延河流域1997—2006 年林草植被减洪减沙效应分析

2014-01-02冉大川姚文艺吴永红李雪梅吕锡芝

中国水土保持科学 2014年1期

冉大川，姚文艺，吴永红，李雪梅，吕锡芝

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，450003，郑州;2.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，745000，甘肃庆阳;3.黄河水利委员会水文局，450004，郑州)

黄河中游黄土高原地区总面积64 万km2，其中水土流失面积45.4 万km2，占总面积的70.9%。1997 年以来，黄河中游水土保持综合治理力度明显加大，生态修复、退耕还林(草)、封禁治理、淤地坝“亮点工程”和坡耕地改造等水土保持生态工程建设对流域水沙的调控作用日益明显，尤其是林草等植被措施的减洪减沙效应在延河流域更为突出。延河是黄河中游河口镇至龙门区间一条较大的入黄一级支流，流域总面积7 725 km2，其中水土流失面积7 127 km2，占流域总面积的92.3%。根据最新水文资料统计，延河流域多年平均(1952—2010 年)径流量2.035 亿m3，多年平均输沙量0.415 亿t。其中:1952—1996 年多年平均径流量2.214 亿m3，多年平均输沙量0.536 亿t;1997—2010 年多年平均径流量1.459 亿m3，多年平均输沙量0.025 6 亿t。后者与前者相比，径流量减少34.1%，输沙量剧减95.2%。延河流域近期水沙变化与下垫面密切相关，对此已有许多研究，例如:徐学选等［1］对1956—2009 年延河水沙变化特征及其驱动力进行了研究，认为1994 年以来的治理和退耕还林战略等极大地减少了流域径流泥沙;谢红霞等［2-3］分析了退耕还林(草)和降雨变化对延河流域土壤侵蚀的影响和流域水土保持措施的减蚀效应，并分别模拟了退耕还林(草)和气候变化对土壤侵蚀的影响，认为退耕还林(草)政策的实施对减少区域土壤侵蚀的作用比较显著;邱临静等［4］则定量评估了降水变化和人类活动对延河流域1995—2008 年径流的影响;李传哲等［5］分析了延河流域1952—2003 年径流和泥沙演变趋势及突变点，认为延河流域年径流量减少的主要驱动因素是降雨减少和实施的淤地坝建设、退耕还林(草)、封禁治理、梯田建设等水土保持生态工程。这些研究虽然都充分肯定了延河流域退耕还林(草)等下垫面治理措施对流域水沙减少的正效应，但均未给出流域近期林草等植被措施减洪减沙效应的定量计算结果，而这正是人们日益关注的焦点。由于近期大规模水土保持生态工程建设是改变延河流域下垫面的主导因素，林草等植被措施又是其中变化最大和最为关键的因素;因此，开展延河流域近期林草等植被措施的减洪减沙效应分析，既能弥补已有研究的不足，也可以为流域继续开展有效治理和水土保持措施优化配置提供一定的科学支撑。为此，笔者根据延河流域最新水文资料，在对1997—2006 年流域水沙变化特点进行分析的基础上，以延河流域“水土保持法”计算结果为依据，对1997—2006 年林草等植被措施的减洪减沙效应进行重点分析和研究。

1 流域概况

延河是黄河中游河口镇至龙门区间右岸一级支流，发源于陕西省榆林市靖边县天赐湾乡的周山，自西北向东南流经陕西省延安市的志丹县、安塞县、宝塔区和延长县等4 县(区)，在延长县南河沟乡凉水岸附近注入黄河。延河干流全长286.9 km，平均比降为3.3‰，流域总面积7 725 km2。出口站为甘谷驿水文站，控制面积5 891 km2，占流域总面积的76.3%，未控区面积为1 834 km2。

延河流域地处黄土高原北部，植被区划属于暖温带落叶阔叶林向干旱草原过渡的森林草原区，土壤主要是抗蚀性较差的黄绵土，在气候上处于暖温带半湿润向半干旱过渡区。流域原始植被现已无存，现有的天然次生植被主要是以白羊草(Bothriochloa ischaemum)、长芒草(Stipa bungeana)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、茭蒿(Artemisia giraldii)等为主的草本群落和零星分布的杂灌丛;人工林草地主要有刺槐(Robinnia pseudoscacia)、柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、沙打旺(Astragalus adsurgens)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、草木樨(Melilotus suaveolens)等。根据2006 年TM 影像解译结果，延河流域耕地、林地、草地、水体、建设用地分别为2 191、1 789、3 650、34 和20 km2［1］。延河流域地貌类型多样，黄土丘陵沟壑区约占全流域面积的90%，大部分地区坡度在15°以上，其中延长以上为黄土梁峁状丘陵沟谷区，安塞—延长之间沿河一带为河阶地，延长以下为黄土宽梁残塬沟谷区，流域出口处为黄土覆盖石质丘陵沟谷区。脆弱的自然条件和长期陡坡耕种的习惯导致延河流域土壤侵蚀强烈，是受人类活动影响的严重水土流失典型区域，为黄土高原水土流失重点治理地区之一。

延河的主要支流有杏子河、平桥川、西川河、南川河、蟠龙川等，河网密度约为4.7 km/km2。根据河谷发育形态划分，河源—化子坪为上游段，河谷狭窄多呈Ⅴ形，河道弯曲度较大，平均比降6.7‰;化子坪—甘谷驿为中游段，长114.8 km，集水面积4 490 km2，河谷明显展宽，平均宽度达到600 m，是延河的主要河段;甘谷驿—河口为下游段。

2 数据来源与研究方法

2.1 水文数据来源与处理

采用延河流域1956—2011 年水文资料系列。其中:1956—1990 年和2006—2011 年的水文资料来自黄河水利委员会已经正式刊印的《黄河流域水文资料》(红本);1991—2005 年的水文资料通过其他途径收集。1996 年及以前统计结果引自文献［6］。流域不同时段水沙变化特征值采用算术平均值，流域近期水沙关系变化分析采用基于水文统计的线性经验模型。

2.2 林草植被数据来源与核查方法

延河流域1997—2006 年水土保持措施(包括梯田、林地、草地、坝地和封禁治理)保存面积数据来源于“十一五”国家科技支撑计划重点项目课题“黄河流域水沙变化情势评价研究”［7-8］。采用野外典型调查勘测、年度报表统计、遥感影像解译、样区核查分析、数理统计和专家咨询等多种方法与手段进行流域水土保持措施保存面积核查。1996 年及以前数据引自文献［6］。

2.3 林草植被减洪指标体系建立方法

建立延河流域小区林草措施减洪指标体系采用延安大砭沟小区资料。首先，对大砭沟小区资料进行系统整理和分析。在措施区与对照区系列的确定上，根据分析计算要求，结合大砭沟小区观测与延河流域林草植被建设情况，采用人工林—荒草坡、人工牧草地—宜牧坡耕地(＞20°)对比系列。其次，通过代表小区林草措施区与对照区的对比分析，采用“汛期降雨量同频率对应法”建立小区林草措施减洪指标体系。

在建立延安大砭沟小区林草措施减洪指标体系的基础上，以延河流域1997—2006 年汛期降雨量为纽带，采用“同雨量对应法”消除大砭沟小区与延河流域林草措施减洪指标存在的时段差异、点面差异和地区差异等“三大差异”后，即可转化为延河流域1997—2006 年林草植被减洪指标。同时，采用“模比系数法”进行校核，进一步完成由小区向流域林草植被减洪指标的尺度转换［6］。根据延河流域1997—2006 年林草植被减洪指标与水土保持措施保存面积，二者相乘即可求得流域林草植被减洪量。

2.4 “以洪算沙”模型构建途径

延河流域1997—2006 年林草植被减沙量采用“以洪算沙”模型进行计算。计算过程中近期新增的封禁治理措施按草地对待。“以洪算沙”模型是利用延河流域基准期(1956—1969 年)洪水和泥沙的良好关系(一般要求为线性)，根据减洪量迭代计算减沙量。林草植被等单项措施减沙量依据水土保持措施总减沙量，按各自减洪所占比例(线性同比)分配确定［6］。

3 结果与分析

3.1 近期水沙变化特点

3.1.1 不同时段水沙变化以往研究中，黄河中游地区公认的水沙系列分界点为1970 年［6］。李传哲等［5］采用Mann-Kendall 统计检验方法和Pettitt 系列显著性突变点的无参数识别方法，根据截至2003 年底的水文资料，确定出延河流域年输沙量的2 个显著突变点分别为1971 和1996 年。姚文艺等［7］采用MWP(Mann-Whitney-Pettitt)检定法，根据截至2006年底的水文资料，确定出延河流域年径流量和年输沙量的突变年份分别为1996 和1971 年，采用独立同分布检验法初步确定出延河流域年径流量和年输沙量的分割年份均为1972 年。为了便于和以往研究成果相衔接，笔者采用的延河流域降雨、径流、泥沙对比分界年份分别为1970 和1996 年，并以1956—1969 年作为基准期，以1970—1996 年和1997—2006 年作为治理期的2 个不同时段，其中近期特指1997—2006 年。

延河流域不同时段降水、径流、泥沙统计结果见表1。可知，与基准期1956—1969 年相比，延河流域近期年降水量减少104.0 mm，减少了19.4%，汛期(5—9 月)降雨量减少65.1 mm，减少了15.1%;年径流量减少9 450 万m3，减少了37.7%，汛期径流量减少8 190 万m3，减少了45.6%;年输沙量减少4 430 万t，减少了67.2%，汛期输沙量减少4 410万t，也减少了67.2%。流域多年平均汛期降雨量、径流量、输沙量占对应年值的比例分别为81.2%、68.6%和99.7%，近期三者占年值的比例分别为84.6%、62.6%和99.5%。说明近期降雨集中程度有增大趋势，径流集中程度有所减小，但年输沙量仍高度集中于汛期。流域多年平均径流系数(年径流深/年降水量)和多年平均侵蚀率(年输沙模数/年降水量)分别为0.050 和15.4 t/(km2·mm)，但近期年平均径流系数只有0.038，年平均侵蚀率仅为8.5 t/(km2·mm)，说明近期流域产流产沙能力明显减小。

表1 延河流域不同时段降水、径流、泥沙统计结果Tab.1 Statistical results of rainfall，runoff and sediment discharge in different periods in the Yanhe basin

3.1.2 近期水沙关系变化水沙关系是表征流域水沙变化最为重要的关系，也是流域水土流失数学模型、降雨产流产沙经验模型构建和水土流失综合治理措施蓄水减沙效应分析的重要基础。通过补充最新水文资料并进行回归分析，得到延河甘谷驿站不同年代水沙关系线性方程，见表2。式中:WS为年输沙量，亿t;W 为年径流量，亿m3。

表2 延河甘谷驿站不同年代水沙关系线性方程Tab.2 Linear equations of relationship between water and sediment in different periods at Ganguyi hydrologic station in the Yanhe basin

由表2 中各线性方程斜率为正及相关系数(除1980—1989 年以外)均在0.90 以上可知，延河流域不同年代水沙关系均为正相关关系且水沙关系都很密切，相关性很好。由式(1)～(5)斜率可知，延河流域不同年份单位径流输沙量分别为0.444 8、0.482 7、0.344 7、0.439 0 和0.418 2 t/m3，由式(6)斜率可知，延河流域全系列多年平均单位径流输沙量为0.444 5 t/m3，与基准期1952—1969 年相比，1980—1989 年甘谷驿站单位径流输沙量减少了22.5%，减少趋势最为明显，1970—1979 年单位径流输沙量却增加了8.5%，显然与延河流域1977 年大洪水有关，1990—1999 年和2000—2011 年单位径流输沙量分别减少了1.3%和6.0%，变化不大。说明1997 年以来，延河流域大规模的退耕还林(草)等水土保持生态工程建设并没有明显改变流域的水沙关系，但单位径流输沙量却有下降趋势。对比式(7)和(8)斜率可知，1997—2011 年与1952—1996 年相比，甘谷驿站单位径流输沙量减少了10.4%。单位径流输沙量(含沙量)减小10%，说明流域退耕还林(草)等水土保持生态工程建设的“增枯减洪”作用比较明显。

表2 中，冲淤平衡径流量为式(1)～(8)所表示的直线与X 轴交点的数值，即输沙量WS为0 时的径流量，可视为流域达到冲淤平衡时所需的径流量。该值大小可以说明水土流失综合治理对流域水沙变化驱动力的削弱效应［9］。该值变化越小，水土流失综合治理对流域水沙变化驱动力的削弱效应越不明显。从延河流域不同年代冲淤平衡径流量变化过程来看，总体呈上升→下降变化趋势，1980—1989 年为最大值，此后依时序减小。1997—2011 年与1952—1996 年相比，冲淤平衡径流量减小了5.7%;2000—2011 年与1990—1999 年相比，冲淤平衡径流量亦减小了2.1%。说明近期实施的生态修复、退耕还林(草)、封禁治理、淤地坝“亮点工程”和坡耕地改造等水土保持生态工程建设对流域水沙驱动力的削弱效应开始显现。

延河甘谷驿站水沙关系见图1。可见，1997 年以来径流泥沙数据后挫，来水来沙减少的趋势非常明显，但1997 年以来的数据仍分布在1996 年以前的数据带内。说明延河流域水沙关系的函数形式以及流域产流机制尚未发生明显变化。

3.2 林草植被保存面积变化分析

图1 延河甘谷驿站水沙关系Fig.1 Relationship between water and sediment at Ganguyi hydrologic station in the Yanhe basin

延河流域不同年份末水土保持措施累计保存面积(含未控区)见表3，其中括弧内为流域控制区水土保持措施累计保存面积。可见，截至2006 年底，延河流域(含未控区)水土保持措施保存面积合计达到37 万1 751 hm2，其中:林草措施保存面积合计30 万7 412 hm2，占82.7%;梯田、坝地保存面积合计4 万2 434 hm2，占11.4%;封禁治理保存面积2万1 905 hm2，占5.9%。流域治理度达到52.2%。淤地坝建设成效显著，骨干坝、中型坝、小型坝总计达到3 515 座，坡耕地大大减少，尤其是2000 年后，大于25°的坡耕地基本被退耕还林(草)。2006 年底与1996 年底相比，延河流域林地保存面积增长趋势尤为明显和突出，草地保存面积也有一定的增长，但梯田和坝地保存面积却有下降。其中林地、草地保存面积分别增长了68.7%和18.8%，但梯田、坝地保存面积却分别下降了3.7%和23.8%。根据调查，梯田、坝地保存面积下降的原因是部分梯田因年久失修退耕后变为林地和草地，部分坝地或在退耕后列入封禁治理范围，或在小流域治理中转变为林地和草地，导致其保存面积下降。延河流域不同年份末水土保持措施累积保存面积变化过程见图2。可以明显看出，1996 年以后林地面积增长最为迅速。

表3 延河流域不同年份末水土保持措施累计保存面积Tab.3 Accumulative total area of soil and water conservation measures at the end of different years in the Yanhe basin hm2

3.3 林草植被减洪指标

根据以往研究成果，延安大砭沟小区林草措施减洪指标体系见表4［6］。可见，林草措施的减洪指标随着汛期降雨频率的减小和量级的增大而减小，因此，林草措施的减洪作用在发生特大暴雨时是有限的。通过尺度转换，得到修正后的延河流域1997—2006 年林草植被减洪指标，见表5。

图2 延河流域水土保持措施累积保存面积变化过程Fig.2 Changing process of accumulative total save the area of soil and water conservation measures of Yanhe basin

3.4 “以洪算沙”模型

根据表1 统计结果，延河流域洪水泥沙均集中于汛期且变辐较大，其洪沙关系在散点图上多呈幂函数分布。通过回归分析，延河流域基准期洪沙关系为

式中:WJH为流域基准期实测年洪水量，万m3;WJS为流域基准期实测年洪水输沙量，万t。相关系数为0.93。

对公式(9)进行相关系数r 检验。在显著性水平α=0.01 下查1 个自变量的相关系数检验表(n=14)可知，相关系数R0.01(n－2=12)=0.661 ＜0.93，说明二者具有很好的相关性，置信度达到99%。同时进行F 检验，求得F 值为75.4，在显著性水平α=0.01 下查F 分布表可知，F0.01(1，12)=9.33，由于75.4 ＞9.33，说明所建方程在显著性水平α=0.01 下是非常显著的。

表4 延安大砭沟小区林草措施减洪指标体系Tab.4 Reducing flood by forest-grass vegetation measures index system in Dabiangou plot of Yan’an

表5 延河流域1997—2006 年林草植被减洪指标Tab.5 Reducing flood by forest-grass vegetation index from 1997 to 2006 of Yanhe basin

延河流域基准期洪沙线性关系为

3.5 林草植被减洪减沙计算结果分析

3.5.1 减洪减沙效应根据“以洪算沙”模型计算结果，延河流域1997—2006 年控制区水土保持措施年均减洪9 500 万m3，年均减沙5 680 万t，分别是同期“水文法”减水减沙量计算结果的1.9 和2.6 倍，相差很大［10］。经过分析，差异原因主要包括降雨资料收集不全及代表性不够、流域基准期洪水泥沙关系非线性影响和人为新增水土流失量估算偏小等3个方面。通过补充收集降水资料和重新计算流域汛期降雨量，对延河流域林草植被减洪指标体系再次进行了修正;采用“以洪算沙”模型，按照流域基准期洪沙线性关系式(10)进行平行计算;依据传统的“指标法”计算结果对再次修正后的“以洪算沙”模型计算结果进行了校核，二者基本接近。最终修正计算结果见表6。

表6 延河流域控制区1997—2006 年林草植被减洪减沙量修正计算结果Tab.6 Correction calculation results of annual average flood and sediment reduction of forest-grass vegetation in 1997 to 2006 in the control area of Yanhe basin

由表6 可知:延河流域1997—2006 年林草植被年均减少洪水量2 885 万m3，占水土保持措施年均减少洪水总量4 537 万m3的63.6%，其中林地、草地和封禁治理措施年均分别减少洪水量2 398 万、358 万和129 万m3，分别占水土保持措施年均减少洪水总量的52.9%、7.9%和2.8%;林草植被年均减沙量1 695 万t，占水土保持措施年均减沙总量2 912万t 的58.2%，其中林地、草地和封禁治理措施年均分别减沙1 400 万、257 万和38 万t，分别占水土保持措施年均减沙总量的48.1%、8.8%和1.3%。林地减洪减沙效应最为明显，其减洪减沙量分别是草地和封禁治理措施减洪减沙量之和的4.9和4.7 倍。于国强等［11］的研究表明，林草地的稳定入渗率为草地的3 倍、坡耕地的2 倍、荒地的4 倍。林草地具有蓄水减沙的水土保持措施功效，草地具有直接拦沙的水土保持措施功效，林草地的蓄水减沙功效通过地表植被对水沙的调控作用来实现;因此，林地的减洪减沙效应明显高于草地和封禁治理。

从延河流域1997—2006 年水土保持措施减洪减沙总量构成比例看，林草植被与梯田、坝地等工程措施减洪量之比约为64%∶36%，减沙量之比约为58%∶42%，林草植被明显高于工程措施。根据以往研究结果［6］，延河流域1970—1996 年林草植被与梯田、坝地等工程措施减洪量之比约为44%∶56%，减沙量之比约为22%∶78%，工程措施明显高于林草植被;因此，近期延河流域林草植被减洪减沙效应与1970—1996 年相比已经发生根本性变化，林草植被已成为流域水土保持措施减洪减沙的主体，其减洪减沙效应十分明显。由延河流域不同年代林草植被减洪减沙量变化过程线(图3)也可以看出，与以往时段相比，1997—2006 年林草植被减洪减沙量上升趋势明显。

根据本次研究“水文法”计算结果［10］，延河流域(控制区)1997—2006 年水利水土保持综合治理等人类活动年均减水量4 935 万m3，年均减沙量2 150万t，人类活动和降水变化对径流减少的贡献率分别为57.3%和42.7%，对泥沙减少的贡献率分别为53.4%和46.6%。人类活动对流域近期减水减沙的贡献率相对更为明显。

图3 延河流域林草植被减洪减沙量变化过程线Fig.3 Change of the amount of reduced flood and sediment by forest-grass vegetation of Yanhe basin

3.5.2 减洪减沙量对汛期降雨量的响应从延河流域1997—2006 年林草植被逐年减洪减沙量变化过程来看，林地减洪减沙量最大且呈波动上升趋势，草地和封禁治理措施减洪减沙量较小，虽然也呈上升趋势但变化平稳。1999 和2004 年，林地减洪减沙量下降与流域当年汛期降雨量减少密切相关。由延河流域1997—2006 年汛期降雨量与林草植被减洪减沙量对比图(图4、图5)可以看出，汛期降雨量与林草植被减洪减沙量呈正比变化关系。1999 和2004 年汛期降雨量减少，则坡面产洪产沙量也减少，由此导致林地减洪减沙量下降;2003 年汛期降雨量最大，则坡面产洪产沙量也最大，因而林地减洪减沙量也最大;因此，在延河流域林草植被最大减洪减沙能力范围内，1997—2006 年减洪减沙量具有“多来多减”的显著特点。

图4 延河流域1997—2006 年林草植被减洪量与汛期降雨量关系Fig.4 Relationship between the amount of reduced flood by forest-grass vegetation and the flood season rainfall from 1997 to 2006 of Yanhe basin

3.5.3 减沙量与坝地减沙量关系延河流域1956—2006 年林草植被与沟道坝地减沙量变化过程对比结果见图6。可以看出，随着林草植被减沙量的增大，沟道坝地减沙量呈减少趋势，因此，延河流域林草植被减沙量与沟道坝地减沙量具有自调控关系，但近期却同步增大。结果表明，近期流域林草植被减沙量比1970—1996 年林草植被减沙量增大5.6 倍，呈迅速增大趋势，反映了近期林草植被保存面积增长迅速、配置比接近90%的客观实际。同时，沟道坝地减沙量也出现增大趋势，但与1990—1996 年相比增幅只有16.8%，其原因是近期流域来沙锐减、坝地淤积速度减缓，导致坝地保存面积增长缓慢，因此，沟道坝地减沙量增幅不大。

图5 延河流域1997—2006 年林草植被减沙量与汛期降雨量关系Fig.5 Relationship between the amount of reduced sediment by forest-grass vegetation and the flood season rainfall from 1997 to 2006 of Yanhe basin

图6 延河流域水土保持措施减沙量变化过程对比Fig.6 Comparison of the changing process of sediment reduction of soil and water conservation measures in the Yanhe basin

4 结论

1)1997—2006 年与基准期的1956—1969 年相比，延河流域汛期降水、径流、输沙量分别减少了15.1%、45.6%和67.2%，降雨集中程度有增大趋势，径流集中程度有所减小，但年输沙量仍高度集中于汛期，流域产流产沙能力明显减小，延河甘谷驿站2000—2011 年单位径流输沙量减少6.0%。1997年以来流域单位径流输沙量有下降趋势，流域退耕还林(草)等水土保持生态工程建设的“增枯减洪”作用比较明显。

2)延河流域不同年代冲淤平衡径流量变化总体呈上升→下降变化趋势。1997—2011 年与1952—1996 年相比，冲淤平衡径流量减小了5.7%。近期实施的水土保持生态工程建设对流域水沙驱动力的削弱效应开始显现，但流域水沙关系的函数形式以及流域产流机制尚未发生明显变化。

3)延河流域1997—2006 年林草植被年均减少洪水量2 885 万m3，年均减沙量1 695 万t，分别占水土保持措施年均减洪减沙总量的63.6%和58.2%，其中林地减洪减沙效应最为明显，其减洪减沙量分别是草地和封禁治理措施减洪减沙量之和的4.9 和4.7 倍。

4)与以往时段相比，1997—2006 年延河流域林草植被减洪减沙上升趋势明显，已成为流域水土保持措施减洪减沙的主体。林草植被与工程措施减洪量之比约为64%∶36%，减沙量之比约为58%∶42%。在流域林草植被最大减洪减沙能力范围内，其减洪减沙具有“多来多减”的显著特点，林草植被减沙量与沟道坝地减沙量具有自调控关系，但近期同步增大。