城西川小流域坡面治理措施與壩系工程攔沙效果分析

周子淵,張 富,馬樂(lè)群

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.黃河水利委員會(huì) 天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水 741000； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌710021)

1 小流域概況及治理情況

城西川小流域位于環(huán)縣縣城西北部，屬黃土高塬丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，涉及環(huán)城、虎洞兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是環(huán)江右岸的一條支溝。流域總面積79.6 km2，有水土流失面積79.6 km2。介于東經(jīng)106°52′—107°17′、北緯36°21′—36°35′之間。海拔1 254—1 707 m。地形西高東低，地貌以梁峁為主，殘塬、梁峁、溝谷、川臺(tái)、灣掌并存。較大的溝谷已侵蝕到塬心，塬面支離破碎。溝壑密度2.9 km/km2。年均徑流模數(shù)2.27萬(wàn)m3/km2，侵蝕模數(shù)8 000 t/km2。屬典型的干旱和半干旱大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫8.7℃，年日照時(shí)數(shù)2 482.3 h，無(wú)霜期166 d。多年平均降水量426 mm，降水分布不均，主要集中在7—9月[1]，期間降水量占全年降水量的65%以上，且多以暴雨形式出現(xiàn)，這是造成水土流失的主要原因之一，也是導(dǎo)致溝頭不斷擴(kuò)張，川臺(tái)、掌地不斷減少的誘因之一。流域植被稀少，主要是荒坡牧草，其次是灌木林。土壤主要有黃綿土、黑壚土、紅黏土和新積土4種。侵蝕形式主要是水力侵蝕和重力侵蝕，包括面蝕、溝蝕、崩塌、瀉溜、滑塌等[2]。面蝕主要發(fā)生在梁峁頂、梁峁坡，最為嚴(yán)重的是坡耕地。溝蝕主要出現(xiàn)在陡坡地，最為嚴(yán)重的是谷坡的溝床。重力侵蝕在谷坡表現(xiàn)為瀉溜、滑塌，在溝岸表現(xiàn)為崩塌。

2006—2010年，該小流域遵照“梁峁頂植樹(shù)造林，梁峁坡陡坡耕地退耕還草，梁峁坡緩坡耕地修建水平梯田，溝臺(tái)地和旱川地搞綜合開(kāi)發(fā)，溝谷建壩蓄水”的治理模式開(kāi)展綜合治理[3]，5年間坡面治理措施增加1 787.9 hm2，累計(jì)達(dá)4 102.35 hm2，其中梯田新增697.5 hm2，造林新增668.4 hm2，種草新增422.0 hm2，坡面治理程度達(dá)到56.65%。截至2010年底，該流域已建成淤地壩60座，其中骨干壩10座、中型淤地壩8座、小型淤地壩42座，壩控總面積72.42 km2、總庫(kù)容767.06萬(wàn)m3。

為了解和掌握城西川小流域坡面治理措施和壩系工程的治理效果，我們于2006年開(kāi)始，對(duì)該流域坡面治理措施(梯田、造林、種草)和壩系工程(骨干壩、中型壩、小型壩)的攔沙效果進(jìn)行了連續(xù)5年的監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)方法與內(nèi)容

2.1 坡面治理措施監(jiān)測(cè)方法與內(nèi)容

坡面治理措施監(jiān)測(cè)采取實(shí)地測(cè)量、調(diào)查和計(jì)算的方法。2006—2010年每年開(kāi)展一次坡面治理措施監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容是坡面治理措施的數(shù)量及變化情況，即梯田、造林、種草等坡面治理措施的年新增及累計(jì)治理面積和攔沙情況。

2.2 壩系工程監(jiān)測(cè)方法、內(nèi)容

(1)壩系工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。主要采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方法，具體為在1/10 000地形圖上繪制小流域壩系工程平面布置圖，并單獨(dú)建立監(jiān)測(cè)臺(tái)賬，2006—2010年每年一次，詳細(xì)記錄每座淤地壩的壩名、地理位置、壩型、控制面積、壩高、庫(kù)容、開(kāi)工時(shí)間、竣工時(shí)間等。

(2)攔沙量監(jiān)測(cè)。布設(shè)攔沙監(jiān)測(cè)點(diǎn)66個(gè)。攔沙量主要是在庫(kù)內(nèi)水面封凍后采用“平均淤積高程法”破冰進(jìn)行測(cè)算[4]。監(jiān)測(cè)內(nèi)容是流域壩庫(kù)內(nèi)的泥沙淤積情況，2006—2010年每年對(duì)60座壩進(jìn)行一次全面監(jiān)測(cè)。

2.3 小流域輸沙量監(jiān)測(cè)

在流域出口河段布設(shè)測(cè)驗(yàn)斷面(拋物線量水堰)進(jìn)行人工觀測(cè)[5]。主要監(jiān)測(cè)流域出口的流量、含沙量，進(jìn)而推算次洪水的徑流量和輸沙量，每年5—10月進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 主要成果及分析

3.1 坡面治理措施及攔沙量動(dòng)態(tài)變化

(1)坡面治理措施動(dòng)態(tài)變化。2010年城西川小流域坡面治理面積較2006年增加了1 024.9 hm2，其中梯田增加了467.5 hm2、造林增加了315.4 hm2、種草增加了242 hm2。詳見(jiàn)表1。

表1 城西川小流域坡面治理措施動(dòng)態(tài)變化情況 hm2

(2)坡面措施攔沙動(dòng)態(tài)變化。2006—2010年，坡面治理措施累計(jì)攔沙32.94萬(wàn)t，其中梯田攔沙最多，為19.02萬(wàn)t。計(jì)算時(shí)參考《人民治黃五十年水土保持效益分析》(1996，黃河水利委員會(huì))中所提出的坡面工程攔沙計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及方法。詳見(jiàn)表2。

表2 城西川小流域坡面治理措施攔沙量 萬(wàn)t

3.2 壩系工程及攔沙量動(dòng)態(tài)變化

(1)壩系工程動(dòng)態(tài)變化情況。2006—2010年城西川小流域共建成骨干壩10座、中型壩8座和小型壩42座。詳見(jiàn)表3。

表3 城西川小流域壩系工程動(dòng)態(tài)變化情況

(2)壩系工程攔沙量動(dòng)態(tài)變化。2006—2010年，壩系工程共攔沙297.46萬(wàn)t，其中骨干壩攔沙159.04萬(wàn)t、中型壩攔沙65.89萬(wàn)t、小型壩攔沙72.53萬(wàn)t。中型壩的單位面積攔沙量較大。詳見(jiàn)表4。

表4 城西川小流域壩系工程攔沙量動(dòng)態(tài)變化情況

3.3 小流域總輸沙量動(dòng)態(tài)變化情況

2006—2010年，城西川小流域徑流總量為518萬(wàn)m3，輸沙總量27.55萬(wàn)t。詳見(jiàn)表5。

表5 城西川小流域輸沙量動(dòng)態(tài)變化情況

3.4 小流域總產(chǎn)沙量與攔沙輸沙量動(dòng)態(tài)分析

全流域產(chǎn)沙量包括壩系工程攔沙量、坡面措施攔沙量、把口站輸沙量三部分[6]。根據(jù)《(黃河流域水土保持小流域壩系監(jiān)測(cè)導(dǎo)則(試行)》(2004，黃河水利委員會(huì))，采用下式推算：

WC=WS+WP+W0

式中：WC為小流域年產(chǎn)沙量；WS為壩系年攔沙量；WP為坡面措施年攔沙量；W0為把口站年輸沙量。

表6為城西川小流域產(chǎn)沙、攔沙、輸沙情況。由表6可以看出，2006—2010年，城西川小流域總產(chǎn)沙量為357.93萬(wàn)t，壩系工程攔沙量大于坡面措施，其中坡面措施攔沙量為32.94萬(wàn)t，攔沙率為9.21%；壩系工程攔沙量為297.46萬(wàn)t，攔沙率為83.11%；輸沙量為27.55萬(wàn)t。

從表6可以看出，2006—2010年，坡面措施攔沙量和壩系工程攔沙量逐年增加，壩系工程攔沙率也逐年增加；輸沙量基本保持在4.76萬(wàn)—5.91萬(wàn)t之間。由此可以看出，壩系工程對(duì)小流域攔沙起主要作用。

表6 城西川小流域產(chǎn)沙、攔沙、輸沙情況

4 結(jié) 語(yǔ)

從城西川小流域5年的攔沙輸沙監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)綜合治理后小流域的攔沙保土能力逐漸增強(qiáng)，其中壩系工程起主要作用，這是由于流域坡面治理程度低、林草措施的攔沙能力尚不能充分發(fā)揮，而壩系工程抬高了侵蝕基準(zhǔn)面，控制了溝床下切和溝岸擴(kuò)張，可直接攔蓄泥沙。本次監(jiān)測(cè)成果可為開(kāi)展黃土高原小流域綜合治理效益評(píng)價(jià)等提供數(shù)據(jù)參考。

由于本次研究只利用了城西川小流域5年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在成果分析上有一定的局限性和不足，因暫時(shí)還無(wú)法分析歷年小流域把口站輸沙量的變化趨勢(shì)、汛期輸出洪水徑流量的變化趨勢(shì)等，建議在后續(xù)的項(xiàng)目和課題中延續(xù)監(jiān)測(cè)年限，以彌補(bǔ)本次的不足。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 畢慈芬，鄭新民,李欣，等. 黃土高原淤地壩建設(shè)對(duì)水環(huán)境的調(diào)節(jié)作用[J].人民黃河，2009 (11):85-86.

[2] 李敏.淤地壩在黃河中游水土流失防治中的作用[J].人民黃河，2003(12):25-26.

[3] 暢春輝.黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)前景展望[J].山西水土保持科技，2011(1):31-33.

[4] 左仲國(guó),陳鴻,王笑冰，等. 黃河中游多沙粗沙區(qū)淤地壩對(duì)泥沙的分選作用[J].人民黃河，2007(2)：64-65.

[5] 杜鋒,張勝利. 淺談黃土高原丘陵溝壑區(qū)的淤地壩建設(shè)[J].科技資訊，2011(4)：108.

[6] 鄭寶明.多沙粗沙區(qū)淤地壩建設(shè)研究[J].人民黃河，2003(7):33-34.