大暴雨作用下黃土高原典型流域水土保持措施減沙效益研究

肖培青，王玲玲，楊吉山，焦 鵬，王志慧

（黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

黃河流域水沙變化成因的系統(tǒng)研究開始于1980年代中期，一些學(xué)者對水土保持措施減水減沙作用開展了大量研究，提出了“水文法”和“水保法”等水土保持減水減沙效益評價方法[1-3]，為評價水土保持措施減水減沙效應(yīng)提供了重要的科學(xué)支撐。近年來，隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，黃河水沙情勢進(jìn)一步發(fā)生變化，徑流泥沙急劇減少，尤其是輸沙量減少更顯著，黃河水沙劇變原因分析已成為各方關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)[4-7]。如“十一五”國家科技攻關(guān)計劃和黃委會黃河水沙變化項(xiàng)目等成果表明[8-9]，在1997—2012年河龍區(qū)間和龍潼區(qū)間水土保持措施分別減沙2.71～4.89億t和1.28～2.34億t，兩區(qū)合計減沙3.99～7.23億t?！笆濉眹铱萍加媱濏?xiàng)目采用遙感技術(shù)與數(shù)學(xué)模型方法[10]計算得出2007—2014年河龍區(qū)間和龍潼區(qū)間流域下墊面變化引起減沙量7.81～8.85億t和3.87～4.30億t，淤地壩攔沙0.86億t和0.28億t。一些研究表明[11-13]水土保持措施等對流域產(chǎn)沙的調(diào)控作用與降雨緊密相關(guān)，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時，水土保持措施的調(diào)控作用會明顯減小。

目前，場次暴雨尤其是大暴雨作用下的水土保持措施減沙作用開展的研究還較少，難以科學(xué)詮釋大水大沙年和枯水枯沙年等典型極端水沙事件的成因。流域遇到高強(qiáng)度大暴雨時是否仍然會出現(xiàn)水沙銳減的現(xiàn)象，水土保持措施的削洪減沙作用多大，是科學(xué)解釋黃河水沙變化驅(qū)動機(jī)理的重要科學(xué)問題。鑒于此，本文對近10年黃土高原典型流域大暴雨作用下水土保持措施減沙作用進(jìn)行了分析，以期為科學(xué)評價水土保持措施對黃河水沙的調(diào)控作用提供理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況根據(jù)我國氣象中心規(guī)定的降雨量等級標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)12 h雨量累積達(dá)到70～139.9 mm或24 h達(dá)到100～249.9 mm為大暴雨[14]，2010年以來黃土高原主要發(fā)生了4場大暴雨。本次研究區(qū)域?yàn)槭罂變段髁鴾狭饔?、黃河中游佳蘆河流域、岔巴溝流域以及杏子河流域，研究區(qū)域是黃河主要產(chǎn)沙區(qū)，在暴雨強(qiáng)度、區(qū)域位置和空間尺度等方面均具有較強(qiáng)代表性。其中，西柳溝流域是十大孔兌典型流域，水力風(fēng)力交錯，丘陵沙漠并存，上游為黃土丘陵溝壑區(qū)，中游為庫布齊沙漠，下游為沖積平原，龍頭拐水文站控制面積1157 km2，屬于大中尺度流域；佳蘆河流域是黃河中游一級支流，位于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，流域境內(nèi)溝壑縱橫，申家灣水文站控制面積1121 km2，屬于大中尺度流域；岔巴溝流域是黃河中游無定河的二級支流，位于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，曹坪水文站控制面積187 km2，屬于典型小流域；杏子河是黃河中游延河的一級支流，位于黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，杏河水文站控制面積470.65 km2，屬于中尺度流域。研究區(qū)相對位置見圖1。

圖1 研究區(qū)相對位置圖

2.2 數(shù)據(jù)來源水沙數(shù)據(jù)來自于黃河水利委員會刊布的《黃河流域水文資料》（即水文年鑒）及通過相關(guān)水文、水利單位收集的降雨、徑流、泥沙等資料。水土保持措施數(shù)據(jù)量等基本資料主要來源于2011年完成的第一次全國水利普查成果?；谶b感影像（Landsat）獲取不同時期（基準(zhǔn)年和現(xiàn)狀年）的下墊面條件，將土地利用和覆蓋分為10種類型，即林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、居民用地、道路、裸地、坡耕地、梯田、壩地。DEM 數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局（NASA）的SRTM 30 m 產(chǎn)品，源自http：//srtm.csi.cgiar.org。

3 研究方法

3.1 水土保持成因分析法水土保持成因分析法[15]，通過對不同地區(qū)水土保持徑流試驗(yàn)小區(qū)觀測的水土保持措施減沙資料統(tǒng)計分析和尺度轉(zhuǎn)換，確定各單項(xiàng)措施在單位面積上的減沙量，再根據(jù)各單項(xiàng)水土保持措施減沙指標(biāo)和單項(xiàng)措施面積，二者相乘即得到分項(xiàng)水土保持措施減沙量，并考慮流域產(chǎn)沙在河道運(yùn)行中的沖淤變化以及人類活動新增水土流失等因素，即可得到流域面上水利水土保持綜合治理的減沙量。采用成因分析法計算水土保持措施減沙量的公式為：

式中：ΔSi為各單項(xiàng)水土保持措施減沙指標(biāo)，t/hm2；Fi為各單項(xiàng)水土保持措施面積，hm2；ΔWsi為各單項(xiàng)水土保持措施減沙量，t。

3.2 統(tǒng)計分析模型法采用劉曉燕等提出的蓋沙區(qū)林草植被減沙計算方法[16]，分析林草植被的減沙作用，產(chǎn)沙系數(shù)與林草植被覆蓋率的關(guān)系為：

式中：Si為產(chǎn)沙系數(shù)，指流域在單位有效降雨下單位易侵蝕面積上的產(chǎn)沙量，t/（km2·mm）；Ve為林草植被覆蓋率，指流域易侵蝕區(qū)的林草葉莖正投影面積占易侵蝕區(qū)面積的比例，%。

3.3 分布式土壤侵蝕模型法隨著遙感和GIS技術(shù)的發(fā)展，基于遙感解譯成果和實(shí)測水沙資料，模型法逐步應(yīng)用于大中流域的水沙計算[17]。本研究研發(fā)的分布式侵蝕產(chǎn)沙模型以地理信息系統(tǒng)為平臺，采用超滲產(chǎn)流模式構(gòu)建產(chǎn)流模型，根據(jù)地貌分成梁峁坡、溝坡和溝槽三部分侵蝕產(chǎn)沙計算單元，分別建立其侵蝕產(chǎn)沙的計算公式，根據(jù)每個網(wǎng)格的各個時段的水深、流速、流量依次計算出網(wǎng)格的各個時段的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量[18]。選擇岔巴溝流域治理前后的場次降雨對模型進(jìn)行率定，“1970.08.01”和“1971.07.05”降雨采用治理前下墊面，“2000.07.04”和“2001.08.18”降雨采用治理后下墊面，對模型參數(shù)進(jìn)行率定，率定結(jié)果見表1和圖2。模型率定結(jié)果表明，計算產(chǎn)沙量與實(shí)測產(chǎn)沙量的誤差在-10.1%～20.6%之間，平均誤差為16.5%；計算沙峰輸沙率與實(shí)測值相比，誤差在-43.8%～34.5%之間，平均誤差為33.1%。

表1 參數(shù)率定結(jié)果

圖2 實(shí)測與模擬輸沙率過程

基于研發(fā)的模型模擬反演流域不同時期水沙過程，評估在次暴雨條件下小流域各項(xiàng)水土保持措施的減沙效益。設(shè)流域分析年實(shí)測徑流泥沙量為Ws，用模型法計算某次暴雨在基準(zhǔn)年下墊面條件下的可能產(chǎn)沙量為W1，某次暴雨在分析年下墊面條件下（未考慮壩庫攔截）可能產(chǎn)沙量為W2，則，各項(xiàng)水土保持減沙效益由下列各式計算：

式中：ΔW為總的減沙量，萬t；ΔW壩庫攔截為壩庫攔截量，萬t；ΔW面上措施為面上林草、梯田減沙總量，萬t；ρ壩庫攔截和ρ面上措施分別為壩庫攔沙率和面上措施減沙率，%。

4 結(jié)果與分析

4.1 “2012.7.27”暴雨佳蘆河流域水土保持措施減沙作用佳蘆河流域2012年7月27日暴雨面平均雨量為100.4 mm，暴雨中心申家灣站12 h降雨量達(dá)232.6 mm，為該站有記錄以來最大降水。根據(jù)實(shí)地調(diào)查和統(tǒng)計資料分析，截止到2012年，佳蘆河流域梯（條）田19 050 hm2、林地44 586 hm2、草地11 102 hm2、壩地2046 hm2、封禁治理1498 hm2。

水土保持各類措施的減沙指標(biāo)除與措施類型、質(zhì)量和分布區(qū)域有關(guān)外，還與降雨條件有關(guān)，在不同的降雨頻率下其指標(biāo)會有所不同。本次使用的“水土保持成因分析法”，對傳統(tǒng)“水保法”進(jìn)行了改進(jìn)：在小區(qū)相對減沙指標(biāo)方面，考慮了降雨頻率、水土保持措施類型、水土保持措施質(zhì)量等級等諸多因素，在小區(qū)尺度能夠更為精準(zhǔn)地反映由降雨年際差異所導(dǎo)致的沙量變化，對極端降雨年份的計算更為準(zhǔn)確；在小區(qū)指標(biāo)推流域指標(biāo)方面，未使用固定的折減系數(shù)，避免了以往人為估算誤差等因素，而是以流域逐年實(shí)測輸沙量為基礎(chǔ)，采用“泥沙模數(shù)還原法”迭代推求流域天然產(chǎn)沙模數(shù)[9]。因而，在佳蘆河的小區(qū)減沙相對指標(biāo)體系構(gòu)建中，充分考慮降雨頻率、水土保持措施質(zhì)量等級的影響，使用小區(qū)實(shí)測資料修正減沙效益曲線，推求措施的相對減沙指標(biāo)。2012年佳蘆河流域減沙指標(biāo)計算結(jié)果見表2。

表2 佳蘆河流域減沙指標(biāo) （單位：t/hm2）

“2012.7.27”的佳蘆河流域場次輸沙量為1523萬t，該場次洪水的輸沙量占全年輸沙量的91%。根據(jù)水土保持成因分析法計算公式（1），佳蘆河流域水土保持措施在“2012.7.27”暴雨中，梯田減沙量為443萬t，林地減沙量為1239萬t，草地減沙量為293萬t，壩地減沙量為181萬t，封禁治理減沙量為41萬t，水土保持措施減沙量為2199萬t。1970年以前，佳蘆河流域人類活動對下墊面影響相對較小，以1970年以前為基準(zhǔn)期（流域治理前的時期）進(jìn)行對比分析，流域基準(zhǔn)期的多年平均輸沙量為3361萬t，“2012.7.27”暴雨佳蘆河水土保持措施減沙效益達(dá)到65.4%。

4.2 2013年7月杏子河流域連續(xù)降雨下水土保持措施減沙作用2013年7月，杏子河流域發(fā)生連續(xù)降雨，三場降雨量分別為90、68和31 mm，連續(xù)降雨總量為189 mm?；诹饔蜻b感影像資料和治理情況調(diào)查，選取1978年為基準(zhǔn)年，將“2013.7.12”“2013.7.25”和“2013.7.27”三場洪水的降雨分別模擬分析年（2013年）和基準(zhǔn)年（1978年）下墊面的侵蝕產(chǎn)沙空間分布（圖3）。根據(jù)式（3）—（7），計算每次降雨相對于基準(zhǔn)年的減沙量和減沙率（表3），同時剝離出溝道工程措施和坡面治理措施的攔（減）沙效果。相對于基準(zhǔn)年，三場連續(xù)降雨水土保持措施減沙效益分別為56.5%、40.7%和44.6%。

圖3 連續(xù)降雨和不同下墊面條件下杏子河流域侵蝕產(chǎn)沙空間分布

計算結(jié)果表明（表3），杏子河流域2013年7月三場連續(xù)降雨洪水中，受前期土壤含水量影響，水土保持措施發(fā)揮的減沙作用呈減小趨勢。各項(xiàng)措施的減沙效益與其面積有密切關(guān)系，杏子河流域水土保持措施主要為林草植被和梯田等坡面措施，因此“2013.7.12”“2013.7.25”和“2013.7.27”三場降雨中坡面措施減沙、溝道工程攔沙的比例約為8∶2，坡面措施減沙作用占主導(dǎo)地位。

表3 杏子河流域連續(xù)三場降雨水土保持措施減沙計算表

4.3 “2016.8.17”暴雨西柳溝流域林草植被減沙作用2016年8月16日22時至8月18日0時，西柳溝上游發(fā)生（特）大暴雨，據(jù)山洪預(yù)警平臺降雨量監(jiān)測點(diǎn)資料，有4個雨量監(jiān)測點(diǎn)超過250 mm。運(yùn)用GIS空間統(tǒng)計分析方法，統(tǒng)計十大孔兌不同年份的植被蓋度平均值如圖4所示。結(jié)果表明，1980—2016年十大孔兌的草原植被得到明顯的恢復(fù)，平均覆蓋度呈現(xiàn)上漲趨勢，十大孔兌植被平均覆蓋度由11.2%提高到43.6%。

為反映黃土高原降雨產(chǎn)沙特點(diǎn)，兼顧大空間范圍降雨觀測的實(shí)際精度，結(jié)合孔兌流域降雨特點(diǎn)，選擇日降雨量大于25 mm的年降雨總量作為降雨指標(biāo)，記為P25。十大孔兌流域上游為黃土丘陵溝壑區(qū)，其流域表層覆蓋有不同厚度的蓋土層，采用公式（2），分析了“2016.8.17”暴雨的產(chǎn)沙量和林草植被的減沙作用。

圖4 十大孔兌典型地理單元不同年份的植被蓋度平均值

2016年西柳溝流域產(chǎn)沙量主要集中在“8.17”暴雨產(chǎn)沙過程中，根據(jù)目前獲取到的遙感資料和下墊面調(diào)查統(tǒng)計分析，選取1980年為基準(zhǔn)年進(jìn)行水土保持措施減沙效益對比分析。根據(jù)西柳溝不同時期林草植被覆蓋率，面雨量按178.6 mm計算，計算得到2016年和1980年西柳溝流域暴雨期間上游的產(chǎn)沙量分別為449萬t和2844萬t，林草植被減沙效益為84.2%。

4.4 “2017.7.26”暴雨岔巴溝流域水土保持措施減沙作用2017年7月25日20時至7月26日8時，陜北榆林地區(qū)無定河及其支流普降暴雨到大暴雨，暴雨中心雨量為252.3 mm，最大24 h 面雨量為180 mm。以流域治理前1978年為基準(zhǔn)年，對比基準(zhǔn)年和分析年（2017年）下墊面變化見表4。從土地利用情況來看，變化最大的為草地和丘陵區(qū)旱地，從1978年到2017年，中覆蓋草地增加了24 km2，丘陵區(qū)旱地面積減少26.53 km2。

表4 岔巴溝流域1978年和2017年下墊面對比 （單位：km2）

圖5 “2017.7.26”暴雨岔巴溝流域基準(zhǔn)年和現(xiàn)狀年產(chǎn)沙空間分布

基于分布式土壤侵蝕模型，模擬還原了“7.26”暴雨岔巴溝流域在基準(zhǔn)年（1978年）下墊面條件下的產(chǎn)沙量，以及“7.26”暴雨在現(xiàn)狀年（2017年）下墊面條件下的產(chǎn)沙量（圖5），基準(zhǔn)年輸沙量模擬值為413.1萬t，2017年7月26日洪水實(shí)測輸沙量為86.6萬t，現(xiàn)狀年產(chǎn)沙量（不考慮溝道工程攔截）274.9萬t。利用式（3）—（7）計算可知，“7.26”洪水中，岔巴溝流域各項(xiàng)水土保持措施總減沙量為326.5萬t，相對于基準(zhǔn)期水土保持措施減沙效益為79%。其中溝道壩庫攔截量188.3萬t，攔沙量占總減沙量57.7%；坡面林草、梯田及坡面其它措施共減沙138.2萬t，占總減沙量的42.3%。結(jié)果顯示，在此次極端暴雨條件下，岔巴溝流域較為完善的溝道工程系統(tǒng)，使得岔巴溝流域工程措施攔沙占據(jù)主導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

流域水土保持措施的減沙效益由流域尺度、降雨強(qiáng)度、流域下墊面條件與水土保持措施配置布局、土壤前期含水率等多重因素共同決定，根據(jù)上述4個流域的水土保持減沙效益分析得出如下結(jié)論：（1）大暴雨作用下，流域水土保持措施減沙作用明顯，減沙效益為44.6%～84.2%；（2）杏子河流域2013年連續(xù)3場降雨量分別為90、68和31 mm，連續(xù)降雨作用下水土保持措施減沙作用呈減小的趨勢；（3）岔巴溝流域“2017.7.26”暴雨面雨量為180 mm以上，面上治理措施占總減沙量的42.3%，溝道工程占總減沙量的57.7%，工程措施攔沙占據(jù)主導(dǎo)作用。

水土保持措施減沙作用與降雨、流域面積、侵蝕地貌和水土保持措施配置比等因素緊密相關(guān)，還需要通過對降雨-下墊面-產(chǎn)流-產(chǎn)沙-輸沙等復(fù)雜關(guān)系的揭示，建立和完善水土保持措施減沙作用評估方法，定量精確評價流域水土保持措施減沙作用。