，呈現由東南向西北遞減的趨勢；降雨主要集中在夏季，且常以暴雨為主。區內增加的水量占黃河上中游總水量的39.0%，而增加的沙量占上中游總沙量的90.0%，為黃河的主要泥沙來源區［1］。我國自20世紀70年代起，投入了大量的人力、物力和財力進行黃河中游的水土流失治理，使得黃河中游水土保持措施年均（1970－1996年）減沙32 000.0萬t［7］。

圖1 研究區概況圖

1.2 分析方法

1.2.1 資料來源 輸沙量數據來源于黃河泥沙公報，降雨數據來自國家氣象局，數據資料序列為1955－2007年。在黃河中游48個氣象站降雨數據的基礎上，經過Kriging空間插值處理，采用面積加權法獲得黃河中游面降雨數據。

1.2.2 分析方法

（1）從3個空間層次，即黃河中游（頭道拐至潼關（陜縣）站）、不同區間（中游北部河龍區間，中游南部北洛河、涇渭河，中游東部汾河）、不同支流（渾河、偏關河等），分析黃河中游輸沙與減沙特征。

（2）已有的研究將1970年做為黃土高原未治理與治理的分界線，認為70年代以前黃河水沙主要受降雨的影響，20世紀70年代以后水沙主要受水利水保措施和降雨等的綜合影響［8－10］。新中國成立以來，水土保持的治理主要可分為3個階段：一是1949－1969年，為零星治理階段，人們一般試著進行少許治理或未治理階段；二是1970－1989年，以解決群眾吃飯問題為主要目的的初期治理階段，是一個從初期的以梯田建設為主體的單項措施治理逐漸過渡到小流域綜合治理階段；三是1990至今，是以從解決吃飯問題轉向改善生態環境為目的的中期治理階段，是一個從多元化的小流域治理過渡到集中連片、大規模林草建設階段，特別是退耕還林還草的近10年（1998－2007年）。為了解不同時期研究區輸沙量變化情況，以1970年為界，將1970年以前作為分析對比的基準期，1970年以后作為治理期，從1955－1969年、1970－2007年、1970－1989年、1990－2007年、1990－1998年及1998－2007年6個不同時間層次來分析黃河中游輸沙與減沙特征。

（3）一般認為，黃土高原泥沙輸移比為1［11］，即輸沙量等于侵蝕量，因此，輸沙模數就等于侵蝕模數［12］。本研究土壤侵蝕強度根據水利部《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190－2007），分為微度（＜1 000 t／（km2·a））、輕度（1 000～2 500t／（km2·a））、中度（2 500～5 000t／（km2·a））、強烈（5 000～8 000t／（km2·a））、極強烈（8 000～15 000t／（km2·a））、劇烈（＞15 000t／（km2·a））6個等級。

（4）采用水文法［13］計算降雨和人類活動對輸沙量變化的影響和貢獻率。

2 結果與分析

2.1 黃河中游輸沙量年際變化與減沙幅度分析

圖2為黃河中游1955－2007年輸沙量年際變化特征圖。從圖2（a）可以看出，1955－2007年黃河中游年輸沙量總體呈減小趨勢；20世紀70年代以前，年輸沙量減小幅度較小，且大部分都在年平均值以上，實測多年平均輸沙量為142 908.0萬t，輸沙模數為5 043.0t／（km2·a），屬強烈侵蝕；70年代以后年輸沙量減小幅度相對較大，且大部分都在平均值以下，實測多年平均輸沙量為83 545.0萬t，輸沙模數為2 684.2t／（km2.a），屬中度侵蝕，70年代后期較前期減沙46.8%。

雖然20世紀70年代以后輸沙量總體趨勢是下降的，但在不同時期其變化趨勢不同，如圖2（b）所示，1970－1989年輸沙量呈下降趨勢，多年平均輸沙量為94 254.5萬t，輸沙模數為3 326.1t／（km2·a），屬中度侵蝕，較70年代前減沙34.1%；1990－1998年亦呈下降趨勢，多年平均輸沙量為77 825.2萬t，輸沙模數為2 746.3t／（km2·a），屬中度侵蝕，較70年代前減沙44.3%；1998－2007年下降趨勢明顯，多年平均輸沙量為36 864.0萬t，輸沙模數為1 300.9t／（km2·a），屬輕度侵蝕，較70年代前減沙74.2%；1990－2007年，多年平均輸沙量為55 852.6萬t，輸沙模數為1 970.9t／（km2·a），屬輕度侵蝕，較70年代前減沙51.5%。

圖2 黃河中游輸沙量年際變化特征

黃河中游輸沙量總體減少的原因可能有二個：（1）近年來，氣候暖、干化趨勢加強，降雨總體上呈現減少趨勢［4，14］，從而使得輸沙量的變化受到一定影響。（2）20世紀70年代以來，大規模水利水保工程措施的開展，如水庫、淤地壩、梯田、林草建設，特別是退耕還林（草）工程的實施，起到了一定的攔蓄作用，從而使中游的輸沙量減少。

2.2 黃河中游不同區間輸沙量年際變化與減沙幅度分析

圖3分別列出了黃河中游北部河龍區間、南部北洛河和涇渭河、東部汾河1955－2007年輸沙量的年際變化特征。可以看出，20世紀70年代以前，各區間輸沙量變化幅度較大，除汾河外，河龍區間、涇渭河、北洛河的輸沙量均呈增加趨勢。輸沙量的增加可能與該時期內發生的重大事件和政策有關，如大開荒、大躍進、文化大革命等人為活動的影響導致的［15］。70年代以后，各區間輸沙量均呈減小趨勢，且大部分在平均值以下，但北洛河在1994年輸沙量高達26 300萬t，原因是1994年8月北洛河上游降特大暴雨（暴雨中心沙集12h的雨量達383mm，最大1 h雨強達120mm），發生了歷史上罕見的特大洪水（最大洪峰流量達7 040m3／s），導致北洛河洪水猛漲，輸沙量猛增［16］。

20世紀70年代后，各區間輸沙量在不同治理時期表現出不同的變化特征。1970－1989年，不同區間輸沙量均呈減小趨勢；1990－2007年，河龍區間、北洛河、涇渭河輸沙量下降趨勢均明顯，而汾河的輸沙量相對很低，多年平均輸沙量為180.1萬t，輸沙模數為1 851.6t／（km2·a），屬輕度侵蝕；但1990－1998年河龍區間、北洛河、汾河輸沙量均有增加，可能是因為20世紀70年代修建的淤地壩等措施的攔沙作用降低，以及礦山、建設用地的增加造成輸沙量增加［17］；1998－2007年各區間輸沙量的減少與退耕還林還草的實施有很大的關系。

比較黃河中游各區間1955－1969年、1970－2007年、1970－1989年、1990－2007年1990－1998年、1998－2007年不同時期的年均輸沙量與減沙幅度（表1）可以看出，黃河中游各區間在不同治理時期輸沙量較基準期均呈減少趨勢，而各區間減沙最大的時期均為1998－2007年，即退耕還林（草）工程實施以后，其中：中游北部河龍區間的平均輸沙模數為1 774.4t／（km2·a），屬輕度侵蝕，較70年代前減沙79.6%；中游南部涇渭河的平均輸沙模數為1 577.1 t／（km2·a），屬輕度侵蝕，較70年代前減沙64.0%；中游南部北洛河的平均輸沙模數為1 750.8t／（km2·a），也屬輕度侵蝕，較70年代前減沙56.5%；中游東部汾河的平均輸沙模數僅為3.0t／（km2·a），屬微度侵蝕，較70年代前減沙99.8%。

不同治理時期各區間減沙比例最大的是汾河（平均減沙89.8%），其次依次為河龍區間（平均減沙58.1%）、涇渭河（平均減沙44.9%）、北洛河（平均減沙35.0%）。各治理時期汾河減沙最為明顯的原因有二個［18－20］：（1）20世紀50年代以來，山西省陸續在汾河流域的干支流上興建了汾河、文峪河、子洪等14座大中型水庫和大量的引水灌溉工程，起到了很好的蓄水攔沙的作用；（2）山西省對汾河水土流失治理的高強度集中投入，營造水土保持林、封山育林、修建淤地壩等措施，起到了高效攔截泥沙的作用。而不同治理時期北洛河減沙幅度最小，原因是該區橫跨著名的子午嶺林區和黃龍山林區，原本植被就較好，土壤侵蝕相對較輕［21］。

圖3 黃河中游不同區間輸沙量的變化趨勢

表1 黃河中游不同區間不同治理時期的減沙幅度

2.3 河龍區間主要支流減沙幅度分析

由于受降雨和水利水保措施空間分布不均勻等因素的影響，不同流域的輸沙量變化存在一定差異。對河龍區間22條主要支流不同治理時期的輸沙量進行統計表明（表2），不同治理時期各支流的輸沙量較基準期均減少，各支流減沙最大的時期是1998－2007年（平均減沙83.1%），減沙最小的時期是1970－1989年（平均減沙36.5%）。

20世紀70年代后，輸沙量較70年代前減沙幅度在70%以上的為嵐漪河73.9%、州川河71.9%、三川河70.3%；減沙幅度在50%～70%之間的有渾河、偏關河、禿尾河、佳蘆河、無定河、昕水河、仕望河、蔚汾河、湫水河，在30%～50%之間的有黃浦川、清水河、縣川河、孤山川、窟野河、清澗河、延水、屈產河；小于30%的有朱家川、汾川河。

各支流1990－2007年較1970－1989年減沙幅度普遍提高，其中減沙幅度提高50%以上的為清水河、黃浦川、窟野河、孤山川、仕望河。清水河1990－2007年平均輸沙模數為4 292.0t／（km2·a），屬中度侵蝕，減沙幅度較1970－1989年提高59.1%；黃浦川1990－2007年平均輸沙模數為6 067.1t／（km2·a），屬強烈侵蝕，減沙幅度較1970－1989年提高57.0%；窟野河1990－2007年平均輸沙模數為4 792.0t／（km2·a），屬中度侵蝕，減沙幅度較1970－1989年提高54.8%；孤山川1990－2007年平均輸沙模數為5 756.3t／（km2·a），屬強烈侵蝕，減沙幅度較1970－1989年提高54.5%；仕望河1990－2007年平均輸沙模數為173.6t／（km2·a），屬微度侵蝕，減沙幅度較1970－1989年提高51.2%。雖然黃浦川和孤山川的減沙效益提高了，但仍然屬于強烈侵蝕。

表2 河龍區間不同治理時期主要支流的輸沙量與減沙幅度

各支流1998－2007年較1990－1998年減沙幅 度普遍提高，其中減沙幅度提高50%以上的為朱家川、縣川河、窟野河。朱家川1998－2007年的平均輸沙模數為705.5t／（km2·a），屬微度侵蝕，減沙幅度較1990－1998年提高57.3%；縣川河1998－2007年的平均輸沙模數為837.02t／（km2·a），屬微度侵蝕，減沙幅度較1990－1998年提高52.8%；窟野河1998－2007年的平均輸沙模數為1 073.4t／（km2·a），屬輕度侵蝕，減沙幅度較1990－1998年提高52.7%。退耕還林（草）以來，侵蝕強度達到輕度侵蝕及以下的流域有16個，分別為：渾河、偏關河、清水河、縣川河、朱家川、嵐漪河、窟野河、禿尾河、湫水河、三川河、無定河、昕水河、汾川河、仕望川、州川河、蔚汾河；在中度侵蝕及以上的流域有6個：黃浦川、孤山川、佳蘆河、屈產河、清澗河、延水。因此，對于達到輕度侵蝕及以下的流域應采取重點維護管理與治理并舉，對于中度侵蝕及以上的流域應重點加強治理。

2.4 降雨與人類活動對黃河中游輸沙量變化的影響分析

黃河中游輸沙量變化主要受降雨變化和人類活動的影響。降雨是流域產流產沙的直接影響因素，通過影響徑流量來間接作用于輸沙量，而人類活動的影響主要包括水利水電工程和水利水保工程兩方面［1］。

根據研究區的年輸沙量和面降雨量數據，建立治理前（1955－1969年）的年降雨量和輸沙量的回歸方程：

式中：S——年均輸沙量（萬t）；P——年均面降雨量（mm）；n——樣本數。

將研究區1970－2007年各年的降雨數據分別代入式（1），計算出未治理狀態下研究區可能產生的沙量，即天然產沙量。以此與治理后實測輸沙量比較，其差值即為人類影響減少的輸沙量，與治理前實測輸沙量比較，其差值即為降雨對輸沙量變化的影響量。結果表明：本研究區因降雨因素影響減少的輸沙量為25 145.2萬t，由人類活動影響減少的輸沙量為41 698.7萬t；降雨因素和人類活動對輸沙量的貢獻率分別為37.6%和62.4%。

3 結論

（1）受氣候暖干化和人類活動的影響，黃河中游1955－2007年輸沙量總體呈遞減趨勢，20世紀70年代后年平均輸沙模數為2 684t／（km2·a），屬中度侵蝕，較70年代前減沙46.8%，其中1970－1989年、1990－1998年、1998－2007年、1990－2007年較70年代前分別減沙34.1%、44.3%、74.2%、51.5%。

（2）20世紀70年代前，除汾河外，河龍區間、涇渭河、北洛河的輸沙量均呈增加趨勢，而70年代以后，各區間輸沙量總體呈下降趨勢，但不同治理時期存在一定差異，其中退耕還林（草）時期（1998－2007年）減沙幅度最大；退耕還林還草實施以來，汾河減沙最為明顯，其年平均輸沙模數僅為3.0t／（km2·a），屬微度侵蝕，較70年代前減沙99.8%，其次依次是河龍區間（79.6%）、涇渭河（64.0%）、北洛河（56.5%）。

（3）河龍區間各支流20世紀70年代后較70年代前減幅較大的為嵐漪河73.9%、州川河71.9%、三川河70.3%；減幅最大治理時期為實施退耕還林（草）的1998－2007年（平均83.1%）。退耕還林（草）以來，各支流減沙幅度較1990－1998年普遍提高，其中減沙幅度提高50%以上的有朱家川、縣川河、窟野河，平均輸沙模數分別為705.5t／（km2·a）、837.0 t／（km2·a）和1 073.4t／（km2·a）。

（4）退耕還林（草）以來，達到微度侵蝕的支流有汾河、渾河、偏關河、縣川河、朱家川、嵐漪河、三川河、昕水河、汾川河、仕望川、州川河；輕度侵蝕的有涇渭河、北洛河、清水河、窟野河、禿尾河、湫水河、無定河、蔚汾河；中度侵蝕的有黃浦川、孤山川、佳蘆河、屈產河、延水；只有清澗河屬強烈侵蝕。

（5）黃河中游因降雨影響減少的輸沙量為25 145.2萬t，因人類活動影響減少的輸沙量為41 698.7萬t；降雨因素和人類活動對輸沙量的貢獻率分別為37.6%和62.4%。

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