近60年来不同地貌和植被类型区水沙过程及其对生态恢复的响应——以北洛河流域为例

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黄土高原水土流失治理和退耕还林(草)等生态环境建设,对区域水沙过程产生了深刻的影响。本文以北洛河流域为例,基于1960s—2010s实测水文数据,采用非参数检验、经验公式法、基于Budyko假设和分形理论的弹性系数法、Copula函数等方法,对比分析了上(典型丘陵沟壑区)、中(土石山林区和高塬沟壑区)、下游(渭北旱塬农区)3种不同地貌和植被类型区生态恢复对水沙数量、水沙关系、影响因素贡献等的影响及其差异,结果显示:(1)上、中、下游年均径流深分别为30、23、21mm,中游年均产流量占流域总水量的51%。上、中、下游径流深呈极显著减少趋势,负增长分别为-0.28、-0.16、-0.43mm/a。上、中游夏季的产流量占比最大,年均占比分别为51%和43%,下游春季产流量占最大,为50%。与1960s比,上、中、下游2010s洪水期流量(R5)分别减少了63%、45%、60%,上游枯水期流量(R95)增加了68%,中游1980s枯水期开始产流。(2)上、中、下游年均产沙量为0.6、0.05、-0.02亿t,上游年均产沙量占流域总沙量的90%以上。上游产沙量以0.02亿t/a速度极显著降低,中、下游产沙量不显著减少。上、中、下游产沙量均集中在7~9月的主汛期。上、中、下游洪水期输沙量(S5)逐阶段均呈大幅度下降趋势,上游枯水期输沙量(S95)显著减少,下游无输沙日逐年代增加,2010s年均无输沙日达260天。(3)对比1960s,上、中、下游2010s生态恢复等人类活动对径流量减少的贡献率分别为66.3%、97.2%、64.3%;2010s人类活动对上、中、下游输沙量减少的贡献率分别为81.7%、59.2%和92.7%,上游人类活动对输沙量减少的贡献中,退耕还林等沟坡措施和沟道工程措施分别为39.0%、42.7%,而中、下游人类活动贡献的估算结果则反映出高植被覆盖区和农区汲水灌溉对区域径流输沙的影响特征。(4)采用Copula函数,探讨上、中、下游水土流失持续治理(P1,1960—1979;P2,1980—1999)及退耕还林(草)(P3,2000—2019)不同阶段的水沙联合概率变化。表明,Gumbel-Houggar Copula函数模拟上、中游水沙联合概率分布精度高,Frank Copula函数模拟下游水沙联合概率分布精度较好。从P1到P3阶段,5~100年各重现期径流量、输沙数量均显著降低,各设计频率的水沙数量在发生概率上的异步性增强。与P1相比,重现期大于20年的极端水沙事件,联合重现期和同现重现期P3阶段均增加了约1倍。黄土高原生态恢复对水沙过程的影响,主要体现在显著减少径流量,削弱土壤侵蚀,调节水沙丰枯数量、频率,降低极端水沙事件发生概率。不同地貌和植被类型区对生态恢复的响应表现出明显的水沙过程差异,植被盖度低生态恢复程度高的丘陵沟壑区水沙特征演变剧烈,人类活动影响逐渐扩大;植被盖度高干扰程度小的天然次生林区水沙变化主要由气候变化主导,水沙特征演变稍弱;渭北平原农区水沙改变主要受人类活动影响,水沙特征演变较为复杂。
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