黃土丘陵溝壑區(qū)呂二溝流域水沙關(guān)系變化分析

晏清洪，原翠萍，雷廷武，3?，雷啟祥，張滿良，蘇廣旭

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，100083，北京;2.北京國泰天平行土地規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，100873，北京;3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌;4.黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，741000，甘肅天水)

流域水土流失受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響［1-6］。降雨是導(dǎo)致水土流失的原動(dòng)力，降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)等降雨特征與土壤侵蝕密切相關(guān)［1，7］。人類活動(dòng)通過改變土地利用方式和實(shí)施水土保持措施來改變流域下墊面，變化的土地覆被狀況與近地表面的蒸散發(fā)、截留、填洼、下滲等水文要素及其產(chǎn)匯流過程密切相關(guān)，使產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制發(fā)生變化［5，8-11］。黃土丘陵溝壑區(qū)是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和水土保持生態(tài)建設(shè)的大力推進(jìn)，該地區(qū)的人類活動(dòng)不斷加劇。加之在氣候變化的影響下，流域下墊面和降雨等水文要素進(jìn)一步發(fā)生變化，從而引起流域水沙發(fā)生新的變化。只有了解流域水沙變化的原因，認(rèn)識(shí)流域水沙關(guān)系的變化趨勢(shì)，才能科學(xué)地制訂流域水土流失治理方案。

黃土丘陵溝壑區(qū)流域水沙變化程度和原因，以及流域水沙關(guān)系的變化趨勢(shì)已為多方所關(guān)注［10］。黃土丘陵溝壑區(qū)許多流域具有較好的水沙關(guān)系［11-12］，雖然實(shí)施水土保持措施能減少黃土丘陵溝壑區(qū)流域的徑流量和輸沙量［1-2，4，13］、改變徑流和泥沙過程［13-15］，但鄭明國等［12］研究表明增加植被覆蓋不會(huì)改變流域的水沙關(guān)系;而劉淑燕等［9］研究得到黃土丘陵溝壑區(qū)對(duì)比流域橋子?xùn)|溝和橋子西溝在次降雨量、降雨強(qiáng)度較小、土地利用變化不明顯的情況下，2流域次降雨水沙關(guān)系差異不顯著，在次降雨量、降雨強(qiáng)度較大和土地利用變化明顯時(shí)2流域次降雨水沙關(guān)系差異顯著。

目前，大多數(shù)研究者對(duì)流域水沙關(guān)系的研究，多采用線性函數(shù)或冪函數(shù)進(jìn)行擬合分析流域出口徑流量和輸沙量之間的關(guān)系［8，12，16-18］。盡管對(duì)流域水沙關(guān)系用線性函數(shù)或冪函數(shù)擬合可獲得較滿意的效果，但該方法也存在一些局限性，比如，當(dāng)收集的徑流和泥沙數(shù)據(jù)較少，并且數(shù)據(jù)中夾雜有異常點(diǎn)時(shí)，用線性函數(shù)或冪函數(shù)擬合所得的結(jié)果就變得十分不可靠。異常點(diǎn)因有較大的偏差，增加了殘差大的數(shù)據(jù)對(duì)擬合線的影響，從而異常點(diǎn)會(huì)把擬合線拉得離它更近一些，導(dǎo)致擬合線“失真”較大。而通常的做法是憑直覺和經(jīng)驗(yàn)將異常值剔除，這樣處理有2方面不足:一方面是剔除異常點(diǎn)后獲得的線性擬合函數(shù)會(huì)因此受到影響(因?yàn)闇p少了樣本量，尤其當(dāng)數(shù)據(jù)較少時(shí)更為突出);另一方面，異常點(diǎn)恰好在某些方面真實(shí)反映了一些水沙變化的特殊情況，不應(yīng)隨意剔除。因此，需采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)流域水沙關(guān)系的變化，避免少數(shù)異常值的干擾。

呂二溝流域在土壤侵蝕類型上可作為黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的典型代表，是水土流失綜合治理的典型小流域，曾作為水土流失綜合治理典型在全國推廣［19-20］;因此，呂二溝流域可作為典型流域來探討水土流失綜合治理對(duì)流域水沙關(guān)系變化是否具有顯著影響。筆者以呂二溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究分析流域次洪水事件降雨、徑流和輸沙之間的關(guān)系，并采用Mann-Kendall法檢驗(yàn)流域降雨-徑流關(guān)系和徑流-輸沙關(guān)系的變化趨勢(shì)和顯著性，為進(jìn)行流域治理規(guī)劃和水土流失治理效益評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呂二溝流域位于甘肅省天水市南郊(E 105°41′～105°45′，N 34°30′～ 34°35′)，屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，是渭河支流藉河右岸的一級(jí)支溝，呈南—北流向(圖1)。流域呈狹長(zhǎng)帶狀，面積為12.01 km2，流域形狀系數(shù)為0.25;地勢(shì)南高北低，最高海拔1 707 m，相對(duì)高差532 m，平均比降7.24%;流域內(nèi)溝壑縱橫，溝壑密度3.82 km/km2，溝壑總面積2.33 km2，占流域總面積的19.3%，溯源侵蝕嚴(yán)重。地質(zhì)構(gòu)造上屬隴中盆地東南邊緣地帶，地層微向北傾斜，單斜構(gòu)造，局部地方有斷層。流域內(nèi)共有8種土壤，分布最廣的是梁坡的黃土質(zhì)灰褐土，土壤質(zhì)地為中壤，厚度在50 cm以上;其次為含黏土或砂礫薄層坡積黃土質(zhì)灰褐土，土壤質(zhì)地為中壤，厚25～100 cm;土壤質(zhì)地為砂壤的砂礫質(zhì)灰褐土型粗骨土及土壤質(zhì)地為黏土、含少量粉砂的紅黏土質(zhì)灰褐土型粗骨土;其余土種分布很少［7］。呂二溝流域上游(石門以上)農(nóng)田較少，植被較好，覆蓋度70%以上，石門以下覆蓋度較差［7-8］。

圖1 研究區(qū)位置Fig．1 Location of the study site

呂二溝流域在1982—2010年的平均降水量為597.9 mm。降水年際變化大:最大年降水量947.1 mm，出現(xiàn)在2003年;最小年降水量382.9 mm，出現(xiàn)在1996年。年內(nèi)降水主要集中于6—9月，降水占全年降水量的85.6%，汛期降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。根據(jù)1982—2010年水文觀測(cè)資料，呂二溝流域平均年徑流總量為33.34萬m3，其中汛期平均徑流量為27.89萬m3，占年總量的83.6%;流域平均年輸沙總量為2.43萬t，其中汛期平均輸沙量為2.14萬t，占年總量的87.8%。

呂二溝流域于1953年開始進(jìn)行選點(diǎn)調(diào)查，并確定為重點(diǎn)治理流域進(jìn)行治理。1980年起，黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站積極配合地方又加大了對(duì)呂二溝坡面、溝道綜合治理的力度，以植物措施為主，工程措施主要有挖魚鱗坑、培地埂、建谷坊。1998年呂二溝流域被列入黃河流域水土保持藉河示范區(qū)工程項(xiàng)目治理流域。截至2000年底，呂二溝流域治理面積達(dá)到6.88 km2，占流域總面積的57.3%，其中林地面積401.91 hm2(多系新造幼林)，牧草地面積 94.73 hm2，水平梯田 191.72 hm2［19］。此外，水利水土保持工程措施主要有攔泥壩1座，土柳谷坊101座，澇池7座，水窖多處，這些工程措施大部分已不能繼續(xù)發(fā)揮效益［19-20］。

呂二溝流域的土地利用動(dòng)態(tài)變化情況見表1［4］。1982年，流域坡耕地和草地占主要地位，分別占流域總面積的33.34%和32.76%，二者之和占流域總面積的66.10%，其次是林地、梯田、其他和裸地。到1993年，林地面積比例顯著增長(zhǎng)，達(dá)到31.45%，梯田、裸地和其他增長(zhǎng)較少，坡耕地和草地面積比例分別減少到21.89%和28.79%。2004年，林地面積比例增長(zhǎng)到42.29%，坡耕地面積略有增長(zhǎng)，草地面積比例減少到19.23%。

表1 呂二溝土地利用類型占流域面積比例Tab．1 Proportion of different land uses area in Lu'ergou Watershed %

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文所用到的呂二溝流域的水文泥沙數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，數(shù)據(jù)年限為1982—2010年，共計(jì)產(chǎn)生75場(chǎng)次洪水事件，其中有1場(chǎng)次洪水事件數(shù)據(jù)不完整，因此，篩選得到74場(chǎng)次洪水事件。呂二溝流域內(nèi)布設(shè)了5個(gè)雨量站，在呂二溝流域出口設(shè)立了徑流泥沙測(cè)站(圖1)。

為了研究降雨特征對(duì)徑流、輸沙和水沙關(guān)系的影響，選取以下降雨、徑流和輸沙的相關(guān)變量進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析:次降雨量(P，mm)，一次降雨的總量;降雨歷時(shí)(D，min)，次降雨事件過程的長(zhǎng)度;平均降雨強(qiáng)度(I，mm/h)和最大30 min降雨強(qiáng)度(I30max，mm/h)，降雨強(qiáng)度;前 1 天降雨量(P1d，mm)、前3 天降雨量(P3d，mm)、前 5 天降雨量(P5d，mm)、前7 天降雨量(P7d，mm)、前 9 天降雨量(P9d，mm)和前11天降雨量(P11d，mm)，表征次洪水事件前期土壤水分情況;徑流深(H，mm)，單位面積流域產(chǎn)流量;徑流系數(shù)(RC)，降雨量和徑流量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，表征了流域的降雨產(chǎn)流能力;洪峰流量(Qmax，m3/s)，次洪水事件徑流過程的峰值;輸沙模數(shù)(Ms，t/km2)，單位面積流域輸沙量;平均含沙量(S，kg/m3)，表征了次洪水事件的徑流量和輸沙量之間的平均關(guān)系;最大含沙量(Smax，kg/m3)，表征了次洪水事件的最大輸沙能力。分析它們之間的關(guān)系對(duì)認(rèn)識(shí)次洪水事件水沙變化的影響因素具有重要意義。

將74場(chǎng)次洪水事件構(gòu)建時(shí)間序列，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行流域次洪水事件徑流系數(shù)和平均含沙量變化趨勢(shì)的判別。Mann-Kendall檢驗(yàn)法是由國際氣象組織(WMO)推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法，是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，與參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法相比，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，而且計(jì)算也比較簡(jiǎn)單，是目前比較常用的趨勢(shì)診斷方法［20-21］。具體計(jì)算步驟［21］如下:

1)對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列

式中:Sk為第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，S1=0;ri為時(shí)間序列x的第i時(shí)刻數(shù)值與j時(shí)刻數(shù)值的大小判定值。

2)在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量

式中:Uk為Mann-Kendll檢驗(yàn)法的統(tǒng)計(jì)值(簡(jiǎn)稱為MK 值，下同)，U1=0;E(Sk)和 var(Sk)分別為 Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，具有相同連續(xù)分布時(shí)，它們可分別由下式計(jì)算:

按時(shí)間序列逆序 xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時(shí)使 Vk=-Uk，k=n，n-1，…，1，V1=0。

3)繪制Uk和Vk曲線圖。

Ui為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|Ui|＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。若MK值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果Uk和Vk2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開始的時(shí)刻［22］。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域水沙變化特征

在74場(chǎng)次洪水事件中，64場(chǎng)次洪水事件發(fā)生在汛期，10場(chǎng)發(fā)生在非汛期。對(duì)74場(chǎng)次洪水事件的降雨、徑流和泥沙變量進(jìn)行了描述統(tǒng)計(jì)分析，詳見表2。

表2 呂二溝流域次洪水事件描述統(tǒng)計(jì)特征(n=74)Tab．2 Descriptive statistics of flood events in Lu'ergou Watershed(n=74)

統(tǒng)計(jì)分析得到呂二溝流域降雨產(chǎn)流的最小降雨量為6.7 mm，這次洪水事件發(fā)生在1985年5月18日;最大次降雨量達(dá)到144.7 mm，發(fā)生在2005年6月30日，但次降雨量超過100 mm的洪水事件總共只有3次，超過平均值38.8 mm的洪水事件也僅占所有事件的35.1%。次洪水事件的降雨歷時(shí)變化范圍為40～4 636 min，平均降雨歷時(shí)為840 min;降雨歷時(shí)超過1 000 min的洪水事件僅有20場(chǎng)(27.0%)，而降雨歷時(shí)小于540 min的洪水事件達(dá)到了38場(chǎng)(51.4%)。次降雨平均降雨強(qiáng)度的最小值為0.9 mm/h，洪水事件發(fā)生在1984年7月9日，降雨量為57.7 mm，但降雨歷時(shí)較長(zhǎng)，達(dá)到4 063 min;次降雨平均降雨強(qiáng)度的最大值達(dá)到36.8 mm，洪水事件發(fā)生在2001年7月24日，降雨量為24.5 mm，但降雨歷時(shí)最短，只有40 min。次降雨平均降雨強(qiáng)度超過10 mm/h的洪水事件僅有13場(chǎng)(17.6%)，小于 5 mm/h的洪水事件 46場(chǎng)(62.2%)。前期降雨量的變化范圍較大，前1天、3天、5天、7天、9天和11天降雨量序列的變差系數(shù)Cv分別為3.18、1.47、1.14、0.95、0.89 和0.75。

次洪水事件徑流深的變化范圍為0.4～32.8 mm，平均值為4.7 mm，徑流深超過10 mm的洪水事件僅有10場(chǎng)(13.5%)，小于1 mm的洪水事件17場(chǎng)(23.0%)。徑流系數(shù)的變化范圍為0.021～0.390，平均值為0.1，徑流系數(shù)大于0.2的洪水事件僅占10場(chǎng)(13.5%)，小于0.05的洪水事件達(dá)到24場(chǎng)(32.4%)。最小輸沙模數(shù)為34.2 t/km2，洪水事件發(fā)生在2003年7月7日;最大輸沙模數(shù)為3 718.0 t/km2，發(fā)生在2007年8月8日;輸沙模數(shù)超過1 000 t/km2的洪水事件為14場(chǎng)(18.9%)，由圖2可知，這14場(chǎng)洪水事件的累積降雨量、累積徑流量和累積輸沙量分別占總量的30.5%、53.5%和63.7%。次洪水事件平均含沙量的變化范圍雖然為46.3 ～329.0 kg/m3，平均值為 129.1 kg/m3，但是變差系數(shù)Cv僅為0.54，表明呂二溝次洪水事件的平均含沙量變異程度較小。

圖2 次洪水事件降雨量、徑流量和輸沙量累積比例與次洪水事件場(chǎng)次累積比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系(洪水事件根據(jù)輸沙量減小順序排列)Fig．2 Percentage of accumulated precipitation，runoff andsuspended sediment transport in relation to the percentage of events(Events were ranked decreasingly according to sediment delivery)

3.2 降雨-徑流-輸沙關(guān)系

研究構(gòu)建了呂二溝流域降雨、徑流和泥沙變量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣，詳見表3?？梢钥闯?P和D 都與H、Ms、RC具有顯著的相關(guān)性(P ＜0.01)，表明P和D是呂二溝流域降雨產(chǎn)流和輸沙的主要影響因素。次降雨量大于50 mm且降雨歷時(shí)大于1 000 min的洪水事件共計(jì)12場(chǎng)(16.2%)，但它們的徑流量和輸沙量分別占74場(chǎng)次洪水事件徑流總量和輸沙總量的52.4%和45.2%。I與H在P＜0.05水平上具有顯著負(fù)相關(guān)性，但與Ms和RC都不具有顯著相關(guān)性。I30max與H、Ms和RC都不具有顯著相關(guān)性。但I(xiàn)和I30max都與S和Smax具有顯著相關(guān)性(P＜0.01)，表明降雨強(qiáng)度是呂二溝流域輸沙的重要影響因素。表3顯示前期降雨量與流域的徑流量和輸沙量都不具有顯著相關(guān)性，但前期降雨量中P3d和P11d與RC在P＜0.05水平上顯著相關(guān)，P7d和P9d與RC在P＜0.05水平上顯著相關(guān)，其中P7d與RC相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)最大，為0.324。這是因?yàn)榍捌诮涤炅靠梢员碚髁饔蚯捌谕寥篮康那闆r，前期土壤含水量對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤入滲能力具有顯著影響［23］，從而影響流域的降雨產(chǎn)流能力。降雨特征可由實(shí)測(cè)雨量資料來決定;但由于土壤含水量的實(shí)測(cè)資料很少，流域內(nèi)前期水分條件很難獲得，因此目前通用前期降雨量來代表次洪水事件前的土壤含水量［24］。

對(duì)呂二溝流域的次降雨量和徑流深進(jìn)行線性擬合(圖3)，顯示線性關(guān)系式的F檢驗(yàn)值為170.83，顯著性概率Sig.=0.000＜0.01，表明呂二溝流域次降雨量和徑流深之間具有顯著的線性擬合關(guān)系;R2為0.51，表明次降雨量能解釋徑流深變異的51%。但圖3顯示1984-08-01洪水事件和2003-09-29洪水事件的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離線性關(guān)系線距離較大。2003-09-29洪水事件徑流深最大，數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離擬合線距離最大，這可能是因?yàn)檫@場(chǎng)洪水事件的降雨歷時(shí)最長(zhǎng)，達(dá)到了4 636 min，降雨量也較大，達(dá)到了85.0 mm。1984-08-01洪水事件的降雨量和降雨歷時(shí)雖然都小于2003-09-29洪水事件，分別為77.1 mm和1 318 min，但是前7天降雨量較大，達(dá)到了47.2 mm。降雨所產(chǎn)生的徑流量主要依賴于降雨開始時(shí)流域的初始土壤水分條件和降雨特征，包括降雨量、歷時(shí)和降雨強(qiáng)度。表3顯示P和D都與H具有顯著正相關(guān)性，皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.747和0.730，表明降雨量和降雨歷時(shí)越大，流域的產(chǎn)流量越多;P7d與RC具有顯著正相關(guān)性，表明前期降雨量越大，洪水事件的前期土壤水分越飽和，流域的降雨產(chǎn)流能力越強(qiáng)。黃土丘陵溝壑區(qū)流域產(chǎn)流方式以超滲產(chǎn)流為主，隨著降雨量越大和降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，降雨前期使流域土壤水分達(dá)到飽和，后期降雨量全部產(chǎn)流，使流域徑流量增大。

表3顯示，H與Ms之間的相關(guān)系數(shù)值最大，達(dá)到0.84，表明H與Ms之間具有顯著相關(guān)性(P＜0.01)。用線性函數(shù)對(duì)H與Ms進(jìn)行擬合(圖4)，F(xiàn)值為304.24，顯著性概率Sig.=0.000＜0.01，表明呂二溝流域徑流深和輸沙模數(shù)之間具有顯著的線性擬合關(guān)系，R2達(dá)到0.7，表明徑流深能解釋輸沙模數(shù)變異的70%。Qmax與H在P＜0.05水平上顯著相關(guān)，與RC、Ms、S和Smax在P＜0.01水平上顯著相關(guān)，表明Qmax是流域產(chǎn)流輸沙的重要影響因素，這是由于黃土丘陵溝壑區(qū)小流域坡面破碎、溝道比降大，較大的洪峰流量能把一些不易侵蝕、搬運(yùn)的物質(zhì)破壞搬運(yùn)出流域出口［25］。

表3 呂二溝流域降雨、徑流和輸沙變量皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣(n=74)Tab．3 Pearson correlation matrix among rainfall，runoff and suspended sediment transport related variables in Lu'ergou Watershed(n=74)

圖3 次洪水事件降雨-徑流關(guān)系Fig．3 Event-based relationship between precipitation and runoff depth

3.3 徑流系數(shù)變化趨勢(shì)分析

圖4 次洪水事件徑流-輸沙關(guān)系Fig．4 Event-based relationship between runoff depth and suspended sediment yield per unit area

次洪水事件的徑流系數(shù)表征了流域的降雨量和徑流量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即流域降雨產(chǎn)流能力，徑流系數(shù)的變化表現(xiàn)了流域降雨能力的變化。呂二溝流域74場(chǎng)次洪水事件的徑流系數(shù)時(shí)間序列變化過程的MK檢驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可以看出在1985年8月24日發(fā)生的洪水事件是次洪水事件序列的突變點(diǎn)，突變點(diǎn)之后的呂二溝徑流系數(shù)MK值都小于0，而且絕大部分 MK值都超出了置信下限(α=-1.96)，表明呂二溝流域徑流系數(shù)呈顯著減小趨勢(shì)，流域降雨-徑流關(guān)系發(fā)生顯著變化。1985-08-24洪水事件之前的10場(chǎng)次洪水事件的平均徑流系數(shù)為0.21，之后的63場(chǎng)次洪水事件平均徑流系數(shù)為0.087。表3顯示P、D和P7d與RC顯著相關(guān)，因此以RC為因變量，以P、D和P7d為自變量，對(duì)呂二溝74場(chǎng)次洪水事件進(jìn)行多元線性回歸，得到的多元線性函數(shù)決定系數(shù)為0.28，表明P、D和P7d可以解釋RC變異的28%。土地利用變化對(duì)流域降雨-徑流關(guān)系的變化也具有顯著影響，呂二溝流域在1982—2010年期間，植被覆蓋度呈遞增趨勢(shì)。許多研究［26-28］表明，林地、草地等植被覆蓋類型土壤的入滲性能要高于其他土地利用類型;因此，呂二溝流域植被覆蓋面積的增加提高了流域土壤入滲性能，從而降低了呂二溝流域降雨產(chǎn)流的能力，是徑流系數(shù)呈減小趨勢(shì)的主要影響因素。

圖5 次洪水事件徑流系數(shù)序列Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig．5 Mann-Kendall test for event-based runoff coefficients

3.4 平均含沙量變化趨勢(shì)分析

次洪水事件平均含沙量表征了流域的徑流-輸沙關(guān)系，呂二溝流域次洪水事件平均含沙量時(shí)間序列變化過程的MK檢驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 次洪水事件平均含沙量序列Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig．6 Mann-Kendall test for event-based mean suspended sediment concentrations

可以看出，次洪水事件平均含沙量序列的MK值都在置信變化區(qū)間范圍內(nèi)，表明流域次洪水事件平均含沙量變化趨勢(shì)不顯著，流域的徑流-輸沙關(guān)系沒有發(fā)生顯著變化。表3中顯示S與I和I30max顯著相關(guān)，若以S為因變量、I和I30max為自變量進(jìn)行多元線性回歸，得到的多元線性函數(shù)決定系數(shù)僅為0.25，表明 I和I30max只能解釋平均含沙量變化的25%。呂二溝流域治理措施以植物措施為主，由于植被措施難以改變溝道的輸沙能力和黃土丘陵溝壑區(qū)流域泥沙來源充沛的特點(diǎn)，因此植被措施也不會(huì)改變其水沙關(guān)系［12］。雖然流域布設(shè)了一些水利水土保持工程措施，但這些工程措施大部分已不能繼續(xù)發(fā)揮效益，對(duì)流域的水沙關(guān)系沒有產(chǎn)生明顯影響。

4 結(jié)論

1)降雨量和降雨歷時(shí)是呂二溝降雨產(chǎn)流和輸沙的主要影響因素，流域的水土流失量主要由大雨量和長(zhǎng)歷時(shí)的降雨事件產(chǎn)生。前期降雨量中P7d與徑流系數(shù)的相關(guān)性最顯著。呂二溝流域具有較好的水沙關(guān)系，徑流量和輸沙量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.84。

2)1985年8月24日發(fā)生的洪水事件是呂二溝流域次洪水事件徑流系數(shù)序列的突變點(diǎn)，突變點(diǎn)之后流域徑流系數(shù)呈顯著減小趨勢(shì)。土地利用變化尤其植被覆蓋面積的增加是呂二溝流域降雨-徑流關(guān)系變化的主要原因。

3)在以植被措施為主的水土流失綜合治理?xiàng)l件下，呂二溝流域的次洪水事件平均含沙量沒有發(fā)生顯著變化，表明植被措施沒有顯著影響呂二溝流域的水沙關(guān)系。

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