柳河水沙過程對水土保持治理的響應研究

孫 穎

(遼寧省彰武縣水利事務服務中心，遼寧 彰武 123200)

0 引 言

柳河是遼河中下游右側的一條多泥沙支流，主要流經庫倫旗、科左后旗、阜新縣、彰武縣、新民縣等縣旗，總長302km，占地面積5798km2。流域內地形呈東南低、西北高，地勢起伏不平，在彰武縣城以上可分為坨甸區、漫崗區、丘陵溝壑區、低山丘陵區四種類型，彰武以下河段無支流匯入，以平原為主。經地方水利部門溝通和現場實地查勘后，確定致使近岸河灘地嚴重水土流失的原因有上游水庫放水沖刷、臨河岸坡雨水沖蝕、岸坡前植被狀況較差等，由于岸灘沖兌部分河段形成險情。近年來，柳河流域實施了筑壩、梯田、植樹種草、防洪治理及水土保持等工程，在造福人類的同時這些治理工程也使得流域下墊面條件發生改變，對流域產水與產沙過程帶來極大的影響。例如，Mu XM等[1]以黃河中游為例，對流域徑流響應水保治理的變化過程，采用日流量歷時曲線、Pettitt檢驗和M-K檢驗研究；徐建華等[2]以實踐工程，探究了年均徑流響應筑壩的變化過程。綜上分析，現有研究涉及泥沙過程響應水保治理的較少。考慮到柳河泥沙粒徑粗、產沙量大的實際情況，水生物種賴以生存的環境受河流系統中沉積物運移和補給的影響極大，并直接決定著下游河道淤積[3]。文章以柳河彰武縣段為例，深入分析了水沙過程受氣候變化的影響作用，以近20a年流域降雨變化數據以及水保治理前后的平水期輸沙量、日徑流資料為基礎，對流域水沙在水保工程影響前后的變化特征利用變動范圍法(RVA)進行評價，定性評價了水沙過程響應水保措施的程度并定量揭示了柳河水沙過程的空間變化規律，以期為柳河流域生態環境恢復和水資源管理提供參考。

1 區域概況

柳河流域屬于大陸性寒溫帶氣候型，年均氣溫6-8℃，年降雨量400-600mm，自北向南降水遞增，其中6-9月雨量約占全年的80%，暴雨集中，極易造成土壤侵蝕和洪澇災害。柳河上游有新開河、烏根稿河、養畜牧河三條支流，控制面積為2405 km2、341 km2、825 km2，三支流于鬧德海庫尾端相匯始稱柳河。大小清溝等小支流匯入柳河鬧德海以下左岸，柳河流域特性如表1。

柳河彰武縣城區段，地勢北高南低，東西為丘陵，北部為沙荒，中、南部為平原。彰武以上河長229km，平均河道比降為1.47‰，水文測站和流域水系分布如圖1。以柳河干流彰武縣段為例，現已實施淤地壩、梯田、造林種草等水土保持工程，且近期水保治理面積呈顯著增大趨勢。

表1 柳河流域特性表

圖1 柳河流域示意圖

2 研究方法

2.1 RVA方法

采用IHA指標體系評價生態水文狀態改變的變量有流量變動率、持續期、頻率、時間、大小幅度等五大類32項水文指標[4]。筑壩前后保持指標變幅出現相同的頻率為RVA方法的核心目標，水文變化程度的計算一般以上下限為25th、75th分位數完成，其表達式為：

(1)

若RVA生態目標范圍內完全落入預期頻率和實測頻率，則認為未發生水文變化，變化程度為零；若RVA生態目標范圍內落入的預期頻率低于實測頻率，則變化程度取正，反之則取負[5]。泥沙狀態變化的評價類似于IHA指標體系，即評估過程中引入18個變量參數，并以流量持續時間、頻率、大小幅度三類劃分這些指標，如表2。

結合柳河流域實際情況以及相關文獻資料，本研究計算預期和實測頻率的時間界限為1989年，并在此基礎上確定河流泥沙、水文變化程度。

2.2 分離氣候變化法

一直以來，對流域水文變化受人類活動、氣候變化等因素影響的定量評價，屬于一項復雜的系統性問題。有學者[6]通過模擬不同氣候情景，采用水文模擬途徑探究了氣候變化對黃河中上游徑流的影響，結果發現中游地區對氣候的變化較上游地區更為敏感，較對氣候變化的響應徑流對降水變化更加顯著。所以，分離氣候變化影響為探究下墊面變化受水沙過程影響的基本條件。其實現流程為：將流域面平均年降雨量利用柳河流域各雨量站同期年降雨資料計算確定，并按照平水期(25%<分位數<75%)、枯水期(分位數≤25%)、豐水期(分位數≥75%)的定義劃分相應的年份，如圖2，水保治理對水沙過程的影響研究選擇平水年的年份。

表2 IHA指標體系及其特征

圖2 平、枯、豐水年劃分

2.3 水沙過程變化規律分析法

考慮到確定流域水文變化程度時IHA因子的貢獻率存在一定差異，所以沒必要在反映水文變化程度時分析所有IHA因子的變化[7]。為揭示水沙過程的空間規律利用RVA分析法選擇較大綜合變化程度的因子，即按升序排列綜合變化的所有IHA因子，典型參數即為分位數超過67%的因子，最終站點控制子流域的水沙變化數值等于同一站點不同典型參數的平均值。

根據文獻資料和流域實際情況，將水文變化程度劃分為高度、適度、無變化或小變化3個等級，所對應的取值為68%-100%、34%-67%、0%-33%。本研究對柳河彰武縣段的水沙過程空間變化特征，利用文獻中的方法定量評估。

3 結果與分析

3.1 水文、泥沙變化特點

柳河彰武縣段泥沙、水文變化程序，其排序情況如圖3。從圖3可知，研究河段的泥沙、徑流變化特征為：①月平均值：1-12月的月均輸沙量、流量共24個指數均屬于月平均值類指標，顯然10月發生的水沙變化最明顯，由于大的洪水事件未出現于RVA方法的上邊界(25%處)使得7月月平均流量的變化略小。②極值輸沙量、流量特征變化：年最大多日輸沙量及年最大和最小多日流量中，變化最大的為年最大3d輸沙量及年最小90d流量，表明半周時間尺度的輸沙量機制及最小流量的季節變化受水土保持治理的影響最大。③極值輸沙量、流量的持續時間與出現頻率：柳河彰武縣段高(低)輸沙量、流量受人類活動影響后歷時變短，在一定程度上增加頻率；此外，流域的年際徑流變化程度呈增加趨勢主要體現在徑流向減小或增加相反趨勢變化次數的增加，即反轉數的增加。

(a)水文

(b)泥沙

3.2 柳河水沙空間變化規律

結合圖3排序結果，確定水文變化空間分布規律的分析參數包括11月月平均流量、最小流量出現日期、年低流量數、2月月平均流量、降率、升率、6月月平均流量、年高流量數、7月月平均流量、最小90d流量、10月月平均流量、反轉數；另外，確定泥沙變化空間分布規律的分析參數包括11、7、10、4、1月月平均輸沙量及3月月平均輸沙量、年最大3d輸沙量、年高輸沙量數。為揭示柳河彰武縣段泥沙、水文變化的空間分布特征引入Richter分級法和子流域水沙變化程度，結果表明柳河彰武縣段具有較高的水保治理建設面積比，并且泥沙、水文變化較為顯著。總體而言，柳河彰武縣段具有相似的泥沙、水文空間分布變幅。

3.3 水沙過程響應定性評估

考慮到較復雜的下墊面條件變化成因，故對流域水沙變化程度受水保措施強度、類別的影響僅做定性評估。一般地，非工程和工程治理為水土保持治理的兩種類型，2017年柳河彰武縣段梯田、淤地壩、種草、植樹等水保措施所占面積比如圖4。

從圖4可知：①雖然淤地壩、梯田等工程治理建設面積在柳河彰武縣段所占比例較小，如8%的淤地壩、10%梯田面積，但通過阻止或減少坡面流可進一步改變水文過程，有效防治土壤侵蝕的發生，因此工程治理能夠更直接的影響水沙過程，特別是高含沙水流的影響更加明顯。②柳河彰武縣段水沙過程變化還在一定程度上受到植樹造林的影響，較植樹所占面積比種草所占面積比在流域非工程治理措施中更小，且研究河段內兩者面積比存在較大差異。

圖4 水保措施面積占比

4 結 論

以柳河彰武縣段為例，對其水沙過程響應水保治理機制利用RVA方法研究，在此基礎上對水沙受水保措施的影響做定性評估。結果發現，在空間分布上流域泥沙與水文變化具有相似特征，其原因為流域水沙變化在很大程度上取決于水土保持工程強度。考慮到復雜的水沙機制，也會偶然存在差異的水沙空間變化程度；隨著水保措施強度和類型的不同，水沙過程響應水保治理的程度也會發生改變，其中工程治理較直接的影響著水沙過程，而柳河彰武縣段水沙變化還受到植樹造林等非工程治理的影響，可為柳河流域綜合治理及其生態修復提供科學指導。