大理河流域1970－2002年水保措施減洪減沙效益深化分析

冉大川，張志萍，羅全華，寇 權(quán)

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站，甘肅 西峰 745000；3.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)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

黃土高原地區(qū)水土保持生態(tài)工程建設(shè)，是有效地保護和合理開發(fā)利用水資源、減輕黃河下游河道淤積的一項基礎(chǔ)工程和治本之舉。開展黃河中游典型支流水土保持生態(tài)工程建設(shè)的減洪減沙作用研究，分析黃土高原地區(qū)實施水土保持生態(tài)工程建設(shè)后的減沙效果，對構(gòu)建黃河水沙調(diào)控體系、制定黃河下游減淤措施，實現(xiàn)“河床不抬高”的總體目標(biāo)至關(guān)重要；對提升業(yè)已開展多年的黃河水沙變化研究的科技水平，也具有重要的促進作用。

大理河是無定河的最大支流，水土保持措施比較齊全，壩庫系統(tǒng)相對比較完善，共有淤地壩約3100 余座，是黃河中游開展水土保持生態(tài)工程建設(shè)減沙作用研究比較合適的流域。為此，水利部黃河水利委員會于2001年底通過引入競爭機制，設(shè)立了“十五”重大治黃科技項目——“大理河流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)的減沙作用研究”，從典型支流著手開展研究。本文在該項目研究的基礎(chǔ)上，通過補充收集基準(zhǔn)期水文資料和對基準(zhǔn)期洪水量進行重新摘錄，建立了新的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，?jù)此進行了大理河流域1970－2002年水保措施減洪減沙效益的深化分析，主要體現(xiàn)在新的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷慕⑴c應(yīng)用、流域水土保持措施減洪減沙效益變化過程分析和水保措施減水減沙比分析等3個方面。

1 流域概況

大理河流域位于白于山東側(cè)、毛烏素沙漠南緣，自西向東流經(jīng)陜西省靖邊、橫山、安塞、子長、子洲5縣，至綏德縣城附近注入無定河，是無定河最大的一級支流。干流全長170km，河床比降為3.16‰，流域面積為3906 km2。大理河流域有兩個不同的地貌類型區(qū)，即黃土梁墹河源丘陵溝壑區(qū)（簡稱河源區(qū)）和黃土梁峁丘陵溝壑區(qū)（簡稱丘陵區(qū)）。河源區(qū)位于干流上游，涉及靖邊縣、安塞縣和橫山縣的部分地區(qū)，面積662km2，占流域面積的16.9%。丘陵區(qū)位于流域中下游地段，包括子洲、子長、綏德三縣的全部，橫山縣的大部分和靖邊縣的一小部分，面積3244 km2，占流域總面積的83.1%。流域地形破碎，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，多年平均土壤侵蝕模數(shù)在12000 t／（km2·a）以上，是黃河流域粗泥沙的主要來源區(qū)之一。

2 水沙變化

流域的水沙變化通過流域?qū)崪y水文資料來反映。大理河流域共設(shè)有青陽岔（干流上游）、李家河（小理河）、曹坪（岔巴溝）和綏德（流域出口）4個水文站。流域出口水文站為綏德水文站，集水面積3893 km2，占全流域面積的99.7%，從1960年起至今均有實測徑流泥沙資料。截至2002年，全流域共有雨量站29處。降雨資料普遍存在20世紀(jì)70年代以前雨量站少且分布不均，缺測、漏測較多的問題，1970年以后雨量站相繼增加較多且資料系列較完整。因此，20世紀(jì)60年代實測降水資料的代表性普遍較差，而這一時期正是流域內(nèi)基本未實施水土保持措施的“天然”時期，其降水資料的代表性至關(guān)重要，直接影響后期流域水土保持措施減洪減沙作用分析研究的精度。因此，針對流域降雨資料中存在的諸多問題，對降水資料全部進行了插補展延和系列化處理［1］。大理河流域1960－2002年實測降水、徑流、泥沙資料統(tǒng)計及計算結(jié)果見表1。

2.1 降水量變化

根據(jù)實測降水資料統(tǒng)計，大理河流域降水量年內(nèi)分配很不均勻。最大年降水量683.0mm（1964年）是最小年降水量233.2mm（1965年）的2.9倍。由表1可知，流域多年平均（1960－2002年）年降水量439.5mm，汛期（5－9月）降水量355.0mm，占年降水量的80.8%。以1970年作為流域治理前后的分界年，治理期（1970－2002年）與基準(zhǔn)期（1960－1969年）相比，流域年降水量減少了10.5%，汛期降水量減少了7.1%。各年代的具體變化是:20世紀(jì)70，80，90年代年降水量與基準(zhǔn)期相比分別減小了12.0%、13.5%、11.8%；汛期降水量與基準(zhǔn)期相比分別減小了8.6%、7.4%、10.4%。進入21世紀(jì)初降水量明顯增大，2000－2002年年降水量和汛期降水量分別比基準(zhǔn)期增大了8.0%和9.3%。

2.2 徑流量變化

根據(jù)綏德水文站實測徑流資料統(tǒng)計，大理河流域最大年徑流量為25240 萬m3（1964年），是最小徑流量8690 萬m3（1975年）的2.9倍。流域多年平均年徑流量為14530 萬m3，汛期徑流量為8830 萬m3，占年徑流量的60.8%。流域?qū)崪y徑流量依時序呈遞減趨勢。各年代徑流量的具體變化情況是:基準(zhǔn)期徑流量最大，20世紀(jì)70、80、90年代年徑流量與基準(zhǔn)期相比分別減小了15.9%、30.2%和21.8%；汛期徑流量分別減小了18.1%、40.3%、19.9%。2000－2002年在降水量比基準(zhǔn)期明顯增大的情況下，年徑流量與汛期徑流量仍然分別減小了23.9%和18.8%。降水增大，徑流依然減少，說明流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)開始發(fā)揮作用。治理期的1970－2002年與基準(zhǔn)期相比，年徑流量和汛期徑流量分別減小了22.7%和25.4%。

表1 大理河流域各時期降水、徑流、輸沙量統(tǒng)計成果

2.3 輸沙量變化

根據(jù)綏德水文站實測泥沙資料統(tǒng)計，大理河流域最大年輸沙量9780 萬t（1966年）是最小輸沙量724萬t（1965年）的13.5倍。流域多年平均年輸沙量為3820 萬t，汛期輸沙量為3770 萬t，占年沙量的98.7%。流域?qū)崪y輸沙量依時序的遞減幅度明顯大于徑流。各年代輸沙量的具體變化情況是:基準(zhǔn)期輸沙量最大，70，80，90年代逐年遞減，80年代減幅最大。70年代年輸沙量和汛期輸沙量與基準(zhǔn)期相比分別減小了33.6%和33.0%；80年代分別減小了65.9%和66.3%，接近70%；90年代分別減小了36.9%和36.7%，減幅基本持平；2000－2002年分別減小了34.4%和33.1%。治理期的1970－2002年與基準(zhǔn)期相比，年輸沙量和汛期輸沙量分別減小了44.4%和44.0%。

3 計算方法

采用“水文法”和“水保法”對大理河流域1970－2002年水土保持措施減洪減沙效益進行了分析和計算。其中“水文法”計算采用的3種方法分別是:①不同系列對比法；②單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量對比法；③經(jīng)驗公式法。

“不同系列對比法”是將各時期的實測值相對于基準(zhǔn)期的變化量作為減洪減沙效益，反映的是人類活動和降雨變化的共同影響。

“單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量對比法”是根據(jù)流域治理前后單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量的變化推求流域治理后的減洪減沙效益，反映的是人類活動的影響［2］。計算公式為

式中:W計——計算的產(chǎn)洪（產(chǎn)沙）量［萬 m3／mm（萬t／mm）］；W實——同期實測的洪水（洪沙）量［萬 m3（萬t）］；η——流域減洪（減沙）效益（%）；m——產(chǎn)洪量（萬 m3／mm）或產(chǎn)沙量（萬t／mm）。

“經(jīng)驗公式法”是基于數(shù)理統(tǒng)計學(xué)原理，通過主導(dǎo)因子篩選和逐步回歸分析，建立流域在非治理狀態(tài)下（基準(zhǔn)期）的“天然”降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；將治理后的降雨資料代入基準(zhǔn)期的“天然”降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?，求得治理后的“天然”產(chǎn)洪產(chǎn)沙量，與同期實測值相比，即得流域綜合治理的減洪減沙效益，反映的是流域綜合治理的影響［3］。將“不同系列對比法”和“經(jīng)驗公式法”這兩種方法的計算結(jié)果相結(jié)合，即可分離出降雨因素對流域減洪減沙量的影響，完成“水文法”計算的主要任務(wù)。其中，根據(jù)基準(zhǔn)期降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愕漠a(chǎn)洪產(chǎn)沙量和同期實測洪水洪沙量之差，即為流域綜合治理影響的減洪減沙量；基準(zhǔn)期實測洪水洪沙量和計算的產(chǎn)洪產(chǎn)沙量之差，即為降雨影響的減洪減沙量。

在以往研究的基礎(chǔ)上［2］，通過補充基準(zhǔn)期的水文資料，對基準(zhǔn)期的洪水量進行了重新摘錄。由此建立的大理河流域基準(zhǔn)期新的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ头謩e為

式中:WH——洪水徑流量（萬 m3）；WHS——洪水輸沙量（萬t）；PN——年降水量（mm）；PX——汛期降水量（mm）；PY——有效降雨量（mm）。

以上兩式的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.825和0.828。

“水保法”計算方法采用“以洪算沙法”［2］。通過建立黃河中游小區(qū)水土保持坡面措施減洪指標(biāo)體系，根據(jù)降雨量同頻率對應(yīng)的原則轉(zhuǎn)化為大理河流域水土保持坡面措施減洪指標(biāo)體系，進而計算流域水土保持坡面措施減洪量；通過“以洪算沙”統(tǒng)計模型計算流域水土保持坡面措施減沙量（需進行迭代計算）。淤地壩減洪減沙量計算方法同參考文獻［2］，不再贅述。

4 減洪減沙效益分析

4.1 “水文法”減洪減沙效益分析

“水文法”計算結(jié)果中“不同系列對比法”計算結(jié)果見表2；“單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量對比法”計算結(jié)果見表3；“經(jīng)驗公式法”計算結(jié)果見表4。

4.1.1 減洪效益分析 “不同系列對比法”計算結(jié)果（表2）表明，在降雨因素和綜合治理因素的共同影響下，大理河流域20世紀(jì)70，80，90年代實測洪水量比基準(zhǔn)期分別減少了1861 萬m3、4752 萬m3和2747 萬 m3；減洪效益分別為18.4%、47.1%和27.2%。2000－2002年在年降水量比基準(zhǔn)期增大8.0%、汛期降水量比基準(zhǔn)期增大9.3%的情況下，年均減少洪水2516 萬m3，減洪效益24.9%。1970－2002年的治理期，流域年均減少洪水3065 萬m3，減洪效益30.4%。

表2 不同系列對比法減洪減沙效益計算成果

“單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量對比法”計算結(jié)果（表3）表明，在綜合治理因素的影響下，20世紀(jì)70，80，90年代和2000－2002年大理河流域年均分別減洪273萬 m3、3398 萬 m3、1025 萬 m3和2968 萬m3，減 洪 效 益 分 別 為 3.2%、38.9%、12.2% 和28.1%；80年代減洪效益最大，2000－2002年其次，90年代第三，70年代最小。1970－2002年大理河流域年均減少洪水1690 萬m3，減洪效益19.4%。

表3 單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量對比法計算結(jié)果

“經(jīng)驗公式法”計算結(jié)果（表4）表明，1970－2002年的33a間，大理河流域因水土保持綜合治理等人類活動，年均減少洪水2367 萬m3，占不同系列對比年均總減洪量3065 萬m3的77.2%，年均減洪效益25.2%；因降雨影響流域年均減少洪水698萬m3，占總減洪量的22.8%；人類活動與降雨影響之比約為8∶2。

各年代具體變化情況為:20世紀(jì)70年代年均減少洪水1861 萬m3，其中流域綜合治理年均減少洪水1127 萬m3，占總減少量的60.6%，年均減洪效益12.0%；降雨影響年均減少洪水734萬m3，占總減少量的39.4%；人類活動與降雨影響之比為6∶4。80年代年均減少洪水4752 萬m3，其中流域綜合治理年均減少洪水3158 萬m3，占總減少量的66.4%，減洪效益37.1%；降雨影響年均減少洪水1595 萬m3，占總減少量的33.6%；人類活動與降雨影響之比為6.6∶3.4。90年代年均減少洪水2747 萬m3，其中流域綜合治理年均減少洪水1808 萬m3，占總減少量的65.8%，減洪效益19.7%；降雨影響年均減少洪水939萬m3，占總減少量的34.2%；人類活動與降雨影響之比仍為6.6∶3.4，與80年代一致，人類活動的影響比70年代有所增大。2000－2002年的3a間由于降雨明顯增加，降雨影響增加洪水也非常明顯，流域綜合治理的減洪效應(yīng)更為突出。

表4 經(jīng)驗公式法減洪減沙效益計算成果表

4.1.2 減沙效益分析 “不同系列對比法”計算結(jié)果（表2）表明，在降雨因素和綜合治理因素的共同影響下，大理河流域20世紀(jì)70，80，90年代實測洪水輸沙量分別比基準(zhǔn)期減少了1933 萬t、3804 萬t和2115 萬t，減沙效益分別為33.4%、65.8%和36.6%；2000－2002年年均減沙2005 萬t，減沙效益34.7%。1970－2002年流域年均減少洪水泥沙2562 萬t，減沙效益44.3%。

“單位毫米有效降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙量對比法”計算結(jié)果（表3）表明，在綜合治理因素的影響下，20世紀(jì)70，80，90年代和2000－2002年大理河流域年均分別減沙1023 萬t、3028 萬t、1129 萬t和2263 萬t，減沙效益分別為21.0%、60.5%、23.6%和37.5%。顯然，與減洪效益一樣，80年代減沙效益最為顯著，其余年代依時序呈遞增趨勢。1970－2002年流域年均減沙1776 萬t，減沙效益35.6%。

“經(jīng)驗公式法”計算結(jié)果（表4）表明，1970－2002年的33a間，大理河流域因水土保持綜合治理等人類活動年均減沙1940 萬t，占不同系列對比年均總減沙量2562 萬t的75.8%，年均減沙效益37.6%；因降雨影響流域年均減沙621萬t，占總減沙量的24.2%；人類活動與降雨影響之比為7.6∶2.4，略小于人類活動與降雨對徑流的影響之比。

各年代具體變化情況為:20世紀(jì)70年代年均減少洪水輸沙量1933 萬t，其中流域綜合治理年均減沙量為1316 萬t，占總減少量的68.1%，減沙效益25.5%；降雨影響年均減沙量為617萬t，占總減少量的31.9%；人類活動與降雨影響之比為6∶4。80年代年均減少洪水輸沙量3803 萬t，其中流域綜合治理年均減沙量為2902 萬t，占總減少量的76.3%，減沙效益59.5%；降雨影響年均減沙量為901萬t，占總減少量的23.7%；人類活動與降雨影響之比為7.6∶2.4。90年代年均減少洪水輸沙量2116 萬t，其中流域綜合治理年均減沙量為1107 萬t，占總減少量的52.3%，減沙效益23.2%；降雨影響年均減沙量為1009 萬t，占總減少量的47.7%；人類活動與降雨影響之比為5.2∶4.8。人類活動對減沙的影響與70，80年代相比呈下降趨勢，這與人類活動對徑流的影響明顯不同。但2000－2002年的3a間由于降雨明顯增加，降雨影響增加洪水輸沙量同樣也非常明顯，流域綜合治理的減沙效應(yīng)也更為突出。

根據(jù)“經(jīng)驗公式法”計算的大理河流域1970年以來歷年水土保持綜合治理等人類活動減洪減沙效益變化過程線見圖1。由此可見，在流域發(fā)生特大暴雨之年，減洪減沙效益均為負(fù)值，如1972年、1977年和1994年。此外，1970－2002年流域減洪減沙效益的波動性變化非常明顯；1997年以來流域減洪減沙效益呈增大（上升）趨勢。

4.2 “水保法”減洪減沙效益分析

“水保法”計算結(jié)果［2］表明，大理河流域1970－2002年4大水保措施（梯田、林地、草地、壩地）年均減少洪水2280 萬m3，減洪效益24.5%；年均減少洪水輸沙量1860 萬t，減沙效益36.6%。從各年代計算結(jié)果看，20世紀(jì)70，80，90年代4大水保措施年均分別減少洪水1820 萬m3、1555 萬m3和2960 萬m3，減洪效益分別為18.1%、22.5%和28.7%；4大水保措施年均分別減少洪水輸沙量1360 萬t、1230 萬t和2450 萬t，減少洪沙效益分別為26.2%、38.4%和40.1%。2000－2002年4大水保措施年均減少洪水3970 萬m3，年均減少洪水輸沙量3640 萬t，減洪效益34.4%，減沙效益49.1%，減洪減沙效益均居各年代之首。雖然3a的系列太短，但2000－2002年由于降雨有明顯增加，由此說明大理河流域近期水土保持生態(tài)工程建設(shè)的減沙作用比較顯著。根據(jù)“水保法”計算的大理河流域1970年以來歷年水保措施減洪減沙效益變化過程線見圖2?？梢灾庇^看出，流域水土保持措施減洪減沙效益依年代遞增，自2000年以來水土保持生態(tài)工程建設(shè)的減洪減沙作用開始凸現(xiàn)。

圖1 大理河流域綜合治理減洪減沙效益變化過程線

圖2 大理河流域水保措施減洪減沙效益變化過程線

從水保措施減水減沙比（水保措施減洪量／水保措施減沙量）的變化過程看（圖3），20世紀(jì)70，80，90年代和2000－2002年大理河流域水保措施減水減沙比分別為1.34，1.26，1.21，1.09m3／t，依時序呈下降趨勢，說明減少相同沙量所需減少的水量呈減少趨勢。如果把水保措施減水減沙比理解為減少1t泥沙需要同時付出的減水代價即減沙水代價［4］，則近期減水減沙比最小的變化趨勢，一方面表明大理河流域近期來水來沙集中程度增大，減水減沙的有效性也在增大，對流域水資源的開發(fā)利用比較有利；另一方面亦說明流域近期洪水含沙量有明顯增大。由表1可知，對應(yīng)以上各年代的流域汛期平均含沙量（汛期輸沙量／汛期徑流量）分別為424，298，410，428kg／m3，近期汛期含沙量確為最大。

從不同年代水保單項措施減水減沙比變化過程看（圖4），坡面措施（梯田、林地、草地）減水減沙比變化趨勢一致，都是自20世紀(jì)60年代開始增大，80年代達到最大，而后又開始減小，2000－2002年最?。?0年代以后變幅較以前增大。而壩地的減水減沙比則呈現(xiàn)出波動增大的趨勢，但不同年代之間變幅不大。由于近期坡面措施減水減沙比最小，壩地減水減沙比最大，說明坡面措施與溝道措施的減水減沙作用存在耦合關(guān)系，二者的減水減沙比變化具有明顯的互補性。近期壩地減水減沙比達到最大也同時說明流域溝道來沙量減小，淤地壩淤積緩慢，這與外業(yè)調(diào)查結(jié)果一致。

圖3 大理河流域水保措施減水減沙比變化過程線

圖4 大理河流域單項水保措施減水減沙比變化過程線

4.3 “水文法”與“水保法”計算結(jié)果對比分析

從計算原理看，“水文法”是以流域出口處的實測水文資料計算減洪減沙量，其減少量包括流域內(nèi)的所有下墊面因素，因此，“水文法”總體計算結(jié)果一般應(yīng)大于“水保法”。大理河流域“水文法”與“水保法”年均減洪減沙量計算結(jié)果（取整）對比見表5。由此可知，1970－2002年“水保法”減洪減沙計算結(jié)果小于“水文法”?！八姆ā焙汀八７ā睖p洪量計算結(jié)果相對誤差為3.8%，減沙量計算結(jié)果相對誤差為4.1%，均在5%以內(nèi)，說明計算結(jié)果基本合理。

表5 “水保法”與“水文法”年均減洪減沙量計算結(jié)果對比

由于本次“水保法”研究只考慮了流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)減洪減沙作用的正效應(yīng)，沒有計算水利措施減洪減沙量，導(dǎo)致計算結(jié)果偏小；又未扣除人為新增水土流失量（負(fù)效應(yīng)），導(dǎo)致計算結(jié)果偏大。根據(jù)最新調(diào)查和估算，這兩項偏大偏小量屬同一數(shù)量級，基本相抵，因此，本次“水保法”研究成果總體上接近實際。

5 結(jié)論

（1）大理河流域治理期（1970－2002年）與基準(zhǔn)期（1960－1969年）相比，流域年降水量減少了10.5%，汛期降水量減少了7.1%。進入21世紀(jì)初降水量明顯增大，2000－2002年年降水量和汛期降水量分別比基準(zhǔn)期增大了8.0%和9.3%。流域?qū)崪y徑流量、輸沙量均依時序遞減。治理期與基準(zhǔn)期相比，年徑流量和汛期徑流量分別減小了22.7%和25.4%；年輸沙量和汛期輸沙量分別減小了44.4%和44.0%。20世紀(jì)70，80，90年代和2000－2002年等4個時段年徑流量與基準(zhǔn)期相比分別減小了15.9%、30.2%、21.8%和23.9%；年輸沙量與基準(zhǔn)期相比分別減小了33.6%、65.9%、36.9%和34.4%。

（2）“水文法”計算結(jié)果表明，1970－2002年大理河流域因水土保持綜合治理等人類活動年均減少洪水2370 萬m3，占不同系列對比年均總減洪量3065 萬m3的77.2%，年均減洪效益25.2%；因降雨影響流域年均減少洪水698萬m3，占總減洪量的22.8%；人類活動與降雨影響之比約為8∶2。1970－2002年大理河流域因水土保持綜合治理等人類活動年均減沙1940 萬t，占不同系列對比年均總減沙量2560 萬t的75.8%，年均減沙效益37.6%；因降雨影響流域年均減沙621萬t，占總減沙量的24.2%；人類活動與降雨影響之比為7.6∶2.4。

（3）“水保法”計算結(jié)果表明，1970－2002年大理河流域4大水保措施（梯田、林地、草地、壩地）年均減少洪水2280 萬m3，減洪效益24.5%；年均減少洪水輸沙量1860 萬t，減沙效益36.6%。水土保持綜合治理減洪減沙效益依年代呈現(xiàn)穩(wěn)定遞增的趨勢；近期流域水土保持綜合治理減洪減沙效益十分顯著。水保措施減水減沙比依時序呈下降趨勢。

［1］張志萍，冉大川，慕志龍.大理河流域降水資料插補方法探討［J］.人民黃河，2006，28（12）:26－27.

［2］冉大川，李占斌，李鵬，等.大理河流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)的減沙作用研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2008.

［3］張勝利，于一鳴，姚文藝.水土保持減水減沙效益計算方法［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1994.

［4］王飛，穆興民，李銳，等.河口鎮(zhèn)到龍門區(qū)間水土保持措施減沙水代價分析［J］.水土保持通報，2005，25（6）:28－32.