北洛河流域生态环境变迁及对水资源和水沙关系的影响.pdf
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1、DOI:10.16030/ki.issn.1000-3665.202305018韩双宝,王赛,赵敏敏,等.北洛河流域生态环境变迁及对水资源和水沙关系的影响 J.水文地质工程地质,2023,50(6):14-24.HAN Shuangbao,WANG Sai,ZHAO Minmin,et al.Ecological environmental changes and its impact on water resources and water-sediments relationship in Beiluo River BasinJ.Hydrogeology&Engineering Geolo
2、gy,2023,50(6):14-24.北洛河流域生态环境变迁及对水资源和水沙关系的影响韩双宝1,2,3,王赛1,赵敏敏1,吴玺1,4,袁磊1,李海学1,5,李甫成1,马涛1,李文鹏6,郑焰2(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定071051;2.南方科技大学环境工程与科学学院,广东 深圳518055;3.哈尔滨工业大学环境学院,黑龙江 哈尔滨150090;4.湖北省地质局第一地质大队,湖北 大冶435000;5.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉430078;6.中国地质环境监测院,北京100081)摘要:黄土高原地区水土流失严重,水资源短缺,生态系统脆弱,限制了该区
3、域的社会和经济发展。针对人类活动将如何影响黄土高原水沙变化以及如何配置退耕还林还草面积的问题,目前尚缺乏定量分析和研究。以黄土高原渭河子流域北洛河流域为研究区,分析了北洛河流域近 20 a 降雨、径流、水资源量、产沙量和归一化植被指数的时空变化,建立了流域分布式水文模型,定量评价了退耕还林还草对水资源和水沙关系的影响,探索了不同决策条件下的最优退耕方案。结果表明:流域水资源总量、径流量、地下水资源量和产沙量呈现递减趋势,年均减少量分别为 0.07108 m3、0.01108 m3、0.012108 m3、163104 t;归一化植被指数和降水呈现递增趋势,年均增加量分别为 0.006 4,0.
4、65108 m3;生态环境变化导致径流量和产沙量减少,流域分布式水文模型模拟显示退耕还林还草或植被覆盖率增加会导致流域径流量和产沙量共同减少,但产沙量的响应更为敏感;综合考虑径流与产沙的影响,基于多目标优化提出了退耕还林还草面积的优化配置建议,最优退耕面积约为全部耕地面积的 28.1%。本研究可为黄土高原地区生态环境建设、水土保持、水沙资源的合理利用提供决策支持。关键词:生态环境;水沙关系;归一化植被指数;分布式水文模型;退耕还林还草;北洛河流域中图分类号:P641.6;X143 文献标志码:A 文章编号:1000-3665(2023)06-0014-11Ecological environm
5、ental changes and its impact on waterresources and water-sediments relationship in Beiluo River BasinHAN Shuangbao1,2,3,WANG Sai1,ZHAO Minmin1,WU Xi1,4,YUAN Lei1,LI Haixue1,5,LI Fucheng1,MA Tao1,LI Wenpeng6,ZHENG Yan2(1.Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey,China Geological Survey
6、,Ministry of NaturalResources,Baoding,Hebei071051,China;2.School of Environmental Science and Engineering,SouthernUniversity of Science and Technology,Shenzhen,Guangdong518055,China;3.Collage of Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang150090,China;4.The First Geological brigade
7、 ofHubei Geological Bureau,Daye,Hubei435000,China;5.School of Environmental Studies,ChinaUniversity of Geosciences,Wuhan,Hubei430078,China;6.China Institute for Geo-EnvironmentalMonitoring,Beijing100081,China)收稿日期:2023-05-17;修订日期:2023-07-19投稿网址:基金项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20221754;DD20230077)第一作者:韩双宝(1983-
8、),男,硕士,高级工程师,主要从事水文水资源研究。E-mail:通讯作者:王赛(1984-),女,博士,高级工程师,主要从事水文水资源模拟。E-mail: Vol.50 No.6水文地质工程地质第 50 卷 第 6 期Nov.,2023HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGY2023 年 11 月Abstract:The Loess Plateau region is seriously affected by soil erosion,water scarcity,and fragile ecosystems,which severely hinder social
9、and economic development in the region.There is currently a lack of quantitativeanalysis and research on how human activities will affect the changes in water and sediment on the Loess Plateauand how to allocate the areas for reforestation and grassland restoration.This study focuses on the Beiluo R
10、iverBasin in the Loess Plateau,analyzing the spatiotemporal variations of precipitation,runoff,water resources,sediment yield and normalized difference vegetation index(NDVI)over the past 20 years.The study establishes adistributed hydrological model for the basin,quantitatively evaluates the impact
11、 of returning farmland to forestsand grassland on water resources and sediment transport,and explores the optimal land retirement plan underdifferent decision-making conditions.The results show that the total water resources,runoff,groundwaterresources and sediment yield in the basin are decreasing,
12、and the annual reductions are 7108 m3,1108 m3,1.2108 m3,and 1.6104 tons respectively.While NDVI and precipitation is increasing,and the annual increasesare 0.006 4 and 65108 m3 respectively.The continuous increase in NDVI has resulted in a reduction in runoffvolume and sediment transport.Returning f
13、armland to forests and grassland or increasing vegetation density canreduce the amount of runoff and sediment transport,with sediment transport being more sensitive.Consideringboth the impact on runoff and sediment transport,based on multi-objective optimization,an optimal allocationproposal for the
14、 area of returning farmland to forest and grass is proposed.The optimal land retirement area is28.1%.This study provides decision-making support for ecological environment construction,soil and waterconservation,and rational utilization of water and sediment resources in the Loess Plateau region.Key
15、words:ecological environment;water-sediment relationship;NDVI;distributed hydrological model;grain-for-green project;Beiluo River Basin 近几十年来,全球气候变化导致局地气温升高,降水减少,极端气象事件频发,给人们生产生活和社会经济的发展造成重大损失1。人口增长、城市化进程加快、毁林开荒、工矿建设不注重环境保护等问题加剧了水资源供需的矛盾2。有限的水资源量不仅要满足人类的生产生活用水,还要满足流域自身的生态需水。北洛河为渭河的一级支流、黄河的二级支流,在陕西省境
16、内长度最大。过去几十年的开荒耕种造成流域水土流失和土壤退化现象严重,北洛河流域成为黄河泥沙的主要产地之一3。黄河流域是我国重要的生态屏障和核心经济带,黄河是世界上最为著名的多沙河流,因水少沙多,水沙关系不协调而成为世界上最复杂、最难治理的河流4 5。近些年,北洛河进行了一些生态环境建设工作,例如在下游修建堤防、护岸,在上游进行了退耕还林工程等,提高了河床的稳定性,减缓了土壤侵蚀程度,减少了荒废土地的面积,恢复了植被覆盖6。但流域水土流失仍然处于较为严重的程度3,7。由于人口增加和经济发展需要,水资源供需矛盾加剧,生活用水、农业灌溉和采煤活动等使水资源供应日趋紧张8 10。目前,北洛河流域的研究
17、大多集中在水沙变化和植被恢复等领域。薛帆等7采用水文统计法对比分析了上、中、下游等不同地貌和植被类型区生态恢复对水沙数量、径流调节、影响因素贡献等的影响及其差异;谢敏等11采用 Pettitt 突变检验、双累积曲线等方法分析了流域降雨、径流和输沙的演变规律及土地利用变化特征;刘二佳等12同样采用 Pettitt 突变检验探讨水土流失治理及大幅度退耕背景下流域水、沙等生态要素的演变规律;He 等13利用线性回归分析、MK检验等方法检测了北洛河的径流和泥沙输移的变化趋势,考察了在历史上不同气象条件下人类活动对径流和泥沙输移的影响。然而关于人类活动在未来将如何影响北洛河水沙变化,以及优化配置退耕还林
18、还草面积,目前尚缺乏定量分析和研究。本文以北洛河流域为典型研究区,利用流域气象、水文、水沙、地表水和地下水资源等数据,分析近20 a 北洛河流域水资源的时空变化特征,利用归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)分析流域植被覆盖率演变进程及其格局变化特征,使用美国农业部的土壤和水资源评估工具(soil and waterassessment tool,SWAT),建立了北洛河流域分布式水文模型,分析不同的人类干预情景下流域水土流失程度和径流量的变化,利用情景分析和优化算法对流域的土地利用方式和人类活动进行优化,探讨平衡北洛河流域水土
19、流失治理与水资源利用之间矛盾的国土空间格局优化方案,可为黄土高原水土保持、生态环2023 年韩双宝,等:北洛河流域生态环境变迁及对水资源和水沙关系的影响 15 境保护、水资源利用综合管理提供参考。1 研究区概况北洛河起源于榆林市定边县,初始流向为东南方,流经吴起县、志丹县,到甘泉县流向转为南方,再流经富县、洛川县、黄陵县、白水县、大荔县,最终在关中平原汇入渭河(图 1)。北洛河河道全长 680 km。流域大部分在陕西省,上游部分地区在甘肃省,流域面积 26 900 km2。出口控制性水文站为状头水文站,集水面积 25 645 km2。北洛河多年平均径流量为 9.43108 m3。8 月径流量最
20、大,1 月径流量最小。上游夏季径流占比最大,其他季节的径流占比较小;下游夏季径流占比较上游减少,但比重仍为全年最大。北洛河泥沙含量较大,产沙能力非常高,年输沙总量可达亿吨,占陕西省全年产沙量的12%。产沙量年内分配与降雨径流高度相关,集中于雨季汛期,夏季产沙量占全年输沙总量的 90%以上。北洛河流域地形总体上西北高、东南低,包括上游黄土丘陵沟壑区、中游黄土高原沟壑区和下游关中盆地黄土阶地地貌。流域气候是典型的大陆季风性气候,气候在空间分布上有较大差异,气温和降水量均呈东南高、西北低的趋势。流域年降水量为454.10709.20 mm,年均气温为 7.1015.60。北洛河流域植被类型差异较大,
21、东南部为森林带和森林草原带,西北部为单一的草原带,流域内植被类型多样,植被覆盖较好,已形成良好的植物生态系统。流域内地表以黄土覆盖为主,除洛川塬等黄土塬外,黄土大多透水不含水。土壤呈地带性分布,土壤类型包括黄绵土、褐土、垆土、水稻土、风沙土、红黏土等。北洛河是流域内地下水的排泄面,大部分河段是地下水补给地表水。北洛河沿着河道方向依次切割碎屑岩裂隙孔隙含水层系统、碳酸盐岩岩溶含水层系统、松散孔隙含水层系统,各含水层被弱透水层分隔,水力联系不强。北洛河流域水文地质剖面图如图 2 所示。北洛河上游区北洛河中游区北洛河下游区1462 0001 500高程/m高程/m1 0005001 5001 000
22、500碳酸盐岩岩溶水040 km 20白垩系碎屑岩裂隙孔隙水石炭-侏罗系碎屑岩裂隙水基岩裂隙水砂岩砂岩夹泥页岩碳酸盐岩类黄土质黏土黏土粉砂夹黏土地层界线角度不整合新生界松散岩类孔隙水花岗岩类断层地下水水位粉细砂中粗砂00黄陵县华阴市渭河北洛河北洛河白水县图 2 北洛河流域水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile of Beiluo River Basin 2 研究方法与数据来源 2.1 研究方法(1)MK 趋势检验法MannKendall(MK)趋势检验法13-14主要用于检验数据的趋势变化,主要特点是人为主观影响性小,定量化程度高。MK 趋势检验法应用非常广泛
23、15 17,分析目标主要是基于时间序列的数据。MK 趋势检验法的计算方法如下:设需要检验趋势性的时间序列数据为 xi(i=1,2,铜川市延安市富县正宁县华池县澄城县白水县印台区王益区蒲城县大荔县洛川县黄龙县黄陵县宜君县甘泉县宜川县吴起县志丹县安塞县0100 km50地级市县河流边界高程/m2 632315N图 1 研究区位置图Fig.1 Location of study area 16 水文地质工程地质第 6 期n,n10),计算其检验统计量(S):S=n1k=1nj=k+1Sgn(xjxk)(1)Sgn(xjxk)=1(xjxk 0)0(xjxk=0)1(xjxk 0)0(S=0)S+1V
24、ar(S)(S 0)(3)对 Z 进行双边检验,以验证 x 的趋势性。给定显著性水平,当Z1/2ZZ1/2时,表示序列没有显著的变化趋势;当 ZZ1/2时,表明该序列有显著的上升趋势。置信度分别取 90%、95%和 99%时,需要|Z|大于等于1.28,1.64,2.32 时,才能表明序列有显著的变化趋势。本文的置信度选择 95%。本文采用 Sen 斜率法对归一化植被指数的变化程度进行评估。Sen 斜率法将时间变化序列数据在一定时段变化率的中值作为时段的变化趋势,避免因数据缺失或异常值造成的影响18,其计算公式为:i=median(xjxi)(ji)(j i)(4)其中,1jin;为时间序列数
25、据的 Sen 斜率,正值表示增长,负值表示减小。(2)SWAT 模型流域的大气-水文-土壤循环过程,可以通过分布式水文模型得到较好的反映,分布式水文模型也能体现降雨、产汇流等在时空上的差异性,从而提高模拟结果的合理性,成为流域水文模拟研究的有力工具。SWAT 目前受到广大水文研究者的重视,并被广泛应用于各种流域水资源管理、水环境管理等水文研究中。SWAT 模型19是美国农业部开发出的用于流域尺度研究的分布式水文模型。该模型的核心是基于水量平衡方程,而非微分方程。模型最小的模拟单位是水文响应单元(hydrological response unit,HRU),无需进行网格划分。SWAT 模型在国
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