黄土高原典型支流淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献

2017-12-09魏艳红焦菊英张世杰

中国水土保持科学 2017年5期

魏艳红，焦菊英,2†，张世杰

(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌；2.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌；3.安徽省水利部淮委水利科学研究院，230088，合肥)

魏艳红1，焦菊英1,2†，张世杰3

为探明淤地坝拦沙作用对河流输沙量变化的影响，依据淤地坝作用年限、坝控面积、坝控流域侵蚀产沙模数及淤地坝排沙率，确定淤地坝拦沙量的估算方法，并结合2009年淤地坝安全大检查数据，分析黄土高原典型支流淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献。延河与皇甫川淤地坝在不同年代的拦沙量分别在92.48万～854.35万t/a与36.47万～1 138.75万t/a之间，淤地坝拦沙量占人类活动影响的比例在一级和二级突变后分别为29.1%、28.5%与8.4%、18.2%；2000年以后延河与皇甫川输沙量减幅均达到85%以上，而淤地坝拦沙量的贡献率分别小于10%和20%。淤地坝的拦沙作用已不是目前输沙量减少的主要因素，但由于土壤侵蚀环境的不同，淤地坝在皇甫川对输沙量减少的贡献比在延河要大。

淤地坝；拦沙量；土壤侵蚀；输沙量；延河；皇甫川

黄土高原严重的水土流失造成大量泥沙下泄入黄，致使黄河成为世界著名的悬河，严重威胁着黄河下游堤坝及人民生命安全。黄土高原的水土流失治理及其对黄河泥沙变化的影响一直是相关管理部门和学术界关心的热点问题。自20世纪50年代以来，国家对黄土高原实施了一系列的水土流失治理，特别是1999年国家大规模地实施了退耕还林(草)政策，恢复植被以遏制黄土高原严重的土壤侵蚀，改善自然生态环境，减少黄河泥沙。与此同时，由于淤地坝具有明显的拦沙淤地效益，大规模的淤地坝工程建设也在快速发展[1-2]。根据第1次全国水利普查水土保持情况公报，截至2011年黄土高原共有淤地坝5万8 446座，其中治沟骨干工程5 655座[3]。黄土高原自20世纪50年代至今，先后经历了坡面治理、坡面和沟谷联合治理、小流域综合治理、退耕还林还草工程、淤地坝“亮点工程”等一系列的水土保持治理措施，入黄泥沙显著减少。目前，黄河潼关站年均输沙量已由20世纪70年代前的16亿t锐减到2000—2014年的2.7亿t，已明显改变了以往人们对黄河泥沙的认识。同样，黄河中游典型支流延河和皇甫川的输沙量也呈明显减少趋势[4-5]。现阶段，黄土高原地区由于水利水保措施的加强，植被恢复良好，只要不遇到高强度暴雨，很难形成大的洪峰流量和输沙量[6]，新近修建的淤地坝大部分处于无沙可淤的状态，可见一味增加淤地坝数量并非最佳选择。同时，尽管众多学者对淤地坝的减水减沙效益及计算方法[7-8]、减蚀作用机理[9-10]、坝地泥沙淤积特征[11-12]和泥沙来源[13]等方面进行了大量的研究，但目前黄河泥沙减少到底是以退耕还林(草)工程的减蚀成效为主？还是以淤地坝的拦沙成效为主？目前黄土高原淤地坝建设的必要性如何？这些都是目前黄土高原生态文明建设中亟待回答的科学问题，事关未来黄土高原水土流失治理的投资方向与决策，是黄土高原生态环境恢复与可持续发展、黄河泥沙管理与健康运行的重要的依据。为此，本研究以黄土高原不同类型区的典型支流为对象，在计算淤地坝拦沙量及支流输沙量的基础上，探明淤地坝的拦沙作用对输沙量减少的贡献，以期为进一步揭示黄河水沙变化的归因及黄土高原淤地坝建设决策提供依据。

1 研究区概况

本研究选取了黄土高原不同类型区的典型支流：黄土丘陵区的延河与砒砂岩区的皇甫川作为研究对象来展开研究。延河流域位于黄土高原中部，全长286.9 km，流域面积7 725 km2，是黄河右岸、中游区上段河口镇至龙门段的一级支流，流域内黄土丘陵沟壑面积占全流域的90%。皇甫川流域干流长137 km，流域面积3 246 km2，地处黄土高原与鄂尔多斯高原的交接地带，属于水蚀风蚀过渡区，是黄河中游多沙粗沙区内的粗泥沙集中来源区[14]。

2 研究方法

用于本研究的数据分别来自2009年水利部黄土高原淤地坝安全大检查专项行动数据，延河甘谷驿和皇甫川皇甫水文站的观测数据，以及研究区及其周边地区其他学者及团队基于淤地坝钻探反演的侵蚀产沙模数。采用Mann-Kendall检验、Pettitt检验分析延河和皇甫川流域1955—2015年输沙变化的趋势和突变特征。Mann-Kendall趋势检验Z值为正表示增加趋势，为负表示减少趋势；|Z|≥1.28、1.64、2.32时表示分别通过了置信度为90%、95%、99%显著性检验。

在统计分析延河与皇甫川流域淤地坝资料的基础上，针对已有可获取的资料寻求估算不同时段淤地坝拦沙量的方法，并以淤地坝的已淤库容为依据对估算结果进行验证，确定计算时段内淤地坝拦沙量的估算方法：

S=P·A·M·(1-R)。

式中：S为计算时段内淤地坝的拦沙量，万t；P为计算时段内淤地坝的作用年限，a；A为坝控面积，km2；M为流域侵蚀产沙模数，t/(km2·a)；R为排沙损失率。

对于作用年限的确定，据20世纪90年代陕西省完成的淤地坝调查及相关科研项目的实地调查，截至1991年，1980年以前建成的中小淤地坝已经失效。据此确定不同年份所建淤地坝的作用年限：在计算20世纪60、70、80年代的拦沙量时，淤地坝的作用年限就是计算时段内淤地坝的实际运行年限；在计算20世纪90年代的拦沙量时，1975年以前所建淤地坝不参与计算；在计算2000年以后的拦沙量时，1980年以前建成的淤地坝不参与计算。

依据淤地坝已淤库容对估算结果进行验证，截至2008年延河流域淤地坝已淤库容1亿7 408.2万m3，据在延河坊塌和马家沟流域实测平均密度1.32 t/m3，得到总泥沙淤积量2亿2 978.8万t；皇甫川流域淤地坝已淤库容1亿4 169.6万m3，根据皇甫川满红沟和特拉沟流域的实测平均密度1.20 t/m3，得到总泥沙淤积量1亿7 003.5万t。通过对延河和皇甫川及周边前人研究成果及本研究团队对不同淤地坝淤积量测量估算结果[12-13,15-20]进行综合分析的基础上，得到不同年代延河和皇甫川坝控流域的侵蚀产沙模数，具体见表1。根据上述公式计算得到延河与皇甫川流域淤地坝截至2008年的总拦沙量分别为2亿6 245.7万和2亿3 091.2万t。然而，淤地坝并不能将流域所有的产沙量拦蓄在坝里，会有一些淤地坝在暴雨中被损毁产沙或者通过溢洪道排沙，若取淤地坝的排沙损失率为15%计算，延河流域与皇甫川流域淤地坝截至2008年的总拦沙量分别为2亿2 308.9万和1亿9 627.5万t，与依据已淤库容计算结果(2亿2 978.8万和1亿7 003.5万t)基本一致，这也说明在没有已淤库容等实测数据时，可按照淤地坝作用年限、坝控面积、坝控流域侵蚀产沙模数及淤地坝排沙率来计算不同时段的淤地坝拦沙量。

3 结果与分析

3.1 典型支流淤地坝拦沙量估算

延河流域不同年代淤地坝的年均拦沙量在92.48万～854.35万t/a之间，平均404.33万t/a。虽然20世纪70年代和80年代的坝控面积仅为流域面积的21.3%和24.3%，但淤地坝的年均拦沙量分别为789.06万t/a和854.35万t/a；在2000—2015年坝控面积占到流域面积的32.3%，而2000—2009年均拦沙量仅为92.48万t/a，远低于20世纪60年代的年均拦沙量227.63万t/a；在2010—2015年间，即使在2013年7月长历时特大暴雨发生的条件下，年均拦沙量为217.35万t/a，接近于20世纪60年代流域坝控面积比仅为4.0%时的年均拦沙量(表1)。可见，延河流域在1990年以后淤地坝的拦沙作用明显低于20世纪70—80年代，年均拦沙量在90万～250万t/a之间，仅为20世纪70—80年代的11%～31%。

对于皇甫川流域，不同年代淤地坝的年均拦沙量变化在36.47万～1 138.75万t/a之间，平均为546.26万t/a。20世纪60年代仅有淤地坝23座，坝控面积只有流域面积的1.8%，年均拦沙量最小；70年代以后皇甫川被列为重点治理流域之一，从而加快了淤地坝建设，拦沙作用明显提高。流域坝控面积的比例由70年代的10.3%增加到80年代的19.0%和90年代的36.1%，年均拦沙量相应地由219.05万t/a增加到630.19万和740.79万t/a。在2000—2015年间流域坝控面积比例高达56.1%，由于流域综合治理及退耕还林草工程的实施，淤地坝拦沙量有所减少，在2000—2009年平均拦沙量为512.38万t/a，但在2010—2015年却高达1 138.75万t/a，这是由于2012年7月特大暴雨下土壤侵蚀较为严重。

表1不同时段延河和皇甫川流域淤地坝拦沙量

Tab.1Sediment retention by check-dams in different periods in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds

年份Decade侵蚀产沙模数Erosionmodulust/(km2·a)坝控面积占流域面积比例Proportionofdam-controlledareatowatershedarea/%淤地坝拦沙量Sedimentretentionbycheck-dams/(104t·a-1)延河Yanhe皇甫川Huangfuchuan延河Yanhe皇甫川Huangfuchuan延河Yanhe皇甫川Huangfuchuan1960—19698000110004.01.8227.6336.471970—197970001300021.310.3789.06219.051980—198950001500024.319.0854.34630.191990—199930001000026.236.1245.14740.782000—20091500500032.356.192.48512.382010—20153000900032.356.1217.351138.75

注：由于2008年后建坝不多，坝控面积依据2008年底的数据。Note: As few dams were constructed after 2008, the dam-controlled area is based on the data by the end of 2008.

3.2 淤地坝拦沙对输沙量减少的贡献

延河和皇甫川流域的年输沙量均呈显著减少趋势(P<0.01)。延河和皇甫川流域在1955—2015年输沙量一级突变点分别出现在1996年、1984年(P<0.05)，在一级突变点以前输沙量序列均没有发生突变，之后输沙量突变点分别出现在2005年、2003年(P<0.05)(表2)。

以一级突变点为界，根据延河(1955—1995年)和皇甫川(1955—1983年)流域的降雨量-输沙量双累积曲线得到的线性拟合方程(图1)，求得延河和皇甫川流域不同时段输沙量计算值，来定量估算人类活动对输沙量的影响。延河和皇甫川流域输沙减少量在突变之后逐渐增加，减沙量分别在1 825.0万～4 219.8万t/a和2 749.2万～5 036.6万t/a之间，而输沙减少量占一级突变前实测值的比例分别在37.2%～86.0%和48.2%～88.2%之间；降水变化对输沙减少的影响在突变后逐渐减弱，人类活动对输沙减少的影响在突变后逐渐增强；一级突变之后，2个流域在1996—2004年和1984—2002年淤地坝的拦沙量分别为342.6万和661.0万t/a，拦沙量占人类活动影响的比例分别为29.1%和28.5%；二级突变之后，2个流域在2005—2015年和2003—2015年淤地坝的拦沙量分别为415.5万和929.5万t/a，拦沙量占人类活动影响的比例分别为8.4%和18.2%(表3)。进入21世纪以来，2条支流的输沙量减幅均超过85%，而淤地坝的拦沙量占人类活动影响的比例在延河流域<10%，在皇甫川<20%，说明淤地坝拦沙作用已不是输沙量减少的主要原因，而植被恢复等因素的作用已明显得以发挥。同时，延河流域与皇甫川流域由于土壤侵蚀环境的不同，特别是植被恢复效果、坝控面积占流域面积比例的差异性，淤地坝在皇甫川流域对输沙量减少的贡献比在延河流域要大。

表2延河和皇甫川流域输沙变化趋势及突变点

Tab.2Trend and abrupt change of sediment discharge in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds

流域WatershedZ值Zvalue显著性水平Significancelevel/%Sen’s斜率Sen’sslope(β)一级突变Firstabruptchange二级突变Secondabruptchange延河流域Yanhe-4.2099-0.0119962005皇甫川流域Huangfuchuan-4.8899-0.0119842003

图1 延河和皇甫川流域降雨量和输沙量双累积曲线图Fig.1 Precipitation-sediment discharge cumulative curve in the Yanhe and Huangfuchaun watersheds

流域Watershed年份Decade实测值Measuredvalue/(104t·a-1)计算值Calculatedvalue/(104t·a-1)输沙减少量Sedimentreduction降水影响Precipitation人类活动影响Humanactivities量Amount/(104t·a-1)比例Percent%量Amount/(104t·a-1)比例Percent%量Amount/(104t·a-1)比例Percent%淤地坝拦沙量Sedimentretention/(104t·a-1)拦沙量占人类活动影响的比例Percent/%1955—19954903.94770.1延河Yanhe1996—20043078.84258.01825.037.2645.835.41179.264.6342.629.12005—2015684.15627.04219.886.0-723.2-17.14942.9117.1415.58.4皇甫川1955—19835709.15744.6Huangfu-chuan1984—20022959.95280.32749.248.2428.815.62320.484.4661.028.52003—2015672.55787.85036.688.2-78.7-1.65115.3101.6929.518.2

4 结论

延河和皇甫川不同年代淤地坝的年均拦沙量分别为92.48万～854.35万t/a和36.47万～1 138.75万t/a。2条支流的年输沙量均呈显著减少趋势，其中降水变化对输沙减少的影响在突变后逐渐减弱，而人类活动的影响在突变后逐渐增强；在一级突变之后，延河和皇甫川流域淤地坝拦沙量占人类活动影响的比例分别是29.1%和28.5%，二级突变之后分别是8.4%和18.2%。进入21世纪2条支流输沙量减幅超过85%，而淤地坝拦沙量的贡献在延河流域<10%，在皇甫川流域<20%，说明淤地坝的拦沙作用已不是输沙量减少的主要因素。由于土壤侵蚀环境的不同，淤地坝在皇甫川流域对输沙量减少的贡献比在延河流域要大。

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Contributionofsedimentretentionbycheck-damstosedimentdischargereductionoftypicaltributariesontheLoessPlateau

WEI Yanhong1, JIAO Juying1, 2, ZHANG Shijie3

(1.State key Laboratory of Soil Erosion and Dyland Farning on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi, China;2.State key Laboratory of Soil Erosion and Dyland Farning on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A & F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China；3.Anhui and Huaihe River Water Resources Research Institute, 230088, Hefei, China)

BackgroundThis work aims to ascertain the contribution of sediment retention by check-dams to sediment discharge reduction, and to further reveal the attribution of the water and sediment changes in the Yellow River and provide the decision-making basis of check-dam construction on the Loess Plateau.MethodsThe typical tributaries of Yanhe River in the loess hilly-gully region and Huangfuchuan River in the weathered sandstone hilly-gully (pisha) region were selected. On the basis of the safety survey database of check-dams in 2009, the operation period of check-dams, dams-controlled area, erosion-sediment yield modulus of dams-controlled watershed and sediment delivery ratio, the estimation method of the sediment retention were determined, and the contribution of sediment retention by check-dams to sediment discharge reduction in the typical tributaries on the Loess Plateau was analyzed.ResultsThe average annual retained sediment amount by check-dams in different decades during 1960-2015 in the Yanhe watershed ranged from 0.92 million t/a to 8.54 million t/a, in which the maximum appeared in the 1980s, followed by the 1970s (7.89 million t/a), the minimum occurred in 2000-2009. While in the Huangfuchuan watershed, the average annual retained sediment amount in different decades varied from 0.36 million t/a to 11.39 million t/a, the maximum in 2010-2015, then 1990s (7.41 million t/a) and the minimum in 1960s. In addition, the results showed that the significant reduction of the annual sediment discharge in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds (P<0.01) according to the Mann-Kendall trend test. On the basis of the Pettitt’s abrupt test, the first transition year of the annual sediment discharge from 1955 to 2014 in the Yanhe and Huangfuchuan watersheds appeared in 1996 and 1984 (P<0.05), while the second transition year of the annual sediment discharge were in 2005 and 2003 (P<0.05), respectively. Meanwhile, the sediment discharge reduction after the abrupt change ranged from 18.25 million t/a to 42.20 million t/a in the Yanhe watershed and from 27.49 million t/a to 50.37 million t/a in the Huangfuchuan watershed, respectively. The influence of precipitation on sediment discharge reduction was weakened after abrupt change, while the effect of human activities was enhanced gradually. In addition, the contribution of sediment retention amount by check-dams to human activities in the Yanhe and Huangfuchuan tributaries were 29.1% and 28.5% after the first transition year, 8.4% and 18.2% after the second transition year, respectively. After 2000, the decreased sediment discharge was more than 85% in the Yanhe and Huangfuchuan tributaries, while the contribution of retained sediment amount by check-dams was less than 10% and 20%, respectively.ConclusionsIt showed that the effect of sediment retention by check-dams was not the main factor of sediment discharge reduction. Due to the different soil erosion environment, especially the differences in the vegetation restoration effect and proportion of dam-controlled area to watershed area, the contribution of check-dams on sediment discharge reduction in the Huangfuchuan tributary was greater than that in the Yanhe tributary.

check-dams; sediment retained amount; soil erosion; sediment discharge; Yanhe River; Huangfuchuan River

S157.9

2096-2673(2017)05-0016-07

10.16843/j.sswc.2017.05.003

2017-01-23

2017-07-01

项目名称：国家重点研发计划项目课题“黄土高原生态修复的土壤侵蚀效应与控制机制”(2016YFC0501604)；国家自然科学基金“黄丘区坡面退耕与淤地坝对坡沟系统侵蚀产沙的阻控机理”(41371280)；高等学校博士学科点专项科研基金“黄土丘陵沟壑区退耕坡面植被恢复对淤地坝拦淤潜力的影响”(20130204110025)

魏艳红(1988—)，女，博士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail: yhweigo@163. com

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焦菊英(1965—)，女，博士，研究员，博士生导师。主要研究方向：流域侵蚀产沙，土壤侵蚀与植被关系及水土保持效益评价。E-mail: jyjiao@ms.iswc.ac.cn