水土保持措施對(duì)羅玉溝流域水沙變化的影響

秦瑞杰，陸廣勇，安樂平，李 雷，蔡玖錙

(1.黃河水利委員會(huì) 天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水 741000；2.廣西博環(huán)環(huán)境咨詢服務(wù)有限公司，廣西 南寧 530005)

黃土丘陵溝壑區(qū)地形破碎、溝壑縱橫、生態(tài)環(huán)境脆弱，是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，嚴(yán)重的水土流失不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，而且制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。選擇黃土丘陵溝壑區(qū)典型流域——羅玉溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，以流域內(nèi)1986—2010年實(shí)測(cè)的降水、徑流、泥沙資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過整理分析，在前人相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)流域水沙變化、水土流失成因進(jìn)行分析，希望能為探索該區(qū)域水土流失規(guī)律、治理方向和措施布設(shè)提供參考。

1 流域概況及研究方法

1.1 流域概況

羅玉溝是黃河水系藉河左岸的一條支溝，位于天水市區(qū)北部，地理位置介于105°30′33.8″～105°44′2.5″E、34°35′21.7″～34°39′22″N，流域面積(卡口站以上)72.79 km2，主溝道長(zhǎng)21.81 km，平均寬3.37 km。流域內(nèi)有大小支溝138條，溝壑密度為3.54 km/km2，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。流域內(nèi)多年平均降水量552.5 mm(1986—2010年)，降水量年際變化大，年內(nèi)分配不均，汛期(5—10月)降水量455.1 mm，占年降水量的82.4%，年蒸發(fā)量1 293.3 mm，干燥度為1.3；年平均氣溫10.7 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫3 360 ℃，無(wú)霜期184 d，年平均風(fēng)速1.3 m/s；主要土壤類型為山地灰褐土，其分布面積占流域面積的91.7%；主要農(nóng)作物有小麥、玉米、馬鈴薯等，經(jīng)濟(jì)林以櫻桃、蘋果、梨、核桃等樹種為主。

1.2 資料收集及分析方法

1985年黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱“天水站”)在羅玉溝流域布設(shè)雨量站、卡口站，并開始降水、徑流、泥沙觀測(cè)。本研究應(yīng)用的1986—2010年間的流域降水、徑流、泥沙觀測(cè)資料均來(lái)源于天水站在羅玉溝流域布設(shè)的雨量站和左家場(chǎng)溝口站的觀測(cè)成果，主要包括歷年降水量、徑流量及輸沙量數(shù)據(jù)。水土保持措施數(shù)量主要來(lái)源于天水站歷年統(tǒng)計(jì)資料、天水市水利統(tǒng)計(jì)年報(bào)，以及采用人工調(diào)查、遙感調(diào)查手段獲取的水土保持措施統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，主要包括梯田、林地、草地等的面積。

選擇整理1986—2010年間連續(xù)實(shí)測(cè)、配套數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，利用SPSS 24.0中的描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、回歸分析、方差分析等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 水沙關(guān)系變化分析

2.1.1 徑流、泥沙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1為羅玉溝流域1986—2010年歷年降水量、徑流量、輸沙量情況。由圖1可知，研究區(qū)1986—2010年歷年降水量、徑流量和輸沙量變化波動(dòng)較明顯，變化范圍分別為378.2～841.4 mm、13.6萬(wàn)～682.2萬(wàn)m3、0.6萬(wàn)～162.4萬(wàn)t。

對(duì)流域內(nèi)1986—2010年左家場(chǎng)溝口站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：流域內(nèi)多年平均降水量為552.5 mm，年降水量的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)分別為0.21、0.75；多年平均徑流量為201.32萬(wàn)m3，年徑流量的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)分別為0.19、0.98； 多年平均輸沙量為33.83萬(wàn)t，年輸沙量的變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)分別為1.21、1.77。輸沙量的變異性和年度差異性最大，即輸沙量雖然受降水量和徑流量影響，但是其波動(dòng)程度要大于降水量和徑流量。由圖1還可以看出，年徑流量、輸沙量、降水量的最大值分別出現(xiàn)在1988、1988和2003年，最小值分別出現(xiàn)在2010、2010和1997年，最大和最小值出現(xiàn)年份并不完全一致，表明流域水沙變化除了受降水量的影響，還受到其他因素的影響。

圖1 羅玉溝流域1986—2010年歷年降水量、徑流量、輸沙量

2.1.2 降水輸沙關(guān)系

點(diǎn)繪年徑流量、降水量、輸沙量散點(diǎn)圖，進(jìn)行回歸分析，建立它們之間的關(guān)系，見圖2。可以看出，年徑流量、輸沙量與降水量之間均表現(xiàn)為較好的冪函數(shù)關(guān)系，且年降水量對(duì)徑流量的影響比較明顯，而年輸沙量與徑流量之間則呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。

(a)年徑流量和降水量關(guān)系

(b)年輸沙量和降水量關(guān)系

(c)年輸沙量和徑流量關(guān)系

2.2 水土保持措施對(duì)流域水沙關(guān)系的影響

2.2.1 水土保持措施面積變化

羅玉溝流域大規(guī)模治理開始于20世紀(jì)80年代中期，本研究選擇1986、1993、2001、2009年作為代表不同時(shí)期治理水平的典型年份，對(duì)羅玉溝流域的水土流失治理水平進(jìn)行分析。可以認(rèn)為1986年以前為未治理期，將1986年流域土地利用作為本底值，與1986年后各典型年份土地利用情況進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)比梯田、林地、草地、果園等水土保持措施面積變化情況。各典型年份流域土地利用情況見表1。

(1)梯田。1986年流域內(nèi)梯田面積為292.93 hm2，僅占流域總面積的4.02%，而坡耕地面積占流域總面積的比例卻高達(dá)68.93%。從20世紀(jì)80年代后期開始，流域內(nèi)水土流失治理措施逐年增加，到1993年梯田面積增長(zhǎng)到353.90 hm2，2001年增長(zhǎng)到404.66 hm2，到2009年達(dá)到1 847.16 hm2。特別是2001—2009年藉河流域水土保持示范區(qū)的實(shí)施使坡耕地面積持續(xù)減少，梯田化水平明顯提高。1986—2009年，流域內(nèi)坡耕地面積由5 017.36 hm2減少到2 567.42 hm2，減少了48.8%。

表1 羅玉溝流域不同時(shí)期土地利用情況統(tǒng)計(jì)

(2)林地。1986年流域內(nèi)共有林地(含灌木林地、有林地、果園)892.70 hm2，僅占流域總面積的12.26%。到1993年，林地面積增長(zhǎng)到1 366.52 hm2，2001年又增長(zhǎng)到1 603.69 hm2，2009年林地面積相比2001年有所減少，但其中果園面積增長(zhǎng)較快，從2001年的450.12 hm2增長(zhǎng)到2009年的735.33 hm2，增長(zhǎng)了63.36%。主要原因是，1986—2010年流域內(nèi)大力推廣大櫻桃園建設(shè)，建成了煙鋪大櫻桃基地，并配套建設(shè)了灌溉、道路等設(shè)施，在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也增加了當(dāng)?shù)厝罕姷慕?jīng)濟(jì)收入。

(3)草地。1986年流域內(nèi)共有草地706.78 hm2，占流域總面積的9.71%。隨著生產(chǎn)條件的不斷改善，流域內(nèi)農(nóng)戶養(yǎng)牲畜的人數(shù)逐漸減少，人工草地也相應(yīng)減少，到2001年，草地面積減少到476.97 hm2，但之后隨著中藥材等經(jīng)濟(jì)作物種植面積的增加，到2009年草地面積又增加到851.27 hm2。

2.2.2 不同時(shí)期水沙關(guān)系變化

為更好地分析流域土地利用方式改變，尤其是梯田、林草等措施布設(shè)對(duì)流域水沙關(guān)系的影響，將流域水沙數(shù)據(jù)分為1986—1999、2000—2010年兩個(gè)時(shí)期，以定量分析水土保持措施對(duì)流域水沙關(guān)系變化的影響。

羅玉溝流域不同時(shí)期年徑流量和輸沙量隨土地利用變化而變化，隨著梯田、林地和草地面積增加，年徑流量和輸沙量均表現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì)。1986—1999年流域內(nèi)平均年降水量、徑流量、輸沙量分別為532.90 mm、237.56萬(wàn)m3、37.37萬(wàn)t，而2000—2010年平均年降水量、徑流量、輸沙量分別為577.55 mm、155.21萬(wàn)m3、29.33萬(wàn)t。與1986—1999年相比，2000—2010年平均年降水量增加了8.4%，而平均年徑流量、輸沙量則分別降低了34.7%和21.5%。

擬合1986—1999、2000—2010年平均年徑流量、降水量、輸沙量的關(guān)系，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，與1986—1999年相比，2000—2010年羅玉溝流域在年降水量增加的同時(shí)年徑流量及輸沙量趨于減少。研究表明，除降雨等氣候因素外，土地利用方式、地表植被覆蓋狀況等也是土壤侵蝕的主要影響因素[2-4]。分析流域內(nèi)1986—2010年土地利用方式及地表植被覆蓋變化可知，25年間羅玉溝流域土地利用變化主要體現(xiàn)為流域大規(guī)模綜合治理導(dǎo)致的水土保持措施面積變化，以及由此引起的地表植被覆蓋變化。與1986—1999年相比，2000—2010年流域內(nèi)坡耕地面積減少，梯田、林草地面積增加，最終導(dǎo)致了流域水沙總量減少。同時(shí)，從不同時(shí)期流域年降水量、徑流量和輸沙量的關(guān)系可以看出，梯田、林草地等水土保持措施面積的增加對(duì)于徑流量的影響要大于對(duì)輸沙量的影響。

(a)年徑流量和降水量關(guān)系

(b)年輸沙量和降水量關(guān)系

(c)年輸沙量和徑流量關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)羅玉溝流域年徑流量、輸沙量與降水量之間均表現(xiàn)為較好的冪函數(shù)關(guān)系，而年輸沙量與徑流量之間則呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。

(2)羅玉溝流域1986—1999、2000—2010年年徑流量和輸沙量均表現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì)，這主要是由于流域內(nèi)水土保持措施面積的改變，特別是梯田、林地和草地面積增加，以及坡耕地面積減少的影響。