皇甫川特拉溝小流域近期泥沙減少成因分析

李景宗 張永永 趙幫元 楊廷華

摘要：受降雨變化及人類活動(dòng)等因素影響，近期皇甫川流域水沙發(fā)生顯著變化。通過分析皇甫川典型小流域特拉溝2007-2016年水土流失原型動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，揭示了特拉溝小流域存在降雨強(qiáng)度顯著減小、產(chǎn)水產(chǎn)沙年際變化大、溝道壩系工程及植被對(duì)泥沙減少作用顯著等特征，建立了基于降雨侵蝕力和小流域產(chǎn)沙模數(shù)的二次曲線相關(guān)關(guān)系，其適用于分析比較不同降雨條件下特拉溝小流域產(chǎn)沙狀況。研究結(jié)果表明，特拉溝小流域2007-2016年年均輸沙量與1954-1999年均值相比減少167.7萬(wàn)t，其中：降雨強(qiáng)度減小、汛期降雨量減少引起的年均產(chǎn)沙減少量約為24.98萬(wàn)t，占總減少量的14.9%；淤地壩攔沙減蝕作用年均攔減泥沙約75.72萬(wàn)t，占總減少量的45.2%：坡面治理措施年均產(chǎn)沙減少量約67.O萬(wàn)t，占總減少量的39.9%。

關(guān)鍵詞：降雨侵蝕力；產(chǎn)沙模數(shù)；淤地壩；坡面措施；特拉溝小流域

中圖分類號(hào)：P333：TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.001

皇甫川流域是黃河中游多沙粗沙區(qū)的重要組成部分，流域面積3175km2（皇甫水文站控制面積），水土流失極其嚴(yán)重，多年平均侵蝕模數(shù)15614t/a。受降雨變化及人類活動(dòng)等因素影響，近期皇甫川流域水沙發(fā)生顯著變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1954-2016年多年平均徑流量、輸沙量，分別為1.248億m3和3823萬(wàn)t，1954-1986年分別為1.782億m3和5555萬(wàn)t，2000-2016年分別為0.361億m3和758萬(wàn)t。與1954-1986年（可認(rèn)為是人類活動(dòng)影響相對(duì)較小時(shí)期）均值相比，2000-2016年實(shí)測(cè)年均徑流量、輸沙量分別減少1.421億m3和4797萬(wàn)t，減幅分別為80%和86%。黃河主要產(chǎn)沙區(qū)河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間與皇甫川流域類似，近期水沙也發(fā)生顯著變化，表現(xiàn)為水沙量大幅度減少。本文根據(jù)皇甫川典型小流域特拉溝2007-2016年水土流失原型動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，分析了近10a來該小流域產(chǎn)沙特點(diǎn)，初步建立了該小流域降雨產(chǎn)沙關(guān)系，分析了近期泥沙減少的主要成因，以期為深入研究黃河主要產(chǎn)沙區(qū)水沙變化成因提供參考。

1 特拉溝小流域基本情況

特拉溝小流域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，是皇甫川流域的一級(jí)支溝，流域面積128.2km2，屬沙質(zhì)丘陵溝壑區(qū)，水土流失十分嚴(yán)重。

1.1 降水及水土流失情況

2007年以前特拉溝小流域無(wú)降雨量觀測(cè)站，參考距該流域7km的沙圪堵氣象站資料分析，流域多年平均降水量400mm，年際變化大，年內(nèi)分配極不均勻。沙圪堵站實(shí)測(cè)年最大降水量為636.5mm，年最小降水量為160.8mm；降水主要集中在汛期（7-9月），多年平均汛期降雨量為315.2mm，占年降水量的78.8%，多以局部暴雨形式出現(xiàn)，歷時(shí)短、強(qiáng)度大。

流域內(nèi)大部分地表為黃土、風(fēng)沙土所覆蓋，零星分布有栗鈣土。上游梁峁頂較平緩，溝道切割深而窄，溝壑較發(fā)育，溝岸砒砂巖大面積裸露：中游為平緩的沙丘洼地，局部有零星流動(dòng)沙丘，支毛溝較少：下游主溝道兩岸和各級(jí)支溝岸坡較陡，均為砒砂巖溝谷，支毛溝密集，多呈短、深、窄狀，主溝道溝床呈U形，支毛溝多呈V形，溝壑密度3.7km/km2。流域出口處地勢(shì)平坦，兩岸均為川臺(tái)地。流域內(nèi)溝谷地約占總面積的25%。

流域內(nèi)風(fēng)力、水力和重力侵蝕并存，侵蝕強(qiáng)度屬?gòu)?qiáng)烈及以上。從侵蝕部位看，梁峁頂和梁峁坡較平緩，侵蝕相對(duì)輕微，溝谷地坡度大、侵蝕劇烈。流域內(nèi)土壤侵蝕量大多來源于溝谷地，其侵蝕量占流域總侵蝕量的60.0%～70.0%。據(jù)黃河上中游管理局2011年遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該流域侵蝕模數(shù)為10430t/（km2·a）。

1.2 水土保持生態(tài)建設(shè)概況

從1983年開始流域內(nèi)的特拉東溝、特拉西溝被列為全國(guó)八片一期、二期一階段重點(diǎn)治理小流域，2000年后隨著“退耕還林還草項(xiàng)目”“黃河水土保持生態(tài)工程特拉溝小流域壩系建設(shè)項(xiàng)目”等水土保持重點(diǎn)項(xiàng)目相繼實(shí)施，水土保持生態(tài)建設(shè)取得顯著成效。

截至2016年年底，流域治理面積達(dá)7533.hm2，治理度為58.8%。其中：梯田、川臺(tái)地面積185hm2；林草措施面積7348hm2（造林4140.5hm2，封禁2587.6hm2，人工種草620.0hm2），計(jì)入自然生態(tài)修復(fù)的荒草地面積，林草植被覆蓋率達(dá)70.1%：建成大中型淤地壩23座（骨干壩15座，中型壩8座）、小型淤地壩5座。

2 水沙動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)情況

2007-2011年，黃河上中游管理局黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心在特拉溝小流域?qū)嵤┝怂亮魇?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，2012-2016年內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗水土保持監(jiān)測(cè)站對(duì)特拉溝小流域?qū)嵤┝怂亮魇?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。流域內(nèi)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)完善，截至2016年年底，積累了連續(xù)10a的監(jiān)測(cè)資料，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)情況如下。

2.1 徑流、泥沙監(jiān)測(cè)

特拉溝把口站所在主河道河槽順直、斷面規(guī)整、水流集中、河槽穩(wěn)定、無(wú)塌岸，測(cè)驗(yàn)斷面設(shè)計(jì)洪水流速8.1m/s，控制面積128.2km2，在暴雨洪水期間實(shí)時(shí)觀測(cè)徑流、輸沙情況。

2.2 雨量監(jiān)測(cè)

流域內(nèi)安裝2臺(tái)白記雨量計(jì)（布設(shè)在2個(gè)雨量監(jiān)測(cè)站），1#雨量站位于流域監(jiān)測(cè)站屋頂，2#雨量站位于邊將溝骨干壩有側(cè)一農(nóng)戶房屋頂，主要觀測(cè)流域內(nèi)5-10月的降雨量與降雨強(qiáng)度。

2.3 淤地壩攔蓄量監(jiān)測(cè)

主要開展攔沙、蓄水、用水情況的監(jiān)測(cè)工作。年初和年末觀測(cè)淤積面對(duì)應(yīng)的混凝土標(biāo)尺的刻度變化情況，可較為準(zhǔn)確地確定淤地壩的淤積厚度。對(duì)于有些淤積面不太規(guī)整、淤積情況比較復(fù)雜的淤地壩，結(jié)合人工開挖淤積剖面進(jìn)行測(cè)定。通過逐壩丈量淤地壩內(nèi)的淤積面長(zhǎng)度、寬度、厚度，計(jì)算出壩地的總淤積量。蓄水、用水情況監(jiān)測(cè)采用人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法進(jìn)行。

淤地壩攔蓄量監(jiān)測(cè)主要針對(duì)骨干壩和中型淤地壩進(jìn)行，對(duì)小型淤地壩沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.4 主要監(jiān)測(cè)成果

特拉溝小流域2007-2016年降水量主要監(jiān)測(cè)成果見表1，把口站徑流、泥沙及淤地壩攔沙、蓄水動(dòng)態(tài)主要監(jiān)測(cè)成果見表2。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

通過綜合分析，得出以下主要認(rèn)識(shí)。

3.1 近10a降雨強(qiáng)度偏小

2007-2016年年均降水量388.9mm，最大年降水量734.6mm（2016年），最小年降水量136.8mm（2011年）：年均汛期（7-9月）降雨量261.0mm，最大汛期降雨量483.3mm（2016年），最小汛期降雨量73.4mm（2011年）；年均最大1d降水量45.7mm，其中最大ld降水量最大值93.0mm（2012年）、最小值僅14.3mm（2011年）。特拉溝小流域2007-2016年降水量與鄰近的皇甫川沙圪堵站長(zhǎng)系列降水量相比，年均降水量?jī)H偏少2.8%，汛期降雨量偏少17.1%，但最大1d降水量偏少10.7%，說明近10a降雨強(qiáng)度總體偏小。

3.2 流域產(chǎn)水產(chǎn)沙年際年內(nèi)變化大

從把口站水沙動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果看，近10a年均徑流量?jī)H為26.8萬(wàn)m3，年均輸沙量?jī)H為5.3萬(wàn)t，最大年徑流量和輸沙量分別為90.37萬(wàn)m3和33.29萬(wàn)t（2010年），有5a沒有測(cè)到徑流量和輸沙量。但從全流域產(chǎn)水產(chǎn)沙量（即把口站實(shí)測(cè)徑流量、輸沙量分別與淤地壩的蓄水量、攔沙量之和，用水量因很小而忽略不計(jì)）監(jiān)測(cè)成果看，近10a年均產(chǎn)水、產(chǎn)沙量分別為99.8萬(wàn)mi和66.7萬(wàn)t，其中最大年產(chǎn)水、產(chǎn)沙量分為251.8萬(wàn)m3（2010年）和199.31萬(wàn)t（2012年）。10a中有l(wèi)a沒有產(chǎn)生徑流（2015年）、有2a沒有產(chǎn)沙。年內(nèi)產(chǎn)沙主要集中在幾次暴雨，如2010年把口站實(shí)測(cè)輸沙量33.29萬(wàn)t，其中9月20日發(fā)生暴雨，含沙量高達(dá)488.6kg/m3，日輸沙量達(dá)24.83萬(wàn)t.占全年輸沙量的74.6%。

3.3 植被對(duì)低強(qiáng)度降雨減沙效果顯著

特拉溝小流域現(xiàn)狀植被較好，植被覆蓋率達(dá)到70.1%。2011年和2015年降雨強(qiáng)度較小，最大ld降雨量分別為14.3mm和25.3mm，汛期降雨量分別為73.4mm和154.6mm，把口站沒有測(cè)到輸沙量，流域內(nèi)的骨干壩和中型壩沒有淤積泥沙，說明遇低強(qiáng)度降雨，植被減沙效果很好，坡面幾乎沒有產(chǎn)沙。2010年、2012年、2014年、2016年最大1d降雨量為36.6～93.0mm，流域產(chǎn)沙模數(shù)為6976～15547t/（km2.a），淤地壩控制流域范圍內(nèi)產(chǎn)沙模數(shù)為5108～17285t/（km2·a），說明遇中高強(qiáng)度暴雨，即使植被覆蓋率較高，流域產(chǎn)沙模數(shù)仍然較大。從近10a的實(shí)測(cè)降水和產(chǎn)沙情況看，在現(xiàn)狀下墊面條件下，特拉溝小流域在日降雨量達(dá)到14.3mm情況下即可產(chǎn)水，日降雨量為21.5～30.6mm情況下即可產(chǎn)沙。

3.4 溝道壩系工程對(duì)小流域泥沙減少發(fā)揮了關(guān)鍵作用

2007-2016年特拉溝小流域在降水偏少的情況下年均產(chǎn)沙66.7萬(wàn)t，年均產(chǎn)沙模數(shù)為5203t/（km2·a），淤地壩年均攔沙61.4萬(wàn)t（占該流域產(chǎn)沙量的92%），淤地壩控制流域范圍內(nèi)的產(chǎn)沙模數(shù)為5536t/（km2·a），淤地壩對(duì)減少小流域出口泥沙起到關(guān)鍵作用。2010年9月20日經(jīng)歷了一次高強(qiáng)度降雨，園子溝中型壩當(dāng)年新增淤積厚度5.651m，年新增淤積量2.765萬(wàn)m3，控制流域產(chǎn)沙模數(shù)達(dá)到2.489萬(wàn)t/（km2·a）：王家塔中型淤地壩年新增淤泥量2.481萬(wàn)m3，控制流域產(chǎn)沙模數(shù)達(dá)到2.592萬(wàn)L/（km2·a）。2013年淤地壩總攔沙量75.33萬(wàn)t，其中小陶不洼、王家塔2座中型壩（均為2007年9月建成）提前達(dá)到設(shè)計(jì)淤積總量，壩控范圍年侵蝕模數(shù)分別高達(dá)7.64萬(wàn)、6.7萬(wàn)t（km2·a）。

由近10a的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，溝道壩系工程對(duì)減少小流域出口泥沙到了關(guān)鍵作用，除直接攔沙之外，還抬高了侵蝕基準(zhǔn)面，有效減少了溝道的重力侵蝕。

4 降雨產(chǎn)沙關(guān)系分析

工通過對(duì)近10a特拉溝小流域水沙動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果分析可知，在現(xiàn)狀植被覆蓋率較高（接近70%）情況下，流域產(chǎn)沙既與降雨強(qiáng)度有關(guān)，又與汛期降雨量有關(guān)。因缺乏歷年小流域短歷時(shí)降雨強(qiáng)度（如最大30min雨強(qiáng)130、最大60min雨強(qiáng)160）資料，故本文采用最大1d降雨量，作為降雨強(qiáng)度（單位為cm），用汛期降雨量P作為雨量因子（單位為cm），將PaIb（其中a、b分別為雨量和雨強(qiáng)指數(shù)，其值大于0）近似作為降雨侵蝕力，建立PaIb，與小流域產(chǎn)沙模數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，以揭示現(xiàn)狀下墊面條件下特拉溝小流域的降水產(chǎn)沙特性。

根據(jù)近10a特拉溝小流域的降雨、產(chǎn)沙（把口站輸沙量+淤地壩攔沙量）資料，結(jié)合鄰近小流域淤地壩的監(jiān)測(cè)資料，形成27組PaIb與小流域產(chǎn)沙模數(shù)樣本數(shù)據(jù)，通過反復(fù)試算，得出當(dāng)a值為0.5、6值為2時(shí)，P0.5I2與小流域產(chǎn)沙模數(shù)Y之間的相關(guān)關(guān)系最好，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）達(dá)到0.8351，見圖1。

由圖1可知，產(chǎn)沙模數(shù)與降雨侵蝕力（P0.5I2）之間的相關(guān)關(guān)系為二次曲線，其相關(guān)方程如下：

Y=0.0086X2+10.268X+1725.7

（1）其中

X=P0.5I2

（2）

由以上分析可知，在現(xiàn)狀植被條件下，特拉溝小流域產(chǎn)沙與雨強(qiáng)、汛期降雨量密切相關(guān)，雨強(qiáng)的指數(shù)大于汛期雨量的指數(shù)。需要說明的是，由于實(shí)測(cè)樣本資料有限、大暴雨資料較少，因此上述關(guān)系宜用于不同降雨條件下特拉溝小流域產(chǎn)沙模數(shù)的分析比較，不宜作為該流域產(chǎn)沙模數(shù)絕對(duì)值的計(jì)算依據(jù)。

5 近期泥沙減少成因分析

特拉溝小流域位于皇甫川沙圪堵站至皇甫站區(qū)間，根據(jù)這2站歷年實(shí)測(cè)輸沙量分析，1954-1999年區(qū)間平均輸沙模數(shù)為13497t/（km2·a），按此計(jì)算，特拉溝小流域1954-1999年年均產(chǎn)沙量約為173萬(wàn)t。2007-2016年特拉溝小流域把口站實(shí)測(cè)年均輸沙量?jī)H為5.3萬(wàn)t，與1954-1999年均值相比，輸沙量減少167.7萬(wàn)t。輸沙量減少主要受降雨變化和下墊面變化（包括水土保持措施和自然修復(fù)）的影響。根據(jù)建立的特拉溝小流域降雨產(chǎn)沙關(guān)系及實(shí)測(cè)的淤地壩淤積資料，可以分析2007-2016年降雨變化、淤地壩攔沙減蝕及坡面治理措施對(duì)泥沙減少的貢獻(xiàn)率。

5.1 降雨強(qiáng)度減小對(duì)泥沙減少的影響

根據(jù)特拉溝小流域降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和皇甫川降雨資料分析，該小流域近10a汛期降雨量與1954-1999年相比，年均汛期降雨量和最大ld降水量分別減少了4.8%和17.1%。根據(jù)式（1）計(jì)算特拉溝小流域近10a因降雨強(qiáng)度減小、汛期雨量減少引起的產(chǎn)沙減少量約為24.98萬(wàn)t.占泥沙總減少量的14.9%。

5.2 淤地壩攔沙減蝕對(duì)泥沙減少的影響

由2007-2016年特拉溝小流域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果可知，全流域23座大中型淤地壩年均攔沙量為61.4萬(wàn)t。按照大中型淤地壩年均攔沙模數(shù)（即淤地壩控制流域的年均產(chǎn)沙模數(shù)），估算流域內(nèi)5座小型淤地壩年均攔沙量為1.7萬(wàn)t。因淤地壩壩地的淤積，抬高了溝道的侵蝕基準(zhǔn)面，在攔減泥沙的同時(shí)，也減少了溝道的重力侵蝕。根據(jù)以往研究成果，淤地壩減蝕作用按淤地壩攔沙量的20%估算，則特拉溝小流域2007-2016年年均減少的溝道重力侵蝕量約為12.62萬(wàn)t。近10a特拉溝小流域淤地壩攔沙減蝕作用年均減沙量約為75.72萬(wàn)t，占總減沙量的45.2%。

5.3 坡面治理措施對(duì)泥沙減少的影響

坡面治理包括林草措施和興修梯田等，林草措施包括造林種草、封禁治理及自然恢復(fù)植被。目前，特拉溝小流域植被覆蓋率達(dá)到70.1%，對(duì)坡面產(chǎn)沙減少起到重要的作用。該流域梯田、川臺(tái)地面積僅185hm2，減沙作用很小。近10a與過去相比，年均產(chǎn)沙量減少167.7萬(wàn)t，扣除降雨變化減少的產(chǎn)沙量及淤地壩的攔沙減蝕量，近10a坡面措施年均減少產(chǎn)沙量67.0萬(wàn)t，占總減沙量的39.9%。根據(jù)有關(guān)研究成果，陜北地區(qū)梯田年均減沙量約為158t/hm2，估算梯田和川臺(tái)地年均減沙量約為2.92萬(wàn)t?？鄢萏锖痛ㄅ_(tái)地年均減沙量，估算林草措施年均減沙量約為64.08萬(wàn)t。林草措施、梯田（含川臺(tái)地）減沙量分別占總減沙量的38.2%和1.7%。

6 結(jié)論

（1）通過分析特拉溝小流域2007-2016年的降水量、徑流量、輸沙量及淤地壩攔沙、蓄水動(dòng)態(tài)等監(jiān)測(cè)資料，揭示了特拉溝小流域存在降雨強(qiáng)度顯著減小、產(chǎn)水產(chǎn)沙量年際變化大、溝道壩系工程及植被對(duì)泥沙減少作用顯著等特征。

（2）特拉溝小流域產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度、汛期降雨量關(guān)系密切，建立PaIb（近似的降雨侵蝕力）與小流域產(chǎn)沙模數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系（二次曲線），通過反復(fù)試算，得出P0.5I2與小流域產(chǎn)沙模數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系最好，復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）達(dá)0.8351，適用于不同降雨條件下特拉溝小流域產(chǎn)沙量的分析比較。

（3）根據(jù)建立的特拉溝小流域降雨產(chǎn)沙關(guān)系及實(shí)測(cè)的淤地壩淤積資料，特拉溝小流域2007-2016年輸沙量與1954-1999年相比減少167.7萬(wàn)t。降雨強(qiáng)度減小、汛期雨量減少引起的產(chǎn)沙減少量約為24.98萬(wàn)t，占總減少量的14.9%：淤地壩攔沙減蝕作用年均攔減泥沙約75.72萬(wàn)t，占總減少量的45.2%：坡面措施年均減少產(chǎn)沙量67.0萬(wàn)t，占總減沙量的39.9%，其中林草措施減沙量約為64.08萬(wàn)t，梯田和川臺(tái)地減沙量為2.92萬(wàn)t，分別占總減沙量的38.2%和1.7%。