長江經(jīng)濟(jì)帶巖溶地區(qū)河流水沙特征與石漠化土地相關(guān)性分析

吳協(xié)保，寧小斌，肖金頂，黃俊威，劉 偉，盧 立

(1.國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014；2.安化縣林業(yè)局，湖南 安化 413500)

石漠化是長江中上游地區(qū)的核心生態(tài)問題，事關(guān)長江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展[1-3]。在《中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃》2021年第一、二期上分析了長江經(jīng)濟(jì)帶石漠化土地現(xiàn)狀及動態(tài)變化狀況的基礎(chǔ)上，本文以長江流域巖溶石漠化地區(qū)主要水文站自上世X紀(jì)50年代建站以來的主要水沙監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及國家林業(yè)和草原局三期石漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)[4-5]為基礎(chǔ)，分析主要水文站不同階段水沙特征及變化規(guī)律，并與長江流域及烏江流域石漠化土地動態(tài)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，探討河流水沙特征與石漠化土地動態(tài)變化原因，為“十四五”及今后石漠化防治對策的制訂與生態(tài)修復(fù)實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

本文中石漠化土地現(xiàn)狀及動態(tài)變化數(shù)據(jù)來源于2005—2016年國家林業(yè)和草原局組織的巖溶地區(qū)3次石漠化監(jiān)測成果報告;水文監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料來源于長江流域2000—2016年歷年《中國河流泥沙公報》，主要選擇長江流域巖溶地區(qū)石漠化相對集中分布的水文站，包括長江干流的寸灘站和宜昌站，長江主要支流烏江武隆站、漢江皇莊站、湘江湘潭站、資水桃江站、沅江桃源站和澧水石門站等8個水文站。

1.2 研究方法

利用Excel的數(shù)理統(tǒng)計與圖表功能，對長江流域水文監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析；運(yùn)用Excel趨勢線指數(shù)回歸法對石漠化土地面積與年輸沙量、本世紀(jì)以來各年度年輸沙量變化等進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要水沙特征動態(tài)狀況

2.1.1 年徑流量

長江流域8個主要水文站2000年前多年平均徑流量平均值為1 326.1億m3，較2001—2016年多年平均徑流量偏高8.27%，除湘江湘潭站2000年前多年平均徑流量低于2001—2016年多年平均徑流量1.04%外，其余各主要水文站偏高幅度為1.32%～17.73%，表明長江流域各主要水文站年徑流量有減少趨勢，除與區(qū)域年降雨量緊密相關(guān)外，還和近來流域內(nèi)水利水電設(shè)施建設(shè)、區(qū)域林草植被改善相關(guān)。

2001—2015年間，主要水文站年徑流量實(shí)際變動規(guī)律總體不明顯，但年度間差異明顯，除漢江皇莊站整體呈現(xiàn)遞減趨勢外，其余各水文站2006—2010年徑流量多年平均值總體偏低；而2001—2005年年徑流量多年平均值略高于2011—2015年態(tài)勢，偏高幅度為2.88%～20.17%。

2016年長江流域主要水文站年徑流量平均值較2001—2016年多年平均徑流量高8.27%，除長江寸灘站與本世紀(jì)多年徑流量平均值基本持平、漢江皇莊站低于本世紀(jì)多年徑流量平均值42.24%外，其余各站均較2001—2015年多年徑流量平均值偏高6.34%～36.3%(詳見表1)。

2.1.2 年輸沙量

長江流域各主要水文站2000年前多年平均輸沙量平均值為13 229.3萬t，較2001—2016年多年平均輸沙量高2.89倍；2000年前主要水文站多年平均輸沙量較2001—2016年多年平均值高0.84～8.56倍，表明2001—2016年長江主要水文站年輸沙量遠(yuǎn)低于2000年前年輸沙量；長江干流宜昌站2000年前多年平均輸沙量較2001—2016年高6.14倍，而三峽庫尾干流寸灘站2000年前多年平均輸沙量僅高1.64倍，與三峽大壩2003年截流蓄水，下游宜昌站輸沙量顯著減少緊密相關(guān)。長江流域主要水文站年輸沙量動態(tài)變化，詳見表2。

表2 長江流域主要水文站分階段年輸沙量動態(tài)變化表名稱年平均輸沙量/萬t2000年前2001—2016年2001—2005年2006—2010年2011—2015年2016年長江寸灘44 364.018012.625 571.718 320.010 146.04 250.0長江宜昌50 089.67015.315 972.03 234.01 840.0850.0烏江武隆2 801.8594.71 066.0494.0224.0330.0漢江皇莊5 571.2582.7828.0660.0260.0130.0湘江湘潭1 020.4552.6616.4641.8399.6510.0資水桃江223.653.1101.125.333.0148.0

2001—2016年，主要水文站年輸沙量年際變動規(guī)律總體不明顯，但年度間差異明顯，與主要水文站年徑流量存在一定的正相關(guān)性，即年徑流量大的年份，年輸沙量普遍偏多。2001—2016年間，各水文站年輸沙量總體呈現(xiàn)降低趨勢，主要水文站的年輸量平均值與年度呈對數(shù)相關(guān)減少，R2為0.803 6(詳見圖1)。各主要水文站2001—2005年多年平均輸沙量平均為5620.2萬t，較2006—2010年多2 675.3萬t，較2011—2015年多3 985.8萬t，比2016年高6.76倍，分階段多年平均輸沙量減少趨勢明顯。除湘江湘潭站、資水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年年均輸沙量減少趨勢有異常外，其余各水文站均為2001—2005年多年年均輸沙量大于2006—2010年，且遠(yuǎn)大于2011—2015年。

圖1 長江流域主要水文站年輸沙量平均值動態(tài) 變化圖

2016年長江流域主要水文站年輸沙量平均為831.9萬t，是2001—2016年多年平均的24.5%，而2016年主要水文站年徑流量平均是2001—2016年多年徑流量平均的1.06倍，體現(xiàn)出長江流域年輸沙量總體明顯減少的變化趨勢。

以上結(jié)果表明自1998年長江流域發(fā)生大洪災(zāi)后，除長江流域梯級水利水電設(shè)施建設(shè)力度加大外，國家加大生態(tài)保護(hù)與建設(shè)力度，實(shí)施了天然林資源保護(hù)、退耕還林、珠防長防等防護(hù)林、生態(tài)公益林補(bǔ)償?shù)裙こ?，區(qū)域坡耕地比重下降，林草植被改善，水土流失明顯改善，石漠化土地面積減少，生態(tài)建設(shè)成效日趨顯現(xiàn))。

2.1.3 年平均含沙量

長江流域主要水文站2001—2016年多年年平均含沙量為0.277 6 kg/m3，是2000年前多年年平均含沙量的27.82%；各主要水文站2001—2016年多年年平均輸沙量均低于2000年前，2001—2016年多年年平均輸沙量是2000年前多年平均輸沙量的12.31%～53.59%。漢江皇莊站和長江宜昌站下降幅度最大，主要于三峽水庫修建及丹江口水庫加高及南水北調(diào)工程實(shí)施，水利水電設(shè)施阻滯洪水與泥沙，且下游流量減少緊密相關(guān)。長江流域主要水文站年平均含沙量動態(tài)變化，詳見表3。

表3 長江流域主要水文站年平均含沙量動態(tài)變化表名稱年平均含沙量/kg/m32000年前2001—2016年2001—2005年2006—2010年2011—2015年2016年長江寸灘1.248 20.553 30.751 00.585 00.313 40.131長江宜昌1.140 90.174 30.381 90.085 50.045 30.020烏江武隆0.562 80.133 20.227 20.118 70.052 20.058漢江皇莊1.158 10.142 60.186 10.148 70.070 20.055湘江湘潭0.154 70.082 90.088 70.102 30.062 80.058資水桃江0.096 30.024 60.043 50.012 50.016 20.055

2001—2016年，長江流域各主要水文站年平均含沙量變動規(guī)律與年輸沙量基本保持一致，具體表現(xiàn)為主要水文站年平均含沙量總體呈現(xiàn)下降態(tài)勢，主要水文站的年平均含沙量平均值與年度呈對數(shù)相關(guān)減少，R2為0.837 8(詳見圖2)。2001—2005年主要水文站多年平均含沙量為0.433 4 kg/m3，是2006—2010年的1.73倍，是2011—2015年的3.26倍，是2016年的6.88倍。除湘江湘潭站、資水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年平均含沙量減少趨勢有異常外，其余各水文站均為2001—2005年多年平均含沙量大于2006—2010年，且遠(yuǎn)大于2011—2015年。

圖2 長江流域主要水文站年平均含沙量動態(tài)變化圖

2016年長江流域主要水文站多年平均含沙量平均為0.063 7 kg/m3，為2001—2016年多年平均的22.94%。但資水桃江站、澧水石門站2016年平均含沙量均超過2001—2016多年平均值，分別為2001—2016年多年平均值的2.24倍和1.02倍，主要是2016年徑流量是2001—2016年多年平均值的1.23倍和1.33倍，表明年徑流量大，年平均含沙量亦相對較高。

2.1.4 輸沙模數(shù)

長江流域各主要水文站多年平均輸沙模數(shù)變動規(guī)模與年平均含沙量變動規(guī)律基本保持一致，即各主要水文站2000年前輸沙模數(shù)遠(yuǎn)高于2001—2016年輸沙模數(shù)，而2001—2016年各主要水文站輸沙模數(shù)總體呈減少態(tài)勢。各主要水文站2000年前輸沙模數(shù)多年平均值為57.4 t /(km2·a)，遠(yuǎn)高于2001—2016年多年平均，是其3.89倍；各主要水文站2000年前輸沙模數(shù)多年平均值是2001—2016年多年平均的1.85～9.56倍，其中以漢江皇莊減少幅度最大。21世紀(jì)以來，除湘江湘潭站、資水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年平均輸沙模數(shù)減少趨勢有異常外，其余各水文站均為2001—2005年多年平均輸沙模數(shù)大于2006—2010年，且遠(yuǎn)大于2011—2015年，體現(xiàn)區(qū)域石漠化土地、水土流失面積與土壤流失量均在降低，而區(qū)域林草植被與生態(tài)環(huán)境正在改善。長江流域主要水文站輸沙模數(shù)動態(tài)變化，詳見表4 。

表4 長江流域主要水文站輸沙模數(shù)動態(tài)變化表類別年平均輸沙模數(shù) t/(km2·a)2000年前2001—2016年2001—2005年2006—2010年2011—2015年2016年長江寸灘511.9207.9295.1211.4117.149.0長江宜昌498.269.8158.832.218.38.5烏江武隆337.671.6128.459.527.039.8漢江皇莊392.141.058.346.418.39.1湘江湘潭125.067.775.578.749.062.5資水桃江83.719.937.99.512.455.4

2016年長江流域主要水文站多年平均輸沙模數(shù)平均為3.6 t /(km2·a)，是2001—2016年多年平均的24.47%。但資水桃江站、澧水石門站2016年平均輸沙模數(shù)均超過2001—2016年多年平均值，分別為后者的2.76倍和1.36倍，主要是2016年資水與澧水年徑流量大有關(guān)。

2.2 主要水文站年均輸沙量與石漠化土地動態(tài)變化相關(guān)性分析

本文以長江流域及石漠化土地集中分布、程度較重的烏江流域 (武隆站)為例，2001—2005年多年平均輸沙量對應(yīng)第一次石漠化監(jiān)測成果數(shù)據(jù)(2006年)，2006—2010年多年平均輸沙量對應(yīng)第二次成果數(shù)據(jù)(2011年)，2011—2015年多年平均輸沙量對應(yīng)第3次成果數(shù)據(jù)(2016年)。運(yùn)用Excel趨勢線指數(shù)回歸法分析長江主要水文站平均和武隆站輸沙量與石漠化土地面積的相關(guān)性關(guān)系(圖3)。

圖3 年均輸沙量與石漠化土地面積相關(guān)性分析

結(jié)果表明:長江流域各主要水文站平均和武隆站河流輸沙量分別與長江及烏江流域石漠化土地面積呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，長江流域R2為0.903 5，烏江流域R2為0.984 1；隨石漠化土地面積減少，輸沙量亦降低。2001—2016年河流輸沙量呈現(xiàn)降低，首先與長江流域大型水利水電設(shè)施建設(shè)緊密相關(guān)，比如三峽水電站2003年正式蓄水，蓄水前2001—2003年宜昌站年均輸沙量達(dá)30 566.7萬t，蓄水后的2003—2016年年均輸沙量僅為3 812.9萬t，表明三峽水庫在調(diào)蓄洪水、阻滯泥沙方面作用重大；其次，自21世紀(jì)以來隨著退耕還林還草、珠江防護(hù)林、土地綜合治理等國家重點(diǎn)生態(tài)工程持續(xù)推進(jìn)，尤其是2008年石漠化綜合治理生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施，石漠化土地綜合治理的力度不斷加大；最后，隨著異地生態(tài)扶貧搬遷、城鎮(zhèn)化建設(shè)與勞務(wù)輸出等，巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境承載量降低，人為干擾減少，陡坡耕地比重持續(xù)下降，林草植被結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，喬灌植被比重增加，林草植被綜合蓋度逐年提升，區(qū)域生態(tài)環(huán)境明顯改善，區(qū)域水土流失面積與強(qiáng)度逐年降低，是河流年輸沙量總體減少的主要因素[6]。據(jù)長江水利委員會發(fā)布的《長江流域水土保持公報》(2006—2015年)和《長江流域水土保持公告》(2018年)，截止2013年和2018年，長江流域現(xiàn)有水土流失面積分別為38.46萬km2和34.67萬km2，分別較全國第二次水土流失遙感調(diào)查結(jié)果(2002年)和2013年調(diào)查結(jié)果減少了27.5%和9.85%，水土流失面積與河流輸沙量變化趨勢基本吻合[7-8]。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1) 除湘江湘潭站2000年前多年平均徑流量較2001—2016年多年平均徑流量偏低外，其余各水文站普遍偏高1.32%～17.73%；而2001年以來各水文站年徑流量年際變動規(guī)律不明顯，年度之間差異顯著，除漢江皇莊站呈現(xiàn)遞減趨勢外，其余各站普遍存在2006—2010年徑流量多年平均值較低，而2001—2005年又略高于2011—2015年的趨勢；而2016年除長江寸灘與漢江皇莊年徑流量略低于2001—2015年多年均值外，其余各站均高于2001—2015年多年均值。

2) 各主要水文站2000年前多年平均輸沙量顯著高于2001—2016年多年平均值，較2001—2016年多年平均值高0.84～8.56倍；除湘江湘潭站、資水桃江站和沅水桃源站存在2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年多年年均輸沙量減少趨勢有異常外，其余各水文站均為2001—2005年多年年均輸沙量普遍大于2006—2010年，且遠(yuǎn)大于2011—2015年的特點(diǎn)，主要水文站年輸沙量普遍呈對數(shù)相關(guān)減少態(tài)勢(R2為0.803 6)；且各主要水文站年平均含沙量、輸沙模數(shù)的變動規(guī)律與年輸沙量基本保持一致。

3) 主要水文站年均輸沙量與石漠化土地動態(tài)變化存在指數(shù)正相關(guān)關(guān)系(長江流域R2為0.903 5，烏江流域R22為0.984 1)，河流年輸沙量減少除與流域主要水利水電設(shè)施建設(shè)相關(guān)外，與區(qū)域生態(tài)建設(shè)及石漠化治理工程力度加大，陡坡耕種比重下降，區(qū)域生態(tài)環(huán)境顯明改善，水土流失范圍及強(qiáng)度普遍下降亦緊密相關(guān)。

3.2 討論

通過對長江經(jīng)濟(jì)帶巖溶地區(qū)主要水文站多年水沙特征的系統(tǒng)研究，各主要水文站年徑流量主要受區(qū)域年降雨量大小影響，年際之間變動大，且沒有規(guī)律可循；但河流年輸沙量雖與年徑流量存在一定的正相關(guān)，但各主要水文站2001—2016年間河流年輸沙量、年平均含沙量及輸沙模數(shù)普遍低于20世紀(jì)年輸沙量，且2001—2016年間，總體呈現(xiàn)下降趨勢，除與流域梯級水利水電設(shè)施建設(shè)力度加大，實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄洪水及阻滯泥沙作用相關(guān)外；同時與21世紀(jì)以來生態(tài)工程持續(xù)實(shí)施，石漠化與水土流失面積減少，區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，林草植被修復(fù)后阻滯地表徑流亦存在緊密關(guān)系。因此，科學(xué)推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)石漠化及水土流失綜合治理，擴(kuò)大治理面積，加大治理強(qiáng)度，加快區(qū)域林草植被恢復(fù)，全面改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，是減少河流泥沙含量的治本之策，也是實(shí)現(xiàn)長江經(jīng)濟(jì)帶可持續(xù)發(fā)展的必由之路。