北洛河上游次洪水沙过程对生态恢复的响应研究

Abstract

滥砍滥伐和陡坡开垦等不合理的土地利用，使得黄土高原地区生态环境恶化，侵蚀 加剧。1999 年政策性的退耕还林（草）工程实施以来，生态环境得以显著改善。本文选 择退耕还林（草）工程实施效果非常显著的陕北吴起县所在北洛河上游为研究区，基于 吴旗水文站（1963-2011 年）实测日径流、输沙和次洪水径流、输沙数据，以及相应时 期的降雨资料，利用水文统计法，探讨了黄土丘陵沟壑区流域径流、输沙等行为对水土 保持综合治理，尤其对大规模植被恢复的响应规律，为黄土高原水土保持规划、生态建 设和水沙资源管理等提供必要的理论和实践依据。本研究取得的主要结论如下： （1）近 50 年来，流域年径流、输沙量均表现出极显著减少趋势，年均变率分别为 -0.32 mm&middot;a -1 、-228.91 t&middot;km -2 &middot;a -1 。与基准期（1963-1979 年）相比，流域丰、平水期径流 和输沙量，在水土保持综合治理效应期（水保期，1980-2002 年）和退耕还林（草）生 态显著恢复期（生态恢复期，2002-2011 年），呈逐阶段减少趋势。生态恢复期相应发生 概率下的径流量分别减少了 54.6%、27.01%，输沙量则减少程度更大，分别为 96.71%、 90.42%。枯水期基流量则增加了 157.65%，输沙量消失。 （2）与基准期比，水保期年尺度线性水沙关系统计上无显著差异，而与生态恢复 期差异显著。月尺度径流-含沙量关系分析表明，含沙量/径流量比值（C/Q）呈逐阶段降 低趋势，尤其在生态恢复期，6-8 月 C/Q 值减少幅度范围达到 50-81%。生态恢复期日均 含沙量&gt;300 kg&middot;m -3 的高和极高含沙量的洪水事件发生频率下降了约 82%，&lt;300 kg&middot;m -3 的低含沙洪水事件发生频率上升。 （3）在流域汛期降水量无显著变化背景下，年次洪径流量、输沙量表现为极显著 减少趋势，年均变率为-0.27 mm&middot;a -1 、-221.96 t&middot;km -2 &middot;a -1 。次洪发生频次从 10.8 次/年，降 低到 6.7 次/年和 3.6 次/年。平均洪峰峰值和沙峰峰值也随之降低，从基准期的 1744.13 m 3 &middot;s -1 、1091.94 kg&middot;m -3 ，逐阶段降低到1279.65 m 3 &middot;s -1 、941.96 kg&middot;m -3 和368.93 m 3 &middot;s -1 、657.56 kg&middot;m -3 。但是 C-Q 滞后环类型，逐阶断仍以逆时针滞后环为主，逆时针滞后环在研究时 段共 358 次洪水事件中发生了 284 次，发生比例为 73.94%。基准期比例为 79.65%，水 保期和生态恢复期则分别为 80.52%、71.87%。（4）次洪径流量和输沙量的线性关系分析表明，一次项系数（产沙动力系数）从 基准期的 808.87 t&middot;m -3 ，下降为 764.07 t&middot;m -3 和 536.63 t&middot;m -3 。统计检验表明，基准期与水 保期水沙关系存在（P=0.004）显著差异，而水保期与生态恢复期水沙关系差异性显著 增强（P=0.002）。说明水土保持综合治理和生态环境建设总体上降低了该流域的径流产 沙能动关系。 （5）采用 P-III 型频率曲线对次洪过程按重现期分类，与基准期 1-2 年重现期次洪 过程比，后两阶段水沙关系均发生显著变化，其方程结构表现出显著差异。而对于 5 年 以上重现期的次洪水，三阶段水沙关系没有显著差异。说明水土流失的综合治理和随后 的生态植被恢复均能够有效控制高概率、低降雨量中的产流和侵蚀输沙过程，而对小概 率、高降雨量中的产流产沙作用不显著。 关键词：生态恢复；水沙关系；次洪水；响应规律；黄土高原</p