黄土高原生态重建的水沙效应研究.docx

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1、一、引言黄河是我国第二大河，也是全球泥沙输移最为严重的河流之一。全新世以来,黄河年均输沙量约为0.8Gt,而在20世纪中叶，其年均输沙量达到16Gt左右。位于黄河中上游的黄土高原植被盖度低、土壤抗侵蚀能力弱，再加上剧烈的人类耕作活动，千百年来一直饱受土壤侵蚀危害而形成千沟万壑的地貌，是世界上水土流失最为严重的区域之一，也是黄河泥沙的主要来源区图1（八）、（c）o100,E105EIWE115EWE105*E110*E115*E（O（d）图1黄土高原和典型研究区的位置与环境。（八）黄土高原位置；（b）研究区概况；（C）黄土高原地形分布特征：（d）19822010年间黄土高原生长季（69月）植被盖

2、度变化幅度为减轻水土流失，保障黄河安澜，新中国成立以来，黄土高原地区持续开展了以植树种草、整修梯田和建设淤地坝等为代表的大规模水土保持措施，尤以1999年开始实施的退耕还林草工程最为典型。在长期水土保持与生态恢复工程的作用下，黄土高原地区植被盖度显著增加，生态环境向好，引发世界关注图1(d)o过去50年来，黄河干流及主要支流水沙输移变异显著，而其变异成因的解释己成为学界关注的热点，已有主流研究倾向认为人类活动是导致该区域泥沙输移减少的最重要原因。水沙关系是流域内径流、侵蚀和输沙过程综合作用的结果，受到地形、土壤、土地利用等诸多流域特征要素的综合影响，并易受干旱、山火、土地利用变化和水保工程措施

3、等陆表扰动的影响。在河流输沙研究中，水沙关系常被用于表征河流输沙状态的改变。因此，本研究以黄土高原中部的代表性区域(清涧河、延河和北洛河上游区域)为研究区，利用长序列实测水沙数据，构建流域水沙关系并分析其变异特征，探讨水土保持措施影响下流域水沙演变及其指示意义，以期为揭示黄河水沙输移的变异机制和黄河流域的可持续管理提供一定的参考依据。二、材料和方法(一)研究区概况研究区位于黄土高原中部的黄土丘陵沟壑区，包含北洛河上游、延河和清涧河表1和图1(b)o研究区的选定主要是基于以下三个原因的综合考量:研究区水土流失剧烈，位于黄河泥沙的主要来源区图1(c)o该区最早实施退耕还林草工程，也是水土保持工作最

4、富有成效的典型区域。19822010年间，该区植被盖度增加34%,远高于黄土高原其他地区的增加幅度(12%)图1(d)o流域上游是径流和泥沙的主要来源，对全流域的径流泥沙输移作用显著,并且水沙源头区的生态脆弱易受下垫面变化的干扰。基于以上原因，通过空间叠加分析，得到黄河流域主要泥沙来源区和退耕还林草工程核心区的重叠部分，即为本研究关注的区域图1(c)、(d)o研究区黄土层深厚且易受侵蚀，年均产沙在6700tkm-2以上，甚至可达IIlOotkrr2(表1)。基于19602010年的降水记录，该区域多年平均降水量约为500mm,降水年内分布极不均匀，超过80%的降水集中在5-9月份且多以短历时高

5、强度降水为主，由此引发强烈的土壤侵蚀和剧烈的泥沙输移，河川径流泥沙含量可达1200kgm以上(表1)。因此，该地区的泥沙输移主要由极端水沙事件主导，其泥沙输移甚至可达年输沙总量的90%以上。比如，在1994年8月31日，北洛河上游经历极端降水，12h降水量达到383mm且最大降水强度达到120mmh-该次降水条件下，吴起、志丹和刘家河三个水文站的泥沙含量分别达到832kgm-3、787kgm-3和844kgm-3,且该次事件所引起的泥沙输移分别达到全年输沙量的58.5%、62.2%和55.6%o表1流域特征叮数据概览WaicnthcdGagingSUtionArea(km2)Periodofa

6、vailableanrnmldaUAveragedischarge(mma,)Dischargerange(mma,1Averagesedimentconcentration(kgm)Peaksedimentconcentration(kgm,)Annual)cdi11xn(loadkm,)Sedimentloadrange(t,km,a,)BciluoRivcrWuqi34081963-201028.712.0-67.2317.31220Il131660.5-59338.8BciluoRivcrZhidan7741965-201037.39.7-84.4230.794110712.113.7

7、-42miBciluoRivcr1.iujiahc73251960-201031.816.8-72.6234.19978675.4483.5-40409.6YanhcRivcrGanguyi58911960-201034.317N5.2170.612036747.0220.7-30894.6QingjianRiVCrYanchuan3468I96Q-2OIO38.517N9.4193.9I1508728.1157.4-19872.9EntireareaI66S41960-2010M.l18.3-75.4206.3800S.4345.7-29379.2（二）数据来源研究区的高程与地形数据来自国家

8、地球系统科学数据共享服务平台黄土高原科学数据中心。径流与泥沙数据由黄河水利委员会和陕西省水文局下属水文站采集，并经校验后发布。本研究共涉及北洛河、延河和清涧河三条河流，采用吴起、志丹、刘家河、甘谷驿和延川五个水文站19602010年间的年径流和输沙数据。吴起、延安和绥德三个气象站的日降水数据来自于国家气象信息中心。全球归一化植被指数（NDVI）数据集来自美国国家航空航天局（NASA）AmeS生态预测实验室，本文采用生长季（6-9月）NDVI指数的变化幅度来反映黄土高原水土保持建设的成效。此外，本文从文献中提取该地区水土保持措施累积保留面积以反映水土保持措施的实施强度。（三）水沙关系曲线水沙关系

9、曲线可用于描述河流某一断面的径流与输沙之间的关系，也可用于反映不同时间尺度上流域的供沙与输沙模式，其常见表达为:(1)CS=QQb式中，G为含沙量（kgm-3）；Q为流量（m3s-1）；和b则是拟合得到的水沙关系曲线参数。相应的，输沙量与径流量之间也可用暴函数关系进行表征。在本研究中，径流量采用提出的标准化方法标准化的径流量为实际径流量和全部径流量的几何均值（QGM）之比进行拟合，拟合式表达如下：式中，1.为年输沙量（XlCM）；。，为标准化径流量，无量纲；，为拟合所得水沙关系曲线系数，单位与年输沙量一致；b为拟合得到的水沙关系曲线指数。水沙关系曲线是流域内泥沙供应与输移综合作用的结果，其参数

10、和b与流域特征密切相关，其中，系数常被用于表征流域侵蚀程度的强弱，与流域泥沙供应联系紧密，当流域内侵蚀物源头供应充足时该参数数值通常更大；指数b常用于表征河流的冲刷程度，主要取决于河道形状、泥沙颗粒分布和泥沙来源等流域特征。此外，为探究水沙关系在时间尺度上的连续变化特征，本研究采用11年、15年和20年滑动取值的方法，对年径流和输沙数据进行重采样，进而拟合水沙关系曲线得到研究时段内某一年的水沙关系曲线和相应的参数。以11年滑动窗口为例，1965年的水沙关系曲线拟合自以本年为中心、跨度为11年的数据样本（即19601970年的年径流和输沙数据）。（四）趋势分析本文采用Mann-Kendall（M

11、-K）非参数检验确定径流和输沙的演变趋势及其显著性，采用Sen提出的线性模型确定径流和输沙演变的强度（趋势线斜率），并采用非参数Pettitt检验确定突变点。三、研究结果（一）径流与输沙的变化趋势与突变分析研究区内五个水文站与全研究区的年径流与输沙呈现出较强的年际波动（图2）。举例而言,刘家河水文站控制区年径流深波动区间从2006年的16.8mm达到1994年的72.6mm,输沙模数则从2008年的483.3bkm-达到1994年的40409.6tkm-20研究区内五个水文站的年径流和输沙表现出剧烈的减少趋势，相应的统计检验结果见表2,五个水文站和全研究区的径流输沙和含沙量都在0.01显著性水

12、平上显著减少，Sen分析表明各水文站输沙模数年均减少幅度在-385.4-100.8tkm-2a之间，全研究区输沙模数年均减少幅度为-135.0tkm-2。此外，全研究区年径流深的减少幅度为-0.3mma,各水文站年径流深减幅在-0.7-0.2mma之间，其中，除延川水文站年径流深减少不显著外，其余四个水文站的年径流都显著减少（p0.01）o2502150150Q&二-PeolEeUJ?PeSUb1.)I-fl图2.研究区内五个水文站与全研究区的年径流与输沙变化。（八）吴起；（b）志丹：（C）刘家河;（d）甘谷驿；（e）延川；（f）全研究区。表21960-2010年间研究区年径流量、泥沙含量和输

13、沙量的变化趋势GagingstationAnnualdischargeAnnualsedimentconcentrationAnnualcdimenloadMICZSens./?(mm)MK,ZScn7(kg*ml)MK.ZScn7(t*km)Wuqi-43-0.5-47,-7.6-4.4*-322.9Zhidan-4.0-).7-5.l-7.4-4.4-385.41.iujiahc-2.6-0.2-4.-4.4-3.7*-I69.9Ganguyi-2-0.3-3.0-2.8-3.0-100.8Yanchuan-.r-0.2-3.0-3.2-2.7-I2l4Entirearea-2j(-0.3

14、-3.2-3.2-3.0-I35.O*and*indicatethe0.01and0.001significancelevels,respectively;NSindicatesthatthesignificancelevelexceeds0.05.研究区年径流与输沙的突变分析如表3所示，Pettitt检验表明径流和输沙变异都存在显著的突变点（p0.05），研究区内的吴起、志丹、刘家河、甘谷驿和延川水文站的输沙突变点分别为2001年、1996年、2002年、1996年和2002年。这些突变年份都与黄土高原水土保持措施强力推进的时段比较接近，印证了突变分析结果的合理性。比对突变前后两个时期，研究区径流的减幅在30.1%49.0%之间，全研究区整体减幅为32.4%；与此同时，输沙减少幅度在66.1%83.1%之间，全研究区输沙减少81.4%。径流输沙的减少幅度远大于径流的减少幅度，这种现象对应于式（2）所表征的水沙关系，式中的水沙关系曲线指数大于1,表明径流的减少将会带来更大幅度的输沙减少。表3年径流与输沙的突变检验分析GagingstationAnnualdischargeAnnualsedimentloadChange-pointyearPre(mm)Post(mm)Change(%)Change-pointyearPrc(tkm2)Post(tkm1)Change(%)