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(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，氣候變化和人類活動(dòng)的綜合作用使得全國(guó)一些河流的徑流量和泥沙量的差異顯著，同時(shí)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(dòng)主要是土地利用變化[2-3]、水土保持措施[4-5]、庫(kù)壩建設(shè)[6-7]等，其中降水量對(duì)徑流量的影響最顯著，而氣溫、蒸發(fā)等影響較?。蝗祟惢顒?dòng)中土地利用變化主要是通過(guò)實(shí)施一些水土保持措施減少?gòu)搅髁亢湍嗌沉縖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(dòng)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(duì)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(dá)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(xiàng)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(shí)期流域徑流和泥沙量的4.6%和22.9%[12]，同時(shí)劉芳等[13]也對(duì)河龍區(qū)間及涇、洛、渭水系的梯田進(jìn)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(duì)流域水沙關(guān)系進(jìn)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(duì)徑流、產(chǎn)沙的影響效應(yīng)增強(qiáng)；暴雨強(qiáng)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(guò)坡面徑流引起的溝岸擴(kuò)張和溝底下切，實(shí)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(shí)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(shí)間，縮短洪水歷時(shí)，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(dòng)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(jī)制時(shí)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(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)源定西西河、內(nèi)官營(yíng)、紅土、青崗及周邊后頭灣、泉頭、青嵐設(shè)立的10個(gè)雨量觀測(cè)站，使用泰森多邊形法計(jì)算平均降水量。徑流、泥沙數(shù)據(jù)。前期水文觀測(cè)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(lái)源于巉口水文站觀測(cè)資料，2000年后來(lái)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(lái)源于統(tǒng)計(jì)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(bào)(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(shì)分析及突變檢驗(yàn) Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)與突變檢測(cè)法是對(duì)于一組時(shí)間序列數(shù)據(jù)的非參數(shù)驗(yàn)證方法，是由Mann[17]和Kendall[18]最先提出的。使用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)與突變檢測(cè)法研究區(qū)域降水量、徑流量與輸沙量的變化趨勢(shì)，檢測(cè)突變發(fā)生的時(shí)間。

2.2.2 回歸分析 使用SPSS 20.0軟件，進(jìn)行降水量、土地利用與徑流量、輸沙量之間的回歸分析。對(duì)降水量與徑流輸沙、溝道措施與徑流輸沙進(jìn)行單項(xiàng)回歸分析，對(duì)土地利用(未治理地、治理地)與徑流輸沙進(jìn)行多元回歸分析，以確定其因子對(duì)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(dá)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(shuō)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(shì)和突變分析可知年降水量呈減少趨勢(shì)。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)表明(圖2)，1957—2001年(除1960年，UF<0)統(tǒng)計(jì)量UF為正值，說(shuō)明年降水量呈上升趨勢(shì)，且1967—1968年上升趨勢(shì)顯著(p<0.05)；2002—2016年統(tǒng)計(jì)量UF正負(fù)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(yàn)圖

3.2 土地利用方式變化特征分析

按照是否實(shí)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(gè)研究時(shí)間尺度內(nèi)未治理地呈總體下降的趨勢(shì)，坡耕地由1957年的14.55萬(wàn)hm2減少為2016年的0.99萬(wàn)hm2，1957—1965年是增長(zhǎng)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(shì)，由1991年的11.67萬(wàn)hm2減少為2016年的5.88萬(wàn)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(shì)，建設(shè)用地由1991年的1.04萬(wàn)hm2增為2016年的1.70萬(wàn)hm2，年均遞增速度0.03萬(wàn)hm2；梯田由1966年的0.38萬(wàn)hm2增為2016年的13.17萬(wàn)hm2，以年均0.26萬(wàn)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(wàn)hm2增到2016年的9.21萬(wàn)hm2，造林面積增長(zhǎng)最快時(shí)間段為1982—2016年；人工種草由1974年的0.10萬(wàn)hm2增為2016年的4.21萬(wàn)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(zhǎng)期；1985—2016年開始大規(guī)模的封育治理，以年均0.02萬(wàn)hm2的速度增加，至2016年底，封育治理達(dá)1.17萬(wàn)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(shí)節(jié)相對(duì)較小。研究時(shí)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(shì)(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(dá)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(duì)年徑流量、年輸沙量M-K非參數(shù)檢驗(yàn)分析表明(圖6)，年徑流量1957—1974年統(tǒng)計(jì)量UF′為正值，說(shuō)明年徑流量呈上升趨勢(shì)，沒有達(dá)顯著水平(p=0.05，UF′=1.73，UF′U0.01)，年徑流突變開始時(shí)間為1995年(圖6A)。就年輸沙量，1957—1968年統(tǒng)計(jì)量UF″為正值，說(shuō)明年輸沙量呈上升趨勢(shì)，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(shí)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?cái)?shù)據(jù)未統(tǒng)計(jì)，使用1991—2016年的數(shù)據(jù)反推彌補(bǔ)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(wàn)hm2，在此基礎(chǔ)上選取物理意義較簡(jiǎn)單的線性、對(duì)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(xì)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(yàn)

3.4.1 降水量對(duì)年徑流輸沙的影響 對(duì)年降水量與年徑流量、輸沙量進(jìn)行單相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)線性模型達(dá)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(shì)。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(duì)年徑流量的決定系數(shù)達(dá)0.255，對(duì)年輸沙量的決定系數(shù)達(dá)0.207，說(shuō)明年降水量對(duì)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(yàn)值，下同。

3.4.2 未治理地對(duì)年徑流輸沙的影響 前期對(duì)未治理地與年徑流輸沙進(jìn)行單項(xiàng)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(duì)1957—2016年未治理地與年徑流量、輸沙量進(jìn)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(dá)極顯著水平(p<0.01)。未治理地對(duì)年徑流輸沙的決定系數(shù)為0.733，而對(duì)年輸沙量的決定系數(shù)為0.789，說(shuō)明未治理地對(duì)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(wàn)hm2)。

3.4.3 治理地對(duì)年徑流輸沙的影響 前期對(duì)治理地與年徑流輸沙進(jìn)行單項(xiàng)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(fù)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(duì)1957—2016年治理地與年徑流量、輸沙量進(jìn)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(dá)極顯著水平(p<0.01)。治理地對(duì)年徑流量的決定系數(shù)是0.740，對(duì)年輸沙量的決定系數(shù)是0.804，說(shuō)明治理地對(duì)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(wàn)hm2)。

3.4.4 溝道工程對(duì)年徑流輸沙的影響 淤地壩與年徑流量、輸沙量進(jìn)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(dá)極顯著水平(p<0.01)。淤地壩對(duì)年徑流量的決定系數(shù)達(dá)0.809，對(duì)年輸沙量的決定系數(shù)達(dá)0.840，說(shuō)明淤地壩對(duì)年徑流量的決定程度低于年輸沙量，淤地壩同時(shí)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(duì)水土流失的防治起到了巨大的影響。治理地主要是通過(guò)實(shí)施水土保持措施來(lái)減少?gòu)搅髂嗌沉?，建設(shè)項(xiàng)目占地在其建設(shè)期擾動(dòng)地表，會(huì)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(shí)施坡改梯等工程有利于徑流和泥沙的控制；大面積進(jìn)行人工造林、人工種草對(duì)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(diǎn)實(shí)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(shí)間為1995年，而這一時(shí)期前后正好是溝道工程尤其是淤地壩大量增加的時(shí)間段，淤地壩發(fā)揮了很好地?cái)r蓄徑流的作用，使年徑流量下降的同時(shí)，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(dòng)主要是通過(guò)水土保持措施及淤地壩工程的實(shí)施起到了很好的減水減沙效果，且輸沙量減少更顯著，說(shuō)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(jìn)行研究時(shí)，地域因素差距基本不大，但人類活動(dòng)比較活躍不斷發(fā)生變化，而以大區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象時(shí)，地域因素和人類活動(dòng)均可能引起年徑流泥沙的變化。在進(jìn)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(duì)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(dá)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(duì)年徑流的貢獻(xiàn)率達(dá)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(dá)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(shí)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(shì)且達(dá)極顯著水平(p<0.01)，出現(xiàn)突變的時(shí)間分別為1995年、2002年左右。

(2) 1957—1985年徑流量、輸沙量對(duì)降水量變化響應(yīng)強(qiáng)烈，趨勢(shì)協(xié)同性強(qiáng)；1986—2016年響應(yīng)減小，趨勢(shì)協(xié)同異化。說(shuō)明水沙變化受其他因素(水土保持措施)影響越來(lái)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(shì)，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(dòng)；而治理地呈逐年遞增的趨勢(shì)，與年徑流輸沙呈負(fù)相關(guān)且具有較好的指數(shù)關(guān)系，其變化對(duì)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(fù)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)。