刘思君，刘立峰，刘姗姗，雷 欣

[1.黄河水土保持绥德治理监督局(黄河水利委员会 绥德水土保持科学试验站)，陕西 榆林 719000；2.黄土高原水土保持与生态修复国家林业和草原局重点实验室，陕西 榆林 719000]

黄土丘陵沟壑区是黄土高原水土流失最严重的区域之一，土壤侵蚀模数为5 000～15 000 t/(km2·a)[1]。从水土流失治理措施开展较少的1933—1967年实测数据来看，黄土高原年均入黄泥沙量18.7亿t，其中黄土丘陵沟壑区的来沙量约占90%[2]，是黄土高原最主要的泥沙来源区。近年来水土流失动态监测成果显示，黄土丘陵沟壑区呈现“黄退绿进”的现象，说明多年的水土流失治理与研究已经取得了很大成就，同时也说明黄土丘陵沟壑区的下垫面条件发生了较大改变，导致流域水沙条件发生了显著变化。曾有学者对皇甫川[3]、祖厉河[4]等大流域进行了水沙趋势分析，但是水土流失治理措施主要在小流域尺度(流域面积小于50 km2)开展，因此研究小流域尺度的水沙变化趋势对探究水土保持措施对水沙变化的影响有着关键的作用。本研究以黄土丘陵沟壑区桥沟典型小流域为例，以实测的1986—2020年降水、径流、泥沙资料为依据，对其水沙变化的特征、未来变化趋势以及影响因素进行分析。

1 桥沟小流域概况

桥沟小流域地处东经110°17′22″～110°17′49″、北纬37°29′36″～37°30′15″，位于陕西省榆林市绥德县，是黄河中上游无定河的二级支流。该小流域1986年以来一直作为黄河水利委员会绥德水土保持科学试验站水土流失原型观测的野外试验样区。流域面积0.45 km2，海拔810～960 m，主沟道长1 400 m，平均比降1.11 %，沟道呈“V”字形，沟壑密度5.4 km/km2，不对称系数0.23，流域内分布有一支沟和二支沟两条较大支沟，其面积分别为0.069和0.093 km2。

该区域属于温带大陆性半干旱季风气候，四季分明，温差较大。区域内多年平均气温9.9 ℃[5]，年平均相对湿度59%，年平均日照时数2 615.1 h，年平均蒸发量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%，且多以暴雨形式出现。多年平均径流量3 180.8 m3，多年平均输沙量1 156.0 t。

1986—1999年桥沟小流域内一直延续着当地农耕传统，流域梁峁坡和沟床地分布有较多农地，沟坡及沟道为荒地。1999年起黄土高原实施大规模的退耕还林、封山育林和植被恢复等措施[6]，流域的林草有效覆盖率从20世纪80年代末的15%上升到2016年的74%[1]。目前研究区植被以草本为主，主要有艾蒿、狗尾草、本氏羽茅、胡枝子、百里香、白草、猪毛蒿、冰草等数十种，多分布于沟谷的荒坡上，主要以自然恢复草地为主[7]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

桥沟小流域内设有桥沟1、2、3、5号4个汛期雨量站，流域沟口处设有一个径流泥沙观测站，采用三角槽设施观测。收集4个雨量站1986—2020年降水、径流和泥沙观测资料。由于桥沟小流域内无全年观测的雨量站，故年降水量采用距离最近的黑家坬雨量站观测的全年降雨数据，汛期雨量采用泰森多边形法计算获得。径流泥沙数据采用沟口径流泥沙观测站的实测值。

2.2 研究方法

采用数理统计和累积距平法，对研究时段(1986—2020年)桥沟小流域逐年降水量、径流量和输沙量变化特征进行分析；采用滑动平均法和Mann-Kendall非参数秩次相关检验法，对研究时段(1986—2020年)年降水量、径流量和输沙量的变化趋势以及突变年进行深入分析；采用双累积曲线分析法，定量计算各时段的水沙衰减量，以及降水变化和水土保持措施对水沙变化的相对贡献，分析不同时段水沙变化的原因。

2.2.1 滑动平均法

为消除不稳定的波动，显示出数据的平稳性，采用5 a滑动平均法。

2.2.2 双累积曲线法

为更准确地反映水沙关系的变化，建立了年径流量和年输沙量的双累积曲线[3]，公式为

SRi=∑Ri

(1)

SWi=∑Wi

(2)

上二式中：SRi、Ri分别为前i年累积径流量和第i年径流量，m3；SWi、Wi分别为前i年累积输沙量和第i年输沙量，t。

流域水沙特性如发生系统变化，在水沙量双累积曲线图上将表现出明显的转折，即累积曲线斜率明显增大或减小。

2.2.3 Mann-Kendall非参数秩次相关检验法

Mann-Kendall非参数秩次相关检验法已被广泛应用于分析水文气象资料的变化趋势[4]。Mann-Kendall非参数秩次相关检验突变通过计算每个样本的秩，计算统计量UF和UB，若UF和UB曲线呈现交点，且交点在临界直线(±1.96)之间，那么交点对应的时刻就是突变点。

2.2.4 水沙变化驱动因素分析方法

为了明确水土保持措施及降雨的影响，令

E=Ws/P

(3)

式中：E为产沙系数，t/mm；Ws为输沙量，t；P为降水量，mm。

令相邻时段的平均值分别为Ws1、Ws2、P1、P2及E1、E2，对Ws=E·P取全微分，并以差分形式表示为

(4)

D=W/P

(5)

式中：D为径流率，m3/mm；W为径流量,m3。

令相邻时段的平均值各为W1、W2、P1、P2及D1、D2,对W=D·P取全微分，并以差分形式表示为

(6)

3 结果与分析

3.1 桥沟小流域水沙特征分析

为研究桥沟小流域多年来水沙条件的变化，选取其控制站桥沟1986—2020年降水、径流、泥沙观测数据进行基本特征分析。

3.1.1 降水量特征分析

黄土丘陵沟壑区的降水受纬度、水汽来源及地形变化的综合影响，故流域降水量变化比较复杂。桥沟小流域降水量变化情况及距平变化情况见图1、2。桥沟小流域多年平均(1986—2020年)降水量454.0 mm，其中多年汛期平均降水量为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)，最大值与最小值相差418.4 mm，极值比为2.48。1986—2020年年降水量呈现出明显的上升趋势，其中1998—2011年期间降水量普遍低于平均水平，2012—2020年期间降水量普遍高于平均水平，由此可见近10年降水量有微量增加。

图1 1986—2020年桥沟小流域降水量变化

3.1.2 径流量特征分析

桥沟小流域多年平均(1986—2020年)径流量3 270 m3，折合径流深7.27 mm。由表1可知，桥沟小流域径流从1986年至今基本呈递减趋势。其中1991—1995年与2016—2020年出现两个增高值，分别对应于1994年8月4日与2017年7月26日的洪水事件，1994年8月4日洪水径流量为22 410 m3，折合径流深49.8 mm，2017年7月26日洪水径流量6 298 m3，折合径流深14.0 mm。

图2 1986—2020年桥沟小流域降水量距平值变化

将1991—1995年与2016—2020年两次特异值进行比较，1991—1995年桥沟小流域径流量达11 977.92 m3，2016—2020年已减至1 604.40 m3，减少幅度为86.6%。若不考虑特殊情况，将1986—1990年与2011—2015年平均值进行比较，1986—1990年桥沟小流域径流量为4 847.6 m3，至2011—2015年已减至12.77 m3，减少幅度为99.7%。若去除这两次洪水影响，桥沟小流域降水、径流特征值统计见表1。

表1 桥沟小流域降水、径流特征值统计

由表1可知，去除两次洪水影响，1991—1995年与2016—2020年平均径流量分别减少37.4%与78.6%，但这7个时间段径流变化趋势并没有改变。1986—1990年桥沟小流域平均径流量为4 847.6 m3，2016—2020年已减至344.5 m3，减少幅度为92.9%。

结果表明，不论是否考虑大洪水影响，桥沟小流域近35年平均径流量减少幅度达85%以上。

3.1.3 输沙量特征分析

桥沟小流域多年平均(1986—2020年)输沙量1 155.98 t。具体降水、泥沙特征值统计见表2。

表2 桥沟小流域降水、泥沙特征值统计

由表1、2对比可知，流域输沙量与径流量变化趋势基本一致，均呈下降趋势。其中1991—1995年出现增高值，主要是因为1994年8月4日出现大洪水，2016—2020年输沙量有微量上升，主要原因也是2017年7月26日出现的大洪水。1994年8月4日洪水输沙量为10 610 m3，2017年7月26日洪水输沙量为1 017.0 m3。若将1991—1995年与2016—2020年两次特异值进行比较，1991—1995年桥沟小流域输沙量达4 826.16 t，至2016—2020年已减至266.09 t，减少幅度为94.5%。若不考虑特殊情况，1986—1990年桥沟小流域输沙量为1 754.10 t，至2011—2015年已减至0.59 t，减少幅度为99.97%。若去除两次洪水影响，1991—1995年与2016—2020年平均输沙量分别减少44.0%与46.9%。此时，1986—1990年桥沟小流域输沙量为1 754.10 t，2016—2020年输沙量已减至141.4 t，减少幅度为91.9%。

结果表明，不论是否考虑大洪水影响，桥沟小流域近35年平均输沙量减少幅度达90%以上。

3.2 桥沟小流域水沙变化趋势分析

水沙序列特征值随时间呈相关变化趋势，采用滑动平均法、双累积曲线法、Mann-Kendall非参数秩次相关检验法对桥沟水沙变化趋势进行统计分析[8-9]。

3.2.1 水沙变化趋势检验

对于桥沟小流域的径流量和输沙量取5 a进行滑动平均，使序列高频震荡(水沙特别年份)对水沙变化趋势分析的影响得以弱化，径流量和输沙量滑动平均值见图3。可以看出桥沟水沙变化过程基本一致，二者均呈明显的下降趋势。

图3 桥沟年径流量和输沙量滑动平均值

图4为桥沟水沙量双累积曲线，从中可以看出斜率较为固定。但随着时间序列的变化，也表现出一定的波动，大致分为2个阶段：①1986—1994年，斜率增大，此时段内输沙量也有所增加，为上升段Ⅰ；②1995—2020年，斜率减小，说明自1995年以后，输沙量明显减少，为下降段Ⅱ。

图4 桥沟小流域年径流量-年输沙量双累积曲线

3.2.2 水沙变化突变点确定

3.2.2.1 年降水变化突变点确定

图5为桥沟小流域降水量M-K检验结果，从中可以看出，在1986—1998年与2014—2020年期间，UF值为正值，说明降水量总体呈增加趋势；在1999—2013年间UF值为负值，说明该时段内降水量呈减少趋势。UF与UB两条曲线共有6个交点，降水基本呈现丰水与枯水交替出现，但并未有突变点。

图5 桥沟小流域年降水量M-K检验

1986—1996年UF值处于波动区间，降水处于平水阶段(11 a)，平均降水量465.6 mm；1997—2000年UF值快速下降，降水为枯水阶段(4 a)，平均降水量352.2 mm；2001—2009年UF值处于波动状态，呈微度下降(9 a)，平均降水量395.1 mm；而2011—2020年UF值持续上升，说明降水处于丰水阶段(10 a)，平均降水量540.9 mm。

3.2.2.2 年径流变化突变点确定

数据显示，桥沟小流域年径流量和输沙量变幅较大，年均输沙量为3 180.8 m3，年径流量与输沙量总体上具有逐步减小的趋势。

从图6桥沟小流域径流量M-K检验可知，UF值在1986—2001年为正值，说明桥沟小流域径流量的变化趋势是上升的；UF值在2001—2020年为负值，说明桥沟小流域径流量的变化趋势是下降的。其中，2008—2020年UF值超出了90%置信下线，说明该时段内径流显著减少，处于枯水期(13 a)。同时，UF与UB两条曲线交叉于2001年，说明2001年为桥沟流域径流量突变年份。

图6 桥沟小流域年径流量M-K检验

根据UF值大小，将径流量变化划分为3个变化时期：Ⅰ为非显著波动期(1986—1997年)，年均径流量7 903.1 m3；Ⅱ为显著减流期(1998—2016年)，年均径流量445.73 m3；Ⅲ为减流平稳期(2017—2020年)，年均径流量2 005.5 m3。

3.2.2.3 年输沙变化突变点确定

从图7桥沟小流域输沙量M-K检验可知，输沙量与径流量具有基本相同的变化趋势。UF值在1986—1999年为正值，说明桥沟小流域输沙量的变化趋势是上升的；UF值在2000—2020年为负值，说明桥沟小流域输沙量的变化趋势是下降的。其中，2006—2020年UF值超出了90%置信下线，说明该时段内输沙量显著减少。同时，UF与UB两条曲线在1999—2002年期间出现了3次交叉，1999—2002年期间每年输沙量分别为732.15、162.45、864.6、14.47 t，而1986—1998年年平均输沙量为2 861.6 t，2003—2020年年平均输沙量为82.5 t，由此可以得出，2002年为桥沟流域输沙量突变年份。

图7 桥沟小流域年输沙量M-K检验

根据UF值大小，将输沙量变化可划分为3个变化时期：Ⅰ为非显著波动期(1986—1998年)，年均输沙量2 861.6 t；Ⅱ为显著减沙期(1999—2016年)，年均输沙量107.1 t；Ⅲ为减沙平稳期(2017—2020年)，年均输沙量332.6 t，与径流量变化时期基本一致。

含沙量是反映土壤侵蚀强度与等级的重要指标之一。研究时段桥沟小流域平均含沙量为186.6 kg/m3。累积平均含沙量(累积输沙量与累积径流量的比值)基本呈现持续稳定的下降趋势，说明流域水土流失强度在不断地下降。对应输沙量的3个变化时期，年平均含沙量分别为：Ⅰ期318.8 kg/m3；Ⅱ期94.6 kg/m3；Ⅲ期171.1 kg/m3。

3.3 桥沟小流域水沙变化驱动因素分析

3.3.1 水沙相关分析

从图8桥沟历年水沙量的相关关系可以看出，桥沟大部分输沙量与径流量的关系点均密集分布在相关线附近，各年代点据在相关线两侧均有分布，线性拟合程度良好(决定系数R2在0.97以上)，说明水沙关系未出现系统偏离。

图8 桥沟小流域历年径流量-输沙量关系曲线

3.3.2 水沙变化驱动因素分析

影响流域产流产沙的主要因素包括降水、流域下垫面条件以及人类活动3个方面。就同一流域而言，由于地质地貌条件相对稳定，年际间流域面积也相对稳定，故产水产沙量的变化主要受降水和人类活动影响。流域降水是地表产沙的动力条件，其时空分布(包括时间、落区、强度、历时等)对流域产水产沙有直接影响。而水土保持、雨水集蓄、土地利用等人类活动改变了流域下垫面，使产流机制发生了变化[10-11]。因此，水土保持措施和降雨的变化是导致水沙量变化的根本和直接原因。

对桥沟小流域7个时段的径流、泥沙各项变化量分析计算，结果见表3和表4。

表3 桥沟小流域径流衰减分析

表4 桥沟小流域泥沙衰减分析

由表3、4可知，桥沟小流域1986—2020年水沙变化过程中，各时段的影响因素变化情况为：

(1)这7个时段间，整体上降水影响呈现下降趋势，水土保持措施影响呈上升趋势，特别是1999年开始实施退耕还林政策后，水土保持措施影响力大幅上升，而降雨影响对径流泥沙的作用微乎其微。

(2)年径流量影响因子中降水影响占比平均值与人类活动影响占比平均值分别占总减水量的2.57%和97.43%，年输沙量影响因子中降水影响占比平均值与人类活动影响占比平均值分别占总减沙量的1.95%和98.05%。

4 讨 论

(1)由于桥沟内4个雨量站均为汛期(6—9月)雨量站，因此桥沟小流域年降水量借用距桥沟5.5 km的黑家坬雨量站降雨数据，导致年降雨数据与桥沟实际年降水量有一定差异。从秦艳丽[6]对大理河1960—2015年降水数据分析，大理河年降水量呈增加趋势，但增长趋势不明显，与本研究降水趋势相符，因此本研究关于降水趋势的研究也有重要的参考价值。

(2)秦艳丽[6]对大理河1960—2015年径流泥沙变化趋势进行研究，结果表明，大理河年径流量减少幅度为34.85%，年输沙量减少幅度为89.14%，减少趋势均很显著，突变年份均为2002年，与桥沟小流域突变年份基本一致。张富等[4]研究成果表明，祖厉河流域降水量和径流量突变点年份是1995年，输沙量突变点年份是2000年，输沙量突变点年份较径流量突变点年份滞后。本次研究中桥沟小流域径流量突变点年份为2001年，输沙量突变点年份为2002年，输沙量突变点也出现了滞后现象，说明年径流量与年输沙量虽然有极强的关联关系，但输沙量突变点有可能滞后，导致突变点滞后的原因还有待进一步研究。

(3)王小军等[3]研究表明，皇甫川流域近年来水沙衰减的主要原因是水土保持措施，与本研究相符。刘微等[12]采用CPA法对皇甫川径流进行突变分析，得出人类活动是2000年后皇甫川流域径流量减少的主导因素。秦艳丽[6]对大理河年径流量和年输沙量影响因素的研究结果表明，1972—1996年和1997—2015年，人类活动影响下的减水量分别占径流减少量的67.31%和98.79%；1972—2002年和2003—2015年，人类活动影响下的减沙量分别占输沙减少量的89.31%和114.67%。主要原因是1999年起黄土高原实施大规模的退耕还林，封山育林和植被恢复等工程取得明显效果。以上研究均与本研究成果相符，可以得出水土保持措施(人类活动)是年径流量和年输沙量减少的主要原因。

(4)桥沟小流域近35年来水沙锐减的主要原因是水土保持措施的实施等人类活动，这肯定了水土保持工作的成效，但径流量和输沙量于2017年后均呈平稳波动状态，说明随着时间推移，原有措施功能下降，必须结合新的形势，开展高质量治理。

5 结 论

(1)根据桥沟小流域1986—2020年降水量、径流量和输沙量数据分析，年降水量呈上升趋势，但趋势不明显。在显著性水平α=0.05下，年径流量和年输沙量均呈显著下降趋势。

(2)桥沟小流域1986—2020年年平均径流量减幅达85%以上，年平均输沙量减幅达90%以上。

(3)通过Mann-Kendall非参数秩次相关检验法检验突变特征，结果表明桥沟小流域降水基本呈现丰水与枯水交替出现的现象，未有明显突变点，径流量突变年份为2001年，输沙量突变年份为2002年。

(4)桥沟小流域径流量变化为3个变化时期：非显著波动期(1986—1997年)、显著减流期(1998—2016年)、减流平稳期(2017—2020年)。输沙量变化分为3个变化时期：非显著波动期(1986—1998年)、显著减沙期(1999—2016年)、减沙平稳期(2017—2020年)，与径流量变化时期基本一致。

(5)导致桥沟小流域水沙量呈现减少趋势的原因包括降水和人类活动，其中对水沙变异起重要作用的是人类活动。