黃河流域盆地型灌區氣象因子和下墊面生態環境對泥沙入庫的影響

趙學艷

(甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 酒泉 735211)

水庫作為調蓄水資源的重要工具，不僅能夠更高效地滿足人類日益增長的農業、工業、生活等需求，而且具有調洪減災等生態功能[1]。然而，水土流失是我國重要的生態環境問題，其直接導致水庫泥沙淤積的加劇和水庫調蓄作用的降低。昌馬灌區屬黃河流域，該區域主要為黃土地貌，地質條件惡劣、降水集中且暴雨較多，是我國水土流失最為嚴重的區域之一。昌馬水庫是該灌區的水源工程，決定著整個灌區的來水量狀況和來水質量，因此，研究昌馬水庫泥沙淤積對環境的響應機理顯得尤為重要。

眾多國內外學者對水庫泥沙淤積特征對環境響應機理作了相關研究。胡春宏等的研究結果表明，影響河流輸沙特征的關鍵因素包括氣象因子、下墊面因子和人類活動因子，中國江河徑流量變化較小，影響水庫泥沙淤積的因素主要是輸沙量[2]。趙廣舉對皇甫川流域徑流泥沙演變過程進行研究，結果顯示，降水因子和人為因子對徑流泥沙過程的影響貢獻率分別為30%和70%[3]。GUO等運用阿基米德連續函數闡述渭河流域水沙運移機理，提高了相關研究方法的精度和客觀性[4]。LU等利用泥沙量折減系數分析法，綜合分析不同動力因子對河流水沙運移的影響[5]。何小剛針對丹江口區域研究了氣象條件與入庫徑流的水文關系模型[6]。然而，有關黃河流域盆地地形灌區氣象因子、下墊面因子對泥沙入庫影響機理的研究卻鮮有報道。

本研究以黃河流域盆地型灌區——昌馬灌區為研究對象，對降水、徑流、生態環境質量的年際變動進行量化觀測，并用相關分析、回歸分析等統計分析方法闡述區域泥沙入庫特征對環境因子的響應機理，以期為灌區水沙運移調節、泥沙入庫治理和水庫清淤管理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區屬甘肅省疏勒河昌馬灌區，位于河西走廊最西端疏勒河中下游，灌區分布于E96°30′～E97°30′，N40°11′～N40°34′之間。區域多年平均氣溫7.6℃，歷年極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫-35.1℃，多年平均降水量67.5mm，歷年最大日降水量79.5mm，最大凍土深達136cm，多年平均風速為3.1m/s，最大風速25m/s，多年平均日照時數3159.3h。灌區呈東西向弧形帶狀分布，東西長約104km，南北最寬處達35km。昌馬灌區位于昌馬洪積扇西北部，總體地勢南高北低，東高西低，海拔高程1300～1400m。灌區為一完整的盆地，四周群山環繞，盆地內地形地勢南高北低。灌區地域寬闊，山地和平原對照強烈，自然條件復雜。主要土壤類型有高山地區有高山寒冷漠土、低山灰土、棕漠土和山麓棕鈣土等。昌馬水庫是該區域的水源工程，建成于2001年，壩址位于昌馬峽進口以下約1.36km處，壩型為壤土心墻砂礫石壩，最大壩高為54m，水庫總庫容1.94億m3，屬大(Ⅱ)型年調節水庫，興利庫容1.0億m3。

1.2 指標觀測方法

昌馬堡水文站為昌馬水庫的入庫控制站，是本研究氣象主要依據站。選取2001—2018年觀測年降水量、年徑流量、年入庫泥沙量及2018年1月—12月的月降水量、月徑流量、月入庫泥沙量進行研究分析。生態環境質量指數指標選擇及等級劃分標準參考宋媛等的研究[7]。植被覆蓋度和生物多樣性在昌馬灌區選擇10個具有代表性的調查樣點，每個樣點選取3個10m×10m的樣方，利用無人機拍照、PS識別進行植被覆蓋度觀測，實地調查樣方內各種植物高度、生物量、覆蓋度，計算Pielou均勻度指數Jsw，計算公式[8]：

(1)

式中，S—樣方內物種總數量；Pi—第i個物種的個數占總個數比例。

參考前人研究，利用層次分析法建立評價指標體系，采用專家打分法，建立打分矩陣，計算各指標最終權重，相應數值與權重乘積的總加和即為生態環境質量總得分[9]。層次分析指標體系如圖1所示，指標標度方法、各指標最終權重及生態環境質量分級標準，見表1—3。

表1 標度的確定方法

表2 各指標最終權重

表3 研究區生態環境質量分級標準

圖1 本研究層次分析指標體系

1.3 數據處理及分析

利用Excel進行數據的整理和圖表的繪制。利用SPSS20.0進行相關分析、曲線回歸分析和多元線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 研究區降水、徑流、泥沙年際、年內變化狀況

2001—2018年昌馬灌區年降水量、年徑流量和昌馬水庫年入庫泥沙量變化曲線，如圖2—4所示。可見，研究區年降水量在48.12～84.62mm范圍內，多年均值為67.50mm；年徑流量區間為11.30億-21.6億m3，均值為15.85億m3；年入庫泥沙量變化范圍為229.60萬-722.40萬t，均值為445.34萬t。可見，3條曲線的變化趨勢大致相同，即2001—2018年年降水量總體呈增加趨勢，年徑流量和年入庫泥沙量也隨之呈遞增趨勢。

圖2 昌馬灌區年降水量變化圖

圖3 昌馬灌區年徑流量變化圖

圖4 昌馬灌區年入庫泥沙量變化曲線

2018年月降水量由1—6月不斷增加，6月為最高點，隨后不斷減少，見表4。且結合上文資料可知，7—9月為汛期。月徑流量和月入庫泥沙量年內變動也有相似趨勢。7—9月降水量、徑流量和入庫泥沙量分別占全年總量的41.48%、49.41%和64.60%。

表4 研究區2018年不同月份降水量、徑流量及入庫泥沙量

表5 2018年月降水量、月徑流量和月入庫泥沙量相關系數

2.2 降水狀況變動對徑流量和入庫泥沙量的影響

月徑流量與月降水量極顯著正相關，月入庫泥沙量與月降水量顯著正相關，月徑流量和月入庫泥沙量極顯著正相關，上述相關系數均>0.7，相關度較高，見表4—5。月降水量對月徑流量影響用S型模型擬合效果較好(R2=0.757)，月降水量、月徑流量對月入庫泥沙量影響用多元線性回歸擬合效果也較好(R2=0.993)，見表6。

表6 2018年月降水量、月徑流量和月入庫泥沙量回歸模型

2.3 研究區生態環境質量年際變化狀況

研究區2001—2018年生態環境質量指數變化范圍為0.438～0.644，如圖5所示。參考前人研究可知，2002、2006、2007、2010、2016—2018年生態環境質量等級為差，其余年份為較差，生態環境質量整體呈劣化趨勢[10]。這說明，研究區生態環境質量有待加強。

圖5 昌馬灌區生態環境質量指數變化曲線

2.4 降水、徑流、生態環境質量年際變動對泥沙入庫的影響

年徑流量與年降水量呈極顯著正相關，見表7；生態環境質量指數與年降水量呈顯著正相關，與年徑流量呈顯著負相關；年入庫泥沙量與年降水量呈極顯著正相關，與年徑流量呈顯著正相關，與生態環境質量指數呈顯著負相關；上述相關關系指數絕對值均超過0.7，說明相關關系較強。

表7 降水、徑流、生態環境質量年際變動與泥沙入庫量的相關關系

經過多元線性回歸分析(逐步剔除)可得，年入庫泥沙量的計算公式為：

Y4=-1.73Y1-1.136Y3

式中，Y1—年降水量，mm；Y2—年徑流量，億m3；Y3—生態環境質量指數。可見，回歸公式中年徑流量因子被剔除。R2為0.928，顯著性為0.00，因此，公式擬合性較好，能較好地表示各指標間的關系。

3 討論

水庫泥沙淤積會影響水庫的綜合效益及安全性，尤其是蓄水期，壩前水位升高，加速了泥沙淤積，而不同的自然因子和人為因子對泥沙入庫規律具有不同作用[11]。本研究結果表明，研究區2001—2018年年降水量、年徑流量和年入庫泥沙量的變動趨勢大致相同，即降水和徑流是影響泥沙入庫的重要因子。2018年研究區降水量、徑流量和入庫泥沙量的月際變化曲線具有相似趨勢。7—9月為汛期，該時段降水量、徑流量和入庫泥沙量分別占全年總量的41.48%、49.41%和64.60%。月降水量對月徑流量影響用S型模型擬合效果較好(R2=0.757)，公式為X2=e2.83-1.51/X1，月降水量、月徑流量對月入庫泥沙量影響用多元線性回歸擬合效果也較好(R2=0.993)公式為X3=-0.83X1+1.057X2。多位學者也有相似結論。葉晨的研究結果表明，降水和人類活動是影響徑流和輸沙規律的重要因子[11]。隆院男等的研究表明，年徑流量與輸沙量具有極強的相關性，因此，區域減少輸沙的關鍵是水土保持措施的施用、水庫的管護和功能提升[12]。徑流總量和徑流持續時間對水庫泥沙淤積都具有累積作用，即遞增型的顯著正相關[13]。徑流泥沙飽和程度影響了淤積比率，飽和程度越高，淤積比率越高[14]。本研究結果表明，研究區2002、2006、2007、2010、2016—2018年生態環境質量等級為差，其余年份為較差，生態環境質量整體呈劣化趨勢。這說明，研究區植被、土壤及侵蝕狀況有待改善。本研究結果表明，年降水量、年徑流量、生態環境質量指數與年入庫泥沙量相關關系指數絕對值均超過0.7，說明相關關系較強，且考察指標較為科學。經過逐步回歸分析，提出了年徑流量，年入庫泥沙量的計算公式為：Y4=-1.73Y1-1.136Y3，R2為0.928，顯著性為0.00，公式擬合性較好。Gupta也有相似結論，其研究表明，河流中的水受降水特征、集水區面積和地下水運動的影響，而降水強度、集水區土壤性狀和水庫技術參數對沉積泥沙排放規律起著重要作用[15]。本研究結果表明，年降水量、年徑流量、生態環境質量指數與年入庫泥沙量相關關系指數絕對值均超過0.7，說明相關關系較強，且考察指標較為科學。經過逐步回歸分析，提出了年徑流量，年入庫泥沙量的計算公式為：Y4=-1.73Y1-1.136Y3，R2為0.928，顯著性為0.00，公式擬合性較好。此外，多位學者做了有關其他因子對泥沙入庫規律影響的研究。萬曉丹等的研究認為，當降水年際變化較小時，水土保持措施的施用對水庫泥沙淤積的影響尤為明顯，故應加強庫區水土保持工作的針對性和高效性[16]。劉星根等的研究認為，水土保持措施對泥沙入庫的作用具有滯后性，因此應盡早考慮水土保持措施的布設和效果的提升[17]。李明等的研究表明，河道形態也是影響泥沙入庫、淤積的重要因子，因此應對其合理理順[18]。

綜述所述，本研究的機理結論可為調蓄泥沙入庫提供理論支持。

4 結語

本研究通過2001—2018年野外觀測獲得數據，利用相關分析法和回歸分析法，闡述了昌馬水庫入庫泥沙對降水、徑流和生態環境質量的響應積累。結果表明，上述因子是影響該區域泥沙入庫的主要驅動因子，且回歸分析擬合性良好。因此，根據降水規律，可對流域地形整治、調水固沙、植被恢復措施進行調整和優化，以便更好地發揮昌馬水庫的生態、經濟、社會效益。此外，區域生態環境質量較差，且有退化趨勢，故應加強生態環境的修復。