黄河流域盆地型灌区气象因子和下垫面生态环境对泥沙入库的影响

赵学艳

(甘肃省疏勒河流域水资源利用中心，甘肃 酒泉 735211)

水库作为调蓄水资源的重要工具，不仅能够更高效地满足人类日益增长的农业、工业、生活等需求，而且具有调洪减灾等生态功能[1]。然而，水土流失是我国重要的生态环境问题，其直接导致水库泥沙淤积的加剧和水库调蓄作用的降低。昌马灌区属黄河流域，该区域主要为黄土地貌，地质条件恶劣、降水集中且暴雨较多，是我国水土流失最为严重的区域之一。昌马水库是该灌区的水源工程，决定着整个灌区的来水量状况和来水质量，因此，研究昌马水库泥沙淤积对环境的响应机理显得尤为重要。

众多国内外学者对水库泥沙淤积特征对环境响应机理作了相关研究。胡春宏等的研究结果表明，影响河流输沙特征的关键因素包括气象因子、下垫面因子和人类活动因子，中国江河径流量变化较小，影响水库泥沙淤积的因素主要是输沙量[2]。赵广举对皇甫川流域径流泥沙演变过程进行研究，结果显示，降水因子和人为因子对径流泥沙过程的影响贡献率分别为30%和70%[3]。GUO等运用阿基米德连续函数阐述渭河流域水沙运移机理，提高了相关研究方法的精度和客观性[4]。LU等利用泥沙量折减系数分析法，综合分析不同动力因子对河流水沙运移的影响[5]。何小刚针对丹江口区域研究了气象条件与入库径流的水文关系模型[6]。然而，有关黄河流域盆地地形灌区气象因子、下垫面因子对泥沙入库影响机理的研究却鲜有报道。

本研究以黄河流域盆地型灌区——昌马灌区为研究对象，对降水、径流、生态环境质量的年际变动进行量化观测，并用相关分析、回归分析等统计分析方法阐述区域泥沙入库特征对环境因子的响应机理，以期为灌区水沙运移调节、泥沙入库治理和水库清淤管理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区属甘肃省疏勒河昌马灌区，位于河西走廊最西端疏勒河中下游，灌区分布于E96°30′～E97°30′，N40°11′～N40°34′之间。区域多年平均气温7.6℃，历年极端最高气温38℃，极端最低气温-35.1℃，多年平均降水量67.5mm，历年最大日降水量79.5mm，最大冻土深达136cm，多年平均风速为3.1m/s，最大风速25m/s，多年平均日照时数3159.3h。灌区呈东西向弧形带状分布，东西长约104km，南北最宽处达35km。昌马灌区位于昌马洪积扇西北部，总体地势南高北低，东高西低，海拔高程1300～1400m。灌区为一完整的盆地，四周群山环绕，盆地内地形地势南高北低。灌区地域宽阔，山地和平原对照强烈，自然条件复杂。主要土壤类型有高山地区有高山寒冷漠土、低山灰土、棕漠土和山麓棕钙土等。昌马水库是该区域的水源工程，建成于2001年，坝址位于昌马峡进口以下约1.36km处，坝型为壤土心墙砂砾石坝，最大坝高为54m，水库总库容1.94亿m3，属大(Ⅱ)型年调节水库，兴利库容1.0亿m3。

1.2 指标观测方法

昌马堡水文站为昌马水库的入库控制站，是本研究气象主要依据站。选取2001—2018年观测年降水量、年径流量、年入库泥沙量及2018年1月—12月的月降水量、月径流量、月入库泥沙量进行研究分析。生态环境质量指数指标选择及等级划分标准参考宋媛等的研究[7]。植被覆盖度和生物多样性在昌马灌区选择10个具有代表性的调查样点，每个样点选取3个10m×10m的样方，利用无人机拍照、PS识别进行植被覆盖度观测，实地调查样方内各种植物高度、生物量、覆盖度，计算Pielou均匀度指数Jsw，计算公式[8]：

(1)

式中，S—样方内物种总数量；Pi—第i个物种的个数占总个数比例。

参考前人研究，利用层次分析法建立评价指标体系，采用专家打分法，建立打分矩阵，计算各指标最终权重，相应数值与权重乘积的总加和即为生态环境质量总得分[9]。层次分析指标体系如图1所示，指标标度方法、各指标最终权重及生态环境质量分级标准，见表1—3。

表1 标度的确定方法

表2 各指标最终权重

表3 研究区生态环境质量分级标准

图1 本研究层次分析指标体系

1.3 数据处理及分析

利用Excel进行数据的整理和图表的绘制。利用SPSS20.0进行相关分析、曲线回归分析和多元线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 研究区降水、径流、泥沙年际、年内变化状况

2001—2018年昌马灌区年降水量、年径流量和昌马水库年入库泥沙量变化曲线，如图2—4所示。可见，研究区年降水量在48.12～84.62mm范围内，多年均值为67.50mm；年径流量区间为11.30亿-21.6亿m3，均值为15.85亿m3；年入库泥沙量变化范围为229.60万-722.40万t，均值为445.34万t。可见，3条曲线的变化趋势大致相同，即2001—2018年年降水量总体呈增加趋势，年径流量和年入库泥沙量也随之呈递增趋势。

图2 昌马灌区年降水量变化图

图3 昌马灌区年径流量变化图

图4 昌马灌区年入库泥沙量变化曲线

2018年月降水量由1—6月不断增加，6月为最高点，随后不断减少，见表4。且结合上文资料可知，7—9月为汛期。月径流量和月入库泥沙量年内变动也有相似趋势。7—9月降水量、径流量和入库泥沙量分别占全年总量的41.48%、49.41%和64.60%。

表4 研究区2018年不同月份降水量、径流量及入库泥沙量

表5 2018年月降水量、月径流量和月入库泥沙量相关系数

2.2 降水状况变动对径流量和入库泥沙量的影响

月径流量与月降水量极显著正相关，月入库泥沙量与月降水量显著正相关，月径流量和月入库泥沙量极显著正相关，上述相关系数均>0.7，相关度较高，见表4—5。月降水量对月径流量影响用S型模型拟合效果较好(R2=0.757)，月降水量、月径流量对月入库泥沙量影响用多元线性回归拟合效果也较好(R2=0.993)，见表6。

表6 2018年月降水量、月径流量和月入库泥沙量回归模型

2.3 研究区生态环境质量年际变化状况

研究区2001—2018年生态环境质量指数变化范围为0.438～0.644，如图5所示。参考前人研究可知，2002、2006、2007、2010、2016—2018年生态环境质量等级为差，其余年份为较差，生态环境质量整体呈劣化趋势[10]。这说明，研究区生态环境质量有待加强。

图5 昌马灌区生态环境质量指数变化曲线

2.4 降水、径流、生态环境质量年际变动对泥沙入库的影响

年径流量与年降水量呈极显著正相关，见表7；生态环境质量指数与年降水量呈显著正相关，与年径流量呈显著负相关；年入库泥沙量与年降水量呈极显著正相关，与年径流量呈显著正相关，与生态环境质量指数呈显著负相关；上述相关关系指数绝对值均超过0.7，说明相关关系较强。

表7 降水、径流、生态环境质量年际变动与泥沙入库量的相关关系

经过多元线性回归分析(逐步剔除)可得，年入库泥沙量的计算公式为：

Y4=-1.73Y1-1.136Y3

式中，Y1—年降水量，mm；Y2—年径流量，亿m3；Y3—生态环境质量指数。可见，回归公式中年径流量因子被剔除。R2为0.928，显著性为0.00，因此，公式拟合性较好，能较好地表示各指标间的关系。

3 讨论

水库泥沙淤积会影响水库的综合效益及安全性，尤其是蓄水期，坝前水位升高，加速了泥沙淤积，而不同的自然因子和人为因子对泥沙入库规律具有不同作用[11]。本研究结果表明，研究区2001—2018年年降水量、年径流量和年入库泥沙量的变动趋势大致相同，即降水和径流是影响泥沙入库的重要因子。2018年研究区降水量、径流量和入库泥沙量的月际变化曲线具有相似趋势。7—9月为汛期，该时段降水量、径流量和入库泥沙量分别占全年总量的41.48%、49.41%和64.60%。月降水量对月径流量影响用S型模型拟合效果较好(R2=0.757)，公式为X2=e2.83-1.51/X1，月降水量、月径流量对月入库泥沙量影响用多元线性回归拟合效果也较好(R2=0.993)公式为X3=-0.83X1+1.057X2。多位学者也有相似结论。叶晨的研究结果表明，降水和人类活动是影响径流和输沙规律的重要因子[11]。隆院男等的研究表明，年径流量与输沙量具有极强的相关性，因此，区域减少输沙的关键是水土保持措施的施用、水库的管护和功能提升[12]。径流总量和径流持续时间对水库泥沙淤积都具有累积作用，即递增型的显著正相关[13]。径流泥沙饱和程度影响了淤积比率，饱和程度越高，淤积比率越高[14]。本研究结果表明，研究区2002、2006、2007、2010、2016—2018年生态环境质量等级为差，其余年份为较差，生态环境质量整体呈劣化趋势。这说明，研究区植被、土壤及侵蚀状况有待改善。本研究结果表明，年降水量、年径流量、生态环境质量指数与年入库泥沙量相关关系指数绝对值均超过0.7，说明相关关系较强，且考察指标较为科学。经过逐步回归分析，提出了年径流量，年入库泥沙量的计算公式为：Y4=-1.73Y1-1.136Y3，R2为0.928，显著性为0.00，公式拟合性较好。Gupta也有相似结论，其研究表明，河流中的水受降水特征、集水区面积和地下水运动的影响，而降水强度、集水区土壤性状和水库技术参数对沉积泥沙排放规律起着重要作用[15]。本研究结果表明，年降水量、年径流量、生态环境质量指数与年入库泥沙量相关关系指数绝对值均超过0.7，说明相关关系较强，且考察指标较为科学。经过逐步回归分析，提出了年径流量，年入库泥沙量的计算公式为：Y4=-1.73Y1-1.136Y3，R2为0.928，显著性为0.00，公式拟合性较好。此外，多位学者做了有关其他因子对泥沙入库规律影响的研究。万晓丹等的研究认为，当降水年际变化较小时，水土保持措施的施用对水库泥沙淤积的影响尤为明显，故应加强库区水土保持工作的针对性和高效性[16]。刘星根等的研究认为，水土保持措施对泥沙入库的作用具有滞后性，因此应尽早考虑水土保持措施的布设和效果的提升[17]。李明等的研究表明，河道形态也是影响泥沙入库、淤积的重要因子，因此应对其合理理顺[18]。

综述所述，本研究的机理结论可为调蓄泥沙入库提供理论支持。

4 结语

本研究通过2001—2018年野外观测获得数据，利用相关分析法和回归分析法，阐述了昌马水库入库泥沙对降水、径流和生态环境质量的响应积累。结果表明，上述因子是影响该区域泥沙入库的主要驱动因子，且回归分析拟合性良好。因此，根据降水规律，可对流域地形整治、调水固沙、植被恢复措施进行调整和优化，以便更好地发挥昌马水库的生态、经济、社会效益。此外，区域生态环境质量较差，且有退化趋势，故应加强生态环境的修复。