不同水保措施對不同量級降雨量匯流的影響

程文飛 陳軍鋒 張飛 任娟慧 吳博 陳彥平

摘要：為了研究晉西不同水土保持措施對流域產匯流機制的影響，選取山西省黃土丘陵區(qū)典型小流域王家溝小流域1990-2015年185場降雨資料，采用線性趨勢分析法和相似對比法，分析探討了3種水保措施對不同量級降雨量匯流機制的影響。結果表明：梯田對延長洪水歷時沒有明顯影響，但會減小洪峰流量，對洪峰流量的減小值隨著降雨量增大而減??；隨著降雨量增大，植樹造林對洪峰流量的衰減作用比對洪量的衰減作用顯著；淤地壩對延長小降雨量級洪水歷時作用顯著。

關鍵詞：水土保持；匯流機制；線性趨勢法；相似對比法；王家溝小流域

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.022

山西省地處黃河中游黃土丘陵區(qū)，是全國水土流失嚴重的省份之一[1-2]。因地制宜開展水土保持工作，對恢復和保護水土流失區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。國內外學者在水土保持對產沙及輸沙的影響方面研究較多[3-8]，關于水土保持措施對流域水文效應的研究也有不少成果：高申等[9]研究表明水土保持對降雨徑流關系影響顯著，可以減小徑流；趙娟等[10]運用VAR模型研究發(fā)現水土保持措施對徑流量減小率可達60%以上，并隨著時間的推移而增大。許琴[11]采用雙累積曲線法、不同系列對比法、經驗公式法對都陽湖小溪河流域進行研究，結果表明水保措施能有效攔截徑流。鑒于不同水土流失治理模式對流域不同量級降雨量產流、匯流的關系研究十分薄弱[12]，筆者選取王家溝小流域1990-2015年185場降雨徑流資料，將降雨量分3個等級，分析探討晉西3種水保措施對不同量級降雨量匯流機制的影響。

1 研究區(qū)概況

王家溝為黃河一級支流三川河左岸的一級支溝，位于晉西石城區(qū)以北4km處，流域面積9.1km2，行政區(qū)劃隸屬于呂梁市離石區(qū)。流域屬暖溫帶大陸性氣候區(qū)，多年平均氣溫為8.8℃，最高溫為38.9℃，最低溫為-27.4℃，無霜期為160～180d，年日照時數為2500h左右，全年太陽總輻射量為551.4 kJ/cm2，年均風速為1.3m/s，年均空氣相對濕度為58%，年水面蒸發(fā)量為1844.7mm，多年平均年降水量為495.1mm（其中：6-9月降水量占全年的73.2%，7-8月降水量占全年的46.2%），降雨多屬于暴雨型。該小流域是晉西黃土丘陵溝壑區(qū)較早開展水土保持綜合治理的、也是黃河中游地區(qū)水土保持綜合治理較好的典型之一。經過逐年實施水土保持綜合治理，王家溝小流域總治理面積呈增大趨勢，1980-2015年水保措施面積見表1。

2 資料來源及數據處理

資料由山西省呂梁市水文局提供，包括王家溝小流域7個子流域（W540、W560、W570、W680、W750、W760、W890）的降雨量資料及1個水文站的流量資料。為了對比在降雨量相差不大的情況下，不同水保措施對洪水歷時及洪峰流量的影響，將降雨量分為小于20mm（有103場，占總場次的55.7%）、20～50mm（有67場，占總場次的36.2%）、大于50mm（有15場，占總場次的8.1%）3個等級。

（1）梯田。梯田能夠有效增大地表徑流下滲量，從而減少坡面水土流失。在王家溝小流域北部設置對比子流域，插財主溝流域有水保措施（從1980年開始修建梯田，1990年梯田面積為0.082km2，2015年梯田面積為0.153km2），羊道溝流域無水保措施（沒有修建梯田），二者以一分水嶺相鄰，流向一致，地質地貌、面積和坡度等條件相似。插財主溝面積為0.193km2，主溝長776m，地形高差為167m，平均坡角31°，平均比降11.9%：羊道溝面積為0.206km2，主溝長752m，地形高差173.5m，平均坡角31°，平均比降12.7%。

（2）植樹造林。植樹造林是各地普遍采取的水土保持措施。1990-2015年，植樹造林面積增幅較大，從1.98km2增大到3.67km2（見圖1）。

（3）淤地壩。修建淤地壩是山區(qū)群眾治溝造田的傳統做法，也是水土保持溝道治理的重要工程措施。王家溝小流域1990-2015年淤地壩數量變化見圖2。分析淤地壩對匯流影響時，將淤地壩數量由小到大排序，分析不同淤地壩數量對應的不同量級降雨量的洪水歷時。

3 水保措施對流域匯流的影響

（1）梯田。選取插財主溝和羊道溝1990-2015年8場典型暴雨洪水，采用相似對比法進行分析，根據洪水過程線（見圖3）及洪水特征值（見表2）比較，分析梯田對暴雨產匯流的影響。

由圖3和表2可知：相同降水情況下，插財主溝和羊道溝子流域洪水歷時沒有明顯變化；插財主溝的洪峰流量比羊道溝的小，說明梯田會減小洪峰流量，減小幅度平均為38.78%。降雨量小于20mm的3場降雨（19940825、20010829、20090715），洪峰流量減小幅度分別為49.43%、57.68%、57.46%；降雨量為20～50mm的3場降雨（19930729、20010814、20130806），洪峰流量減小幅度分別為33.03%、44.96%、34.40%；降雨量大于50mm的2場降雨（19940820，20040727），洪峰流量減小幅度分別為17.42%，15.88%。說明梯田對不同量級降雨量的洪水流量減幅不同，對較小量級降雨量的洪峰流量減幅較大，而對較大量級降雨量的洪峰流量減幅較小。

（2）植樹造林。選取王家溝支溝老四溝（水保措施為植樹造林）1990-2015年不同量級降雨量的洪水要素進行前后對比，見表3。

由表3可知，不同量級降雨量滯時延長率大部分達到100%，這主要是流域植樹造林的作用，林地面積不斷增大。50～60mm雨量的洪峰流量衰減率最大，而洪量衰減率最小；40～50mm雨量的洪峰流量衰減率最小，而洪量衰減率最大。不同量級雨量的洪峰流量衰減率和洪量衰減率分別為11.6%～84.1%和4.8%63.2%。20～50mm雨量的洪峰流量衰減率比0～20mm雨量的小，而洪量衰減率比0～20mm雨量的大，表明雨量越大，洪量波動越大；大于50mm量級的降雨量越大，洪量波動越小。

（3）淤地壩。將降雨量按不同量級劃分，并以淤地壩數量作為橫坐標，點繪其與洪水平均歷時的關系，見圖4。從圖4可以看出，在不同量級降雨量情況下，淤地壩數量越多洪水歷時越長，說明淤地壩對延長洪水歷時有顯著作用。0～20、20～50、>50mm降雨量情況下，洪水歷時極差分別為12.0、20.1、11.0h，說明降雨量小于50mm的洪水歷時極差隨著降雨量的增大而增大，降雨量為20～50mm時淤地壩數量的增加對延長洪水歷時作用最為顯著，降雨量大于50mm時的洪水歷時極差較小。

4 結論

（1）梯田對延長洪水歷時沒有明顯影響，但會減小洪峰流量，減小幅度為38.78%。梯田對不同量級降雨量的洪峰流量減幅不同，對較小量級降雨量的洪峰流量減幅較大，而對較大量級降雨量的洪峰流量減幅較小。

（2）植樹造林可減小洪峰流量和洪量、延長洪水歷時。隨著植樹造林面積的增加，0～20mm量級洪峰流量衰減率大于20～50mm量級的，而洪量衰減率與洪峰流量衰減率相反。

（3）淤地壩可以延長洪水歷時，洪水歷時極差隨著降雨量的增大而增大。降雨量為20～50mm的情況下，淤地壩數量增加對延長洪水歷時作用最為顯著。

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