半干旱区降水-土地利用变化与水沙响应关系
2020-05-06胡彦婷王玲莉
靳 峰, 张 富, 胡彦婷, 周 蕊, 王玲莉, 唐 磊
(1.甘肃农业大学 林学院, 兰州 730070; 2.甘肃省水利厅, 兰州 730000)
随着社会经济的不断发展，气候变化和人类活动的综合作用使得全国一些河流的径流量和泥沙量的差异显著，同时也是水沙变化的重要影响方面。气候变化主要是降水、气温、蒸发等[1]，人类活动主要是土地利用变化[2-3]、水土保持措施[4-5]、库坝建设[6-7]等，其中降水量对径流量的影响最显著，而气温、蒸发等影响较小；人类活动中土地利用变化主要是通过实施一些水土保持措施减少径流量和泥沙量[8-9]，径流量和泥沙量也是水文水资源及循环的重要因素。
降水是引起水土流失的原动力，是水力侵蚀发生的前提，一般降水量与土壤侵蚀量呈正比关系[10]。穆兴民等[11]使用综合水文法与水保法，研究了黄河中上游水土保持措施对黄河泥沙影响，结果表明70年代土地利用中水土保持措施年均减沙4亿t，80年代平均减沙达到3亿t；在1970—1996年黄河中游河龙区间的土地利用中各项水土保持措施的年均减流、减泥效益分析，发现占到这一时期流域径流和泥沙量的4.6%和22.9%[12]，同时刘芳等[13]也对河龙区间及泾、洛、渭水系的梯田进行了分析研究，表明梯田的减洪减沙效果显著。刘纪根等[14]以鹤鸣观小流域水土保持措施对流域水沙关系进行研究发现：在小流域治理后期，降雨产流量变化率、降雨产沙量变化率均减小，随着降雨的增多，土地利用中水土保持措施对径流、产沙的影响效应增强；暴雨强度愈小，降雨量愈少，水土保持径流拦蓄作用愈显著；但降雨量愈大，泥沙拦蓄作用愈显著。同样张富等[15-16]发现产沙主要是通过坡面径流引起的沟岸扩张和沟底下切，实施水土保持措施可有效减少泥沙量。由上述研究可看出，改变土地利用结构，即实施水土保持措施能够有效地减少小流域的径流、泥沙，消减洪峰流量，降低径流含沙量，滞后洪峰出现时间，缩短洪水历时，改变降雨产流、产沙关系。由于径流和泥沙变化受自然环境及人类活动等的耦合效应，研究降水量、土地利用措施在影响径流量、输沙量的内在机制时仍有一定的难度。
1 研究区概况
安定区地处甘肃省中部偏南，属黄河中游支流的祖厉河流域。位于104°12′48″—105°01′06″E，35°17′54″—36°02′40″N，区域总面积为3 638.71 km2。安定区属于温带大陆性气候，四季气候差异显著，温差较大。降水稀少而集中，截至2016年底，安定区年均降水量为415.6 mm，多年平均蒸发量1 529.4 mm。安定区干旱少雨，水土流失严重，生态环境恶劣，是贫困县(区)之一。水土流失类型主要是水力侵蚀和重力侵蚀，坡面侵蚀及沟道侵蚀较严重，常有崩塌、滑坡等现象发生，年均径流量为4.36×107m3，年均输沙量1.05×107t。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源及预处理
(1) 降水量、径流量和输沙量数据。1957—2016年降水量、径流量、输沙量数据由甘肃省水文水资源局及所属定西水文水资源局提供的年降水量数据来源定西西河、内官营、红土、青岗及周边后头湾、泉头、青岚设立的10个雨量观测站，使用泰森多边形法计算平均降水量。径流、泥沙数据。前期水文观测站设在巉口(1957—1999年)，2000年后上迁到定西东河、西河，故1957—1999年研究区径流泥沙来源于巉口水文站观测资料，2000年后来源于定西东河、西河水文站资料(2000—2016年)。
(2) 土地利用措施数据。主要来源于统计年鉴数据(1957—2016年)；土地一调、二调及年度外调数据(1991年、2005—2016年)；林业部门祥查数据(2009年、2014年、2016年)及退耕还林工程(2000—2006年、2014—2016年)；水土保持年报(1957—2016年)及普查数据；土地利用保存数量数据(1957—2016年)等科研成果。
2.2 研究方法
2.2.1 Mann-Kendall趋势分析及突变检验 Mann-Kendall非参数趋势检验与突变检测法是对于一组时间序列数据的非参数验证方法，是由Mann[17]和Kendall[18]最先提出的。使用Mann-Kendall趋势检验与突变检测法研究区域降水量、径流量与输沙量的变化趋势，检测突变发生的时间。
2.2.2 回归分析 使用SPSS 20.0软件，进行降水量、土地利用与径流量、输沙量之间的回归分析。对降水量与径流输沙、沟道措施与径流输沙进行单项回归分析，对土地利用(未治理地、治理地)与径流输沙进行多元回归分析，以确定其因子对径流量、输沙量的影响大小。
3 结果与分析
3.1 降水变化特征分析
安定区年内降水量差异较大，主要集中于5—9月，属汛期降水量，占全年降水量的78.0%；尤其7月、8月份月均降水量达80 mm以上，占总降水量的39.50%。而其他月份降水量较小，表明安定区降水量变化具有明显的季节性(图1A)。1957—2016年安定区年均降水量为415.6 mm，年均汛期降水量为354.0 mm。年最大降水量和汛期最大降水量分别为715.6 mm和604.6 mm(1967年)；年最小降水量和汛期最小降水量分别为268.4 mm和209.4 mm(1997年)。汛期降水量占年降水量的80%以上，说明全年降水量集中在汛期。两者具有显著相关性，R=0.961(图1B)。
年降水量趋势和突变分析可知年降水量呈减少趋势。M-K趋势检验表明(图2)，1957—2001年(除1960年，UF<0)统计量UF为正值，说明年降水量呈上升趋势，且1967—1968年上升趋势显著(p<0.05)；2002—2016年统计量UF正负交替变化，且不显著(p>0.05)。
图1 降水量年内、年际变化
图2 年降水量M-K检验图
3.2 土地利用方式变化特征分析
按照是否实施水土保持措施将安定区土地利用现状分为未治理地(坡耕地、未利用地及其他用地)和治理地(建设用地、梯田、人工造林、人工种草、封育、淤地坝)两类。
3.2.1 未治理地变化特征分析 整个研究时间尺度内未治理地呈总体下降的趋势，坡耕地由1957年的14.55万hm2减少为2016年的0.99万hm2，1957—1965年是增长期，1966年后则是坡耕地减少期。1991—2016年年际间未利用地及其他用地呈持续减少的趋势，由1991年的11.67万hm2减少为2016年的5.88万hm2。2000年坡耕地、未利用地及其他用地下降最显著(图3A)。
3.2.2 治理地变化特征分析 在研究期内治理地总体呈上升的趋势，建设用地由1991年的1.04万hm2增为2016年的1.70万hm2，年均递增速度0.03万hm2；梯田由1966年的0.38万hm2增为2016年的13.17万hm2，以年均0.26万hm2速度递增，其中2000年梯田增速最大；人工造林由1957年的0.017万hm2增到2016年的9.21万hm2，造林面积增长最快时间段为1982—2016年；人工种草由1974年的0.10万hm2增为2016年的4.21万hm2，1957—1973年为零星种草期，1974—1999年为快速上升期，2000—2016年为较稳定增长期；1985—2016年开始大规模的封育治理，以年均0.02万hm2的速度增加，至2016年底，封育治理达1.17万hm2(图3B)。
3.2.3 沟道工程数量变化及特征 1987—1994年建成淤地坝21座，1995—2010年建成129座，以年均8座的速度递增，2010—2016年淤地坝数量不变，至2016年共建成淤地坝155座，其中大型淤地坝81座，中小型淤地坝74座(图4)。据研究，淤地坝年均可拦蓄沟道径流120 m3/座，拦泥26 992 t/座[16]。
图3 未治理地、治理地面积变化
图4 沟道工程数量变化
3.3 径流输沙量变化特征分析
由图5A可以看出，月径流量、月输沙量在年内变化较大，汛期径流量与输沙量主要集中于6—9月，占总径流量的71.77%；占总输沙量的89.79%。表明汛期径流量、输沙量最大，其他时节相对较小。研究时间尺度内年径流量和输沙量随着年限的递增呈先增后减的趋势(图5B)，多年均径流量为4.36×107m3，多年输沙量为1.05×107t；最大径流量达1.65×108m3，与最大降水量出现年份(1967年)一致，年输沙量为4.03×107t(1973年)，1967年次之，为3.27×107t；年最小径流量为2.05×106m3(2011年)，年输沙量为5.00×103t(2016年)。年汛期径流量占年径流量的70%以上(除少数年份占70%以下)，具有显著线性相关，R=0.941。年汛期输沙量占年输沙量的80%以上(除少数年份占80%以下)，具有显著相关性，R=0.987。
图5 径流量与输沙量年内、年际变化
对年径流量、年输沙量M-K非参数检验分析表明(图6)，年径流量1957—1974年统计量UF′为正值，说明年径流量呈上升趋势，没有达显著水平(p=0.05，UF′=1.73，UF′
3.4 径流输沙变化影响因子分析
1957—1990年建设用地、未利用地及其他用地数据未统计，使用1991—2016年的数据反推弥补其数据序列；在上述研究中发现梯田、人工种草、封育及淤地坝的数据序列缺失，为便于回归分析将其缺失值处理为0.000 1万hm2，在此基础上选取物理意义较简单的线性、对数、幂函数、指数函数，综合分析发现年降水量与年径流输沙均线性关系最好；未治理地与年径流指数关系最好、与年输沙幂函数关系最好；治理地、沟道工程与年径流输沙均是指数关系最好。因此，在下述只详细分析年降水量与年径流输沙的线性模型；未治理地与年径流的指数模型、与年输沙的幂函数模型；治理地、沟道工程与年径流输沙的指数模型。
图6 年径流量、输沙量M-K检验
3.4.1 降水量对年径流输沙的影响 对年降水量与年径流量、输沙量进行单相关分析，结果发现线性模型达极显著水平(p<0.01)，且年降水量与年径流量、输沙量均呈正相关，即随年降水量的增加年径流量、年输沙量呈上升趋势。年降水量与年径流量的相关性高于年输沙量，年降水量对年径流量的决定系数达0.255，对年输沙量的决定系数达0.207，说明年降水量对年径流量的决定程度高于年输沙量，见表1。
表1 年降水量与径流输沙回归方程表
注：Y1表示年径流量(106m3)；Y2表示年输沙量(106t)；X为自变量(年降水量，mm)；R为相关系数；R2为决定系数；F为方差检验值，下同。
3.4.2 未治理地对年径流输沙的影响 前期对未治理地与年径流输沙进行单项回归分析，发现未治理地中坡耕地、未利用地及其他用地与年径流输沙呈正相关关系，且相关性表现为坡耕地>未利用地及其他用地。对1957—2016年未治理地与年径流量、输沙量进行多元回归分析，结果表明未治理地与年径流量具有较好的指数关系，而未治理地与年输沙具有较好的幂函数关系，均达极显著水平(p<0.01)。未治理地对年径流输沙的决定系数为0.733，而对年输沙量的决定系数为0.789，说明未治理地对年输沙量的决定程度高于年径流量，未治理地与年径流量的指数模型更适宜，而与年输沙量的幂函数模型更适宜；就同一指数模型而言，坡耕地、未利用地及其他用地等未治理地变化更易引起年径流量的变化，见表2。
表2 未治理地与年径流输沙回归方程表
注：X′i为自变量(i=1，2分别为坡耕地、未利用地及其他用地；单位为万hm2)。
3.4.3 治理地对年径流输沙的影响 前期对治理地与年径流输沙进行单项回归分析，发现治理地中建设用地、梯田、人工造林、人工种草、封育与年径流输沙呈负相关关系，且与年径流量的相关性表现为梯田>人工造林>封育>人工种草>建设用地；与年输沙量的相关性表现为封育>梯田>建设用地>人工造林>人工种草。对1957—2016年治理地与年径流量、输沙量进行多元回归分析，结果表明治理地与年径流量、输沙量均具有较好的指数关系，均达极显著水平(p<0.01)。治理地对年径流量的决定系数是0.740，对年输沙量的决定系数是0.804，说明治理地对年输沙量的决定程度高于年径流量，建设用地、梯田、人工造林、人工种草、封育等治理地变化更易引起年输沙量的变化，见表3。
表3 治理地与年径流输沙回归方程表
注：Xi为自变量(i=1，2，3，4，5分别为建设用地、梯田、人工造林、人工种草、封育；单位为万hm2)。
3.4.4 沟道工程对年径流输沙的影响 淤地坝与年径流量、输沙量进行回归分析，结果表明淤地坝与年径流量、输沙量均具有较好的指数关系，均达极显著水平(p<0.01)。淤地坝对年径流量的决定系数达0.809，对年输沙量的决定系数达0.840，说明淤地坝对年径流量的决定程度低于年输沙量，淤地坝同时起到了拦蓄径流和泥沙的作用，拦泥效果更好，见表4。
表4 淤地坝与年径流输沙相关性分析表
注：X6为自变量(淤地坝，座)。
4 讨 论
未治理地是水土流失发生的主要策源地，开垦荒地是坡耕地面积增加的根源，坡耕地、未利用地及其他用地随梯田、人工造林、人工种草、封育治理、建设用地等的增加而迅速减少，对水土流失的防治起到了巨大的影响。治理地主要是通过实施水土保持措施来减少径流泥沙量，建设项目占地在其建设期扰动地表，会增加水土流失量，在建成后，绿地(林草地)增加、地面坡度变缓、配套水土保持措施，所以该区域的径流泥沙减少；梯田是坡面水土保持措施中调水保土效率最高、最持久措施[16]，因此大力实施坡改梯等工程有利于径流和泥沙的控制；大面积进行人工造林、人工种草对增加植被、控制坡面及沟道水土流失具有重要作用；封育治理可快速增加林草覆盖，具有显著的生态效益。由此可见，重点实施水土保持措施能大幅减少坡面及沟道水土流失。
年径流量发生突变时间为1995年，而这一时期前后正好是沟道工程尤其是淤地坝大量增加的时间段，淤地坝发挥了很好地拦蓄径流的作用，使年径流量下降的同时，也减少了年输沙量，且拦泥的效果更佳，拦泥淤地形成沟坝地，沟坝地大多是坡面径流冲蚀地表泥沙，顺坡流下汇入沟道，具有较高的养分，是农民耕种的优良耕地。因此人类活动主要是通过水土保持措施及淤地坝工程的实施起到了很好的减水减沙效果，且输沙量减少更显著，说明调整土地利用结构，有助于拦蓄径流泥沙，减沙效果大于减流效果，本结果与夏露[19]、秦瑞杰[20]等在黄土丘陵区的水沙变化研究结果基本一致。且在小区域即安定区进行研究时，地域因素差距基本不大，但人类活动比较活跃不断发生变化，而以大区域为研究对象时，地域因素和人类活动均可能引起年径流泥沙的变化。在进行年降水量与年径流的回归分析，建立线性、幂函数、指数、对数模型，分析发现年降水量与年径流具有较好的线性关系，达极显著水平(p<0.01)，相关系数R=0.505，且呈正相关[21-23]，即随年降水量的增大年径流增加，年降水量对年径流的贡献率达25.5%。Zhang等[24]研究祖厉河流域降水与径流之间的关系发现年降水量可解释径流变化达30%，值有所不同且稍偏小，引起此结果的原因可能是研究区19.57%的西巩河径流并没有汇入此区域，年径流量有所减少引起的。
5 结 论
(1) 在研究时间尺度内年降水量稍有下降且不显著(p>0.05)，年降水量与年径流输沙呈正相关，且年降水量与年径流量的相关性高于年输沙量；年径流量、输沙量总体呈下降趋势且达极显著水平(p<0.01)，出现突变的时间分别为1995年、2002年左右。
(2) 1957—1985年径流量、输沙量对降水量变化响应强烈，趋势协同性强；1986—2016年响应减小，趋势协同异化。说明水沙变化受其他因素(水土保持措施)影响越来越大，尤其是2001年之后受年降水量影响更小。
(3) 未治理地中呈逐年递减趋势，与年径流输沙呈正相关且具有较好的指数、幂函数关系(p<0.01)，其变化易引起径流量的变动；而治理地呈逐年递增的趋势，与年径流输沙呈负相关且具有较好的指数关系，其变化对年输沙量更敏感；淤地坝数量先增后维持不变，与年径流输沙呈负相关且具有较好的指数关系，其拦泥较蓄水效果稍好(p<0.01)。
