中图分类号: S157 文献标识码: A do :i 10. 3969 / .j issn. 1000-1379. 2010. 09. 035
黄河中游水土保持措施减沙效益研究自20 世纪80年代中期开始, 已取得了丰硕的研究成果[1- 5]。但是, 对流域治理后水沙关系及来沙系数变化、减沙效益与林草措施占比及坝地配置比的关系等研究涉及较少。笔者选择坝库工程较多的大理河流域, 对以上问题进行了分析。
1 流域概况
大理河发源于陕西省靖边县南部的白于山东侧, 自西向东流经陕西省靖边、横山、子洲3县, 至绥德县城附近注入无定河。干流全长170 km, 河床比降为3. 16‰, 流域面积为3 906km2。流域出口水文站为绥德水文站, 其控制流域面积为3 893km2, 占全流域面积的99. 7%。大理河流域主要支流有小理河、卧牛城河、岔巴沟等。大理河流域有黄土梁土间河源丘陵沟壑区(简称河源区)和黄土梁峁丘陵沟壑区(简称丘陵区)两个地貌类型区。河源区面积为662 km2, 占全流域面积的16. 9%。丘陵区位于流域中下游, 面积为3 244 km2,占全流域总面积的83. 1%。流域内梁峁起伏, 沟壑纵横, 沟壑密度为5 ~ 6km /km2, 沟深为100~ 150 m。丘陵区地形破碎, 土质疏松, 沟壑密度较大, 沟蚀、重力侵蚀活跃, 是流域内主要产沙区, 治理前流域多年平均输沙模数在16 000 t/ (km2·a)以上。
实测降水资料统计表明, 大理河流域多年平均(1960—2002年)降水量为439. 5 mm, 多年平均径流量为145 30万m3,多年平均输沙量为3 820 万t。平均汛期(5—9月)降水量为355. 0 mm, 占年降水量的80. 9%。个别年份降水特别集中且量大, 如1961年、1964年、1978年、2001年、2002年降水量分别为631. 2、687. 4、675. 5、619. 8 、593. 3 mm。进入21世纪后, 大理河流域降水量增大, 暴雨明显增多。
大理河流域水土保持措施配置比较齐全, 特别是坝库工程相对比较完善, 为减少无定河流域的输沙量发挥了重要作用。流域沟道坝库工程调查结果表明, 现保存各类淤地坝1 125座。其中, 大型坝(>100万m3) 135座, 骨干坝(50万~ 100万m3)72座, 中型坝(10万~ 50万m3) 267座, 小型坝(<10万m3)651座。截至2002年底, 大理河流域梯田、林地、草地、坝地累计保存面积为107 204 hm2, 治理度为27. 5%。
2 资料与方法
1990年以前的水文资料源自黄河水利委员会刊印的《黄河流域水文资料》; 1990—2002年的水文资料为本次研究中笔者所收集。流域水沙关系分析采用基于水文统计的幂函数型经验模型或线性模型; 流域水土保持措施(梯田、林地、草地、坝地) 减沙效益采用“水保法”进行计算[6]。
3 结果与分析
3. 1 流域水沙关系
(1)暴雨洪水关系。大理河流域历年洪水径流量与流域最大1 d降水量关系见图1。由图1 可见, 黄土丘陵沟壑区超渗产流的复杂性, 使得流域暴雨洪水关系散乱。若以最大1d平均降水量达到50mm作为暴雨的分界线, 则1960—2002年的43 a间共出现暴雨18次, 其中20世纪60年代(基准期) 3次,70年代和80年代各5次, 90年代3次, 2000—2002年2次。从每毫米暴雨产洪量m (m=各年代洪水径流量/各年代最大1d平均降水量)值来看, 20世纪60 年代、70年代、80年代、90年代和2000—2002 年m 值分别208 万、159 万、110 万、152 万m3/mm 和106万m3 /mm, 呈现出波动下降的趋势。90 年代m值虽然比80 年代增大了38. 2%, 但是仍比70 年代减小了4. 4% 。2000—2002年流域最大1 d降水量高达71. 2 mm, 为各年代最大值, 但m 值却为各年代最小值。虽然2000—2002年资料系列只有3 a, 但也说明流域暴雨产洪水平明显降低, 近期流域水土保持综合治理的效果明显。
图1 大理河流域暴雨洪水关系
通过回归分析, 20世纪60—80年代大理河流域暴雨洪水关系很差, 相关系数为0. 5左右; 90 年代及2000—2002年暴雨洪水关系密切。其幂函数回归关系式分别为
y = 163. 2x1. 0402 (基准期60年代, R = 0. 51) (1)
y = 6. 710 2x 1. 7763 (90年代, R = 0. 84) (2)
y = 5. 395x1.6862 (2000—2002年, R = 0. 99) (3)
式中: y 为洪水径流量, 万m3; x 为最大1 d降水量, mm。
可见, 大理河流域近期在水土保持综合治理明显加快的背景下, 暴雨洪水关系相对更为密切; 洪水径流量与流域最大1 d降水量的关系呈1. 776 3 次方的高次方变化, 比治理前(基准期) 有较大提高, 但相同暴雨对应的产洪量仍没有治理前大。
(2)洪水泥沙关系。大理河流域长历时(1960—2002年)洪水泥沙关系见图2。其线性关系式为
y = 0. 6381x - 1128 (R = 0. 96) (4)
式中: y为洪水输沙量, 万t; x 为洪水径流量, 万m3。
图2 大理河流域洪水泥沙关系
由图2可见, 大理河流域长历时的洪水泥沙关系非常密切且不同年代的洪水泥沙关系没有发生趋势性的改变, 说明1970年以后流域水土保持综合治理尤其是沟道坝库工程建设并未对流域洪水泥沙关系产生本质的影响。
由式(4)可知, 大理河流域洪水期多年平均含沙量为638kg /m3, 属典型的高含沙水流。
(3)输沙率与流量的关系。大理河流域长历时( 1960—2002年)年平均输沙率与年平均流量的关系见图3。其幂函数关系式为
y = 39. 2x2.1448 (R = 0. 91) (5)
式中: y 为年平均输沙率, kg / s; x 为年平均流量, m3/s。
由于流域年平均流量较小(小于10 m3/s), 因此其幂函数关系式的指数大于2, 表现出一般挟沙水流的特性。根据已有研究成果[ 7] , 当大理河流域场次洪水流量超过800 m3 / s以后,输沙率与流量的幂函数关系式的指数接近于1. 0, 表现出高含沙水流的鲜明特点。
图3 大理河流域年平均流量—输沙率关系
(4)年平均来沙系数变化。来沙系数是衡量流域水沙关系是否协调的重要参数, 来沙系数越大, 流域水沙关系越不协调。大理河流域年平均来沙系数定义为年平均含沙量与年平均流量的比值, 其变化过程线见图4。由图4 可见, 1983 年以来流域年平均来沙系数呈明显的增大趋势。1999 年后的3 a又连续减小。因此, 大理河流域1983—1999 年间水沙关系呈恶化趋势, 近期有所缓解。由年平均来沙系数的定义可知, 减小来沙系数的途径有两个, 一是减小含沙量, 二是增大流量。流域来水要达到大流量、小含沙量的要求, 水土保持综合治理是根本措施。最近3 a流域来沙系数连续减小, 说明自2000年以来实施的水土保持生态工程建设的减沙作用开始凸现。
图4 大理河流域年平均来沙系数变化过程线
3. 2 减沙效益与林草措施占比关系分析
大理河流域水土保持措施减沙效益与林草措施占比关系见图5。
图5 大理河流域减沙效益与林草措施占比关系
其线性关系式为
y = 1. 213 8x + 21. 44 (R = 0. 86) (6)
式中: y 为水土保持措施减沙效益, %; x 为林草措施占比, x =(林草措施保存面积/流域面积)×100%。
由图5可见, 大理河流域减沙效益与林草措施占比呈明显的正比关系, 符合一般规律。但仔细观察图5可以发现, 当林草措施占比超过20%以后, 有8 a(均为1996年后)相同林草措施占比(约为21%) 对应的减沙效益变化很大, 变化范围为32. 1% ~ 60. 4%。分析这8 a的林草措施占比, 发现2001年和2002年虽然林草措施占比与其他6 a基本相同, 但是林草措施质量有了明显提高, 一类、二类林地与一类草地保存面积占当年林地和草地总保存面积的比例明显增大, 呈稳定的增长趋势, 且配置部位大多处于黄土丘陵沟壑区的坡面和沟谷, 其减沙效益成倍增大, 分别达到60. 4% 和58. 6%。由此说明, 流域减沙效益的大小不仅与林草措施占比有关, 更与林草措施质量及配置部位密切相关。
3. 3 减沙效益与坝地配置比关系分析
大理河流域水土保持措施减沙效益与坝地配置比关系见图6。其二次函数关系式为
y = - 1. 833x2 + 15.333x + 8. 854 7 (R = 0.55) (6)
式中: y 为水土保持措施减沙效益, %; x 为坝地配置比, x =( 坝地保存面积/水土保持措施保存面积) ( 100%。
对式(6)求一阶导数有
Y′= - 3. 666x + 15. 333
令y′= 0, 有x = 4. 18。因此, 现状治理条件下大理河流域取得最大减沙效益的坝地最优配置比约为4. 2%。当流域坝地配置比超过4. 2%后, 流域减沙效益反而呈下降趋势。
图6 大理河流域减沙效益与坝地配置比关系
大理河流域存在着减沙效益最大时的坝地最优配置比, 原因是在流域水土保持治理中, 坝地配置比与坡面措施配置比密切相关。调查表明, 大理河流域治理中在坝地配置比提高的同时, 坡面措施配置比也在提高, 坡面来沙量减少, 坝地拦沙量也随之减少。由于坝地拦沙量在水土保持措施减沙总量中所占比例最大, 因此流域水土保持措施减沙效益下降。近期流域内虽然进行了大量的淤地坝建设, 但是“空壳坝”明显增多、淤积缓慢即是证明。因此, 并非坝地配置比越大减沙效益越高。流域水土保持措施减沙效益的大小是坝地配置与林草、梯田等坡面措施配置耦合作用的体现。
4 结论
(1) 20 世纪60—80年代大理河流域暴雨洪水关系散乱,90年代以来关系密切; 长历时的洪水泥沙关系、输沙率与流量关系非常密切, 不同年代没有发生趋势性的改变; 20世纪80年代以来大理河流域年平均来沙系数呈明显的增大趋势, 水沙关系更加不协调, 近期有所缓解。近期暴雨产洪水平明显降低,流域水土保持综合治理效果明显。
(2)现状治理条件下, 大理河流域水土保持措施减沙效益与林草措施占比呈明显的正比关系。减沙效益的大小不仅与林草措施占比有关, 而且还与林草措施品质及配置部位密切相关。
(3)大理河流域存在着水土保持措施减沙效益最大时的坝地最优配置比。现状治理条件下取得最大减沙效益的坝地最优配置比约为4. 2%。
参考文献:
[ 1] 汪岗, 范昭. 黄河水沙变化研究(第一卷) [M ]. 郑州: 黄河水利出版社,2002.
[ 2] 汪岗, 范昭. 黄河水沙变化研究(第二卷) [M ]. 郑州: 黄河水利出版社,2002.
[ 3] 黄河水利委员会水土保持局. 黄河流域水土保持研究[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 1997.
[ 4] 叶青超.黄河流域环境演变与水沙运行规律研究[M]. 济南:山东科学技术出版社, 1994.
[ 5] 唐克丽.中国水土保持[M]. 北京: 科学出版社, 2004
[ 6] 冉大川, 李占斌, 李鹏, 等.大理河流域水土保持生态工程建设的减沙作用研究[M].郑州: 黄河水利出版社, 2008.
[ 7] 孟庆枚. 黄土高原水土保持[M].郑州:黄河水利出版社, 1996.
作者简介: 冉大川(1964—), 男, 甘肃镇原人, 高级工程师, 客座研究员, 主要研究方向为黄河中游水沙变化及水利水土保持措施蓄水减沙效益。
