汾河水庫(kù)上游流域水土侵蝕過程研究

王 博

（山西省汾河水庫(kù)管理局，山西 太原 030006）

1 研究區(qū)概況

汾河是山西的“母親河”，是山西境內(nèi)最長(zhǎng)的河流，全長(zhǎng)716km，面積3.9萬km2，占全省總面積的25%。區(qū)內(nèi)降雨的年際變化較大，降水量季節(jié)分配極不均勻，冬季干旱少雨，夏季雨水充沛。年降雨量420～650mm，全年70%降雨量集中在6—9月，并且多以暴雨形式出現(xiàn)。汾河流域地面徑流總量26.54億m3，其中上游5.92億m3。汾河水庫(kù)上游沉積了深厚的第三紀(jì)紅土及第四紀(jì)黃土，受重力侵蝕和水蝕作用形成了丘陵溝壑侵蝕地貌，溝梁相間，溝深坡陡，溝河面積占總面積的48%，汾河水庫(kù)上游水土流失嚴(yán)重，致使水庫(kù)淤積嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 DEM數(shù)據(jù)

本文用90m分辨率SRTM數(shù)字高程模型（DEM），原數(shù)據(jù)為地理坐標(biāo)，為滿足模型輸入要求，將其轉(zhuǎn)化為Albers投影。

2.2 土地利用數(shù)據(jù)

本文應(yīng)用GIS的空間分析功能，基于汾河水庫(kù)上游遙感影像的解譯資料，提取各類土地利用類型的屬性值，通過空間疊加分析流域土地利用和覆被的時(shí)空變化特征，得出汾河上游流域共有6種土地利用類型，又可細(xì)分為18種土地利用類型。

2.3 模型構(gòu)建

本文的徑流與泥沙模型采用國(guó)際通用的SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）模型，集成遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和數(shù)字高程模型（DEM）技術(shù)的基于水文過程的、具有較強(qiáng)物理機(jī)制的、可以連續(xù)模擬的分布式流域水文模型。對(duì)不同土壤條件、土地利用類型、氣候狀況和人類活動(dòng)干擾下做出有效的產(chǎn)流、產(chǎn)沙模擬分析，適用于面向水資源管理的長(zhǎng)時(shí)段的水文過程模擬。模型由700多個(gè)數(shù)學(xué)方程、1000多個(gè)中間變量組成，基于遙感和GIS提供的強(qiáng)大平臺(tái)，利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息，模擬復(fù)雜大流域中多種不同的水文物理過程，包括水、沙輸移與轉(zhuǎn)化過程。

3 結(jié)果與分析

3.1 汾河水庫(kù)上游水土侵蝕分析

汾河水庫(kù)位于汾河流域的上游段，控制流域面積5268km2，總庫(kù)容7.21億m3，水庫(kù)最大回水面面積32km2，最大回水長(zhǎng)度18.3km。流域內(nèi)河網(wǎng)密度0.35km/km2，溝壑密度 5～8km/km2，多年平均侵蝕模數(shù)5000t/km2，徑流模數(shù)7.98萬m3/km2，輸沙模數(shù)87.3t/km2。從發(fā)源地至汾河水庫(kù)，地形破碎、溝壑縱橫、坡陡溝深，地面坡度7°～35°的面積占63.2%。上游河道縱坡4.5‰，河網(wǎng)密度為0.35km/km2。丘陵溝壑區(qū)內(nèi)3～30km2的小流域 135條，面積1774.3km2，占丘陵溝壑區(qū)面積的92.51%，中等干旱年（75%）年徑流量為20.7億m3，干旱年（95%）年徑流量為14.9億m3，年平均輸沙量為0.41億t。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，汾河水庫(kù)上游雖經(jīng)過營(yíng)林建設(shè)，植被系統(tǒng)得到一些恢復(fù)，但覆蓋度仍很低。流域內(nèi)地貌根據(jù)地面物質(zhì)組成及侵蝕特征劃分為黃土丘陵溝壑區(qū)、石林山區(qū)、土石山區(qū)、河川階地區(qū)4大區(qū)。年土壤侵蝕模數(shù)大于允許值500t/km2的流域面積為3688km2，占總控制流域面積的70%，年土壤侵蝕總量為2.37×107t，年均侵蝕模數(shù)為4495t/km2。石林和土石山區(qū)面積為3164km2，占控制面積的59.2%，年均侵蝕量為283萬t，占控制流域年侵蝕量的11.9%。河川階地區(qū)面積為279km2，占控制流域總面積的5.3%，年均侵蝕量9.80萬t，占控制流域年侵蝕量的0.4%。黃土丘陵溝壑區(qū)面積為1870km2，占總面積的35.5%，年均侵蝕量為2.08×107t，占控制流域年侵蝕量的87.7%，是汾河水庫(kù)泥沙的主要來源區(qū)，也是水土流失嚴(yán)重地區(qū)。

建庫(kù)以來，由于受風(fēng)雨侵蝕、水沙運(yùn)動(dòng)、自然環(huán)境變化等因素的影響，造成水庫(kù)泥沙淤積狀況日趨嚴(yán)重，為進(jìn)一步研究監(jiān)控水沙狀況，在入庫(kù)處汾河上設(shè)立河岔泥沙站，控制流域面積3325km2；支流嵐河上設(shè)立上靜游水文站，控制流域面積1400km2；支流澗河上設(shè)立婁煩泥沙站，控制流域面積578km2，以上三河是汾河水庫(kù)水、沙的主要來源，占控制流域面積的95%。汾河水庫(kù)流域內(nèi)多年平均降水量522.67mm，其中汛期降水量為全年降水量的70%，7—8月最大，占全年降水量的48%。設(shè)計(jì)年均來水量4.52億m3，實(shí)際年來水量為3.67億m3，汛期來水量占全年來水量的60%，多年平均來沙量為2100t，汛期來沙量占全年來沙量的96%，斷面最大平均含沙量為605kg/m3。試驗(yàn)表明，汾河水庫(kù)上游的1998—2010年泥沙量與年徑流量變化趨勢(shì)基本一致，表明年水土侵蝕量隨年徑流量減少而減少，隨著年徑流量增大而加劇。

3.2 汾河水庫(kù)上游水土侵蝕模擬研究成果

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，汾河水庫(kù)上游區(qū)的徑流量及其變化主要由汾河干流決定，泥沙貢獻(xiàn)同樣為汾河干流。影響汾河水庫(kù)泥沙淤積的因子主要是汾河水庫(kù)上游來水來沙過程。水庫(kù)上游來水來沙受制于產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，且與上游流域特性和水土保持狀況密切相關(guān)。

4 水土侵蝕與水庫(kù)淤積防治措施

4.1 加強(qiáng)水土保持

加強(qiáng)水土保持是防治水土侵蝕與水庫(kù)淤積的根本途徑，在水庫(kù)上游流域面上植樹種草，既能保水保土，遏制水土侵蝕，又可起到減沙、阻沙作用，從根本上解決水土侵蝕與水庫(kù)淤積問題。必須加大水土保持力度，切實(shí)治理水土侵蝕，恢復(fù)植被系統(tǒng)，使之形成新的良性的水沙循環(huán)。

4.2 泄洪排沙，蓄清排渾

根據(jù)汾河水庫(kù)的具體情況，河流水量及沙量高度集中于汛期的特點(diǎn)，充分利用汛期洪水能攜帶大量泥沙自然傳吐的性能，洪水一到就及時(shí)開啟閘門放水，以達(dá)到排沙清淤的效果，將大部分泥沙排出庫(kù)外。同時(shí)，修攔沙水庫(kù)或利用上游洼地引洪淤地，控制入庫(kù)沙量，減少上游來沙，能有效緩解水庫(kù)淤積。

4.3 清淤排沙

泥沙淤積，侵占有效庫(kù)容，嚴(yán)重影響水庫(kù)三大效益的發(fā)揮。在水庫(kù)泄空期間，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水力人工或機(jī)械措施清理，或?qū)⑺鲗?dǎo)入在灘地上預(yù)先挖好的新主槽內(nèi)，依靠清水、基流或洪水沖刷作用，使入庫(kù)水流挾帶的泥沙排出庫(kù)外，恢復(fù)有效庫(kù)容，延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命。

5 結(jié)論

流域水土侵蝕問題與水庫(kù)安全運(yùn)行中的任何一個(gè)目標(biāo)都同步存在并且相互制約，汾河水庫(kù)上游水土侵蝕量隨年徑流量減少而減少，隨著年徑流量增大而加劇。黃土丘陵溝壑區(qū)占控制流域年侵蝕量的87.7%，是水土流失嚴(yán)重地區(qū)，是汾河水庫(kù)泥沙的主要來源區(qū)。SWAT模型在汾河水庫(kù)上游模擬效果較好，模擬與實(shí)測(cè)相對(duì)誤差小于10%，適用于汾河水庫(kù)上游流域的水土侵蝕過程模擬，模擬結(jié)果為水庫(kù)今后運(yùn)行和管理提供了科學(xué)的依據(jù)。根據(jù)汾河水庫(kù)具體情況，建立適宜的優(yōu)化調(diào)度模型，進(jìn)行綜合調(diào)度，將不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系調(diào)節(jié)成協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，解決防洪、排沙和興利等多方面的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的優(yōu)化運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)三大效益。