極端降雨情形下黃土區(qū)水土保持治理的減沙效益估算

鄭明國，梁 晨，廖義善，黃 斌，袁再健

極端降雨情形下黃土區(qū)水土保持治理的減沙效益估算

鄭明國，梁 晨，廖義善，黃 斌，袁再健

（1. 廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省面源污染防治工程技術(shù)研究中心，廣州 510650；2. 梅州市國際水土保持研究院，梅州 514000）

極端降雨情形下水土流失治理的效益評估對黃河治理具有重要意義，但由于缺乏有效的針對降雨事件尺度的定量評估方法，該問題長期存有爭議。2017年陜西榆林“7·26”特大暴雨致災(zāi)嚴(yán)重，引發(fā)廣泛關(guān)注。該研究提出了一種適用于事件尺度的減沙效益計(jì)算方法，并以岔巴溝流域?yàn)檠芯繉ο?，?jì)算流域水土保持治理在“7·26”暴雨事件中的減沙效益。研究結(jié)果表明，在流域未治理時(shí)段，高強(qiáng)度降雨事件具有較好的降雨徑流關(guān)系，并且事件平均含沙量相當(dāng)穩(wěn)定，藉此可估計(jì)“7·26”洪水發(fā)生在未治理時(shí)段的產(chǎn)流量和平均含沙量，從而計(jì)算出相應(yīng)的產(chǎn)沙量，估算出流域治理的總減沙效益。進(jìn)一步，利用坡面措施（包括梯田和植被）和淤地壩減沙機(jī)制的不同，可分割其各自的減沙貢獻(xiàn)。計(jì)算結(jié)果表明，“7·26”暴雨中，流域水土保持治理使得洪水平均含沙量減小83%，徑流減小55.1%，流域治理的總減沙效益因此高達(dá)92.4%，與2007－2017年岔巴溝流域泥沙的減幅相當(dāng)?？倻p沙效益中有55.1%來自坡面措施，37.3%來自淤地壩措施，2種措施均發(fā)揮重要作用。該方法不僅可以計(jì)算流域水土保持治理的總減沙效益，還能夠分割不同水土保持措施的效益，可廣泛應(yīng)用于黃土區(qū)極端降雨情形下水土流失治理的效益評估。

泥沙；植被；土壤侵蝕；水土保持；減沙效益；極端降雨；黃河中游

0 引 言

極端降雨是對人類社會(huì)危害嚴(yán)重的自然災(zāi)害。黃土高原近期頻繁發(fā)生極端降雨[1]，水土流失治理工程能否經(jīng)受住極端降雨的考驗(yàn)、在極端降雨中發(fā)揮的效益如何，是黃河治理研究中必須回答的重要問題。

在黃河中游，極端降雨下水土保持治理的減沙效益長期存有爭議。劉曉燕[2]對2012年7月河龍區(qū)間的2次特大暴雨進(jìn)行了分析，與歷史暴雨洪水比對后發(fā)現(xiàn)，水土保持治理減沙效益在大部分流域都超過80%，甚至達(dá)到96%。胡春宏等[3]也發(fā)現(xiàn)，2000年后黃河中游極端降雨情況下的雨沙關(guān)系發(fā)生了明顯變化，事件產(chǎn)沙量平均減少了50%～85%，Zhao等[4]的計(jì)算結(jié)果類似。但也有許多研究者認(rèn)為極端降雨下流域水土保持治理的效益有限，甚至為負(fù)效益。王蕓等[5]在黃土高塬溝壑區(qū)的研究表明，流域綜合治理顯著降低了中低強(qiáng)度降雨事件的單位徑流輸沙量，但對高強(qiáng)度事件影響不大。許炯心[6]發(fā)現(xiàn)，盡管自1980年以來，水土保持治理已大幅度減少了入黃泥沙，但年降水量高于580 mm后，水土保持措施的減沙效益十分有限。潘賢娣等[7]發(fā)現(xiàn)，河龍區(qū)間1970年以前和1970年－1990年2個(gè)時(shí)段的降雨-徑流和徑流-輸沙關(guān)系并沒有趨勢性的變化，因此認(rèn)為，一般降雨情形下，流域水土保持治理的減水減沙效益高且穩(wěn)定，但在大暴雨年份，徑流、泥沙和洪峰流量仍將明顯增加。張勝利[8]對無定河流域“94·8”暴雨調(diào)查后也有類似結(jié)論。

2017年7月25晚至26日上午，陜西榆林市突降特大暴雨（以下稱“7·26”暴雨），暴雨中心集中在無定河（黃河一級支流）的支流-大理河流域，降雨量150～200 mm，最大為252.3 mm，重現(xiàn)期近百年[9]，其平均雨強(qiáng)、最大1 h雨強(qiáng)和最大6 h雨強(qiáng)也均為歷史最高紀(jì)錄[9]。暴雨導(dǎo)致受災(zāi)人口共計(jì)43.25萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失69.33億元。

對“7·26”暴雨的侵蝕產(chǎn)沙過程目前已有較多研究，但對該事件過程中水土保持措施的減沙效益評估尚較少開展。劉寶元等[10]對綏德縣韭園溝小流域進(jìn)行了調(diào)查，認(rèn)為“7·26”暴雨中該流域的植被、梯田和淤地壩等水保措施發(fā)揮了巨大的減洪減沙效益，60 a的水土保持“修成正果”。胡春宏等[3]通過與未治理小流域的比對，認(rèn)為“7·26”暴雨中韭園溝流域水土保持措施的減沙效益為75%。肖培青等[11]通過分布式模型計(jì)算，認(rèn)為在大理河典型支流岔巴溝流域，與基準(zhǔn)年（1978年）相比，“7·26”暴雨中水土保持措施減沙總效益為79%。與以上研究不同，徐建華等[12]分析了無定河和大理河流域歷史大洪水的降雨-徑流和降雨-產(chǎn)沙關(guān)系，認(rèn)為“7·26”暴雨中水保措施減水減沙作用有限，未來發(fā)生特大暴雨時(shí)仍會(huì)有較大的產(chǎn)沙，張金良等[13-14]的研究結(jié)果類似。

黃河中游目前已有眾多的水土保持措施減沙效益的定量研究成果，但已有的方法（如水文法和水保法）基本針對多年時(shí)間尺度，計(jì)算結(jié)果為治理期的多年平均效益。由于事件尺度的水沙過程更為復(fù)雜、影響因素更多，這些方法難以簡單套用，這是目前極端降雨情形下水土保持治理效益存有較大爭議的主要原因。基于此，本文提出了一種適用于降雨事件尺度的減沙效益評估方法，并以岔巴溝流域?yàn)檠芯繉ο?，對?·26”暴雨中水土保持措施的減沙效益進(jìn)行了計(jì)算。首先通過與歷史大洪水比較，定性分析了“7·26”暴雨中水保措施的減沙效益；然后估算了“7·26”暴雨如發(fā)生在未治理時(shí)段的產(chǎn)流量、平均含沙量和產(chǎn)沙量，藉此對流域水土保持治理的總減沙效益進(jìn)行了估算；最后，基于不同水保措施減沙機(jī)制的差異，對坡面措施（包括植被和梯田）和淤地壩的減沙效益分別進(jìn)行了估算。研究結(jié)果為評估“7·26”暴雨過程中水保治理的減沙效益提供了定量支撐，所采用方法對其他流域的暴雨事件也有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

岔巴溝流域位于陜西省榆林市子洲縣（109°47′E，37°31′E），把口站曹坪水文站（圖1）以上流域面積187 km2，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)，黃土厚度超過100 m。各級河道均已切入基巖，河床組成一般為碎石夾砂。氣候?yàn)榕瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量約450 mm，其中70%集中于在6－9月，多為強(qiáng)度大、歷時(shí)短的暴雨。流域地形破碎，溝壑縱橫，平均坡度超過20°，土質(zhì)疏松，土壤侵蝕嚴(yán)重。1959－1969年監(jiān)測表明，流域平均年產(chǎn)沙模數(shù)為2.2萬t/km2。

岔巴溝流域大規(guī)模水土保持治理始于1970年。1970年以前，流域內(nèi)植被稀疏，除較陡的荒坡、溝壑和村莊外，其他基本都開墾為耕地。主要水土保持措施包括植被、梯田以及淤地壩等。淤地壩主要修建于20世紀(jì)70年代，陸續(xù)共建成近500座，平均2.4座/km2，但其中許多已淤滿或被沖毀。由于退耕還林措施的實(shí)施，2000年以后植被覆蓋度顯著增加，2016年植被覆蓋度為72%，約為1978年的4倍。流域內(nèi)現(xiàn)有梯田25.24 km2，占總面積的12.3%。高強(qiáng)度的治理使得流域下墊面發(fā)生了巨大變化，水土流失大幅下降，2007－2017年期間流域平均年產(chǎn)沙模數(shù)為887 t/km2，僅為1959－1969年期間的4%。

本文所用降雨、徑流、泥沙數(shù)據(jù)，1970年以前的來源于《黃河流域子洲實(shí)驗(yàn)站水文試驗(yàn)資料》（1959－1969），相關(guān)水文站、雨量站和徑流場位置見圖1。本文所選擇的試驗(yàn)流域包括岔巴溝內(nèi)不同大小的各級子流域，坡面徑流場包括從峁坡上部到全坡面不同尺度，未選擇已采取治理措施的流域和觀測時(shí)間較短的試驗(yàn)點(diǎn)。本文1970年以后的相關(guān)數(shù)據(jù)摘錄自《中華人民共和國水文年鑒》（1970－2017）。文中“產(chǎn)沙”一詞指觀測時(shí)段內(nèi)通過河流某一斷面的懸移質(zhì)總量。

2 方法的提出

2.1 減沙總效益評估

給定發(fā)生于流域水土保持治理后的某一暴雨事件，經(jīng)實(shí)測，獲取其降雨量為（mm），對應(yīng)的洪水徑流深（mm）、平均含沙量（kg/m3）、產(chǎn)沙模數(shù)（t/km2）分別為、、SSY，有SSY=；現(xiàn)假定該事件發(fā)生在流域未治理時(shí)段，設(shè)其對應(yīng)的洪水徑流深、平均含沙量、產(chǎn)沙模數(shù)分別為0、0、SSY0，有SSY0=00。設(shè)Δ=0?，Δ=0?，ΔSSY=SSY0?SSY=00?SSY。忽略水土保持治理以外的其他人類活動(dòng)，ΔSSY即為事件發(fā)生時(shí)流域各項(xiàng)水土保持措施的減沙總效益，確定ΔSSY只需估計(jì)出0和0即可。

2.2 坡面措施和淤地壩的減沙效益分割

2.2.1 坡面措施的流域減沙機(jī)制

對任一洪水事件，總有SSY=。山西離石站和甘肅天水站的觀測均表明[15-21]，在流域尺度上，坡面措施僅通過減來減SSY。相關(guān)機(jī)理可概括為：1）坡面措施不能有效地抑制溝谷重力侵蝕和流水侵蝕，因此坡面措施的實(shí)施不會(huì)改變黃土區(qū)泥沙來源充沛的特點(diǎn)，坡面水下溝后會(huì)繼續(xù)沖刷；2）在黃土區(qū)流域，當(dāng)洪水流量在某一時(shí)刻達(dá)到某一臨界值后，其后的時(shí)段內(nèi)含沙量基本保持穩(wěn)定，并不隨流量變化而變化[22]。在泥沙來源仍然充沛的情形下，盡管坡面措施的實(shí)施會(huì)減小溝谷流量，但如流量仍保持在該臨界值以上，則含沙量并不會(huì)減小[16]。因此，除非坡面措施的實(shí)施使得洪水事件的洪峰流量小于該臨界流量（黃土區(qū)洪水過程線陡峭，大部分徑流發(fā)生洪峰流量附近），則坡面措施僅通過減來減SSY[15]。姚文藝等[23]研究發(fā)現(xiàn)，盡管近期黃河中游許多支流的降雨徑流關(guān)系發(fā)生了變化，但汛期時(shí)段的徑流產(chǎn)沙關(guān)系并沒有變化，其原因可能與此相關(guān)。

2.2.2 減沙效益分割

設(shè)坡面措施和淤地壩在事件過程的減水量分別為ΔSM和ΔCD（mm），單位流域面積的減沙量分別為ΔSSYSM和ΔSSYCD（t/km2），忽略其他人類活動(dòng)的效應(yīng)，有Δ=ΔSM+ΔCD，ΔSSY=ΔSSYSM+ΔSSYCD。減沙效益分割的目的即確定ΔSSYSM和ΔSSYCD。

與坡面措施不同，淤地壩一般通過同時(shí)減小和來減SSY[15]，可利用兩者減沙機(jī)制的不同來進(jìn)行減沙效益分割。為敘述方便，以下假定淤地壩僅修建在流域出口。事件在治理后的下墊面發(fā)生時(shí)，減沙過程可分解為以下3個(gè)步驟：

1）由于坡面措施的減水作用，從坡面進(jìn)入河道的徑流減小為0?ΔSM，由于坡面措施不影響流域出口的含沙量，故這些徑流在匯入淤地壩庫區(qū)時(shí)含沙量為0，單位流域面積的匯入沙量因此為0(0?ΔSM)，這一過程使得流域產(chǎn)沙模數(shù)減小了0ΔSM；

2）淤地壩攔截了ΔCD的徑流，這些徑流含沙量為0，這一過程使得流域產(chǎn)沙模數(shù)進(jìn)一步減小了0ΔCD；

3）剩余徑流經(jīng)由淤地壩排出。這些徑流進(jìn)入淤地壩時(shí)含沙量為0，排出時(shí)含沙量為，含沙量減小了Δ，這一過程使得流域產(chǎn)沙模數(shù)減小了Δ。

步驟1）的減沙效益完全由坡面措施導(dǎo)致，故有：

ΔSSYSM=0ΔSM（1）

步驟2）的減沙效益通過淤地壩減所導(dǎo)致，步驟3）的減沙效益通過淤地壩減所導(dǎo)致，故有：

ΔSSYCD=0ΔCD+Δ（2）

以上兩式同文獻(xiàn)[15]，以下將利用這2個(gè)公式確定ΔSSYSM和ΔSSYCD。和可通過實(shí)測資料獲取，實(shí)際運(yùn)用這2個(gè)公式時(shí)需要確定0、ΔSM和ΔCD的值。

3 結(jié)果與分析

3.1 “7·26”暴雨水沙特性及其與歷史大洪水比較

將“7·26”暴雨與歷史大洪水比較，藉此可對“7·26”暴雨中的水土保持效益作定性評估。1966-07-17暴雨為岔巴溝未治理時(shí)段（1959－1969年）產(chǎn)流和產(chǎn)沙均最大的一次洪水事件。表1給出了該次暴雨和“7·26”暴雨的特征數(shù)據(jù)，圖2比較了“7·26”暴雨和1966-07-17暴雨的流量和含沙量過程線。

表1 “7·26”暴雨與1966-07-17暴雨特征對比

盡管“7·26”暴雨的降雨量和雨強(qiáng)都顯著高于1966-07-17暴雨，但其流量過程線顯著坦化，徑流總量略低，事件平均含沙量只有后者的1/6左右，導(dǎo)致產(chǎn)沙也約為后者的1/6。如圖3和圖4所示，“7·26”洪水的含沙量甚至要低于治理前的一般性降雨事件數(shù)倍，這導(dǎo)致其產(chǎn)沙僅相當(dāng)于未治理時(shí)段的一次普通降雨事件。例如，1959年8月5日降雨量僅21.7 mm，徑流量為6.6 mm，但由于洪水平均含沙量高達(dá)699 kg/m3，因此產(chǎn)沙模數(shù)略微高于“7·26”暴雨，為5 086 t/km2。這充分說明流域治理在此次極端降雨事件起到了巨大的水土保持效益。

3.2 減沙總效益評估

3.2.10的求取

黃土高原為典型的超滲產(chǎn)流。超滲產(chǎn)流情形下，高強(qiáng)度降雨事件的產(chǎn)流特性和低強(qiáng)度事件顯著不同，因此，分析高強(qiáng)度事件的產(chǎn)流規(guī)律時(shí)應(yīng)剔除低強(qiáng)度事件。“7·26”暴雨事件徑流系數(shù)為0.2，可以認(rèn)為，如該事件發(fā)生在植被稀疏的未治理時(shí)段，其徑流系數(shù)應(yīng)顯著高于0.2，因此定義徑流系數(shù)高于0.2的事件為高強(qiáng)度事件，通過建立其降雨-徑流（-）關(guān)系來推算0。圖5表明，盡管對所有事件，岔巴溝流域未治理時(shí)段的-關(guān)系比較散亂，但對高強(qiáng)度事件，其-關(guān)系卻非常密切（2=0.87）。因此可利用圖5b中的回歸方程來計(jì)算0，計(jì)算結(jié)果為0=78.5 mm。

注：虛線的斜率為0.2，表示徑流系數(shù)為0.2，虛線以上的點(diǎn)代表高強(qiáng)度事件。P和R為分別為降雨事件的降雨量和洪水徑流深。下同。

3.2.20的求取

前期研究表明，在黃土區(qū)大規(guī)模流域治理前，絕大部分水流都可以達(dá)到?jīng)_刷限制下的極限含沙量（水流此時(shí)已無沖刷能力，但搬運(yùn)能力未必飽和）[24-25]，因此除一些小的徑流事件外，歷次洪水的平均含沙量變異并不大[26-27]，與降雨特性基本無關(guān)[15,28-29]，使得-SSY關(guān)系可用比例函數(shù)來表示[5, 21, 26-27, 30]。圖6表明，對于治理前的岔巴溝流域，無論僅采用高強(qiáng)度降雨事件或采用所有降雨事件，SSY關(guān)系都可用比例系數(shù)很好地?cái)M合，比例系數(shù)也非常接近（分別為762和785）。該比例系數(shù)表示歷次洪水的平均含沙量。圖4表明，對高強(qiáng)度事件，洪水平均含沙量變異確實(shí)較小，變差系數(shù)僅為11.7%。因此，可通過該比例系數(shù)來估計(jì)0。本文取圖6b的結(jié)果0=785 kg/m3。

注：SSY為降雨事件的產(chǎn)沙模數(shù)。下同。

Note: SSY is the specific sediment yield of a rainfall event. The same below.

圖6 岔巴溝流域未治理時(shí)段的事件徑流深與產(chǎn)沙模數(shù)關(guān)系

Fig.6 Relationship between runoff depth and specific sediment yield of the Chabagou Watershed for the non-management period

按以上計(jì)算結(jié)果，0=78.5 mm，0=785 kg/m3，因此SSY0=61 623 t/km2，ΔSSY=56 917 t/km2（表2）。按此結(jié)果，在“7·26”暴雨中，流域水土保持治理使得“7·26”洪水平均含沙量減小了83%，徑流減小了55.1%，產(chǎn)沙因此減小了92.4%。

3.3 坡面措施和淤地壩減沙效益分割

如2.2節(jié)所述，坡面措施實(shí)施后，如洪峰流量仍超過含沙量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的臨界流量，則坡面措施僅通過減來減SSY。如圖3所示，在岔巴溝，上述臨界流量在約50～150 m3/s的范圍內(nèi)，流量大于50 m3/s時(shí)，含沙量基本都在500 kg/m3以上，但同流量下仍有一定變幅，流量大于150 m3/s后，含沙量變幅明顯變小?！?·26”洪水洪峰流量為299 m3/s，遠(yuǎn)超該臨界區(qū)域。根據(jù)洪水過程數(shù)據(jù)，即使取150 m3/s為臨界流量，“7·26”洪水過程中流量達(dá)到該臨界值后，其后的洪水歷時(shí)也貢獻(xiàn)了總流量的91.1%。因此，可以認(rèn)為，在“7·26”暴雨中，坡面措施僅通過減來減SSY。

表2 減沙效益計(jì)算結(jié)果

注：0、0和SSY0分別為假定“7·26”暴雨發(fā)生在未治理時(shí)段的洪水徑流深、平均含沙量和產(chǎn)沙模數(shù)。下同。

Note:0,0and SSY0are the runoff depth, average sediment concentration and specific sediment yield of the flood assuming that the "7.26" rainstorm had occurred during the non-management period, respectively. The same below.

應(yīng)用公式（1）和（2）進(jìn)行減沙效益分割時(shí)，需要確定0、ΔSM和ΔCD的值。0值在3.2節(jié)已確定，故只需確定ΔSM或ΔCD值即可。ΔCD值指洪水后仍滯留在淤地壩庫區(qū)的水量。對“7·26”暴雨后岔巴溝現(xiàn)存的146座淤地壩的調(diào)查表明，僅有10座仍有蓄水[31]，占比不到7%。淤地壩的庫容非常小，且由于多年的泥沙淤積，目前大部分淤地壩的有效庫容已很低，在岔巴溝，約80%的淤地壩其淤積面距壩頂?shù)母叨纫研∮? m[32]。故可認(rèn)為“7·26”暴雨中ΔCD值很小，可忽略。

按上述，忽略“7·26”暴雨中淤地壩減水量，認(rèn)為所有減水均由坡面措施所造成。故有：ΔCD=0，ΔSM=Δ=43.3 mm（表2）。代入公式（1）和（2）計(jì)算，分別得到ΔSSYSM=33 960 t/km2，ΔSSYCD=22 957 t/km2。據(jù)此可計(jì)算出，在流域水土保持治理總的減沙效益中，有55.1%來自坡面措施，37.3%來自淤地壩，坡面措施的減沙貢獻(xiàn)約是淤地壩的1.5倍。

4 討 論

4.1 誤差估計(jì)及計(jì)算合理性分析

SSY0值的計(jì)算誤差取決于0和0的估計(jì)誤差。0值根據(jù)圖5b中的回歸方程估計(jì)，該方程的標(biāo)準(zhǔn)誤為2.86 mm。在95%置信水平下，隨機(jī)變量的置信區(qū)間范圍為標(biāo)準(zhǔn)差的1.96倍，因此給定95%的置信水平，0值預(yù)測的最大絕對誤差為5.6 mm，對應(yīng)的最大相對誤差為7.1%。0值根據(jù)圖6b中方程的斜率項(xiàng)估計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)誤為9.9 mm，表明在95%的置信水平下，0值預(yù)測的最大絕對誤差為19.4 kg/m3，最大相對誤差為2.5%。根據(jù)0和0的最大誤差，可估算SSY0值預(yù)測的最大相對誤差為9.8%。

按本文計(jì)算結(jié)果，如“7·26”暴雨發(fā)生在岔巴溝流域未治理時(shí)段，其徑流系數(shù)為44%，平均含沙量為785 kg/m3。對黃土高原眾多試驗(yàn)小流域的資料分析發(fā)現(xiàn)[33]，極強(qiáng)烈侵蝕事件（SSY>1萬t/km2）的徑流系數(shù)一般超過30%，甚至高達(dá)70%，平均含沙量為600～900 kg/m3。本文計(jì)算結(jié)果在該統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。圖7表明，在岔巴溝流域未治理時(shí)段，從不同坡長的坡面到各級子流域，高強(qiáng)度降雨事件的徑流系數(shù)基本都在0.40～0.55左右（圖中回歸方程中斜率可作為徑流系數(shù)的估計(jì)值），和岔巴溝整個(gè)流域的產(chǎn)流特性相近。

水文法是計(jì)算人類活動(dòng)減沙效益的常規(guī)方法[34]，由于事件尺度的-SSY關(guān)系往往較為散亂，水文法基本只運(yùn)用于年際尺度。圖8表明，盡管對所有降雨事件，岔巴溝未治理時(shí)段-SSY關(guān)系非常散亂，但高強(qiáng)度事件的-SSY關(guān)系卻非常密切（2=0.86）。因此可按水文法的思路計(jì)算SSY0和ΔSSY，計(jì)算結(jié)果分別為61 462和56 756 t/km2（圖8b），與表2中結(jié)果高度吻合。

按本文結(jié)果，SSY0=61 623 t/km2。根據(jù)對悶葫蘆壩淤積量測量結(jié)果，“7·26”暴雨中岔巴溝全流域的平均侵蝕強(qiáng)度高達(dá)2.5萬t/km2左右[31,35]，考慮本次暴雨中坡面措施巨大的水土保持效益，可認(rèn)為SSY0必定遠(yuǎn)超2.5萬t/km2。在流域未治理時(shí)段，土地利用方式主要為坡耕地，可通過坡耕地的侵蝕情況推測SSY0值。調(diào)查表明，“7·26”暴雨中峁坡下部坡耕地的侵蝕強(qiáng)度可達(dá)3.7 t/km2，甚至超過10萬t/km2[36]。基于實(shí)測的壩地淤積數(shù)據(jù)，王楠等[36]推測，“7·26”暴雨中坡耕地較多的一小流域的侵蝕強(qiáng)度至少為4.6萬t/km2，而相鄰坡耕地少的小流域僅為1.2萬t/km2。悶葫蘆壩的淤積測量結(jié)果[9,35,37-38]也表明，“7·26”暴雨中一些小流域的產(chǎn)沙模數(shù)超過了4萬t/km2，甚至高達(dá)9.4萬t/km2，這些小流域很可能仍分布有較多坡耕地。

4.2 計(jì)算方法及結(jié)果適用性

估計(jì)SSY0的最大難點(diǎn)在于0值的估計(jì)，比例水沙關(guān)系較好地解決了該問題。由于比例水沙關(guān)系在黃河中游普遍存在[27]，因此，本文提出的水土保持治理總減沙效益的計(jì)算方法也應(yīng)能較好運(yùn)用于其他黃土流域。

植被梯田等坡面措施僅通過減水來減沙，這是本文進(jìn)行減沙效益分割的關(guān)鍵依據(jù)。該規(guī)律發(fā)揮作用的一個(gè)前提條件是：坡面措施對重力侵蝕、溝谷侵蝕抑制作用有限。黃土區(qū)的植被恢復(fù)主要發(fā)生在梁峁坡，陡峭的溝坡仍然黃土裸露，暴雨期間重力侵蝕頻繁[39]。余欣等[9]采用核素示蹤法分析了岔巴溝“7·26”暴雨中的泥沙來源，發(fā)現(xiàn)梁峁坡的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)僅約20%，剩余80%左右的泥沙來自溝坡部位，這表明重力侵蝕和溝谷侵蝕仍然是重要的產(chǎn)沙方式[10,12,39-40]。世界其他地區(qū)的研究也表明[41-42]，植被覆蓋增加后，溝谷侵蝕對總產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)可能增加。

如2.2.1節(jié)所述，坡面措施僅通過減水來減沙，該規(guī)律發(fā)揮作用的另一前提條件是：坡面措施實(shí)施后，洪峰流量仍可超過含沙量達(dá)到穩(wěn)定所需要的臨界流量。由于該臨界值非常?。▍⒖紙D3和文獻(xiàn)[26]），坡面措施很難將洪水過程中所有流量都控制在該值以下。大理河綏德站的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，“7·26”洪水的洪峰流量為3 290 m3/s，遠(yuǎn)超未治理時(shí)段的最大流量紀(jì)錄（1 720 m3/s），為該站建站以來最高紀(jì)錄[9]。這表明，公式（1）和（2）除適用于岔巴溝外，也能適用于大部分黃土區(qū)域。

按本文結(jié)果，岔巴溝流域水土保持治理在“7·26”暴雨中的減沙總效益為92.4%，該值可能高于大理河其他區(qū)域，其原因?yàn)椴戆蜏狭饔蛴俚貕谓ㄔO(shè)歷史悠久，壩系密度高?！?·26”暴雨中岔巴溝的洪峰流量顯著低于未治理時(shí)段的最大流量紀(jì)錄（圖3），與大理河顯著不同，原因很可能與岔巴溝壩系密度高有關(guān)。

在黃河中游，流域產(chǎn)沙主要取決于發(fā)生概率不大的大暴雨事件，譬如岔巴溝流域“7·26”一次暴雨事件的產(chǎn)沙模數(shù)竟然高于2007－2016期間共計(jì)10 a的產(chǎn)沙模數(shù)總和（4 305 t/km2）。2007－2017年岔巴溝流域的產(chǎn)沙量與未治理時(shí)段相比大幅減少，減幅為96%，與本文計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。如水土保持治理在大暴雨期間減沙效益有限，則多年平均產(chǎn)沙不可能出現(xiàn)如此大幅度的降低。黃河泥沙近期也急劇減少，已由1919－1959年的16億t/a減少至2010年以來的1.5億t/a[43]，減幅達(dá)90.6%。因此認(rèn)為，流域水土保持治理在極端降雨情形下發(fā)揮極顯著的減沙效益應(yīng)是一個(gè)普遍現(xiàn)象。

4.3 數(shù)據(jù)可獲得性

本文方法具有良好的數(shù)據(jù)可獲得性。計(jì)算流域水土保持治理的減沙總效益需確定0和0值。黃河中游在大規(guī)模流域治理前就已有較多的水文觀測站點(diǎn)，建立其-SSY關(guān)系即可獲取0值。而且，已有研究表明[24-25]，0值基本僅由流域土壤或泥沙粒徑特性決定，由于黃土特性在空間上變異很小，因此0值的空間變異也不大。例如，在整個(gè)無定河黃土區(qū)范圍內(nèi)（約1.4萬km2），不同流域的水沙關(guān)系都可表示為SSY730[25]。利用這種空間不變性，可非常容易地求取不同流域的0值。

本文通過建立-關(guān)系來推求0值。極端降雨通常雨強(qiáng)較大，這導(dǎo)致其徑流系數(shù)往往較高。與許多研究不同，本文建立-關(guān)系時(shí)剔除了低強(qiáng)度降雨事件。如圖7所示，對高強(qiáng)度事件，岔巴溝流域內(nèi)從不同坡長坡面到各級子流域也存在和圖5b中類似的-關(guān)系，即-關(guān)系也具有空間不變的性質(zhì)。-關(guān)系的空間不變性甚至適用于更大區(qū)域（論文投稿中），利用這種空間不變性，可非常容易地求取0值。

進(jìn)行坡面措施和淤地壩減沙效益的分割還需要確定ΔSM或ΔCD的值，這是公式（1）和（2）運(yùn)用的難點(diǎn)之一，但可認(rèn)為，尤其在極端降雨情況下，淤地壩減水量有限。主要原因是黃河中游1980年以前修建的大量無排水設(shè)施的中小淤地壩由于淤積歷史長，已基本失去攔水?dāng)r沙效應(yīng)[36, 44]。目前仍在發(fā)揮效應(yīng)的主要是較大型淤地壩，這些淤地壩一般配備有排水設(shè)施，且因防汛需要，按有關(guān)規(guī)定嚴(yán)禁蓄水，實(shí)地調(diào)查表明確實(shí)如此[2]。洪水事件后仍有蓄水的原因主要是部分淤地壩僅修建溢洪道而無放水建筑物，在岔巴溝流域的調(diào)查表明，該類型淤地壩僅占總量的1/5左右[32]。盡管壩地也有一定減水作用，但其面積一般較小，例如，即使在淤地壩廣泛建設(shè)的韭園溝流域，壩地面積也僅占流域面積1/24[45]。因此，盡管淤地壩數(shù)量眾多，但大暴雨期間其減水量可能有限。例如，2013年7月延河流域極端降雨事件后，王瑤水庫（大（二）型水庫）蓄水量為0.888億m3[2]。盡管淤地壩蓄水現(xiàn)象普遍，但由于庫容有限，蓄水量總計(jì)為0.272億m3[2]，為王瑤水庫的31%，占產(chǎn)流總量的比例僅8.9%，如該事件發(fā)生在流域未治理時(shí)段，該比例會(huì)更小。

4.4 淤地壩減沙效益分析

公式（1）和（2）的計(jì)算結(jié)果表示各治理措施的實(shí)際減沙量，并不代表其減沙能力或減沙效率的大小。降雨落到地面，首先坡面措施進(jìn)行第1輪減沙，水流匯入溝道后，淤地壩進(jìn)行第2輪減沙，即ΔSSYCD為坡面措施已經(jīng)發(fā)揮效益后淤地壩所減少的泥沙量。由于是“第2輪減沙”，淤地壩的攔沙能力往往不能充分發(fā)揮。按3.3部分計(jì)算結(jié)果，“7·26”暴雨過程中，坡面措施使徑流減小了55.1%，故其減沙效益為55.1%。盡管淤地壩將洪水平均含沙量減小了83%，但由于來水量顯著減少，其減沙效益也僅為37.3%。假定無坡面措施，在僅有淤地壩情形下，如無大規(guī)模潰壩發(fā)生，則減沙效益應(yīng)至少為83%。

除壩體直接攔沙外，由于淤積泥沙抬高了侵蝕基準(zhǔn)面，淤地壩也會(huì)起到穩(wěn)定坡谷、減少溝谷沖刷和重力侵蝕的作用[22]，對該效益的評估尚無有效方法。目前淤地壩減沙效益的評估一般僅包括壩體直接攔沙量，難以實(shí)現(xiàn)對淤地壩減沙效益的綜合評估。任何一種治理措施，其減沙效益必定通過改變或值實(shí)現(xiàn)，因此公式（2）計(jì)算結(jié)果包含了淤地壩的所有減沙效益。按本文計(jì)算結(jié)果，“7·26”暴雨中淤地壩的總減沙效益為429萬t。按水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[31]和Bai等[35]，“7·26”暴雨中淤地壩的攔沙量分別為195.7萬和111萬t。按此結(jié)果，“7·26”暴雨中淤地壩通過抬高侵蝕基準(zhǔn)面實(shí)現(xiàn)的減沙效益是其直接攔沙量的1.2～2.9倍，這表明，僅考慮壩體的直接攔沙量會(huì)嚴(yán)重低估淤地壩的減沙效益。

5 結(jié) 論

基于一種新的針對事件尺度的減沙效益評估方法，本文以岔巴溝流域和“7·26”暴雨為研究對象，分析了黃土高原小流域水土保持治理在極端降雨情形下的減沙效益。結(jié)果表明：

1）“7·26”暴雨中，流域水土保持措施的減沙效益巨大，岔巴溝流域的減沙效益高達(dá)92.4%，同2007－2017年來該流域的泥沙減幅相當(dāng)。高強(qiáng)度降雨下水土保持治理具有巨大的減沙效益，這應(yīng)是黃土區(qū)的一個(gè)普遍規(guī)律。

2）“7·26”暴雨中，岔巴溝流域總減沙效益的55.1%來自坡面措施，37.3%來自淤地壩，坡面措施的減沙貢獻(xiàn)約為淤地壩的1.5倍。但淤地壩的減沙能力在此次暴雨中可能未完全發(fā)揮，故該結(jié)果并不意味著淤地壩的減沙能力小于坡面措施。

3）本文所采用的減沙效益分割方法有效實(shí)現(xiàn)了淤地壩減沙效益的綜合評估，計(jì)算結(jié)果表明，淤地壩通過抬高侵蝕基準(zhǔn)面實(shí)現(xiàn)的減沙效益很可能已顯著超過其直接攔沙量。

本文研究方法原理清楚、計(jì)算簡單，具有較好的適用性和數(shù)據(jù)可獲得性，可有效地應(yīng)用于黃土區(qū)事件尺度的減沙效益評估。

[1]焦菊英，王志杰，魏艷紅，等. 延河流域極端暴雨下侵蝕產(chǎn)沙特征野外觀測分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(13)：159-167.

Jiao Juying, Wang Zhijie, Wei Yanhong, et al. Characteristics of erosion sediment yield with extreme rainstorms in Yanhe Watershed based on field measurement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 159-167. (in Chinese with English abstract)

[2]劉曉燕. 黃河近年水沙銳減成因[M]. 北京：科學(xué)出版社，2016：343-351.

[3]胡春宏，張曉明，趙陽. 黃河泥沙百年演變特征與近期波動(dòng)變化成因解析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2020，31(5)：725-733.

Hu Chunhong, Zhang Xiaoming, Zhao Yang. Cause analysis of the centennial trend and recent fluctuation of the Yellow River sediment load[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(5): 725-733. (in Chinese with English abstract)

[4]Zhao Y, Cao W H, Hu C H, et al. Analysis of changes in characteristics of flood and sediment yield in typical basins of the Yellow River under extreme rainfall events[J]. Catena, 2019, 177: 31-40.

[5]王蕓，劉文兆，李志，等. 黃土高塬溝壑區(qū)硯瓦川流域水沙關(guān)系及其對流域治理的響應(yīng)[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2015，30(8)：1403-1413.

Wang Yun, Liu Wenzhao, Li Zhi, et al. The flow-sediment relationship and its response to watershed management in Yanwachuan Watershed, Loess Plateau Gully Region, China[J]. Journal of Natural Resources, 2015, 30(8): 1403-1413. (in Chinese with English abstract)

[6]許炯心. 黃河中游多沙粗沙區(qū)水土保持減沙的近期趨勢及其成因[J]. 泥沙研究，2004(2)：5-10.

Xu Jiongxin. Recent tendency of sediment reduction in the middle Yellow River and some countermeasures[J]. Journal of Sediment Research, 2004(2): 5-10. (in Chinese with English abstract)

[7]潘賢娣，李勇，張曉華. 河龍區(qū)間流域綜合治理對水沙特性的影響[J]. 人民黃河，1999(8)：15-17.

[8]張勝利. “94·8”暴雨對無定河流域產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的調(diào)查研究[J]. 人民黃河，1995，17(5)：24-27.

[9]余欣，侯素珍，李勇，等. 黃河無定河流域“2017.7.26”洪水泥沙來源辨析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2019(6)：31-37.

Yu Xin, Hou Suzhen, Li Yong, et al. Identifying sediment sources in Wudinghe River during “7·26” flood in 2017[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(6): 31-37. (in Chinese with English abstract)

[10]劉寶元，劉曉燕，楊勤科，等. 黃土高原小流域水土流失綜合治理抗暴雨能力考察報(bào)告[J]. 水土保持通報(bào)，2017，37(4)：2-350.

Liu Baoyuan, Liu Xiaoyan, Yang Qinke, et al. Reports on the anti-rainstorm ability of integrated watershed management in small watersheds of the Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(4): 2-350. (in Chinese with English abstract)

[11]肖培青，王玲玲，楊吉山，等. 大暴雨作用下黃土高原典型流域水土保持措施減沙效益研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2020，51(9)：1-8.

Xiao Peiqing, Wang Lingling, Yang Jishan, et al. Study on sediment reduction benefits of soil and water conservation measures in typical watersheds in the Loess Plateau under the heavy rainfall[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(9): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[12]徐建華，金雙彥，高亞軍，等. 水保措施對“7·26”暴雨洪水減水減沙的作用[J]. 人民黃河，2017，39(12)：22-26.

Xu Jianhua, Jin Shuangyan, Gao Yajun, et al. Analysis of the effect of the effect of water and soil conservation measures on storm water and sediment reduction of the flood on July 26, 2017[J]. Yellow River, 2017, 39(12): 22-26. (in Chinese with English abstract)

[13]張金良，劉繼祥，萬占偉，等. 黃河2017年第1號(hào)洪水雨洪泥沙特性分析[J]. 人民黃河，2017，39(12)：14-17.

Zhang Jinliang, Liu Jixiang, Wan Zhanwei, et al. Analysis of rainfall-flood-sediment characteristics of the No. 1 flood in 2017 in the Yellow River[J]. Yellow River, 2017, 39(12): 14-17. (in Chinese with English abstract)

[14]韓丹丹，穆興民，高鵬，等. 極端降水條件下大理河流域水沙特征對比分析[J].中國水土保持科學(xué)，2019，17(6)：61-68.

Han Dandan, Mu Xingmin, Gao Peng, et al. Comparative study on characteristics of runoff and sediment under extreme precipitation conditions in Dali River Basin[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(6): 61-68. (in Chinese with English abstract)

[15]鄭明國. 基于水沙關(guān)系框架的黃土區(qū)不同水保措施減沙貢獻(xiàn)分割方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(7)：173-183.

Zheng Mingguo. Partition of reducing sediment for various soil and water conservation measures of Loess Plateau in China based on runoff-sediment relationship[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 173-183. (in Chinese with English abstract)

[16]鄭明國，蔡強(qiáng)國，陳浩. 黃土丘陵溝壑區(qū)植被對不同空間尺度水沙關(guān)系的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，27(9)：3572-3581.

Zheng Mingguo, Cai Qiangguo, Chen Hao. Effect of vegetation on runoff-sediment yield relationship at different spatial scales in hilly areas of the Loess Plateau, North China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(9): 3572-3581. (in Chinese with English abstract)

[17]鄭明國，蔡強(qiáng)國，王彩峰，等. 黃土丘陵溝壑區(qū)坡面水保措施及植被對流域尺度水沙關(guān)系的影響[J]. 水利學(xué)報(bào)，2007，38(1)：47-53.

Zheng Mingguo, Cai Qiangguo, Wang Caifeng, et al. Effect of vegetation and other measures for soil and water conservation on runoff-sediment relationship in watershed scale[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(1): 47-53. (in Chinese with English abstract)

[18]晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 降水和水土保持對黃土區(qū)流域水沙關(guān)系的影響[J]. 中國水土保持科學(xué)，2013，11(4)：9-16.

Yan Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu, et al. Effects of precipitation and erosion control practices on the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of typical watersheds in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(4): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[19]晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 黃土丘陵溝壑區(qū)呂二溝流域水沙關(guān)系變化分析[J]. 中國水土保持科學(xué)，2013，11(5)：1-8.

Yan Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu, et al. Variation in the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of Lvergou Watershed in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(5): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[20]秦瑞杰，李桂芳，李平. 降水和土地利用變化對羅玉溝流域水沙關(guān)系的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2018，32(5)：29-34.

Qin Ruijie, Li Guifang, Li Ping. Impacts of precipitation and land use change on runoff and sediment in Luoyugou Watershed[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(5): 29-34. (in Chinese with English abstract)

[21]Yan Q H, Lei T W, Yuan C P, et al. Effects of watershed management practices on the relationships among rainfall, runoff，and sediment delivery in the hilly-gully region of the Loess Plateau in China[J]. Geomorphology, 2015, 228: 735-745. (in Chinese with English abstract)

[22]龔時(shí)旸，蔣德麒. 黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)溝道小流域的水土流失及治理[J]. 中國科學(xué)，1978(6)：671-678.

Gong Shiyang, Jiang Deqi. The soil loss and treatment in a small watershed in loess area in the middle reaches of Yellow River[J]. Science in China, 1978(6): 671-678. (in Chinese with English abstract)

[23]姚文藝，高亞軍，張曉華. 黃河徑流與輸沙關(guān)系演變及其相關(guān)科學(xué)問題[J]. 中國水土保持科學(xué)，2020，18(4)：1-11.

Yao Wenyi, Gao Yajun, Zhang Xiaohua. Relationship evolution between runoff and sediment transport in the Yellow River and related scientific issues[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(4): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[24]Zheng M G, Qin F, Yan J S, et al. The spatio-temporal invariability of sediment concentration and the flow-sediment relationship for hilly areas of the Chinese Loess Plateau[J]. Catena, 2013, 109: 164-176.

[25]Zheng M G. A spatially invariant sediment rating curve and its temporal change following watershed management in the Chinese Loess Plateau[J]. Science of the Total Environment, 2018, 630: 1453-1463.

[26]Zheng M G, Cai Q G, Cheng Q J.Modelling the runoff-sediment yield relationship using a proportional function in hilly areas of the Loess Plateau, North China[J]. Geomorphology, 2008, 93: 288-301.

[27]Zheng M G, Yang J S, Qi D L, et al. Flow-sediment relationship as functions of spatial and temporal scales in hilly areas of the Chinese Loess Plateau[J]. Catena, 2012, 98: 29-40.

[28]劉曉燕，劉昌明，黨素珍. 黃土丘陵區(qū)雨強(qiáng)對水流含沙量的影響[J]. 地理學(xué)報(bào)，2019，74(9)：1723-1732.

Liu Xiaoyan, Liu Changming, Dang Suzhen. Effects of rainfall intensity on sediment concentration in loess hilly region of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 74(9): 1723-1732. (in Chinese with English abstract)

[29]Zheng M G, Chen X A. Statistical determination of rainfall-runoff erosivity indices for single storms in the Chinese Loess Plateau[J]. PLoS ONE, 2015, 10(3): e0117989.

[30]原翠萍，雷廷武，張滿良，等. 黃土丘陵溝壑區(qū)小流域治理對侵蝕產(chǎn)沙特征的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(3)：36-43.

Yuan Cuiping, Lei Tingwu, Zhang Manliang, et al. Sediment yields from the Parallel watersheds in the hilly-gully regions of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2011, 42(3): 36-43. (in Chinese with English abstract)

[31]水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室. 無定河“2017.7.26”洪水泥沙來源分析[R]. 鄭州：黃河水利科學(xué)研究院，2018：19-34.

[32]劉寶元，姚文藝，劉國彬，等. 黃土高原“7·26”特大暴雨洪水與水土保持效益綜合考察報(bào)告[M]. 北京：科學(xué)出版社，2020：178-179.

[33]王萬忠，焦菊英. 黃土高原降雨侵蝕產(chǎn)沙與水土保持減沙[M]. 北京：科學(xué)出版社，2018：315-323.

[34]汪崗，范昭. 黃河水沙變化研究[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2002：1-430.

[35]Bai L, Wang N, Jiao J, et al. Soil erosion and sediment interception by check dams in a watershed for an extreme rainstorm on the Loess Plateau, China[J]. International Journal of Sediment Research, 2020, 35: 408-416.

[36]王楠，陳一先，白雷超，等. 陜北子洲縣“7·26”特大暴雨引發(fā)的小流域土壤侵蝕調(diào)查[J]. 水土保持通報(bào)，2017，37(4)：338-344.

Wang Nan, Chen Yixian, Bai Leichao, et al.Investigation on soil erosion in small watersheds under “7·26” extreme rainstorm in Zizhou County, Northern Shaanxi Province. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(4): 338-344. (in Chinese with English abstract)

[37]史學(xué)建，王玲玲，楊吉山，等. 基于淤地壩沉積信息的流域土壤侵蝕模數(shù)估算[J]. 人民黃河，2019，41(2)：103-106.

Shi Xuejian, Wang Linging, Yang Jishan, et al. Calculation of soil erosion modulus based on sedimentation investigation of check dam[J]. Yellow River, 2019, 41(2): 103-106. (in Chinese with English abstract)

[38]張意奉，焦菊英，唐柄哲，等. 特大暴雨條件下小流域溝道的泥沙連通性及其影響因素-以陜西省子洲縣為例[J]. 水土保持通報(bào)，2019，39(1)：302-309.

Zhang Yifeng, Jiao Juying, Tang Bingzhe, et al. Channel sediment connectivity and influence factors in small watersheds under extremely rainstorm[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2019, 39(1): 302-309. (in Chinese with English abstract)

[39]姚文藝. 新時(shí)代黃河流域水土保持發(fā)展機(jī)遇與科學(xué)定位[J]. 人民黃河，2019，41(12)：1-7.

Yao Wenyi. Development Opportunity and Sicentific Positioning of Soil and Water Conservation of the Yellow River in the New Era[J]. Yellow River, 2019, 41(12): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[40]高海東，李占斌，李鵬，等. 黃土高原暴雨產(chǎn)沙路徑及防控-基于無定河流域2017-07-26暴雨認(rèn)識(shí)[J]. 中國水土保持科學(xué)，2018，16(4)：66-72.

Gao Haidong, Li Zhanbin, Li Peng, et al. Paths and prevention of sediment during storm-runoff on the Loess Plateau: Based on the rainstorm of 2017-07-26 in Wuding River. Science of Soil and Water Conservation, 2018, 16(4): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[41]Trimble S W. Changes in sediment storage in Coon Creek Basin, Driftless Area, Wisconsin, 1853-1975[J]. Science, 1981, 214: 181-183.

[42]Minella J P G, Walling D E, Merten G H. Combining sediment source tracing techniques with traditional monitoring to assess the impact of improved land management on catchment sediment yields[J]. Journal of Hydrology, 2008, 348: 546-563.

[43]胡春宏，張曉明. 論黃河水沙變化趨勢預(yù)測研究的若干問題[J]. 水利學(xué)報(bào)，2018，49(9)：6-17.

Hu Chunhong, Zhang Xiaoming. Several key questions in the researches of runoff and sediment changes and trend predictions in the Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(9): 6-17. (in Chinese with English abstract)

[44]高云飛，郭玉濤，何興照，等. 陜北黃河中游淤地壩攔沙功能失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)[J]. 地理學(xué)報(bào)，2014，69(1)：73-79.

Gao Yunfei, Guo Yutao, He Xingzhao. Failure criteria of the warping dams on sediment interception in the Middle Yellow River in northern Shaanxi[J]. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(1): 73-79. (in Chinese with English abstract)

[45]鄭寶明. 黃河水土保持生態(tài)工程韭園溝示范區(qū)建設(shè)理論與實(shí)踐[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2006：93.

Estimation of sediment reduction benefit by soil and water conservation under extreme rainfall in a loess watershed

Zheng Mingguo, Liang Chen, Liao Yishan, Huang Bin, Yuan Zaijian

(1.510650; 2514000,)

Quantitative assessment on the effects of soil conservation measures under extreme rainstorms is crucial for the watershed management in the Middle Yellow River Basin of China. Most previous efforts have focused mainly on a long period evaluation. The developed methods were applicable to the multi-year time scale, but not to the storm-event scale as the fluvial processes at the short time scale are more complex and stochastic. As a result of the absence of an efficient method, there has long been considerable controversy surrounding the role of soil conservation measures under extreme events in the Middle Yellow River Basin. On 26 July, 2017, an extreme rainstorm occurred in Yulin City (the so-called “7·26” storm event), Shaanxi Province, China, causing serious flood hazards and attracting extensive public attention. The purpose of this study is: 1) to develop a new approach to evaluate the effect of the soil conservation measures at the storm-event time scale; 2) used the method for the “7·26” storm event in the Chabagou Watershed, a 205 km2loess watershed on the Loess Plateau. The results showed that: 1) after removing the non-high-intensity rainfall events (with a runoff coefficient lower than 0.2), there was a close relationship between rainfall and runoff for the high-intensity rainfall events (2=0.87) during the non-management period (1959-1969); 2) since most flows approached the flush-limited maximum sediment concentration, the mean sediment concentration of a flood event was considerably stable, leading to a proportional relationship between event runoff and sediment yields. The resultant proportionality coefficient can be used as an estimation of the mean sediment concentration of a flood event. The two results allowed us to effectively evaluate the runoff yield, the event mean sediment concentration, and then the basin sediment yield when assuming that the “7·26” event had occurred during the non-management period. In this way, we obtained the total sediment-reduction effect of the soil conservation measures. Previous studies have shown that the slope measures (including terracing, afforestation, pasture establishment) reduced basin sediment yields simply by reducing runoff, whereas the check-dam construction (channel measures) by reducing both runoff and sediment concentration in the runoff. Based on the difference, we can further partition the respective impacts of the two measures. Our calculations showed that during the “7·26” event, the mean sediment concentration reduced by 83%, the runoff by 55.1%, and thus the basin sediment yield by 92.4%, as a result of the implementation of soil conservation in the Chabagou Watershed. Among the total sediment-reduction effect, 55.1% was attributed to the slope measures and 37.3% was attributed to the check dams. The calculations suggest an enormous sediment-reduction effect of soil conservation practices even under extreme storms on the Loess Plateau, and that both the slope measures and the check dams play important roles. The proposed method cannot only figure out the total amount of the reduced sediment yield by soil conservation measures in a basin, but also can figure out that by an individual measure. The method has good applicability and data requirement, and is suitable for the evaluation of the sediment-reduction effect by soil conservation measures at the storm event scale in the middle Yellow River Basin.

sediments; vegetation; soil erosion; soil and water conservation; sediment reduction benefit; extreme rainfall; Middle Yellow River

鄭明國，梁晨，廖義善，等. 極端降雨情形下黃土區(qū)水土保持治理的減沙效益估算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：147-156.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017 http://www.tcsae.org

Zheng Mingguo, Liang Chen, Liao Yishan, et al. Estimation of sediment reduction benefit by soil and water conservation under extreme rainfall in a loess watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 147-156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017 http://www.tcsae.org

2021-01-05

2021-02-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41671278）；廣東省科學(xué)院專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2019GDASYL-0103043，2019GDASYL-0401003）

鄭明國，博士，研究員，研究方向?yàn)榍治g產(chǎn)沙及其環(huán)境效應(yīng)。Email：mgzheng@soil.gd.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017

S157.2

A

1002-6819(2021)-05-0147-10