黄土区小流域水土保持措施水沙关系演变特征
2022-02-01苏鹏飞刘思君曹夏雨
赵 妍，苏鹏飞，刘思君，曹夏雨
[1.黄河流域水土保持生态环境监测中心，陕西 西安 710021；2.黄河水土保持绥德治理监督局(黄河水利委员会 绥德水土保持科学试验站)，陕西 榆林 719052]
黄土丘陵沟壑区沟壑纵横，沟蚀作用强烈，沟蚀产沙在流域入黄泥沙中占很高比例。研究不同水土保持措施下的流域水沙关系演变特征，可为流域综合治理提供理论依据。赵广举等采用黄河中游干流及支流6个水文站1950—2009年的水沙资料，分析黄河中游水沙变化趋势，指出气候变化、降雨和水土保持措施等是水沙变化的主要影响因素[1]；晏清洪等[2]根据黄土丘陵沟壑区治理小流域乔子东沟和未治理对比小流域乔子西沟水沙数据，采用双累积曲线法分析了径流量和输沙量之间的关系，探讨了降水量变化和人类活动对流域水沙关系的影响；冉大川等[3]在大理河流域水土保持生态工程建设的减沙作用研究中指出，深入认识林草植被控制水土流失的功效，客观、正确评价植被措施，对于黄土高原水土保持生态工程建设具有重要意义。本研究以位于黄土丘陵沟壑区的韭园沟和裴家峁沟30年(1986—2015年)长序列水文泥沙数据为基础，分析比较流域降水量、径流量及输沙量的年际变化，研究水土保持工程措施和林草措施对流域水沙关系的影响，以期为黄土丘陵沟壑区水土保持措施的工程建设和效益评价提供依据。
1 研究区概况
研究区为韭园沟小流域和裴家峁沟小流域。两个小流域均为无定河中游左岸的一级支沟，位于陕西省榆林市绥德县，属黄土丘陵沟壑区第一副区，地貌形态表现为梁峁起伏、沟壑纵横、山高坡陡、地形破碎。研究区位置见图1，土地利用情况见表1。
图1 研究区位置示意
表1 研究区土地利用情况
韭园沟地理坐标为东经110°16′、北纬37°32′，海拔820～1 180 m，流域长18 km，面积70.1 km2，流域形状为叶状，沟道断面呈V形，沟道比降1.15%，沟壑密度5.34 km/km2，是黄土丘陵沟壑区第一副区的典型代表，也是水土保持综合治理示范流域。韭园沟小流域于1953年被列为水土保持试验示范流域，长期开展综合治理，治理措施包括沟道工程措施、小型蓄水工程措施和植被措施，其中：1953—1963年为坝系试验示范阶段；1964—1977年为坝系发展阶段，建设特点是“小多成群，小型为主”；1978—1983年为坝系改建阶段，采取“小坝并大坝，大小结合，骨干控制”的原则；1984—1997年为坝系充实提高阶段，进一步提高淤地坝标准，增加防洪库容。截至1999年底，流域治理程度已达50%以上，截至2010年底，全流域淤地坝共计257座，总库容3 016.1万m3，已淤库容2 695.6万m3[4]。
裴家峁沟是韭园沟的对比沟，为非重点治理沟，降雨、地形、地貌、土壤及沟道条件等方面均与韭园沟相近[5]，两沟相距6 km，且同在无定河中游左岸。裴家峁沟地理坐标为东经110°17′、北纬37°29′，流域长11 km，面积39.3 km2，流域形状为叶状，沟道比降1.51%，沟壑密度2.69 km/km2。截至1999年，裴家峁沟治理面积仅为4.62 km2，占流域面积的11.76%[5]。1999年陕北地区开始实行退耕还林政策，将极易产生水土流失与极易沙化的耕地有计划、有步骤地停止耕作,并因地制宜地造林、种草，逐渐恢复植被[6]。
2 数据来源及研究方法
2.1 数据收集及处理
本研究采用的1986—2015年韭园沟和裴家峁沟水文泥沙数据来源于黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站。采用泰森多边形法计算流域内各雨量站降水量权重值，加权计算得到流域年降水量(P，mm)；通过统计流域出口控制断面的逐日径流量和逐日含沙量得到年径流量(R，万m3)和年输沙量(S，t)。流域的产水产沙特征分析采用径流系数(α)和年单位径流输沙量(CRS，kg/m3)，其计算公式分别为
α=R/P
(1)
CRS= 10S/R
(2)
式中：α为径流系数；CRS为年单位径流输沙量，kg/m3。
2.2 研究方法
本研究中对水文泥沙要素的变化趋势采用累积距平法和Mann-Kendall(以下简称“M-K”)趋势检验法进行分析。针对存在显著变化趋势的水文泥沙要素采用M-K突变检验方法识别突变时间。通过Kendall相关系数分析要素之间的相关性。
2.2.1 变化趋势判断
(1)累积距平。采用累积距平法，计算距平值后将其累计，将累计值绘成曲线以较为直观地判断序列的变化趋势。假设数据序列为X(x1，x2,…,xn)，t时刻该序列的累积距平值计算公式为
(3)
(2)M-K趋势检验。M-K趋势检验中，原假设H0为时间序列数据(x1,x2，…，xn)，是n个独立且随机同分布的数据样本；提供的备择假设H1为双边检验，对于k,j≤n，且k≠j,xk和xj的分布是不相同的[7]。检验的统计变量Z计算公式为
(4)
(5)
(6)
式中：Var(S)为统计量S的方差；xj和xk分别为第j年和第k年的数据，j>k；n为序列长度；sgn(xj-xk)为表征函数。
双边趋势检验时，在所给出的α置信水平下，|Z|≤Z1-α/2，则接受原假设；|Z|>Z1-α/2，则不接受原假设。统计变量Z>0，则序列为增加趋势；Z<0，则序列为下降趋势。
2.2.2 突变点检验
定义统计量UFk为
(7)
(8)
(9)
式中：E(Sk)为期望，E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)为方差，Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。
将时间序列X按逆序排列，同时使下式成立
(10)
通过对统计量UFk和UBk的分析，确定突变时间。当UFk值大于0时，为上升趋势，当UFk值小于0时，为下降趋势；越过临界线时，序列为显著上升或显著下降趋势。若UFk和UBk两条曲线出现了位于临界线之内的交汇点，则交汇点所在时刻为突变开始的时刻。
2.2.3 相关性分析
Kendall相关系数是衡量等级变量相关程度的一个统计量，主要根据2个变量间序对的一致性来判断其相关性[6]。设X、Y分别是n维随机变量，其中xi、yi分别表示X和Y的第i个分量。记(xi，yi)为一组序对，当xi>xj且yi>yj或xi
Kendall相关系数τ的计算公式为
(11)
式中：P为一致的序对个数；τ∈[-1,1]，τ=1时表示2个随机变量拥有一致的等级相关性，τ=-1时表示2个随机变量负相关，τ=0时表示2个随机变量相互独立。
3 结果与分析
3.1 降水量、径流量及输沙量的年际变化
3.1.1 年际变化特征值
1986—2015年研究区年降水量变化线性趋势和累积距平值如图2所示。韭园沟流域年均降水量442.23 mm，裴家峁沟年均降水量321.45 mm，且逐年降水量均低于韭园沟。年降水量线性趋势线显示两流域年降水量均呈增加趋势，韭园沟和裴家峁沟年降水量分别以17.57 mm/10 a和15.51 mm/10 a的速率增加。
图2 研究区1986—2015年年降水量变化
两流域降水量年际波动明显。韭园沟年降水量累积距平趋势变化为：1986—1996、2010—2015年趋势上升，即降水量增加；1997—2009年趋势下降，即降水量减少。裴家峁沟年降水量累积距平趋势变化为：1986—1993、1997—2000年趋势下降，即降水量减少；2001—2010年降水量变化相对平稳；1994—1996、2011—2015年趋势上升，即降水量增加。
1986—2015年研究区年径流量变化线性趋势和累积距平值见图3。韭园沟流域年均径流量193.74万m3，裴家峁沟年均径流量78.91万m3。年径流量线性趋势线显示两流域年径流量均呈减少趋势，韭园沟和裴家峁沟年径流量分别以30.86万m3/10 a和42.85万m3/10 a的速率减少。
图3 研究区1986—2015年年径流量变化
两流域径流量年际波动显著。韭园沟年径流量累积距平值趋势变化为：1986—1993、2013—2015年变化平稳；1994—1996年呈增加趋势；1997—2012年呈减少趋势。裴家峁沟年径流量累积距平值趋势变化为：1986—1993年变化平稳；1994—1996年呈增加趋势，径流量增加；1997—2015年呈减少趋势，径流量减少。
1986—2015年研究区年输沙量变化线性趋势和累积距平值见图4。韭园沟流域年均输沙量1.31万t，裴家峁沟年均输沙量24.48万t。韭园沟年输沙量以0.36万t/10 a的速率增加，裴家峁沟则以15.53万t/10 a的速率减少。
图4 研究区1986—2015年年输沙量变化
韭园沟输沙量年际变化较大、波动频繁，年输沙量为0的年份自1993年后鲜有发生，年输沙量在1994—1996年和2006年显著高于平均值，其余年份均维持在1万t以下，2013—2015年年输沙量累积距平值趋势增加，年输沙量增加。裴家峁沟输沙量的年际波动情况与径流量波动趋势高度一致，年输沙量累积距平值1986—1993年变化平稳；1994—1996年趋势增加，输沙量增加；1997—2015年趋势减少，输沙量减少。
3.1.2 变化趋势与突变点检验
采用M-K趋势检验来确定各要素变化趋势和显著程度，结果见表2。韭园沟和裴家峁沟年降水量均为不显著上升趋势；年径流量均呈下降趋势，韭园沟下降趋势不显著，裴家峁沟年径流量通过α=0.05的显著性检验，下降显著；年输沙量变化趋势不一致，韭园沟呈不显著上升趋势，裴家峁沟则为不显著下降趋势。
表2 研究区1986—2015年降水径流输沙变化趋势检验结果
针对存在显著下降现象的裴家峁沟年径流序列做M-K突变点检验(图5)，径流量的UF与UB曲线相交于置信区间内，交点位于1999年附近，表明裴家峁沟年径流突变发生在1999年左右。以突变点为节点，将径流量序列分为前后两段，两时间段内多年平均年径流量由130.5万m3下降到33.8万m3，降幅达74.1%。
3.2 降水—径流关系
采用年径流量和年降水量的比值计算径流系数，分析流域产流能力的变化。两流域径流系数如图6所示。韭园沟径流系数均值0.06，变差系数0.84，M-K趋势检验结果Z值为-1.14，表明流域产流能力呈减弱趋势，变化趋势不显著。裴家峁沟径流系数较韭园沟略小，均值为0.05，变差系数1.07，波动程度略大于韭园沟，M-K趋势检验结果Z值为-2.32，存在置信度达95%的显著下降趋势，表明流域对降水的调节能力显著增强，原因可能是土壤蓄水能力增强和植被恢复导致植被蒸腾持续增加。
图6 研究区1986—2015年径流系数
针对存在显著下降趋势的裴家峁沟径流系数序列做M-K突变点检验(图7)，突变点位于95%置信区间内，对应的突变时间为1999年，与裴家峁沟径流序列突变点一致，表明在降水无显著变化的情况下，径流系数的显著下降是由径流量的显著下降引起的。以突变点为界，将径流系数序列分为前后两个序列进行对比分析，结果见表3。1986—1999年裴家峁沟径流系数均值为0.086，降水径流Kendall秩相关系数为0.49，线性相关系数达0.61。1999年之后，径流系数均值下降至0.027，降幅达69%，降水径流Kendall秩相关系数下降到0.33，线性相关系数仅0.09，这表明1999年后流域径流调节能力增强，产流与降水相关性减弱。裴家峁沟径流调节能力显著变化时间节点与陕北地区开始实施退耕还林(草)工程时间一致，原因可能是沟间地上大量耕地转化为草地，使地表蓄水保土能力得到提升。而韭园沟流域治理程度高，坡面治理程度达45%以上，通过坝系、梯田、经果林等水土保持措施体系共同作用，长时间序列中流域产流能力呈减弱趋势，在退耕还林(草)工程前后未发生突变。
图7 裴家峁沟径流系数M-K突变检验
表3 裴家峁沟径流系数突变点前后特征值对比
3.3 径流—输沙关系
研究区年单位径流输沙量年际变化见图8。韭园沟年单位径流输沙量均值为6.74 kg/m3，M-K趋势检验Z值为2.00，表现为显著上升趋势。如图9所示，年单位径流输沙量在1998年发生突变，1986—1998年年单位径流输沙量均值为2.31 kg/m3，1998年之后为10.13 kg/m3，涨幅338.5%；1998年之前年单位径流输沙量序列Z值为2.01，表现为显著上升趋势，1998年之后年单位径流输沙量Z值为0.29，上升趋势不显著。
图8 研究区1986—2015年年单位径流输沙量
裴家峁沟年单位径流输沙量均值为228.78 kg/m3，M-K趋势检验Z值为-0.79，表现出不显著下降趋势。裴家峁沟径流输沙关系无突变，但以径流系数和径流量的突变点1999年为界，分段研究输沙关系，对比结果见表4。1986—1999年年单位径流输沙量均值为226.61 kg/m3，2000—2015年年单位径流输沙量均值为230.67 kg/m3，2000年单位径流输沙量为593.88 kg/m3，为研究时段内极大值；1986—1999年年单位径流输沙量M-K趋势检验Z值为0.77，上升趋势不显著，2000—2015年年单位径流输沙量M-K趋势检验Z值为-2.66，存在显著下降趋势。
图9 韭园沟年单位径流输沙量M-K突变检验
表4 年单位径流输沙量突变点前后特征值对比
韭园沟年单位径流输沙量均值为6.74 kg/m3，仅为裴家峁沟的2.9%，韭园沟流域沟道坝系减蚀效益显著。从治理角度分析，韭园沟到1983年底治理面积为3 736 hm2，治理度52.8%；到1997年底，治理面积4 411 hm2，治理度达62.4%，建成淤地坝263座，总库容2 947.51万m3，已淤库容2 008.5万m3[5]；到1999年底，淤地坝减至160座，总库容2 767.6万m3，已淤库容1 648.0万m3；随着2000年之后的韭园沟示范区建设，加强了沟道坝系工程建设与管理，截至2010年底全流域已建淤地坝共计257座，总库容3 016.1万m3，已淤库容2 695.6万m3。韭园沟年单位径流输沙量由1986—1998年的2.31 kg/m3增加至1998年之后的10.13 kg/m3，主要原因是20世纪90年代末淤地坝建设速度缓慢，兴建的中小型淤地坝极少，给骨干工程造成一定压力。
4 结 论
(1)1986—2015年研究区韭园沟、裴家峁沟两流域年降水量呈增加趋势，年径流量呈减少趋势，年输沙量韭园沟增加、裴家峁沟减少。韭园沟和裴家峁沟年降水量分别以17.57 mm/10a和15.51 mm/10 a的速率增加。年径流量线性趋势线显示韭园沟和裴家峁沟年径流量分别以30.86万m3/10 a和42.85万m3/10 a的速率减少。韭园沟年输沙量在以0.36万t/10 a的速率小幅增加，裴家峁沟则以15.53万t/10 a的速率减少。研究区降水量、径流量及输沙量的变差系数存在降水量<径流量<输沙量的关系。
(2)韭园沟流域为治理流域，韭园沟年均输沙量1.3万t，为对比沟裴家峁沟的5.4%，年单位径流输沙量均值为6.74 kg/m3，仅为裴家峁沟的2.9%，表明淤地坝、梯田等水保工程措施可大幅度减少流域出口断面输沙量。
(3)裴家峁沟径流系数序列在1999年发生突变，与流域退耕还林工程开始时间一致，突变点前后两序列均无显著趋势变化，但径流系数均值由0.086下降到0.027，降幅高达69%，降水径流Kendall秩相关系数由0.49下降到0.33。径流输沙关系无显著变化趋势且无突变点，但以径流系数突变点1999年为界，1999年后裴家峁沟年单位径流输沙量存在显著下降趋势，径流—输沙相关性减弱。退耕还林措施通过植被修复，将沟间地上大量耕地转化为灌草地，使地表蓄水保土能力得到提升，当年即增加了流域径流调节能力，减小了径流系数，并在之后保持在稳定水平；年单位径流输沙量在施行退耕还林措施后呈显著下降趋势，表明随着退耕还林后林草逐年生长，流域固沙抗蚀能力渐增，退耕还林具有可持续性的环境价值。
