黄土高塬沟壑区土壤侵蚀特征分析

穆兴民, 杜敏, 邵祎婷, 孙文义, 赵广举, 高鹏

(1.中国科学院 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100; 3.黄河水利委员会 黄河上中游管理局,陕西 西安 710021; 4.浙江水利水电学院水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018)

黄土高塬沟壑区作为黄土高原的主要土壤侵蚀区和入黄泥沙的重要来源区,是黄河流域生态保护和高质量发展的重点关注区域。黄土塬作为黄土高塬沟壑区特有的地貌类型,受极端暴雨和不合理的人为活动影响较大,黄土高塬沟壑区剧烈的土壤侵蚀导致塬面破碎、沟壑密度增加、塬面面积锐减,严重制约了区域经济社会的发展。以“固沟保塬”为重点的水土流失治理成效显著,但黄土高塬沟壑区依然侵蚀严重[1]。因此,认识黄土高塬沟壑区的土壤侵蚀产沙格局演变特征对促进黄土高塬沟壑区水土保持的高质量发展具有重要意义。

土壤侵蚀监测方法主要包括经验估算法、淤地坝淤积反演法、径流小区法、对比流域观测法、土壤侵蚀模型模拟法以及水文站监测资料推演法等[2-5]。经验估算法是基于研究者的既有经验知识并结合地形地貌及气候特征对土壤侵蚀状况进行估算的方法,多用于观测资料有限的区域。淤地坝淤积反演法耗时且成本较高,常用于小尺度流域的侵蚀反演[6]。径流小区法研究坡面尺度土壤侵蚀特征,对小区均质性要求较高,无法反映复杂地形条件下多种类型侵蚀同时发生的区域性土壤侵蚀状况[7-8]。受限于时间和空间上的低相似性和高异质性,对比流域法多应用于小流域,难以用于较大尺度区域[9]。土壤侵蚀模型模拟法及水文站监测资料推演法是大尺度流域及区域尺度的常用方法,但模型模拟所需参数较多且部分参数难以获取。相较之下,水沙资料监测规范、时间序列长,故监测资料推演法可谓大尺度区域侵蚀产沙研究较为有效的手段。此外,黄土高塬沟壑区塬面平坦开阔,塬边沟壁陡峭,虽然沟壑内建淤地坝困难,但这种地貌可有效避免坝库对流域把口站水沙监测数据的影响,数据精度更高。鉴于此,本研究选取监测资料推演法探究黄土高塬沟壑区水沙产输特征。已有研究表明,在黄土高塬沟壑区,水土保持能使小流域产洪次数减少,使地表径流模数和径流系数减小[10-11],是造成年尺度和次降雨尺度上水沙关系变化显著的原因[12]。目前对黄土高塬沟壑区长时间序列水沙关系演变特征和归因的研究还较少。

董志塬位于甘肃省庆阳市,是黄土高原最为典型、面积最大的黄土塬。砚瓦川流域位于董志塬的腹地,兼具黄土高塬沟壑区的塬、坡、沟主要地貌类型。本研究选取砚瓦川流域为研究区,获取流域内1976—2019年的降雨、径流、泥沙数据,探究区域产流产沙特征,旨在为区域侵蚀防治提供数据支撑。

1 资料与方法

1.1 砚瓦川流域概况

砚瓦川流域(35°31′N～35°44′N,107°37′E～107°55′E)属马莲河一级支流、泾河二级支流、渭河三级支流,发源于甘肃省庆阳市西峰区董志塬腹地,在甘肃省宁县汇入马莲河,干流全长75 km,流域面积为376.69 km2,主要支流有庆丰沟、白玉沟、小崆峒沟等(图1)。流域年均气温为8.1 ℃,年均降雨量为520 mm,植被属暖温带森林草原地带植被类型,天然草原植被以铁杆蒿(Artemisia gmelinii)以及白羊草(Artemisia gmelinii)和本氏针茅(Stipa capillata)混交群落为主。流域地质构造单一,除下游的沟谷底部砂岩外,其余被第四纪黄土所覆盖。流域内水土保持措施主要包括梯田、淤地坝和林草措施,2010年之前淤成坝地仅12.3 hm2,沟道工程甚少[13]。

图1 砚瓦川流域地理位置及水文站、气象站分布

1.2 资料来源

本研究采用西峰气象站的日监测资料(http://data.cma.cn/),同时搜集整理了砚瓦川流域内砚瓦川、永丰、张铁、元马、朱寨、董志、胡同赵、吴家庄等雨量站的日降雨资料。径流和泥沙数据来源于西峰水土保持科学试验站砚瓦川水文站,其控制面积为329 km2(2014年后修正为333.78 km2)。随着甘肃省庆阳市的城市快速发展,砚瓦川流域自2009年以来承纳了城市排放的污水。鉴于庆阳市污水处理厂于2008年12月正式运行,根据其污水排放量,将砚瓦川流域2009—2019年的实测径流量减去污水排放量,进行了径流还原处理。

1.3 研究方法

在无沟道坝库拦蓄条件下,黄土高原中小流域侵蚀产沙量和河流输沙量之比(即泥沙输移比)接近于1[14-15],即河流水文站所测的输沙量约等于或稍小于流域侵蚀产沙量。砚瓦川流域内坝库工程甚少,水文站实测河流输沙量近似为流域产沙量。

研究中采用年产流模数及年产沙模数来表征砚瓦川流域的产水及产沙强度,以反映流域产水及侵蚀产沙程度。年产流模数指某年某流域水文站实测径流量与该水文站所控制的流域面积之比。年产沙模数指某年某流域水文站实测输沙量与该水文站所控制的流域面积之比。

采用年产流系数及产沙系数以综合反映流域降雨的产流能力及侵蚀产沙能力。年产流系数指某年单位降雨条件下单位面积产流量,即年径流深与年降雨量之比。产沙系数是指某年单位降雨量条件下单位面积土地上所产生的泥沙量,采用年输沙模数与年降雨量之比求得。

双累积曲线法由SEARCH J K和HARDISON C H[16]提出,现广泛用于长时间序列的水文气象数据一致性和准确性的检验,尤其在估算降雨和人类活动对径流量和输沙量的影响时,是检验两个参数之间关系一致性和变差的常用方法。采用双累积曲线法可识别流域径流和输沙在人类活动影响下发生突变的时间年份,同时据此来划分研究时段并量化分析降雨和人类活动对径流和输沙变化影响的贡献率[17-18]。对于给定的降雨时间序列Pi(i=1、2、…、N)和径流量(输沙量)时间序列Ri(i=1、2、…、N),时间序列的突变点为t(1

2 结果与分析

2.1 高塬沟壑区产流模数和产沙模数的阶段性

黄土高塬沟壑区砚瓦川流域的年产流模数和年产沙模数的双累积曲线检验结果如图2所示。

图2 砚瓦川流域产流模数及产沙模数与年降雨量双累积曲线

由图2可知,黄土高塬沟壑区砚瓦川流域的产流模数及产沙模数均可划分为两个阶段,均在1997年发生突变。由于砚瓦川流域在1994年黄土高原水土保持世界银行贷款马莲河流域治理项目的实施下得到全面治理,植被面积迅速增加,梯田、谷坊、淤地坝等的数量增多,而水土保持措施的效益发挥具有一定的滞后性。因此,结合砚瓦川流域的治理过程,可将流域产流及产沙模数以1997年为界划分为两个阶段,即1976—1996年的突变前时期及1997—2019年的突变后时期。

2.2 高塬沟壑区产流模数及产沙模数变化特征

黄土高塬沟壑区的砚瓦川流域不同年代产流模数及产沙模数的差异较大,详见表1和表2。多年平均产流模数和产沙模数分别为22 991 m3/km2和1 889 t/km2。不同年代的产流模数及产沙模数均以1980—1989年最大、2000—2019年最小。21世纪黄土高塬沟壑区整体侵蚀强度处于中度以下水平。

表1 砚瓦川流域不同年代产流模数基本特征

表2 砚瓦川流域不同年代产沙模数基本特征

黄土高塬沟壑区砚瓦川流域年产沙模数与产流模数的年际变化过程和趋势基本一致,如图3所示。1976—2019年砚瓦川流域年产流模数和产沙模数的相关性呈极显著水平(P<0.01),单相关系数达0.845,说明高塬沟壑区侵蚀产沙强度随产流强度的增减而基本同步增减。

图3 砚瓦川流域产流模数和产沙模数的年际变化过程

砚瓦川流域年产流模数及年产沙模数的波动都较为剧烈,尤以产沙模数更明显,表明流域产沙较产流对降雨变化更为敏感(图3及表2)。砚瓦川流域年产流模数最大值为47 933 m3/km2(1984年),最小值为11 510 m3/km2(2009年),最大值与最小值之比为4.16;年产沙模数最大值为12 030 t/km2(1984年),最小值为51 t/km2(2009年),最大值与最小值之比达234.96。产流模数及产沙模数的年际变差系数分别为0.36和1.51,表明产沙模数的年际变幅较产流模数的更为剧烈。

突变年后,年均产流模数及产沙模数显著降低。在高塬沟壑区砚瓦川流域,突变年前的平均产流模数由25 646 m3/km2(1976—1996年)减少到突变后的20 566 m3/km2(1997—2019年),而年均产沙模数由3 051 t/km2减少到829 t/km2,减少幅度则分别达19.8%和72.8%,表明高塬沟壑区流域产流模数显著减小,产沙模数更是大幅降低。

产沙模数与产流模数关系的变化一定程度上反映了流域径流挟沙力的变化。高塬沟壑区的砚瓦川流域产沙模数与产流模数增减变化过程的一致性很高,进一步分析得二者呈幂函数关系。不同阶段砚瓦川流域产沙模数(Y)与产流模数(X)间的幂函数及其参数变化如图4和表3所示。经统计检验,拟合方程均达到0.001信度水平。

表3 不同内生阶段砚瓦川流域产沙模数与产流模数的幂函数参数

图4 砚瓦川流域产沙模数与产流模数关系拟合曲线

采用表3的拟合公式,设定砚瓦川流域的年产流模数从10 000 m3/km2增至50 000 m3/km2时,突变年前理论产沙模数从149 t/km2增至14 582 t/km2,而对应突变年后的理论产沙模数从45 t/km2增加到4 840 t/km2,相应减沙从70.0%变为64.0%。即在相同的产流模数下,突变年份后相应的产沙模数显著减少,表明随着砚瓦川流域水土保持高质量规模化治理,其地表产流的挟沙力显著降低。

2.3 高塬沟壑区产流系数和产沙系数变化

黄土高塬沟壑区的砚瓦川流域年产流系数及年产沙系数的年际变化过程如图5所示。

图5 砚瓦川流域年均产流系数及产沙系数年际变化过程

1976—2019年砚瓦川流域年均产流系数为0.044,最大为0.076(1984年),最小为0.024(2009年)。突变年之前年均产流系数为0.050(1976—1996年),之后为0.038(1997—2019年),表明突变年之后产流能力降低了24.0%。砚瓦川流域年均产沙系数为3.424 t/(km2·mm),最大为19.202 t/(km2·mm) (1984年),最小为0.106 t/(km2·mm)(2009年)。突变年后年均产沙系数为1.488 t/(km2·mm),较突变年前的5.544 t/(km2·mm)平均降低73.0%,流域产沙能力大幅度下降。产流系数与产沙系数的前后变化,表明砚瓦川流域水土保持措施的减沙作用远远大于减水作用。

2.4 高塬沟壑区河流含沙量年际变化

含沙量是河流径流与输沙量的综合反映。砚瓦川流域的含沙量变化经历了3个时期:1998年之前,高含沙量,大振幅波动;1998—2010年,低值区;2010年之后,有所反弹但增幅有限(图6)。砚瓦川流域1976—2019年平均含沙量为64.5 kg/m3,变化于2009年的4.5 kg/m3和1984年的250.5 kg/m3之间。突变年之前平均含沙量为98.3 kg/m3(1976—1996年),突变年之后为33.6 kg/m3(1997—2019年)特别是2001—2009年(2006年除外)均不足10 kg/m3,突变年份前较突变年份后的平均含沙量降低了67%。从含沙量的年际过程看,砚瓦川流域近年受暴雨影响仍有反弹至均值的态势,某些年份如2006年则出现高含沙水流[19],说明仍需推进水土保持高质量发展;区域高强度、规模化水土保持治理已显著降低了区域土壤侵蚀能力;因为黄土之质地粗、松散等性质,以及黄土高原大量存在立地条件差的“沟谷坡”地,黄河及其支流的“河清”如何界定有待商榷。

图6 砚瓦川流域含沙量年际变化过程

2.5 高塬沟壑区侵蚀产沙与降雨的关系及其演变

砚瓦川流域年降水量呈递增趋势,如图7所示,以2.44 mm/年的速率增加,流域多年平均降雨量为526.58 mm,最大值为817.3 mm(2003年),最小值为288.1 mm(1995年),极值比和变差系数Cv分别为1.84和0.20。

图7 1976—2017年砚瓦川流域降水量年际变化过程

年内不同日数的最大产沙量占年总产沙量的比例反映区域侵蚀产沙的季节分配特征。砚瓦川流域年内最大1 d、最大3 d、最大7 d及最大10 d产沙量占年产沙量的比例变化如图8及表4所示。平均最大3 d产沙量约占年产沙量的一半,且突变年份前后差异不大。而突变年前最大7 d及最大10 d的侵蚀产沙量占比较突变年后有增加趋势,表明年侵蚀产沙的集中度有所降低。就最大3 d产沙量而言,1976—2019年的44年中有44%的年份其最大3 d产沙量占年产沙量50%以上,24%的年份占比超过80%。最大3 d产沙量占年产沙量比例年际间差异显著,最高的2001年为93%,最低的1984年为2%。高塬沟壑区是典型的水力侵蚀区,年内降雨集中度高,土壤侵蚀产沙主要因3～5场暴雨所引起,导致年内侵蚀产沙的集中度极高。

表4 最大日产沙量占年产沙量的比例

图8 不同最大日产沙量占年输沙量的比例

砚瓦川流域产流模数随年降雨量的增加而增加,呈显著的线性关系。对1976—1996年及1997—2019年两个时期内产流模数与年降雨量以及日降雨量分别≥10、12、25、50 mm的年累计降雨量的相关关系进行分析,结果表明:产流模数与年降雨量的直线回归关系最优,两个时段相关系数分别为0.671和0.734,达0.001信度的极显著水平。线性回归系数由54.07降至43.03,表明单位降雨量下的产流强度降低约21%。

砚瓦川流域产沙模数与降雨量的关系在不同时期表现不同。1976—1996年产沙模数与年降雨量的简单相关关系最好,相关系数为0.439,达显著水平。1997—2019年产沙模数与日降雨量≥50 mm的年累计降雨量呈显著指数函数关系,相关系数为0.676,亦达显著水平。与各等级降雨量的关系变化表明,引起流域侵蚀产沙的临界降雨强度显著增大。高塬沟壑区是典型的水力侵蚀区,引起土壤侵蚀产沙的因素可分为降雨(量、强度等)及地表覆盖和微地形改变两大类。侵蚀产沙与降雨的关系变化表明,流域土地利用与覆被和微地形改变引起的侵蚀阻力增大,侵蚀产沙能力减弱。水沙变化及其与降雨关系的变化表明,黄土高原的土壤侵蚀防治应从传统的侵蚀性降雨灾害防治转变为对强暴雨侵蚀的防治。

3 结论

以高塬沟壑区典型支流砚瓦川为研究对象,通过水文站实测资料,采用产流(产沙)模数及产流(产沙)系数指标,剖析了黄土高塬沟壑区流域产流及侵蚀产沙变化过程及其特征,主要结论如下:

砚瓦川流域1976—2019年产流模数和产沙模数的年际变化波动趋势基本一致,侵蚀产沙强度随产流强度的增减而同步变化,相关性高达0.845(P<0.01)。砚瓦川流域年产沙模数的变化幅度较产流模数更大,最大年产流模数约为最小值的4倍,最大年产沙模数约为最小值的235倍。

参照大规模水土保持措施实施年份,将整个研究时段划分为治理前(1976—1996年)与治理后(1997—2019年)两个时段。相比治理前,治理后砚瓦川流域平均年产流模数及产流强度分别减少23.9%、75.8%,年均产沙模数与产沙强度锐减,减小量高达72.8%,流域产流能力降低24.0%,产沙能力则大幅降低,降幅达73.0%。

降雨是影响砚瓦川流域产流产沙能力的重要因素。突变前后产流模数均与年降雨量的线性回归关系最优;突变年之前产沙模数与年降雨量的相关关系最好,而突变年之后与日降雨量≥50 mm的年累计降雨量的相关关系最好。因此,在高塬沟壑区土壤侵蚀得到规模化治理后,预防暴雨侵蚀灾害应成为重点。