黃土高原涇河流域1960—2000年的年輸沙量時空變化

劉革非，于澎濤?，王彥輝，屠新武，熊偉，徐麗宏

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，100091，北京;2.水利部黃河水利委員會三門峽庫區水文水資源局，472000，河南三門峽)

黃土高原涇河流域1960—2000年的年輸沙量時空變化

劉革非1，于澎濤1?，王彥輝1，屠新武2，熊偉1，徐麗宏1

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，100091，北京;2.水利部黃河水利委員會三門峽庫區水文水資源局，472000，河南三門峽)

為制訂合理有效的水土流失治理政策，需定量了解流域的泥沙輸移總量及其時空變化。以黃土高原多泥沙的典型流域涇河為例，按有連續水文觀測數據的11個水文站的控制范圍，把流域劃分為11個河段，統計分析1960—2000年間的年均輸沙量和輸沙模數在不同年代的變化和空間上的差異。結果表明:1)20世紀60年代涇河流域年均輸沙量為3.024 9億t/a，年均輸沙模數為6 672 t/(km2·a);輸沙等級為強度，但空間分布不均勻，其中輸沙等級為極強度和強度的河段面積占流域面積的72.6%，其年均輸沙量占流域總量的86.0%;輸沙等級為中度和輕度的河段面積占流域面積的27.4%，其年均輸沙量占流域的14.0%。2)20世紀70年代以來，涇河流域年均輸沙量開始減少，90年代已減至2.657 8億t/a，較60年代下降了12.1%，減沙主要發生在輸沙等級為極強度的河段，其減沙量占流域總減沙量的93.5%，尤其以降水較高、植被較好的西部地區為主要貢獻區，而其他輸沙等級河段的年輸沙量基本保持不變。因此，在侵蝕性暴雨增加的氣候變化背景下，植被稀疏、抵抗暴雨侵蝕能力差的半干旱地區應列為水土保持重點地區。

水土流失;輸沙模數;時空差異;黃土高原;涇河流域

黃土高原是我國乃至世界上水土流失最嚴重的地區，其年泥沙輸出量占黃河總泥沙量的90%［1］。而黃土高原中部的涇河流域是重要泥沙來源地之一［2］，其流域面積僅占黃土高原面積的7%，但多年平均輸沙量高達2.6億t/a，占黃土高原年輸沙量的16.3%。為治理嚴重的水土流失，涇河流域20世紀70年代以來相繼采取了一些水土保持措施，并取得一定成效［3-6］，如1970—1996年間年均輸沙量減少了7 090萬 t/a，合計 23.5%［4］;但整個流域內的減沙效果空間差異巨大，如1971—2003年間年輸沙量在涇河干流顯著下降，在支流馬連河卻顯著增加［5］:因此，要評估水土流失的治理效果和制訂針對性的治理政策，還需了解流域內泥沙量的時空差異。然而，目前有關研究［3-7］較少考慮流域內的差別，這可能會掩蓋和模糊了治理措施與泥沙變化的關系，影響制訂針對性的治理策略，降低治理措施的科學性和有效性。筆者根據涇河流域11個水文站1960—2000年的泥沙數據，分析流域輸沙量的時空變化，期望能為準確評估治理效果及制訂合理治理措施提供科學依據。

1 研究區概況

涇河(E 106°20'～ 109°08'，N 34°34'～ 37°30')發源于寧夏六盤山，位于黃土高原中部，面積4萬5 388 km2。流域內地形分異明顯，北部為黃土丘陵溝壑，中部和南部為黃土塬，西部為六盤山土石山區，東部為子午嶺黃土丘陵區。涇河流域為典型的溫帶大陸性氣候，處于溫帶半濕潤區向半干旱區的過渡地帶［8］。流域多年平均氣溫為8℃，最冷月平均氣溫為-8～10℃，最熱月平均溫度22～24℃;年均降水量350～600 mm，主要集中于夏季，占年降水量的72% ～86%，且降水強度大，年際變化也大。土壤為典型的黃綿土和黑壚土，結構疏松，極易塌陷、流失。植被整體上為溫帶森林草原過渡類型，但氣候的地域分異導致了植被格局的空間遞變，從黃土區山地、殘塬溝壑區到黃土丘陵溝壑區依次出現了森林、灌叢和草地。由于開發歷史早，自然植被已遭到嚴重破壞，退化嚴重［9］，當前森林覆蓋率僅6.5%左右，有些地區僅3%。涇河流域侵蝕嚴重，尤其黃土丘陵區多年平均輸沙模數高達1萬t/(km2·a)［3］。

2 研究方法

為反映涇河流域內的輸沙率空間差異，根據流域內有長期水文觀測記錄的11個水文站的控制范圍，將整個流域分為11個河段(圖1)。其中:馬連河流域包括4個河段，即山城川、東川、馬連河中游和馬連河下游河段;涇河干流上游包括5個河段，即汭河、洪河、涇河干流上游、蒲河主干及其支流茹河河段;涇河中下游包括2個河段，即三水河和涇河中下游河段。各河段所屬支流及控制面積詳見表1，各河段控制面積的計算見表2。

之后，基于11個河段的控制面積和11個水文站1960—2000年的實際年輸沙量，按表2計算各河段單位面積年均輸沙量，即年輸沙模數

圖1 涇河流域河段分布圖Fig．1 River courses distribution in Jinghe Basin

式中:Yij為第j河段第i年的年輸沙模數，t/(km2·a);Sij為該河段第i年的年總輸沙量，t;Aj為第j河段控制面積，km2。在此基礎上，進一步計算各河段在20世紀60、70、80和90年代的年均輸沙模數。

根據輸沙模數劃分輸沙強度等級有利于評價河段的輸沙水平。由于黃土高原除渭河等少部分河谷外，其余地區丘陵、溝壑眾多，缺乏可供泥沙沉積的開闊地段，泥沙輸移比均接近于1［10］，即侵蝕模數與輸沙模數基本相等;因此，根據行業標準SL 190—1996《土壤侵蝕分類分級標準》［11］劃分輸沙強度等級，即分為微弱、輕度、中度、強度、極強、劇烈等6級。

3 結果與分析

3.1 涇河流域20世紀60年代的輸沙特征

在20世紀60年代，涇河全流域年均輸沙量為3億249萬 t/a，年均輸沙模數為6 672 t/(km2·a)，平均輸沙等級為強度;但空間分布并不均勻，各河段輸沙強度介于極強度和輕度之間(圖2)。其中，極強度河段面積占流域總面積的30.7%，其年均輸沙量1億4 366萬t/a，占全流域年均輸沙量的47.5%(表3)，它包括4個河段，即涇河流域西部的茹河河段、洪河河段、涇河干流上游河段和涇河流域北部的山城川河段，它們在60年代的年均輸沙模數分別為1 萬3391、1萬1322、1 萬552 和1 萬636 t/(km2·a)。41.9%，年均輸沙量1億1 920萬t/a，占全流域的38.5%(表3)，它包括涇河流域中部偏北的馬連河中游河段、東川河段和涇河中下游河段(圖2)，它們在20世紀60年代的年均輸沙模數分別為7 658、6 813和 5 254 t/(km2·a)。

表1 涇河流域的河段特征Tab．1 Characteristics of river courses in Jinghe Basin

表2 河段控制面積和年輸沙量的計算Tab．2 Calculation of the area and annual sediment yield of each river course

續表2

圖2 涇河20世紀60年代各河段輸沙強度等級分布Fig．2 River courses and their grades of sediment yield intensity in Jinghe Basin during 1960's

輸沙等級為中度的河段面積為7 024 km2，占涇河流域總面積的15.5%，年均輸沙量3 301萬t/a，占全流域年均輸沙量的10.9%(表3)，它包括馬連河下游河段和汭河河段，其20世紀60年代的年均輸沙模數分別為4 828和4 285 t/(km2·a)。

輸沙等級為輕度的面積較小，僅占涇河流域總面積的11.9%，年均輸沙量923萬t/a，占全流域的3.1%(表3)，它包括三水河河段和位于涇河上游的蒲河主河段。

可以看出，輸沙能力較強的極強度和強度河段占涇河流域的大多數，它們主要分布于流域的西部和中北部，并且集中了全流域近90%的輸沙量。

3.2 涇河流域不同強度輸沙河段的輸沙變化

涇河流域年均輸沙模數在20世紀60—80年代持續下降，從60年代的6 672 t/(km2·a)降至80年代的4 272 t/(km2·a)，減小了36.0%，輸沙強度等級亦從強度降為中度;但在90年代又大幅反彈，輸沙等級又回到強度，年均輸沙模數升至5 862 t/(km2·a)，較80年代增加了37.2%，但仍較60年代低11.9%。流域各部分(河段)的輸沙變化是不均勻、不同步的(圖3)，下面按輸沙等級分區介紹流域的輸沙變化。

3.2.1 極強度輸沙河段的輸沙變化 在20世紀60年代輸沙等級為極強度的河段，輸沙變化可分為持續下降型和先降后升型。其中，涇河流域西部的洪河河段和涇河干流上游河段為持續下降型，其年均輸沙模數分別從60年代的1萬1 322和1萬552 t/(km2·a)持續減小至90年代的3 506和3 884 t/(km2·a)，分別減小了66.8%和65.7%，輸沙等級均由極強度降為中度。而涇河流域西部的茹河河段則為先降后升型，其年均輸沙模數在60—80年代持續下降，從60年代的1萬3 391 t/(km2·a)減至80年代的6 894 t/(km2·a)，減小了48.5%，輸沙等級亦由極強度降為強度;但在90年代又回升至1萬169 t/(km2·a)，較80年代增加了47.5%，輸沙等級又變回為極強度，但仍比60年代低24.1%。山城川河段也為先降后升型，其年均輸沙模數由60年代的1萬636 t/(km2·a)減至70年代的6 831 t/(km2·a)，減少了35.8%;但在80年代就開始回升，在90年代回升幅度最大，年均輸沙模數已增至1萬3 501 t/(km2·a)，比最低的70年代增加了97.6%，比60年代也增加了26.9%，甚至超過了60年代輸沙模數最大河段——茹河河段的1萬3 391 t/(km2·a)，成為涇河流域輸沙模數最大的河段。

表3 涇河流域不同輸沙等級河段的年均輸沙量在20世紀60年代至90年代的變化Tab．3 Changes of annual sediment yield of river courses in Jinghe Basin from 1960’s to 1990’s

圖3 涇河流域1960—2000年各河段的輸沙模數變化Fig．3 Changes of sediment yield modulus from river courses in Jinghe Basin during the period from 1960 to 2000

這4個河段，90年代的年均輸沙量為1億935萬t/a，較之60年代的1億4 366萬 t/a減小了23.9%，占涇河全流域年均輸沙量的比率亦從60年代的47.5%減少到39.6%(表3)。這說明極強度輸沙的河段在這40年間的減沙幅度較全流域減沙更明顯，對涇河流域減沙作用的貢獻大。

3.2.2 強度輸沙河段的輸沙變化 強度輸沙河段的輸沙變化過程不同于極強輸沙等級河段，表現為先降后升，其中，涇河中下游河段表現為先下降再小幅反彈，其年均輸沙模數從60年代的5 254 t/(km2·a)減至80年代的3 337 t/(km2·a)，減小了36.5%，輸沙等級也降為中度;在90年代又小幅回升，年均輸沙模數增至4 047 t/(km2·a)，較之最低的80年代增加了21.3%，但仍比60年代低24.5%，輸沙等級仍為中度。與此不同的是，馬連河中游河段和東川河段則表現為先下降，再于90年代大幅回升，如馬連河中游河段的年均輸沙模數在90年代大幅回升至8 499 t/(km2·a)，比最低的80年代增加了33.4%，比60年代亦增加了11.0%，輸沙等級亦升為極強度。這3個河段在90年代的年均輸沙量為1億1 876萬t/a，與60年代的1億1 920萬 t/a接近，這說明強度輸沙河段在這40年間輸沙總量變化較小;而且由于涇河流域的輸沙總量減少了，它們占全流域年均輸沙量的比率亦從60年代的38.5%增加到90年代的44.7%(表3)。

3.2.3 中度及輕度輸沙河段的輸沙變化 在20世紀60年代輸沙等級為中度的河段，輸沙變化表現為持續下降和先降后升2種類型。其中，位于涇河流域西部的汭河河段為持續下降型，其年均輸沙模數由60年代的4 285 t/(km2·a)減為90年代的978 t/(km2·a)，減小了77.2%，輸沙等級由中度降為輕度。而涇河流域中部的馬連河下游河段為先降后升型，其年均輸沙模數在90年代大幅回升至5 247 t/(km2·a)，較之最低的80年代增加了86.5%，比60年代亦增加了8.7%，輸沙等級升至強度。

輸沙等級為輕度的河段，輸沙變化雖然也表現為持續下降和先升后降2種類型，但都徘徊在輕度甚至微度等級，如涇河流域東南部的三水河河段為持續下降型，年均輸沙模數由60年代的1 989 t/(km2·a)減為 90 年代的 627 t/(km2·a)，減小了68.5%，輸沙等級亦由輕度降為微度。

盡管中度及輕度輸沙河段的輸沙量在過去40年間發生了上述變化，但其在涇河流域總輸沙量的比例沒有顯著變化(表3)，這也說明中度和輕度輸沙河段對涇河流域輸沙或減沙的貢獻均較小。

4 討論

涇河流域經歷了顯著的氣候變化，其年降水量在1960—2000年間減少了18.8%，尤其年徑流量減小幅度更大，高達56.1%(表4)，但同期年輸沙模數僅減小了11.9%，說明年降水量及徑流總量的減少只能在一定程度上解釋年輸沙量的降低。實際上，侵蝕性暴雨引起的地表徑流變化與輸沙量變化的關系往往更密切［4］，在涇河流域，全年50% ～60%的降水集中于7—9月［12］，其中近60%為侵蝕性降雨及暴雨［13］，產生高含沙水流的頻率極高［4］。據統計［4］，涇河流域 20 世紀 90 年代的暴雨雨量比80年代增加了2.6%，洪峰徑流量增加了22.2%，這與90年代輸沙模數的反彈相一致，說明流域輸沙量更多地受到侵蝕性暴雨及暴雨徑流量的影響。

表4 涇河流域不同年代以及不同區域的年降水量和年徑流量的變化Tab．4 Annual precipitation and annual runoff in different periods and regions of Jinghe Basin

流域年輸沙量還受人類活動和地表覆被變化影響。在黃土高原，相關的人類活動主要包括植樹造林、修造梯田、建淤地壩等水土保持工程［6］，或毀林開荒、陡坡開荒、過度放牧等增加土壤侵蝕的破壞性行為［7］。據統計，20世紀90年代涇河流域毀林開荒、陡坡開荒產生的泥沙量比70和80年代分別增加了69.0%和40.2%［7］;但是，人類活動類型較多，其影響難以量化，而且破壞地表覆蓋和植樹造林等人類活動的產流產沙影響往往具有長期性和時間滯后性［14］，加之保護性和破壞性的人類活動往往在時空上相互交織，如因過度整地減少了地表覆蓋，造林初期的土壤侵蝕量也可能增大:因此，依據統計數據準確區分多種因素在不同時段的流域輸沙量影響非常困難。

在涇河流域的不同地區，年降水量、侵蝕性降雨量、人類活動的類型和強度以及森林植被覆被的本底和變化過程都不相同，它們的共同作用導致了40年間輸沙量變化格局的空間差異。在涇河流域西部，40年間的年降水量和徑流量都在減少，分別為25.0%和74.7%，而且西部地區氣候相對濕潤，地表植被覆蓋較好，抵御暴雨侵蝕的能力較強，植樹造林在這一地區更易成功，森林覆蓋率以及森林質量的提高可能會在很大程度上解釋為什么年徑流量降低幅度遠大于年降水量的降低幅度［14-15］;因而是降水量的減少和森林植被覆蓋的改善共同導致了40年間西部地區輸沙模數的持續下降，并成為全流域輸沙減少的主要貢獻區。在涇河流域中部，40年間的年降水量和徑流量分別減少了21.2%和34.8%;在涇河流域北部，年降水量減少幅度和中部相近，為24.4%，但年徑流量卻增加了17.9%(表4)，其降水量與徑流量的變化關系明顯不同于流域南部和西部。這可能是由于更加干旱的中北部地區植被覆蓋差，在氣候變化導致的暴雨增多的情況下更易產生侵蝕性的暴雨徑流，或者地表植被覆蓋的質量在下降，導致40年間的輸沙量整體上沒有減少。

由此看來，在屬于半干旱區的涇河流域中部和北部地區，植被覆蓋比屬于半濕潤區的西部和南部地區更加脆弱，氣候變化導致的暴雨徑流增加引起的土壤侵蝕和河流輸沙量增大的作用更加顯著;因此應是未來水土流失重點治理流域中的重點區域，需更加嚴格地控制開荒、過牧等的范圍和強度，保護和恢復地表植被，以控制土壤侵蝕、減少河流泥沙。此外，降水—植被—產流—產沙的過程和數量關系與特定地區的地形地貌、土壤質地、植被類型等多種因素的多個特征緊密相關，要深入理解和準確預測未來氣候變化與改變森林植被及地面形態的人為活動共同影響下的流域輸沙量響應及其空間差異，還需一系列的機制性、過程性的研究。

5 結論

1)20世紀60年代，涇河全流域輸沙強度等級為強度，年均輸沙量為3億249萬t/a，年均輸沙模數為6 672 t/(km2·a)，但空間上不均勻，表現為以強度和極強度等級輸沙區為主，其面積占到全流域的72.6%，年輸沙量占全流域的86.0%。

2)20世紀70年代以來，涇河流域輸沙呈現出不同程度的下降，90年代流域年均輸沙量較60年代減少了12.1%。這主要源于極強度輸沙等級河段的輸沙量大幅下降，其90年代的年均輸沙量為1億935萬t/a，比60年代減小了23.9%，減沙量占流域總減沙量的93.5%。

3)20世紀60—90年代，在植被覆蓋較好的涇河流域西部地區，由于降水量減少和造林種草及修建梯田等治理活動的共同作用，其年均輸沙模數持續減小，成為整個涇河流域減沙的主要貢獻區。而在干旱少雨、植被稀疏的涇河流域中北部地區，其年均輸沙模數在60—80年代減小，但在90年代有所回升，這可能是因為侵蝕性暴雨增加。由此看來，植被稀疏的半干旱地區，更需合理利用和努力提高地表植被覆蓋，使該地區成為水土流失的重點關注和治理地區。

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Spatial-temporal variation of annual sediment yield during 1960—2000 in the Jinghe Basin of Loess Plateau in China

Liu Gefei1，Yu Pengtao1，Wang Yanhui1，Tu Xinwu2，Xiong Wei1，Xu Lihong1
(1.Research Institute of Forest Ecology，Environment and Protection，Chinese Academy of Forestry，100091，Beijing;2.Hydrology and Water Resources Bureau of Sanmenxia Reservoir，Yellow River Conservancy Commission，472000，Sanmenxia，Henan:China)

Quantitative estimation of river sediment yield and its spatial-temporal variation within a river basin is prerequisite to develop an effective strategy for soil erosion control.In this study，the Jinghe basin，where high soil erosion exists，was chosen as representative research area.Based on existing longterm records of 11 hydrological stations，the total river basin was divided into eleven river courses to quantify the spatial-temporal heterogeneity of annual sediment yield during the period of 1960—2000.The results indicated that there was a strong annual sediment yield in Jinghe Basin in the 1960’s，it was 302.49 million t/a for the total river basin and the corresponding annual sediment modulus was 6 672 t/(km2·a)on average.There was a visible spatial heterogeneity of annual sediment yield within the basin.The total area of river courses with sediment yield intensity grades of“extreme”and“severe”accounted for 72.6%of the total basin area，which contributed 86.0%of the annual sediment yield of the total basin.The river courses with sediment yield intensity grade of“moderate”and“slight”covered 27.4%of the total basin area and contributed 14.0%of annual sediment yield of total basin.Since 1970’s，the annual sediment yield in Jinghe Basin reduced.Compared with that of 1960’s，the average of annual sediment yield for the whole basin in 1990’s decreased to 265.78 million t/a，with a reduction ratio of 12.1%.However，93.5%of this sediment reduction took place in the river courses with “extreme”grade of sediment yield intensity.This demonstrated that the river courses with“extreme”grade of sediment yield intensity made a substantial contribution to the sediment reduction in Jinghe Basin，especially the river courses in the west region of Jinghe Basin with higher precipitation and better vegetation coverage;while the sediment yield and contribution from the areas with other grades of sediment yield intensity was basically unchanged.Under the future regional climate change with increasing erosive rain-storms，the semi-arid regions of the Jinghe Basin with lower vegetation coverage and resistance against rainfall erosion should be listed as the key area for erosion control.

soil erosion;sediment yield modulus;spatial-temporal variation;Loess Plateau;Jinghe Basin

2011-04-18

2011-10-10

項目名稱:國家自然科學基金項目“干旱缺水地區森林生長固碳與生態耗水的關系”(41071023)、“干旱缺水地區土地覆被變化對區域耗水的影響”(40730631);林業公益性行業科研專項“西北典型區域基于水分管理的森林植被承載力研究”(200904056)、“多功能林業發展的政策保障體系研究”(200904005);國家林業局六盤山森林定位站和森林生態環境重點實驗室資助

劉革非(1985—)，男，碩士研究生。主要研究方向:森林水文。E-mail:liugefei85@126.com

?責任作者簡介:于澎濤(1970—)，女，副研究員。主要研究方向:森林生態水文。E-mail:yupt@caf.ac.cn

(責任編輯:程 云)