1960—2010年延河水沙特征及其对退耕工程的潜在响应

王钰,冯起,2†

(1.陕西师范大学旅游与环境学院,710119,西安;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,730000,兰州)

1960—2010年延河水沙特征及其对退耕工程的潜在响应

王钰1,冯起1,2†

(1.陕西师范大学旅游与环境学院,710119,西安;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,730000,兰州)

河流水沙特征与流域降水量和下垫面变化密切相关。为揭示流域降雨以及退耕还林对延河流域水沙特征的影响,本文以延河甘谷驿站控制区1960—2010年流域降水量、河流径流量和输沙量实测数据为基础,统计分析了延河水沙变化特征及其对流域降水量的响应,并对比分析了退耕前、后(以2002年为界)延河水沙变化。结果表明:在1960—2010年间,延河甘谷驿站控制区年及汛期(6—9月)降水量、径流量和输沙量呈波动递减趋势,汛期降水量、径流量和输沙量值约占年值的64.8%、71.7%和98.1%;年及汛期输沙量与径流量呈极显著正相关关系,径流量变化可分别解释年及汛期87.6%和92.2%的输沙量变化,降水量变化可分别解释年及汛期22.7%和23.6%的输沙量变化;退耕后流域年及汛期平均输沙量、径流量和径流系数显著低于退耕前,剔除退耕前后降水量差异影响,退耕工程对年及汛期累计输沙量变化分别贡献87.5%和86.9%,对年及汛期累计径流量变化分别贡献77.4%和75.4%。研究阐明退耕可显著降低年及汛期平均径流量、径流系数和输沙量。

河流水沙特征;降水;退耕还林还草;黄土高原

黄河水沙问题一直是社会各界广泛关注的焦点。自20世纪50年代起,针对黄土高原严重的水土流失及黄河下游安全需求,我国政府在黄土高原地区实施了一系列水土流失治理工程,特别是1999年起实施的国家退耕还林(草)工程以来,黄河水沙特征发生了极为显著的变化,目前黄河潼关站年输沙量已由20世纪70年代前的16亿t锐减到近2010年的3.1亿t[1-2]。黄河输沙量的颠覆性变化,已引起社会各界广泛关注。

河流水沙特征与流域降水量和下垫面变化密切相关,其中降水量直接影响流域侵蚀产沙状况,而由人类活动引起的下垫面改变,使流域产流产沙机制发生改变,也会引发河流水沙变化[3]。有研究[4-5]表明,退耕还林还草工程实施以来,黄土高原的自然景观与以往相比发生了巨大变化,显著改变了黄土高原的下垫面状况,不仅有效削减了降雨侵蚀动力,同时也增强了土壤抗侵蚀性,其结果势必影响土壤侵蚀状况,导致流域侵蚀发生显著变化,进而影响黄河泥沙变化。与此同时,受全球气候变化影响,黄河流域在1961—2008年以来,降水呈现明显的降低趋势[6],而由于降水量的减少,可能导致河流输沙量降低。

近年来,许多学者对黄河水沙变化及其原因进行了研究;但由于所用资料多集中于2000年以前,受数据序列长度的影响,很难反映近期,特别是实施退耕工程以来的水沙变化情况[7]。地处黄土丘陵沟壑区的延河,是黄河的一级支流,长期以来流域侵蚀极为严重,是黄河泥沙来源的重点流域之一,其水沙变化在一定程度上能反映黄河中游地区水沙变化趋势[8-9]。本文以延河流域甘谷驿站控制区的近50年水文泥沙及其流域降雨数据为基础,分析延河水沙动态特征,并分析退耕工程实施前后,流域降水及其水沙变化,以期揭示延河水沙特征对退耕工程的潜在响应,并为分析认识黄河流域水沙锐减的原因提供一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

延河发源于陕西省靖边县天赐湾乡的周山,从西北向东南流经志丹、安塞、延安和延长四(市)县,于延长县南河沟乡凉水岸附近汇入黄河。延河全长286.9 km,流域总面积7 725 km2,海拔495～1 795 m,河道平均比降为0.329%,流域平均坡度17°,流域地形破碎,属于黄土丘陵沟壑区第二副区,沟壑平均密度为4.75 km/km2。流域多年降水量514 mm,年平均气温约9.3℃,年平均蒸发量1 000 mm,植被类型以森林灌丛草原为主,土壤类型以黄土母质上发育的黄绵土为主,土质疏松,抗侵蚀能力差,水土流失严重,多年平均输沙量(甘谷驿站)为4 110万t[1011]。

1.2 数据来源

降水数据来自延安气象站(1960—2010年)、志丹气象站(1960—2010年)、靖边气象站(1965—2010年)、安塞气象站(1970—2010年)、延长气象站(1960—2010年)的逐日实测降水;径流量、输沙量数据采用甘谷驿站(1956—2010年)逐日实测数据,其中甘谷驿水文站控制面积5 891 km2,包括靖边(193.22 km2)、志丹(1 539.32 km2)、安塞(1 371.43 km2)、延安(440.65 km2)和甘谷驿(2 346.39 km2)。由于宝塔区、延长县、安塞县、志丹县总面积占流域面积的98%,本文所涉及退耕还林还草数据采用上述4个县区的数据表征,来源于《延安统计年鉴》[12]。

1.3 数据处理与分析

在获得各气象站逐日降水数据后,分别计算甘谷驿站控制区年降水量及汛期(6—9月)降水量;依据甘谷驿站实测径流及输沙数据,整理获得年及汛期径流量及输沙量数据及其径流含沙量,并结合整理获得的流域降水量,计算甘谷驿站控制区年及汛期径流系数。

由于延河流域退耕实施年为1999年,1999—2001年工程处于起步阶段,其间退耕面积增幅缓慢,并考虑退耕植被恢复过程需要一定时间,故选取2002年为分界点,分别计算退耕前(1960—2001年)及退耕后(2002—2010年)甘谷驿站控制区年及汛期平均降水量、平均径流量、平均输沙量、平均径流系数以及标准差。采用SAS 8.0统计分析软件分析退耕工程实施前后降水量、径流量、输沙量、径流系数的变化;采用Excel软件分析计算降水量、输沙量、径流量间的相关关系,以及径流系数与径流含沙量相关关系。

2 结果与分析

2.1 1960—2010年流域降水及河流水沙特征

图1 1960—2010延河甘谷驿站流域年及汛期降水量(图1a)、径流量(图1b)、径流系数(图1c)和输沙量(图1d)特征Fig.1 Precipitation(1a),runoff(1b),runoff coefficient(1c),sediment discharge(1d)of yearly and flood season in Ganguyi station of the Yanhe River during 1960 to 2010

在1960—2010年间,甘谷驿站控制区年及汛期平均降水量分别为520和337 mm,汛期降水约占年降水量的64.8%(图1a)。整个观测期内,年及汛期降水量总体呈现波动减少趋势,递减率分别为2.94和2.02 mm/a,变异系数分别为0.22和0.23(图1a);年及汛期平均径流量分别为2.02亿和1.45亿m3,以194万和173万m3/a的速率递减,变异系数分别为0.37和0.53(图1b);流域年及汛期径流系数未发现明显的递减趋势(图1c)。总体而言,延河流域径流系数较低,除1978年汛期径流系数＞0.15外,其余年份年及汛期径流系数均＜0.15,且变异系数分别为0.27和0.41。

在1960—2020年间,流域年及汛期平均输沙量分别为3 950万和3 850万t,且呈大幅波动递减趋势,年及汛期输沙量变异系数分别高达0.90和0.91,并分别以88.5万和90.2万t每年的速率递减(图1d),汛期多年平均输沙量约占年输沙量的98.1%。

2.2 河流水沙关系及其对流域降水的响应

在1960—2010年间,延河甘谷驿站控制区河流径流含沙量与径流系数呈显著正相关关系(P＜0.05),汛期及其年径流系数可分别决定其径流含沙量变化的62.4%和65.5%,径流系数每增加0.01,汛期及年径流含沙量将分别增加26.55和41.58 kg/m3(图2a);河流年及汛期输沙量变化与径流量呈显著正相关关系,汛期及年径流量可分别决定其输沙量变化的92.2%和87.6%,径流量每增加1 000万m3,汛期及年输沙量将分别增加433万和441.2万t(图2b)。

在1960—2010年间,流域年及汛期径流量与同期降水量呈显著正相关关系,降水量变化可分别决定年及汛期径流量变化的41.3%和36.8%(图2c);流域年及汛期输沙量与同期降水量也呈显著正相关关系(图2d)。与径流-输沙关系相比,降水-输沙关系的相关系数较低,由此表明,径流量是影响流域输沙量的最主要因素(图2b,d)。

2.3 退耕工程实施前后河流水沙及流域降水量差异

与退耕前(1960—2001年)相比,退耕后(2002—2010年)甘谷驿站控制区流域年及汛期平均降水量略有减小,但差异不显著(P＞0.05)(图3a);流域年及汛期平均径流量、平均输沙量及其平均径流系数显著减小(P＜0.05),特别是退耕后年及汛期平均输沙量较退耕前降低66.1%(图3b,c,d)。

2.4 退耕对河流水沙变化的潜在影响

图2 延河甘谷驿站控制区径流系数与径流含沙量关系(图2a)、径流量-输沙量关系(图2b)、其降水量-径流量关系(图2c)及降水量-输沙量关系(图2d)Fig.2 Relationships of runoff coefficient with sediment concentration(2a),runoff with sediment discharge(2b),precipitation with runoff(2c),and precipitation with sediment discharge(2d)in Ganguyi station of the Yanhe River

图3 退耕前、后延河甘谷驿站控制区流域年及汛期平均降水量(图3a)、平均径流量(图3b)、平均输沙量(图3c)和径流系数(图3d)差异Fig.3 Differences of annual and flood season average precipitation(3a),average runoff(3b),average sediment discharge (3c),average runoff coefficient(3d)between before and after Grain for Green Project conducted in Ganguyi station of the Yanhe River

退耕前,延河甘谷驿站控制区流域年及汛期累计降水量与同期累计输沙量和累计径流量呈极显著正相关关系(R2＞0.98),表明采用累计降水量可以较为准确的模拟计算累计输沙量和累计径流量(图 4a,c)。依据此模拟结果对退耕后(2002—2010年)水沙进行预测,发现年及汛期实测累计输沙量比预测值分别降低64.1%和64.5%(图4b),而年及汛期实测累计径流量比预测值分别降低29.5%和35.7%(图4d)。

图4 延河甘谷驿站控制区(1960—2001)年及汛期降水-输沙双累计曲线(图4a)、降水-径流双累计曲线(图4c), 2002—2010年及汛期输沙累计量实测值及预测值(图4b)、径流累计量实测值及预测值(图4d)Fig.4 Precipitation-sediment discharge cumulative curve(4a),precipitation-runoff cumulative curve(4c)during 1960 to 2001,measured and simulated accumulated sediment discharge(4b)and runoff(4d)during 2002 to 2010,in Ganguyi station of the Yanhe River

3 讨论

3.1 降水变化对延河水沙特征的影响

降水是引起黄土高原地区严重的水土流失的一个重要因素[13]。徐学选等[14]研究指出,近50年来,延河流域降水量减少是流域水沙变化的基本原因,同时也是流域径流量减少的主要原因;但是,本研究表明,退耕后年和汛期平均降水量虽有所降低,但其差异并不显著,通过对比降雨-径流双累计曲线和降雨-输沙双累计曲线模拟值与实测值发现,在退耕后由于年和汛期累计降水量的减少,仅引起年及汛期累计径流量减少22.6%和24.6%,引起年及汛期累计输沙量减少12.5%和13.1%。而任宗萍等[11]的研究也表明,在1974—1996和1997—2008年间,由于流域降水减少,分别引起甘谷驿站径流量减少24.4%和37.2%。由此表明,降水量的变化只是影响了径流量和输沙量的小部分变化,而非其变化的最主要原因。

3.2 退耕工程对延河水沙特征的影响

河流水沙与流域人为活动及其下垫面变化密切相关[1617]。20世纪60年代以来,国家在延河流域开展了修建梯田、植树造林、修建淤地坝等水土保持工程,截至1998年,累计治理水土流失面积33.9%,在一定程度改变了流域下垫面状况。本研究表明,从20世纪60年代中期至70年代中期,甘谷驿站河流输沙量呈大幅下降趋势,在70年代中期至80年代中期维持较低水平,在80年代中期至90年代中期呈现波动递增(图1d)。上述输沙量波动变化可能与流域淤地坝建设密切相关。资料表明,延河流域在20世纪60年代末至70年代开展大规模的淤地坝建设,淤地坝能快速拦截沟道泥沙量,但其减沙作用随时间推移越来越小[18];因此延河流域淤地坝建设及其库容量变化是影响上述各阶段流域输沙量变化的主要原因。

而与淤地坝减水减沙的效果不同,林草措施随时间的推移作用越来越大。在1999—2010年间,延河流域累计退耕还林还草面积由1999年的39.4 km2(占流域面积的0.510%)增加到2010年的1 230 km2(占流域面积的16.0%)[11]。本研究表明,退耕后年及汛期径流量及输沙量显著减少(图3b,c)。谢红霞等[18]的研究表明,实施退耕还林还草工程以来,延河流域水沙减少主要是由于流域林草植被覆盖率的增加所致。与此同时,本研究也表明,作为能够在一定程度上能够反应流域降雨产流汇流过程的径流系数,与退耕工程实施前多年平均值相比,退耕后其年和汛期值也显著降低(图3d)。由此表明,退耕工程的实施,显著影响了流域下垫面状况及其流域降水产汇流过程,并最终显著影响河流水沙特征。

4 结论

1960—2010年间延河甘谷驿站控制区年及汛期降水量、径流量和输沙量呈现波动递减趋势,其中降水量变幅相对较小,而输沙量变幅很大。径流量和输沙量变化与同期降水量变化呈显著正相关关系,其中降水变化可分别解释40%左右的径流变化和23%左右的输沙量变化。

退耕还林还草工程的实施,显著影响延河流域水沙特征,与退耕前相比,退耕后年及汛期平均径流量、径流系数和输沙量显著降低。退耕后(2002—2010年)年及汛期实测累计径流量比模拟预测值分别降低29.5%和35.7%,剔除降水变化的影响,退耕工程减少年及汛期累计径流量贡献率分别为77.4%和75.4%;退耕后(2002—2010年),年及汛期实测累计输沙量比模拟预测值分别降低64.8%和64.5%,剔除降水变化的影响,退耕工程减少年及汛期累计输沙量贡献率分别为87.5%和86.9%。

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Characteristics of runoff and sediment transport during 1960-2010 and its response to Grain for Green Project in Yanhe River

WANG Yu1,FENG Qi1,2
(1.College of Tourism and Environment,Shaanxi Normal University,710119,Xi'an,China;2.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,730000,Lanzhou,China)

[Background]Analysis on the trends of runoff and sediment transport and their driving forces,such as precipitation,human activities and other factors,is the basis for watershed management. Previous studies showed that the dynamics of river runoff and sediment transport were closely related to soil erosion and precipitation.The relationship of rainfall-runoff-sediment delivery is important for evaluating the benefits of erosion control practices.In recent years,the sediment discharge of the Yellow River is decreasing dramatically,which has caused wide public attention.[Methods]In this study,on the basis of runoff and sediment data measured at Ganguyi station,and the precipitation data of 5 meteorological stations in Yanhe River basin,we analyzed the dynamics of precipitation,runoff,sediment discharge,runoff coefficient,and the response of runoff and sediment dynamics to watershed precipitation in Yanhe River during 1960-2010.Meanwhile,in order to explain the effect of Grain for Green Project on runoff and sediment transport,the difference of river runoff and sediment delivery between 1960-2001 and 2002-2010 were also studied.Based on precipitation-runoff curve and precipitation-sediment transport cumulative curve,the relationship between precipitation and runoff and sediment was determined in 1960-2001,and with the determined relationship,the simulated runoff and sediment transport were predicted in the period of 2002-2010,then were compared to the measured data in the same period of 2002-2010,thus,the effect of Grain for Green Project on river runoff and sediment transport was determined.[Results]1)The annual precipitation,runoff and sediment transport at flood season decreased with fluctuation from 1960-2010.The flood season accounted for 64.8%,71.7%and 98.1%of average annual precipitation,runoff and sediment transport,respectively.2)The sediment transport were significantly related to runoff per year and in flood season.The variation of runoff caused 87.6%and 92.2%sediment load changes per year and in flood season,respectively.The watershed precipitation also affected sediment transport due to its significant relationship with runoff.3)Compared with the data of 1960-2001 before the Grain for Green Project conducted,and the average yearly and flood season runoff and sediment transport were decreased significantly in the period of 2002-2010 after the Grain for Green Project conducted.Excluding the impact of precipitation difference between 1960-2001 and 2002-2010,the Grain for Green Project contributed 87.5%and 86.9%cumulative amount of sediment changes,and 77.4%and 75.4%cumulative amount of runoff changes per year and flood season.[Conclusions]These results are beneficial to understand the dramatic changes of runoff and sediment transport in Yellow River in past 10 years,and also conducive to evaluate the effects of Grain for Green Project on soil erosion controlling on the Loess Plateau regions.

characteristics of runoff and sediment transport;precipitation;Grain for Green Project;the Loess Plateau

S157.1

A

2096-2673(2017)01-0001-07

10.16843/j.sswc.2017.01.001

项目名称:国家自然科学基金“黄土区典型乡土草本植物对土壤侵蚀动力学过程的调控机理研究”(41571260)

王钰(1983—),女,博士研究生。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:wangyu@snnu.edu.cn.

†通信作者简介:冯起(1965—),男,博士,研究员,博士生导师。主要研究方向:生态水文。E-mail:qifeng@lzb.ac.cn.