淺談生態(tài)用水對(duì)黃河徑流的影響

馮傳杰 李曉春

(黃河上中游管理局)

黃河上游是黃河流域主要產(chǎn)水區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。黃河流域生態(tài)用水的重點(diǎn)區(qū)域是上中游，特別是甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等省(區(qū))。生態(tài)用水在一定程度上影響了流域的產(chǎn)水量，反應(yīng)在徑流上就體現(xiàn)為生態(tài)用水對(duì)黃河徑流的減水作用。通過(guò)黃河上游水土保持治理對(duì)于黃河徑流量的影響調(diào)查分析，揭示黃河徑流的變化規(guī)律，弄清影響徑流量變化的關(guān)鍵因素，為實(shí)現(xiàn)黃河的生態(tài)調(diào)度和生態(tài)治理提供依據(jù)。

1 水土保持措施對(duì)黃河徑流量的影響機(jī)理

土壤侵蝕的持續(xù)發(fā)生，不僅會(huì)造成當(dāng)?shù)赝寥劳嘶酥镣恋刭Y源徹底破壞，而且還會(huì)引起下游河道與湖泊的淤積，加劇洪澇災(zāi)害的威脅。同時(shí)，土壤侵蝕引起的面源污染還會(huì)破壞水資源，加劇缺水地區(qū)的水危機(jī)。因此，開(kāi)展水土流失綜合治理已成為當(dāng)前國(guó)土整治工作的重點(diǎn)?，F(xiàn)將不同水土保持措施對(duì)黃河徑流的影響分析如下。

1.1 梯田的水土保持作用

水平梯田作為黃土高原主要的基本農(nóng)田形式，是一項(xiàng)面積較大的坡耕地治理根本措施。黃土高原嚴(yán)重的土壤侵蝕往往是由少數(shù)幾次暴雨造成的，不同的暴雨情況所造成的水土流失差異很大。由于黃土高原超滲產(chǎn)流的特點(diǎn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)了土壤入滲速度，土壤表面就會(huì)產(chǎn)生積水，積水在重力作用下將沿坡面向下流動(dòng)，形成坡面徑流。坡面徑流對(duì)坡面土壤具有沖刷力，坡面徑流的沖刷力與徑流系數(shù)、降雨強(qiáng)度、坡長(zhǎng)的平方、坡度的正弦和余弦的乘積成正比:

式中:r為水的密度;g為重力加速度;a為徑流系數(shù);I為平均降雨強(qiáng)度;L為坡長(zhǎng);θ為坡面的傾斜角。

上式說(shuō)明改變坡度θ和徑流系數(shù)a，縮短坡長(zhǎng)L，是防止坡面水土流失的關(guān)鍵所在。水平梯田之所以具有較強(qiáng)的水土保持作用，是因?yàn)樗教萏锔淖兞说孛嫫露群蛷搅飨禂?shù)，縮短了坡長(zhǎng)。

1.2 林地對(duì)徑流影響機(jī)理分析

在黃河上游地區(qū)實(shí)施的水土保持措施中，林草植被措施一直是各地大面積開(kāi)展的人工措施。特別是森林植被措施，其減洪減沙作用十分明顯。森林植被具有強(qiáng)大的減洪減沙功能，主要體現(xiàn)在三個(gè)層次，即林冠層、地被物層和根系—土壤層以及各自功能及總體協(xié)調(diào)功能的充分發(fā)揮。

林冠層主要作用表現(xiàn)在截持降水、蒸騰蒸發(fā)以及對(duì)林內(nèi)雨滴動(dòng)能的影響。目前，在黃土高原對(duì)不同植被類(lèi)型冠層的截留作用，已有較多的研究，視植被類(lèi)型和郁閉度不同，截留量一般約占總降水量的12%－30%。截留率隨降水形式、降水量和降水強(qiáng)度而變化。林冠截持的降水，多以枝葉面蒸發(fā)的形式返回大氣。冠層對(duì)降水的再分配，不僅減少了林內(nèi)的降水量，也間接地影響到降水匯入黃河形成徑流的過(guò)程。

地被物層主要作用表現(xiàn)在截留降水，防止濺蝕，滯緩地表徑流，抑制土壤蒸發(fā)，抵抗水流沖刷等方面。胡建忠在黃土高原丘陵區(qū)進(jìn)行的研究結(jié)果表明，平均年齡近70年的天然植被群落的枯落物吸水量為11 mm，退耕20年左右的人工植被群落的枯落物吸水量為4 mm。降水被截留在地被物層，從而匯入黃河形成徑流的水量就相應(yīng)減少。

根系—土壤層主要作用表現(xiàn)在其透水和貯水性能方面。根系對(duì)土壤的固持，以及在枯落物和根系的共同作用下，使土壤的物理性狀和土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改善。土壤的滲透性，是植被各種有益水文功能的總基礎(chǔ)，通過(guò)滲透，可把降雨轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥浪?。決定土壤抗蝕性強(qiáng)弱的主導(dǎo)因子—土壤有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量，其各植被類(lèi)型區(qū)均較裸地為高，且在腐殖質(zhì)組成中，與鈣結(jié)合的富單酸和胡敏酸比較豐富，尤其是帶有一價(jià)陽(yáng)離子的腐殖質(zhì)膠體，遇水不潮解，能促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。土壤透水性和貯水性的改變，使原本應(yīng)該匯入黃河形成徑流的雨量形成了土壤水，間接影響了黃河的徑流。

1.3 草地對(duì)徑流影響機(jī)理分析

草地的水土保持效應(yīng)主要是通過(guò)牧草的地上和地下兩部分共同實(shí)現(xiàn)的，地上部分主要是通過(guò)對(duì)降雨截留，減少地表凈雨和削減降雨動(dòng)能降低降雨侵蝕力，以及增加地表糙率，降低徑流對(duì)地表的沖刷能力等多方面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而地下部分的作用主要體現(xiàn)在根系增強(qiáng)土壤的抗沖性能以及改善土壤構(gòu)型。

草地坡面具有顯著的減沙減水效應(yīng)。根據(jù)已有的研究成果，草地的平均徑流系數(shù)較裸地減少28.3%，輸沙率減少78.4%。草地削減徑流的作用明顯弱于減沙作用。

1.3.1 草地能增大起流歷時(shí)

雨水降落在坡面上，首先在土壤中入滲，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，土壤蓄水能力達(dá)到飽和，或降雨強(qiáng)度超過(guò)逐漸減小的土壤入滲能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多余的水量，等充滿地表的凹坑后，就會(huì)沿坡面流動(dòng)形成徑流。起流歷時(shí)是反映水土保持措施對(duì)徑流調(diào)控能力的綜合參數(shù)和重要指標(biāo)。據(jù)研究資料，裸地平均起流歷時(shí)為2.00 min，而草地則為6.32 min。草地能將坡面徑流流出小區(qū)的時(shí)間大大推遲，進(jìn)而有效增加了徑流在草地坡面入滲的時(shí)間，明顯提高了草地坡面的徑流入滲量。

1.3.2 草地會(huì)減小徑流流速

土壤侵蝕是水流和土壤相互作用的復(fù)雜物理過(guò)程，而坡面徑流是土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?。坡面徑流是指在重力作用下順坡面流?dòng)的淺層水流，其流速會(huì)隨流量的增加逐漸加大。據(jù)研究資料，草地坡面平均徑流流速明顯小于裸地，僅為裸地的60%，這也意味著草地坡面可將徑流流速減小40%。流速的減小可使徑流的沖刷能力和輸沙能力迅速下降，草地坡面徑流的含沙率和輸沙率分別為裸地的32%和24%。同時(shí)，坡面徑流流速的降低也為水分的充分入滲提供了條件。

1.3.3 草地對(duì)徑流深度的影響并不明顯

坡面徑流深度受流量、流速以及入滲的綜合影響。草地的減流減沙作用主要在于草地對(duì)徑流流速的改變，如果單純從措施對(duì)徑流水力學(xué)參數(shù)的影響來(lái)考慮，徑流流速可能會(huì)更好地反映草地的徑流調(diào)控效果和能力。

總的來(lái)說(shuō)，草地具有顯著的減沙減水效應(yīng)，從而對(duì)黃河徑流量產(chǎn)生一定的影響。

1.4 淤地壩對(duì)黃河徑流影響的機(jī)理分析

淤地壩的減水量包括已經(jīng)淤平后作為農(nóng)地利用的壩地減水量和仍在攔洪時(shí)期的淤地壩減水量。淤地壩淤平后，其減水作用與有埂的水平梯田一樣;仍在攔洪時(shí)期的淤地壩，其攔泥和攔水是同時(shí)進(jìn)行的，淤泥中所含的水分大部分將消耗于蒸發(fā)，另有一小部分滲入地下后形成潛流。

淤地壩減沙量包括淤地壩的攔泥量、減輕溝蝕量以及由于壩地滯洪及流速減小對(duì)壩下游溝道侵蝕的減少量。

淤地壩的減蝕作用在溝道建壩后即行開(kāi)始，其減蝕量一般與溝壑密度、溝道比降及溝谷侵蝕模數(shù)等因素有關(guān)，其數(shù)量包括被壩內(nèi)泥沙淤積物覆蓋下的原溝谷侵蝕量和波及的淤泥面以上溝道侵蝕的減少量。

淤地壩除攔蓄溝谷地產(chǎn)沙量外，還可攔蓄坡面50%以上的產(chǎn)沙量。

2 水土保持措施對(duì)黃河徑流量的影響分析

2.1 水土保持措施減水作用對(duì)黃河徑流的影響

通過(guò)對(duì)黃河上游生態(tài)用水分析計(jì)算結(jié)果可知，青海段的現(xiàn)狀梯田、造林、草地、壩地年生態(tài)減水量分別為8395.38 萬(wàn) m3、24884.79 萬(wàn) m3、14768.07萬(wàn)m3、1454.5 萬(wàn) m3;甘肅段的現(xiàn)狀梯田、造林、草地、壩地年生態(tài)減水量分別為61.364萬(wàn)m3、72.295萬(wàn) m3、37.599 萬(wàn) m3、1.33 萬(wàn) m3;寧夏段的現(xiàn)狀梯田、造林、草地、壩地年生態(tài)減水量分別為10869.5萬(wàn) m3、16360.7 萬(wàn) m3、8086.8 萬(wàn) m3、16883.3 萬(wàn)m3;內(nèi)蒙段的現(xiàn)狀梯田、造林、草地、壩地減水量分別為 2316.0 萬(wàn) m3、36193.0 萬(wàn) m3、10503.2 萬(wàn)m3、18154.6萬(wàn)m3。由于水土保持措施減水的本質(zhì)是減洪，即減少的是相對(duì)難以利用的洪水，并且汛期攔蓄的洪水有相當(dāng)一部分在非汛期排放，這對(duì)黃河流域水資源的可持續(xù)利用起到了至關(guān)重要的作用。

2.2 水土保持措施減沙作用對(duì)黃河徑流的影響

黃河下游為了減輕河道淤積，每年約需200億m3的水量用于沖沙。水土保持措施的最大作用在于減少入河泥沙，因此，水土保持措施的實(shí)施，降低了河流含沙量，減少了河流沖沙用水，這部分水可為黃河下游增加大量的用于輸沙以外的可調(diào)用水量。

按照表1所列的各類(lèi)水土保持措施的減沙定額計(jì)算可知，2009年青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙段水土保持措施減沙量分別為6929.61萬(wàn) t、6531.21萬(wàn) t、24109.8 萬(wàn) t、26935.3 萬(wàn) t(見(jiàn)表 2)。

表1 水土保持措施減沙定額 單位:t/hm2

表2 黃河上游各省區(qū)2009年水土保持措施減沙量

按沖走1 t沙需要16 m3用水計(jì)算，則青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙段由于水土保持減少的沖沙用水則分別為110873.74 萬(wàn) m3、104499.36 萬(wàn) m3、385757.5萬(wàn)m3、430965.2萬(wàn)m3(見(jiàn)表3)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，水土保持措施控制上游水土流失間接減少下游的沖沙用水量比水土保持直接通過(guò)減洪減少的水量要大很多，黃河上游青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙段水土保持措施減少的下游沖沙用水量分別比其水土保持措施直接減水量分別多出 54997.07萬(wàn) m3、75004.84萬(wàn) m3、333557.3 萬(wàn) m3、363798.4 萬(wàn) m3，這也是黃河上游生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域大面積通過(guò)水土保持措施治理水土流失的重要原因之一。

表3 黃河上游2009年各省區(qū)水保措施減少的沖沙用水量

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，大面積的水土保持措施對(duì)黃河徑流的主要影響:一是對(duì)徑流的減少和調(diào)節(jié)作用。大量的研究表明，黃土高原壩地含水量明顯高于其他土地利用類(lèi)型的含水量，土壤含水量的增加，導(dǎo)致了流域蒸騰蒸發(fā)量的增加。同時(shí)，林地的增加，也增大了流域的蒸騰蒸發(fā)量。因此，水土保持減少了河流的徑流量。梯田和壩地由于坡度的改變，增加了流域的下滲能力，這部分土壤水，最終會(huì)通過(guò)地下徑流的方式補(bǔ)給河流，只是在時(shí)間上滯后于地表徑流。二是對(duì)下游的減沙減水作用。上游的水土保持措施減少了黃河下游的積沙量，從而減少了下游的沖沙用水量，間接影響了黃河的徑流量。