劉春月, 信忠保, 秦瑞杰, 張滿良, 劉 曉

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.北京林業(yè)大學 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站,北京 100083; 3.黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站, 甘肅 天水 741000)

流域水沙變化對氣候變化與人類活動十分敏感,其與河道演變、河勢穩(wěn)定等密切相關[1]。定量研究水沙變化及輸移過程,可為水利部門掌握河流特征奠定基礎[2],便于進一步解釋河流的泥沙來源和時空變化規(guī)律,對流域生態(tài)安全及水資源開發(fā)利用具有重要的科學意義[3]。黃土高原是我國水土流失重點區(qū)域之一,同時也是生態(tài)環(huán)境建設的重要區(qū)域[4]。在氣候變化日益顯著和人類活動范圍擴大、活動頻率不斷加快的背景下,黃土高原進行了一系列水土流失治理工程[5-6],使得流域水循環(huán)過程發(fā)生了顯著變化,黃河水沙明顯減少[7-9]。多年來,在黃土高原水沙變化及其驅動機制方面已有大量研究,包括水沙變化特征[10-11]、水沙關系變化[12-14]、水沙歸因分析等[15-17]。黃土高原水沙變化復雜,不同水文年侵蝕輸沙強度差異懸殊,以往研究多注重于水沙年際變化特征分析,但針對不同水文年水沙對降水和水土流失治理的響應分析較少。

研究以黃土高原丘陵區(qū)第三副區(qū)的典型流域羅玉溝流域為研究區(qū),基于1986—2018年流域內長時間序列降水及水沙數據,采用Mann-Kendall非參數檢驗、累積距平法、雙累積曲線等方法,在探討流域多年來水沙變化趨勢的基礎上,分析不同水文年羅玉溝徑流輸沙對流域內水土流失治理情況在響應上的差異,并量化降水變化和人類活動對流域水沙影響的貢獻率,以期增進黃土高原水沙變化及其對水土流失治理響應的認識,為黃土高原水土流失治理與水資源管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

甘肅天水羅玉溝流域是黃委會天水水土保持觀測研究站的主觀測流域,位于甘肅省天水市北郊,是渭河支流藉河左岸的一級支溝。羅玉溝流域發(fā)源于天水市麥積區(qū)鳳凰鄉(xiāng)境內的鳳凰山南麓,由西北流向東南,在天水市秦州區(qū)東關城區(qū)注入藉河,屬黃土丘陵區(qū)第三副區(qū)典型流域。流域為典型黃土梁狀丘陵地貌,地勢東高西低,呈狹長羽毛狀,海拔1 194～1 897 m,主溝道長21.81 km,平均比降3.35%,流域面積72.79 km2(圖1)。該流域屬大陸性季風氣候,多年(1986—2018年)平均降水量(565.7±118.1) mm,汛期(5—10月)平均降水量(463.0±16.8) mm。流域地表土壤類型主要分為山地褐色土、山地灰褐土及沖積土3類,其中山地灰褐土分布占流域91.7%。土地利用類型以梯田、林地為主,流域農耕地約占流域總面積的55.0%,流域內蘋果、櫻桃、桃、梨等經濟林分布廣泛。主要農作物有小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、土豆(Solanumtuberosum)等,流域內喬木有楊樹(Populus)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、側柏(Platycladusorientalis)等,灌木有沙棘(Hippophaerhamnoides)、狼木刺(Sophoraviciifolia)等。

圖1 羅玉溝流域雨量站、水文站分布

2 數據與方法

2.1 數據來源

1986—2018年逐月降水、徑流、輸沙水文數據來自黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站,其中降水數據源于天水站在羅玉溝流域先后設立的25個雨量站,由于雨量站布設較為合理,通過算術平均法得到流域平均降雨量,徑流輸沙數據源自羅玉溝把口站的觀測數據。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗法 Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦使用的非參數檢驗法,該方法優(yōu)勢在于不需要樣本遵從一定的分布也不受少數異常值的干擾,可用于水文變化的趨勢檢驗和突變點檢測[18]。M-K趨勢檢驗通過時間序列標準化變量Z值表明趨勢變化,Z>0,存在上升趨勢,Z<0,存在下降趨勢。當Z的絕對值大于1.96,2.58時,表示其分別通過了95%,99%的顯著性檢驗。同時計算順序、逆序時間序列的秩序列,得到UF,UB,若UF和UB在95%置信度臨界線內相交,交點即為對應序列的突變時間。

2.2.2 累積距平法 時間序列中的數值與均值的差稱為距平,每年的距平進行相加得到累積距平。當曲線上升,表明累積距平值增大,離散數據大于均值;若曲線下降,表明累積距平值減小,離散數據小于其均值,曲線趨勢發(fā)生改變時即發(fā)生變異。

2.2.3 雙累積曲線法 雙累積曲線法是檢驗2個參數間關系一致性及其變化的常用方法,可用于水文氣象要素的趨勢性變化及強度的分析[19]。研究采用雙累積曲線法,定量分析氣候變化和人類活動對水沙變化的貢獻率。繪制雙累積曲線將突變點前期視為基準期,后期為變化期,對累積降雨量和累積徑流量、輸沙量進行線性回歸得到線性關系式,進而得到降雨變化和人類活動對水沙變化的貢獻率。

3 結果和分析

3.1 水沙變化趨勢分析

干河日數包含河流干枯日數和連底凍日數,表示流域干枯斷流日數,流域河流發(fā)生干枯斷流影響流域水文變化,研究干河日數變化,有利于了解流域河流水文情勢,以便進一步分析徑流整體演變情況。1986—2018年,羅玉溝流域河流由常流河轉為季節(jié)性河流,干河日數M-K檢驗Z值為3.3,總體呈顯著增加趨勢(p<0.01),1986—1997年干河日數逐年急劇增加,由0增至357 d,多年平均干河日數為(163.2±127.4) d,1998—2018年干河日數均值為(305.8±42.5) d,后期較前期增長87.4%(圖2A)。

圖2 1986-2018年羅玉溝流域水文要素變化趨勢

降雨量呈不顯著上升趨勢(p>0.1),Z值為1.1(圖2B)。徑流輸沙顯著下降(p<0.05),Z值分別為-2.2,-2.4(圖2B、圖2C)。其中,輸沙減少趨勢較徑流更為顯著,且波動性更大,變異系數為1.3,表現為豐水年與枯水年侵蝕輸沙強度差異大,因此,有必要開展不同水文年水沙過程及其影響因素研究。在1986—1993年徑流輸沙急劇下降,多年平均徑流深為(50.4±25.3) mm,多年平均輸沙模數為(7 230.9±7 214.8) t/km2; 1994—2018年徑流輸沙呈波動變化,年際間變化較大,此時多年平均徑流深為(17.9±20.2) mm,多年平均輸沙模數為(3 006.2±4 002.9) t/km2。

年均含沙量Z值為-1.9,呈不顯著下降趨勢(p<0.1),整體變化可分為3個階段:(1) 1986—1994年含沙量呈現明顯的下降趨勢,其間多年年均含沙量為(109.1±78.3) kg/m3;(2) 1995—2004年含沙量處于高位階段,年均含沙量為(264.7±70.7) kg/m3,年際間變化較大;(3) 2005—2018年含沙量水平大幅度下降,年均含沙量為(87.5±48.8) kg/m3,流域徑流出現變清趨勢(圖2C)。

3.2 水沙突變分析

運用累積距平法和M-K檢驗法分析羅玉溝水沙變化的階段性特征,確定水沙變化的突變時間。由徑流深輸沙模數累積距平圖可知,徑流深在1993年和2007年出現極大值,輸沙模數在1990年與2007年出現極大值,即徑流輸沙的可能突變點為1993年、1990年和2007年?？傮w上羅玉溝流域水沙變化大致經歷了3個時期:1986—1993年,水沙累積距平曲線呈上升趨勢,總體處于豐水豐沙階段;1994—2007年,曲線呈波動下降趨勢,其中輸沙波動強于徑流,處于平水平沙階段;2008—2018年,徑流輸沙累積距平明顯下降,屬于枯水枯沙階段(圖3)。M-K突變檢驗顯示徑流深、輸沙模數在0.05顯著性水平上發(fā)生突變,徑流深突變點為1993年,輸沙模數可能在1993年、1998年、2007年發(fā)生突變(圖4)。

圖3 1986-2018年羅玉溝流域年徑流深及年輸沙模數累積距平

圖4 基于M-K檢驗的羅玉溝流域水沙突變診斷

結合M-K檢驗和累積距平分析可知,流域水沙變化時間較為一致,為方便整體分析比較,確定水沙突變時間為1993年和2007年,將1986—2018年羅玉溝流域水沙時間序列統(tǒng)一分為基準期1986—1993年、措施期1994—2007年和2008—2018年。相比于基準期,1994—2007年干河日數增長率為239.5%,2008—2018年增長率為255.0%,流域多年平均干河日數超過300 d。1994—2007年減水減沙率分別為61.9%,44.3%,2008—2018年減水減沙率分別為67.5%,76.4%,兩個時期相比徑流變化差異較小,2008—2018年減沙幅度大于1994—2007年。與基準期相比,含沙量在1994—2007年增加85.2%,在2008—2018年減少38.2%,此時年均含沙量小于1986—2018年多年年均含沙量(表1)。

表1 不同時期水文要素統(tǒng)計特征值

3.3 不同水文年水沙變化

采用《水文情報預報規(guī)范》(GB/T22482-2008)[20]中的距平百分率p將1986—2018年降雨量劃分為豐平枯3個層次(p>10%為豐水年,-10%

表2 不同水文年水文要素特征值Table 2 Characteristic values of hydrological elements in varied hydrological years

整體而言,相比于基準期,徑流深在措施期枯水年減幅較大,1994—2007年與2008—2018年枯水年減水率分別為81.6%,89.6%,具有良好的減水效果。然而流域豐水年產流依舊強烈,徑流深分別為(37.5±20.7) mm,(33.8±29.0) mm,為枯水年徑流深的6.8倍與10.9倍(表2)。

在基準期,羅玉溝侵蝕輸沙不同水文年差異顯著,豐水年輸沙模數高達(11 848.7±9 685.3) t/km2,表現出強烈的侵蝕輸沙特征,平水年侵蝕模數仍較高,為(6 185.7±4 982.8) t/km2,枯水年只有(1 872.2±1 558.3) t/km2,豐水年輸沙模數是枯水年輸沙模數的6.3倍。近期羅玉溝流域在平水年、枯水年的輸沙模數分別為(1 080.0±107.5) t/km2,(167.8±111.4) t/km2,水土流失治理效果顯著,但在豐水年輸沙模數為(3 941.3±3 974.6) t/km2,接近4 000 t/km2,水土流失仍然較為劇烈。相對于基準期,1994—2007年含沙量在豐水年有所減少,而平水年和枯水年輸沙以暴雨作用下高含沙水流為主要泥沙輸出方式,因此在平水年與枯水年含沙量發(fā)生增長,分別由(129.3±94.6) kg/m3,(57.3±17.5) kg/m3增至(280.7±66.5) kg/m3,(241.5±110.1) kg/m3,而在2008—2018年,不同水文年年均含沙量皆減少,表明羅玉溝徑流有變清趨勢(表2)。

3.4 水沙關系分析

3.4.1 降雨和徑流輸沙關系 1986—2018年流域降雨和徑流輸沙關系發(fā)生了變化(圖5),相關點隨時間發(fā)展整體下移,在水土保持建設下,年產流量和產沙量相對減少,徑流輸沙對降雨的敏感性減小。在相同降雨條件下,流域產流產沙能力下降。

圖5 1986-2018年羅玉溝流域降雨和徑流輸沙關系

3.4.2 年輸沙量與年徑流量關系 1986—2018年羅玉溝流域3個時期間水沙關系發(fā)生變化(圖6),回歸方程斜率逐漸下降,由0.25降至0.12,表明相同徑流條件下流域產沙能力下降。且R2由0.80升至0.96,說明流域水沙關系趨于良好。進一步用方差分析判斷不同時期年輸沙量—年徑流量回歸方程中斜率是否存在顯著差異,結果發(fā)現1986—1993年與1994—2007年回歸方程兩斜率之間并無顯著差異(p=0.389),而2008—2018年與1986—1993年差異顯著(p=0.015),說明水沙關系在2008—2018年發(fā)生變化,除了植被恢復影響外,流域溝道工程建設影響也不可忽視。

圖6 1986-2018年羅玉溝流域年輸沙量徑流量關系

3.4.3 月輸沙量與月徑流量關系 1986—2018年流域3個時期月輸沙量與月徑流量關系呈現兩種曲線類型,與1986—1993年相比,1994—2007年與2008—2018年曲線左移,形狀改變,說明月尺度徑流輸沙關系發(fā)生改變(圖7)。1986—1993年曲線先順時針后逆時針,徑流量在7月和8月出現兩個峰值,而后期只出現一個月徑流量峰值,說明流域徑流分布更加集中。1994—2007年與2008—2018年呈順時針曲線,上半年輸沙量逐漸增加,下半年逐漸減少,上半年流域輸沙量大于下半年,這種曲線在黃土高原較為常見[21-22]。1994—2007年徑流量減少,而月輸沙量水平高于1986—1993年,曲線較為舒展。而2008—2018年曲線較窄,上半年和下半年間輸沙量區(qū)別較小,徑流量和輸沙量均減少,輸沙量整體處于較低水平。

圖7 1986-2018年羅玉溝流域月輸沙量徑流量關系 Fig. 7 Relationship between monthly sediment yield and runoff in Luoyugou Watershed from 1986 to 2018

3.5 氣候變化和人類活動對流域水沙變化影響

流域徑流輸沙變化是人類活動與氣候變化共同作用的結果,為探究二者對流域水沙的影響,將研究期分為3個階段,運用雙累積曲線法定量評估氣候變化和人類活動對水沙變化的貢獻率,其中氣候變化只考慮降雨因素,徑流深、輸沙模數和降雨量的雙累積曲線見圖8,將變化期的累積降雨量代入天然期的線性回歸方程,各階段擬合系數R2均大于0.85,擬合程度良好。

圖8 1986-2018年羅玉溝流域水沙雙累積曲線

以1986—1993年為基準期,1994—2007年,人類活動和降雨變化對徑流變化的貢獻率分別為83.3%,16.7%,對輸沙變化的貢獻率分別為79.5%,20.5%;2008—2018年,人類活動和降雨變化對徑流變化的影響分別為91.8%,8.2%,對輸沙變化的相對貢獻率分別為94.4%,5.6%(表3,表4)。人類活動在不同時期對水沙變化均占主導地位,且隨著水土保持建設不斷加強人類活動作用越來越強。

表3 降水變化和人類活動對羅玉溝流域徑流變化的相對貢獻Table 3 Relative contributions of precipitation change and human activities to runoff change in Luoyugou Watershed

表4 降水變化和人類活動對羅玉溝流域輸沙變化的相對貢獻Table 4 Relative contributions of precipitation change and human activities to sediment yield change in Luoyugou Watershed

4 討 論

4.1 河流情勢變化分析

研究發(fā)現流域干河日數呈顯著增加趨勢(p<0.01),流域經歷了從常流河向季節(jié)性河流的轉變。流域河流斷流頻發(fā)除了受到降雨補給不足的影響外,根據流域在豐水年干河日數仍保持較高水平的情況,可以推測出人類活動也是導致河流斷流的重要因素。羅玉溝流域水土保持工作起步較早,最早可追溯至1956年,流域從20世紀80年代中期開始了大規(guī)模水土流失治理,截至1995年流域梯田所占面積比例已超過50%[23-25]。1999年,羅玉溝流域啟動退耕還林試點工作, 2008年實現退耕還林還草幾乎全覆蓋。自從退耕還林以來,幼林地和果園面積分別由2002年的816.0 hm2,410.5 hm2,增加到2008年的1 547.5 hm2,1 061.9 hm2,分別增長了89.6%和158.7%,耕地向幼林地和果園進行轉變,耕地面積大幅下降[26]。且從2000年開始流域增建了16座小型淤地壩[27-28],2004—2006年修建了50個水窖,進行了一系列溝道治理工程(21座)[14]。流域水土保持治理使得流域徑流輸沙顯著減少,流域產流能力不斷下降,促進了河流斷流。此外,經濟社會發(fā)展導致城市和工業(yè)用水增加,羅玉溝所在天水市秦州區(qū)和麥積區(qū)地下含水層淺,藉河流域地下水超采嚴重,地下水位嚴重下降,減少了河流供給,對羅玉溝溝道流量有一定影響。而河流由常流河轉為季節(jié)性河流使河流生態(tài)功能受損,地表水資源減少,不利于當地居民生產生活。

4.2 水沙變化趨勢分析

自20世紀90年代以來,羅玉溝年徑流量、輸沙量的年際變化表現出明顯的波動性,年際間變化較大,在平水年和枯水年徑流量輸沙量很低,而在豐水年則表現出較為強烈的侵蝕輸沙特征。張曉明等[29]在羅玉溝支溝橋子東西溝分析了土地利用/覆被變化的水文動態(tài)響應,研究表明在平水年和枯水年徑流系數減少率高于豐水年。劉卉芳等[30]在黃土高原馬家溝流域分析了降水變化下的水沙響應,結果顯示在豐水年徑流輸沙普遍較大,在枯水年水沙普遍較少,與本研究結果相似。此外,年均含沙量整體呈不顯著下降趨勢(p<0.1),但在1994—2007年含沙量數值較高,原因為該時段內流域降雨量較少,枯水年較多,年內產沙多集中于暴雨,如1995年8月的兩次暴雨,河流含沙量高達458.3 kg/m3,共輸沙9.5萬t,占全年輸沙量的72.1%,由此可知該時段內河流含沙量劇增更多是由于暴雨強烈輸沙的緣故,這與安樂平等[31]得出的結論相似—流域輸沙多在汛期,汛期輸沙多在暴雨。作為水土流失治理流域,羅玉溝流域侵蝕輸沙主要在豐水年遭受大暴雨形式輸出,因此,當前水土保持重點在于如何減緩極端暴雨條件下的水土流失,有關人員在設計水土保持措施時應充分考慮暴雨時侵蝕產沙的特點。

4.3 水沙關系變化分析

相比于基準期,1994—2007年由于坡改梯及植被恢復等水土保持措施,流域產流產沙能力下降,徑流輸沙分別減少61.9%和44.3%,但是流域年尺度水沙關系并未發(fā)生改變。2008—2018年水沙關系曲線與1986—1993年曲線存在顯著差異(p<0.05),說明流域水沙關系在2008—2018年發(fā)生變化。由于植被并不能改變黃土區(qū)泥沙來源豐富的特點,只能通過減少徑流及含沙量來減少產沙[32-33],而2008—2018年流域輸沙大幅度下降而徑流量、含沙量減少幅度較小,說明2000年來增加的淤地壩等工程措施減少了溝道中泥沙來源,溝道治理工程減沙效果更為顯著,改變了流域水沙關系。晏清洪等[34]在黃土丘陵區(qū)呂二溝流域分析指出以植物措施為主的水土流失綜合治理并沒有顯著影響流域水沙關系。劉卉芳等[35]研究發(fā)現在黃土區(qū)植被工程復合作用下水土保持效果顯著,在各項水土保持措施中,淤地壩減沙貢獻率最大,在40%以上。Zhang等[36]研究表明黃土高原植被恢復措施主要通過改變徑流進而減少產沙,而淤地壩等工程措施通過改變水沙關系來減少輸沙。這與本文研究結果相似,即坡改梯和林草措施并不能明顯改善水沙關系,而淤地壩等工程措施效果顯著。

5 結 論

(1) 1986—2018年羅玉溝流域河流從常流河變?yōu)榧竟?jié)性河流,2000年以來干河日數超過300 d以上;在水土保持建設驅動下,羅玉溝流域徑流輸沙呈現明顯下降趨勢,與1986—1993年基準期相比,2008—2018年徑流深和輸沙模數分別下降了67.5%和76.4%。

(2) 在2008—2018年平水年和枯水年間,羅玉溝流域輸沙模數分別為(1 080.0±107.5) t/km2,(167.8±111.4) t/km2,但豐水年水土流失仍然較為嚴重,近4 000 t/km2。流域產流產沙能力降低,水沙關系發(fā)生改變,相同徑流條件下輸沙量減少,即含沙量水平降低,流域徑流有變清趨勢。

(3) 隨著水土保持工作的持續(xù)建設,羅玉溝流域水沙過程受人類活動影響更加強烈, 1994—2007年和2008—2018年兩個時期,人類活動對羅玉溝流域徑流量變化貢獻率分別為83.3%,91.8%,對輸沙量下降相對貢獻分別為79.5%和94.4%,坡改梯及退耕還林還草工程建設是羅玉溝流域水沙銳減的主要因素。當下羅玉溝流域土壤侵蝕防治重點應該放在豐水年暴雨條件下發(fā)生的溝道侵蝕,需加強溝道治理工程建設,進一步降低豐水年水土流失。