降水和水土保持对罗玉沟流域水沙变化的影响

降水和水土保持对罗玉沟流域水沙变化的影响
流域径流和输沙对降水变化和水土保持的响应可为水土保持效益评价提供科学依据。

根据黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域1987-2010年的水文泥沙数据，采用Mann-Kendall法，检验流域降水、径流和输沙的变化趋势；结合流域水土保持措施的资料，探讨降水和水土保持对流域水沙变化的影响。

结果显示，年降雨量和年降雨侵蚀力分别是罗玉沟流域产流和产沙的主要影响因素。

年降雨量和年降雨侵蚀力在1987-2010年时期的变化趋势不显著，但年径流深和年输沙量呈显著减少趋势。

这是因为坡面工程措施和植被措施改善了罗玉沟流域的下垫面条件，降低了流域的降雨产流能力和侵蚀产沙能力；沟道工程措施通过拦蓄径流泥沙，减少了对下游沟道的侵蚀。

研究结果对流域治理规划具有一定的指导意义。

标签：降雨；径流；输沙；水土保持
黄土丘陵沟壑区水土流失严重，是实现该地区可持续发展的严重制约因素。

流域水土流失受降水和人类活动的双重影响[1-4]。

20世纪90年代后期以来，随着黄土丘陵沟壑地区社会经济的快速发展和水土保持生态建设的大力推进，人类活动不断加剧，加之在全球气候变化的背景下，流域下垫面和降雨等水文要素进一步发生变化，从而引起黄土丘陵沟壑区流域水沙发生新的变化。

降雨是导致水土流失的原动力，降雨量、降雨强度及降雨历时等降雨特征与产流产沙密切相关[5-7]。

人类活动通过改变土地利用方式和实施水土保持措施来改变流域下垫面，使产流产沙机制发生变化[4，6-9]。

只有了解流域水沙变化的原因，才能科学地制订流域水土流失治理方案。

罗玉沟流域在土壤侵蚀类型上可作为黄土丘陵沟壑区第三副区的典型代表，也是该地区水土流失综合治理的典型流域。

因此，本研究依据多年实测水文泥沙资料，分析罗玉沟流域的径流和输沙变化趋势和特征，探讨降水和水土保持对流域水沙变化的影响，以期为黄土丘陵沟壑区流域综合治理和评价提供依据。

1 研究区概况
罗玉沟流域位于天水市北郊，是渭河支流藉河左岸的一级支流，属于黄土丘陵沟壑区第三副区。

流域面积72.79km2，呈狭长形，羽状沟系，平均宽度3.37km，主沟长21.63km。

流域内沟壑密度为3.54km/km2。

流域多年平均降水量548.9mm，年降水量最小值330.1mm，最高值842.2mm，6-9月降水量占年降水量的60%以上，雨热同期，多年平均蒸发量1293.3mm。

年平均气温10.7℃，一月平均气温-2.3℃，七月平均气温22.6℃，极端最高气温38.2℃，极端最低气温-19.2℃。

流域水土流失面积达到47.87km2，多年平均年径流模数为3.07万m3/（km2·y），多年平均年侵蚀模数为7500t/（km2·y）。

罗玉沟流域雨量站和出口水文测验站见图1。

1998年，我国第一个大型水土保持生态建设项目“藉河示范区工程”开展实施，罗玉沟流域是藉河示范区主要流域之一。

根据黄河水利委员会天水水土保持
科学试验站的实地调查和测算，截止2006年6月底，水土流失治理面积达到2734.44hm2，其中梯田927.45hm2、乔木林665.48hm2、灌木林350.73hm2、果园740.97hm2、经济林40.69hm2，建成骨干坝2座、中型坝3座和小型坝32座。

2 数据来源与研究方法
文章所用到的罗玉沟流域的水文泥沙数据来源于黄河水利委员会天水水土保持科学试验站，数据年限为1987-2010年。

文章采用Mann-Kendall检验法分析罗玉沟流域的年降雨、径流和输沙时间序列的变化趋势。

Mann-Kendall检验法是由国际气象组织（WMO）推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法，是一种非参数统计检验方法，与参数统计检验法相比，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，而且计算也比较简单，是目前比较常用的趋势诊断方法[10-12]。

累积距平法是一种较常用的判断变化趋势的方法，同时通过对累积距平曲线的观察，也可以划分变化的阶段性[11-13]。

文章采用累积距平法对年降雨量变化阶段进行划分。

对于序列x，其某一时刻的累积距平表示为：
将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析和阶段划分。

累积距平曲线呈上升趋势，表示距平值增加，呈下降趋势则表示距平值减小。

从曲线明显的上下起伏，可以判断长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间。

从曲线小的波动变化可以考察其短期的距平值变化。

文章年降雨侵蚀力值的计算选取王万忠等（1995）建立的估算年降雨侵蚀力值的关系式[14]：
式中，R为年降雨侵蚀力，m·t·cm/hm2·h·y；P≥10为次降雨大于等于10mm 的年降雨总量，mm；I60为年最大60min降雨量，mm。

3 结果与分析
3.1 年降雨和水沙变化特征
研究区在1987-2010年降雨量和年降雨侵蝕力年际变化见图2。

研究区在1987-2010年时期内的年平均降雨量为559.5mm，其中2003年的降雨量最大，达到842.0mm；1997年的降雨量最小值，只有378.2mm。

年降雨侵蚀力最小值也发生在1997年，为68.1m·t·cm/hm2·h·y；最大值发生在2007年，为360.1m·t·cm/hm2·h·y。

图2显示年降雨侵蚀力的年际变化与年降雨量并不完全一致，如2001年和2003年相比，2001年的降雨量为597.4mm，但年降雨侵蚀力达到360.1m·t·cm/hm2·h·y；2003年的年降雨量虽然最大，但是年降雨侵蚀力仅为180.5m·t·cm/hm2·h·y。

根据公式（1）计算得到罗玉沟流域在1987-2010年期间降雨量累积距平的年际变化（图3），在1993年和2007年前后表现出增大和减小趋势，在2002年前后表现出减小和增大的趋势。

将各流域降雨量在1987-2010年时期的变化划分为4个时期：P1（1987-1993年）、P2（1994-2002年）、P3（2003-2007年）和P4（2008-2010年）。

流域在4个时期的年平均降雨量见表1，其中P3的年平均降雨量最大，P2的年平均降雨量最小。

方差分析显示，P1和P3之间的年平均降雨量不具有显著性差异（P＜0.05），P2与P4之间的年平均降雨量也不具有显著性差异，但P1和P3的年平均降雨量显著大于P2与P4。

罗玉沟4个时期之间的年平均径流深都具有显著差异（P＜0.05），其中P1年平均径流深最大，达到51.5mm；P4年平均径流深最小，仅为4.8mm。

P1的年平均输沙模数显著大于其它时期，达到7453.9t km-2，P2和P3之间差异性不显著，P4的年平均输沙模数最小，仅为433.7t km-2。

为进一步分析流域降雨、径流和输沙的变化规律，采用Mann-Kendall检验法判断了年降雨量、年降雨侵蚀力、年径流深和年输沙模数的变化趋势及显著性，详见表2。

由表2可以看出年降雨量和年降雨侵蚀力的Mann-Kendall检验结果Z值分别为-0.22和-0.02在置信水平为α=0.01的相应临界值±1.64之间，表明罗玉沟流域在1987-2010年时期的年降雨量和年降雨侵蚀力下降趋势不显著。

年径流深和年输沙模数的Z值分别为-2.06和-1.66，超过了置信水平为α=0.01的下临界值-1.64，表明罗玉沟流域在1987-2010年时期的年降雨量和年降雨侵蚀力呈显著下降趋势。

3.2 降水对径流和输沙变化的影响
罗玉沟的年降雨量-年径流深关系和年降雨量-年输沙模数关系分别见图4（a）和图4（b）。

图4（a）和图4（b）显示罗玉沟的年降雨量与年径流深和年输沙模数之间线性拟合函数的R2分别为0.65和0.32，表明年降雨量可以分别解释年径流深和年输沙模数变异的65%和32%。

图5（a）和图5（b）显示罗玉沟的年降雨侵蚀力与年径流深和年输沙模数之间线性拟合函数的R2分别为0.66和0.71，表明年降雨侵蚀力可以分别解释年径流深和年输沙模数变异的66%和71%。

对比年降雨量和年降雨侵蚀力与年径流深和年输沙模数的关系，表明年降雨量是罗玉沟流域年径流量变化的主要影响因素，年降雨侵蚀力是年输沙量变化的主要影响因素。

3.3 水土保持对径流和输沙变化的影响
由表1可知，P1和P3之间的年平均降雨量和年平均降雨侵蚀力差异不显著，但是相比较P1，P3的年平均径流深和年平均输沙模数分别减少了36.7%和31.5%。

而且由表2得到罗玉沟流域的年降雨量和年降雨侵蚀力在1987-2010年时期的变化趋势不显著，但是年径流深和年输沙模数呈显著下降趋势。

表明在降
水没有发生显著变化的情况下，罗玉沟流域的径流和输沙显著减少。

这是因为水土保持对罗玉沟流域的影响：坡改梯和植被措施改善了流域的下垫面条件，增加了流域植被覆盖面积，降低了流域降雨产流能力和侵蚀产沙能力；淤地坝等沟道工程措施通过拦蓄径流和淤积泥沙，削减了洪峰流量，并缩短了沟道和改变了沟道地形条件，从而减轻了对流域下游沟道的冲刷和减少了沟道的侵蚀，有效地减少了流域产流量和输沙量。

而且在年降雨量較小的情况下，水土保持的减水比例和减沙比例较大。

P2和P4的年平均降雨量显著小于P1和P3，并且P2和P4之间的年平均降雨量和年平均降雨侵蚀力不具有显著性差异。

但是相比较P2，P4的年平均径流深和年平均输沙模数分别减少了61.0%和87.6%。

4 结束语
（1）年降雨量是罗玉沟流域产流的主要影响因素，年降雨侵蚀力是流域产沙的主要影响因素。

（2）水土保持降低了罗玉沟流域的降雨产流能力和侵蚀产沙能力，显著减少了流域产流量和输沙量。

参考文献
[1]Li Zhi，Liu Wenzhao，Zhang Xunchang，et al.Impacts of land use change and climate variability on hydrology in an agricultural catchment on the Loess Plateau of China [J].Journal of Hydrology，2009，377（1/2）：35-42.
[2]Xu Jiongxin.Variation in annual runoff of the Wudinghe River as influenced by climate change and human activity [J].Quaternary International，2011，244（2）：230-237.
[3]Zhang Xiaoming，Cao Wenhong，Guo Qingchao，et al.Effect of landuse change on runoff and sediment yield at different watershed scales on the Loess Plateau [J].International Journal of Sediment Research，2010，25（3）：283-293.
[4]董磊华，熊立华，于坤霞，等.气候变化与人类活动对水文影响的研究进展[J].水科学进展，2012，23（2）：278-285.
[5]王万忠.黄土地区降雨特性与土壤流失关系的研究[J].水土保持通报，1983（4）：7-13.
[6]琚彤军，刘普灵，郑世清，等.黄土丘陵区生态恢复重建过程中流域降雨及其水沙变化特征研究[J].水土保持学报，2005，19（2）：57-60.
[7]陈月红，余新晓，谢崇宝.黄土高原吕二沟流域土地利用及降雨强度对径流泥沙影响初探[J].中国水土保持科学，2009，7（1）：8-12.
[8]刘淑燕，余新晓，信忠保，等.黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用变化对水沙关系的影响[J].地理科学进展，2010，29（5）：565-571.
[9]姚文艺，徐建华，冉大川，等.黄河流域水沙变化情势分析与评价[M].郑州：黄河水利出版社，2011.
[10]张建云，王国庆，贺瑞敏，等.黄河中游水文变化趋势及其对气候变化的响应[J].水科学进展，2009，20（2）：153-158.
[11]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].第2版.北京：气象出
版社，2007.
[12]王顺久.长江上游川江段气温、降水及径流变化趋势分析[J].资源科学，2009，31（7）：1142-1149.
[13]王随继，闫云霞，颜明，等.皇甫川流域降水和人类活动对径流量变化的贡献率分析——累积量斜率变化率比较方法的提出及应用[J].地理学报，2012，67（3）：388-397.
[14]王万忠，焦菊英，郝小品.中国降雨侵蚀力R值的计算与分别（I）[J].水土保持学报，1995，9（4）：5-18.。