黄河流域甘肃段主要一级支流水土流失与社会经济发展的关系研究

Research on the relationship between soil erosion and socio-economic development of the main first-class tributary of the Gansu section of the Yellow River Basin

摘要

目的 分析黄河流域主要一级支流的产沙量、径流量与自然因素（降雨量）、土地利用方式、经济发展状况之间的关系，为黄河流域甘肃段的生态保护与高质量发展提供依据。 方法 采用趋势分析与相关性分析方法。 结果 在研究时段内，黄河流域甘肃段主要一级支流的产沙量、径流量波动剧烈，泾河流域甘肃段产沙量呈下降趋势，洮河和渭河流域产沙量呈上升趋势，平均产沙量最大的为渭河流域，最小的为洮河流域，前者是后者的3.2倍；平均径流量最大的为洮河流域，最小的为泾河流域，前者为后者的3.8倍；3条主要支流的平均降雨量接近，渭河流域的产沙量、径流量与降雨量相关性最显著，产沙量与径流量极显著相关，洮河流域的降雨量对地表径流的影响不显著，但地表径流对产沙量的贡献极显著，泾河流域的降雨量与地表径流极显著相关，产沙量与径流量、降雨量相关性不强。由相关性分析可知，泾河流域的水土流失指标与社会经济指标相关性最显著，尤其是农业GDP、耕地面积与产沙量的相关性最大，渭河流域的水土流失指标与耕地面积、GDP相关性较大，洮河的水土流失指标与耕地面积、人口密度相关性较大。 结论 人口、人口密度和土地利用方式是影响研究区3条一级支流水土流失的关键因素，保持和转变已有的经济发展方式可以促使流域产沙量的减少和地表径流的增加。

Abstract

Objective The relationship between sediment production and runoff of the main first-class tributaries of the Yellow River Basin and natural factors (rainfall), land use mode and economic development status was analyzed, which provided a basis for ecological protection and high-quality development of the Gansu section of the Yellow River Basin. Method Adopt trend analysis and correlation analysis methods. Result During the study period, the sediment production and runoff of the main first-class tributaries of the Gansu section of the Yellow River Basin fluctuated sharply, the sand production in the Gansu section of the Jing River Basin showed a downward trend, and the sand production in the Taohe and Weihe River basins showed an upward trend, with the largest average sand production being in the Weihe River Basin and the smallest being the Taohe River Basin, the former being 3.2 times that of the latter; the largest average runoff was in the Taohe River Basin and the smallest was in the Jing River Basin, the former being 3.8 times that of the latter; The average rainfall of the three main tributaries was similar, the correlation between sediment production and runoff and rainfall in the Weihe River Basin was the most significant, the sediment production was very significantly correlated with runoff, the impact of rainfall on surface runoff in the Taohe River Basin was not significant, but the contribution of surface runoff to sand production was extremely significant, the rainfall in the Jing River Basin was very significantly correlated with surface runoff, and the correlation between sand production and runoff and rainfall was not strong. From the correlation analysis table, it can be seen that the correlation between soil erosion indicators and socio-economic indicators is the most significant, especially the correlation between agricultural GDP, cultivated land area and sediment production is the largest, the correlation between soil erosion indicators and cultivated land area and GDP in Weihe River Basin is large, and the correlation between soil erosion indicators and cultivated land area and population density in Taohe River is large. Conclusion Population, population density and land use patterns are the key factors affecting soil erosion of the three first-class tributaries in the study area, and maintaining and transforming the existing economic development mode can lead to the decrease of sediment production and the increase of surface runoff in the watershed.

Graphical abstract

关键词

黄河流域 / 水土流失 / 社会经济

Key words

Yellow River / water and soil erosion / social economic

在人类活动的剧烈影响下，全球气候逐步变暖，气温普遍升高，引起冰川退缩，海平面上升，进而对水文循环系统造成重要影响，降水量随之增多^［1-2］。部分受降水影响明显的流域，径流量与产沙量开始改变，导致流域水土流失面积不断提高^［3］。流域产沙量、径流量、降水量与土地利用方式都在时空尺度上发生着不可忽视的相互影响^［4-6］。研究人类经济发展对流域产沙量、径流量的影响，能够为流域内生态、经济绿色高效可持续发展提供技术依据。黄河流域承载着我国西部相当量的经济活动，甘肃省作为流域内重要省份，位于黄河上游，黄河流经甘肃省干流全长913 km，占流域长度的17%左右，黄河流域甘肃段覆盖14.4万km²，占全流域面积的19%左右。由于地貌、植被变化以及土地利用方式的影响，大量泥沙沿河而下，逐步造成严重的水土流失^［7］。任祁荣等对甘肃省生态环境与社会经济系统协调发展的耦合性进行了分析分析^［8］。杨芳等对泾河流域代表站降水、径流、输沙量的变化特征进行了分析^［9］。张春林等对近58 a来洮河流域水沙演变特征与驱动力进行了分析分析^［10］。孙浩峰开展了甘肃洮河流域生态清洁小流域建设条件研究^［11］。王海荣开展了渭河干流甘肃段河流形态健康评价与研究^［12］。黄晨璐等开展了渭河与泾河流域水沙变化规律及其差异性分析^［13］。上述研究工作对于理解黄河流域甘肃段主要一级支流的水沙运动特征与规律具有指导意义，但缺乏流域社会经济发展、土地利用方式等对水土流失影响的深刻揭示，在解决水土流失普遍问题时缺乏意义。国家《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》中明确提出：突出抓好黄土高原水土保持，全面保护天然林，持续巩固退耕还林还草成果，加大水土流失综合治理力度，稳步提升城镇化水平，改善中游地区生态面貌。甘肃省委省政府印发《甘肃省黄河流域生态保护和高质量发展规划》中提出：陇中陇东黄土高原水土保持区，包括庆阳、平凉、定西、天水、白银、兰州及临夏州永靖、临夏市、东乡、广河4市县，以水土流失综合治理为重点，有效保护和恢复林草植被，结合工程措施，开展流域综合治理，有效提高森林覆盖率和水土流失保持率。为了在新发展格局下探索黄河流域甘肃段水土流失与社会经济发展间的相互关系，本文以流域产沙量、径流量这两个目前普遍采用的研究水土流失的重要指标为主，结合人口与社会经济相关指标，对泾河、渭河、洮河三条黄河流域甘肃段主要一级支流的水土流失与社会经济发展的关系进行多维度相关性分析，以期为协调黄河流域甘肃段的生态保护与高质量提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省地处的黄河、长江流域上游，是国家生态安全屏障的重要组成部分。黄河流域甘肃段的主要支流根据地貌类型主要包括泾河、渭河和洮河。泾河发源于泾源县老龙潭，在崆峒峡流入平凉境内，横贯崆峒区、泾川县、在庆阳市长庆桥以下4 km处的陕西省高陵县张卜村并入渭河^［14］。渭河发源于甘肃省定西市渭源县鸟鼠山，是黄河最大的支流，甘肃省境内流经定西市和天水市，渭河甘肃段是指渭河的源头至甘肃和陕西交界处的渭河干流区域。渭河干流两岸支流众多，属不对称水系，水系呈扇状分布^［15］。洮河发源于甘青两省交界处的西倾山东麓，由西向东流经甘南藏族自治州碌曲县、临潭县、卓尼县，由定西市岷县折向北流经临潭县、临洮县，在临夏回族自治州永靖县境内汇入黄河干流刘家峡水库^［16］。

1.2 研究方法与数据

1.2.1 数据来源

人口、农业及社会经济等数据来源于《甘肃省水利厅政府信息公开年报》，径流量、产沙量及降雨量数据来源于甘肃省水利厅《2009-2019年产沙量公报》、《2009-2019年水土保持公报》，土地利用数据来源于中国科学院环境科学数据中心及地理空间数据云平台。

1.2.2 研究方法

流域产沙量、径流量、降雨量的年际变化采用趋势分析法分析。产沙量、径流量、降雨量之间的相互影响、社会经济因素（GDP、农业GDP、人均GDP、人口总数、人口密度和耕地面积）对产沙量、径流量、降雨量之间的影响利用SPSS（20.0）进行分析。土地利用方式对流域水土流失的压力主要来自经济发展和人口增长及其分布，故而首先选择GDP、人均GDP、人口总数、人口密度作为影响流域水土流失的因素。其次，由于研究区的土地利用类型以农业用地为主，农业用地中又以耕地为主，所以选择农业GDP和耕地面积作为分析社会经济发展与流域水土流失的影响因素。

2 结果与分析

2.1 水沙变化趋势分析

2008~2018年黄河流域甘肃段主要一级支流水沙监测结果见图1和图2，降雨量监测结果见图3。从图中可以看出：渭河、洮河的产沙量呈明显增加趋势，渭河多年平均产沙量的增加更明显，泾河的产沙量呈减少趋势。三条主要支流的径流量、降雨量均呈逐渐增加的趋势。

黄河流域甘肃段主要一级支流水沙指标、降雨量变化结果见表1，土地利用现状见表2。从表1中可以看出，三条主要支流的产沙量的变异系数均显著大于径流量和降雨量的变异系数，降雨量的变异系数最小。说明，虽然降雨量是地表径流的主要来源，也是促进水土流失的主要原因，但产沙量的变化有降雨量、径流量之外的原因。研究期内，平均产沙量最大的为渭河，最小的为洮河，前者是后者的3.2倍；平均径流量最大的为洮河，最小的为泾河，前者为后者的3.8倍；三条主要支流的平均降雨量接近，相差不大。从表2中可以看出，泾河流域面积最大，比渭河和洮河多出约5 000 km²。泾河流域土地利用类型以耕地和草地为主，渭河流域以耕地为主，洮河流域则以草地和森林为主。其中，渭河的耕地面积比泾河约多3 000 km²，且是洮河耕地面积的2.6倍。三条主要支流的土地利用类型多为耕地、草地和森林等农业用地，在流域占比共达95%以上。可以发现，在多年平均降雨量差异不明显的情况下，三条主要支流的径流量、产沙量差异巨大，除了与流域面积、植被类型及其覆盖度（反映水域涵养功能）的差异有关外，还与流域之间的社会经济发展状况有关。

从2008~2018年黄河流域甘肃段主要一级支流降雨量、径流、产沙量相关性分析结果（表3）看，三条主要支流的降雨量、径流量、产沙量三者之间的相关性差异明显。其中，渭河的产沙量、径流量与降雨量相关性最显著，产沙量与径流量极显著相关，说明渭河流域的降水绝大部分转换成了地表径流量，水源涵养功能差且地表径流显著地促进了水土流失。洮河流域的降雨量对地表径流的影响不显著，水源涵养功能较好，但地表径流对产沙量的贡献极显著。泾河流域的降雨量与地表径流极显著相关，产沙量与径流量、降雨量相关性不强，说明泾河流域的水域涵养功能不强，降雨量大部分转化成了地表径流；更重要的是，产沙量与径流量、降雨量等除了映水源涵养功能要素以外，还与人口、经济、土地利用等社会经济发展要素关系密切。

2.2 水土流失与社会经济发展的关系分析

从2008~2018年黄河流域甘肃段主要一级支流产沙量、径流量与社会经济发展指标之间的相关性分析结果见表4。

泾河流域的产沙量主要受土地利用方式（与耕地面积呈显著正相关）、人口和人口密度的影响，与经济发展状况呈负相关，说明该流域经济发展并没有对地表径流，尤其是产沙量带来消极的影响，保持和转变已有的经济发展方式可以促进流域产沙量的减少和地表径流的增加。

渭河和洮河流域的土地利用方式与社会经济指标均对这两个流域的产沙量和径流量具有促进作用。其中，土地利用方式对洮河流域产沙量和径流量的促进作用大于渭河流域。

人口和人口密度均与渭河、洮河的径流量和产沙量呈正相关，且与人口密度相关性更大；而泾河的径流量与人口和人口密度呈负相关，与人口密度的相关性更大。由此可见，在人口因素中，人口密度是水土流失问题的重要驱动力之一。

3 讨论与结论

3.1 讨论

黄土高原水土流失的原因主要包括自然因素和人为因素两类，其中降雨是影响水土流失变化的主要自然因素，农业耕作是影响水土流失变化的人为因素。黄河流域的社会经济发展与水土流失问题息息相关，黄河流域严重的水土流失，一定程度地制约了当地的经济发展以及生态环境^［17］。曹伯万对甘肃省黄河流域的水土流失变化原因的分析发现，20世纪八十年代、九十年代降雨强度对水土流失有决定性的影响^［18］，与本文研究的2008~2018年，年总降雨量变化对地表径流、水土流失的影响有相似之处。而黄启芬对贵州省88个县（市）水土流失与社会经济相关性的分析显示，土地利用方式、人口密度是社会经济指标中对水土流失的影响最为关键^［19］。本文水沙指标与社会经济指标相关性分析表明，泾河的产沙量主要受土地利用方式（与耕地面积呈显著正相关）和人口密度的影响，且人口和人口密度均与产沙量以及渭河、洮河径流量呈正相关，且与人口密度相关性更大；而泾河的径流量与人口和人口密度呈负相关，与人口密度的相关性更大。因此，人口、人口密度对水土流失的影响具有复杂性。林洪、朱春波等通过分析浙江省1986~2005年社会经济和水土流失的变化得出，水土资源是社会经济发展必不可少的根基资源，水土流失也是贫困问题的根本原因^［20］。第宝锋、宁堆虎等采用应用统计分析等方法研究发现水土流失与贫困人口相互影响互为因果，破坏生态会造成水土流失，水土流失会限制了资源的有效利用，导致环境压力增加，是生态损伤和贫困的根本原因，GDP下降又促使了水土流失以及生态的恶化^［21］。本文研究结果显示，渭河和洮河这两个流域的社会经济指标均对产沙量和径流量具有促进作用，与林洪、朱春波等的研究结果一致，说明水土保持与脱贫致富之间是可以做到协调推进的。

本文研究结果显示，黄河流域甘肃段主要一级支流2008~2013年流域产沙量变幅大，且渭河、洮河产沙量在2013年达到最大值，自2014年流域水土流失开始改善。甘肃省黄河流域主要一级支流泾河、渭河和洮河的水土流失情况与社会经济发展主要指标的关系分析发现，受气候因素影响较大的同时，人口、经济发展和农业耕作都对流域水土流失有重要的影响，水土流失和社会经济发展相互制约。耕地面积、人口密度的变化及流域的产沙量增减三者有密切关系，主要影响着产沙量的变化；因此优化、调整种植业结构，转变耕地利用方式，控制人口密度的增长，对改善流域的水土流失有一定程度的作用；流域的径流量和GDP的相关性，改善流域的水土流失对GDP提升也有重要影响。

3.2 结论

本研究以黄河流域甘肃段主要一级支流泾河、渭河和洮河流域为研究区域，对流域水沙变化与自然因素（降雨量）、土地利用方式、经济发展状况相关性分析，主要结论如下：

在研究时段内，黄河流域甘肃段主要一级支流的产沙量波动剧烈，泾河流域甘肃段产沙量呈下降趋势，洮河和渭河流域产沙量呈上升趋势，泾河、渭河和洮河相比，渭河多年平均产沙量明显更多。研究期内，平均产沙量最大的为渭河，最小的为洮河，前者是后者的3.2倍；平均径流量最大的为洮河，最小的为泾河，前者为后者的3.8倍。

三条主要支流的平均降雨量接近。渭河的产沙量、径流量与降雨量相关性最显著，产沙量与径流量极显著相关，洮河流域的降雨量对地表径流的影响不显著，但地表径流对产沙量的贡献极显著。泾河流域的降雨量与地表径流极显著相关，产沙量与径流量、降雨量相关性不强，说明泾河流域的水域涵养功能不强。

相关分析表明：人口、人口密度和土地利用方式是影响研究区三条一级支流水土流失的关键因素，水土流失的变化在一定程度上制约经济发展。

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基金资助

土地城市化与人口城市协调关系研究(GSAU-ZL-2015-046)