孔兌流域產(chǎn)沙關系淺析

侯素珍, 郭 彥, 李 婷

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院, 鄭州 450003; 2.水利部黃河泥沙重點實驗室, 鄭州 450003)

黃河上游內蒙古段的三湖河口—頭道拐河段全長299.7 km，這一河段的沖淤變化，不僅受干流來水來沙的影響，更受來自南岸并行入黃的十大孔兌(“孔兌”，蒙語即"山洪溝")的影響。十大孔兌是內蒙古河段的主要產(chǎn)沙支流，多年平均輸沙量2 300萬t[1]，常以高含沙洪水形式匯入干流，不但在孔兌下游泛濫成災，也經(jīng)常在干流形成沙壩，造成黃河干流嚴重淤堵，泥沙淤積導致河床抬高。目前，與十大孔兌相關的內蒙古河道淤積問題研究較多，如劉曉燕[2]、師長興[3]、冉立山[4]等分別對內蒙古河段主槽萎縮原因、河床沖淤演變特征及原因、頭道拐斷面形態(tài)變化及其對水沙的響應等進行了研究；侯素珍[5]研究提出了孔兌對干流淤積的影響以及臨界輸沙量，王平等[6]對十大孔兌高含沙洪水特點與沖淤特性進行了研究。劉韜等[7]、李璇[8]對西柳溝流域暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關系、水沙流失特點及治理措施等進行了研究，劉通等[9]分析了氣候變化與人類活動對西柳溝流域入黃水沙過程的影響，并根據(jù)西柳溝土地利用變化數(shù)據(jù)直接給出了水土保持生態(tài)工程建設的蓄水減沙量。冉大川等[10]通過歸因分析，定量評價降雨和下墊面等驅動因子對流域水沙變化的貢獻率。近10 a孔兌輸沙量從2000年前的約2 300萬t銳減至約260萬t[1]，孔兌流域的綜合治理對暴雨洪水產(chǎn)沙過程產(chǎn)生了較大影響，但是，目前對孔兌的產(chǎn)沙關系研究尚少，本文通過對實測資料統(tǒng)計分析，建立水沙參數(shù)間的定量關系，探求流域產(chǎn)沙的變化規(guī)律，對于評價孔兌綜合治理的減沙效果，預估徑流泥沙變化趨勢、以及進一步的綜合治理具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

十大孔兌為黃河上游的10條一級支流，由南向北并行流入黃河，自西向東依次分別為毛不浪溝、卜爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、母花溝、東柳溝和呼斯太河(圖1)，其總流域面積約10 767萬km2，生態(tài)環(huán)境十分脆弱?？變渡嫌螌冱S土丘陵溝壑區(qū)，地表覆蓋有極薄的風沙殘積土，顆粒較粗，下伏地層有大面積砒砂巖出露，極易遭受侵蝕；中游有庫布齊沙漠橫貫東西，當洪水流經(jīng)沙漠河段時，含沙量進一步增大；下游為沖積平原，地勢平坦，河槽寬淺，易于泥沙淤積。兩岸的流沙在風季被帶入溝內，暴雨期易形成含沙量高的洪水進入黃河，突發(fā)性地淤積在黃河主河道內，形成水下沙壩堵塞黃河，抬高沙壩上游水位，影響兩岸防洪和生產(chǎn)安全。山洪災害是十大孔兌影響最大的自然災害，每逢暴雨，導致山洪暴發(fā)，洪水挾帶泥沙泄入黃河和下游沿河平原區(qū)，造成河道淤堵、河水漫堤、房倒屋塌、農田沖毀、交通中斷等災害[11]，嚴重制約社會經(jīng)濟發(fā)展，導致廣大山丘區(qū)群眾生活貧困。

為了改善十大孔兌上中游水土流失狀況，減少對當?shù)丶爸苓叺貐^(qū)造成嚴重危害，從20世紀50，60年代開始，當?shù)卣驮谏嫌伍_展了水土保持生態(tài)建設，在中游開展了防風固沙林帶和引洪淤地工程建設。20世紀80年代以來，先后開展了試點小流域、骨干壩工程、沙棘示范區(qū)、罕臺川水土保持綜合治理、黃土高原水土保持世行貸款項目、沙棘攔沙工程等水土保持項目[12]。近年來，鄂爾多斯市推行了封山禁牧制度，1999—2012年，孔兌的草原植被得到明顯的恢復，平均覆蓋度呈現(xiàn)上升趨勢；淤地壩建設也從1988—2002年的零星骨干壩建設階段，發(fā)展到2003年后的淤地壩工程壩系建設階段[13]。

圖1十大孔兌流域簡圖

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 資 料

十大孔兌中僅西柳溝、毛不浪和罕臺川3條孔兌各設1個水文觀測站，降雨量觀測除水文站外，西柳溝有高頭窯、柴登壕，毛不浪有塔然高勒，罕臺川有罕臺廟、耳字壕和青達門雨量站。各站設立年份也不同，本文以各水文站和雨量站建站以來到2014年的日均降雨、徑流和輸沙量資料為依據(jù)，以輸沙量作為產(chǎn)沙量進行分析，3條孔兌的基本特征見表1。

表1 典型孔兌基本特征

2.2 研究方法

從產(chǎn)流產(chǎn)沙的物理成因出發(fā)，選擇降雨參數(shù)，建立基準年和現(xiàn)狀情況輸沙量與降雨參數(shù)關系，采用水文法分析水土保持減水減沙作用[14]?？紤]到孔兌流域的地貌特點，一般降雨條件對地表侵蝕作用弱而不產(chǎn)沙。根據(jù)黃土地區(qū)可引起侵蝕的日降雨量標準研究成果將10 mm作為臨界雨量標準[15]，而比較不同降雨量級和強度對產(chǎn)沙敏感性認為以日降雨大于25 mm 的年降雨總量作為侵蝕產(chǎn)沙有效降雨量[16]。本次研究采用日降雨量大于25 mm或者10 mm的年累計降雨總量(分別用P25和P10表示)作為降雨參數(shù)(即有效降雨)，建立年輸沙量與降雨量的關系。

基準年選擇主要根據(jù)流域治理措施的實施程度?？變吨卫矸?個階段，1980年之前孔兌流域植被覆蓋較差，可以認為孔兌下墊面條件處于自然狀態(tài)；1981—2004年孔兌流域植被覆蓋逐漸變好，下墊面發(fā)生變化，為植被恢復期；2005年至今，由于各種措施實施效果的顯現(xiàn)，植被覆蓋恢復較好，生態(tài)環(huán)境明顯好轉。根據(jù)孔兌的治理階段，原則上以1980年以前流域水利水保措施數(shù)量較少作為基準期，代表“天然情況”，2006年以來代表現(xiàn)狀條件，進行流域人類活動對徑流和輸沙量影響的水文分析計算。其中不同孔兌由于資料系列的差異，天然時期的代表時段有所不同。

3 結果與分析

3.1 降雨產(chǎn)沙關系

毛不浪溝1958年5月建站，即位于距入黃口10.1 km 的官長井水文站，但1968年10月停測，1981年6月恢復觀測后上移約30 km為圖格日格水文站。圖格日格和官長井站分別位于毛不浪溝穿越庫布齊沙漠的上端和下端附近。圖2為毛不浪溝年輸沙量與流域有效降雨量P25和P10的關系，對比可見，輸沙量隨降雨量的增加均有增大趨勢，但下端的官長井站1958—1968年點群散亂，一是由于該時段雨量站只有官長井測站，對流域面而言代表性較差，二是高濃度挾沙洪水經(jīng)過沙漠區(qū)調整后不同洪水過程存在差異。1982年后雨量站增加到3個，水文站位置發(fā)生較大變動，相對而言1958—1968年關系缺乏可比性，故采用80年代治理程度低的資料代表“天然情況”。圖2表明，1982—1989年輸沙量與降雨量參數(shù)具有較好的相關性，相關系數(shù)在0.871～0.907；在2006年后林草恢復后的相對穩(wěn)定期與80年代點群呈明顯的兩個趨勢帶，點群位于80年代的下方，也具有較好的相關性，相關系數(shù)達0.790～0.925，相同降雨條件下近期的輸沙量顯著減少。

圖2毛不浪溝年輸沙量與特征降雨量的關系

西柳溝1960年4月設立龍頭拐水文站，設站以來位置變動較小，為水文觀測資料系列最完整的孔兌。以1989年以前作為基準年，建立西柳溝年輸沙量與流域降雨量的關系見圖3。可以看出，治理措施穩(wěn)定顯效期和基準期呈明顯的兩個趨勢帶，相同降雨條件下治理后的產(chǎn)沙量明顯小于治理前基準年，兩時期均存在輸沙量隨降雨量增加而增加的趨勢，1960—1989年基準期的相關系數(shù)為0.711～0.769，2006年以后點群的相關系數(shù)為0.660～0.735。特別是P25小于100 mm的情況輸沙量差異更大，當P25大于一定值后，點群區(qū)分不明顯。

龍頭拐水文站位于孔兌流出庫布齊沙漠附近河段，其輸沙量的變化不僅受上游黃土丘陵區(qū)產(chǎn)沙影響也受沙漠區(qū)泥沙補給的影響，輸沙量與降雨量的相關程度低于毛不浪孔兌，同時也反映了泥沙來源和輸沙沿程調整的復雜性。

罕臺川1980年6月設立瓦窯水文站，1984年7月上移11.8 km至紅塔溝水文站，1999年6月又下遷10.1 km至響沙灣水文站。受資料年限限制，仍以治理程度低的80年代作為基準期代表“天然情況”。圖4為罕臺川年輸沙量與流域有效降雨量P25和P10的關系，可以看出，除個別年份外，治理前后呈明顯的兩個趨勢帶，治理后點群位于治理前點群下方，相同降雨條件下治理后的產(chǎn)沙量明顯小于治理前。其中1981—1989年點群的相關系數(shù)在0.570～0.699，2006—2014年點群的相關系數(shù)在0.760～0.806。

以上分析表明，無論是基準期還是現(xiàn)狀條件，輸沙量隨降雨量的增加而增加趨勢明顯，但相同降雨量下，現(xiàn)狀下墊面條件的輸沙量大幅減少。根據(jù)上述關系得到各孔兌輸沙量Ws與P25和P10關系的經(jīng)驗模型，見表2。

從各孔兌降雨產(chǎn)沙關系看，其相關程度與水文站位置具有關系。如毛不浪孔兌不同時期關系的分析表明，1958—1968年由于水文站位置位于沙漠下端與平原交界，含沙水流流經(jīng)了沙漠區(qū)，降雨產(chǎn)沙相關性較差；而1982年以后控制斷面位于丘陵區(qū)的出口，泥沙來源相對單一，降雨產(chǎn)沙關系良好，也說明了孔兌經(jīng)過沙漠地區(qū)的影響。西柳溝和罕臺川的水文站或位于沙漠出口或沙漠段，其輸沙與降雨關系弱化，說明了沙漠地區(qū)泥沙交換或補給對輸沙的影響。

圖3西柳溝年輸沙量與特征降雨量的關系

圖4罕臺川年輸沙量與特征降雨量的關系

表2 基準期和現(xiàn)狀條件下降雨-泥沙關系

3.2 減沙作用分析

3.2.1 經(jīng)驗模型計算 根據(jù)不同孔兌多年平均降雨量，采用表2經(jīng)驗模型，計算出相當于治理前“天然情況”和現(xiàn)狀下墊面條件的輸沙量，依此計算出3孔兌多年平均降雨情況下的減沙比，結果見表3。毛不浪溝按多年平均P10和P25計算，現(xiàn)狀輸沙量較基準年將減少93.5%和94.2%。根據(jù)2012年P10計算輸沙量為46萬t，與實測輸沙量62.3萬t比較接近。與基準年相比，減沙91.1%。

按西柳溝多年平均P10和P25計算，現(xiàn)狀輸沙量較基準年將減少98.7%和96.8%。從實測資料看，2012年P10為255 mm，P25為128 mm，約為多年平均值的1.6倍，但實測輸沙量僅2.4萬t，根據(jù)2012年P10計算輸沙量為28萬t，證明了治理后產(chǎn)沙量已經(jīng)大幅度減少。

罕臺川按年平均P10和P25計算，現(xiàn)狀輸沙量較基準年將減少95.5%和91.3%。2012年罕臺川流域P10約為304 mm，P25為148 mm，是多年均值的2倍，但實測輸沙量僅46.1萬t；根據(jù)P10計算輸沙量為76.6萬t，與實測值比較接近，減沙比82.5%。證明了治理后產(chǎn)沙量已經(jīng)大幅度減少。

3.2.2 實測資料對比 根據(jù)實測水文資料以及現(xiàn)有雨量站降雨資料統(tǒng)計(表4)，毛不浪孔兌與1982—1989年相比，2006—2014年P25基本相當，年均僅增加1.3%，但實測徑流量減少83.3%，輸沙量減少97.3%；西柳溝1989年之前指1960—1989年，與該時段相比，2006—2014年P25減少7.0%，實測徑流量減少56.1%，輸沙量減少90.0%；罕臺川與1981—1989年相比，2006—2014年P25增加10.7%，實測徑流量減少56.1%，輸沙量減少90.6%?？傮w來看，在降雨量變化較小甚至增加的情況下，徑流量減少在56%以上，輸沙量減少在90%以上，說明流域下墊面的變化對產(chǎn)流和產(chǎn)沙產(chǎn)生極大影響。

表4 現(xiàn)狀年與基準年實測特征值(年均)對比

表4可見，1989年以前3站年均輸沙量為2 139.0萬t，而2006—2014年3站年均輸沙量為126.5萬t，較1989年之前減少約94.1%；2006—2014年徑流量較1989年之前減少約64.7%。

3.2.3 合理性分析 2000年以來黃土高原各支流產(chǎn)沙關系均發(fā)生了很大變化。羅婭等[17]通過對黃土高原降雨和植被對產(chǎn)沙影響的研究，提出2006—2011年較1980—1989年產(chǎn)沙能力下降59%～98%，產(chǎn)沙變化與植被蓋度的相關性較降雨更強，說明相同降雨條件下植被蓋度變化對產(chǎn)沙關系的影響更大。從不同區(qū)域看，2000—2013年河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間、北洛河上游和渭河上游等黃土丘陵溝壑區(qū)輸沙量減幅高達80%～90%[18]。在流域尺度上，黃河龍門、北洛河狀頭、汾河河津、渭河咸陽和涇河張家山等5站以上地區(qū)，2010—2013年林草植被和梯田在多年平均降雨條件下的減沙能力，占潼關以上天然年均來沙量的60%[19]；2007—2013年潼關以上淤地壩年均攔沙1.228億t/a[20]。皇甫川流域1980—2010年水沙急劇減少的原因中，人類活動對流域水沙變化的貢獻占70%[21]，如果考慮現(xiàn)狀植被條件，人類活動的貢獻將更高。

劉通分析認為[9]，西柳溝年徑流與輸沙量變化的突變點在1997年，突變年前后降雨變化不顯著，說明人類活動，特別是水土保持和退耕還林(草)是影響該流域徑流泥沙過程變化的主要因素。而冉大川[10]認為西柳溝1990—2010年沙量減少中，降雨和人類活動影響權重之比為63%：37%，降雨影響占主導地位。實際上1990—1998年是流域水土治理發(fā)展期，人類活動穩(wěn)定影響在2000年后。

從孔兌的治理過程看，1988年淤地壩開始建設，2014年有效淤地壩達365座，主要建設在西柳溝、毛不浪溝、罕臺川、呼斯太溝等孔兌上，控制面積884 km2，占上游水蝕面積19%。從林草措施看，1999年起，十大孔兌涉及的市(旗)相繼頒布禁牧、休牧和輪牧的政策，推進舍飼圈養(yǎng)，落實封山禁牧制度，孔兌生態(tài)環(huán)境開始明顯好轉，草原植被得到明顯的恢復，平均覆蓋度呈現(xiàn)上漲趨勢。根據(jù)遙感反演，孔兌上游1980年植被覆蓋度約為10%，1998年約為16%，到2014年超過40%，植被蓋度得到顯著的改善。而產(chǎn)沙系數(shù)隨植被覆蓋率增大呈指數(shù)減小，黃土丘陵區(qū)當植被覆蓋率從10%增至40%，產(chǎn)沙系數(shù)約降低80%，植被覆蓋率達60%以上時產(chǎn)沙量將很少[19]?？梢?，平均降雨條件下植被等水保措施對產(chǎn)沙能力的影響作用占主導地位，近期孔兌植被的穩(wěn)定好轉，對沙量銳減起到?jīng)Q定性作用?？變渡嫌螌冱S土丘陵區(qū)，對比分析認為，人類活動對產(chǎn)沙的影響90%以上的結論基本合理。

4 結 論

(1) 各孔兌年輸沙量與降雨參數(shù)具有較好的冪函數(shù)關系，輸沙量隨降雨量的增大而增加。與代表天然情況的基準年相比，2006—2014年的降雨—輸沙關系發(fā)生明顯變化，產(chǎn)沙能力顯著降低。

(2) 根據(jù)降雨—產(chǎn)沙降雨模型計算，平均降雨條件下現(xiàn)狀孔兌的減沙能力在93%以上。2006—2014年與基準年的對比，孔兌實測輸沙量減沙比在90%以上，說明孔兌綜合治理造成的下墊面變化對產(chǎn)沙有巨大影響。

(3) 孔兌輸沙量銳減的主導因素是人類活動的影響，從淤地壩的控制面積、產(chǎn)沙對植被覆蓋度變化的敏感性說明，孔兌植被變化的減沙作用遠大于淤地壩的攔沙量。但分析過程中對雨強的概念考慮不夠，需進一步研究場次暴雨對產(chǎn)沙能力變化的作用。

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