黃土丘陵溝壑區橋溝小流域水沙變化特征及成因分析

劉思君，劉立峰，劉姍姍，雷 欣

[1.黃河水土保持綏德治理監督局(黃河水利委員會 綏德水土保持科學試驗站)，陜西 榆林 719000；2.黃土高原水土保持與生態修復國家林業和草原局重點實驗室，陜西 榆林 719000]

黃土丘陵溝壑區是黃土高原水土流失最嚴重的區域之一，土壤侵蝕模數為5 000～15 000 t/(km2·a)[1]。從水土流失治理措施開展較少的1933—1967年實測數據來看，黃土高原年均入黃泥沙量18.7億t，其中黃土丘陵溝壑區的來沙量約占90%[2]，是黃土高原最主要的泥沙來源區。近年來水土流失動態監測成果顯示，黃土丘陵溝壑區呈現“黃退綠進”的現象，說明多年的水土流失治理與研究已經取得了很大成就，同時也說明黃土丘陵溝壑區的下墊面條件發生了較大改變，導致流域水沙條件發生了顯著變化。曾有學者對皇甫川[3]、祖厲河[4]等大流域進行了水沙趨勢分析，但是水土流失治理措施主要在小流域尺度(流域面積小于50 km2)開展，因此研究小流域尺度的水沙變化趨勢對探究水土保持措施對水沙變化的影響有著關鍵的作用。本研究以黃土丘陵溝壑區橋溝典型小流域為例，以實測的1986—2020年降水、徑流、泥沙資料為依據，對其水沙變化的特征、未來變化趨勢以及影響因素進行分析。

1 橋溝小流域概況

橋溝小流域地處東經110°17′22″～110°17′49″、北緯37°29′36″～37°30′15″，位于陜西省榆林市綏德縣，是黃河中上游無定河的二級支流。該小流域1986年以來一直作為黃河水利委員會綏德水土保持科學試驗站水土流失原型觀測的野外試驗樣區。流域面積0.45 km2，海拔810～960 m，主溝道長1 400 m，平均比降1.11 %，溝道呈“V”字形，溝壑密度5.4 km/km2，不對稱系數0.23，流域內分布有一支溝和二支溝兩條較大支溝，其面積分別為0.069和0.093 km2。

該區域屬于溫帶大陸性半干旱季風氣候，四季分明，溫差較大。區域內多年平均氣溫9.9 ℃[5]，年平均相對濕度59%，年平均日照時數2 615.1 h，年平均蒸發量2 069 mm。多年平均降水量454.0 mm，其中汛期(6—9月)降水量占年降水量的70.13%，且多以暴雨形式出現。多年平均徑流量3 180.8 m3，多年平均輸沙量1 156.0 t。

1986—1999年橋溝小流域內一直延續著當地農耕傳統，流域梁峁坡和溝床地分布有較多農地，溝坡及溝道為荒地。1999年起黃土高原實施大規模的退耕還林、封山育林和植被恢復等措施[6]，流域的林草有效覆蓋率從20世紀80年代末的15%上升到2016年的74%[1]。目前研究區植被以草本為主，主要有艾蒿、狗尾草、本氏羽茅、胡枝子、百里香、白草、豬毛蒿、冰草等數十種，多分布于溝谷的荒坡上，主要以自然恢復草地為主[7]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

橋溝小流域內設有橋溝1、2、3、5號4個汛期雨量站，流域溝口處設有一個徑流泥沙觀測站，采用三角槽設施觀測。收集4個雨量站1986—2020年降水、徑流和泥沙觀測資料。由于橋溝小流域內無全年觀測的雨量站，故年降水量采用距離最近的黑家坬雨量站觀測的全年降雨數據，汛期雨量采用泰森多邊形法計算獲得。徑流泥沙數據采用溝口徑流泥沙觀測站的實測值。

2.2 研究方法

采用數理統計和累積距平法，對研究時段(1986—2020年)橋溝小流域逐年降水量、徑流量和輸沙量變化特征進行分析；采用滑動平均法和Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法，對研究時段(1986—2020年)年降水量、徑流量和輸沙量的變化趨勢以及突變年進行深入分析；采用雙累積曲線分析法，定量計算各時段的水沙衰減量，以及降水變化和水土保持措施對水沙變化的相對貢獻，分析不同時段水沙變化的原因。

2.2.1 滑動平均法

為消除不穩定的波動，顯示出數據的平穩性，采用5 a滑動平均法。

2.2.2 雙累積曲線法

為更準確地反映水沙關系的變化，建立了年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線[3]，公式為

SRi=∑Ri

(1)

SWi=∑Wi

(2)

上二式中：SRi、Ri分別為前i年累積徑流量和第i年徑流量，m3；SWi、Wi分別為前i年累積輸沙量和第i年輸沙量，t。

流域水沙特性如發生系統變化，在水沙量雙累積曲線圖上將表現出明顯的轉折，即累積曲線斜率明顯增大或減小。

2.2.3 Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法

Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法已被廣泛應用于分析水文氣象資料的變化趨勢[4]。Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗突變通過計算每個樣本的秩，計算統計量UF和UB，若UF和UB曲線呈現交點，且交點在臨界直線(±1.96)之間，那么交點對應的時刻就是突變點。

2.2.4 水沙變化驅動因素分析方法

為了明確水土保持措施及降雨的影響，令

E=Ws/P

(3)

式中：E為產沙系數，t/mm；Ws為輸沙量，t；P為降水量，mm。

令相鄰時段的平均值分別為Ws1、Ws2、P1、P2及E1、E2，對Ws=E·P取全微分，并以差分形式表示為

(4)

D=W/P

(5)

式中：D為徑流率，m3/mm；W為徑流量,m3。

令相鄰時段的平均值各為W1、W2、P1、P2及D1、D2,對W=D·P取全微分，并以差分形式表示為

(6)

3 結果與分析

3.1 橋溝小流域水沙特征分析

為研究橋溝小流域多年來水沙條件的變化，選取其控制站橋溝1986—2020年降水、徑流、泥沙觀測數據進行基本特征分析。

3.1.1 降水量特征分析

黃土丘陵溝壑區的降水受緯度、水汽來源及地形變化的綜合影響，故流域降水量變化比較復雜。橋溝小流域降水量變化情況及距平變化情況見圖1、2。橋溝小流域多年平均(1986—2020年)降水量454.0 mm，其中多年汛期平均降水量為318.4 mm，占全年降水量的70.13%。2013年的降水量最大(700.9 mm)，2005年降水量最小(282.5 mm)，最大值與最小值相差418.4 mm，極值比為2.48。1986—2020年年降水量呈現出明顯的上升趨勢，其中1998—2011年期間降水量普遍低于平均水平，2012—2020年期間降水量普遍高于平均水平，由此可見近10年降水量有微量增加。

圖1 1986—2020年橋溝小流域降水量變化

3.1.2 徑流量特征分析

橋溝小流域多年平均(1986—2020年)徑流量3 270 m3，折合徑流深7.27 mm。由表1可知，橋溝小流域徑流從1986年至今基本呈遞減趨勢。其中1991—1995年與2016—2020年出現兩個增高值，分別對應于1994年8月4日與2017年7月26日的洪水事件，1994年8月4日洪水徑流量為22 410 m3，折合徑流深49.8 mm，2017年7月26日洪水徑流量6 298 m3，折合徑流深14.0 mm。

圖2 1986—2020年橋溝小流域降水量距平值變化

將1991—1995年與2016—2020年兩次特異值進行比較，1991—1995年橋溝小流域徑流量達11 977.92 m3，2016—2020年已減至1 604.40 m3，減少幅度為86.6%。若不考慮特殊情況，將1986—1990年與2011—2015年平均值進行比較，1986—1990年橋溝小流域徑流量為4 847.6 m3，至2011—2015年已減至12.77 m3，減少幅度為99.7%。若去除這兩次洪水影響，橋溝小流域降水、徑流特征值統計見表1。

表1 橋溝小流域降水、徑流特征值統計

由表1可知，去除兩次洪水影響，1991—1995年與2016—2020年平均徑流量分別減少37.4%與78.6%，但這7個時間段徑流變化趨勢并沒有改變。1986—1990年橋溝小流域平均徑流量為4 847.6 m3，2016—2020年已減至344.5 m3，減少幅度為92.9%。

結果表明，不論是否考慮大洪水影響，橋溝小流域近35年平均徑流量減少幅度達85%以上。

3.1.3 輸沙量特征分析

橋溝小流域多年平均(1986—2020年)輸沙量1 155.98 t。具體降水、泥沙特征值統計見表2。

表2 橋溝小流域降水、泥沙特征值統計

由表1、2對比可知，流域輸沙量與徑流量變化趨勢基本一致，均呈下降趨勢。其中1991—1995年出現增高值，主要是因為1994年8月4日出現大洪水，2016—2020年輸沙量有微量上升，主要原因也是2017年7月26日出現的大洪水。1994年8月4日洪水輸沙量為10 610 m3，2017年7月26日洪水輸沙量為1 017.0 m3。若將1991—1995年與2016—2020年兩次特異值進行比較，1991—1995年橋溝小流域輸沙量達4 826.16 t，至2016—2020年已減至266.09 t，減少幅度為94.5%。若不考慮特殊情況，1986—1990年橋溝小流域輸沙量為1 754.10 t，至2011—2015年已減至0.59 t，減少幅度為99.97%。若去除兩次洪水影響，1991—1995年與2016—2020年平均輸沙量分別減少44.0%與46.9%。此時，1986—1990年橋溝小流域輸沙量為1 754.10 t，2016—2020年輸沙量已減至141.4 t，減少幅度為91.9%。

結果表明，不論是否考慮大洪水影響，橋溝小流域近35年平均輸沙量減少幅度達90%以上。

3.2 橋溝小流域水沙變化趨勢分析

水沙序列特征值隨時間呈相關變化趨勢，采用滑動平均法、雙累積曲線法、Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法對橋溝水沙變化趨勢進行統計分析[8-9]。

3.2.1 水沙變化趨勢檢驗

對于橋溝小流域的徑流量和輸沙量取5 a進行滑動平均，使序列高頻震蕩(水沙特別年份)對水沙變化趨勢分析的影響得以弱化，徑流量和輸沙量滑動平均值見圖3?？梢钥闯鰳驕纤匙兓^程基本一致，二者均呈明顯的下降趨勢。

圖3 橋溝年徑流量和輸沙量滑動平均值

圖4為橋溝水沙量雙累積曲線，從中可以看出斜率較為固定。但隨著時間序列的變化，也表現出一定的波動，大致分為2個階段：①1986—1994年，斜率增大，此時段內輸沙量也有所增加，為上升段Ⅰ；②1995—2020年，斜率減小，說明自1995年以后，輸沙量明顯減少，為下降段Ⅱ。

圖4 橋溝小流域年徑流量-年輸沙量雙累積曲線

3.2.2 水沙變化突變點確定

3.2.2.1 年降水變化突變點確定

圖5為橋溝小流域降水量M-K檢驗結果，從中可以看出，在1986—1998年與2014—2020年期間，UF值為正值，說明降水量總體呈增加趨勢；在1999—2013年間UF值為負值，說明該時段內降水量呈減少趨勢。UF與UB兩條曲線共有6個交點，降水基本呈現豐水與枯水交替出現，但并未有突變點。

圖5 橋溝小流域年降水量M-K檢驗

1986—1996年UF值處于波動區間，降水處于平水階段(11 a)，平均降水量465.6 mm；1997—2000年UF值快速下降，降水為枯水階段(4 a)，平均降水量352.2 mm；2001—2009年UF值處于波動狀態，呈微度下降(9 a)，平均降水量395.1 mm；而2011—2020年UF值持續上升，說明降水處于豐水階段(10 a)，平均降水量540.9 mm。

3.2.2.2 年徑流變化突變點確定

數據顯示，橋溝小流域年徑流量和輸沙量變幅較大，年均輸沙量為3 180.8 m3，年徑流量與輸沙量總體上具有逐步減小的趨勢。

從圖6橋溝小流域徑流量M-K檢驗可知，UF值在1986—2001年為正值，說明橋溝小流域徑流量的變化趨勢是上升的；UF值在2001—2020年為負值，說明橋溝小流域徑流量的變化趨勢是下降的。其中，2008—2020年UF值超出了90%置信下線，說明該時段內徑流顯著減少，處于枯水期(13 a)。同時，UF與UB兩條曲線交叉于2001年，說明2001年為橋溝流域徑流量突變年份。

圖6 橋溝小流域年徑流量M-K檢驗

根據UF值大小，將徑流量變化劃分為3個變化時期：Ⅰ為非顯著波動期(1986—1997年)，年均徑流量7 903.1 m3；Ⅱ為顯著減流期(1998—2016年)，年均徑流量445.73 m3；Ⅲ為減流平穩期(2017—2020年)，年均徑流量2 005.5 m3。

3.2.2.3 年輸沙變化突變點確定

從圖7橋溝小流域輸沙量M-K檢驗可知，輸沙量與徑流量具有基本相同的變化趨勢。UF值在1986—1999年為正值，說明橋溝小流域輸沙量的變化趨勢是上升的；UF值在2000—2020年為負值，說明橋溝小流域輸沙量的變化趨勢是下降的。其中，2006—2020年UF值超出了90%置信下線，說明該時段內輸沙量顯著減少。同時，UF與UB兩條曲線在1999—2002年期間出現了3次交叉，1999—2002年期間每年輸沙量分別為732.15、162.45、864.6、14.47 t，而1986—1998年年平均輸沙量為2 861.6 t，2003—2020年年平均輸沙量為82.5 t，由此可以得出，2002年為橋溝流域輸沙量突變年份。

圖7 橋溝小流域年輸沙量M-K檢驗

根據UF值大小，將輸沙量變化可劃分為3個變化時期：Ⅰ為非顯著波動期(1986—1998年)，年均輸沙量2 861.6 t；Ⅱ為顯著減沙期(1999—2016年)，年均輸沙量107.1 t；Ⅲ為減沙平穩期(2017—2020年)，年均輸沙量332.6 t，與徑流量變化時期基本一致。

含沙量是反映土壤侵蝕強度與等級的重要指標之一。研究時段橋溝小流域平均含沙量為186.6 kg/m3。累積平均含沙量(累積輸沙量與累積徑流量的比值)基本呈現持續穩定的下降趨勢，說明流域水土流失強度在不斷地下降。對應輸沙量的3個變化時期，年平均含沙量分別為：Ⅰ期318.8 kg/m3；Ⅱ期94.6 kg/m3；Ⅲ期171.1 kg/m3。

3.3 橋溝小流域水沙變化驅動因素分析

3.3.1 水沙相關分析

從圖8橋溝歷年水沙量的相關關系可以看出，橋溝大部分輸沙量與徑流量的關系點均密集分布在相關線附近，各年代點據在相關線兩側均有分布，線性擬合程度良好(決定系數R2在0.97以上)，說明水沙關系未出現系統偏離。

圖8 橋溝小流域歷年徑流量-輸沙量關系曲線

3.3.2 水沙變化驅動因素分析

影響流域產流產沙的主要因素包括降水、流域下墊面條件以及人類活動3個方面。就同一流域而言，由于地質地貌條件相對穩定，年際間流域面積也相對穩定，故產水產沙量的變化主要受降水和人類活動影響。流域降水是地表產沙的動力條件，其時空分布(包括時間、落區、強度、歷時等)對流域產水產沙有直接影響。而水土保持、雨水集蓄、土地利用等人類活動改變了流域下墊面，使產流機制發生了變化[10-11]。因此，水土保持措施和降雨的變化是導致水沙量變化的根本和直接原因。

對橋溝小流域7個時段的徑流、泥沙各項變化量分析計算，結果見表3和表4。

表3 橋溝小流域徑流衰減分析

表4 橋溝小流域泥沙衰減分析

由表3、4可知，橋溝小流域1986—2020年水沙變化過程中，各時段的影響因素變化情況為：

(1)這7個時段間，整體上降水影響呈現下降趨勢，水土保持措施影響呈上升趨勢，特別是1999年開始實施退耕還林政策后，水土保持措施影響力大幅上升，而降雨影響對徑流泥沙的作用微乎其微。

(2)年徑流量影響因子中降水影響占比平均值與人類活動影響占比平均值分別占總減水量的2.57%和97.43%，年輸沙量影響因子中降水影響占比平均值與人類活動影響占比平均值分別占總減沙量的1.95%和98.05%。

4 討 論

(1)由于橋溝內4個雨量站均為汛期(6—9月)雨量站，因此橋溝小流域年降水量借用距橋溝5.5 km的黑家坬雨量站降雨數據，導致年降雨數據與橋溝實際年降水量有一定差異。從秦艷麗[6]對大理河1960—2015年降水數據分析，大理河年降水量呈增加趨勢，但增長趨勢不明顯，與本研究降水趨勢相符，因此本研究關于降水趨勢的研究也有重要的參考價值。

(2)秦艷麗[6]對大理河1960—2015年徑流泥沙變化趨勢進行研究，結果表明，大理河年徑流量減少幅度為34.85%，年輸沙量減少幅度為89.14%，減少趨勢均很顯著，突變年份均為2002年，與橋溝小流域突變年份基本一致。張富等[4]研究成果表明，祖厲河流域降水量和徑流量突變點年份是1995年，輸沙量突變點年份是2000年，輸沙量突變點年份較徑流量突變點年份滯后。本次研究中橋溝小流域徑流量突變點年份為2001年，輸沙量突變點年份為2002年，輸沙量突變點也出現了滯后現象，說明年徑流量與年輸沙量雖然有極強的關聯關系，但輸沙量突變點有可能滯后，導致突變點滯后的原因還有待進一步研究。

(3)王小軍等[3]研究表明，皇甫川流域近年來水沙衰減的主要原因是水土保持措施，與本研究相符。劉微等[12]采用CPA法對皇甫川徑流進行突變分析，得出人類活動是2000年后皇甫川流域徑流量減少的主導因素。秦艷麗[6]對大理河年徑流量和年輸沙量影響因素的研究結果表明，1972—1996年和1997—2015年，人類活動影響下的減水量分別占徑流減少量的67.31%和98.79%；1972—2002年和2003—2015年，人類活動影響下的減沙量分別占輸沙減少量的89.31%和114.67%。主要原因是1999年起黃土高原實施大規模的退耕還林，封山育林和植被恢復等工程取得明顯效果。以上研究均與本研究成果相符，可以得出水土保持措施(人類活動)是年徑流量和年輸沙量減少的主要原因。

(4)橋溝小流域近35年來水沙銳減的主要原因是水土保持措施的實施等人類活動，這肯定了水土保持工作的成效，但徑流量和輸沙量于2017年后均呈平穩波動狀態，說明隨著時間推移，原有措施功能下降，必須結合新的形勢，開展高質量治理。

5 結 論

(1)根據橋溝小流域1986—2020年降水量、徑流量和輸沙量數據分析，年降水量呈上升趨勢，但趨勢不明顯。在顯著性水平α=0.05下，年徑流量和年輸沙量均呈顯著下降趨勢。

(2)橋溝小流域1986—2020年年平均徑流量減幅達85%以上，年平均輸沙量減幅達90%以上。

(3)通過Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法檢驗突變特征，結果表明橋溝小流域降水基本呈現豐水與枯水交替出現的現象，未有明顯突變點，徑流量突變年份為2001年，輸沙量突變年份為2002年。

(4)橋溝小流域徑流量變化為3個變化時期：非顯著波動期(1986—1997年)、顯著減流期(1998—2016年)、減流平穩期(2017—2020年)。輸沙量變化分為3個變化時期：非顯著波動期(1986—1998年)、顯著減沙期(1999—2016年)、減沙平穩期(2017—2020年)，與徑流量變化時期基本一致。

(5)導致橋溝小流域水沙量呈現減少趨勢的原因包括降水和人類活動，其中對水沙變異起重要作用的是人類活動。