黃土高原典型流域次洪事件水沙關系變化及其驅動因素

葉子萱, 趙廣舉,2, 穆興民,2, 高 鵬,2, 孫文義,2

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.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, 陜西 楊凌 712100)

黃河是我國第二大河流,也是世界上著名的高含沙河流。黃河水沙變化與下游洪澇災害防治、水資源合理配置以及生態環境保護等問題息息相關。因此,開展黃河水沙變化研究是我國水科學領域的重大科學問題之一[1],對于進一步完善治黃方略以及合理布局重大水利工程具有重要的現實意義,也是黃河流域高質量發展的基礎[2]。

河流水沙關系受流域土壤、植被、降雨、土地利用以及水土保持綜合治理措施等自然和人為因素的共同影響[3-4]。近年來有關黃土高原河川徑流、輸沙關系變化的研究成果眾多。劉淑燕等[5]發現流域水沙關系會隨著降雨條件和土地利用類型的改變而發生變化。夏露等[6]發現昕水河1958—2002年徑流輸沙表現出明顯的線性關系,2003—2015年二者的相關性顯著減弱,水土保持工程措施的實施是該流域水沙關系變化的主要原因。胡晉飛[7]研究發現水土保持措施綜合治理后,西川河流域1996—2012年的日水沙關系較1974—1989年發生變化,日流量-輸沙率比例模型斜率在后一時段內顯著下降。金雙彥等[8]利用降雨-徑流-輸沙關系模型分析降雨變化和人類活動對孤山川流域1979年之后次洪水量和沙量的影響,結果表明降雨變化對次洪水沙的影響呈逐年代遞減趨勢,2000—2010年人類活動對次洪水量和沙量的影響均占主導地位。大量研究表明,人類活動尤其是水土保持措施實施是黃河流域水沙變化的主要原因[9-12],而多數研究集中于年際尺度水沙變化,事件尺度的研究相對較少。由于黃土高原侵蝕產沙多來源于幾場較強的極端降雨事件,基于場次降雨事件水沙變化的研究有助于更好地理解徑流、輸沙變化的動態過程及其對下墊面環境變化的響應。

本文以孤山川、佳蘆河、西川河為研究對象,系統搜集整理3個流域1974—1989年和2007—2019年的洪水水文要素摘錄數據,對比研究各流域在不同時段內的水沙關系特征,探討水土保持綜合治理對流域水沙關系的調控,以期為黃土高原地區未來的生態恢復與水土保持綜合治理提供參考。

1 研究區概況

本文選取位于黃河中游河龍區間(河口鎮至龍門)的孤山川、佳蘆河和西川河流域作為研究區(圖1)。孤山川、佳蘆河和西川河流域分別位于河龍區間右岸的上、中、下段,流域面積分別為1 273,1 134,801 km2,河長分別為79.4,93,65.3 km,年均降雨量分別為493,402,520 mm。3個流域均屬溫帶大陸性季風氣候,降雨年內分布不均,集中在汛期6—9月,多為短歷時高強度暴雨。各流域在不同時段內的年均徑流深和年均輸沙量見表1。

表1 流域概況Table 1 Information of three watersheds

圖1 研究區位置Fig. 1 The location of study area

孤山川流域主要地貌類型為黃土高原丘陵溝壑區第一副區,境內梁峁起伏,溝系發育較好,溝壑密度2.9 km/km2[12],主要土壤類型為栗鈣土和黃綿土。佳蘆河流域主要地貌類型為黃土梁峁丘陵溝壑區,梁峁頂平緩,溝谷較寬闊,土壤類型主要為淡栗鈣土和栗鈣土。西川河流域主要地貌類型為黃土高原丘陵溝壑區,流域內地形破碎、多為黃土梁峁狀丘陵溝谷地貌,黃綿土是該流域主要的土壤類型。研究區內土質較為疏松,透水性良好,再加上植被稀疏,極易形成地表徑流,水土流失十分嚴重。近70 a來,黃土高原實施了大規模的水土流失治理,尤其是1999年退耕還林還草以來,流域植被狀況不斷向好,梯田和淤地壩控制面積逐漸增加,有效降低坡面土壤侵蝕和河流輸沙量。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 數據來源 本文采用的基礎資料為3個水文站(孤山川流域高石崖站、佳蘆河流域申家灣站、西川河流域棗園站)1974—1989年及2007—2019年(其中佳蘆河流域2010年數據未公開)的實測流量和含沙量數據。各站點水文數據來源于黃河水利委員會發布的《黃河流域水文年鑒》。數據在發布前經過檢驗核對,具有可靠性、一致性和代表性。

2.1.2 數據處理 對于某一特定的洪水事件,洪水事件徑流深H(mm)可通過以下公式計算:

(1)

洪水事件輸沙量SY(kg)計算公式如下:

(2)

式中:Δt為時間間隔(min);Qt為洪水事件瞬時流量(m3/s);SSCt為洪水事件瞬時含沙量(kg/m3);A為水文站控制面積(m2)。

2.2 研究方法

2.2.1 徑流、輸沙特征指標選取 根據《黃河流域水文年鑒》中洪水事件的流量和含沙量實測數據計算流域次洪事件年均徑流深、年均輸沙量、年均洪峰流量以及年均最大含沙量4個徑流輸沙特征指標,通過統計和對比分析各流域在不同時段內徑流輸沙特征指標的變化趨勢及空間差異。選取徑流深(H,mm)和輸沙模數(SSY,t/km2)來探討治理后各流域場次洪水事件的水沙關系變化。選取年內多場洪水的平均總歷時(T,h)、年徑流深(H,mm)、年內多場洪水的平均洪峰流量(Qmax,m3/s)、年內多場洪水的平均流量均值(Qm,m3/s)、年輸沙量(SY,t)、年內多場洪水的平均最大含沙量(Smax,kg/m3)和年內多場洪水的平均含沙量均值(SSC,kg/m3)進行相關性分析,識別治理前后兩個時段內各流域徑流、輸沙特征指標間的相關性。

2.2.2 次洪事件水沙關系 用于表征河流洪水事件徑流深和輸沙模數間相關關系的水沙關系曲線主要包括冪函數和線性函數兩種函數形式。前人研究發現黃土高原的水沙關系不適合用冪函數來擬合,且線性比例函數可以更加有效地表征流域水沙關系[13]。因此,本文將線性函數與冪函數的擬合結果進行了對比分析,最終采用線性函數對各個流域次洪事件的徑流深和輸沙模數進行擬合,分析各流域次洪過程的水沙關系變化。

2.2.3 徑流和輸沙特征指標的相關性分析 采用皮爾遜相關系數法計算各流域不同時段內徑流與輸沙特征指標間的相關性。皮爾遜相關系數[14]用于度量兩個變量間的線性相關性,其取值范圍為[-1,1]。計算公式如下:

(3)

式中:cov(X,Y)為X與Y的協方差;var(X)為X的方差;var(Y)為Y的方差。

輸沙指標與徑流指標的相關系數越大,則兩者的相關性越好,說明輸沙受徑流的影響越大。

3 結果與分析

3.1 洪水事件水沙特征變化

表2為3個流域在研究時段內的洪水事件頻次,包括孤山川的144場、佳蘆河的143場和西川河的116場洪水。由表可知,各流域在2007—2019年的洪水總場次以及年均場次較1974—1989年均顯著減少。孤山川、佳蘆河和西川河流域2007—2019年的洪水總場次較1974—1989年分別減少72.57%,57.00%,73.91%年均洪水場次分別減少66.20%,42.86%,68.97%。

表2 各流域研究時段內的洪水次數及年均場次Table 2 Frequency of flood events during study periods in three watersheds

1974—1989年和2007—2019年兩個時段內各流域次洪事件的水沙變化如圖2所示,年均徑流深、年均輸沙量、年均洪峰流量及年均最大含沙量均有不同程度的減少。2007—2019年孤山川、佳蘆河和西川河流域的年均輸沙量和年均最大含沙量均低于1974—1989年,年均輸沙量分別下降了95.03%,32.93%,77.70%,其中減幅最大的是孤山川,由1974—1989年的2.65×106t減少為2007—2019年的1.32×105t;年均最大含沙量分別下降89.49%,65.96%,43.10%。孤山川和西川河流域的年均徑流深由1974—1989年的4.55,2.71 mm減少為2007—2019年的1.98,1.48 mm,分別下降了56.48%,45.39%;年均洪峰流量分別下降79.05%,63.04%。而佳蘆河流域在后一研究時段內的年均徑流深以及年均洪峰流量呈上升趨勢,其2007—2019年的年均徑流深和年均洪峰流量較1974—1989年分別增加94.83%,24.77%。各流域治理后(2007—2019年)場次洪水事件對應的最大含沙量和洪峰流量較前一時段均顯著降低,且洪峰流量的降幅低于最大含沙量,說明水土保持措施可以有效地減少高含沙水流。年均徑流深和年均輸沙量顯著降低,且年均輸沙量的減幅大于年均徑流深,表明黃土高原大規模水土保持綜合治理改變了流域次洪輸沙能力。

圖2 3個流域不同時期洪水事件特征值Fig. 2 Characteristics of flood events during different periods in three watersheds

孤山川流域較其他流域具有較大的變異系數,不同指標波動變化劇烈,其中孤山川流域1974—1989年的年均徑流深范圍為0.58～9.62 mm,佳蘆河和西川河流域1974—1989年的年均徑流深分別介于0.20～3.89 mm和0.46～5.20 mm。對比3個流域在不同時段的各個指標發現,孤山川流域的年均徑流深、年均洪峰流量、年均輸沙量以及年均最大含沙量在1974—1989年最大,在2007—2019年最小,由此可以推斷出治理后孤山川流域年均徑流深和年均輸沙量降幅最大。

3.2 洪水事件水沙關系變化

利用線性函數進一步探究3個流域次洪事件的水沙關系變化。如圖3所示,3個流域的徑流深-輸沙模數(H-SSY)在1974—1989年均呈現出較好的線性關系(R2>0.9),且西川河流域各時段內模型方程決定系數最高,線性模型擬合效果最好。對比而言,2007—2019年,3個流域的徑流深-輸沙模數的決定系數由1974—1989年的0.95,0.95,0.96分別下降為2007—2019年的0.39,0.60,0.69。

圖3 3個流域不同時期次洪水水沙關系曲線Fig. 3 The flow-sediment relationship curve of flood events during different periods in three watersheds

水沙線性關系模型中,可用回歸方程的一次項系數來表征洪水事件單位徑流深的產輸沙能力即歷次洪水事件的平均含沙量。由線性方程擬合結果可知,3個流域在2007—2019年的模型關系斜率較1974—1989年都發生了顯著下降,分別下降了87.04%,55.48%,52.60%,降幅最大的是孤山川,由1974—1989年的530.67降為2007—2019年的68.78,降幅最小的是佳蘆河,由1974—1989年的510.50降為2007—2019年的241.96,表明流域次洪事件過程中的水沙關系發生了變化,徑流輸沙能力下降,水土保持措施對洪沙調控起到重要作用。孤山川和西川河關系模型常數項顯著減少,佳蘆河關系模型常數項呈增加的變化趨勢。以上結果表明大規模水土保持及退耕還林還草工程對流域場次洪水事件水沙變化的綜合影響,流域內水土保持防護體系逐步完善,林草植被覆蓋率增加。3個流域中,佳蘆河在兩個時間段內的模型關系斜率最大(即平均含沙量最大),分別為602.98,268.47,表明該流域在兩個時間段內的土壤侵蝕更為嚴重,單位徑流深的輸沙能力較強。

3.3 次洪水沙特征指標間的關系

基于皮爾遜相關系數法對1974—1989年以及2007—2019年兩個時段內流域洪水事件不同徑流輸沙指標間的相關性進行分析。

由圖4可知,孤山川流域1974—1989年的各項徑流指標中,年徑流深(H)、平均洪峰流量(Qmax)以及平均流量(Qm)與年輸沙量(SY)呈極顯著正相關關系(p<0.01),其相關系數分別為0.98,0.95,0.91,其中年徑流深與年輸沙量的相關系數最高,表明次洪事件過程中的侵蝕產沙強度與年徑流深關系最為緊密;2007—2019年,年輸沙量與各徑流指標的相關性降低,其中變化最大的是年輸沙量與年徑流深的相關性,其相關系數由1974—1989年的0.98下降為2007—2019年的0.63。1974—1989年徑流特征指標中的平均洪峰流量與平均流量、年徑流深顯著相關(p<0.05),其相關系數分別為0.95,0.94;2007—2019年反映徑流特征指標間的相關性較1974—1989年無明顯差異。

圖4 孤山川流域不同時段次洪徑流輸沙指標相關性分析Fig. 4 Correlation analysis between runoff and sediment variables of flood events in the Gushanchuan watershed

圖5為佳蘆河流域次洪事件徑流與輸沙特征指標的相關矩陣圖。1974—1989年,年徑流深(H)、平均洪峰流量(Qmax)以及平均流量(Qm)與年輸沙量(SY)呈極顯著正相關關系(p<0.01),其相關系數分別為0.95,0.87,0.86,其中年徑流深與年輸沙量的相關系數最大,達0.9以上,由此可知佳蘆河流域洪水事件過程中的侵蝕產沙強度也與年徑流深的關系最為密切;2007—2019年,年輸沙量與年徑流深的相關性減弱,其相關系數由1974—1989年的0.95下降為2007—2019年的0.78。1974—1989年反映徑流特征的3個指標間均呈顯著正相關關系(p<0.01),其相關系數均在0.85以上;2007—2019年反映徑流特征指標間的相關性較1974—1989年無明顯差異。

圖5 佳蘆河流域不同時段次洪徑流輸沙指標相關性分析Fig. 5 Correlation analysis between runoff and sediment variables of flood events in the Jialuhe watershed

由圖6可知,1974—1989年,在各項徑流指標中,年徑流深(H)、平均洪峰流量(Qmax)以及平均流量(Qm)與年輸沙量(SY)呈極顯著正相關關系(p<0.01),其相關系數分別為0.98,0.97,0.86,其中年徑流深、平均洪峰流量與年輸沙量的相關系數均在0.95以上,表明西川河流域洪水事件過程中的侵蝕產沙強度與年徑流深和平均洪峰流量的關系更為密切;2007—2019年,年輸沙量與各徑流指標的相關性減弱,其年輸沙量與年徑流深、平均洪峰流量的相關系數由1974—1989年的0.98,0.97分別下降為2007—2019年的0.83,0.77。1974—1989年反映徑流特征的指標中,年徑流深與平均流量、平均洪峰流量顯著相關(p<0.01),其相關系數分別為0.90,0.94;2007—2019年反映徑流特征的指標中年徑流深與平均流量以及平均洪峰流量的相關性減弱,其相關系數由1974—1989年的0.90,0.94分別下降為2007—2019年的0.66,0.55。

圖6 西川河流域不同時段次洪徑流輸沙指標相關性分析Fig. 6 Correlation analysis between runoff and sediment variables of flood events in the Xichuanhe watershed

孤山川、佳蘆河和西川河流域場次洪水事件反映輸沙特征的指標中,平均含沙量(SSC)與平均最大含沙量(Smax)顯著相關(p<0.01),且各流域2007—2019年反映輸沙特征指標間的相關性較1974—1989年無明顯差異。各流域兩個時段的年內多場洪水平均總歷時(T)與徑流指標(年徑流深、平均流量、平均洪峰流量)和輸沙指標(年輸沙量、平均含沙量、平均最大含沙量)的相關性不顯著。

4 討 論

對比兩個時段次洪水沙變化特征,孤山川和西川河流域治理后(2007—2019年)的年均徑流深、年均洪峰流量、年均輸沙量以及年均最大含沙量均遠低于治理前(1974—1989年),這與Tian等[15]的研究結果一致。佳蘆河流域治理后的年均輸沙量和年均最大含沙量顯著減少,年均徑流深和年均洪峰流量有所增加,這是由于2007—2019年流域次洪降雨量較前一時段有所增加[10]。各流域治理后徑流深-輸沙模數線性比例模型斜率顯著下降,單位徑流深的產輸沙能力下降,且治理后年輸沙量與徑流指標(年徑流深、平均洪峰流量)的相關性也顯著降低,表明3個流域的水沙關系在治理后均發生了顯著變化。2000年后黃河中游輸沙量減少主要受人類活動的影響[16],水土保持措施是黃土高原徑流輸沙減少的主要原因[17-18]。流域不同水土保持措施改變了流域坡面侵蝕、河道泥沙輸移過程,進而導致河流水沙發生顯著變化。孤山川流域自20世紀70—80年代以來進行了大規模的水土保持綜合治理,流域內林草覆蓋面積由1975年的806.71 km2增加到2012年的976.55 km2[19];梯田與淤地壩控制面積達到453.19 km2,占流域面積的35.6%[15],水土保持措施的實施改變了流域水沙關系,降低了流域次洪事件中單位徑流深的輸沙能力(圖3),加之該流域在2007—2019年的洪水總場次遠低于前一時段(表2),使得治理后孤山川流域的徑流、輸沙量大幅下降。1999年以來,在黃土高原進行的大規模植被恢復顯著改變了下墊面環境,從而增加了降雨截留、下滲,同時增加了地表粗糙度,降低水流動力,使流域輸沙量大幅減少。高海東等[17]發現植被措施對黃河中游輸沙量減少的貢獻為54%,遠高于工程措施(34%)和水庫(12%)的貢獻率。冉大川等[20]對佳蘆河“2012-07-27”洪水的分析也驗證了植被對洪水泥沙的削減作用高于工程措施。統計各流域2007—2019年歸一化植被指數(NDVI)發現,佳蘆河流域治理后(2007—2019年)的植被覆蓋率為51.72%,遠低于孤山川和西川河流域的64.35%,67.99%,同時佳蘆河流域場次極端暴雨量增加是該流域徑流增加、而輸沙量減少不明顯的原因。

5 結 論

(1) 孤山川和西川河流域2007—2019年場次洪水事件的年均徑流深、年均洪峰流量、年均輸沙量以及年均最大含沙量較1974—1989年均明顯下降,其中年均徑流深分別下降56.48%,45.39%,年均輸沙量分別下降95.03%,77.70%;佳蘆河治理后的年均輸沙量下降了32.93%,年均徑流深升高了94.83%。佳蘆河流域變化最不顯著可能是由于該流域2007—2019年的次洪降雨量較前一時段有所增加且流域內植被覆蓋率較低。

(2) 治理后徑流深-輸沙模數線性函數斜率降低并且年輸沙量與徑流指標(年徑流深、平均洪峰流量、平均流量)的相關性減弱,表明水土保持措施等人類活動改變了流域的水沙關系,單位徑流深的產輸沙能力下降,高含沙水流出現頻次和量級均顯著下降。

本研究僅對3個流域的徑流、輸沙相關指標進行統計分析并討論了導致水沙變化的原因,需在今后的研究中進一步量化人類活動以及降水對流域次洪過程中水沙通量減少的貢獻率。