摘 要：流域徑流和輸沙對(duì)降水變化和水土保持的響應(yīng)可為水土保持效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)羅玉溝流域1987-2010年的水文泥沙數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall法，檢驗(yàn)流域降水、徑流和輸沙的變化趨勢(shì)；結(jié)合流域水土保持措施的資料，探討降水和水土保持對(duì)流域水沙變化的影響。結(jié)果顯示，年降雨量和年降雨侵蝕力分別是羅玉溝流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙的主要影響因素。年降雨量和年降雨侵蝕力在1987-2010年時(shí)期的變化趨勢(shì)不顯著，但年徑流深和年輸沙量呈顯著減少趨勢(shì)。這是因?yàn)槠旅婀こ檀胧┖椭脖淮胧└纳屏肆_玉溝流域的下墊面條件，降低了流域的降雨產(chǎn)流能力和侵蝕產(chǎn)沙能力；溝道工程措施通過(guò)攔蓄徑流泥沙，減少了對(duì)下游溝道的侵蝕。研究結(jié)果對(duì)流域治理規(guī)劃具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：降雨；徑流；輸沙；水土保持

黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失嚴(yán)重，是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素。流域水土流失受降水和人類活動(dòng)的雙重影響[1-4]。20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，隨著黃土丘陵溝壑地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和水土保持生態(tài)建設(shè)的大力推進(jìn)，人類活動(dòng)不斷加劇，加之在全球氣候變化的背景下，流域下墊面和降雨等水文要素進(jìn)一步發(fā)生變化，從而引起黃土丘陵溝壑區(qū)流域水沙發(fā)生新的變化。降雨是導(dǎo)致水土流失的原動(dòng)力，降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)等降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙密切相關(guān)[5-7]。人類活動(dòng)通過(guò)改變土地利用方式和實(shí)施水土保持措施來(lái)改變流域下墊面，使產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制發(fā)生變化[4，6-9]。只有了解流域水沙變化的原因，才能科學(xué)地制訂流域水土流失治理方案。羅玉溝流域在土壤侵蝕類型上可作為黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的典型代表，也是該地區(qū)水土流失綜合治理的典型流域。因此，本研究依據(jù)多年實(shí)測(cè)水文泥沙資料，分析羅玉溝流域的徑流和輸沙變化趨勢(shì)和特征，探討降水和水土保持對(duì)流域水沙變化的影響，以期為黃土丘陵溝壑區(qū)流域綜合治理和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

羅玉溝流域位于天水市北郊，是渭河支流藉河左岸的一級(jí)支流，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。流域面積72.79km2，呈狹長(zhǎng)形，羽狀溝系，平均寬度3.37km，主溝長(zhǎng)21.63km。流域內(nèi)溝壑密度為3.54km/km2。流域多年平均降水量548.9mm，年降水量最小值330.1mm，最高值842.2mm，6-9月降水量占年降水量的60%以上，雨熱同期，多年平均蒸發(fā)量1293.3mm。年平均氣溫10.7℃，一月平均氣溫-2.3℃，七月平均氣溫22.6℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-19.2℃。流域水土流失面積達(dá)到47.87km2，多年平均年徑流模數(shù)為3.07萬(wàn)m3/（km2·y），多年平均年侵蝕模數(shù)為7500t/（km2·y）。羅玉溝流域雨量站和出口水文測(cè)驗(yàn)站見(jiàn)圖1。

1998年，我國(guó)第一個(gè)大型水土保持生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目“藉河示范區(qū)工程”開(kāi)展實(shí)施，羅玉溝流域是藉河示范區(qū)主要流域之一。根據(jù)黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的實(shí)地調(diào)查和測(cè)算，截止2006年6月底，水土流失治理面積達(dá)到2734.44hm2，其中梯田927.45hm2、喬木林665.48hm2、灌木林350.73hm2、果園740.97hm2、經(jīng)濟(jì)林40.69hm2，建成骨干壩2座、中型壩3座和小型壩32座。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

文章所用到的羅玉溝流域的水文泥沙數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，數(shù)據(jù)年限為1987-2010年。

文章采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析羅玉溝流域的年降雨、徑流和輸沙時(shí)間序列的變化趨勢(shì)。Mann-Kendall檢驗(yàn)法是由國(guó)際氣象組織（WMO）推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，與參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法相比，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，而且計(jì)算也比較簡(jiǎn)單，是目前比較常用的趨勢(shì)診斷方法[10-12]。

累積距平法是一種較常用的判斷變化趨勢(shì)的方法，同時(shí)通過(guò)對(duì)累積距平曲線的觀察，也可以劃分變化的階段性[11-13]。文章采用累積距平法對(duì)年降雨量變化階段進(jìn)行劃分。對(duì)于序列x，其某一時(shí)刻的累積距平表示為：

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析和階段劃分。累積距平曲線呈上升趨勢(shì)，表示距平值增加，呈下降趨勢(shì)則表示距平值減小。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間。從曲線小的波動(dòng)變化可以考察其短期的距平值變化。

文章年降雨侵蝕力值的計(jì)算選取王萬(wàn)忠等（1995）建立的估算年降雨侵蝕力值的關(guān)系式[14]：

式中，R為年降雨侵蝕力，m·t·cm/hm2·h·y；P≥10為次降雨大于等于10mm的年降雨總量，mm；I60為年最大60min降雨量，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 年降雨和水沙變化特征

研究區(qū)在1987-2010年降雨量和年降雨侵蝕力年際變化見(jiàn)圖2。研究區(qū)在1987-2010年時(shí)期內(nèi)的年平均降雨量為559.5mm，其中2003年的降雨量最大，達(dá)到842.0mm；1997年的降雨量最小值，只有378.2mm。年降雨侵蝕力最小值也發(fā)生在1997年，為68.1m·t·cm/hm2·h·y；最大值發(fā)生在2007年，為360.1m·t·cm/hm2·h·y。圖2顯示年降雨侵蝕力的年際變化與年降雨量并不完全一致，如2001年和2003年相比，2001年的降雨量為597.4mm，但年降雨侵蝕力達(dá)到360.1m·t·cm/hm2·h·y；2003年的年降雨量雖然最大，但是年降雨侵蝕力僅為180.5m·t·cm/hm2·h·y。

根據(jù)公式（1）計(jì)算得到羅玉溝流域在1987-2010年期間降雨量累積距平的年際變化（圖3），在1993年和2007年前后表現(xiàn)出增大和減小趨勢(shì)，在2002年前后表現(xiàn)出減小和增大的趨勢(shì)。將各流域降雨量在1987-2010年時(shí)期的變化劃分為4個(gè)時(shí)期：P1（1987-1993年）、P2（1994-2002年）、P3（2003-2007年）和P4（2008-2010年）。流域在4個(gè)時(shí)期的年平均降雨量見(jiàn)表1，其中P3的年平均降雨量最大，P2的年平均降雨量最小。方差分析顯示，P1和P3之間的年平均降雨量不具有顯著性差異（P<0.05），P2與P4之間的年平均降雨量也不具有顯著性差異，但P1和P3的年平均降雨量顯著大于P2與P4。

羅玉溝4個(gè)時(shí)期之間的年平均徑流深都具有顯著差異（P<0.05），其中P1年平均徑流深最大，達(dá)到51.5mm；P4年平均徑流深最小，僅為4.8mm。P1的年平均輸沙模數(shù)顯著大于其它時(shí)期，達(dá)到7453.9t km-2，P2和P3之間差異性不顯著，P4的年平均輸沙模數(shù)最小，僅為433.7t km-2。

為進(jìn)一步分析流域降雨、徑流和輸沙的變化規(guī)律，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法判斷了年降雨量、年降雨侵蝕力、年徑流深和年輸沙模數(shù)的變化趨勢(shì)及顯著性，詳見(jiàn)表2。

由表2可以看出年降雨量和年降雨侵蝕力的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果Z值分別為-0.22和-0.02在置信水平為α=0.01的相應(yīng)臨界值±1.64之間，表明羅玉溝流域在1987-2010年時(shí)期的年降雨量和年降雨侵蝕力下降趨勢(shì)不顯著。年徑流深和年輸沙模數(shù)的Z值分別為-2.06和-1.66，超過(guò)了置信水平為α=0.01的下臨界值-1.64，表明羅玉溝流域在1987-2010年時(shí)期的年降雨量和年降雨侵蝕力呈顯著下降趨勢(shì)。

3.2 降水對(duì)徑流和輸沙變化的影響

羅玉溝的年降雨量-年徑流深關(guān)系和年降雨量-年輸沙模數(shù)關(guān)系分別見(jiàn)圖4（a）和圖4（b）。圖4（a）和圖4（b）顯示羅玉溝的年降雨量與年徑流深和年輸沙模數(shù)之間線性擬合函數(shù)的R2分別為0.65和0.32，表明年降雨量可以分別解釋年徑流深和年輸沙模數(shù)變異的65%和32%。圖5（a）和圖5（b）顯示羅玉溝的年降雨侵蝕力與年徑流深和年輸沙模數(shù)之間線性擬合函數(shù)的R2分別為0.66和0.71，表明年降雨侵蝕力可以分別解釋年徑流深和年輸沙模數(shù)變異的66%和71%。

對(duì)比年降雨量和年降雨侵蝕力與年徑流深和年輸沙模數(shù)的關(guān)系，表明年降雨量是羅玉溝流域年徑流量變化的主要影響因素，年降雨侵蝕力是年輸沙量變化的主要影響因素。

3.3 水土保持對(duì)徑流和輸沙變化的影響

由表1可知，P1和P3之間的年平均降雨量和年平均降雨侵蝕力差異不顯著，但是相比較P1，P3的年平均徑流深和年平均輸沙模數(shù)分別減少了36.7%和31.5%。而且由表2得到羅玉溝流域的年降雨量和年降雨侵蝕力在1987-2010年時(shí)期的變化趨勢(shì)不顯著，但是年徑流深和年輸沙模數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)。表明在降水沒(méi)有發(fā)生顯著變化的情況下，羅玉溝流域的徑流和輸沙顯著減少。這是因?yàn)樗帘３謱?duì)羅玉溝流域的影響：坡改梯和植被措施改善了流域的下墊面條件，增加了流域植被覆蓋面積，降低了流域降雨產(chǎn)流能力和侵蝕產(chǎn)沙能力；淤地壩等溝道工程措施通過(guò)攔蓄徑流和淤積泥沙，削減了洪峰流量，并縮短了溝道和改變了溝道地形條件，從而減輕了對(duì)流域下游溝道的沖刷和減少了溝道的侵蝕，有效地減少了流域產(chǎn)流量和輸沙量。而且在年降雨量較小的情況下，水土保持的減水比例和減沙比例較大。P2和P4的年平均降雨量顯著小于P1和P3，并且P2和P4之間的年平均降雨量和年平均降雨侵蝕力不具有顯著性差異。但是相比較P2，P4的年平均徑流深和年平均輸沙模數(shù)分別減少了61.0%和87.6%。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）年降雨量是羅玉溝流域產(chǎn)流的主要影響因素，年降雨侵蝕力是流域產(chǎn)沙的主要影響因素。（2）水土保持降低了羅玉溝流域的降雨產(chǎn)流能力和侵蝕產(chǎn)沙能力，顯著減少了流域產(chǎn)流量和輸沙量。

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