黃維東，朱 詠，王啟優(yōu)，張昌順

（1.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

在全球氣候變化和人類活動(dòng)影響下，流域下墊面條件發(fā)生改變，河流泥沙演變規(guī)律發(fā)生較大變化［1－3］。隨著區(qū)域氣溫升高，自然植被覆蓋度大幅度提高，對(duì)徑流形成滯蓄、消耗，使河流的徑流量和輸沙量減??；通過實(shí)施梯田、淤地壩、林草等水土保持措施，攔蓄了雨水徑流，減輕了水土流失，使河流水量有所減少，泥沙含量大幅度降低，泥沙演變規(guī)律發(fā)生顯著變化［4－6］。馬蓮河流域是黃土高原地區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，洪水期河流泥沙含量高、水質(zhì)苦咸，水資源可利用量較少，流域水資源嚴(yán)重匱乏。近幾十年來，經(jīng)過流域綜合治理，水土流失狀況得到較大改觀，生態(tài)環(huán)境有了一定改善，但與當(dāng)前黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的要求相比，還存在很大差距。

對(duì)河流泥沙演變規(guī)律的研究較多。彭世想等［7］分析了馬蓮河流域水沙變化與水土保持成效，結(jié)果表明，在黃土高原水土保持世界銀行貸款項(xiàng)目實(shí)施以后，馬蓮河流域徑流量和輸沙量明顯減小，且輸沙量減小幅度大于徑流量減小幅度，水土保持措施的減水減沙效益較為顯著；杜敏等［8］研究了馬蓮河流域土壤侵蝕產(chǎn)沙變化的格局，結(jié)果表明流域年輸沙量與輸沙模數(shù)隨時(shí)間變化呈下降趨勢(shì)，輸沙模數(shù)具有明顯的空間分布特征，由北向南遞減；劉淑燕等［9］研究了黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域土地利用變化對(duì)徑流輸沙的影響，分析認(rèn)為坡耕地改梯田可能是導(dǎo)致水沙變化的主要原因。

以往研究對(duì)馬蓮河流域泥沙演變規(guī)律進(jìn)行了分析，但對(duì)其成因分析較少。筆者采用與全國第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)同步的最新長系列水文資料，系統(tǒng)分析馬蓮河流域的泥沙時(shí)空分布規(guī)律，以及影響泥沙變化的降水、氣溫、植被覆蓋度、水土保持措施等因素，計(jì)算人類活動(dòng)和降水對(duì)泥沙變化的貢獻(xiàn)率。

1 流域概況

馬蓮河是渭河的二級(jí)支流、涇河的最大支流，發(fā)源于陜西省定邊縣紅柳溝鎮(zhèn)杜家溝，至甘肅省寧縣政平鎮(zhèn)匯入涇河［10］。流域地處東經(jīng)106°20′—108°45′、北緯35°15′—37°10′，集水面積19 086 km2，河長375 km，平均比降0.135%。流域地形總體由北向南傾斜，海拔在885～2 082 m 之間，主要支流有山城川、馬坊川、安山川、合道川、東川、合水川、固城川等。流域平均年降水量472.2 mm，年徑流深23.1 mm，年徑流系數(shù)0.049。出口控制站雨落坪水文站多年平均徑流量4.395 億m3。

流域內(nèi)山、川、塬兼有，溝、峁、梁相間，受地形地貌和局地暴雨洪水影響，水土流失嚴(yán)重。干流上的洪德、慶陽、雨落坪水文站實(shí)測(cè)最大含沙量分別達(dá)1 220、1 220、1 050 kg／m3；支流上的賈橋、板橋、悅樂水文站實(shí)測(cè)最大含沙量分別達(dá)981、849、889 kg／m3。流域多年平均輸沙量1.197 億t，年輸沙模數(shù)在1 663～8 148 t／km2之間。

2 資料來源與分析方法

選取馬蓮河流域洪德、慶陽、雨落坪、賈橋、板橋、悅樂等6 個(gè)國家基本水文站（馬蓮河流域水系及水文站分布見圖1）1956—2016 年實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行分析，資料系列較長，具有一定的可靠性、一致性、代表性，滿足分析計(jì)算的需要。

圖1 馬蓮河流域水系及水文站分布

采用多年特征值、歷年過程線、差積曲線等分析河流泥沙年際變化情況，采用年內(nèi)分配百分比、年內(nèi)分配過程線等分析泥沙的年內(nèi)分配，趨勢(shì)分析采用坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢(shì)相關(guān)等方法，突變分析采用Man－Kendall 法、有序聚類法、Lee－Heghinan 法等［11］，采用“水文法”分析計(jì)算人類活動(dòng)和降水對(duì)泥沙變化的貢獻(xiàn)率。

3 泥沙時(shí)空分布規(guī)律

3.1 空間分布

馬蓮河流域泥沙分布地區(qū)差異較大，總體從上游向下游遞減，最大產(chǎn)沙區(qū)域在馬蓮河干流洪德水文站以上和支流柔遠(yuǎn)川悅樂水文站以上，多年平均輸沙模數(shù)分別為8 148、7 299 t／km2；其次，干流洪德—慶陽區(qū)間和支流東川悅樂—賈橋區(qū)間年輸沙模數(shù)分別為6 614、6 280 t／km2；下游（慶陽＋賈橋＋板橋—雨落坪區(qū)間）年輸沙模數(shù)為4 716 t／km2；支流合水川泥沙最少，年輸沙模數(shù)為1 663 t／km2。馬蓮河流域各區(qū)間水文特征值見表1。

表1 馬蓮河流域各區(qū)間水文特征值

干流各區(qū)間產(chǎn)沙與徑流不對(duì)應(yīng)，呈現(xiàn)水沙異源特征。干流3 個(gè)區(qū)間年徑流深由最小14.7 mm 遞增到最大27.9 mm，年輸沙模數(shù)則由最大8 148 t／km2遞減到4 716 t／km2。支流柔遠(yuǎn)川、東川、合水川的年徑流深、輸沙模數(shù)大小順序一致，年徑流深由32.8 mm 遞減到18.3 mm，年輸沙模數(shù)由7 299 t／km2遞減到1 663 t／km2。

3.2 年際變化

代表站歷年徑流量、輸沙量、含沙量過程線及其差積曲線見圖2。各站年輸沙量變化趨勢(shì)基本一致，總體呈減少趨勢(shì)，洪德、慶陽、雨落坪水文站年均減少113 萬、84 萬、37 萬t。不同年代輸沙量變化趨勢(shì)基本與徑流量變化趨勢(shì)一致，輸沙量20 世紀(jì)50 年代末增加，60 年代初減少，1965—1978 年基本穩(wěn)定，1979—1988 年連續(xù)減少，1989—2005 年連續(xù)增加，2006—2016 年連續(xù)減少。

圖2 代表站水沙歷年變化過程

含沙量是單位體積渾水中所含干沙的質(zhì)量，代表河流水體的渾濁程度，比較不同河段和不同年代的平均含沙量，可以消除當(dāng)年來水量大小的影響，真實(shí)反映流域水土侵蝕狀況和治理成效。干流3 個(gè)站的年輸沙量從上游向下游增加，而年均含沙量在減小，說明越到下游土壤侵蝕越輕，水流越清。年均含沙量與年輸沙量歷年變化趨勢(shì)基本一致，總體呈減小趨勢(shì)。

3.3 年內(nèi)變化

洪德、慶陽、雨落坪水文站多年平均月輸沙量年內(nèi)分配見圖3，輸沙量年內(nèi)分配極不均勻。汛期（5—9月）輸沙量占全年的99.2%以上，其中7—8 月輸沙量占全年的82.5%～83.7%，非汛期（10—4 月）輸沙量極小、河流基本上清澈見底。

圖3 代表站多年平均輸沙量年內(nèi)分配

4 泥沙演變規(guī)律

4.1 趨勢(shì)分析

采用坎德爾秩次相關(guān)、斯波曼秩次相關(guān)、線性趨勢(shì)相關(guān)等3 種方法，對(duì)各代表站歷年輸沙量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)分析，綜合判斷變化趨勢(shì)的顯著性，結(jié)果見表2。流域泥沙均呈減少趨勢(shì)，其中洪德站輸沙量呈不顯著減少趨勢(shì)，慶陽、雨落坪站呈顯著減少趨勢(shì)。

表2 代表站輸沙量變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

4.2 突變分析

采用Man－Kendall 法、有序聚類法、Lee－Heghinan法等方法對(duì)代表站進(jìn)行輸沙量突變分析，以突變點(diǎn)為界，分別計(jì)算突變前后的均值及跳躍量（見表3）。結(jié)果表明，洪德、慶陽、雨落坪水文站的年輸沙量均發(fā)生顯著突變，突變點(diǎn)分別為2002 年、2003 年、2005 年，突變后年均輸沙量分別減少0.237 2 億、0.446 4 億、0.771 2億t，減少了54.8%、51.4%、57.7%。

表3 代表站年輸沙量突變分析結(jié)果

4.3 泥沙變化的影響因素分析

流域降水是地表產(chǎn)沙的動(dòng)力條件，其時(shí)空分布對(duì)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙有直接影響，而流域氣候向暖濕轉(zhuǎn)變導(dǎo)致自然植被覆蓋度增加，水土保持措施等人類活動(dòng)改變了流域下墊面條件，使產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制發(fā)生了顯著變化［12］。馬蓮河流域歷年降水量變化過程見圖4（a），年降水量豐枯交替，總體呈略有增加趨勢(shì)，年均增加0.11 mm。在流域降水量增加的情況下，徑流和泥沙反而呈減少趨勢(shì)，原因主要是流域平均氣溫升高［見圖4（b）］、植被覆蓋指數(shù)NDVI提高［見圖4（c）］、水土保持措施面積增加［見圖4（d）］，對(duì)部分雨水形成攔截、調(diào)蓄、消耗，進(jìn)而減少了土壤侵蝕和泥沙輸移。

圖4 馬蓮河流域降水、氣溫、植被及水土保持措施面積變化過程

突變年份2005 年前后對(duì)比見表4，突變后流域年均降水量增加了2.8%，年均氣溫升高14.0%，NDVI提高了10.2%，水土保持工程措施、林草措施面積分別增加了193%、93%。

表4 突變年份前后輸沙量影響因子對(duì)比

水土保持措施對(duì)流域的減水減沙作用十分顯著。截至2016 年底，馬蓮河流域共修建梯田32 萬hm2，淤地壩400 座，造林45.2 萬hm2，種草13 萬hm2，封禁治理31.4 萬hm2。流域泥沙變化是一個(gè)漸變過程，全流域之所以在2005 年發(fā)生突變，與馬蓮河流域?qū)嵤┝它S土高原水土保持世界銀行貸款項(xiàng)目有關(guān)，該項(xiàng)目從1994 年開始，到2004 年完成，一、二期總投資1.258億元，共修建梯田5 860 hm2，建設(shè)淤地壩19 座，完成造林21 570 hm2，人工種草4 600 hm2。

4.4 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)泥沙變化的貢獻(xiàn)率

馬蓮河流域年輸沙量系列在2005 年發(fā)生突變，2005—2016 年年均輸沙量比1956—2004 年減少0.771 2億t。采用“水文法”分析，突變后流域年降水量增加了2.9%，使年輸沙量增加了0.062 9 億t，水土保持措施等人類活動(dòng)使年輸沙量減少0.834 1 億t，人類活動(dòng)和降水對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率分別為93.0%、7.0%。劉曉燕［13］對(duì)黃河近年水沙銳減成因分析結(jié)果表明，涇河上游景村以上2007—2014 年降水使泥沙增加10.3%～18.6%，人類活動(dòng)使泥沙減少81.4%～89.7%，涇河上游馬蓮河流域的水土保持措施占比較大，梯田、林地、草地、壩地、封禁治理分別占景村以上流域的49.1%、53.6%、65.5%、87.4%、65.5%，本次分析馬蓮河流域人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率略高是合理的。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

（1）輸沙模數(shù)空間分布。馬蓮河流域泥沙分布地區(qū)差異較大，總體從上游向下游遞減，最大產(chǎn)沙區(qū)域在干流洪德站以上和支流柔遠(yuǎn)川悅樂站以上，多年平均輸沙模數(shù)分別達(dá)8 148、7 299 t／km2；其次，干流洪德—慶陽區(qū)間和支流東川悅樂—賈橋區(qū)間年輸沙模數(shù)分別為6 614、6 280 t／km2；慶陽＋賈橋＋板橋—雨落坪區(qū)間年輸沙模數(shù)為4 716 t／km2；支流合水川泥沙最少，年輸沙模數(shù)為1 663 t／km2。

（2）輸沙量年際年內(nèi)變化。干流洪德、慶陽、雨落坪水文站歷年輸沙量總體呈減少趨勢(shì)，年均減少113萬、84 萬、37 萬t；年輸沙量分別在2002 年、2003 年、2005 年后減少了54.8%、51.4%、57.7%。三站輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，汛期5—9 月輸沙量占全年的99.2%以上，其中7—8 月占全年的82.5%～83.7%。

（3）泥沙變化影響因素。人類活動(dòng)和降水對(duì)馬蓮河流域輸沙量變化的貢獻(xiàn)率分別為93.0%、7.0%，人類活動(dòng)等造成下墊面條件變化是泥沙顯著減少的主要原因。

5.2 建 議

在空間分布上，馬蓮河上游為黃土丘陵溝壑區(qū)，年降水量300 mm 左右，僅為下游的一半，氣候干燥、地面植被差、地形支離破碎，土壤極易被侵蝕，是產(chǎn)沙輸沙和水土流失的重點(diǎn)區(qū)域。馬蓮河流域產(chǎn)流主要為超滲產(chǎn)流，短歷時(shí)強(qiáng)降水及其形成的暴漲暴落洪水過程是土壤侵蝕和泥沙輸移的原動(dòng)力，每年主汛期7—8 月暴雨洪水形成的泥沙占全年的80%以上。近年來，受極端天氣影響，流域局地暴雨洪水頻發(fā)，建議對(duì)暴雨形成的場(chǎng)次水沙過程及其成因進(jìn)一步研究。

馬蓮河近十幾年年均輸沙量減少比例遠(yuǎn)小于黃河其他干支流減少比例，流域水土流失治理的空間還很大。馬蓮河2022 年7 月15 日發(fā)生大暴雨，1 h 最大降雨量84.6 mm，12 h 降雨量達(dá)367.9 mm，慶陽、雨落坪水文站發(fā)生50 a 一遇洪水，最大洪峰流量分別達(dá)4 930、4 290 m3／s，給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)造成重大損失，流域內(nèi)部分梯田、淤地壩沖毀相當(dāng)嚴(yán)重。為此，流域水土保持措施要避免重建輕管，對(duì)水毀和淤積失效的工程應(yīng)及時(shí)修復(fù)使其發(fā)揮作用。

從根本上解決流域水資源短缺、水土流失嚴(yán)重等問題，必須貫徹落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，一方面要節(jié)約保護(hù)和開發(fā)利用好當(dāng)?shù)厮Y源，另一方面要積極推進(jìn)白龍江引水工程（已得到水利部審查并報(bào)發(fā)改委審批），增加馬蓮河干支流生態(tài)用水量，確保河流水系連通、河湖健康、生態(tài)環(huán)境改善和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。