萬(wàn)曉丹，周曉嵐，趙麗霞，李曉婷，王少千，蘇軍歌

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475003；2.黃河水利委員會(huì)水文局，鄭州 450004)

0 引 言

20世紀(jì)50年代起，皇甫川流域采用傳統(tǒng)耕作法開(kāi)始流域水土保持治理，但治理速度較慢，直到1979年底，治理面積僅有約200 km2[1]。1983年皇甫川流域被列為國(guó)家八大治理區(qū)之一，隨著淤地壩、梯田、退耕還林(草)等工程的建設(shè)，水土保持措施數(shù)量逐漸增多、種類繁雜多樣、治理速度加快[2]，導(dǎo)致皇甫川流域下墊面劇烈變化，致使產(chǎn)水產(chǎn)沙量顯著減少，對(duì)水文資料一致性產(chǎn)生了一定影響。研究導(dǎo)致皇甫川流域水沙量減少的驅(qū)動(dòng)因素，是科學(xué)進(jìn)行流域水沙調(diào)控的基礎(chǔ)，對(duì)維持黃河健康具有重要意義。

1 流域概況

皇甫川流域[3]位于黃河中游河龍區(qū)間的上部，處在黃土高原風(fēng)蝕和水蝕交錯(cuò)地帶，多年平均輸沙模數(shù)為12 068 t/km2，是黃土高原地區(qū)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，為黃河輸送了大量的粗泥沙?；矢Υ饔虻貏?shì)西北高，東南低，河流自西北向東南流經(jīng)皇甫水文控制站，匯入黃河，流域面積3 175 km2。

2 研究方法

2.1 徑流-泥沙關(guān)系曲線

線性函數(shù)、冪函數(shù)、二次函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等關(guān)系曲線是水文行業(yè)常用的關(guān)系模型，本文采用該方法分析皇甫川流域的水沙關(guān)系。

輸沙模數(shù)[4,5](SSY)和徑流深(h)的關(guān)系可以被表述為：

SSY=Ch

(1)

式中：C表示流域平均每單位徑流深的輸沙能力。

利用此回歸方程，能夠量化泥沙輸移過(guò)程。

2.2 突變點(diǎn)分析方法

累積距平法被廣泛用于判斷資料序列的變化趨勢(shì)，是水文界常用方法之一。通過(guò)資料序列的離散數(shù)據(jù)與資料序列的平均值進(jìn)行比較，當(dāng)離散數(shù)據(jù)大于序列平均值時(shí)，累積距平值增大，累積距平曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，反之曲線呈下降趨勢(shì)，根據(jù)斜率變化可以檢測(cè)出明顯的突變點(diǎn)，能夠判斷資料序列發(fā)生突變的時(shí)間[6]。本文采用累積距平法分析皇甫川流域年徑流量、年輸沙量序列突變點(diǎn)。

累積距平法[7,8]指對(duì)于時(shí)間序列Xi(X1，X2，…，Xn)，長(zhǎng)度為n，累積距平值Xt可由下式給出：

(2)

3 結(jié)果分析

3.1 趨勢(shì)性分析

由圖1、圖2皇甫站年徑流量、年輸沙量線性趨勢(shì)檢驗(yàn)得出，皇甫川流域在1954-2016年間年徑流量和年輸沙量均呈逐步減少的趨勢(shì)，多年平均徑流量為1.248 億m3，減少速率為-0.036 億m3/a；多年平均輸沙量為0.383 1 億t，減少速率為-0.012 億t/a，輸沙模數(shù)為12 068 t/km2；皇甫川流域年徑流量在1954、1979年達(dá)到峰值，年輸沙量在1959、1979年達(dá)到峰值，兩者均從1979年開(kāi)始呈明顯下降趨勢(shì)。

圖1 皇甫站年徑流量趨勢(shì)圖Fig.1 Annual runoff trend map of Huangfu Station

圖2皇甫站年輸沙量趨勢(shì)圖Fig.2 Annual sediment trend map of Huangfu Station

3.2 階段性分析

皇甫站年徑流量～年輸沙量累積距平曲線見(jiàn)圖3，由累積距平徑流量曲線的變化趨勢(shì)可以看出，在1954-1979年，累積距平徑流量曲線逐漸上升，說(shuō)明皇甫川流域?yàn)橄鄬?duì)豐水期；1980-1996年累積距平徑流量曲線相對(duì)平緩，為平水期；1997-2016年累積距平徑流量曲線逐漸下降，為相對(duì)枯水期；累積距平輸沙量曲線變化趨勢(shì)與累積距平徑流量曲線的變化趨勢(shì)一致，各階段的水沙統(tǒng)計(jì)量見(jiàn)表1。皇甫川流域1997-2010年間的平均徑流量為0.399 億m3，比1954-1979年平均值減少量為1.552 億m3，比1980-1996年平均值減少量為0.771 億m3，減少速率為0.63 億m3/a；皇甫川流域1954-1979年間的平均輸沙量值由0.361 4 億t，到1980-1996年降低為0.379 億t，至1997-2010年降低為0.086 億t，減少速率為0.72 億t/a。

圖3 皇甫站年徑流-輸沙量的累積距平檢驗(yàn)Fig.3 Test of cumulative anomaly of annual runoff-sediment discharge at Huangfu Station

表1 皇甫川流域輸沙的年代變化Tab.1 Age variation of sediment transport in Huangfuchuan Basin

3.3 流域水沙關(guān)系

作為典型的內(nèi)陸河流，皇甫川流域內(nèi)徑流和泥沙年內(nèi)分布不均，主要集中在汛期(5-10月份)，該時(shí)期徑流量和輸沙量占年水沙總量的70%～90%。按照公式(1)計(jì)算皇甫川流域年徑流深及輸沙模數(shù)值，并繪制相關(guān)關(guān)系曲線見(jiàn)圖4，皇甫川流域年徑流深與輸沙模數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為：y=306.06x+349.91，線性決定系數(shù)為0.842 8，由此判定，皇甫川流域徑流深與輸沙模數(shù)存在較好的線性關(guān)系。

圖4 皇甫川流域1954-2016年徑流深與輸沙模數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Relationship between runoff depth and sediment transport modulus in Huangfuchuan Basin from 1954 to 2016

3.4 氣候和人類活動(dòng)對(duì)皇甫川流域水沙變化的影響

流域范圍內(nèi)的環(huán)境變化是導(dǎo)致皇甫川流域水沙量減少的根本原因，其中環(huán)境變化具體體現(xiàn)在氣候降雨量變化和人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面的改變。

3.4.1 降雨

根據(jù)皇甫川流域1954-2016年降水量資料計(jì)算得，多年平均降水量為424 mm。從圖5可以看出，皇甫川流域年降水量呈不顯著減少趨勢(shì)，年降雨量圍繞均值424 mm上下變動(dòng)。經(jīng)判定，降雨量系列的減少會(huì)導(dǎo)致皇甫川流域水沙量相應(yīng)減少，但不是主導(dǎo)因素。

圖5 皇甫站年降雨量趨勢(shì)圖Fig.5Annual rainfall trend map of Huangfu Station

3.4.2 土地利用類型

皇甫川流域內(nèi)人類活動(dòng)中水土保持措施的土地利用、覆被類型、修建壩庫(kù)工程和流域取耗水量，是影響流域水沙時(shí)空變化的主要因素。土地利用、植被覆蓋直接影響水文循環(huán)過(guò)程，隨著森林和草地面積的增加，植被截流量增大，土壤持水能力和入滲率增強(qiáng)，致使流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少；壩庫(kù)工程通過(guò)直接攔蓄上游的徑流泥沙改變流域徑流泥沙的輸移過(guò)程。

由表2皇甫川流域水土保持措施治理面積統(tǒng)計(jì)表知，截至2016年底，皇甫川流域水土保持治理面積達(dá)到1 856 km2，占流域總面積的58%，治理面積較1979年底增加了約6倍[9]。1989年底到2016年底，在封山育林和退耕還林草政策的扶植下，森林和草地面積占水土保持治理總面積的比例高達(dá)98%，大大提高了皇甫川流域植被截流量和土壤持水能力，使流域徑流量和輸沙量顯著減少。

表2 皇甫川流域水土保持措施治理面積統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of area of soil and water conservation measures in Huangfuchuan Basin

3.4.3 植被覆蓋度

在不同類型的土地上，植被對(duì)防止水土流失具有重要的作用。植被覆蓋作為土壤團(tuán)聚體的保護(hù)層，能夠有效阻止其免遭降雨的影響，減弱雨滴對(duì)泥沙的侵蝕，避免土壤粒徑間較大孔隙被堵塞，防止地表結(jié)皮的形成，通過(guò)減少地表徑流達(dá)到減弱水土流失的目的[10,11]。植被覆蓋度是影響土壤侵蝕的一個(gè)重要因素，同時(shí)也是評(píng)價(jià)水土流失的一個(gè)重要指標(biāo)[12]。NDVI指數(shù)(歸一化植被指數(shù))被廣泛用來(lái)表示地表植被覆蓋度時(shí)空變異性的指標(biāo)，NDVI指數(shù)越大，說(shuō)明流域植被覆蓋度越高。本文采用1981-2016年歸一化植被指數(shù)NDVI的線性變化趨勢(shì)，分析皇甫川流域下墊面的植被變化情況，見(jiàn)圖6。

圖6 皇甫川流域1981-2016年NDVI線性變化趨勢(shì)Fig.6 Linear Change Trend of NDVI in Huangfuchuan Basin from 1981 to 2016

以1999年為時(shí)間分隔點(diǎn)，由圖6可以看出，在實(shí)施大規(guī)模退耕還林草治理措施以后，皇甫川流域地表植被覆蓋情況有顯著改觀。1981-1999年皇甫川流域NDVI值有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速率較慢，年增長(zhǎng)速率為0.002 /a，2000-2016年間增長(zhǎng)速率為0.005 /a，是前一階段的2.5倍。植被覆蓋度的增加，致使皇甫川流域徑流量和輸沙量顯著減少。

3.4.4 水土保持工程措施

淤地壩是以攔泥淤地為目的而修建的壩工建筑物，一般都修建在溝道或河道較窄處，具有防治水土流失、滯洪、攔泥等作用?；矢Υ饔蛩帘３止こ檀胧┲饕刑萏锖陀俚貕蝺煞N，它們對(duì)徑流的影響主要是通過(guò)骨干壩削減洪峰和壩庫(kù)蓄水，直接影響流域徑流量和輸沙量的變化趨勢(shì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，截止2015年底皇甫川流域內(nèi)共建設(shè)淤積壩886座，其中骨干壩507座，總庫(kù)容4.93 億m3，已淤庫(kù)容3.52 億m3，剩余庫(kù)容比為32.41%。從建壩時(shí)間上看，皇甫川流域淤地壩建設(shè)數(shù)量逐步增加，其中1970年后修建的淤地壩數(shù)量約占90%，控制了整個(gè)流域的70%。經(jīng)分析，不同年代淤地壩剩余庫(kù)容比例在15.0%～91.8%之間，剩余庫(kù)容比例也穩(wěn)步增加，2000年后剩余庫(kù)容比例達(dá)到了各年代最高值，說(shuō)明退耕還林草政策實(shí)施以后，流域坡面侵蝕產(chǎn)沙減少，淤地壩可淤積泥沙也相應(yīng)逐漸減少，逐漸趨于穩(wěn)定值。

3.4.5 引 水

改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)灌溉取水量的增加，使得地表水和地下水開(kāi)采量增大。根據(jù)1998-2016年“黃河水資源公報(bào)”中黃河中游水資源情況，計(jì)算得皇甫川流域多年平均取水量和耗水量均呈上升趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率達(dá)到1.82 億m3/a，各耗水量中，農(nóng)業(yè)灌溉的耗水量最大，工業(yè)、林牧漁畜、城鎮(zhèn)、居民生活及生態(tài)環(huán)境耗水次之。由此說(shuō)明，皇甫川流域各種形式的耗水是流域徑流量減少的又一因素，引水量的增加導(dǎo)致河道輸沙能力降低，從而使河道水流搬運(yùn)至下游的泥沙量減少。

綜合上述分析皇甫川流域降雨和人類活動(dòng)對(duì)減水、減沙影響分析，導(dǎo)致皇甫川流域年徑流量和輸沙量顯著減少的原因是由于人類活動(dòng)采取的水土保持措施的實(shí)施致使皇甫川流域下墊面變化導(dǎo)致的。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)皇甫川流域1954-2016年徑流量和年輸沙量序列呈顯著減少趨勢(shì)，水沙序列的突變年份為1979年和1996年，水土保持治理工程的建設(shè)和降雨變化是導(dǎo)致皇甫川流域水沙量減少的重要因素。

(2)皇甫川流域年徑流深與輸沙模數(shù)的關(guān)系式為：y=306.06x+349.91，線性決定系數(shù)為0.842 8，皇甫川流域徑流深與輸沙模數(shù)存在較好的線性關(guān)系。

(3)皇甫川流域年降水量資料序列呈不顯著下降趨勢(shì)，對(duì)皇甫川流域水沙量減少影響較??；皇甫川流域地表植被類型、覆蓋度在水土保持治理措施工程實(shí)施前后發(fā)生了顯著變化，流域NDVI指數(shù)逐年增高，在2000-2016年間NDVI的增長(zhǎng)速率為0.005 /a，是1981-1999年變化速率的2.5倍。隨著淤積壩等水土保持工程措施的修建，致使皇甫川流域泥沙量顯著減小，引水量的增加又大大削減了流域徑流量。因此，人類活動(dòng)采取的水土保持治理措施是導(dǎo)致皇甫川流域水沙量減少的主導(dǎo)因素。

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