岔巴溝流域水土保持減水減沙作用

綦俊諭,蔡強國,方海燕,陳曉安,3,聶斌斌,4,崔普偉,3

(1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,100101,北京;2.中國科學院研究生院,100049,北京;3.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,430070,武漢;4.華中農業(yè)大學園藝林學學院,430070,武漢)

岔巴溝流域水土保持減水減沙作用

綦俊諭1,2,蔡強國1?,方海燕1,陳曉安1,3,聶斌斌1,4,崔普偉1,3

(1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室,100101,北京;2.中國科學院研究生院,100049,北京;3.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,430070,武漢;4.華中農業(yè)大學園藝林學學院,430070,武漢)

運用經驗公式法、雙累積曲線法和不同系列對比法計算岔巴溝流域 1971—1980年水土保持措施的減水作用分別為 10.55%、6.18%和 26.67%,減沙作用為 58.74%、63.40%和 72.77%;經過對計算結果和前人研究成果的分析得到如下結論:1)岔巴溝流域庫壩等工程措施為主的水土流失治理方式在措施生效期間能夠有效減少流域輸沙量,減沙作用為 65%左右,能夠有效攔截洪水,減少洪峰流量,汛期減水作用大于 25%;2)庫壩等工程措施對流域年徑流量的影響不大,減水作用在7%左右,地下徑流占總徑流比例提高了 20.4%,對地下水的補充起到了很好的作用;3)庫壩等工程措施不能改善流域坡面和溝坡侵蝕條件,故而無法真正改善流域水土流失的狀況,其減沙效果隨著淤積量的增加而減小,需要不斷投入以維持其減沙作用,而限于自然條件,庫壩等工程措施對流域的治理是不可持續(xù)的。解決水土流失問題的根本途徑在于恢復流域自然植被,順應自然規(guī)律的發(fā)展,并采取適當?shù)娜斯ぽo助措施。

水土保持措施;地下徑流;淤地壩工程;植被恢復;黃土高原丘陵溝壑區(qū)

圖 1 岔巴溝流域站點布設圖Fig.1 Distribution of the stations for the data collection of rainfalland runoff in Chabagou Watershed

對水土保持減水減沙作用研究的最終目的是為水土保持規(guī)劃、水土流失定量預報及各種水土保持措施的橫向比較提供依據。20世紀 80年代以前,水土保持減水減沙作用的研究重點基本上是通過水土保持實驗區(qū)觀測資料對影響土壤侵蝕的主導因子進行研究,揭示不同地形地貌、土壤特征、林草植被、水文氣象條件下土壤侵蝕規(guī)律及單項水土保持措施的減水減沙作用[1]。80年代中期以來,加強了對重點治理流域的研究。長江水利委員會結合三峽工程泥沙研究的需要,對三峽水庫來水來沙條件作了深入分析研究[2],之后又進行了“長治”工程減沙作用研究。水利部專門設立了黃河水沙變化研究基金會和黃河流域水土保持基金,對黃河流域特別是中游地區(qū)侵蝕產沙規(guī)律、水土保持減水減沙作用和水沙變化進行了較系統(tǒng)的研究[3]。科研機構和大專院校,各省區(qū)的水文、水土保持部門,應用不同方法對全國水土流失及水土保持重點流域片區(qū)的水沙變化規(guī)律及水土保持的減水減沙作用進行了研究[4-5]。通過大量的研究,提出了一些新方法和新成果,為今后系統(tǒng)地研究水土保持措施減水減沙作用及預測水沙變化趨勢打下了基礎;然而,以往的研究并未深入探討水土保持減水和減沙作用之間的關系,對于水沙變化規(guī)律的探討也大多止于宏觀和理論,未能結合水土保持工作而指導實踐。筆者選取位于黃河中游的岔巴溝小流域為研究對象,通過對水土保持減水減沙作用的計算和與前人研究成果的對比分析,結合流域水土保持措施實施情況,比較水土保持對減水作用和減沙作用的異同,進而對該地區(qū)以庫壩工程為主的治理模式的水土保持效果進行分析,以期為黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域水土流失治理提供有益的啟示。

1 研究區(qū)概況

岔巴溝在陜西省子洲縣境內,位于 E 109°47′,N 37°31′,自然地理區(qū)劃屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)。岔巴溝是大理河的一個支流,干溝與支溝相匯夾角約 60°。流域面積 205 km2,岔巴溝出口站曹坪站以上集水面積 187 km2,溝道長度 24.1 km,流域平均寬度 7.22 km,溝壑密度 1.05 km/km2,流域形狀基本對稱。岔巴溝流域的溝網由主溝 -岔巴溝和 11條一級支溝組成,其中左岸從下游至上游依次分布著麻地溝等 7條一級支溝,右岸從下游至上游依次分布著馬家溝等 4條一級支溝(圖 1)。該區(qū)土壤侵蝕極其嚴重,1954—1958年的觀測表明,平均侵蝕模數(shù)為 1.578萬 t/(km2?a),最大侵蝕模數(shù)為2.367萬 t/(km2?a)。

本地區(qū)屬于干燥少雨的大陸性氣候,1959—1969年的實測資料表明,多年平均降水量約 480 mm,降雨的年內分配極不均勻,70%集中于 7—9月份,且多降雨強度較大而歷時短暫的暴雨,實測最大降雨強度為 3.5mm/m in[6],夏秋之際,常有冰雹下降[7]。年平均氣溫為 8℃,最高氣溫為 38℃,最低氣溫為 -27℃,霜凍期約0.5a,最大風力超過 9級。根據 1954—1958年大理河流域的觀測,年均徑流深為 54mm,最小為 29.9mm,徑流的年內分配極不均勻,7—9月份的徑流占全年的總徑流量的 60%之上。根據子洲水文站蒸發(fā)皿的觀測資料,1954—1958年的多年平均蒸發(fā)量為 1 570.4 mm[8]。陸面蒸發(fā)量根據子洲水文站多年平均年降水量與年徑流深之差求得,為 386mm。

截至 1980年,岔巴溝流域有梯田 10 km2,造林10 km2,種草 6 km2,壩地 2 km2,水地 2.7 km2,合計治理面積 30.7 km2,占總流域面積的 15%[9]。1970年以后由于水墜壩技術的推廣,流域內水庫、淤地壩總座數(shù)、總庫容激增,特別是 1975年后,大量的壩庫建成并發(fā)揮效益,平均庫容超過 12萬 m3/km2。作為治溝措施的壩庫工程,截至 1977年底,流域內共修建壩庫 444座,總庫容達 2651萬 m3,其中壩高超過 20 m的控制性骨干工程 39座,只占總數(shù)的8.8%,而庫容卻占總庫容的 54.8%。這些壩庫均勻地分布在流域內,乃減水減沙的重要原因[9]。

2 數(shù)據來源與研究方法

選擇 1959—1980年(1970年數(shù)據缺失)岔巴溝流域各水文站和氣象站的降水資料和出口站曹坪水文站的徑流泥沙資料作為研究的基礎。表 1為統(tǒng)計分析后 1959—1980年(缺 1970年)岔巴溝流域實測年均徑流量、輸沙量和降水量的成果。

對岔巴溝流域水土保持減水減沙作用采用 3種計算方法。

1)經驗公式法。根據岔巴溝流域治理以前1959—1969年的降水、徑流、輸沙系列觀測資料,建立這三者間的經驗關系模型,再將治理以后 1971—1980年流域年均降水系列代入經驗關系模型,得到治理后的徑流量和輸沙量的模擬值,再與實測值進行比較從而獲得減水減沙作用。

2)雙累積曲線法。將 1959—1980年(缺 1970年)年均降水量及相應的徑流量、輸沙量點繪雙累積曲線,此曲線在水土保持發(fā)揮減水減沙作用年份(1969年)有較明顯的轉折。根據治理以前 1959—1969年的實測資料,經回歸分析求得累積降水量與累積徑流量和累積輸沙量的線性相關方程,將治理后 1971—1980年的累積降水量值分別代入方程中,求得累積徑流量和累積輸沙量的模擬值,然后與同期實測值比較,即得減水減沙作用。

3)不同系列對比法。也就是 1971—1980年實測年均徑流量和輸沙量與 1959—1969年實測年均徑流量和輸沙量的直接對比。

表 1 1959—1980年(缺 1970年)岔巴溝流域年均徑流、輸沙量和降水量Tab.1 Annual runoff,sediment discharge and rainfall in Chabagou Watershed from 1959 to 1980(lacking 1970)

3 不同方法的計算成果

3.1 基準期和措施期的確定

采用雙累積曲線法確定水土保持措施對流域年徑流量和輸沙量產生影響的轉折年份,即將 1959—1980年(缺 1970年)流域徑流量和輸沙量的逐年累積值對流域年降水量的逐年累積值點繪成圖(圖2),若流域徑流量或輸沙量只受到降水的影響(極端降水事件除外),則雙累積曲線基本呈一直線,若雙累積曲線發(fā)生偏轉。說明流域下墊面狀況發(fā)生了變化,也就是水土保持措施開始起到減水減沙作用。確定水土保持措施產生影響的轉折年后,以此為分界點,將之前一段時間定為無水土保持措施影響的基準期,后一段時間為有水土保持措施影響的措施期。

圖2 岔巴溝流域年降水量與徑流量和輸沙量雙累積曲線Fig.2 Doub le-mass curves of annual rainfall and runoff,and annual rain fall and sediment discharge in Chabagou Watershed

考慮到岔巴溝流域在 20世紀 70年代庫壩等工程的修筑達到高峰期,對減沙發(fā)揮了主要作用[9],故確定轉折年主要依據年降水量與輸沙量雙累積曲線。由圖 2可以明顯看出,水土保持措施生效的轉折年為 1969年,所以 1959—1969年為基準期,而1971—1980年為措施期。

3.2 經驗公式法計算成果

確定基準期和措施期后,對流域基準期(1959—1969年)的年降水量分別與徑流量和輸沙量進行曲線擬合,得到擬合曲線和對應的曲線方程(圖 3)。

將岔巴溝流域 1971—1980年年降水量分別帶入曲線方程,得到 1971—1980年模擬徑流量和輸沙量,與同期實測值進行比較得到 1971—1980年徑流和輸沙減少量,再除以同期徑流量與輸沙量模擬值,即得到水土保持減水減沙作用分別為 10.55%和58.74%。

圖 3 基準期年降水量與徑流量和輸沙量擬合曲線Fig.3 Fitted curves of annual rainfall and runoff,and annual rainfalland sedimentdischarge in base period

通過岔巴溝流域 1959—1980年(缺 1970年)年徑流量與模擬徑流量以及年輸沙量與模擬輸沙量的比較可以看出,在措施期(1971—1980年)輸沙量的實測值相對于模擬值明顯減少(圖 4),而措施期徑流量的實測值相對于模擬值雖然有所減少卻并不明顯 (圖 5)。

圖 4 岔巴溝流域年輸沙量的模擬值和實測值比較Fig.4 Comparison between measured annual sediment discharge and simulated value in Chabagou Watershed

圖 5 岔巴溝流域年徑流量的模擬值和實測值比較Fig.5 Comparison between measured annual runoff and simulated value in Chabagou Watershed

3.3 雙累積曲線法計算成果

對岔巴溝流域基準期(1959—1969年)年降水量與徑流量和輸沙量的累積值分別進行擬合,得到擬合曲線和曲線方程(圖 6)。

圖 6 基準期累積年降水量與徑流量和輸沙量擬合曲線Fig.6 Fitted curves of accumu lativeannual rain fall and runoff,and accumulative annual rainfall and sediment discharge in base period

將岔巴溝流域 1959—1980年(缺 1970年)年降水量的累積值分別帶入曲線方程,計算得到 1971—1980年累積徑流量和輸沙量的模擬值,與同期實測累積值進行比較得到 1971—1980年累積徑流和輸沙的減少量,再除以同期累積徑流量與輸沙量的模擬值,即得到水土保持減水減沙作用分別為 6.18%和63.40%。

通過岔巴溝流域 1959—1980年(缺 1970年)累積年徑流量與累積年徑流量模擬值以及累積年輸沙量與累積年輸沙量模擬值的比較可以看出,在措施期(1971—1980年)累積年輸沙量的實測值相對于模擬值顯著減少(圖 7),而措施期累積年徑流量的實測值相對于模擬值雖然有所減少卻并不顯著(圖 8)。

圖 7 岔巴溝流域累積年輸沙量模擬值與實測值比較Fig.7 Com parison between measured accumulated annual sediment dischargeand simulated value in Chabagou Watershed

3.4 不同系列對比法

分別求出岔巴溝流域 1959—1969年徑流量與輸沙量的平均值以及 1971—1980年徑流量與輸沙量的平均值,前后各項之差即為徑流量與輸沙量的減少值,再除以 1959—1969年徑流量與輸沙量的實測平均值,可得減水減沙作用分別為26.67%與72.77%。

圖 8 岔巴溝流域累積年徑流量模擬值與實測值比較Fig.8 Comparison between measured accumulated annual runoffand simulated value in Chabagou Watershed

4 結果與分析

經過經驗公式法、雙累積曲線法和不同系列對比法計算得出岔巴溝流域水土保持在 1971—1980年的減水減沙作用的平均值為 14.47%和 64.97%。無論用哪種方法計算岔巴溝流域水土保持減水減沙作用,減沙作用都遠大于減水作用,這一點與前人[9-10]的研究一致(表 2)。

表 2 岔巴溝流域水土保持減水減沙作用研究成果Tab.2 Effects of soiland water conservation on runoff and sediment reduction investigated by different researches%

張仲子[10]曾根據岔巴溝出口站曹坪水文站1959—1978年的實測資料的統(tǒng)計分析,結合岔巴溝流域水土流失治理情況,確定水土保持措施明顯生效的 1971—1978年汛期年均徑流量和輸沙量分別減少 30%和 63.4%,計算得出淤地壩減沙量為總減沙量 78.6%,最終得到了工程措施對減沙起主要作用的結論。此研究揭示了不同水土保持措施對減沙作用的差異,但沒有對徑流量做同樣的分析,而且只是考慮了汛期徑流泥沙的變化,未能對全年徑流泥沙的變化進行細致的研究。張勝利[9]對岔巴溝年徑流泥沙變化做了初步分析,通過分析 1959—1980年水沙關系的變化確定了 1959—1974和 1975—1980分別為水土保持減水減沙作用的基準期和措施期,用徑流系數(shù)還原法計算得到水土保持減水減沙作用生效后年徑流量減少僅 0.71%,汛期徑流量減少 25.2%,年輸沙量減少 68.7%,汛期泥沙減少59.1%,再對流量過程線進行曲線分割,發(fā)現(xiàn)地下徑流占全年總徑流量比例增加了 20.4%。此研究應用水沙關系來確定水土保持減水減沙作用生效的時期,主要是因為庫壩工程減沙作用顯著大于減水作用。嚴格意義上來講,要考察水土保持綜合措施的減水減沙作用,應當從降水量與徑流量和輸沙量的關系上入手。這樣,不僅可以排除降水量變化對流域徑流量和輸沙量的影響,而且可以更加準確地確定水土保持綜合措施減水減沙作用的分界年份。

本研究彌補了前人研究的不足,所用 3種方法計算得出的平均減沙作用 64.97%和張勝利[9]計算出的 68.7%與張仲子[10]計算出的汛期減沙作用63.4%非常接近。雖然張仲子[10]只計算了汛期減沙作用,但是作為汛期輸沙量占全年輸沙量 93.2%的岔巴溝而言,全年減沙作用與汛期減沙作用也相差不大,這也被張勝利[9]計算的全年減沙作用68.7%和汛期減沙作用 59.1%之間的相近關系證明。故而,可以取各個研究的計算結果近似確定岔巴溝流域水土保持減沙作用為 65%。本研究計算得出岔巴溝流域水土保持全年減水作用平均為14.47%,與張勝利[9]計算的 0.71%差別較明顯,這是由于本研究確定 1971—1980年作為措施期,而張勝利[9]的研究措施期為 1975—1980年,岔巴溝大量的庫壩工程到 1974年到達修建高峰[9—10],接下來的措施期(1975—1980年)水土保持對徑流量的影響主要是庫壩工程在起主導作用。由張勝利[9]計算得到的汛期減水作用 25.2%與全年減水作用0.71%的差別可以看出,庫壩等工程措施可以有效地攔截洪水,降低洪峰流量(這點也被張仲子[10]計算的汛期減水作用 30%證實),但是對全年徑流量的影響并不大。全年地下水徑流量占總徑流量比例增加 20.4%,更說明了水土保持并不一定大量減少總徑流,只是調整地下和地表徑流的分配比例?？紤]到流域水量平衡的關系,本研究計算出的減水作用之所以相對較大,是因為在 1971—1980年期間,雖然庫壩等工程措施是水土流失治理的主要方面,但是植被措施的實施也有一定的增加[10],部分水分隨著植物蒸騰和蒸發(fā)而減少了流域徑流量,但是總的說來還是比較小的。

通過以上分析,岔巴溝流域在 20世紀 70年代以庫壩等工程建設為主的水土流失治理方式,能夠有效地減少流域輸沙量(減沙作用在 65%左右)和攔截洪水(汛期減水作用 25%以上),對地下水的補充起到了明顯的效果(地下徑流比例上升 20.4%),但是整個流域水土保持的減水作用卻不明顯(平均減水作用 7%)。這說明以庫壩等措施治理流域水土流失的方式只能減少輸沙量而不能減少產沙量,也就是侵蝕發(fā)育的主要部位坡面和溝坡未能得到有效治理,導致流域水土流失狀況依然嚴峻。

由此可見,庫壩工程雖然可以減少進入下游的泥沙量,表面上看減沙效果十分明顯,卻面臨著 2個與水土保持目的相違背的結果:1)隨著泥沙淤積量的增加,庫壩工程減沙效果降低,也就是說除非持續(xù)對其進行大規(guī)模投入,否則這種減沙作用無法長時間維持;2)未能真正解決流域上游水土流失問題,特別是坡面和溝坡的侵蝕狀況不能得到有效治理?？傊?庫壩等工程措施在減沙作用上的效果是暫時的,其維持是高消耗的,從長遠看也不是可持續(xù)發(fā)展的,更沒有達到改善水土流失狀況的目的。

5 結論

1)岔巴溝流域庫壩等工程措施為主的水土流失治理方式在措施生效期間能夠有效減少流域輸沙量,減沙作用為 65%左右;能夠有效攔截洪水,減少洪峰流量,汛期減水作用大于 25%。

2)岔巴溝流域庫壩等工程措施為主的水土流失治理方式對流域年徑流量的影響不大,減水作用在 7%左右;地下徑流占總徑流比例提高了 20.4%,對地下水的補充起到了很好的作用。

3)庫壩等工程措施不能改善流域坡面和溝坡侵蝕條件,無法真正改善流域水土流失狀況;其減沙效果隨著淤積量的增加而減小,需要不斷投入以維持其減沙作用,而限于自然條件,庫壩等工程措施對流域的治理是不可持續(xù)的。解決水土流失問題的途徑在于恢復流域自然植被,順應自然規(guī)律的發(fā)展,并采取適當?shù)娜斯ぽo助措施。

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[10]張仲子.淺析岔巴溝小流域減沙與水土保持效益.水土保持通報,1986,6(3):50-54

Effects of soil and water conservation on reduction of runoff and sediment in Chabagou W atershed

Qi Junyu1,2,Cai Qiangguo1,Fang Haiyan1,Chen Xiao'an1,3,Nie Binbin1,4,Cui Puwei1,3

(1.Key Laboratory ofWater Cycle and Related Land Surface Processes,Institute of Geographic Science and Natural Resources Research,CAS,100101,Beijing;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,100049,Beijing;3.College of Resources and Environment,Huazhong Agriculture University,430070,Wuhan;4.College of Horticulture and Forestry Sciences,Huazhong Agriculture University,430070,Wuhan:China)

In this study,effectsof soiland water conservationmeasures on runoffand sediment reduction in Chabagou Watershed from 1971 to 1980 are calculated by three methods:rainfall-runoff and rainfallsediment statistical model,double-accumulative curve method and time series contrasting method separately.As a result,runoff reduction are 10.55%,6.18%and 26.67%and sediment reduction are 58.74%,63.40%and 72.77%accordingly.By analyzing the results of calculation and comparison with results of previous studies,three main points are concluded:1)Governance model emphasizing on sediment storage dam has remarkable sediment reduction effects which is averaging about 65%and can effectively reduce peak discharge with an averaging runoff reduction effectmore than 25%in the flood season;2)Annual runoff reduction effect isonly averaging about7%and the ratio of groundwater runoff to total runoff raised by 20.4%,which shows that sediment storage dam affect runoff by adjusting the ingredientproportion rather than reducing total runoff;3)The aim of water and soil conservation can not realized only by sediment storage dam for it does not change the conditions of hill slopes where soil erosion occurs,and instead vegetation restoration is an effective approach for ecosystem restoration and enhancement in eroded area of loess.

soil and water conservation measures;groundwater runoff;sediment storage dam for building farmland;vegetation restoration;Hilly-gully region of Loess Plateau

2009-07-21

2009-11-16

項目名稱:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目“水土流失綜合調控原理與治理范式”(2007CB407207);國家自然科學基金重點項目“黃土區(qū)多尺度小流域土壤水蝕動態(tài)過程模擬研究”(40635027);中國科學院優(yōu)秀博士學位論文、院長獎獲得者科研啟動專項資金“中國典型水土流失區(qū)水沙關系尺度效應及地帶性研究”

綦俊諭(1984—),男,碩士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:qijunyu2009@yahoo.com.cn

?責任作者簡介:蔡強國(1946—),男,研究員,博士生導師。主要研究方向:坡面水土流失過程及流域侵蝕產沙模擬。E-mail:caiqg@igsnrr.ac.cn

(責任編輯:程 云)