柳河水沙过程对水土保持治理的响应研究

孙 颖

(辽宁省彰武县水利事务服务中心，辽宁 彰武 123200)

0 引 言

柳河是辽河中下游右侧的一条多泥沙支流，主要流经库伦旗、科左后旗、阜新县、彰武县、新民县等县旗，总长302km，占地面积5798km2。流域内地形呈东南低、西北高，地势起伏不平，在彰武县城以上可分为坨甸区、漫岗区、丘陵沟壑区、低山丘陵区四种类型，彰武以下河段无支流汇入，以平原为主。经地方水利部门沟通和现场实地查勘后，确定致使近岸河滩地严重水土流失的原因有上游水库放水冲刷、临河岸坡雨水冲蚀、岸坡前植被状况较差等，由于岸滩冲兑部分河段形成险情。近年来，柳河流域实施了筑坝、梯田、植树种草、防洪治理及水土保持等工程，在造福人类的同时这些治理工程也使得流域下垫面条件发生改变，对流域产水与产沙过程带来极大的影响。例如，Mu XM等[1]以黄河中游为例，对流域径流响应水保治理的变化过程，采用日流量历时曲线、Pettitt检验和M-K检验研究；徐建华等[2]以实践工程，探究了年均径流响应筑坝的变化过程。综上分析，现有研究涉及泥沙过程响应水保治理的较少。考虑到柳河泥沙粒径粗、产沙量大的实际情况，水生物种赖以生存的环境受河流系统中沉积物运移和补给的影响极大，并直接决定着下游河道淤积[3]。文章以柳河彰武县段为例，深入分析了水沙过程受气候变化的影响作用，以近20a年流域降雨变化数据以及水保治理前后的平水期输沙量、日径流资料为基础，对流域水沙在水保工程影响前后的变化特征利用变动范围法(RVA)进行评价，定性评价了水沙过程响应水保措施的程度并定量揭示了柳河水沙过程的空间变化规律，以期为柳河流域生态环境恢复和水资源管理提供参考。

1 区域概况

柳河流域属于大陆性寒温带气候型，年均气温6-8℃，年降雨量400-600mm，自北向南降水递增，其中6-9月雨量约占全年的80%，暴雨集中，极易造成土壤侵蚀和洪涝灾害。柳河上游有新开河、乌根稿河、养畜牧河三条支流，控制面积为2405 km2、341 km2、825 km2，三支流于闹德海库尾端相汇始称柳河。大小清沟等小支流汇入柳河闹德海以下左岸，柳河流域特性如表1。

柳河彰武县城区段，地势北高南低，东西为丘陵，北部为沙荒，中、南部为平原。彰武以上河长229km，平均河道比降为1.47‰，水文测站和流域水系分布如图1。以柳河干流彰武县段为例，现已实施淤地坝、梯田、造林种草等水土保持工程，且近期水保治理面积呈显著增大趋势。

表1 柳河流域特性表

图1 柳河流域示意图

2 研究方法

2.1 RVA方法

采用IHA指标体系评价生态水文状态改变的变量有流量变动率、持续期、频率、时间、大小幅度等五大类32项水文指标[4]。筑坝前后保持指标变幅出现相同的频率为RVA方法的核心目标，水文变化程度的计算一般以上下限为25th、75th分位数完成，其表达式为：

(1)

若RVA生态目标范围内完全落入预期频率和实测频率，则认为未发生水文变化，变化程度为零；若RVA生态目标范围内落入的预期频率低于实测频率，则变化程度取正，反之则取负[5]。泥沙状态变化的评价类似于IHA指标体系，即评估过程中引入18个变量参数，并以流量持续时间、频率、大小幅度三类划分这些指标，如表2。

结合柳河流域实际情况以及相关文献资料，本研究计算预期和实测频率的时间界限为1989年，并在此基础上确定河流泥沙、水文变化程度。

2.2 分离气候变化法

一直以来，对流域水文变化受人类活动、气候变化等因素影响的定量评价，属于一项复杂的系统性问题。有学者[6]通过模拟不同气候情景，采用水文模拟途径探究了气候变化对黄河中上游径流的影响，结果发现中游地区对气候的变化较上游地区更为敏感，较对气候变化的响应径流对降水变化更加显著。所以，分离气候变化影响为探究下垫面变化受水沙过程影响的基本条件。其实现流程为：将流域面平均年降雨量利用柳河流域各雨量站同期年降雨资料计算确定，并按照平水期(25%<分位数<75%)、枯水期(分位数≤25%)、丰水期(分位数≥75%)的定义划分相应的年份，如图2，水保治理对水沙过程的影响研究选择平水年的年份。

表2 IHA指标体系及其特征

图2 平、枯、丰水年划分

2.3 水沙过程变化规律分析法

考虑到确定流域水文变化程度时IHA因子的贡献率存在一定差异，所以没必要在反映水文变化程度时分析所有IHA因子的变化[7]。为揭示水沙过程的空间规律利用RVA分析法选择较大综合变化程度的因子，即按升序排列综合变化的所有IHA因子，典型参数即为分位数超过67%的因子，最终站点控制子流域的水沙变化数值等于同一站点不同典型参数的平均值。

根据文献资料和流域实际情况，将水文变化程度划分为高度、适度、无变化或小变化3个等级，所对应的取值为68%-100%、34%-67%、0%-33%。本研究对柳河彰武县段的水沙过程空间变化特征，利用文献中的方法定量评估。

3 结果与分析

3.1 水文、泥沙变化特点

柳河彰武县段泥沙、水文变化程序，其排序情况如图3。从图3可知，研究河段的泥沙、径流变化特征为：①月平均值：1-12月的月均输沙量、流量共24个指数均属于月平均值类指标，显然10月发生的水沙变化最明显，由于大的洪水事件未出现于RVA方法的上边界(25%处)使得7月月平均流量的变化略小。②极值输沙量、流量特征变化：年最大多日输沙量及年最大和最小多日流量中，变化最大的为年最大3d输沙量及年最小90d流量，表明半周时间尺度的输沙量机制及最小流量的季节变化受水土保持治理的影响最大。③极值输沙量、流量的持续时间与出现频率：柳河彰武县段高(低)输沙量、流量受人类活动影响后历时变短，在一定程度上增加频率；此外，流域的年际径流变化程度呈增加趋势主要体现在径流向减小或增加相反趋势变化次数的增加，即反转数的增加。

(a)水文

(b)泥沙

3.2 柳河水沙空间变化规律

结合图3排序结果，确定水文变化空间分布规律的分析参数包括11月月平均流量、最小流量出现日期、年低流量数、2月月平均流量、降率、升率、6月月平均流量、年高流量数、7月月平均流量、最小90d流量、10月月平均流量、反转数；另外，确定泥沙变化空间分布规律的分析参数包括11、7、10、4、1月月平均输沙量及3月月平均输沙量、年最大3d输沙量、年高输沙量数。为揭示柳河彰武县段泥沙、水文变化的空间分布特征引入Richter分级法和子流域水沙变化程度，结果表明柳河彰武县段具有较高的水保治理建设面积比，并且泥沙、水文变化较为显著。总体而言，柳河彰武县段具有相似的泥沙、水文空间分布变幅。

3.3 水沙过程响应定性评估

考虑到较复杂的下垫面条件变化成因，故对流域水沙变化程度受水保措施强度、类别的影响仅做定性评估。一般地，非工程和工程治理为水土保持治理的两种类型，2017年柳河彰武县段梯田、淤地坝、种草、植树等水保措施所占面积比如图4。

从图4可知：①虽然淤地坝、梯田等工程治理建设面积在柳河彰武县段所占比例较小，如8%的淤地坝、10%梯田面积，但通过阻止或减少坡面流可进一步改变水文过程，有效防治土壤侵蚀的发生，因此工程治理能够更直接的影响水沙过程，特别是高含沙水流的影响更加明显。②柳河彰武县段水沙过程变化还在一定程度上受到植树造林的影响，较植树所占面积比种草所占面积比在流域非工程治理措施中更小，且研究河段内两者面积比存在较大差异。

图4 水保措施面积占比

4 结 论

以柳河彰武县段为例，对其水沙过程响应水保治理机制利用RVA方法研究，在此基础上对水沙受水保措施的影响做定性评估。结果发现，在空间分布上流域泥沙与水文变化具有相似特征，其原因为流域水沙变化在很大程度上取决于水土保持工程强度。考虑到复杂的水沙机制，也会偶然存在差异的水沙空间变化程度；随着水保措施强度和类型的不同，水沙过程响应水保治理的程度也会发生改变，其中工程治理较直接的影响着水沙过程，而柳河彰武县段水沙变化还受到植树造林等非工程治理的影响，可为柳河流域综合治理及其生态修复提供科学指导。