羅玉溝流域水沙變化趨勢及影響因素

秦瑞杰, 李 平, 肖培青, 馬田鉑, 王柯凡

(1.黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站, 甘肅 天水 741000;2.黃河水利科學研究院, 水利部 黃土高原水土保持重點實驗室, 鄭州 450003)

流域水沙關系是反映流域徑流量和輸沙量關系的指標,受多種因素的影響[1-3]。近年來,氣候變化和人類活動的加劇,對流域徑流量和輸沙量均產生顯著影響[1,2,4-7]。孫倩等[8]對黃河中游多沙粗沙區水沙變化趨勢及主控因素進行研究指出,不同流域徑流輸沙的變化均主要是由人類活動影響造成的。郭愛軍等[9]對涇河流域降雨—徑流關系研究指出,與1960—1996年相比,1997—2010年人類活動和氣候變化對流域徑流減少貢獻率分別為80.96%和19.04%。而王隨繼等[10]通過分析皇甫川流域徑流量和降水量的變化趨勢及影響因素,指出不同時期降雨和人類活動對流域徑流量減少的貢獻率分別為36.43%,16.81%和63.57%,83.19%。孫兆峰等[11]對禿尾河流域徑流衰減驅動因子分析研究指出,在徑流衰減驅動因子中,人類活動和氣候因子的權重分別為71.1%和28.9%。研究表明,研究區域不同,人類活動和氣候對流域水沙變化的影響程度存在明顯不同。

黃土高原是中國生態環境最為脆弱的區域之一,而黃土高原丘陵溝壑區是黃河泥沙的主要來源,是黃土高原水土流失最嚴重的地區[12]。20世紀80年代開始,黃土高原地區開展了以流域為單元的綜合治理與開發,20世紀90年代末實施了一系列退耕還林還草的生態恢復工程[13],這些水土保持措施的實施,使得黃土高原土地利用格局發生了較大變化,改變了流域下墊面條件,進而對流域的水沙關系產生深遠影響[14-16]。對于黃土高原地區,氣候因子中降水因子以及人類活動導致的土地利用變化是影響流域水沙變化最重要的因素,近年來成為黃土高原地區研究的熱點話題[1,3,7,8,10,17]?；诖?本文以黃土高原丘陵溝壑區典型流域—羅玉溝流域為研究對象,基于1986—2016年實測流域降水和水沙資料,通過Spearman秩次相關檢驗方法和累積雙曲線法,分析31年來流域降水和水沙變化趨勢,探討流域水沙演變的驅動因素,明晰流域徑流泥沙演變規律及其影響因素。研究結果可為黃土高原丘陵溝壑區小流域水土流失治理和水土保持措施布置提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

羅玉溝流域位于甘肅省天水市北郊,是渭河支流藉河左岸的一級支溝。地理位置位于105°30′—105°45′E,34°34′—34°40′N,溝口測流斷面以上控制面積72.79 km2,流域呈狹長形,羽毛狀溝系,平均寬度3.37 km,主溝長21.81 km,平均比降3.35%。流域按土壤、地貌特征劃分為黃土區、雜土區和土石山區 3個類型區,主要土壤類型為山地灰褐土,占全流域91.7%。流域內有大小支溝138條,溝壑密度為3.54 km/km2,屬于典型的黃土丘陵溝壑區。該流域于1983年被列為黃河水利委員會水土保持試點小流域、甘肅省重點綜合治理小流域,1985年設站開始降水、徑流和泥沙觀測。

羅玉溝流域屬大陸性季風氣候,降水年內季節分配不均,冬春季干旱少雨,夏秋季降雨豐富,多年平均降水量為550.6 mm,其中6—9月份降水占60%以上,雨熱同期。年蒸發量1 293.3 mm,干燥度為1.3。年平均氣溫 10.7℃,≥10℃活動積溫3 360℃,無霜期184 d。流域近年來經濟林發展很快,以櫻桃、蘋果、梨等為主。

1.2 數據處理及研究方法

本文涉及的水文資料主要包括1986—2016年降水、徑流和輸沙量觀測數據,其中降水資料來源于黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站(以下簡稱天水站)在羅玉溝流域先后布設的31個雨量站,徑流、泥沙數據來源于天水站布設的羅玉溝流域徑流站實測徑流泥沙觀測成果,水土保持措施數據主要來源于天水站歷年調查統計結果。研究方法主要包括Spearman秩次相關檢驗方法[18-19],累積距平法和累積量斜率變化率比較法[8,10,20]。

本文采取累積量斜率變化率比較法計算降水和水土保持措施對羅玉溝流域徑流和輸沙的貢獻率,通過年降水量—年徑流量和年降水量—年輸沙量的雙累積曲線進行分析計算[8,10,20]。利用SPSS 24.0中的描述統計、相關分析、回歸分析以及方差分析等統計方法進行數據分析處理。

2 結果與分析

2.1 流域年降水量、徑流量和輸沙量的變化特征

2.1.1 不同時期流域各水文參數變化分析 1986—2016年羅玉溝流域不同時期年降水量、徑流量和輸沙量特征值見表1。由表可知,近31年羅玉溝流域多年平均降水量為550.6 mm,不同時期流域年均降水量表現為降低—升高—降低趨勢,其中2000—2010年年降水量均值比1990—1999年增加了12.0%。不同時期年降水量的變異系數接近,1990—1999年年降水量的極值比最大,最大年降水量與最小年降水量相差一倍。

表1 不同時期羅玉溝流域年均降水量、徑流量和輸沙量變化特征Table 1 Characteristics of annual precipitation, runoff and sediment discharge in the Luoyugou watershed in different periods

與年降水量相比,不同時期流域年徑流量變化趨勢存在明顯差異。不同時期流域年徑流量呈逐漸降低趨勢,1986—1989年年徑流量是2011—2016年年均徑流量的2.5倍。不同時期年徑流量變異系數和極值比總體呈增大趨勢,表明不同時期流域年徑流量的年際波動性較強,年際間存在較大差異。

不同時期流域年輸沙量的變化趨勢與年降水量基本一致,但與年徑流量變化趨勢存在不同。1986—1989年流域年輸沙量分別是1990—1999年、2000—2010年和2011—2016年的2.8,2.4,4.4倍。不同時期流域年輸沙量的變異系數均不小于1,2011—2016年變異系數高達1.62,且年際間極值比差異也較大,表明年輸沙量的年際差異較大,變化較為劇烈,其波動性大于年降水量和年徑流量。

2.1.2 流域年降水量、年徑流量及年輸沙量變化趨勢分析 利用Spearman秩次相關檢驗方法[18-19]對1986—2016年羅玉溝流域年降水量、徑流量和輸沙量進行統計分析,得到不同水文特征值與年份的秩相關系數(表2)。由表2可知,隨著時間的推移,年降水量的檢驗統計量未達到顯著性水平,說明1986—2016年流域年降水量隨時間變化無顯著增減趨勢。年徑流量和年輸沙量的秩相關系數均達到了顯著水平,且均為負值,表明隨著時間的推移,流域年徑流量和輸沙量均呈現顯著減少的變化趨勢。

表2 羅玉溝流域1986-2016年年降水量、徑流量和輸沙量變化趨勢檢驗Table 2 Change trend test of annual precipitation, runoff and sediment during 1986-2016

2.2 流域水文參數突變及水沙變化驅動力因素分析

2.2.1 流域突變年份分析 根據1986—2016年流域降水量累積距平的年際變化可知(圖1),降水量累積距平變化表現為上升—下降—上升的變化趨勢。31年間年降水量有兩個突變年份,分別是1993年和2002年。2002年以后年降水量累積距平呈波動上升趨勢。與年降水量變化趨勢不同,流域年徑流量變化的突變年份只有一個,為1993年,與降水量的第一個突變點一致。1993年以后,年徑流量累積距平呈現波動下降趨勢。流域年輸沙量的累積距平值變化較大,1986—2016年呈上升—下降的波動變化趨勢。1993年以后整體上流域年輸沙量累積距平呈波動降低的趨勢,且與年徑流量的突變年份一致。

圖1 羅玉溝流域年降水量累積距平,年徑流量累積距平和年輸沙量累積距平

羅玉溝流域降水具有明顯的枯水期和豐水期,但年徑流量和輸沙量在1993年均呈波動降低的趨勢,表明年降水量雖然是影響流域水沙變化的主要因素,但不同時期流域水沙變化與降水量并非完全一致。說明除降水因素外,流域水沙變化還受其他因素的影響。

根據1986—2016年羅玉溝流域徑流量和輸沙量突變點年份,即1993年,將流域水沙數據分為兩個時期,1986—1993年和1994—2016年(圖2)。由圖可知,不同時期流域年徑流量與輸沙量均呈現較好的線性關系,但不同時期流域水沙關系存在不同,1994—2016年時期流域輸沙量隨徑流量增加的幅度明顯小于1986—1993年階段的增幅。

圖2 不同時期羅玉溝流域水沙關系

2.2.2 流域水沙變化影響因素分析 影響流域水沙變化的因素主要是氣候和人類活動。對于氣候因素而言,由于黃土高原地區氣溫變化不顯著,對流域徑流量的影響遠小于其他因素,因此本文暫未考慮氣溫變化導致的蒸發量對流域徑流輸沙的影響[21],主要分析降水因素對流域水沙變化的影響。對羅玉溝流域而言,流域面積相對較小,且無大規模的取水等活動,因而影響流域水沙關系的人類活動主要體現在不同時期流域下墊面條件改變,主要是水土流失綜合治理對土地利用方式的改變。

將突變年份之前的時期作為基準期,發生突變之后的時期作為水土保持措施期。將措施期各年累積降水量帶入基準期雙累積曲線建立的回歸方程,得到計算年徑流量和年輸沙量[8,10]。不同時段計算值的差異即為降水對徑流量或輸沙量的影響量;同時段理論值與實測值之間的差值即為水土保持措施對徑流量或輸沙量的影響量(圖3)。

圖3 羅玉溝流域不同時期累積降雨量-年份;累積徑流量-年份;累積輸沙量-年份關系

計算結果見表3。由表可知,與1986—1993年基準期相比,1994—2016年降水和水土保持措施對流域徑流量減少的貢獻率分別為16.50%和83.50%,對流域輸沙量減少分別為19.03%和80.97%。由此表明,1994—2016年水土保持措施對流域徑流量和輸沙量的變化存在顯著影響,且對流域年輸沙量貢獻率小于對年徑流量貢獻率。

表3 降水和水土保持措施對羅玉溝流域徑流量、輸沙量的影響Table 3 Effects of precipitation and human activities on runoff and sediment in Luoyugou basin

3 討 論

3.1 降水對流域水沙變化影響

降水是影響流域水沙量變化的主要因素之一,黃土高原的徑流和泥沙主要是由極端暴雨產生的[22]。對黃河中游多沙粗沙區水沙變化主控因素研究表明,流域降水對流域徑流量、輸沙量的影響介于1.0%～41.1%和1.7%～34.0%[8]。趙陽等[23]和寇馨月等[24]通過分析羅玉溝流域1986—2008年和1986—2010年水沙數據,指出氣候變化對徑流和泥沙變化的貢獻率分別為33.1%,32.5%和18.48%,27.15%。而本文的研究結果則分別為16.50%和19.03%,表明貢獻率分析方法以及數據時序長短等可能對分析結果存在一定影響[20,25]。

利用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線分析方法對羅玉溝流域1986—2016年年降水量進行豐水年、平水年和枯水年的劃分(25%,50%,25%),羅玉溝流域豐水年、平水年和枯水年年降雨量分界點分別為620.9,453.8 mm。由1986—2016年羅玉溝流域年降水量年際變化可知,羅玉溝流域年降水存在明顯的豐水期和枯水期,例如1994—1998年期間流域年均降水量僅424.8 mm,尤其是1997年,降水量僅367.3 mm,屬于明顯的枯水期。按照不同降水頻率對流域水沙關系分析可知(圖4),不同降水水平年流域水沙關系存在明顯不同,枯水期由于較低降水量導致此時期的產流產沙量明顯低于其他時期。張守紅等[25]對無定河流域的研究指出,枯水期降雨減少對徑流、輸沙減少的貢獻率較大,分別達到29.0%和30.3%。由于觀測時限的限制,1993年以前羅玉溝流域無明顯的枯水期水沙觀測資料,因此在以往定量研究降水和水土保持措施對流域水沙貢獻的影響時,并未充分考慮枯水期對流域水沙變化的影響,其結果有可能低估降水對流域水沙變化的貢獻率[9,26]。

圖4 羅玉溝流域不同降水水平年流域水沙關系

3.2 水土保持措施對流域水沙變化的影響

下墊面條件不同,流域水沙關系存在明顯差異。對黃河上中游徑流量變化[27]和黃土高原藉河流域[28]研究指出,人類活動及其引起的土地利用變化對流域徑流量的貢獻分別為84.9%和90.2%。對羅玉溝流域而言,影響流域水沙關系的人類活動主要體現在不同時期流域水土流失綜合治理活動。羅玉溝流域大規模水土流失綜合治理自20世紀80年代中期開始,但流域綜合治理的蓄水減沙效益一般在造林初期較低,隨著植被的生長而逐漸增大。鄭金麗等研究結果指出,流域大規模水土保持措施開展、水利工程的興建時間是影響黃河流域降雨—徑流關系發生轉變的重要因素[29]。

羅玉溝流域1986—2016年不同時期水土保持措施面積分布見表4。由表可知,不同時期羅玉溝流域梯田面積呈增加趨勢,與1986年梯田面積相比,2013年流域梯田面積增加了8.0倍;1993年以后,流域林地面積呈增加—降低的趨勢,而草地面積整體上呈緩慢增加趨勢,主要是由于流域內部分林地逐漸轉變為草地。與坡耕地相比,梯田和林草地可以有效增加流域涵養水源的能力,也可以在一定程度上減少水土流失量,使得流域年輸沙量迅速降低[30-31]。而本文研究結果表明,1993年以后,流域的年徑流量和年輸沙量均呈現出不同程度的降低趨勢,與流域水土保持措施發揮效應的年限基本吻合。此外,1998年以來,依托黃河流域水土保持藉河示范區項目,羅玉溝流域開展了新一輪水土流失綜合治理,對2000年以后流域水沙同樣具有一定影響。

表4 不同時期羅玉溝流域水土保持措施面積Table 4 Soil and water conservation measures area in Luoyugou watershed in different periods hm2

除梯田和林草等水土保持措施外,1993—2016年流域開展了水土保持溝道治理工程,先后修建了20多座淤地壩,這些工程措施在溝道治理中發揮了重大作用。淤地壩的修建對于控制流域侵蝕產沙,減少泥沙輸移方面作用顯著[32]。

由表5可知,與1986—1993年相比,1994—2016年在流域年降水量基本接近的情況下(變化率0.8%～7.1%),流域年徑流量減少32.6%～89.6%,年輸沙量降低39.3%～74.1%,表明流域水土保持綜合治理對不同頻次降水下流域年徑流量和輸沙量均有顯著影響,且對枯水年徑流量和輸沙量的影響幅度最大。穆興民等[33]對甘肅西峰南小河溝流域楊家溝和董莊溝的研究指出,水土保持的作用使小流域枯水年徑流減少最顯著,豐水年減少較小,本文的研究結果與其一致。

表5 1986-2016年羅玉溝流域不同降水頻率水文參數變化Table 5 Variation of hydrological parameters under different precipitation frequencies in Luoyugou watershed from 1986-2016

此外,對羅玉溝流域1986—2016年年最大含沙量進行Spearman秩次相關檢驗,結果表明,多年最大含沙量呈極顯著降低變化趨勢。晏清洪等[34]研究指出,不同次降水雨型下,水土保持措施對小流域產流輸沙的影響存在明顯不同,水土保持對降雨量大、降雨強度大的雨型減水減沙效果最好,表明水土保持措施對流域次降雨條件下的水沙過程也具有顯著影響。

4 結 論

(1) 1986—2016年羅玉溝流域年降水量的波動程度遠小于年徑流量和年輸沙量,流域年降水量隨時間變化無顯著增減趨勢,而流域年徑流量和輸沙量隨時間呈現顯著減少的變化趨勢。年降水量在1993年、2000年發生突變;年徑流量和年輸沙量僅在1993年發生突變。1986—1993年和1994—2016年流域年徑流量與輸沙量均呈現較好的線性關系,且1994—2016年時期流域輸沙量隨徑流量增加的幅度明顯小于1986—1993年階段的增幅。

(2) 與1986—1993年相比,1994—2016年期間降水和水土保持措施對流域徑流量減少的貢獻率分別為16.50%和83.50%,對流域輸沙量減少分別為19.03%和80.97%。水土保持措施對流域水沙減少起主導作用,且對徑流量變化的貢獻率大于輸沙量。不同降水水平年,流域水沙關系存在明顯不同,枯水期由于降水量少導致產流產沙量明顯低于其他時期。不同降水水平年下,水土保持措施對流域徑流和泥沙的減幅分別為32.6%～89.6%和39.3%～74.1%。