靳 峰, 張 富, 胡彥婷, 周 蕊, 王玲莉, 唐 磊

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 蘭州 730070; 2.甘肅省水利廳, 蘭州 730000)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，氣候變化和人類活動的綜合作用使得全國一些河流的徑流量和泥沙量的差異顯著，同時也是水沙變化的重要影響方面。氣候變化主要是降水、氣溫、蒸發(fā)等[1]，人類活動主要是土地利用變化[2-3]、水土保持措施[4-5]、庫壩建設(shè)[6-7]等，其中降水量對徑流量的影響最顯著，而氣溫、蒸發(fā)等影響較??；人類活動中土地利用變化主要是通過實施一些水土保持措施減少徑流量和泥沙量[8-9]，徑流量和泥沙量也是水文水資源及循環(huán)的重要因素。

降水是引起水土流失的原動力，是水力侵蝕發(fā)生的前提，一般降水量與土壤侵蝕量呈正比關(guān)系[10]。穆興民等[11]使用綜合水文法與水保法，研究了黃河中上游水土保持措施對黃河泥沙影響，結(jié)果表明70年代土地利用中水土保持措施年均減沙4億t，80年代平均減沙達到3億t；在1970—1996年黃河中游河龍區(qū)間的土地利用中各項水土保持措施的年均減流、減泥效益分析，發(fā)現(xiàn)占到這一時期流域徑流和泥沙量的4.6%和22.9%[12]，同時劉芳等[13]也對河龍區(qū)間及涇、洛、渭水系的梯田進行了分析研究，表明梯田的減洪減沙效果顯著。劉紀(jì)根等[14]以鶴鳴觀小流域水土保持措施對流域水沙關(guān)系進行研究發(fā)現(xiàn)：在小流域治理后期，降雨產(chǎn)流量變化率、降雨產(chǎn)沙量變化率均減小，隨著降雨的增多，土地利用中水土保持措施對徑流、產(chǎn)沙的影響效應(yīng)增強；暴雨強度愈小，降雨量愈少，水土保持徑流攔蓄作用愈顯著；但降雨量愈大，泥沙攔蓄作用愈顯著。同樣張富等[15-16]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)沙主要是通過坡面徑流引起的溝岸擴張和溝底下切，實施水土保持措施可有效減少泥沙量。由上述研究可看出，改變土地利用結(jié)構(gòu)，即實施水土保持措施能夠有效地減少小流域的徑流、泥沙，消減洪峰流量，降低徑流含沙量，滯后洪峰出現(xiàn)時間，縮短洪水歷時，改變降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系。由于徑流和泥沙變化受自然環(huán)境及人類活動等的耦合效應(yīng)，研究降水量、土地利用措施在影響徑流量、輸沙量的內(nèi)在機制時仍有一定的難度。

1 研究區(qū)概況

安定區(qū)地處甘肅省中部偏南，屬黃河中游支流的祖厲河流域。位于104°12′48″—105°01′06″E，35°17′54″—36°02′40″N，區(qū)域總面積為3 638.71 km2。安定區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，四季氣候差異顯著，溫差較大。降水稀少而集中，截至2016年底，安定區(qū)年均降水量為415.6 mm，多年平均蒸發(fā)量1 529.4 mm。安定區(qū)干旱少雨，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡劣，是貧困縣(區(qū))之一。水土流失類型主要是水力侵蝕和重力侵蝕，坡面侵蝕及溝道侵蝕較嚴(yán)重，常有崩塌、滑坡等現(xiàn)象發(fā)生，年均徑流量為4.36×107m3，年均輸沙量1.05×107t。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

(1) 降水量、徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)。1957—2016年降水量、徑流量、輸沙量數(shù)據(jù)由甘肅省水文水資源局及所屬定西水文水資源局提供的年降水量數(shù)據(jù)來源定西西河、內(nèi)官營、紅土、青崗及周邊后頭灣、泉頭、青嵐設(shè)立的10個雨量觀測站，使用泰森多邊形法計算平均降水量。徑流、泥沙數(shù)據(jù)。前期水文觀測站設(shè)在巉口(1957—1999年)，2000年后上遷到定西東河、西河，故1957—1999年研究區(qū)徑流泥沙來源于巉口水文站觀測資料，2000年后來源于定西東河、西河水文站資料(2000—2016年)。

(2) 土地利用措施數(shù)據(jù)。主要來源于統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)(1957—2016年)；土地一調(diào)、二調(diào)及年度外調(diào)數(shù)據(jù)(1991年、2005—2016年)；林業(yè)部門祥查數(shù)據(jù)(2009年、2014年、2016年)及退耕還林工程(2000—2006年、2014—2016年)；水土保持年報(1957—2016年)及普查數(shù)據(jù)；土地利用保存數(shù)量數(shù)據(jù)(1957—2016年)等科研成果。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall趨勢分析及突變檢驗 Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗與突變檢測法是對于一組時間序列數(shù)據(jù)的非參數(shù)驗證方法，是由Mann[17]和Kendall[18]最先提出的。使用Mann-Kendall趨勢檢驗與突變檢測法研究區(qū)域降水量、徑流量與輸沙量的變化趨勢，檢測突變發(fā)生的時間。

2.2.2 回歸分析 使用SPSS 20.0軟件，進行降水量、土地利用與徑流量、輸沙量之間的回歸分析。對降水量與徑流輸沙、溝道措施與徑流輸沙進行單項回歸分析，對土地利用(未治理地、治理地)與徑流輸沙進行多元回歸分析，以確定其因子對徑流量、輸沙量的影響大小。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水變化特征分析

安定區(qū)年內(nèi)降水量差異較大，主要集中于5—9月，屬汛期降水量，占全年降水量的78.0%；尤其7月、8月份月均降水量達80 mm以上，占總降水量的39.50%。而其他月份降水量較小，表明安定區(qū)降水量變化具有明顯的季節(jié)性(圖1A)。1957—2016年安定區(qū)年均降水量為415.6 mm，年均汛期降水量為354.0 mm。年最大降水量和汛期最大降水量分別為715.6 mm和604.6 mm(1967年)；年最小降水量和汛期最小降水量分別為268.4 mm和209.4 mm(1997年)。汛期降水量占年降水量的80%以上，說明全年降水量集中在汛期。兩者具有顯著相關(guān)性，R=0.961(圖1B)。

年降水量趨勢和突變分析可知年降水量呈減少趨勢。M-K趨勢檢驗表明(圖2)，1957—2001年(除1960年，UF<0)統(tǒng)計量UF為正值，說明年降水量呈上升趨勢，且1967—1968年上升趨勢顯著(p<0.05)；2002—2016年統(tǒng)計量UF正負交替變化，且不顯著(p>0.05)。

圖1 降水量年內(nèi)、年際變化

圖2 年降水量M-K檢驗圖

3.2 土地利用方式變化特征分析

按照是否實施水土保持措施將安定區(qū)土地利用現(xiàn)狀分為未治理地(坡耕地、未利用地及其他用地)和治理地(建設(shè)用地、梯田、人工造林、人工種草、封育、淤地壩)兩類。

3.2.1 未治理地變化特征分析 整個研究時間尺度內(nèi)未治理地呈總體下降的趨勢，坡耕地由1957年的14.55萬hm2減少為2016年的0.99萬hm2，1957—1965年是增長期，1966年后則是坡耕地減少期。1991—2016年年際間未利用地及其他用地呈持續(xù)減少的趨勢，由1991年的11.67萬hm2減少為2016年的5.88萬hm2。2000年坡耕地、未利用地及其他用地下降最顯著(圖3A)。

3.2.2 治理地變化特征分析 在研究期內(nèi)治理地總體呈上升的趨勢，建設(shè)用地由1991年的1.04萬hm2增為2016年的1.70萬hm2，年均遞增速度0.03萬hm2；梯田由1966年的0.38萬hm2增為2016年的13.17萬hm2，以年均0.26萬hm2速度遞增，其中2000年梯田增速最大；人工造林由1957年的0.017萬hm2增到2016年的9.21萬hm2，造林面積增長最快時間段為1982—2016年；人工種草由1974年的0.10萬hm2增為2016年的4.21萬hm2，1957—1973年為零星種草期，1974—1999年為快速上升期，2000—2016年為較穩(wěn)定增長期；1985—2016年開始大規(guī)模的封育治理，以年均0.02萬hm2的速度增加，至2016年底，封育治理達1.17萬hm2(圖3B)。

3.2.3 溝道工程數(shù)量變化及特征 1987—1994年建成淤地壩21座，1995—2010年建成129座，以年均8座的速度遞增，2010—2016年淤地壩數(shù)量不變，至2016年共建成淤地壩155座，其中大型淤地壩81座，中小型淤地壩74座(圖4)。據(jù)研究，淤地壩年均可攔蓄溝道徑流120 m3/座，攔泥26 992 t/座[16]。

圖3 未治理地、治理地面積變化

圖4 溝道工程數(shù)量變化

3.3 徑流輸沙量變化特征分析

由圖5A可以看出，月徑流量、月輸沙量在年內(nèi)變化較大，汛期徑流量與輸沙量主要集中于6—9月，占總徑流量的71.77%；占總輸沙量的89.79%。表明汛期徑流量、輸沙量最大，其他時節(jié)相對較小。研究時間尺度內(nèi)年徑流量和輸沙量隨著年限的遞增呈先增后減的趨勢(圖5B)，多年均徑流量為4.36×107m3，多年輸沙量為1.05×107t；最大徑流量達1.65×108m3，與最大降水量出現(xiàn)年份(1967年)一致，年輸沙量為4.03×107t(1973年)，1967年次之，為3.27×107t；年最小徑流量為2.05×106m3(2011年)，年輸沙量為5.00×103t(2016年)。年汛期徑流量占年徑流量的70%以上(除少數(shù)年份占70%以下)，具有顯著線性相關(guān)，R=0.941。年汛期輸沙量占年輸沙量的80%以上(除少數(shù)年份占80%以下)，具有顯著相關(guān)性，R=0.987。

圖5 徑流量與輸沙量年內(nèi)、年際變化

對年徑流量、年輸沙量M-K非參數(shù)檢驗分析表明(圖6)，年徑流量1957—1974年統(tǒng)計量UF′為正值，說明年徑流量呈上升趨勢，沒有達顯著水平(p=0.05，UF′=1.73，UF′U0.01)，年徑流突變開始時間為1995年(圖6A)。就年輸沙量，1957—1968年統(tǒng)計量UF″為正值，說明年輸沙量呈上升趨勢，但不顯著性(p=0.05，UF″=1.57，UF″U0.01)，年輸沙量出現(xiàn)突變的時間為2002年左右(圖6B)。

3.4 徑流輸沙變化影響因子分析

1957—1990年建設(shè)用地、未利用地及其他用地數(shù)據(jù)未統(tǒng)計，使用1991—2016年的數(shù)據(jù)反推彌補其數(shù)據(jù)序列；在上述研究中發(fā)現(xiàn)梯田、人工種草、封育及淤地壩的數(shù)據(jù)序列缺失，為便于回歸分析將其缺失值處理為0.000 1萬hm2，在此基礎(chǔ)上選取物理意義較簡單的線性、對數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)，綜合分析發(fā)現(xiàn)年降水量與年徑流輸沙均線性關(guān)系最好；未治理地與年徑流指數(shù)關(guān)系最好、與年輸沙冪函數(shù)關(guān)系最好；治理地、溝道工程與年徑流輸沙均是指數(shù)關(guān)系最好。因此，在下述只詳細分析年降水量與年徑流輸沙的線性模型；未治理地與年徑流的指數(shù)模型、與年輸沙的冪函數(shù)模型；治理地、溝道工程與年徑流輸沙的指數(shù)模型。

圖6 年徑流量、輸沙量M-K檢驗

3.4.1 降水量對年徑流輸沙的影響 對年降水量與年徑流量、輸沙量進行單相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)線性模型達極顯著水平(p<0.01)，且年降水量與年徑流量、輸沙量均呈正相關(guān)，即隨年降水量的增加年徑流量、年輸沙量呈上升趨勢。年降水量與年徑流量的相關(guān)性高于年輸沙量，年降水量對年徑流量的決定系數(shù)達0.255，對年輸沙量的決定系數(shù)達0.207，說明年降水量對年徑流量的決定程度高于年輸沙量，見表1。

表1 年降水量與徑流輸沙回歸方程表

注：Y1表示年徑流量(106m3)；Y2表示年輸沙量(106t)；X為自變量(年降水量，mm)；R為相關(guān)系數(shù)；R2為決定系數(shù)；F為方差檢驗值，下同。

3.4.2 未治理地對年徑流輸沙的影響 前期對未治理地與年徑流輸沙進行單項回歸分析，發(fā)現(xiàn)未治理地中坡耕地、未利用地及其他用地與年徑流輸沙呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性表現(xiàn)為坡耕地>未利用地及其他用地。對1957—2016年未治理地與年徑流量、輸沙量進行多元回歸分析，結(jié)果表明未治理地與年徑流量具有較好的指數(shù)關(guān)系，而未治理地與年輸沙具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，均達極顯著水平(p<0.01)。未治理地對年徑流輸沙的決定系數(shù)為0.733，而對年輸沙量的決定系數(shù)為0.789，說明未治理地對年輸沙量的決定程度高于年徑流量，未治理地與年徑流量的指數(shù)模型更適宜，而與年輸沙量的冪函數(shù)模型更適宜；就同一指數(shù)模型而言，坡耕地、未利用地及其他用地等未治理地變化更易引起年徑流量的變化，見表2。

表2 未治理地與年徑流輸沙回歸方程表

注：X′i為自變量(i=1，2分別為坡耕地、未利用地及其他用地；單位為萬hm2)。

3.4.3 治理地對年徑流輸沙的影響 前期對治理地與年徑流輸沙進行單項回歸分析，發(fā)現(xiàn)治理地中建設(shè)用地、梯田、人工造林、人工種草、封育與年徑流輸沙呈負相關(guān)關(guān)系，且與年徑流量的相關(guān)性表現(xiàn)為梯田>人工造林>封育>人工種草>建設(shè)用地；與年輸沙量的相關(guān)性表現(xiàn)為封育>梯田>建設(shè)用地>人工造林>人工種草。對1957—2016年治理地與年徑流量、輸沙量進行多元回歸分析，結(jié)果表明治理地與年徑流量、輸沙量均具有較好的指數(shù)關(guān)系，均達極顯著水平(p<0.01)。治理地對年徑流量的決定系數(shù)是0.740，對年輸沙量的決定系數(shù)是0.804，說明治理地對年輸沙量的決定程度高于年徑流量，建設(shè)用地、梯田、人工造林、人工種草、封育等治理地變化更易引起年輸沙量的變化，見表3。

表3 治理地與年徑流輸沙回歸方程表

注：Xi為自變量(i=1，2，3，4，5分別為建設(shè)用地、梯田、人工造林、人工種草、封育；單位為萬hm2)。

3.4.4 溝道工程對年徑流輸沙的影響 淤地壩與年徑流量、輸沙量進行回歸分析，結(jié)果表明淤地壩與年徑流量、輸沙量均具有較好的指數(shù)關(guān)系，均達極顯著水平(p<0.01)。淤地壩對年徑流量的決定系數(shù)達0.809，對年輸沙量的決定系數(shù)達0.840，說明淤地壩對年徑流量的決定程度低于年輸沙量，淤地壩同時起到了攔蓄徑流和泥沙的作用，攔泥效果更好，見表4。

表4 淤地壩與年徑流輸沙相關(guān)性分析表

注：X6為自變量(淤地壩，座)。

4 討 論

未治理地是水土流失發(fā)生的主要策源地，開墾荒地是坡耕地面積增加的根源，坡耕地、未利用地及其他用地隨梯田、人工造林、人工種草、封育治理、建設(shè)用地等的增加而迅速減少，對水土流失的防治起到了巨大的影響。治理地主要是通過實施水土保持措施來減少徑流泥沙量，建設(shè)項目占地在其建設(shè)期擾動地表，會增加水土流失量，在建成后，綠地(林草地)增加、地面坡度變緩、配套水土保持措施，所以該區(qū)域的徑流泥沙減少；梯田是坡面水土保持措施中調(diào)水保土效率最高、最持久措施[16]，因此大力實施坡改梯等工程有利于徑流和泥沙的控制；大面積進行人工造林、人工種草對增加植被、控制坡面及溝道水土流失具有重要作用；封育治理可快速增加林草覆蓋，具有顯著的生態(tài)效益。由此可見，重點實施水土保持措施能大幅減少坡面及溝道水土流失。

年徑流量發(fā)生突變時間為1995年，而這一時期前后正好是溝道工程尤其是淤地壩大量增加的時間段，淤地壩發(fā)揮了很好地攔蓄徑流的作用，使年徑流量下降的同時，也減少了年輸沙量，且攔泥的效果更佳，攔泥淤地形成溝壩地，溝壩地大多是坡面徑流沖蝕地表泥沙，順坡流下匯入溝道，具有較高的養(yǎng)分，是農(nóng)民耕種的優(yōu)良耕地。因此人類活動主要是通過水土保持措施及淤地壩工程的實施起到了很好的減水減沙效果，且輸沙量減少更顯著，說明調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，有助于攔蓄徑流泥沙，減沙效果大于減流效果，本結(jié)果與夏露[19]、秦瑞杰[20]等在黃土丘陵區(qū)的水沙變化研究結(jié)果基本一致。且在小區(qū)域即安定區(qū)進行研究時，地域因素差距基本不大，但人類活動比較活躍不斷發(fā)生變化，而以大區(qū)域為研究對象時，地域因素和人類活動均可能引起年徑流泥沙的變化。在進行年降水量與年徑流的回歸分析，建立線性、冪函數(shù)、指數(shù)、對數(shù)模型，分析發(fā)現(xiàn)年降水量與年徑流具有較好的線性關(guān)系，達極顯著水平(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)R=0.505，且呈正相關(guān)[21-23]，即隨年降水量的增大年徑流增加，年降水量對年徑流的貢獻率達25.5%。Zhang等[24]研究祖厲河流域降水與徑流之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)年降水量可解釋徑流變化達30%，值有所不同且稍偏小，引起此結(jié)果的原因可能是研究區(qū)19.57%的西鞏河徑流并沒有匯入此區(qū)域，年徑流量有所減少引起的。

5 結(jié) 論

(1) 在研究時間尺度內(nèi)年降水量稍有下降且不顯著(p>0.05)，年降水量與年徑流輸沙呈正相關(guān)，且年降水量與年徑流量的相關(guān)性高于年輸沙量；年徑流量、輸沙量總體呈下降趨勢且達極顯著水平(p<0.01)，出現(xiàn)突變的時間分別為1995年、2002年左右。

(2) 1957—1985年徑流量、輸沙量對降水量變化響應(yīng)強烈，趨勢協(xié)同性強；1986—2016年響應(yīng)減小，趨勢協(xié)同異化。說明水沙變化受其他因素(水土保持措施)影響越來越大，尤其是2001年之后受年降水量影響更小。

(3) 未治理地中呈逐年遞減趨勢，與年徑流輸沙呈正相關(guān)且具有較好的指數(shù)、冪函數(shù)關(guān)系(p<0.01)，其變化易引起徑流量的變動；而治理地呈逐年遞增的趨勢，與年徑流輸沙呈負相關(guān)且具有較好的指數(shù)關(guān)系，其變化對年輸沙量更敏感；淤地壩數(shù)量先增后維持不變，與年徑流輸沙呈負相關(guān)且具有較好的指數(shù)關(guān)系，其攔泥較蓄水效果稍好(p<0.01)。