1986-2018年黄土丘陵区典型小流域不同水文年水沙变化

刘春月, 信忠保, 秦瑞杰, 张满良, 刘 晓

(1.北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083; 2.北京林业大学 山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站,北京 100083; 3.黄河水利委员会天水水土保持科学试验站, 甘肃 天水 741000)

流域水沙变化对气候变化与人类活动十分敏感,其与河道演变、河势稳定等密切相关[1]。定量研究水沙变化及输移过程,可为水利部门掌握河流特征奠定基础[2],便于进一步解释河流的泥沙来源和时空变化规律,对流域生态安全及水资源开发利用具有重要的科学意义[3]。黄土高原是我国水土流失重点区域之一,同时也是生态环境建设的重要区域[4]。在气候变化日益显著和人类活动范围扩大、活动频率不断加快的背景下,黄土高原进行了一系列水土流失治理工程[5-6],使得流域水循环过程发生了显著变化,黄河水沙明显减少[7-9]。多年来,在黄土高原水沙变化及其驱动机制方面已有大量研究,包括水沙变化特征[10-11]、水沙关系变化[12-14]、水沙归因分析等[15-17]。黄土高原水沙变化复杂,不同水文年侵蚀输沙强度差异悬殊,以往研究多注重于水沙年际变化特征分析,但针对不同水文年水沙对降水和水土流失治理的响应分析较少。

研究以黄土高原丘陵区第三副区的典型流域罗玉沟流域为研究区,基于1986—2018年流域内长时间序列降水及水沙数据,采用Mann-Kendall非参数检验、累积距平法、双累积曲线等方法,在探讨流域多年来水沙变化趋势的基础上,分析不同水文年罗玉沟径流输沙对流域内水土流失治理情况在响应上的差异,并量化降水变化和人类活动对流域水沙影响的贡献率,以期增进黄土高原水沙变化及其对水土流失治理响应的认识,为黄土高原水土流失治理与水资源管理提供参考。

1 研究区概况

甘肃天水罗玉沟流域是黄委会天水水土保持观测研究站的主观测流域,位于甘肃省天水市北郊,是渭河支流藉河左岸的一级支沟。罗玉沟流域发源于天水市麦积区凤凰乡境内的凤凰山南麓,由西北流向东南,在天水市秦州区东关城区注入藉河,属黄土丘陵区第三副区典型流域。流域为典型黄土梁状丘陵地貌,地势东高西低,呈狭长羽毛状,海拔1 194～1 897 m,主沟道长21.81 km,平均比降3.35%,流域面积72.79 km2(图1)。该流域属大陆性季风气候,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。流域地表土壤类型主要分为山地褐色土、山地灰褐土及冲积土3类,其中山地灰褐土分布占流域91.7%。土地利用类型以梯田、林地为主,流域农耕地约占流域总面积的55.0%,流域内苹果、樱桃、桃、梨等经济林分布广泛。主要农作物有小麦(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、土豆(Solanumtuberosum)等,流域内乔木有杨树(Populus)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)等,灌木有沙棘(Hippophaerhamnoides)、狼木刺(Sophoraviciifolia)等。

图1 罗玉沟流域雨量站、水文站分布

2 数据与方法

2.1 数据来源

1986—2018年逐月降水、径流、输沙水文数据来自黄河水利委员会天水水土保持科学试验站,其中降水数据源于天水站在罗玉沟流域先后设立的25个雨量站,由于雨量站布设较为合理,通过算术平均法得到流域平均降雨量,径流输沙数据源自罗玉沟把口站的观测数据。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall检验法 Mann-Kendall检验法是世界气象组织推荐使用的非参数检验法,该方法优势在于不需要样本遵从一定的分布也不受少数异常值的干扰,可用于水文变化的趋势检验和突变点检测[18]。M-K趋势检验通过时间序列标准化变量Z值表明趋势变化,Z>0,存在上升趋势,Z<0,存在下降趋势。当Z的绝对值大于1.96,2.58时,表示其分别通过了95%,99%的显著性检验。同时计算顺序、逆序时间序列的秩序列,得到UF,UB,若UF和UB在95%置信度临界线内相交,交点即为对应序列的突变时间。

2.2.2 累积距平法 时间序列中的数值与均值的差称为距平,每年的距平进行相加得到累积距平。当曲线上升,表明累积距平值增大,离散数据大于均值;若曲线下降,表明累积距平值减小,离散数据小于其均值,曲线趋势发生改变时即发生变异。

2.2.3 双累积曲线法 双累积曲线法是检验2个参数间关系一致性及其变化的常用方法,可用于水文气象要素的趋势性变化及强度的分析[19]。研究采用双累积曲线法,定量分析气候变化和人类活动对水沙变化的贡献率。绘制双累积曲线将突变点前期视为基准期,后期为变化期,对累积降雨量和累积径流量、输沙量进行线性回归得到线性关系式,进而得到降雨变化和人类活动对水沙变化的贡献率。

3 结果和分析

3.1 水沙变化趋势分析

干河日数包含河流干枯日数和连底冻日数,表示流域干枯断流日数,流域河流发生干枯断流影响流域水文变化,研究干河日数变化,有利于了解流域河流水文情势,以便进一步分析径流整体演变情况。1986—2018年,罗玉沟流域河流由常流河转为季节性河流,干河日数M-K检验Z值为3.3,总体呈显著增加趋势(p<0.01),1986—1997年干河日数逐年急剧增加,由0增至357 d,多年平均干河日数为(163.2±127.4) d,1998—2018年干河日数均值为(305.8±42.5) d,后期较前期增长87.4%(图2A)。

图2 1986-2018年罗玉沟流域水文要素变化趋势

降雨量呈不显著上升趋势(p>0.1),Z值为1.1(图2B)。径流输沙显著下降(p<0.05),Z值分别为-2.2,-2.4(图2B、图2C)。其中,输沙减少趋势较径流更为显著,且波动性更大,变异系数为1.3,表现为丰水年与枯水年侵蚀输沙强度差异大,因此,有必要开展不同水文年水沙过程及其影响因素研究。在1986—1993年径流输沙急剧下降,多年平均径流深为(50.4±25.3) mm,多年平均输沙模数为(7 230.9±7 214.8) t/km2; 1994—2018年径流输沙呈波动变化,年际间变化较大,此时多年平均径流深为(17.9±20.2) mm,多年平均输沙模数为(3 006.2±4 002.9) t/km2。

年均含沙量Z值为-1.9,呈不显著下降趋势(p<0.1),整体变化可分为3个阶段:(1) 1986—1994年含沙量呈现明显的下降趋势,其间多年年均含沙量为(109.1±78.3) kg/m3;(2) 1995—2004年含沙量处于高位阶段,年均含沙量为(264.7±70.7) kg/m3,年际间变化较大;(3) 2005—2018年含沙量水平大幅度下降,年均含沙量为(87.5±48.8) kg/m3,流域径流出现变清趋势(图2C)。

3.2 水沙突变分析

运用累积距平法和M-K检验法分析罗玉沟水沙变化的阶段性特征,确定水沙变化的突变时间。由径流深输沙模数累积距平图可知,径流深在1993年和2007年出现极大值,输沙模数在1990年与2007年出现极大值,即径流输沙的可能突变点为1993年、1990年和2007年。总体上罗玉沟流域水沙变化大致经历了3个时期:1986—1993年,水沙累积距平曲线呈上升趋势,总体处于丰水丰沙阶段;1994—2007年,曲线呈波动下降趋势,其中输沙波动强于径流,处于平水平沙阶段;2008—2018年,径流输沙累积距平明显下降,属于枯水枯沙阶段(图3)。M-K突变检验显示径流深、输沙模数在0.05显著性水平上发生突变,径流深突变点为1993年,输沙模数可能在1993年、1998年、2007年发生突变(图4)。

图3 1986-2018年罗玉沟流域年径流深及年输沙模数累积距平

图4 基于M-K检验的罗玉沟流域水沙突变诊断

结合M-K检验和累积距平分析可知,流域水沙变化时间较为一致,为方便整体分析比较,确定水沙突变时间为1993年和2007年,将1986—2018年罗玉沟流域水沙时间序列统一分为基准期1986—1993年、措施期1994—2007年和2008—2018年。相比于基准期,1994—2007年干河日数增长率为239.5%,2008—2018年增长率为255.0%,流域多年平均干河日数超过300 d。1994—2007年减水减沙率分别为61.9%,44.3%,2008—2018年减水减沙率分别为67.5%,76.4%,两个时期相比径流变化差异较小,2008—2018年减沙幅度大于1994—2007年。与基准期相比,含沙量在1994—2007年增加85.2%,在2008—2018年减少38.2%,此时年均含沙量小于1986—2018年多年年均含沙量(表1)。

表1 不同时期水文要素统计特征值

3.3 不同水文年水沙变化

采用《水文情报预报规范》(GB/T22482-2008)[20]中的距平百分率p将1986—2018年降雨量划分为丰平枯3个层次(p>10%为丰水年,-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

整体而言,相比于基准期,径流深在措施期枯水年减幅较大,1994—2007年与2008—2018年枯水年减水率分别为81.6%,89.6%,具有良好的减水效果。然而流域丰水年产流依旧强烈,径流深分别为(37.5±20.7) mm,(33.8±29.0) mm,为枯水年径流深的6.8倍与10.9倍(表2)。

在基准期,罗玉沟侵蚀输沙不同水文年差异显著,丰水年输沙模数高达(11 848.7±9 685.3) t/km2,表现出强烈的侵蚀输沙特征,平水年侵蚀模数仍较高,为(6 185.7±4 982.8) t/km2,枯水年只有(1 872.2±1 558.3) t/km2,丰水年输沙模数是枯水年输沙模数的6.3倍。近期罗玉沟流域在平水年、枯水年的输沙模数分别为(1 080.0±107.5) t/km2,(167.8±111.4) t/km2,水土流失治理效果显著,但在丰水年输沙模数为(3 941.3±3 974.6) t/km2,接近4 000 t/km2,水土流失仍然较为剧烈。相对于基准期,1994—2007年含沙量在丰水年有所减少,而平水年和枯水年输沙以暴雨作用下高含沙水流为主要泥沙输出方式,因此在平水年与枯水年含沙量发生增长,分别由(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减少,表明罗玉沟径流有变清趋势(表2)。

3.4 水沙关系分析

3.4.1 降雨和径流输沙关系 1986—2018年流域降雨和径流输沙关系发生了变化(图5),相关点随时间发展整体下移,在水土保持建设下,年产流量和产沙量相对减少,径流输沙对降雨的敏感性减小。在相同降雨条件下,流域产流产沙能力下降。

图5 1986-2018年罗玉沟流域降雨和径流输沙关系

3.4.2 年输沙量与年径流量关系 1986—2018年罗玉沟流域3个时期间水沙关系发生变化(图6),回归方程斜率逐渐下降,由0.25降至0.12,表明相同径流条件下流域产沙能力下降。且R2由0.80升至0.96,说明流域水沙关系趋于良好。进一步用方差分析判断不同时期年输沙量—年径流量回归方程中斜率是否存在显著差异,结果发现1986—1993年与1994—2007年回归方程两斜率之间并无显著差异(p=0.389),而2008—2018年与1986—1993年差异显著(p=0.015),说明水沙关系在2008—2018年发生变化,除了植被恢复影响外,流域沟道工程建设影响也不可忽视。

图6 1986-2018年罗玉沟流域年输沙量径流量关系

3.4.3 月输沙量与月径流量关系 1986—2018年流域3个时期月输沙量与月径流量关系呈现两种曲线类型,与1986—1993年相比,1994—2007年与2008—2018年曲线左移,形状改变,说明月尺度径流输沙关系发生改变(图7)。1986—1993年曲线先顺时针后逆时针,径流量在7月和8月出现两个峰值,而后期只出现一个月径流量峰值,说明流域径流分布更加集中。1994—2007年与2008—2018年呈顺时针曲线,上半年输沙量逐渐增加,下半年逐渐减少,上半年流域输沙量大于下半年,这种曲线在黄土高原较为常见[21-22]。1994—2007年径流量减少,而月输沙量水平高于1986—1993年,曲线较为舒展。而2008—2018年曲线较窄,上半年和下半年间输沙量区别较小,径流量和输沙量均减少,输沙量整体处于较低水平。

图7 1986-2018年罗玉沟流域月输沙量径流量关系 Fig. 7 Relationship between monthly sediment yield and runoff in Luoyugou Watershed from 1986 to 2018

3.5 气候变化和人类活动对流域水沙变化影响

流域径流输沙变化是人类活动与气候变化共同作用的结果,为探究二者对流域水沙的影响,将研究期分为3个阶段,运用双累积曲线法定量评估气候变化和人类活动对水沙变化的贡献率,其中气候变化只考虑降雨因素,径流深、输沙模数和降雨量的双累积曲线见图8,将变化期的累积降雨量代入天然期的线性回归方程,各阶段拟合系数R2均大于0.85,拟合程度良好。

图8 1986-2018年罗玉沟流域水沙双累积曲线

以1986—1993年为基准期,1994—2007年,人类活动和降雨变化对径流变化的贡献率分别为83.3%,16.7%,对输沙变化的贡献率分别为79.5%,20.5%;2008—2018年,人类活动和降雨变化对径流变化的影响分别为91.8%,8.2%,对输沙变化的相对贡献率分别为94.4%,5.6%(表3,表4)。人类活动在不同时期对水沙变化均占主导地位,且随着水土保持建设不断加强人类活动作用越来越强。

表3 降水变化和人类活动对罗玉沟流域径流变化的相对贡献Table 3 Relative contributions of precipitation change and human activities to runoff change in Luoyugou Watershed

表4 降水变化和人类活动对罗玉沟流域输沙变化的相对贡献Table 4 Relative contributions of precipitation change and human activities to sediment yield change in Luoyugou Watershed

4 讨 论

4.1 河流情势变化分析

研究发现流域干河日数呈显著增加趋势(p<0.01),流域经历了从常流河向季节性河流的转变。流域河流断流频发除了受到降雨补给不足的影响外,根据流域在丰水年干河日数仍保持较高水平的情况,可以推测出人类活动也是导致河流断流的重要因素。罗玉沟流域水土保持工作起步较早,最早可追溯至1956年,流域从20世纪80年代中期开始了大规模水土流失治理,截至1995年流域梯田所占面积比例已超过50%[23-25]。1999年,罗玉沟流域启动退耕还林试点工作, 2008年实现退耕还林还草几乎全覆盖。自从退耕还林以来,幼林地和果园面积分别由2002年的816.0 hm2,410.5 hm2,增加到2008年的1 547.5 hm2,1 061.9 hm2,分别增长了89.6%和158.7%,耕地向幼林地和果园进行转变,耕地面积大幅下降[26]。且从2000年开始流域增建了16座小型淤地坝[27-28],2004—2006年修建了50个水窖,进行了一系列沟道治理工程(21座)[14]。流域水土保持治理使得流域径流输沙显著减少,流域产流能力不断下降,促进了河流断流。此外,经济社会发展导致城市和工业用水增加,罗玉沟所在天水市秦州区和麦积区地下含水层浅,藉河流域地下水超采严重,地下水位严重下降,减少了河流供给,对罗玉沟沟道流量有一定影响。而河流由常流河转为季节性河流使河流生态功能受损,地表水资源减少,不利于当地居民生产生活。

4.2 水沙变化趋势分析

自20世纪90年代以来,罗玉沟年径流量、输沙量的年际变化表现出明显的波动性,年际间变化较大,在平水年和枯水年径流量输沙量很低,而在丰水年则表现出较为强烈的侵蚀输沙特征。张晓明等[29]在罗玉沟支沟桥子东西沟分析了土地利用/覆被变化的水文动态响应,研究表明在平水年和枯水年径流系数减少率高于丰水年。刘卉芳等[30]在黄土高原马家沟流域分析了降水变化下的水沙响应,结果显示在丰水年径流输沙普遍较大,在枯水年水沙普遍较少,与本研究结果相似。此外,年均含沙量整体呈不显著下降趋势(p<0.1),但在1994—2007年含沙量数值较高,原因为该时段内流域降雨量较少,枯水年较多,年内产沙多集中于暴雨,如1995年8月的两次暴雨,河流含沙量高达458.3 kg/m3,共输沙9.5万t,占全年输沙量的72.1%,由此可知该时段内河流含沙量剧增更多是由于暴雨强烈输沙的缘故,这与安乐平等[31]得出的结论相似—流域输沙多在汛期,汛期输沙多在暴雨。作为水土流失治理流域,罗玉沟流域侵蚀输沙主要在丰水年遭受大暴雨形式输出,因此,当前水土保持重点在于如何减缓极端暴雨条件下的水土流失,有关人员在设计水土保持措施时应充分考虑暴雨时侵蚀产沙的特点。

4.3 水沙关系变化分析

相比于基准期,1994—2007年由于坡改梯及植被恢复等水土保持措施,流域产流产沙能力下降,径流输沙分别减少61.9%和44.3%,但是流域年尺度水沙关系并未发生改变。2008—2018年水沙关系曲线与1986—1993年曲线存在显著差异(p<0.05),说明流域水沙关系在2008—2018年发生变化。由于植被并不能改变黄土区泥沙来源丰富的特点,只能通过减少径流及含沙量来减少产沙[32-33],而2008—2018年流域输沙大幅度下降而径流量、含沙量减少幅度较小,说明2000年来增加的淤地坝等工程措施减少了沟道中泥沙来源,沟道治理工程减沙效果更为显著,改变了流域水沙关系。晏清洪等[34]在黄土丘陵区吕二沟流域分析指出以植物措施为主的水土流失综合治理并没有显著影响流域水沙关系。刘卉芳等[35]研究发现在黄土区植被工程复合作用下水土保持效果显著,在各项水土保持措施中,淤地坝减沙贡献率最大,在40%以上。Zhang等[36]研究表明黄土高原植被恢复措施主要通过改变径流进而减少产沙,而淤地坝等工程措施通过改变水沙关系来减少输沙。这与本文研究结果相似,即坡改梯和林草措施并不能明显改善水沙关系,而淤地坝等工程措施效果显著。

5 结 论

(1) 1986—2018年罗玉沟流域河流从常流河变为季节性河流,2000年以来干河日数超过300 d以上;在水土保持建设驱动下,罗玉沟流域径流输沙呈现明显下降趋势,与1986—1993年基准期相比,2008—2018年径流深和输沙模数分别下降了67.5%和76.4%。

(2) 在2008—2018年平水年和枯水年间,罗玉沟流域输沙模数分别为(1 080.0±107.5) t/km2,(167.8±111.4) t/km2,但丰水年水土流失仍然较为严重,近4 000 t/km2。流域产流产沙能力降低,水沙关系发生改变,相同径流条件下输沙量减少,即含沙量水平降低,流域径流有变清趋势。

(3) 随着水土保持工作的持续建设,罗玉沟流域水沙过程受人类活动影响更加强烈, 1994—2007年和2008—2018年两个时期,人类活动对罗玉沟流域径流量变化贡献率分别为83.3%,91.8%,对输沙量下降相对贡献分别为79.5%和94.4%,坡改梯及退耕还林还草工程建设是罗玉沟流域水沙锐减的主要因素。当下罗玉沟流域土壤侵蚀防治重点应该放在丰水年暴雨条件下发生的沟道侵蚀,需加强沟道治理工程建设,进一步降低丰水年水土流失。