仕望河流域水土保持措施的減水減沙效益研究

徐家隆, 張 云, 張雪兵, 何 歡, 申衛(wèi)博2,, 王國棟, 胡 波

(1.陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所, 西安 710004; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué), 陜西 楊凌 712100; 4.長江科學(xué)院水土保持研究所, 武漢 430010)

仕望河流域水土保持措施的減水減沙效益研究

徐家隆1, 張 云3, 張雪兵3, 何 歡3, 申衛(wèi)博2,3, 王國棟3, 胡 波4

(1.陜西省水土保持勘測規(guī)劃研究所, 西安 710004; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué), 陜西 楊凌 712100; 4.長江科學(xué)院水土保持研究所, 武漢 430010)

黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間是黃河流域的主要產(chǎn)沙區(qū)，該區(qū)間河道全長725.1 km，落差607.3 m，比降0.084%，流域面積11.2萬km2。而仕望河流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)與高原溝壑區(qū)的過渡地帶，是黃河中游吳堡—龍門段西岸的1條1級支流。本文旨在通過對仕望河流域的水沙變化的綜合分析探討而為黃河的綜合治理提供一個(gè)切實(shí)可靠的依據(jù)。本文根據(jù)1970—1989年水文站的實(shí)測資料，分析了該流域的水沙來源和降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系，并結(jié)合2006—2010年的實(shí)測資料，對比分析了不同時(shí)期該流域降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙的變化情況。采用水文法分析計(jì)算了該流域水土保持、水利措施的減水減沙效益。通過實(shí)測資料分析計(jì)算，認(rèn)為仕望河流域水量變化采用雙累計(jì)曲線法分析結(jié)果比較合理，基本反映了降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙的內(nèi)在聯(lián)系。對比影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的自然因素(降雨)和人為因素(水土保持措施)，仕望河流域水土保持措施減水減沙量在總減水減沙量的占比呈逐年增加的趨勢，而降雨因素的的影響在逐步遞減。近30 a來國家越來越重視水土保持工作，黃土高原地區(qū)的水土保持治理工程陸續(xù)的實(shí)施對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的減少有顯著的影響。

仕望河; 水土保持; 減水減沙

黃河干流暴雨洪水主要來自五個(gè)地區(qū)：黃河上游蘭州以上地區(qū)；黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間(簡稱河龍間)；黃河中游龍門至三門峽區(qū)間(簡稱龍三間)；黃河中游三門峽至花園口區(qū)間(簡稱三花間)和黃河下游的大汶河流域。蘭州以上地區(qū)的洪水主要威脅在蘭州河段和寧蒙河段，洪水經(jīng)過長距離演進(jìn)和水庫調(diào)蓄，形成相對平緩的基流，對黃河下游防洪影響不大[1]；黃河下游僅有金堤河和大汶河入?yún)R，其洪量不大，對黃河干流洪水影響也不大。因此，黃河中游三個(gè)區(qū)間的暴雨洪水對黃河下游防洪安全威脅較大。黃河中游洪水的特點(diǎn)是洪峰高、歷時(shí)短、含沙量大，過程線多為尖瘦型。黃河中游支流一次洪峰一般為3～5 d，連續(xù)洪水一般為10～15 d；干流一次洪峰一般為5～8 d，連續(xù)洪水可達(dá)30～40 d，最長達(dá)45 d。以三門峽以上的河龍間和龍三間來水為主形成的大洪水(簡稱上大型洪水)占花園口站洪峰流量的70%～80%，其特點(diǎn)是洪峰高，洪量大，含沙量高，產(chǎn)生的較大洪水洪峰流量一般為15 000～22 000 m3/s[2]，日平均含沙量可達(dá)800～900 kg/m3。該區(qū)間洪水對黃河下游和三門峽庫區(qū)防洪威脅嚴(yán)重。

仕望河流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)與高原溝壑區(qū)的過渡地帶。為黃河中游吳堡—龍門段西岸的一條一級支流，流域總面積為2 356 km2。該流域水文特性的是：洪水過程平緩，歷時(shí)長，枯水流量大，這在流域上中游明顯[3]。該流域與黃河中游的多沙河流相似，泥沙主要集中在汛期，據(jù)大村站、英旺站1959—1969年(天然狀態(tài)下)資料統(tǒng)計(jì)，其平均6—9月的輸沙量能占到全年輸沙量的95%～98%，而7月，8月輸沙量又占汛期輸沙量的71.6%～83.5%。

采用水文法，根據(jù)水文站資料，對降雨資料進(jìn)行系列化處理和代表性分析，研究仕望河流域建站至1999年的水文和2006—2010年的降雨以及徑流泥沙，特別是20世紀(jì)90年代以來的水沙變化趨勢，可以正確認(rèn)識黃河流域的水土保持工作的地位和作用，減輕河道淤泥堆積等，具有重要的研究價(jià)值。本文旨在通過對仕望河流域的水沙變化的綜合分析探討而為黃河的綜合治理提供一個(gè)切實(shí)可靠的依據(jù)。

1 基本資料

1.1 自然地理特征

仕望河流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)與高原溝壑區(qū)的過渡地帶，為黃河中游吳堡—龍門段西岸相鄰的1級支流，流域總面積2 356 km2，仕望河大村水文站控制面積2 141 km2，占流域總面積的90.9%，(以下所稱流域僅指水文站控制區(qū))。

仕望河發(fā)源于黃龍北部低山林區(qū)，流經(jīng)黃龍、宜川入黃河(其中黃龍縣在流域內(nèi)面積921.6 km2，宜川縣在流域內(nèi)面積1 219.4 km2)，河道長112.8 km，主要支流有大南川、蔡家川、西川、交里河等，支流與干流成樹枝狀水系[4]，溝壑密度1.0～1.8 km/km2。仕望河地貌形態(tài)與汾川河相似，其上游為山林丘陵溝壑區(qū)，面積1 551 km2，占流域面積的72.4%。區(qū)內(nèi)山大、溝深坡陡、梁茆起伏、溝壑縱橫，林草覆蓋度73.8%～93%。下游為殘?jiān)瓬羡謪^(qū)，占流域面積的27.6%。

仕望河流域的土壤上中游主要為森林褐土、黑壚土和黃綿土，土壤肥力較高，結(jié)構(gòu)好，涵蓄水分能力強(qiáng)，下游主要為黃土性土類的黃善土、黃綿土。

1.2 水沙特征

仕望河流域地處半干旱半濕潤地區(qū)，1970—1989年水文站的實(shí)測資料顯示平均年降水量在500～600 mm之間，最大年降水量750 mm，最小年降水量僅289 mm。降雨多集中在6—9月，占年降雨量的70%以上。而2006—2010年的資料顯示該地區(qū)的降雨有所減少。

仕望河多年平均徑流量8 655萬m3，汛期占42.3%。該流域水文特性是：洪水過程平緩，歷時(shí)長，枯水流量大，這在流域上中游明顯。流域產(chǎn)流在面上分布有較大差異，上中游丘陵林區(qū)，徑流年內(nèi)分配相對均勻，平均年產(chǎn)流模數(shù)較小，為2.32萬m3/km2；下游殘?jiān)瓍^(qū)，徑流年內(nèi)分配相對集中，平均年產(chǎn)流模數(shù)大于上中游，為3.08萬m3/km2，但是由于下游殘?jiān)瓍^(qū)面積小(約占流域面積的27.6%～29.1%)，因而上中游仍是徑流的主要來源區(qū)，約占流域年徑流量的65.2%。

從輸沙情況看，由于上中游與下游下墊面條件的差異，因而產(chǎn)沙量也有較大差別。上中游植被好，輸沙模數(shù)也小，只有108～450 t/km2。兩流域的下游由于地形、土壤、植被條件差，其輸沙模數(shù)要比上中游大得多，約為5 000～6 890 t/km2。因而下游殘?jiān)瓍^(qū)雖然面積所占比例小(27.6%～229.1%)，但卻是沙量的主要來源區(qū)，來沙量約占流域輸沙量的87.0%以上。

1.3 計(jì)算方法

計(jì)算年徑流、年輸沙量，并與實(shí)測值比較，其差值ΔR、ΔWs即為人類活動(dòng)的減水減沙量。計(jì)算式為[7]：

(1)

(2)

式中：P——降雨量(mm)，減水效益計(jì)算用年雨量，減沙效益計(jì)算用汛期雨量；R2，Ws2——治理后實(shí)測年徑流、輸沙量；R1，Ws1——治理前年徑流、輸沙量；η1，η2——分別為減水、減沙效益；α——流域治理前產(chǎn)流率；E——流域治理前產(chǎn)沙率。分析計(jì)算得出：仕望河：α=17.434萬m3/mm，E=0.915萬t/mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 仕望河實(shí)測水沙過程變化分析

圖1為仕望河大村站實(shí)測年徑流、輸沙量過程線(R-t，Ws-t)。歷年徑流量過程線顯示，在1959—1989年，年徑流量大于平均值的年份共13 a，其中時(shí)段Ⅰ有6 a(1961，1963，1964，1966，1967，1968年)。時(shí)段Ⅱ有4 a(1971，1975，1976，1978年)，時(shí)段Ⅲ有3 a(1983，1985，1988年)。年徑流量累計(jì)曲線顯示，與時(shí)段Ⅰ相比，時(shí)段Ⅱ，Ⅲ曲線斜率是減小的，時(shí)段Ⅱ與時(shí)段Ⅲ相比，曲線斜率略為增大。

圖1 仕望河大村鎮(zhèn)P-t，R-t，WS-t過程線

歷年輸沙量過程線顯示，在1959—1989年，年輸沙量大于平均值的年份共有11 a，其中時(shí)段Ⅰ有6 a(1960，1963，1964，1965，1966，1967年)，時(shí)段Ⅱ有3 a(1971，1975，1977年)，時(shí)段Ⅲ有2 a(1982，1988年)，最大值出現(xiàn)在1971年。年輸沙量累計(jì)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)較多，曲線斜率是逐時(shí)段減小的。

表1為仕望河大村站年徑流量、輸沙量、平均含沙量統(tǒng)計(jì)成果，可以看出，時(shí)段Ⅱ，Ⅲ與時(shí)段Ⅰ相比，年徑流量、年輸沙量都是減小的，不同的是沙量連續(xù)減小，而水量時(shí)段Ⅲ比時(shí)段Ⅱ略有增加。

綜合表1分析可見，仕望河流域1970年以后兩個(gè)時(shí)段(Ⅱ，Ⅲ)實(shí)測水、沙量都比1970年以前(時(shí)段Ⅰ)有所減少，在同時(shí)段內(nèi)比較看，兩流域時(shí)段Ⅱ沙量減少的百分?jǐn)?shù)都略低于水量減少的百分?jǐn)?shù)，時(shí)段Ⅲ沙量減少的百分?jǐn)?shù)都顯著的高于水量減少的百分?jǐn)?shù)。Ⅱ，Ⅲ兩個(gè)時(shí)段比較看，時(shí)段Ⅲ水量減少的百分?jǐn)?shù)都略低于時(shí)段Ⅱ，而沙量減少的百分?jǐn)?shù)卻顯著的高于時(shí)段Ⅱ。

表1 仕望河不同系列對比法結(jié)果

注：表中的“-”號表示增加

表2給出了仕望河流域2006—2010年的徑流量、輸沙量統(tǒng)計(jì)成果。就全流域而言，2007至2010年的徑流量都小于2006年，2009年輸沙量更是大幅度小于2006年。只是2010年的輸沙量大幅度增加。

綜合表2分析可見，仕望河兩流域2006—2010年的實(shí)測水、沙量都比1959—1989年減少很多，在同時(shí)段內(nèi)比較看，兩流域時(shí)段沙量減少的百分?jǐn)?shù)反而略高于水量減少的百分?jǐn)?shù)，尤其2010年，高出了很多。

表2 仕望河2006-2010年不同系列對比法結(jié)果

注：表中的“-”號表示增加

2.2 雙累計(jì)曲線法減水減沙效益計(jì)算

雙累計(jì)曲線法是利用累計(jì)雨量和累計(jì)徑流量(∑P-∑R)、累計(jì)沙量(∑P-∑Ws)曲線的斜率變化來分析人類活動(dòng)—水保水利措施的減水減沙效益的。在雙累計(jì)曲線上，若其斜率發(fā)生變化，則意味著降雨—徑流關(guān)系、降雨—輸沙關(guān)系發(fā)生了變化，這一改變來源于流域下墊面的變化，及人類活動(dòng)改變了流域下墊面的產(chǎn)流產(chǎn)沙水平[5]。

圖2為仕望河流域的降雨—徑流、降雨—輸沙雙累計(jì)曲線?？梢钥闯?，流域的降雨—徑流雙累計(jì)曲線(∑P-∑R)治理后(1970年以后)兩個(gè)時(shí)段的斜率都略小于治理前(1959—1969年)，且曲線都比較順直，無明顯的起伏和轉(zhuǎn)折，說明人類活動(dòng)的影響對水量變化總趨勢呈平穩(wěn)狀態(tài)；兩流域降雨—輸沙雙累計(jì)曲線(∑P-∑Ws)都存在明顯的起伏和轉(zhuǎn)折，曲線的斜率是逐時(shí)段趨于減緩，說明人類活動(dòng)的減沙效益是逐時(shí)段增大的。流域降雨—徑流、降雨—輸沙雙累計(jì)曲線斜率的這一變化特點(diǎn)可以理解為：流域的水土保持措施主要分布在下游的殘?jiān)瓍^(qū)[6]，這一區(qū)域是流域的主要來沙區(qū)，但不是徑流的主要來源區(qū)，因而流域治理程度逐時(shí)段提高，對流域輸沙量變化的影響較大，而對徑流量變化的影響比較平穩(wěn)。

圖2 仕望河大村站∑P-∑R、∑p-∑ws曲線

3 結(jié)論和建議

3.1結(jié)論

通過雙累積曲線法，經(jīng)驗(yàn)公式法和水保法[9]的分析計(jì)算結(jié)果，對二者進(jìn)行比較，可以看出，幾種方法計(jì)算治理措施減水、減沙的趨勢是基本一致的，但量值大小存在差異，分析其原因?yàn)椋弘p累計(jì)曲線法只是考慮雨量變化，沒有考慮到雨強(qiáng)變化；經(jīng)驗(yàn)公式法雖考慮到雨量、雨強(qiáng)的變化影響，但仍存在模擬誤差，水保法計(jì)算采用的參數(shù)較多，難免出現(xiàn)誤差，且對人類活動(dòng)中對水沙變化的消極影響因無準(zhǔn)確資料而未計(jì)入分析計(jì)算。因此，三種方法分析計(jì)算結(jié)果都不同程度的存在誤差，綜合多因素分析，本文認(rèn)為仕望河流域水量變化采用雙累計(jì)曲線法分析結(jié)果比較合理，其余的采用三種方法計(jì)算結(jié)果的平均值作為結(jié)論比較合理。

本文通過水文法研究了仕望河的近些年的泥沙變化情況，得出結(jié)論如下：

(1) 通過實(shí)測資料分析計(jì)算，根據(jù)水文法計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為仕望河流域水量變化采用雙累計(jì)曲線法分析結(jié)果比較合理，基本反映了降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙的內(nèi)在聯(lián)系。

(2) 對比影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的自然因素(降雨)和人為因素(水土保持措施)，20世紀(jì)80年代，仕望河流域水土保持措施減水減沙量在總減水減沙量的占比較70年代有所增加，而降雨因素的減水減沙量在總減水減沙量的占比較70年代在逐步遞減。

(3) 近30 a來國家越來越重視水土保持工作，法律法規(guī)趨于完善，職能部門監(jiān)督與治理并舉，黃土高原地區(qū)的水土保持治理工程陸續(xù)的實(shí)施對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的減少有顯著的影響。以2006—2010年為例，仕望河流域年均降雨量比70—90年代增加了10%的情況下，而水、沙量卻分別減少了46.41%，98.64%。

3.2 建 議

本次研究只是探究仕望河組成的小流域面積，而且時(shí)間較短，資料又比較龐雜而且2006—2010年的資料嚴(yán)重?cái)?shù)據(jù)不足，很多分析只能依靠以前的資料。對該區(qū)域水土保持治理提幾點(diǎn)簡單的期望：(1) 仕望河流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)與高原溝壑區(qū)的過渡地帶。為黃河中游吳堡—龍門段西岸相鄰的兩條一級支流，流域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不是很高，人民群眾的生活水平相比比較低下，這需要國家大力的財(cái)政投入支持，如此才能有效把經(jīng)濟(jì)發(fā)展與黃河的治理開發(fā)結(jié)合好，才能有效保護(hù)黃河資源。

(2) 經(jīng)濟(jì)開發(fā)將帶來一些列環(huán)境問題和社會(huì)問題，將極大影響黃河水沙的變化，應(yīng)完善水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，加強(qiáng)水文站的水文監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)和分析，加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管，為該地區(qū)的開發(fā)與治理提供客觀詳實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

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ResearchonSoilandWaterConservationAchievementsofBenefitsofRunoff&SedimentationReductionoftheShiwangRiver

XU Jia-long1, ZHANG Yun3, ZHANG Xue-bing3, HE Huan3, SHEN Wei-bo2,3, WANG Guo-dong3, HU Bo4

(1.ShaanxiInstituteofSoilandWaterConversation,Xi′an710004,China; 2.StatekeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,MWR,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.DepartmentofSoilandWaterConservation,ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

The predominate 11.2 km2sedimentation area of the Yellow River lies between Hekou and Longmen, where the river runs through 725.1 km in length, with a drop of 607.3 m and a water surface slope of 0.084%. The Shiwang River is one of the first level tributaries of the Yellow River west to the area from Wubu to Longmen, with a drainage area located at the transition zone of the loess hilly gully region and the plateau gully region. This paper has provided a solid basis for the comprehensive control of the Yellow River through deep analysis and discussion on the variation of the runoff and sediment of Shiwang River Basin. This paper has analyzed the water and sediment sources and their relation with the rainfall based on the data from 1970 to 1989, and compared the changes in the amount of rainfall, runoff and sediment during different periods based on the data from 2006 to 2010. The results from the hydrology method have shown the beneficial results of runoff and sediment reduction from soil and water conservation. The double cumulative curve method has been proved reasonable for the water variation analysis of the Shiwang River Basin, which has indicated the relations among rainfall, runoff and sediment. The ratio of runoff and sediment reduction benefits from soil and water conservation measures to the reduction overall has increased year by year, comparied to the ratio of benefits from the rainfall factor. In the recent 30 years, soil and water conservation has been taken more and more seriously by the government. Conservation works carried out on the Loess Plateau Region have the significant influences on runoff and sediment reduction of this drainage area.

Shiwang River; soil and water conservation; sediment and runoff reduction

2014-03-02

：2014-07-04

黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)重點(diǎn)室基金資助(K318009902-1320)；國家自然科學(xué)基金(41101521)

徐家隆(1982—),男,陜西山陽人,工程師,碩士,主要從事水土保持、小流域非點(diǎn)源污染等方面的工作。E-mail:38146163@qq.com

申衛(wèi)博(1979—),男,陜西涇陽人,助理研究員,博士,主要從事水環(huán)境、土壤侵蝕方面的研究工作。E-mail:shenweibo@ms.iswc.ac.cn

S157

：A

：1005-3409(2014)06-0140-04