黃河河龍區間退耕還林前后淤地壩攔沙特征分析

梁 越,焦菊英

1 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,楊凌 712100 2 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100 3 中國科學院大學,北京 100049

黃河中游河龍區間是黃河流域水土流失最嚴重的區域,也是黃河泥沙的主要來源區[1- 2]。為控制水土流失,國家在河龍區間進行了梯田、淤地壩、水庫等一系列水利水保工程建設[3],其中淤地壩是黃土高原治理水土流失廣泛使用的溝道治理措施[4]。淤地壩在攔泥保土、淤地造田以及合理利用水資源等方面成效顯著,大規模建設淤地壩,在治理水土流失、減少入黃泥沙、改善生態環境等方面具有不可替代的重要作用[5]?，F階段,尤其是退耕還林(草)工程實施以來,林草覆蓋率顯著提高[6],土壤侵蝕程度降低[7],生態環境明顯改善。退耕后黃土高原34%的區域土壤侵蝕率下降,48%的區域土壤侵蝕率不變,18%的區域土壤侵蝕率輕微增加,且強烈侵蝕的區域收縮而輕微侵蝕的區域擴張[8]；在吳起縣,退耕后平均土壤侵蝕模數比退耕前減少了45.96%,每年可減少土壤侵蝕量約1704萬t[9]；在模擬年降雨條件下,榆林市2013年土壤流失總量比退耕前的2000年和2001年分別減少了40%和41%[10]。

因此,當前是否應該繼續進行大規模的淤地壩建設引起學者們的廣泛探討。在當前的侵蝕環境下,很多壩控流域實際侵蝕模數小于設計值,淤地壩大量空置,壩內多有積水而無法利用[11],造成經濟資源和水土資源的雙重浪費；如果全面按照淤地壩建設規劃實施,截至2020年,淤地壩建設將減少43億m3的水量進入黃河[12],嚴重影響下游的用水安全。退耕前后河龍區間淤地壩攔沙的變化究竟如何？當前河龍區間淤地壩攔淤潛力如何？今后淤地壩的建設應該如何規劃？這些問題的解決對未來河龍區間水土保持措施配置、水土保持投資規模和方向無疑具有重要的參考意義。然而,目前關于退耕還林(草)工程前后淤地壩攔沙變化的研究還較少涉及,且現有的研究一般是針對單個淤地壩開展的[13],樣本量小,偶然性大,不足以代表區域淤地壩攔沙變化的整體規律。

鑒于此,本研究通過對延河流域和皇甫川流域多個典型淤地壩的淤積量進行實地測量,同時結合已發表文獻中河龍區間淤地壩攔沙數據的收集,分析河龍區間淤地壩退耕前后攔沙的變化特征,探明當前河龍區間淤地壩淤積速度和攔淤潛力,以期為未來河龍區間淤地壩建設規劃、水土保持治理和生態文明建設以及退耕還林還草工程的水土保持效應評價提供依據。

1 材料與方法

1.1 淤地壩攔沙數據來源

作者團隊近年來在陜北安塞縣坊塌、馬家溝小流域以及皇甫川流域特拉溝、滿紅溝小流域對建于1975—2013年間的11座典型淤地壩進行了實地測量(表1),并計算了淤積總量和攔沙模數。

同時,從CNKI、百度學術與中國學位論文全文數據庫中以“黃土高原”、“淤地壩”、“Loess Plateau”與“Check dam”等為關鍵詞搜集了國內外近20年來發表的有關淤地壩攔沙的文獻,篩選具有淤地壩攔沙量詳細數據的文獻,整理淤地壩位置、名稱、控制面積、運行時段、淤積量和攔沙模數等信息。共篩選了15篇文獻,包括29個淤地壩(表1)。

表1 用于分析的淤地壩及其攔沙情況

*將原文為淤積體積的換算為淤積量,其中,安塞云臺山溝取泥沙容重為1.3 g/cm3

1.2 淤地壩攔沙數據分析

本研究采用分區分時段的方法對河龍區間淤地壩攔沙進行對比分析,即將作者團隊實地測量和文獻搜集的淤地壩攔沙模數數據劃分為不同分區不同時段并計算其平均值,其中各個淤地壩按照其運行時段參與不同時段攔沙模數的計算。

本研究將1999年及以前的時間認定為退耕前的階段,將2000年及以后的時間認定為退耕后的階段[28]；根據學者對水土保持政策和治理階段的劃分[29]結合文獻中淤地壩的運行時段,進一步將各壩退耕前計算時段分為1950—1963年、1964—1978年、1979—1999年三個時段；將退耕后計算時段分為2000—2004年(退耕初期)以及2005年以后(退耕中后期)兩個時段[30]。參考以往文獻中對河龍區間地理空間的劃分[31],將河龍區間河口鎮到吳堡區間劃分為河龍區間北部,將吳堡到龍門之間的無定河流域及其周邊劃分為河龍區間中部,將吳堡到龍門之間的其他區域劃分為河龍區間南部。

由于攔沙模數數據不服從正態分布且方差不齊,故使用Kruskal-Wallis檢驗進行非參數檢驗和兩兩比較分析(sig=0.05)來對比不同時段淤地壩攔沙模數的差異。本文使用Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 9.0軟件進行統計分析和作圖。

1.3 植被覆蓋度的來源與處理

本研究利用壩控流域的植被覆蓋度作為淤地壩攔沙的影響因素,使用的植被覆蓋度(FVC)數據來源于中科院遙感與數字地球研究所數字農業研究室,利用像元二分法產生。由于每年夏季是植物典型的生長季,植被覆蓋最好[32],所以分別利用1990年、2002年和2013年7月份的植被覆蓋度數據來代表退耕前后1979—1999年、2000—2004年和2005年之后三個時段植被覆蓋度的平均情況。其中各淤地壩壩控流域的植被覆蓋度利用Arcgis 10.1進行提取。

2 結果與分析

2.1 退耕還林(草)前后淤地壩攔沙變化特征

退耕后河龍區間北部、中部和南部淤地壩年均攔沙模數比退耕前分別減少了6991.3 t km-2a-1(49.5%)、13757.8 t km-2a-1(84.1%)和4610.7 t km-2a-1(52.1%)(圖1),三個分區退耕后的淤地壩攔沙模數均顯著小于退耕前(P<0.05)；根據水利部的水力侵蝕程度分級標準(SL190—2007),退耕后河龍區間北部、中部和南部壩控流域總體上侵蝕程度分別由極強烈侵蝕、劇烈侵蝕和極強烈侵蝕轉變為強烈侵蝕、中度侵蝕和中度侵蝕。退耕后河龍區間中部淤地壩攔沙模數為2596.5 t km-2a-1,河龍區間南部是中部的1.6倍(4230.9 t km-2a-1),河龍區間北部是中部的2.7倍(7138.5 t km-2a-1),均超過了西北黃土高原地區的容許土壤流失量(1000 t km-2a-1)。綜上所述,退耕還林(草)工程在河龍區間小流域的減沙效應表現為：中部 >南部 >北部。

2.2 退耕還林(草)前淤地壩攔沙特征

河龍區間北部、中部和南部淤地壩退耕前的平均攔沙模數分別為14129.8 t km-2a-1、16354.4 t km-2a-1和8841.7 t km-2a-1,其壩控流域總體的侵蝕程度分別屬于極強烈侵蝕、劇烈侵蝕和極強烈侵蝕。河龍區間南部和中部在1950—1963年、1964—1978年、1979—1999年三個時段內的淤地壩攔沙模數分別為18223.5 t km-2a-1、13404.9 t km-2a-1、5419.2 t km-2a-1和24224.9 t km-2a-1、10443.6 t km-2a-1、17074.9 t km-2a-1,隨時間推進均呈現減小的趨勢,且不同時段的淤地壩攔沙模數存在顯著性差異(P<0.05)(圖2)。河龍區間北部淤地壩攔沙模數在三個時段內的淤地壩攔沙模數分別為17187.5 t km-2a-1、14165.6 t km-2a-1、14119.0 t km-2a-1,隨時間推移變化幅度不大,且不存在顯著性差異(P>0.05)。

圖1 河龍區間各分區退耕前后淤地壩攔沙變化特征 Fig.1 The variation of retained sediment amount before and after the “Grain to Green” project on different subzones in the He-Long Reach of the Yellow River不同字母表示不同時段淤地壩攔沙模數存在顯著性差異；誤差棒表示標準誤

圖2 河龍區間各分區退耕前淤地壩攔沙模數 Fig.2 Retained sediment amount in different periods before “Grain to Green” project on different regions in the He-Long Reach of the Yellow River

2.3 退耕還林(草)后淤地壩攔沙特征

圖3 河龍區間各分區退耕后淤地壩攔沙模數 Fig.3 Retained sediment amount in different periods after “Grain to Green” project on different regions in the He-Long Reach of the Yellow River

退耕還林(草)工程實施后,河龍區間南部和中部在兩個時段的淤地壩攔沙模數變化不大,壩控流域的侵蝕程度總體上均處于中度侵蝕；河龍區間北部在退耕后兩個時段的淤地壩攔沙模數分別為8647.7 t km-2a-1和5776.8 t km-2a-1,隨時段推進變化呈現降低的趨勢,2005年之后的淤地壩攔沙模數比2000—2004年減少了33.2%(圖3),但不同時段的淤地壩攔沙模數無顯著性差異(P>0.05)。退耕后河龍區間北部淤地壩的攔沙模數遠大于中部和南部,而中部和南部淤地壩的攔沙模數在退耕后兩個時段均較為接近。

3 討論

流域侵蝕產沙一般受氣候變化和人類活動的綜合影響[33]。由于河龍區間近60年來的侵蝕性降雨和降雨侵蝕力均沒有發生顯著性變化[2,34],因此降雨變化并不是宏觀上河龍區間退耕后小流域淤地壩攔沙量下降的主要原因,退耕后植被覆蓋的變化可能是小流域侵蝕產沙量下降的主要推動力。

由圖4、5可知,河龍區間植被覆蓋度均隨時段推進不斷上升,而淤地壩年均攔沙模數隨時段推進而不斷下降,其變化趨勢與植被覆蓋度相反；河龍區間北部、中部和南部的淤地壩在退耕初期(2000—2004年)年均攔沙模數總體上隨植被覆蓋度的上升比1979—1999年時段分別降低了38.8%、74.3%和25.2%,下降幅度很大,而從2000—2004年到2005年以后時段,河龍區間中部和南部的平均植被覆蓋度分別由54%、58%上升到68%和78%,而河龍區間中部的年均攔沙模數僅下降了9.63%(422 t km-2a-1),而南部還略有上升。這可能是由于短期淤地壩攔沙變化受降雨的年際變異影響較大,也與植被覆蓋降低侵蝕產沙的作用存在臨界值有關[3,35],在河龍區間,當植被覆蓋度低于50%時,侵蝕產沙量隨植被覆蓋度的上升而迅速下降,但當植被覆蓋度超過50%之后,侵蝕產沙量則處于較低水平且趨于穩定,此時植被覆蓋度繼續上升對降低侵蝕產沙的作用并不明顯。

圖4 河龍區間1990—2013年7月平均植被覆蓋度Fig.4 Vegetation coverage in July in He-Long Reach of the Yellow River during 1990 to 2013

圖5 河龍區間各分區壩控流域植被覆蓋度與淤地壩攔沙模數關系Fig.5 Corresponding relationship between retained sediment amount and vegetation coverage of dam-controlled watersheds in the sub-zones of the He-Long Reach of the Yellow River

此外,退耕前河龍區間小流域的坡面水土保持綜合治理也明顯地降低了淤地壩的攔沙量,具體表現為河龍區間北部、中部和南部在1979—1999年時段內的年均攔沙模數分別為1950—1963年的82.1%、70.5%和29.7%。小流域綜合治理措施改變了流域下墊面特性及產匯流條件,不同程度地發揮了滯洪攔沙作用[36]。綜上,退耕還林(草)工程和坡面水土保持治理措施均能有效地降低小流域侵蝕產沙,削減入黃泥沙,具有較好的水土保持效應。

雖然淤地壩平均攔沙模數總體上隨時間推進呈現下降的趨勢,且退耕后顯著小于退耕前,然而,近年來,極端暴雨事件下的小流域侵蝕產沙非常嚴重,依然會導致較大的淤地壩攔沙量。例如,2013年7月延河流域發生連續強降雨事件,通過旋廻層淤積量反演淤地壩的泥沙淤積過程可知,7月12日(降雨量為100mm)安塞坊塌4號壩、洞兒溝流域、閻橋流域和蘆渠流域的次產沙模數最大,分別為3756.8 t/km2、7546.0 t/km2、2843.2 t/km2和3994.3 t/km2[37]。再如,作者團隊通過對2017年無定河流域“7·26”特大暴雨事件下子洲12座淤地壩的攔沙量進行調查,發現淤地壩攔沙模數變化在9715.6—53920.5 t/km2之間,次降雨的淤地壩攔沙模數就遠高于本文得出的河龍區間中部在退耕后的淤地壩年平均攔沙模數(2596.5 t km-2a-1)。這表明,雖然退耕后河龍區間小流域淤地壩攔沙量整體上顯著降低,生態環境明顯改善,但在遭受極端暴雨事件時依然會產生極高的侵蝕產沙量,極端暴雨事件對淤地壩多年攔沙量的貢獻極大。

由于退耕后河龍區間淤地壩攔沙模數顯著小于退耕前,因此基于退耕前小流域侵蝕程度的淤地壩建設規模已不再適應退耕后的實際情況。退耕后河龍區間中部和南部淤地壩平均攔沙模數分別是退耕前的15.9%和47.9%,壩控流域侵蝕程度總體上由劇烈侵蝕和極強烈侵蝕均轉變為中度侵蝕,因此未來河龍區間南部和中部淤地壩建設應根據壩控流域侵蝕產沙的改變合理縮減規模,以免對水資源造成過度消耗,導致下游用水緊張。同時,考慮到河龍區間當前不同區域小流域的侵蝕環境,未來水土保持規劃需要協調配置坡面水土保持措施和溝道治理措施,并根據當前小流域的侵蝕產沙狀況,及時對淤地壩建設規劃做出合理調整。

4 結論

(1) 退耕后,河龍區間北部、中部和南部淤地壩平均攔沙模數比退耕前分別減少了49.5%、84.1%和52.1%,北部、中部和南部淤地壩攔沙模數均顯著小于退耕前；壩控流域的總體侵蝕程度由極強烈侵蝕、劇烈侵蝕和極強烈侵蝕分別變為強烈侵蝕、中度侵蝕和中度侵蝕,退耕后植被覆蓋度的提高是河龍區間小流域淤地壩攔沙模數降低的主要原因。

(2) 由于小流域的水土保持綜合治理,退耕前河龍區間中部和南部淤地壩攔沙模數隨時間推進均呈現減小的趨勢,不同時段淤地壩攔沙模數總體上均呈現顯著性差異,而河龍區間北部淤地壩攔沙模數隨時間推進變化不大,且差異不顯著。

(3) 退耕還林(草)工程在河龍區間小流域的減沙效應表現為：中部 >南部 >北部。退耕還林(草)工程實施后,黃河中游河龍區間壩控流域的侵蝕模數大幅度降低,生態環境有所改善,但河龍區間壩控流域的侵蝕模數仍然超過容許土壤流失量,尤其是河龍區間北部壩控流域侵蝕程度還處于強烈侵蝕,需要繼續加大水土保持工作投入力度。

(4) 退耕后河龍區間中部和南部淤地壩年均攔沙模數分別是退耕前的15.9%和47.9%,壩控流域侵蝕程度總體上由劇烈侵蝕和極強烈侵蝕均轉變為中度侵蝕,淤地壩建設規模應該有所縮小以適應現階段壩控流域侵蝕程度的變化。