黃河水土保持生態(tài)工程蓄水減沙作用分析
——以涇河流域硯瓦川項(xiàng)目區(qū)為例

王鴻斌，劉 斌，張志萍，常瑞麗

(黃河水利委員會(huì) 西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

硯瓦川流域地處甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)、寧縣境內(nèi)，系涇河二級(jí)支流，位于E107°37′34″—107°51′57″、N35°32′50″—35°42′33″之間，流域總面積366.93 km2，溝道比降1.29%，涉及西峰區(qū)、寧縣的8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。流域主要由塬、坡、溝三大地貌單元組成，其中塬面面積138.53 km2、溝壑面積73.19 km2、坡面面積155.21 km2，分別占流域總面積的37.75%、19.95%和42.30%。流域主溝道長(zhǎng)75 km，有0.3 km以上的支毛溝520多條，支毛溝總長(zhǎng)361.85 km，平均溝壑密度2.17 km/km2。 黃河水土保持生態(tài)工程涇河流域硯瓦川項(xiàng)目區(qū)由硯瓦川、崆峒溝、慶豐溝、白土溝4條小流域組成，總面積236.67 km2，其中硯瓦川小流域88.62 km2、崆峒溝小流域68.20 km2、慶豐溝小流域37.06 km2、白土溝小流域42.79 km2，涉及西峰區(qū)的董志、什社、肖金和寧縣的焦村、新寧、瓦斜等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、39個(gè)行政村。項(xiàng)目區(qū)為典型的黃土高塬溝壑區(qū)，有水土流失面積224.9 km2，屬國(guó)家和《甘肅省人民政府關(guān)于水土保持預(yù)防監(jiān)督“三區(qū)”劃分公告》中所列的水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。

1 流域水沙基本特性

為分析硯瓦川流域水土保持綜合治理效益，從1976年開(kāi)始，黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站在硯瓦川流域出口處設(shè)立徑流泥沙觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)站控制流域面積329 km2，測(cè)流設(shè)施為拋物線型量水堰。2008年，隨著黃河水土保持生態(tài)工程硯瓦川項(xiàng)目區(qū)(以下簡(jiǎn)稱項(xiàng)目區(qū))的開(kāi)工建設(shè)，為進(jìn)一步對(duì)比觀測(cè)水土保持措施的蓄水?dāng)r沙效益，在流域內(nèi)的肖金老山布設(shè)了10個(gè)水土保持效益觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，其中在陰坡布設(shè)2個(gè)油松沙棘混交林小區(qū)和1個(gè)荒坡對(duì)照小區(qū)，在陽(yáng)坡布設(shè)2個(gè)側(cè)柏林小區(qū)、2個(gè)香豌豆小區(qū)、2個(gè)封禁治理小區(qū)、1個(gè)荒坡對(duì)照小區(qū)。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)設(shè)有14個(gè)雨量站。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，項(xiàng)目區(qū)年均降水量(1976—2013年數(shù)據(jù)，下同)為512.6 mm，汛期降雨量為405.4 mm，7—8月降雨量為215.0 mm，有效降雨量為326.3 mm。硯瓦川流域年徑流量為734.5萬(wàn)m3，其中：汛期徑流量406.3萬(wàn)m3，占年徑流量的55.3%；7—8月徑流量229.7萬(wàn)m3，占年徑流量的31.3%，占汛期徑流量的56.5%；多年平均洪水徑流量240.3萬(wàn)m3，占年徑流量的32.7%；年常水徑流量481.9萬(wàn)m3，占年徑流量的65.6%。最大年徑流量1 577.0萬(wàn)m3(1984年)，最小年徑流量371.1萬(wàn)m3(2009年)，極值比為4.2 ∶1。多年平均徑流模數(shù)為2.232 4萬(wàn)m3/km2，多年平均洪水徑流模數(shù)為0.730 5萬(wàn)m3/km2。硯瓦川流域年輸沙量為66.48萬(wàn)t，其中：汛期輸沙量65.71萬(wàn)t，占年輸沙量的98.84%；7—8月輸沙量48.15萬(wàn)t，占年輸沙量的72.43%，占汛期輸沙量的73.28%；年洪水輸沙量為64.93萬(wàn)t，占年輸沙量的97.67%。最大年輸沙量396.88萬(wàn)t(1984年)，最小年輸沙量0.99萬(wàn)t(2008年)，多年平均輸沙模數(shù)為2 020.6 t/km2。

2 水土保持措施面積提取

以建設(shè)基準(zhǔn)年和建設(shè)期末的SPOT 5衛(wèi)星影像為信息源，結(jié)合野外調(diào)查，在GIS平臺(tái)下提取了項(xiàng)目區(qū)實(shí)施的各類水土保持措施數(shù)量。解譯結(jié)果表明，截至2013年末，項(xiàng)目區(qū)累計(jì)實(shí)施坡改梯1.92 km2，栽植人工林10.57 km2，培育人工草地3.04 km2，建設(shè)淤地壩16座、水窖200眼、澇池17個(gè)、溝頭防護(hù)工程10處。

3 水土保持措施蓄水減沙作用分析

對(duì)于項(xiàng)目區(qū)實(shí)施的水土保持措施的蓄水減沙作用，采用“水保法”進(jìn)行計(jì)算。

3.1 坡面措施減洪減沙量

項(xiàng)目區(qū)坡面措施主要包括坡改梯、人工造林、人工種草等三大類。計(jì)算坡面水土保持措施的減洪減沙量時(shí)，一方面利用項(xiàng)目區(qū)布設(shè)的徑流小區(qū)取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單項(xiàng)措施攔蓄效益分析，另一方面借鑒水利部第二期黃河水沙變化研究基金項(xiàng)目“涇河、北洛河、渭河流域水土保持措施減水減沙效益分析”[1]和黃委十五重大治黃科技項(xiàng)目“黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域水土流失規(guī)律及水土保持治理效益分析研究”[2]中南小河溝徑流場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用頻率分析法建立坡面水土保持措施減洪減沙指標(biāo)體系，在修正、完善后用于項(xiàng)目區(qū)水土保持措施減洪減沙量計(jì)算。

根據(jù)措施小區(qū)-對(duì)照小區(qū)〔梯田-坡耕地、人工林-荒草坡、人工牧草地-宜牧坡耕地(>20°)〕的洪水徑流量、侵蝕量的經(jīng)驗(yàn)頻率曲線，與同頻率量值比較，即可得出某一頻率下的減洪減沙指標(biāo)。林地、草地由減洪指標(biāo)曲線查得的徑流量、減洪量與實(shí)際狀況較接近，而梯田因減洪指標(biāo)曲線反映的是無(wú)埂梯田的狀況，需要引入有埂率指標(biāo)采用“二步到位法”進(jìn)行修正。

通過(guò)點(diǎn)繪措施小區(qū)與對(duì)照小區(qū)汛期降雨量與減洪減沙量關(guān)系曲線，采用同頻率對(duì)應(yīng)的方法，將不同洪量頻率下的減洪指標(biāo)轉(zhuǎn)換為同一頻率、不同雨量級(jí)下的減洪指標(biāo)。為消除不同系列水文周期性的影響，通過(guò)分析代表小區(qū)與流域的汛期降雨量統(tǒng)計(jì)規(guī)律與特性，以汛期降雨量對(duì)小區(qū)系列汛期雨量及相應(yīng)的減洪指標(biāo)進(jìn)行修正，得到項(xiàng)目區(qū)減洪減沙指標(biāo)體系。

3.2 治溝骨干工程減洪減沙量

淤地壩減沙量計(jì)算。硯瓦川流域內(nèi)的壩地均蓄水未利用，淤地壩總攔泥量為單壩控制面積和區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)的乘積。減蝕量為壩淤地(蓄水)面積、溝谷減蝕模數(shù)、各壩建成年限三者的乘積。經(jīng)計(jì)算，硯瓦川項(xiàng)目區(qū)2008—2013年淤地壩累計(jì)減蝕量為24.4萬(wàn)t。

淤地壩減洪量計(jì)算。淤地壩減洪量計(jì)算分為兩部分，一部分是計(jì)算已經(jīng)淤平后作為農(nóng)地利用的壩地減洪量，另一部分是計(jì)算仍在攔洪期的淤地壩減洪量。淤地壩淤平后開(kāi)發(fā)利用壩地，其減洪作用就跟有埂的水平梯田一樣。經(jīng)計(jì)算，項(xiàng)目區(qū)2008—2013年淤地壩總減洪量為94.47萬(wàn)m3。

3.3 其他小型工程減洪減沙量

除治溝骨干工程外，硯瓦川流域還建設(shè)有溝頭防護(hù)、水窖、澇池等小型工程措施，尤其是溝頭防護(hù)能防止塬面成股洪水流入溝中造成嚴(yán)重侵蝕，發(fā)揮了一定的攔蓄作用。其他小型工程減洪減沙量的計(jì)算采用西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站《南小河溝典型流域水土保持綜合治理效益研究報(bào)告》中提供的某小型工程的平均攔蓄量乘以單項(xiàng)工程的數(shù)量，得到該措施的蓄水?dāng)r沙效益。經(jīng)計(jì)算，2008—2013年項(xiàng)目區(qū)治溝骨干工程和小型攔蓄工程年均減洪26.40萬(wàn)m3，年均減沙17.40萬(wàn)t。

3.4 人為活動(dòng)新增水土流失量

根據(jù)調(diào)查，硯瓦川流域人為活動(dòng)主要是修路、工礦建設(shè)等。通過(guò)調(diào)查修路、開(kāi)礦的棄土棄渣量，結(jié)合南小河溝道路徑流場(chǎng)觀測(cè)資料確定的流失量及計(jì)算指標(biāo)，來(lái)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)人為活動(dòng)新增水土流失量。經(jīng)計(jì)算，2008—2013年項(xiàng)目區(qū)人為活動(dòng)累計(jì)增沙1.14萬(wàn)t，累計(jì)增洪6.02萬(wàn)m3。

4 結(jié)果與分析

硯瓦川項(xiàng)目區(qū)水土保持綜合治理措施蓄水減沙效益計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、2。由“水保法”計(jì)算成果匯總可知，2008—2013年項(xiàng)目區(qū)水土保持綜合治理措施及人類活動(dòng)年均減洪量152.61萬(wàn)m3，年均減沙量34.68萬(wàn)t。水保措施中坡面措施年均減洪132.22萬(wàn)m3， 占坡面和工程措施減洪總量的83.4%，工程措施年均減洪26.41萬(wàn)m3，占16.6%；坡面措施減沙18.42萬(wàn)t，占坡面和工程措施減沙總量的51.4%，工程措施減沙17.40萬(wàn)t，占48.6%。在坡面措施減洪量中，梯田減洪占16.4%，林地占75.7%，草地占7.9%；在坡面措施減沙中，梯田減沙占17.8%，林地減沙占74.1%，草地減沙占8.1%。

表1 硯瓦川項(xiàng)目區(qū)“水保法”減洪作用計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)m3

表2 硯瓦川項(xiàng)目區(qū)“水保法”減沙作用計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)t

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張勝利.涇河、北洛河、渭河流域水土保持措施減水減沙效益及水沙變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的研究[R].鄭州:黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院,1991:68-71.

[2] 田杏芳,賈澤祥,劉斌,等.黃土高塬溝壑區(qū)典型小流域水土流失規(guī)律及水土保持治理效益分析研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2008:157-171.