甘肅省黃河流域水土保持措施減水減沙效益研究

牟 極，楊正華，張 芮，孫 超，盧小霞，王 強

(1.甘肅省水利廳 水土保持中心，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 748599)

水少沙多是黃河的突出特點。隨著氣候條件的變化和水庫、淤地壩、梯田、造林等工程的建設，黃河流域水沙關系發生重大變化，進而影響河道輸沙與沖淤過程。許多學者從不同角度對黃河流域水沙關系進行了研究，分析了黃河流域不同區域的水沙關系變化特征。謝發兵等[1]提出水土保持措施的實施和大型水利工程的運行是改變黃河干流水沙關系的主要原因。翟婷婷等[2]發現水土保持措施可有效調蓄洪峰、降低含沙量，在水土保持措施影響下延河流域洪峰流量和最大含沙量分別降低了89.77%和49.25%。本研究統計1956—2020年甘肅省黃河流域主要水文站徑流量、輸沙量數據，分析徑流量、輸沙量的變化特征，探討降水量對徑流量、輸沙量的影響，計算水土保持措施的減水減沙效益。

1 研究區概況

黃河干流在甘肅省境內全長913 km，流經甘南、臨夏、蘭州、白銀等4個市(州)的15個縣(區)。甘肅省黃河流域涉及甘南、臨夏、武威、蘭州、白銀、定西、天水、平涼、慶陽等9個市(州)，總面積14.59萬km2，總人口1 854萬人。近年來，甘肅省水土流失綜合治理取得顯著成績，截至2020年甘肅省黃河流域水土流失面積4.71萬km2，累計實施水土保持措施面積682.8萬hm2，其中興修梯田200.27萬hm2、營造水土保持林238.67萬hm2、種草91.13萬hm2、封禁治理85.93萬hm2、其他66.80萬hm2。

2 研究方法

本研究統計1956—2020年甘肅省蘭州、瑪曲、紅旗和安寧渡4個水文站徑流量、輸沙量數據，以及甘肅省黃河流域13個雨量站的降水觀測數據，采用Mann-Kendall檢驗法[3](以下簡稱“M-K檢驗”)分析1956—2020年甘肅省黃河流域徑流量和輸沙量的變化趨勢及突變點，利用Matlab、Origin2021軟件分析降水量和徑流量、降水量和輸沙量的關系，運用SPSS 25軟件分別建立降水量和徑流量、降水量和輸沙量的關系式。并以蘭州水文站為例，采用雙累積曲線法和回歸分析法，定量計算水土保持措施的減水減沙效益。

3 結果與分析

3.1 徑流量和輸沙量變化特征分析

甘肅省黃河流域年徑流量M-K檢驗結果見圖1，統計量UF在1956—1992年為正值，在1993—2020年為負值，說明黃河流域甘肅段1956—1992年年徑流量呈現上升趨勢，1993—2020年年徑流量呈現下降趨勢。其中2000—2012年UF超出了95%的置信下限，說明該時段內年徑流量呈顯著下降趨勢。統計量UF與統計量UB相交于1984年，說明1956—2020年徑流序列發生突變的年份為1984年。

圖1 1956—2020年甘肅省黃河流域年徑流量M-K檢驗

甘肅省黃河流域年輸沙量M-K檢驗結果見圖2，1956—2020年年輸沙量的變化趨勢與年徑流量不同。統計量UF在1956—1961年為正值，在1962—2020年為負值，說明甘肅省黃河流域1956—1961年年輸沙量呈現上升趨勢，1962—2020年呈現下降趨勢。其中1982—2020年(除1986年)UF超出了95%置信下限，說明該時段內年輸沙量呈顯著下降趨勢。統計量UF與統計量UB相交于1971年，說明1956—2020年年輸沙量發生突變的年份是1971年。

圖2 1956—2020年甘肅省黃河流域年輸沙量M-K檢驗

3.2 降水量對徑流量和輸沙量的影響

1956—2020年甘肅省黃河流域年降水量、年徑流量、年輸沙量變化如圖3、4所示。總體上，年降水量和年徑流量、年降水量和年輸沙量之間變化并未呈現一致性，年降水量對年徑流量與年輸沙量的影響并不明顯。整體來看，在1956—1970年年徑流量和年輸沙量對年降水量變化的響應比較強烈，在1970年后年徑流量和年輸沙量對年降水量變化的響應明顯弱化。

圖3 1956—2020年甘肅省黃河流域年降水量與年徑流量變化

圖4 1956—2020年甘肅省黃河流域年降水量與年輸沙量變化

3.3 減水減沙效益計算

選取蘭州水文站為例，統計蘭州水文站1956—2020年的徑流量和輸沙量數據，采用M-K檢驗得到年徑流量的突變年份是1971年，以此將時間序列分為基準期(1956—1971年)和變化期(1972—2020年)，定量計算水土保持措施對徑流量和輸沙量變化的影響，分析水土保持措施的減水減沙效益。

3.3.1 雙累積曲線法

基準期年均徑流量322.91億m3，變化期年均徑流量減少到306.19億m3，年均徑流量減少16.72億m3，變化期共減少徑流量819.28億m3。采用雙累積曲線法分析累積年降水量與累積年徑流量的關系(圖5)，累積年降水量與累積年徑流量的線性關系較好，基準期和變化期的擬合線性方程式分別為

∑W=1.026 8∑P-148.21

(1)

∑W=0.945 2∑P+572.55

(2)

式中：∑W為累積年徑流量，億m3；∑P為累積年降水量，mm。

圖5 1956—2020年累積年降水量與累積年徑流量關系

將甘肅省黃河流域歷年累積年降水量代入基準期的降水產流模型，計算得到模擬累積年徑流量，并與實測累積年徑流量進行對比(圖6)。變化期模擬累積年徑流量與實測累積年徑流量的差值可認為是水土保持措施的減水量，計算得到變化期水土保持治理措施共減少徑流量408.38億m3。

圖6 1956—2020年甘肅省黃河流域模擬累積年徑流量與實測累積年徑流量

基準期年均輸沙量1.10億t，變化期年均輸沙量減少到0.70億t，平均每年減少0.40億t，變化期共減少輸沙量19.60億t。累積年降水量與累積年輸沙量的關系見圖7，累積年降水量與累積年輸沙量的線性關系較差，基準期和變化期的降水產沙數學模型分別為

∑WS=0.003 3∑P+0.857 7

(3)

∑WS=0.001 7∑P+7.892 0

(4)

式中：∑WS為累積年輸沙量，億t。

圖7 1956—2020年累積年降水量與累積年輸沙量曲線

將甘肅省黃河流域歷年累積年降水量代入基準期的降水產沙模型，計算得到模擬累積年輸沙量，并與實測累積年輸沙量進行對比(圖8)，變化期模擬累積年輸沙量與實測累積年輸沙量的差值可認為是水土保持措施的減沙量，計算得到變化期水土保持措施共減少輸沙量15.23億t。

圖8 1956—2020年甘肅省黃河流域模擬累積年輸沙量與實測累積年輸沙量

3.3.2 回歸分析法

基于甘肅省黃河流域基準期每年汛期降水量與徑流量，構建基準期汛期降水量與徑流量的回歸模型(表1)，其中線性模型相關性最好，因此選取線性模型計算1956—2020年模擬徑流量，并與實測徑流量值進行對比(圖9)。基準期年徑流量的模擬值與實測值相差較小，變化期年徑流量的模擬值總體上大于實測值，變化期年徑流量模擬值與實測值的差值可認為是水土保持措施的減水量，計算得到變化期水土保持措施共減少徑流量2 317.14億m3。

表1 甘肅省黃河流域基準期汛期降水量-徑流量曲線模型

圖9 甘肅省黃河流域年徑流量模擬值與實測值

基于甘肅省黃河流域每年汛期降水量與輸沙量，構建汛期降水量與輸沙量的回歸模型(表2)，其中線性模型的相關性最好，因此選取線性模型計算甘肅省黃河流域1956—2020年模擬輸沙量，并與實測值進行對比(圖10)，基準期年輸沙量的模擬值與實測值相差較小，變化期年輸沙量的模擬值總體上大于實測值，變化期年輸沙量模擬值與實測值的差值可認為是水土保持措施的減沙量，計算得到變化期水土保持措施共減少輸沙量33.22億t。

表2 甘肅省黃河流域基準期汛期降水量-輸沙量曲線模型

3.3.3 對比分析

相比于基準期，甘肅省黃河流域變化期共減少徑流量819.28億m3，共減少輸沙量19.60億t。對比雙累積曲線法和統計分析法的計算結果，雙累積曲線法計算得到變化期水土保持措施共減少徑流量408.38億m3，占實際減少量的49.85%，變化期水土保持措施共減少輸沙量15.23億t，占實際減少量的77.70%；回歸分析法計算得到變化期水土保持措施共減少徑流量2 317.14億m3，是實際減少量的2.83倍，變化期水土保持措施共減少輸沙量33.22億t，是實際減少量的1.70倍。綜上考慮雙累積曲線法的計算結果更加準確，因此選取雙累積曲線法的計算結果，相比于基準期，變化期甘肅省黃河流域水土保持措施共減少徑流量408.38億m3，共減少輸沙量15.23億t。

圖10 甘肅省黃河流域年輸沙量模擬值與實測值

4 結 論

(1)1956—2020年甘肅省黃河流域年徑流量和年輸沙量呈現先上升后下降的趨勢，年徑流量發生突變的年份是1984年，年輸沙量發生突變的年份是1971年。

(2)相比于基準期，變化期甘肅省黃河流域水土保持措施共減少徑流量408.38億m3，水土保持措施減水效益為49.85%；水土保持措施共減少輸沙量15.23億t，水土保持措施減沙效益為77.70%。