黄河中游输沙与减沙的时空分异特征

2010-05-05马丽梅王万忠焦菊英简金世

水土保持研究 2010年4期

马丽梅，王万忠，2，焦菊英，2，简金世

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨陵712100）

河流输沙量变化是流域水土流失强度变化的重要体现，是全球水土流失研究的重要内容［1］。黄河流域土壤侵蚀严重，河床不稳定，生态环境十分脆弱，导致黄河成为世界上含沙量最多的河流［2］。黄河中游水土流失十分严重，致使下游河道严重淤积，河床平均每年抬高约10cm，形成“地上悬河”，对人类生存与社会发展造成重大影响［3］。近几十年，黄河中游地区气候暖、干化趋势明显，人类活动加剧，特别是大型水库、淤地坝、梯田等水利水保措施工程和植树造林、退耕还林（草）等活动的开展，使得黄河中游地区输沙量显著减少，引起了各方面的极大关注［4－5］。黄河中游及各流域在不同治理时期特别是退耕还林草以来的减沙情况，以及降雨与人类活动对输沙量的影响如何呢？这些问题都是黄河中游水土保持及下游河道治理研究中亟待解决的问题。为此，利用黄河中游不同区间和河龙区间22条支流的输沙量数据，分析了50多年来（1955－2007年）输沙量的时空变化特征以及降雨与人类活动对输沙量变化的影响和贡献率，以期增强对黄河中游及其各支流区间的输沙量时空变化的认识，定量认识降雨和人类活动对输沙量变化的影响，为黄河中游生态环境的可持续发展和宏观决策提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

黄河中游河段流经黄土高原地区，支流带入大量的泥沙，中游陕县水文站最大年输沙量为391 000.0万t（1933年）。黄河中游河口镇到龙门区间（简称河龙区间）及泾河、渭河、北洛河、汾河流域，面积约28.7万km2，是黄河流域水土流失最为严重的地区［6］。区内降水量时空分布不均匀，呈现由东南向西北递减的趋势；降雨主要集中在夏季，且常以暴雨为主。区内增加的水量占黄河上中游总水量的39.0%，而增加的沙量占上中游总沙量的90.0%，为黄河的主要泥沙来源区［1］。我国自20世纪70年代起，投入了大量的人力、物力和财力进行黄河中游的水土流失治理，使得黄河中游水土保持措施年均（1970－1996年）减沙32 000.0万t［7］。

图1 研究区概况图

1.2 分析方法

1.2.1 资料来源输沙量数据来源于黄河泥沙公报，降雨数据来自国家气象局，数据资料序列为1955－2007年。在黄河中游48个气象站降雨数据的基础上，经过Kriging空间插值处理，采用面积加权法获得黄河中游面降雨数据。

1.2.2 分析方法

（1）从3个空间层次，即黄河中游（头道拐至潼关（陕县）站）、不同区间（中游北部河龙区间，中游南部北洛河、泾渭河，中游东部汾河）、不同支流（浑河、偏关河等），分析黄河中游输沙与减沙特征。

（2）已有的研究将1970年做为黄土高原未治理与治理的分界线，认为70年代以前黄河水沙主要受降雨的影响，20世纪70年代以后水沙主要受水利水保措施和降雨等的综合影响［8－10］。新中国成立以来，水土保持的治理主要可分为3个阶段：一是1949－1969年，为零星治理阶段，人们一般试着进行少许治理或未治理阶段；二是1970－1989年，以解决群众吃饭问题为主要目的的初期治理阶段，是一个从初期的以梯田建设为主体的单项措施治理逐渐过渡到小流域综合治理阶段；三是1990至今，是以从解决吃饭问题转向改善生态环境为目的的中期治理阶段，是一个从多元化的小流域治理过渡到集中连片、大规模林草建设阶段，特别是退耕还林还草的近10年（1998－2007年）。为了解不同时期研究区输沙量变化情况，以1970年为界，将1970年以前作为分析对比的基准期，1970年以后作为治理期，从1955－1969年、1970－2007年、1970－1989年、1990－2007年、1990－1998年及1998－2007年6个不同时间层次来分析黄河中游输沙与减沙特征。

（3）一般认为，黄土高原泥沙输移比为1［11］，即输沙量等于侵蚀量，因此，输沙模数就等于侵蚀模数［12］。本研究土壤侵蚀强度根据水利部《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190－2007），分为微度（＜1 000 t／（km2·a））、轻度（1 000～2 500t／（km2·a））、中度（2 500～5 000t／（km2·a））、强烈（5 000～8 000t／（km2·a））、极强烈（8 000～15 000t／（km2·a））、剧烈（＞15 000t／（km2·a））6个等级。

（4）采用水文法［13］计算降雨和人类活动对输沙量变化的影响和贡献率。

2 结果与分析

2.1 黄河中游输沙量年际变化与减沙幅度分析

图2为黄河中游1955－2007年输沙量年际变化特征图。从图2（a）可以看出，1955－2007年黄河中游年输沙量总体呈减小趋势；20世纪70年代以前，年输沙量减小幅度较小，且大部分都在年平均值以上，实测多年平均输沙量为142 908.0万t，输沙模数为5 043.0t／（km2·a），属强烈侵蚀；70年代以后年输沙量减小幅度相对较大，且大部分都在平均值以下，实测多年平均输沙量为83 545.0万t，输沙模数为2 684.2t／（km2.a），属中度侵蚀，70年代后期较前期减沙46.8%。

虽然20世纪70年代以后输沙量总体趋势是下降的，但在不同时期其变化趋势不同，如图2（b）所示，1970－1989年输沙量呈下降趋势，多年平均输沙量为94 254.5万t，输沙模数为3 326.1t／（km2·a），属中度侵蚀，较70年代前减沙34.1%；1990－1998年亦呈下降趋势，多年平均输沙量为77 825.2万t，输沙模数为2 746.3t／（km2·a），属中度侵蚀，较70年代前减沙44.3%；1998－2007年下降趋势明显，多年平均输沙量为36 864.0万t，输沙模数为1 300.9t／（km2·a），属轻度侵蚀，较70年代前减沙74.2%；1990－2007年，多年平均输沙量为55 852.6万t，输沙模数为1 970.9t／（km2·a），属轻度侵蚀，较70年代前减沙51.5%。

图2 黄河中游输沙量年际变化特征

黄河中游输沙量总体减少的原因可能有二个：（1）近年来，气候暖、干化趋势加强，降雨总体上呈现减少趋势［4，14］，从而使得输沙量的变化受到一定影响。（2）20世纪70年代以来，大规模水利水保工程措施的开展，如水库、淤地坝、梯田、林草建设，特别是退耕还林（草）工程的实施，起到了一定的拦蓄作用，从而使中游的输沙量减少。

2.2 黄河中游不同区间输沙量年际变化与减沙幅度分析

图3分别列出了黄河中游北部河龙区间、南部北洛河和泾渭河、东部汾河1955－2007年输沙量的年际变化特征。可以看出，20世纪70年代以前，各区间输沙量变化幅度较大，除汾河外，河龙区间、泾渭河、北洛河的输沙量均呈增加趋势。输沙量的增加可能与该时期内发生的重大事件和政策有关，如大开荒、大跃进、文化大革命等人为活动的影响导致的［15］。70年代以后，各区间输沙量均呈减小趋势，且大部分在平均值以下，但北洛河在1994年输沙量高达26 300万t，原因是1994年8月北洛河上游降特大暴雨（暴雨中心沙集12h的雨量达383mm，最大1 h雨强达120mm），发生了历史上罕见的特大洪水（最大洪峰流量达7 040m3／s），导致北洛河洪水猛涨，输沙量猛增［16］。

20世纪70年代后，各区间输沙量在不同治理时期表现出不同的变化特征。1970－1989年，不同区间输沙量均呈减小趋势；1990－2007年，河龙区间、北洛河、泾渭河输沙量下降趋势均明显，而汾河的输沙量相对很低，多年平均输沙量为180.1万t，输沙模数为1 851.6t／（km2·a），属轻度侵蚀；但1990－1998年河龙区间、北洛河、汾河输沙量均有增加，可能是因为20世纪70年代修建的淤地坝等措施的拦沙作用降低，以及矿山、建设用地的增加造成输沙量增加［17］；1998－2007年各区间输沙量的减少与退耕还林还草的实施有很大的关系。

比较黄河中游各区间1955－1969年、1970－2007年、1970－1989年、1990－2007年1990－1998年、1998－2007年不同时期的年均输沙量与减沙幅度（表1）可以看出，黄河中游各区间在不同治理时期输沙量较基准期均呈减少趋势，而各区间减沙最大的时期均为1998－2007年，即退耕还林（草）工程实施以后，其中：中游北部河龙区间的平均输沙模数为1 774.4t／（km2·a），属轻度侵蚀，较70年代前减沙79.6%；中游南部泾渭河的平均输沙模数为1 577.1 t／（km2·a），属轻度侵蚀，较70年代前减沙64.0%；中游南部北洛河的平均输沙模数为1 750.8t／（km2·a），也属轻度侵蚀，较70年代前减沙56.5%；中游东部汾河的平均输沙模数仅为3.0t／（km2·a），属微度侵蚀，较70年代前减沙99.8%。

不同治理时期各区间减沙比例最大的是汾河（平均减沙89.8%），其次依次为河龙区间（平均减沙58.1%）、泾渭河（平均减沙44.9%）、北洛河（平均减沙35.0%）。各治理时期汾河减沙最为明显的原因有二个［18－20］：（1）20世纪50年代以来，山西省陆续在汾河流域的干支流上兴建了汾河、文峪河、子洪等14座大中型水库和大量的引水灌溉工程，起到了很好的蓄水拦沙的作用；（2）山西省对汾河水土流失治理的高强度集中投入，营造水土保持林、封山育林、修建淤地坝等措施，起到了高效拦截泥沙的作用。而不同治理时期北洛河减沙幅度最小，原因是该区横跨著名的子午岭林区和黄龙山林区，原本植被就较好，土壤侵蚀相对较轻［21］。

图3 黄河中游不同区间输沙量的变化趋势

表1 黄河中游不同区间不同治理时期的减沙幅度

2.3 河龙区间主要支流减沙幅度分析

由于受降雨和水利水保措施空间分布不均匀等因素的影响，不同流域的输沙量变化存在一定差异。对河龙区间22条主要支流不同治理时期的输沙量进行统计表明（表2），不同治理时期各支流的输沙量较基准期均减少，各支流减沙最大的时期是1998－2007年（平均减沙83.1%），减沙最小的时期是1970－1989年（平均减沙36.5%）。

20世纪70年代后，输沙量较70年代前减沙幅度在70%以上的为岚漪河73.9%、州川河71.9%、三川河70.3%；减沙幅度在50%～70%之间的有浑河、偏关河、秃尾河、佳芦河、无定河、昕水河、仕望河、蔚汾河、湫水河，在30%～50%之间的有黄浦川、清水河、县川河、孤山川、窟野河、清涧河、延水、屈产河；小于30%的有朱家川、汾川河。

各支流1990－2007年较1970－1989年减沙幅度普遍提高，其中减沙幅度提高50%以上的为清水河、黄浦川、窟野河、孤山川、仕望河。清水河1990－2007年平均输沙模数为4 292.0t／（km2·a），属中度侵蚀，减沙幅度较1970－1989年提高59.1%；黄浦川1990－2007年平均输沙模数为6 067.1t／（km2·a），属强烈侵蚀，减沙幅度较1970－1989年提高57.0%；窟野河1990－2007年平均输沙模数为4 792.0t／（km2·a），属中度侵蚀，减沙幅度较1970－1989年提高54.8%；孤山川1990－2007年平均输沙模数为5 756.3t／（km2·a），属强烈侵蚀，减沙幅度较1970－1989年提高54.5%；仕望河1990－2007年平均输沙模数为173.6t／（km2·a），属微度侵蚀，减沙幅度较1970－1989年提高51.2%。虽然黄浦川和孤山川的减沙效益提高了，但仍然属于强烈侵蚀。

表2 河龙区间不同治理时期主要支流的输沙量与减沙幅度

各支流1998－2007年较1990－1998年减沙幅度普遍提高，其中减沙幅度提高50%以上的为朱家川、县川河、窟野河。朱家川1998－2007年的平均输沙模数为705.5t／（km2·a），属微度侵蚀，减沙幅度较1990－1998年提高57.3%；县川河1998－2007年的平均输沙模数为837.02t／（km2·a），属微度侵蚀，减沙幅度较1990－1998年提高52.8%；窟野河1998－2007年的平均输沙模数为1 073.4t／（km2·a），属轻度侵蚀，减沙幅度较1990－1998年提高52.7%。退耕还林（草）以来，侵蚀强度达到轻度侵蚀及以下的流域有16个，分别为：浑河、偏关河、清水河、县川河、朱家川、岚漪河、窟野河、秃尾河、湫水河、三川河、无定河、昕水河、汾川河、仕望川、州川河、蔚汾河；在中度侵蚀及以上的流域有6个：黄浦川、孤山川、佳芦河、屈产河、清涧河、延水。因此，对于达到轻度侵蚀及以下的流域应采取重点维护管理与治理并举，对于中度侵蚀及以上的流域应重点加强治理。

2.4 降雨与人类活动对黄河中游输沙量变化的影响分析

黄河中游输沙量变化主要受降雨变化和人类活动的影响。降雨是流域产流产沙的直接影响因素，通过影响径流量来间接作用于输沙量，而人类活动的影响主要包括水利水电工程和水利水保工程两方面［1］。

根据研究区的年输沙量和面降雨量数据，建立治理前（1955－1969年）的年降雨量和输沙量的回归方程：

式中：S——年均输沙量（万t）；P——年均面降雨量（mm）；n——样本数。

将研究区1970－2007年各年的降雨数据分别代入式（1），计算出未治理状态下研究区可能产生的沙量，即天然产沙量。以此与治理后实测输沙量比较，其差值即为人类影响减少的输沙量，与治理前实测输沙量比较，其差值即为降雨对输沙量变化的影响量。结果表明：本研究区因降雨因素影响减少的输沙量为25 145.2万t，由人类活动影响减少的输沙量为41 698.7万t；降雨因素和人类活动对输沙量的贡献率分别为37.6%和62.4%。

3 结论

（1）受气候暖干化和人类活动的影响，黄河中游1955－2007年输沙量总体呈递减趋势，20世纪70年代后年平均输沙模数为2 684t／（km2·a），属中度侵蚀，较70年代前减沙46.8%，其中1970－1989年、1990－1998年、1998－2007年、1990－2007年较70年代前分别减沙34.1%、44.3%、74.2%、51.5%。

（2）20世纪70年代前，除汾河外，河龙区间、泾渭河、北洛河的输沙量均呈增加趋势，而70年代以后，各区间输沙量总体呈下降趋势，但不同治理时期存在一定差异，其中退耕还林（草）时期（1998－2007年）减沙幅度最大；退耕还林还草实施以来，汾河减沙最为明显，其年平均输沙模数仅为3.0t／（km2·a），属微度侵蚀，较70年代前减沙99.8%，其次依次是河龙区间（79.6%）、泾渭河（64.0%）、北洛河（56.5%）。

（3）河龙区间各支流20世纪70年代后较70年代前减幅较大的为岚漪河73.9%、州川河71.9%、三川河70.3%；减幅最大治理时期为实施退耕还林（草）的1998－2007年（平均83.1%）。退耕还林（草）以来，各支流减沙幅度较1990－1998年普遍提高，其中减沙幅度提高50%以上的有朱家川、县川河、窟野河，平均输沙模数分别为705.5t／（km2·a）、837.0 t／（km2·a）和1 073.4t／（km2·a）。

（4）退耕还林（草）以来，达到微度侵蚀的支流有汾河、浑河、偏关河、县川河、朱家川、岚漪河、三川河、昕水河、汾川河、仕望川、州川河；轻度侵蚀的有泾渭河、北洛河、清水河、窟野河、秃尾河、湫水河、无定河、蔚汾河；中度侵蚀的有黄浦川、孤山川、佳芦河、屈产河、延水；只有清涧河属强烈侵蚀。

（5）黄河中游因降雨影响减少的输沙量为25 145.2万t，因人类活动影响减少的输沙量为41 698.7万t；降雨因素和人类活动对输沙量的贡献率分别为37.6%和62.4%。

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