基于谷歌地球的湫水河流域暴雨洪水變化分析

劉龍慶 狄艷艷 張榮剛

摘要：采用統(tǒng)計學(xué)方法研究了黃河中游支流湫水河流域1960-2015年的暴雨洪水變化趨勢，并基于谷歌地球軟件提供的近期衛(wèi)星遙感圖片分析了庫壩、梯田以及林草等在產(chǎn)/匯流和暴雨洪水變化過程中的不同作用。結(jié)果表明：水庫及淤地壩系阻滯了河道匯流，梯田及林草等植被覆蓋率的提高減小了流域產(chǎn)流，而庫壩的增多對洪水量級和發(fā)生頻次的減小起著最主要的作用。建議繼續(xù)加強以淤地壩系為主的小流域溝道治理力度，進一步降低黃土高原地區(qū)洪水的發(fā)生頻次。

關(guān)鍵詞：谷歌地球：下墊面；水土流失治理；暴雨洪水；湫水河流域

中圖分類號：TV122：TV882.1

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.007

20世紀(jì)80年代以來，黃河中游人類活動加劇，以水庫、淤地壩系修筑和退耕還林還草為主的T程措施、生物措施相繼實施，黃河干支流產(chǎn)洪產(chǎn)沙特性發(fā)生了較大變化，流域產(chǎn)洪能力大幅降低，洪水發(fā)生頻次顯著減小，洪峰量級明顯減小，造成這種現(xiàn)象的主要因素是流域下墊面發(fā)生了較大變化[l]?；诠雀璧厍蜍浖峁┑淖钚滦l(wèi)片進行調(diào)查，可以直觀地觀察到某一地區(qū)水庫、淤地壩、梯田、植被等各下墊面要素的分布情況及規(guī)模，并能得到水庫、淤地壩等地物的地理坐標(biāo)，計算其控制的流域面積，從而進一步分析各個要素在洪水變化方面所起的作用及影響程度。本文以黃河中游支流湫水河流域為研究對象，利用谷歌地球軟件對該流域暴雨洪水的變化原因進行了分析。

1 流域概況及暴雨洪水變化

1.1 流域概況

湫水河流域位于黃河中游山陜區(qū)間中部左岸，為黃河一級支流，流域面積1 989 km2，除東北部為石山林區(qū)外，大部分地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)，是典型的超滲產(chǎn)流區(qū)。流域內(nèi)較大的支溝（流域面積大于IO km2）有20多條，呈羽狀匯人，主要支溝有太平溝、城莊溝、榆林溝、車趕溝、安業(yè)溝、大峪溝、招賢溝等。湫水河控制站林家坪水文站位于人黃口上游13 km處，控制流域面積為1 873 km2。

湫水河流域?qū)俦┯旰樗喟l(fā)區(qū)，20世紀(jì)60-70年代多次發(fā)生大洪水，僅洪峰流量超過1 000 m3/s的大洪水就有20次之多。據(jù)《中國水文大事記》記載，1875年曾發(fā)生過洪峰流量7 700 m3/s的特大洪水，是1967年實測洪峰流量3 670 m3/s的兩倍多。20世紀(jì)80年代后，暴雨和洪水的發(fā)生頻次和量級都發(fā)生了顯著變化。

1.2 暴雨變化

據(jù)實測資料分析，20世紀(jì)60年代以來，湫水河流域各雨量站暴雨（降雨量大于50 mm/d）日數(shù)和量級在各年代有所不同。根據(jù)林家坪站雨量資料統(tǒng)計，1960-2015年汛期共發(fā)生暴雨38次。按年代劃分，各年代暴雨以上量級降雨量的總趨勢是60-90年代逐步減小，進入21世紀(jì)后暴雨發(fā)生次數(shù)有所增大，量級降雨量也明顯增大（見表1）。2010年9月19日次暴雨降雨量達185.4mm，為有記錄以來的最大實測暴雨。

1.3 洪水變化

根據(jù)1960年以來的洪水資料統(tǒng)計，林家坪站共發(fā)生洪峰流量超過500 m3/s的洪水58次，平均洪峰流量為1 080 m3/s。與20世紀(jì)60年代相比，70年代以來特別是2000-2015年洪水的發(fā)生頻率顯著降低：20世紀(jì)70-90年代洪峰流量明顯減小，90年代以來又有所增大，見圖1。

從洪水發(fā)生頻率來看，按年代劃分，20世紀(jì)60-90年代發(fā)生洪峰流量500 m3/s以上的洪水分別為26、10、9、8次，進人21世紀(jì)后發(fā)生次數(shù)急劇減小，2000-2009年和2010-1015年分別僅為2、3次。從洪峰流量來看，20世紀(jì)60-90年代最大洪峰流量分別為3 670、2 760、1 630、804 m3/s，進入21世紀(jì)后有所增大，2000-2009年最大洪峰流量為1 260 m3/s，2010-2016年則為2 300 m3/s（見圖1）。

從1960-2016年林家坪水文站洪峰流量500 m3/s以上洪水歷年發(fā)生次數(shù)和最大洪峰流量的變化情況（見圖2）看，1980年后洪水發(fā)生次數(shù)急劇減小，其中2004-2009年連續(xù)6a未發(fā)生最大洪峰流量超過500m3/s的洪水，而最大洪峰流量經(jīng)過1967-2009年的趨勢性減小后。2010-2016年又有所增大，其中2010年、2012年、2015年、2016年分別為2 300、1 350、1 400、1 700 m3/s。

為了分析湫水河流域各時期暴雨產(chǎn)洪能力的變化，統(tǒng)計了各雨量站建站以來的總暴雨日數(shù)及其相應(yīng)林家坪站無洪水暴雨（指未產(chǎn)生洪峰流量100 m3/s以上洪水的暴雨）日數(shù)（見表2）。

從表2可以看出：1960-1979年無洪水暴雨日數(shù)僅占總暴雨日數(shù)的10%以下，大部分暴雨會產(chǎn)生洪水：1980-1999年該比例增大至約33%：2000-2015年該比例繼續(xù)增大至約61%，即當(dāng)某站發(fā)生暴雨時，流域產(chǎn)生洪水的概率只有不到40%，說明流域產(chǎn)洪能力下降。

2 谷歌地球簡介

谷歌地球是Google公司開發(fā)的一款虛擬地球軟件，由Google公司于2005年向全球推出。用戶可以通過下載到個人電腦上的客戶端軟件免費瀏覽全球各地的高清衛(wèi)片。該軟件已在勘查、測量、規(guī)劃、設(shè)計等領(lǐng)域和環(huán)保、水利、建筑、旅游等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文選用谷歌地球免費提供的湫水河流域2015年8月14日、10月5日分辨率Sm以上（3m或更高）彩色衛(wèi)片，可清楚地分辨出溝道、梯田、植被、淤地壩壩體以及道路、橋梁、村莊、房屋、工地等，并能得到其地理信息，用于測量溝道長度、計算區(qū)域面積等。

3 流域下墊面現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，黃河流域水土保持工作全面發(fā)展，采用T程措施與植物措施相結(jié)合的方法對支毛溝和五荒地（荒山、荒坡、荒溝、荒灘、荒沙）進行治理，至80年代末已收到明顯的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。工程措施包括修建梯田、淤地壩等，植物措施主要是造林種草。1999年，國家開始實施退耕還林、退牧還草政策，植物措施得到進一步加強。2003年，水利部將淤地壩建設(shè)作為當(dāng)年三大亮點工程之一，工程措施得到強化。隨著這些政策的實施，湫水河流域內(nèi)淤地壩數(shù)量逐年增多，退耕還林還草面積不斷擴大，影響產(chǎn)洪產(chǎn)沙的下墊面條件發(fā)生了較大變化。

3.1 庫壩

根據(jù)山西省中小水庫資料并通過谷歌地球衛(wèi)片查看，湫水河流域中小型水庫有陽坡、太平、曹家?guī)X、胡家峪、玉坪、薛家圪臺、劉王溝等7座，控制面積合計437.2 km2（見表3，胡家峪水庫處于曹家?guī)X水庫控制面積中）。更多的是分布在小支溝、毛溝河道內(nèi)的淤地壩。大多數(shù)支溝內(nèi)的淤地壩已形成壩系，壩間距幾十米至百米不等，如大禹溝小流域某溝道中新建的淤地壩系（見圖3.來自2015年10月5日谷歌地球衛(wèi)片）。

這樣的淤地壩系在湫水河流域內(nèi)星羅棋布，如面積為172.1 km2的車趕溝小流域，分布在支溝、毛溝內(nèi)的淤地壩壩系有60余個，控制了該小流域近50%的面積（見圖4，網(wǎng)圈為支溝控制性淤地壩位置，綠色部分為由淤地壩（系）控制的區(qū)域）。

據(jù)統(tǒng)計，車趕溝、城莊溝等10條支溝中，處于溝道口下端、對溝道具有控制意義的壩系有300余個。為了計算每個小流域內(nèi)壩系的控制面積，從而確定其治理程度，首先依據(jù)谷歌地球顯示的分水嶺和高程，用多邊形工具勾繪每個小流域的流域邊界：然后，在谷歌地球上用點標(biāo)注每條溝道內(nèi)淤地壩系最下端的淤地壩位置，用多邊形工具將這些點與分水嶺連線，形成若干閉合區(qū)域：最后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和多邊形面積計算方法，求出上述流域和區(qū)域的面積，并統(tǒng)計已控制面積與小流域面積之比。

采用上述方法統(tǒng)計得出陽坡水庫以及城莊溝、安業(yè)溝等11個小流域的已控制面積合計為721.3 km2，占其總控制面積的62.3%（6座小（1）型水庫分布在不同的小流域內(nèi)，不再重復(fù)計算）。其他區(qū)域因分散在湫水河干流兩岸，山高溝深，一些溝道比降較大且長度較短，故壩系相對較少，估算該區(qū)域庫壩控制面積約占區(qū)域總面積的40%。全流域水庫和壩系控制面積合計為1 053.9 km2，占流域總面積的53.0%（見表4）。

3.2 梯田與植被

流域東北部為石山林區(qū)，面積401 km2，植被覆蓋度較高，侵蝕輕微，其他地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)和少部分河川階地區(qū)，植被覆蓋度較低（見圖5（a））。

湫水河流域水土流失面積占全流域面積的82%，在20世紀(jì)60年代就開始了水土流失治理T作。經(jīng)過多年治理，除了修建大量庫壩外，還逐步形成了以梯田、林、草為主的水土保持措施，集中連片治理則始于20世紀(jì)90年代。1991年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織“3923”項目于湫水河有岸開工T：1996年，黃河高原水土保持世行貸款項目又在左岸開工：1998年，國家將湫水河流域列為重點治理區(qū)。

通過統(tǒng)計湫水河流域內(nèi)5個縣1954-2000年的水保資料，梯田、造林、種草累計保存面積已由1959年的3 980 hm2增大到2000年的74 06hm2，見表5。

通過谷歌地圖可以發(fā)現(xiàn)，黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)絕大部分梁峁和較緩的山坡都已梯田化（據(jù)實地調(diào)查，有的甚至還是反坡梯田），改變了原有的自然地貌（見圖5（b）、圖5（c））。湫水河流域內(nèi)主要種植農(nóng)作物或林木、果木，部分溝道內(nèi)多有林草、灌木，而較陡的山坡一般仍為黃土裸露狀態(tài)（見圖5（d））。

4 暴雨洪水變化原因分析

一般來講，降雨經(jīng)過植物截留、地面填洼和土壤下滲后，在坡面產(chǎn)生地表徑流，下滲部分中的自由水形成地下徑流，這一階段稱為產(chǎn)流階段：地表/地下徑流在重力作用下匯人毛溝、支溝、干溝、干流，最終在流域出口斷面形成洪水過程，這一階段稱為匯流。流域內(nèi)產(chǎn)生徑流的區(qū)域稱為產(chǎn)流區(qū)，其面積稱產(chǎn)流面積，洪水量級和洪量與產(chǎn)流面積成正比。

湫水河流域?qū)俚湫偷某瑵B產(chǎn)流區(qū)，洪水組成以地表徑流為主，洪水陡漲陡落，歷時較短。視洪水量級和歷時不同，次洪量一般在幾百萬到上千萬立方米。

4.1 水庫和淤地壩壩系作用分析

對于水庫來講，因其庫容大、防御標(biāo)準(zhǔn)高，故在滯洪蓄洪方面起著重要作用。如陽坡水庫控制面積251km2，處于流域上游石山林區(qū)，總庫容1 756.8萬m3，其中有效庫容730萬mi，相當(dāng)于30 mm凈雨（指形成徑流的那部分降雨）。若按徑流系數(shù)0.5計算，可攔截控制面積內(nèi)一次60 mm暴雨（一次降雨過程）所產(chǎn)生的的洪水，所控制面積對其下游而言已成為不產(chǎn)流面積，發(fā)生大洪水時又可起到削峰錯峰、調(diào)蓄洪水的作用。對于淤地壩系來講，一條溝道內(nèi)一般都由多道淤地壩組成，壩間距幾十米到一二百米不等，橫亙于河道內(nèi)的一道道壩體改變了溝道的自然形態(tài)。暴雨洪水期間，各級淤地壩系雖不影響流域坡面產(chǎn)流，但可分段攔蓄不超過設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的洪水，大部分徑流就地下滲，直接攔截了防御標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水，對于下游而言已成為不產(chǎn)流區(qū)，相當(dāng)于減小了產(chǎn)流面積。因此，就湫水河流域而言，產(chǎn)流面積不僅隨降雨的空間分布而變化，而且與庫壩位置及其攔蓄作用有很大關(guān)系。湫水河流域庫壩控制了53%的流域面積，相當(dāng)于在一般降雨條件下產(chǎn)流面積縮小了50%以上，使得各條支溝、毛溝的洪水分別被攔截在庫壩內(nèi)不再下泄。與自然條件下相比，勢必會相當(dāng)程度上減小洪水的量級、降低洪水發(fā)生的頻率。因此，庫壩作用下產(chǎn)流面積的減小是湫水河流域洪水量級和發(fā)生頻次變化的主要因素。

在衛(wèi)片上，淤地壩系控制的許多溝道內(nèi)已看不到明顯的過水河道，只有綠色的農(nóng)作物和大量的樹林，說明這些壩系已經(jīng)或正在起著攔洪減洪的作用。2015年8月1日，林家坪水文站發(fā)生了一次洪峰流量為1 400m3/s的較大洪水，在2015年10月10日衛(wèi)片上可以清楚地看到一些溝道中淤地壩內(nèi)的渾濁水面，經(jīng)分析這是8月1日的洪水被淤地壩攔截而形成的（見圖6）。

通過谷歌地圖普查，在2015年10月10日的衛(wèi)片上發(fā)現(xiàn)有明顯水體存蓄的淤地壩有40余處（見圖7），均分布在8月1日的暴雨區(qū)內(nèi)。這也直觀地說明了淤地壩系對此次洪水的削減作用。若沒有水庫和淤地壩系的攔蓄作用，則此次洪水的量級和洪量會更大。

需要說明的是，當(dāng)暴雨洪水量級超過防御標(biāo)準(zhǔn)時，個別淤地壩可能發(fā)生潰壩或決口。如2015年10月5日衛(wèi)星遙感圖片上可清楚地看到車趕溝小流域某溝道內(nèi)淤地壩體形成的潰口和壩體下游的洪水痕跡。因此，若發(fā)生大雨強或長歷時持續(xù)性降雨，產(chǎn)生的洪水超過了庫壩防御標(biāo)準(zhǔn)，或者暴雨發(fā)生在治理程度較低、淤地壩系較少的區(qū)域，則仍會產(chǎn)生較大洪水，如2010年、2012年、2015年分別發(fā)生的洪峰流量2 300（100 a -遇）、1 350、1 400 m3/s洪水。

4.2 梯田和林草作用分析

修建梯田和提高林草覆蓋度主要影響流域產(chǎn)流。由于大量梯田的存在，坡面坡度變緩，甚至為負(fù)比降，因此無論降雨強度如何，都會增大對雨水的攔截效果，使原有的產(chǎn)流方式由超滲產(chǎn)流變?yōu)樾顫M產(chǎn)流。由于黃土較為疏松，下滲量較大，加之梯田內(nèi)農(nóng)作物的作用，因此較植被覆蓋度高的自然山區(qū)更不易產(chǎn)流，同時一定程度上減輕了淤地壩防洪壓力。

近20 a來，國家在黃土高原地區(qū)實施了退耕還林、退牧還草政策，植被得到了一定恢復(fù)，在一定程度上增大了降雨截留量和土壤下滲量，減少了產(chǎn)流量，在改善局部生產(chǎn)生活條件和生態(tài)環(huán)境、防治水土流失方面起到了重要作用。但是，在黃土丘陵溝壑區(qū)，許多地方坡度較大且土壤貧瘠，不適合植物的存活和生長，植被一般只在緩坡、溝道和臺地局部或零星分布，因此就整個流域來講，植被覆蓋度仍然不高，影響的產(chǎn)流面積有限，只是局部有植被覆蓋區(qū)域產(chǎn)流量有所減小，流域產(chǎn)流方式仍為超滲產(chǎn)流。

5 結(jié)語

總體來講，湫水河流域庫壩和梯田、林草植被在匯流和產(chǎn)流階段起著不同的作用。在一般降雨條件下，庫壩可以攔截其上產(chǎn)生的所有或者大部分來水來沙，影響甚至阻滯河網(wǎng)匯流，對下游而言則減小了產(chǎn)流面積：大量梯田的存在使得中雨和大雨量級情況下一般不再產(chǎn)流，植被覆蓋度的提高則增大了降雨損失量，在一定程度上減少了產(chǎn)流，同時也減輕了庫壩的防御壓力。兩者有機結(jié)合，各自承擔(dān)了流域減洪的作用，影響了流域內(nèi)暴雨洪水的變化。

分析結(jié)果表明：①谷歌地圖是流域調(diào)查和查勘中有效且實用的工具：②梯田、造林和種草等措施減小了坡面產(chǎn)流，庫壩等措施阻滯了河網(wǎng)匯流，兩者的共同作用使得洪水量級減小，洪水發(fā)生頻次降低，不易產(chǎn)流面積的增大與植被覆蓋度的提高有機結(jié)合、共同作用，是洪水發(fā)生頻次降低和洪水量級減小的主要下墊面因素：③淤地壩的洪水防御標(biāo)準(zhǔn)有限，發(fā)生常遇降雨可起到減洪作用，遇超常暴雨則仍可產(chǎn)生較大洪水：④湫水河流域水土保持治理程度仍然不高，淤地壩系未控面積仍然較大。建議：①繼續(xù)加大以淤地壩系為主的小流域溝道治理力度，進一步減少黃土高原地區(qū)的洪水和泥沙：②利用谷歌地圖等現(xiàn)代技術(shù)并結(jié)合實地查勘，詳細調(diào)查流域下墊面現(xiàn)狀，統(tǒng)計黃河中游地區(qū)各主要支流淤地壩建設(shè)和植被恢復(fù)情況，科學(xué)合理地分析各下墊面因素變化在流域減洪減沙方面的作用。

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