退耕还林对志丹水文站泥沙的影响

王储

陕西省延安水文水资源勘测局，陕西 延安 716000

摘要：通过分析志丹水文站1985年至2019年实测资料，计算周河流域退耕还林政策前后若干年的径流量及输沙量变化，判断植被覆盖率提高状态下的流域产沙输沙状况；计算土壤侵蚀模数，判断退耕还林后水土流失现象是否出现改善；分析泥沙颗粒级配，寻找植被覆盖对产沙粒径级的影响规律。

关键词：志丹水文站；退耕还林；输沙量；侵蚀模数；颗粒级配

1 概况

1.1 测站及流域水文概况

志丹水文站始建于1960年8月，地处陕西省延安市志丹县城关镇，地理位置为东经108°45′50.7″，北纬36°49′11.2″，是黄河流域北洛河一级支流周河上的重要控制站，该站控制集水面积774km²，距河口距离31km。属省级重要水文站，中央报汛站。该站主要观测项目有水位、流量、泥沙、泥颗、降水、水温等。

周河又名周水河，为北洛河左岸一级支流，发源于靖边县周家嘴的饮马坡，从延安市志丹县顺宁乡的大摆沟入境，在该县永宁乡的川口入洛河。流经志丹县的顺宁、周河、保安、双河、永宁五乡镇，64个行政村。周河总长81.3km，境内河长59.4km，总流域面积1336km²，境内流域面积1100.5km²。河流比降平缓，平均比降为3.60‰，河道宽阔，平均宽度达100m。区域气候属于中温带半湿润—半干旱区，具有明显的大陆性季风气候特征，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，夏季旱涝相间，秋季温凉湿润。上游地形分布有高山、峡谷及荒滩，坡度变化大，流域植被较差，水土流失严重，河流两岸地表为黄绵土、淤沙土、盐碱土等。主要支流有厂岔沟，驸马沟，保娃沟，纸坊沟，孙岔沟，麻子沟，土墩台沟，康家沟等。主干河道上至土墩湾，下至康家沟之间，两岸有块台地，由于河流比降平缓，又是沙砾石河床，没有固定式河槽，河水来回倒置掏刷两岸台地，在刘坪到川口一段特别严重。

1.2 退耕还林情况

1999年8月6日，时任国务院总理的朱镕基在延安提出“退耕还林、封山绿化、个体承包、以粮代赈”的十六字方针，要求延安人民“变兄妹开荒为兄妹种树”，实施退耕还林，建设美好家园。

志丹县积极响应国家号召，自1999年开始实施退耕还林至今已20余年，相关数字显示，截至2017年底，志丹县完成国家上一轮（1999年~2013年）退耕还林面积115.53万亩，其中，退耕地还林62.51万亩（生态林56.12万亩、经济林6.39万亩），荒山造林52.12万亩，封山育林0.9万亩；完成市级新一轮退耕地还林面积18.75万亩（生态林17.95万亩、经济林0.8万亩），已纳入国家计划面积11.7万亩。全县林草覆盖率由1999年的29%提高到71%以上；森林覆盖率较退耕前净增14.2个百分点，达到35.2%；水土流失综合治理程度达71.1%，土壤侵蚀量减少46.6%。

1.3 资料审查

针对志丹县退耕还林1999年至2020年的时间节点，本次采用1985年至2019年志丹水文站实测水、沙资料，该资料来源于历年水文年鉴，经审查，所有数据均符合可靠性及代表性的要求。

2 径流量与输沙量分析

2.1 年径流量与输沙量

统计1985年至2019年志丹水文站年径流量与输沙量，以时间为横轴，绘制年径流量与输沙量关系图，见图2-1：

图2-1 志丹水文站1985年至2019年径流量与输沙量关系图

从上图可以看出，1985年至2019年的年径流量与输沙量增减变幅趋势基本一致，峰形同步，但在2004年前后，流域径流量与输沙量明显较往年减少。

为分析流域径流量与输沙量变化规律，特采用双累积曲线法检验其相关性。

所谓双累积曲线，就是在直角坐标系中绘制的同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线，它可用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正，以及水文气象要素的趋势性变化及其强度的分析。

根据志丹水文站1985年至2019年的年径流量与输沙量资料，以累积年径流量为横坐标，累积年输沙量为纵坐标，绘制双累积曲线见图2-2：

图2-2 多年径流量输沙量双累积曲线

从图2-2可以看出，累积曲线在2004年结点处曲线斜率发生变化，说明从2004年起，年水沙量发生突变。经计算，1985年至2004年多年平均径流量为0.298亿m³，多年平均输沙量为760万t；2005年至2019年多年平均径流量仅为0.128亿m³，多年平均输沙量为30.6万t，输沙量的减少幅度远大于径流量的减少幅度。

值得注意的是，虽然水、沙年量发生了变化，但本站水、沙峰仍然基本保持同步，并未出现沙峰滞后的现象。

2.2 侵蚀模数

侵蚀模数是土壤侵蚀强度单位，是衡量土壤侵蚀程度的一个量化指标。也称为土壤侵蚀率、土壤流失率或土壤损失幅度。指表层土壤在自然营力（水力、风力、重力及冻融等）和人为活动等的综合作用下，单位面积和单位时间内被剥蚀并发生位移的土壤侵蚀量；其单位为t/(km

²·a)。其主要与降雨因子、土壤可蚀性因子（由土壤理化性质，如土壤质地、土壤有机质含量等决定）、地形因子（坡长、坡度）、植被因子（植被类型和覆盖度）以及水土保持管理措施因子有关。

以2004年为界，计算1985年至2004年及2005年至2019年多年平均土壤侵蚀模数，结果分别为9816.5 t/(km²·a)及395.3 t/(km²·a)。

经计算，可以认为通过退耕还林恢复流域植被，可以改善土壤侵蚀状态，遏制水土流失。

2.3 径流系数

径流系数为任意时段内径流深度与同时段内降水深度之比。径流系数主要受集水区的地形、流域特性因子、平均坡度、地表植被情况及土壤特性等的影响。径流系数越大则代表降雨越不易被土壤吸收，亦即会增加排水沟渠的负荷。

我们仍然以2004年为界，计算1985年至2004年及2005年至2019年多年平均径流系数，结果分别为0.082及0.032。

陕北地区干旱少雨，蒸发量大，各地为解决生产生活用水修建了大量水利工程用于拦蓄降雨径流、淤地淤田，故而单纯地计算通过水文站断面的径流量并不能代表周河流域的天然径流系数。

3 泥沙颗粒级配分析

3.1 资料说明

1、本站泥颗2006年至2018年实行停三测一，2020年起逢0逢5施测。

2、2009年前采用旧版泥颗规范，粒径级采用0.005、0.010、0.025、0.050、0.10、0.25、0.50、1.0、2.0、5.0序列，2009年之后采用新版序列，即：0.002、0.004、0.008、0.016、0.031、0.062、0.125、0.25、0.5、1.0、2.0、5.0。^[3]

3、2017年之前，该站泥颗分析采用移液管筛分析法，2018年之后，采用马尔文设备分析泥颗，故2017年之前泥颗粒径级为沙重百分数，2018年之后为沙量百分数。

3.2 泥颗级配规律分析

查询1985年至2018年月年平均悬移质颗粒级配表，统计历年平均悬移质颗粒级配，以沙重、沙量百分数为横轴，粒径级为纵轴，绘制历年平均悬移质颗粒级配图3-1：

图3-1 历年平均悬移质颗粒级配图

从上图可以看出，从2006年开始，泥沙颗粒级配在同等沙重、沙量百分数条件下，粒径级明显小于2006年之前的资料系列。

中数粒径与平均粒径作为泥沙颗粒的参数之一，可以直观反映出颗粒直径的水平，1985年至2018年中数粒径与平均粒径对照表见表3-1：

表3-1 中数粒径与平均粒径对照表 单位：mm

年份	1985	1986	1987	1988	1989	1990	1991	1993
中数粒径	0.030	0.030	0.033	0.029	0.027	0.030	0.030	0.027
平均粒径	0.035	0.041	0.039	0.034	0.029	0.033	0.034	0.032
年份	1995	1996	1997	1998	2006	2010	2014	2018
中数粒径	0.028	0.017	0.022	0.011	0.015	0.010	0.007	0.023
平均粒径	0.030	0.034	0.030	0.022	0.024	0.018	0.013	0.033

从上表可知，周河流域泥沙颗粒级配粒径逐年减小，2018年略有反弹，是因为当年流域内发生暴雨洪水冲刷地表所致。

陕北山区洪水主要以暴雨洪水为主，产流主要为超渗产流，降雨冲刷地表，将泥沙带入河道。在植被不佳的情况下，遭遇暴雨，会发生产流并携带大量泥沙，植被恢复后，树木可以拦截并含蓄降水，使其冲击地表的能力下降，产流时间推迟或不产流，植物根系可以固定大颗粒土壤并吸收土壤内的水分，再加上上游拦水建筑物的共同作用，致使流域在年降水量变幅不大的情况下，年径流量逐年变小，小颗粒泥沙被雨水裹挟进入河道。在这种情况下，如遇高强度暴雨，且超出树木可以含蓄的水量限制，极易将树木固定的大颗粒土壤冲刷进入河道，改变原有颗粒级配。

4 结论

通过二十多年的退耕还林建设，志丹县森林覆盖率显著提高，良好的植被条件使得流域含蓄雨水、守土固沙的能力得到提升，同等雨强条件下，发生洪水的概率明显降低。^[4]分析1985年至2019年资料，可以认为通过退耕还林建设，周河流域下垫面情况发生变化，能够大量削减周河流域产沙、输沙量，改善原有的水土流失环境。

参考文献：[1] 中华人民共和国水利部.水文资料整编规范[S].北京: 中国水利水电出版社,SL247-2012.

[2]中华人民共和国水利部.河流流量测验规范[S].北京:中国计划出版社,GB50179-2015.

[3]中华人民共和国水利部.河流悬移质泥沙测验规范[S].北京:中国计划出版社,GB50159-2015.

[4]杨洁.退耕还林对志丹水文站径流的影响[J].陕西水利，2019，（9）: 52-53.

作者简介：王储(1989-)，男，陕西延安人，助理工程师，主要从事水文水资源工作。联系方式：18091168181。