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        黃河上中游水土保持減沙效果研究

        2016-10-09 03:34:02
        中國水土保持 2016年9期
        關(guān)鍵詞:輸沙量回歸方程降水量

        李 敏

        (黃河上中游管理局,陜西 西安 710021)

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        黃河上中游水土保持減沙效果研究

        李敏

        (黃河上中游管理局,陜西 西安 710021)

        年輸沙量;水土保持;減沙效果;黃河上中游

        采用逐步回歸方法,對1954—2012年黃河年輸沙量、降水量和水土流失治理度數(shù)據(jù)分3個時段進(jìn)行了計算,分析認(rèn)為:水土流失治理度較好地“解釋”了20世紀(jì)80年代以來黃河年輸沙量銳減的現(xiàn)象,回歸方程的顯著性水平均達(dá)到α=0.001;在1967—1987年時段,相同降雨條件下,水土流失治理度的提高不僅顯著減少了黃河年輸沙量,而且使年輸沙量對降雨的響應(yīng)趨于“遲緩”,在1988—2012年時段,僅由水土流失治理度一個因子就能夠很好地“解釋”黃河年輸沙量的變化;在水土流失治理度超過55%時,計算年輸沙量僅1.2億t,以80%的置信度,黃河年輸沙量將小于5億t。

        1 概述

        1.1黃河上中游水土保持發(fā)展進(jìn)程

        根據(jù)各省區(qū)年度統(tǒng)計上報,從20世紀(jì)80年代初期開始,黃河上中游每年治理水土流失面積1.2萬km2左右,到2015年累計治理水土流失面積超過37萬km2,連同20世紀(jì)80年代以前的治理面積,合計統(tǒng)計上報水土流失治理面積超過45萬km2。受人為和自然因素影響,統(tǒng)計上報的水土流失治理面積數(shù)據(jù)中存在一定的“水分”。1985年以來,通過對典型小流域和重點(diǎn)治理區(qū)進(jìn)行實(shí)地測量調(diào)查,不斷核實(shí)實(shí)際保存的水土流失治理面積。經(jīng)過大量的核實(shí)工作,黃河中游一般梯田保存率為90%~95%、水保林保存率為70%~80%、種草保存率約為40%,故采用60%左右的綜合保存率對統(tǒng)計上報數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)。根據(jù)黃河中游水土保持委員會第十二次會議報告推算,截至2015年底,黃河上中游共有水土流失綜合治理面積約26萬km2(表1)。從表1可以看出,黃河上中游地區(qū)自1980年以來水土流失綜合治理面積基本呈線性增加趨勢。

        1.2黃河年輸沙量變化

        表1 黃河上中游不同時期的水土流失綜合治理面積

        1954—2012年的59年間黃河年輸沙量波動變化大體分為3個階段:①1954—1966年輸沙量持續(xù)高位,年輸沙量超過25億t的有5個年份,時段平均年輸沙量為15.66億t;年際間變化劇烈,1964年輸沙量超過26億t,1965年下降到僅4.26億t,1966年又超過26億t[1-2]。②1967—1987年為輸沙量驟降階段,年輸沙量從1967年的26億t以上波動減少到1987年的4億多t,期間出現(xiàn)1977年的特殊高輸沙量年份。③1988—2012年為年輸沙量持續(xù)遞減階段,時段平均年輸沙量5.7億t,進(jìn)入21世紀(jì)后平均值僅為2.6億t(見圖1)。

        圖1 1954—2012年黃河年輸沙量變化

        2 研究內(nèi)容

        由上述分析知,黃河年輸沙量變化過程和黃河中游水土保持發(fā)展進(jìn)程的變化趨勢具有相似性,而黃河泥沙又基本上來自流經(jīng)黃土高原地區(qū)的渭河、北洛河、汾河和河口鎮(zhèn)(頭道拐)到龍門區(qū)間(以下簡稱“河龍區(qū)間”)的各支流,其中主要產(chǎn)沙區(qū)域?yàn)楹育垍^(qū)間。因此,本研究選擇渭河(華縣站)、北洛河(氵狀 頭站)、汾河(河津站)控制區(qū)域和河龍區(qū)間(以下簡稱“4站區(qū)域”)為研究區(qū),探討黃河中游水土流失綜合治理措施的減沙效果。4站區(qū)域總面積30.05萬km2。黃河自1919年設(shè)站觀測,距今不到100年,選取資料較完整的1954—2012年作為研究時段,共計59年。

        3 研究方法

        根據(jù)水文學(xué)和水土保持學(xué)基本原理,河流年輸沙量的變化遵循統(tǒng)計學(xué)規(guī)律,水土流失綜合治理措施的減沙效益亦遵循統(tǒng)計學(xué)規(guī)律。因此,本研究將研究區(qū)域黃河年輸沙量的產(chǎn)生過程視為一個灰箱或者黑箱,采用逐步回歸分析方法,篩選具有物理成因概念和含義的解釋因子(自變量),對不同時段的資料進(jìn)行計算處理,獲得符合水文學(xué)和水土保持學(xué)基本原理、仿真模擬效果好的計算結(jié)果,分析水土保持對黃河年輸沙量的影響。理論和研究成果表明,輸沙量與降雨和水土流失治理度等因子之間表現(xiàn)為非線性相關(guān)關(guān)系。為此,本研究對年輸沙量取對數(shù)形式,考慮到降雨對輸沙量影響的復(fù)雜性,對部分自變量也增加對數(shù)形式,以獲得更好的結(jié)果。

        3.1降雨因子選擇

        由于已知黃河泥沙主要源自河龍區(qū)間和汛期降雨(暴雨)產(chǎn)沙,因此對于降雨因子,初步選取4站區(qū)域年降水量及河龍區(qū)間年降水量、7—8月降水量、最大3日降水量、最大1日降水量等。河龍區(qū)間是黃河中游三大暴雨區(qū)之一,是黃河泥沙的主要來源區(qū)。為了精細(xì)地仿真模擬黃河年輸沙量的變化,將河龍區(qū)間劃分為5個亞區(qū)(圖2)[3],其中又將河龍區(qū)間的陜西北片和晉西北片合并為“河吳區(qū)間”片,采用這些亞區(qū)7—8月降水量、最大3日降水量和最大1日降水量等作為“解釋”黃河年輸沙量的備選自變量。以上共初步選擇22個降雨因子??紤]到59年系列降雨與輸沙量關(guān)系的復(fù)雜性,增加了降雨因子的自然對數(shù)(ln),使參與計算篩選的降雨變量達(dá)到44個。

        圖2 河龍區(qū)間降雨分區(qū)示意

        3.2水土保持因子選擇與預(yù)處理

        為了使坡面治理措施與淤地壩相互協(xié)調(diào),既不重復(fù)計算,又不產(chǎn)生矛盾,計算中對坡面措施面積、大型壩(骨干壩)壩控面積進(jìn)行“耦合”與綜合處理。首先,將核實(shí)的坡面治理措施面積加上大型淤地壩(骨干壩)的壩控面積,并扣除二者的重疊面積,形成“水土流失綜合治理面積”(圖3),其中大型淤地壩(骨干壩)按20年設(shè)計淤積年限動態(tài)計算面積[4-5]。

        圖3 水土流失綜合治理面積示意

        為了使今后對不同時間和空間尺度的計算結(jié)果具有可比性,本研究將水土流失治理度作為參選自變量。水土流失治理度的計算公式為

        式中:D為水土流失治理度,%;A1為水土流失治理面積,萬km2;A2為水土流失面積,萬km2。

        4 計算結(jié)果與分析

        4.11954—1966年計算結(jié)果

        1954—1966年研究區(qū)域黃河年輸沙量較大、年際間波動劇烈,水土保持工程規(guī)模較小,而且毀林開荒、毀林煉鋼,人為水土流失劇烈。對這一時段數(shù)據(jù)的計算結(jié)果表明,僅河吳區(qū)間7—8月降水量一個因子就可以“解釋”該時段年輸沙量近80%(調(diào)整的R2=0.776)的變化,河吳區(qū)間7—8月降水量與年輸沙量回歸計算結(jié)果見表2。

        表2 1954—1966年計算結(jié)果

        比較回歸計算值與實(shí)測值(圖4)可以看出,回歸計算年輸沙量與實(shí)測年輸沙量擬合較好,散點(diǎn)圖顯示計算年輸沙量為實(shí)測年輸沙量的95.58%。其中,1966年標(biāo)準(zhǔn)化殘差接近2、計算值明顯小于實(shí)測值。初步分析,造成這一現(xiàn)象的原因是該年黃河流域發(fā)生較大的局部暴雨,沖毀了部分水土保持工程措施,造成以往多年攔淤減少的泥沙在當(dāng)年被沖入黃河,使“河吳區(qū)間7—8月降水量”不能夠“解釋”這些輸沙量,因而計算年輸沙量明顯小于實(shí)測年輸沙量[6-8]。

        圖4 1954—1966年實(shí)測年輸沙量與計算年輸沙量比較

        4.21967—1987年計算結(jié)果

        4.2.1總體分析

        對1967—1987年數(shù)據(jù)采用逐步回歸方法,通過4次計算,先后篩選出由河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對數(shù)、水土流失治理度、河龍區(qū)間最大1日降水量和區(qū)域年降水量的自然對數(shù)等4個自變量組成的回歸方程,其相關(guān)系數(shù)R=0.959 0(表3),顯著性水平α=0.001。

        在逐步回歸計算中,河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對數(shù)第一個進(jìn)入回歸方程(表3),相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.832 0;第二次計算增加了水土流失治理度,使回歸方程的相關(guān)系數(shù)R超過0.9,調(diào)整的R2達(dá)到0.789 9,說明僅由河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對數(shù)和水土流失治理度兩個因子就“解釋”了該時段黃河年輸沙量近79%的變化;第三次計算又增加了河龍區(qū)間最大1日降水量,使回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.937 6,調(diào)整的R2達(dá)到0.857 7;第四次計算增加了區(qū)域年降水量的自然對數(shù),回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.959 0,調(diào)整的R2達(dá)到0.899 5。

        表3 1967—1987年計算結(jié)果

        篩選出的水土流失治理度自變量為負(fù)值,符合“水土保持是黃河泥沙治本措施”的基本原理;篩選出的河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對數(shù)、河龍區(qū)間最大1日降水量和區(qū)域年降水量的自然對數(shù)均為正值,符合降雨產(chǎn)沙的基本規(guī)律[9-10]。

        根據(jù)回歸方程,得出計算年輸沙量,將其與實(shí)測年輸沙量比較可以看出(圖5),計算年輸沙量與實(shí)測年輸沙量擬合很好,散點(diǎn)圖顯示計算年輸沙量為實(shí)測年輸沙量的95.76%。

        圖5 1967—1987年實(shí)測年輸沙量與計算年輸沙量比較

        4.2.2標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分析

        對第四次計算結(jié)果的4個自變量系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表4),去掉不同量綱和不同數(shù)量級的影響,分析各自變量在回歸方程中的相對重要性。水土流失治理度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為-0.435 5,河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對數(shù)、河龍區(qū)間最大1日降水量和區(qū)域年降水量的自然對數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別為0.315 3、0.324 9和0.250 1。水土流失治理度標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對值最大,這一現(xiàn)象說明在由這4個自變量組成的回歸方程中,水土流失治理度對年輸沙量的影響最大,是該時段黃河年輸沙量驟降的主要因素。

        表4 1967—1987年回歸系數(shù)

        4.2.3三維空間圖形分析

        由于水土流失治理度與年輸沙量之間是非線性關(guān)系,因此不同水土流失治理度對年輸沙量的影響程度不同,影響的過程(趨勢)也不同。根據(jù)回歸方程做出在相同降雨條件下不同水土流失治理度不同視角的三維曲面圖形,可直觀對比分析不同水土流失治理度對年輸沙量的影響程度和影響趨勢。為了做出三維圖形,將貢獻(xiàn)率最小的區(qū)域年降水量的自然對數(shù)固定為時段的平均值,選擇時段起始年(1967年)和時段末尾年(1987年),繪制水土流失治理度對年輸沙量影響的曲面進(jìn)行比較分析(圖6)。

        由于是對時段內(nèi)河吳區(qū)間7—8月降水量的自然對數(shù)和河龍區(qū)間最大1日降水量兩個降雨因子全部組合的計算,因此在1967年回歸曲面中,兩個降雨因子同時取最大值時計算的年輸沙量超過35億t。從圖6可以看出,1967年和1987年的水土流失治理度對年輸沙量影響顯著不同。在曲面的最高點(diǎn),即兩個降雨因子均處于最大值時,1987年輸沙量響應(yīng)曲面比1967年輸沙量響應(yīng)曲面降低約20億t;在曲面的最低點(diǎn),即兩個降雨因子均處于最小值時,兩個年輸沙量響應(yīng)曲面相差幅度約為5億t。對比分析說明,隨著水土流失治理度的增加,一方面總體上年輸沙量顯著減少,另一方面年輸沙量響應(yīng)曲面在高降雨條件下的減少幅度大于低降雨條件。

        比較圖6中1967年和1987年兩個年份的輸沙量響應(yīng)曲面可以看出,1967年治理水平年輸沙量響應(yīng)曲面陡峭,計算年輸沙量隨降雨的變化而急劇變化,計算年輸沙量最高與最低值相差約30億t;1987年治理水平年輸沙量響應(yīng)曲面不僅較低,而且顯著平緩,計算年輸沙量最高與最低值相差約15億t。這一現(xiàn)象說明水土流失治理不僅大幅度減少了河龍區(qū)間黃河年輸沙量,而且使年輸沙量對降雨變化響應(yīng)的敏感度降低[11]。

        圖6 年輸沙量對不同水土流失治理度的響應(yīng)曲面

        4.31988—2012年計算結(jié)果

        4.3.1回歸計算結(jié)果

        回歸分析表明,1988—2012年時段僅水土流失治理度一個因子就能夠“解釋”黃河年輸沙量77.65%的變化(表5),回歸方程的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.886 5,顯著性水平α=0.001。水土流失治理工程的大規(guī)模開展是該時段黃河年輸沙量持續(xù)處于低位的根本原因。20世紀(jì)80年代初期實(shí)施的水土保持工程措施持續(xù)發(fā)揮水土保持效益,同時國家又在重點(diǎn)水土流失地區(qū)實(shí)施了多個治理項(xiàng)目,水土保持治理工程規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大,水土保持對黃河年輸沙量的影響更加顯著(圖7)。

        表5 1988—2012年計算結(jié)果

        4.3.2減沙分析

        截取1999—2012年的計算結(jié)果,分析計算年輸沙量變化趨勢(圖8)??梢钥闯觯?999年水土流失治理度達(dá)到40%,計算年輸沙量小于5億t,其80%置信度上限不到15億t; 2010年水土保持治理度達(dá)到55%,計算年輸沙量僅1.2億t,其80%置信度上限小于4.5億t。根據(jù)1988—2012年數(shù)據(jù)分析,在當(dāng)前水土保持治理程度,除非出現(xiàn)稀遇降雨事件,以80%的置信度,黃河年輸沙量將小于5億t。

        圖7 1988—2012年水土流失治理度與年輸沙量回歸分析

        圖8 1999—2012年計算結(jié)果80%置信度上下限分析

        5 結(jié)論與討論

        (1)從20世紀(jì)80年代初期開始,30多年來黃河上中游地區(qū)水土流失治理面積呈持續(xù)增長趨勢,截至2015年黃河中游水土流失綜合治理措施保存面積約為26萬km2。

        (2)依據(jù)水土流失治理度和降水量與黃河年輸沙量間的統(tǒng)計學(xué)關(guān)系,將1954—2012年劃分為3個時段,采用逐步回歸方法對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析,結(jié)果表明,水土流失治理度較好地“解釋”了20世紀(jì)80年代以來黃河年輸沙量銳減的現(xiàn)象,說明水土保持是黃河年輸沙量減少的主要因素。

        (3)在計算時段內(nèi)(以1967—1987年時段為例),相同降雨條件下,水土流失治理度的提高不僅顯著減少了黃河年輸沙量,而且使年輸沙量對降雨的響應(yīng)趨于“遲緩”。由此,在1988—2012年時段,僅由水土流失治理度1個因子就能夠很好“解釋” 黃河年輸沙量的變化。

        (4)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析,在水土流失治理度超過55%時,以80%的置信度,黃河年輸沙量將小于5億t。

        [1] 水利部,中國科學(xué)院,中國工程院.中國水土流失防治與生態(tài)安全:西北黃土高原區(qū)卷[M].北京:科學(xué)出版社,2010:63-67.

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        [3] 徐建華,李曉宇,陳建軍,等.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水利水保工程對暴雨洪水泥沙影響研究[M]. 鄭州:黃河水利出版社,2009:73-74.

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        (責(zé)任編輯李楊楊)

        S157

        A

        1000-0941(2016)09-0068-05

        李敏(1952—),男,江蘇徐州市人,教授級高級工程師,學(xué)士,主要研究方向?yàn)樗帘3謹(jǐn)?shù)學(xué)模型。

        2016-08-02

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