冉大川,李占斌,张志萍,李鹏,罗全华
(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,450003,郑州;2.西安理工大学,710048,西安;3.中国科学院水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌;4.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站,745000,甘肃庆阳)
大理河流域水土保持措施减沙效益与影响因素关系分析
冉大川1,2,3,李占斌2,张志萍4,李鹏2,罗全华4
(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,450003,郑州;2.西安理工大学,710048,西安;3.中国科学院水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌;4.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站,745000,甘肃庆阳)
利用大理河流域 1960—2002年的系列水文资料和水土保持成因分析法计算结果,分析大理河流域减沙效益与措施保存面积、配置比例和汛期降雨量等影响因素的关系,以及大理河流域淤地坝措施减沙量与坡面措施减沙量的关系。结果表明:现状水土流失治理条件下,大理河流域仅靠坡面治理措施取得的减沙效益只有 9%,取得最大减沙效益的水土保持措施梯田、林地、草地、坝地最优配置比例为 18.6∶73.2∶4.6∶3.6,保持流域水土保持措施较高减沙效益的坝地配置比例为 4%;大理河流域水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系最为密切,二者呈正相关关系;流域水土保持措施减沙能力表现最充分的汛期降雨量值区间约为 300~500mm;大理河流域治理期有 21年坡面措施减沙量小于 600万 t/a,淤地坝措施减沙量均在 3 000万 t/a以内变化。20世纪 90年代以来,流域坡面措施减沙量与淤地坝措施减沙量关系比较密切,淤地坝措施减沙量的增幅小于坡面措施减沙量的增幅。
水土保持措施;减沙效益;影响因素;大理河
自 20世纪 80年代中期开始,在黄河中游开展了比较系统的水利水土保持措施减沙效益研究,取得了丰硕的研究成果[1-12]。通过水利部黄河水沙变化研究基金(包括第 1期和第 2期)、黄河流域水土保持科研基金、国家自然科学基金、“八五”国家重点科技攻关项目等近 20年持续不断的研究,基本搞清了 20世纪 50年代以来黄河中游水沙变化的历史过程,干流、区间和各主要支流水沙变化的特点和成因,其中对 1970—1996年黄河上中游水利水土保持措施减水减沙作用进行了较为深入细致的成因分析,得到了新的认识。例如,水利部黄河水沙变化研究基金(第 2期)以 20世纪 50—60年代作为计算的基准期,确定出 1970—1996年龙门、河津、张家山、状头和咸阳等 5站控制区域水利水土保持措施年均减沙量为 3.075亿 t,首次取得了黄河中游水利水土保持工程对洪水影响的定性分析成果,通过建立黄河中游小区水土保持坡面措施减洪指标体系—降雨量同频率对应—“以洪算沙”模型,初步解决了由小区坡面措施减洪指标体系推求流域坡面措施减洪指标体系的尺度转换问题,改进了传统的“成因分析法”等[2]。但从流域水土保持措施减沙效益与影响因素的关系来看,以往的研究普遍较粗,定性研究多于定量研究[1-7],尤其是对减沙效益与水土保持措施保存面积、配置比例的研究很少涉及,对流域淤地坝减沙量与坡面措施减沙量的关系研究更是空白。为弥补以往研究的不足,笔者从水土保持措施减沙效益与影响因素关系分析入手,以坝库工程较多的黄河中游大理河为典型支流,对流域水土保持措施减沙效益与影响因素的关系进行较为全面的分析和研究,以期为黄河中游水土保持生态工程建设以及黄土高原淤地坝建设提供新的科技支撑。
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榆林市的靖边、横山、子洲3县,至绥德县城附近注入无定河,是无定河最大的一级支流。干流全长 170 km,河床比降 3.16‰,流域面积 3 906 km2。流域出口水文站为绥德水文站,集水面积 3 893 km2,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硷河源丘陵沟壑区(简称河源区)和黄土梁峁丘陵沟壑区(简称丘陵区)等 2个不同的地貌类型区,其中河源区位于干流上游,面积662 km2,占流域面积的 16.9%,丘陵区位于流域中下游地段,面积 3244km2,占流域总面积的 83.1%。流域内梁峁起伏,沟壑纵横,沟壑密度为 5~6 km/km2,沟深可达 100~150m。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,是流域内的主要产沙区,治理前流域多年平均输沙模数超过1万 6000 t/(km2◦a)。
大理河流域地形破碎,植被稀疏,水土流失严重,是黄河流域粗泥沙的主要来源区之一。由于流域内普遍覆盖着第四系新老黄土,土质疏松,抗蚀性差,加之暴雨集中以及人为活动,水蚀十分严重。子洲小理河沟口以下至绥德区间年平均输沙模数一般为 1万 5 000~2万 t/(km2◦a),子洲以上年平均输沙模数小于 1万 5000t/(km2◦a)。不少地方在黄土之下覆盖着不透水的第三系红土和侏罗系煤系地层,在地下水作用下坍塌、滑溜等重力侵蚀严重。流域地处毛乌素沙漠南缘,气候干旱,风力强盛,一些地方风蚀严重。在现代侵蚀过程中,以沟谷坡的扩展和下切为主。
根据实测降水资料统计,大理河流域多年平均(1960—2002年,下同)降雨量为 439.5mm,多年平均径流量 1.453亿 m3,多年平均输沙量 3 820万 t。汛期(5—9月)降雨量 355.0mm,占年降雨量的80.9%。个别年份降雨特别集中且降雨量较大,如1961、1964、1978、2001、2002年,流域年降雨量分别为 631.2、687.4、675.5、619.8和 593.3mm,汛期降雨量分别为 474.7、535.2、591.3、490.3和 466.5 mm。进入 21世纪后,大理河流域降雨量开始增大,暴雨明显增大。20世纪 80年代以来,大理河流域年平均来沙系数呈明显的上升趋势,水沙关系趋于不协调,2000—2002年有所缓解。90年代以来,流域暴雨洪水关系密切,长历时的洪水泥沙关系、输沙率与流量关系非常密切,2000—2002年暴雨产洪水平明显降低,流域水土保持综合治理效果明显。
大理河流域水土保持生态工程建设的各项措施配置比较齐全,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。根据大理河流域沟道坝库工程调查结果,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、坝地等 4大水土保持措施累计保存面积 10.72万 hm2,治理度为27.5%。
研究采用的大理河流域水文资料系列为1960—2002年。其中:1990年以前的水文资料来自黄河水利委员会已经正式刊印的《黄河流域水文资料》(红本);1990—2002年的水文资料通过研究收集。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。大理河流域水土保持措施保存率根据二阶等距抽样法推求,水土保持措施保存面积根据流域水土保持措施年报资料与保存率相乘求得,结合流域 1989年土地详查资料和 1996年土地变更调查资料综合评判后最终确定。水土保持措施减沙效益采用水土保持成因分析法进行计算。
大理河流域减沙效益与水土保持措施保存面积关系见图 1。可见,二者呈密切的正相关关系,其幂函数关系式为
式中:y1为水土保持措施年均减沙效益,%;x1为水土保持措施(梯田、林地、草地、坝地)保存面积,hm2。相关系数为 0.91。
可知,水土保持措施保存面积越大,减沙效益越大。
大理河流域治理后的 1970—2002年减沙效益与坝地保存面积关系见图 2。可见,二者呈正相关关系,其线性关系式为
图 1 大理河流域减沙效益与水土保持措施保存面积关系Fig.1 Relation between sediment reduction amount and soil and water conversation measures area in Dali River Basin
图 2 大理河流域减沙效益与坝地保存面积关系Fig.2 Relation between sediment reduction amountand dam area in Dali River Basin
式中 x2为坝地保存面积,hm2。相关系数为 0.85。
由式(2)可知,当坝地保存面积为 0时,水土保持措施年均减沙效益为 9%,此即坡面水土保持措施减沙效益;因此,在现状条件下,如果没有治沟措施,大理河流域仅靠坡面水土保持措施取得的减沙效益只有 9%。要想取得更大的减沙效益,除了继续加强坡面治理外,沟道坝库工程建设仍是流域水土保持生态工程建设的重点。
大理河流域不同年代水土保持措施保存面积及配置比例见表 1。从不同年代水土保持措施保存面积变化情况来看,20世纪 80年代增幅最大;从不同年代 4大水土保持措施配置比例看,林地配置比例最大,坝地配置比例最小。自 20世纪 70年代流域大规模治理以来至 90年代末,梯田配置比例在波动中上升,林地配置比例最大(平均配置比例为 74%左右)且依时序呈上升趋势,草地和坝地配置比例较小且均依时序下降。水土保持措施减沙效益依时序上升且有 2次明显上升期:80年代减沙效益比 70年代提高了 12.2%,2000—2002年比 90年代又提高了 9.0%。
表 1 大理河流域不同年代水土保持措施保存面积及配置比例Tab.1 Area and allocation rate of soil and water conversationmeasures in different period in Dali River Basin
从总体上来看,大理河流域水土保持综合治理中,坡面治理措施所占比例非常大,且坡面治理措施中又以林地最为突出,说明流域坡面治理偏重于造林。流域偏重造林的趋势自 80年代以来更加明显,进入 21世纪后开始减缓,但梯田建设得到了加强,梯田配置比例明显上升。从减沙效益最大考虑水土保持措施的最优配置,2000—2002年水土保持措施减沙效益最大,虽然这一时段时间只有 3年,与其他年代对比基础不同,但 2000—2002年的降雨量为资料系列内的最大值。与减沙效益次大的 90年代相比,年降雨量增加了 22.4%,有效降雨量增加了26.0%,汛期降雨量增加了 21.9%,最大 24h降雨量增加了 60.5%;因此,2000—2002年水土保持措施梯田、林地 、草地 、坝地配置比例 18.6∶73.2∶4.6∶3.6即为流域现状治理条件下取得最大减沙效益的最优配置比例。为使这一配置比例表述更为直观,以坝地配置比例为基准进行转化,则此最优配置比例为 5.2∶20.4∶1.3∶1.0。
从表 1还可以看出,进入 21世纪后,虽然大理河流域水土保持措施减沙效益总体上继续增大,但坝地减沙效益只比 90年代增大了 0.3个百分点,因此,流域淤地坝建设仍需继续加强。参考黄河中游河龙区间其他支流的研究成果[13],为保持大理河流域水土保持措施较高的减沙效益,坝地配置比例应保持在 4%左右。
3.3.1 坡面水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系 通过单一降雨因子的回归分析,大理河流域坡面水土保持措施(梯田、林地、草地)减沙量与汛期降雨量关系最为密切,二者呈正相关关系,见图 3。在大理河流域坡面水土保持措施达到其最大减沙能力之前,汛期降雨量越大,坡面来沙量越大,坡面水土保持措施减沙量也越大。以坡面水土保持措施减沙量达到 500万 t为界,坡面水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系可以明显分为 2个区,其幂函数关系如下。
坡面水土保持措施减沙量小于 500万 t:
坡面水土保持措施减沙量大于 500万 t:
式中:y2为坡面水土保持措施减沙量,万 t;x3为汛期降雨量,mm。相关系数分别为 0.805和 0.966。
产生分区现象的原因是,大理河流域坡面水土保持措施多年平均减沙量为 560万 t。某年汛期前若降雨量较多,则坡面水土保持措施减沙量也较多。当汛期前坡面水土保持措施减沙量超过多年平均值后,随着汛期降雨量的增大,坡面水土保持措施减沙能力得以迅速释放,减沙量也迅速增大。反之,若某年汛期前降雨量较少,则坡面水土保持措施减沙量也较少。随着汛期降雨量的增大,坡面水土保持措施减沙量达到多年平均值需要一定的时间,坡面水土保持措施减沙能力的释放也需要一个“启动”过程,因此,其减沙量增加比较缓慢。这种现象与水文学中当流域前期降雨越多时,若遇暴雨则越容易产流类似。
图3 大理河流域坡面措施减沙量与汛期降雨量关系Fig.3 Relation between sediment reduction amountof measures on slope and rainfall amount in flood seasons in DaliRiver Basin
3.3.2 单位毫米汛期降雨量对应的坡面水土保持措施减沙量阈值 由图 3可知:当坡面水土保持措施减沙量小于 500万 t时,单位毫米汛期降雨量对应的坡面水土保持措施减沙量只有 1.0万 t/mm,此时,随着汛期降雨量的迅速增大,坡面水土保持措施减沙量变化不大;当坡面水土保持措施减沙量超过500万 t后,单位毫米汛期降雨量对应的坡面水土保持措施减沙量迅速增大到11.8万t/mm,对应于 350~450mm之间缓慢增大的汛期降雨量,坡面水土保持措施减沙量增幅很大,坡面水土保持措施减沙能力最为突出。因此,大理河流域单位毫米汛期降雨量对应的坡面水土保持措施减沙量阈值为 500万 t。
3.3.3 流域水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系 由于大理河流域坝库工程众多,在前述坡面水土保持措施减沙的基础上,考虑沟道淤地坝工程措施减沙作用后,通过单一降雨因子的回归分析,大理河流域水土保持措施(梯田、林地、草地、坝地)减沙量与汛期降雨量关系也最为密切,二者也呈正相关关系,见图 4。与图 3相比,图 4点群相对集中,分区现象消失,沟道工程措施减沙量与坡面水土保持措施减沙量的互补性明显。其幂函数关系为y3=0.0012x2.40383(5)式中 y3为流域水土保持措施减沙量,万 t。相关系数为 0.772。
图 4 大理河流域水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系Fig.4 Relation between sediment reduction amount of soil and water conversation measures and rainfall amount in flood season in Dali River Basin
在研究的资料系列内,大理河流域水土保持措施最大减沙量为 6 145万 t,出现在 1994年,其中坡面措施减沙量 1 865万 t,淤地坝措施减沙量 4 280万 t,是坡面措施减沙量的 2.3倍。1994年 8月,大理河流域有特大暴雨发生,汛期降雨量 416.2 mm,产沙量很大。
综合以上分析结果,大理河流域水土保持措施减沙能力表现最充分的汛期降雨量区间为 300~500mm。
大理河流域水土保持措施减沙变化对汛期降雨的响应表明,流域没有降雨,就没有产沙,流域没有产沙,则水土保持措施就无法发挥其减沙作用。若流域降雨量太小,产沙量不多,则水土保持措施的减沙能力也不能充分发挥。只有汛期降雨量值在 300~500mm之间,水土保持措施的减沙能力才能得到充分发挥。
大理河流域淤地坝措施减沙量与坡面水土保持措施减沙量关系见图 5。其中曲线 1、2、3、4分别代表 1960—1969、1970— 1979、1980— 1989和 1990—2002年等 4个不同阶段的淤地坝措施减沙量与坡面水土保持措施减沙量关系。
图5 大理河流域淤地坝措施减沙量与坡面措施减沙量关系Fig.5 Relation between sediment reduction amount of dam and sediment reduction amount ofmeasures on slope in DaliRiver Basin
3.4.1 历年二者减沙关系 在大理河流域 1970—2002年共 33年水土保持措施减沙量计算成果中,有 21年坡面水土保持措施减沙量在 600万 t/a以内变化,约占 2/3,说明流域绝大部分年份坡面水土保持措施减沙量小于 600万 t/a;与之对应的淤地坝措施减沙量均在 3000万 t/a以内变化,说明相同坡面水土保持措施减沙量对应的淤地坝措施减沙量变幅很大,淤地坝措施减沙量的变化几乎不受坡面水土保持措施减沙量的影响。因此,当大理河流域坡面水土保持措施减沙量小于 600万 t/a时,沟道工程措施减沙量与坡面水土保持措施减沙量的关系不大,坡面水土保持措施减沙量对淤地坝措施减沙量的影响甚微。
3.4.2 近期二者减沙关系 进入 20世纪 90年代以后,大理河流域坡面水土保持措施减沙量与淤地坝措施减沙量呈现出明显的正比变化关系,其幂函数关系式为
式中:y4为淤地坝措施减沙量,万 t;x4为坡面水土保持措施减沙量,万 t。
上式相关系数为 0.80,说明 90年代以来,大理河流域坡面水土保持措施减沙量与淤地坝措施减沙量关系比较密切——流域降雨量越大,产沙量越大,则坡面拦蓄后进入沟道的泥沙也越多;因此,坡面水土保持措施减沙量越大,淤地坝措施减沙量也越大。但由于幂函数关系式的指数小于 0.5,因此,淤地坝措施减沙量的增幅小于坡面水土保持措施减沙量的增幅。
从图 5还可以看出,进入 90年代后,当大理河流域坡面措施减沙量小于 600万 t/a时,随着坡面水土保持措施减沙量的增大,淤地坝措施减沙量增幅明显;当坡面水土保持措施减沙量在 600万 ~1 500万 t/a之间时,随着坡面水土保持措施减沙量的增大,淤地坝措施减沙量增幅变缓;当坡面水土保持措施减沙量大于 1500万 t/a后,随着坡面水土保持措施减沙量的迅速增大,淤地坝措施减沙量增幅更为平缓。由此说明,对于大理河这样以坝库工程减沙为主(占水土保持措施总减沙量的 65%左右)的流域,尽管治沟措施减沙作用非常明显,但坡面治理仍是治本之举,实施沟道坝库工程建设,坡面治理不能放松。“坡沟兼治”仍是基本的治理方略。
从大理河流域坡面水土保持措施减沙量与淤地坝措施减沙量的最大值来看,1994年淤地坝措施减沙量最大,为 4 280万 t,2001年坡面水土保持措施减沙量最大,为 3 060万 t。此即本次研究资料系列内大理河流域淤地坝措施和坡面水土保持措施的最大减沙能力。此外,进入 21世纪后,大理河流域水土保持生态工程建设方兴未艾,淤地坝措施稳定减沙,坡面水土保持措施减沙量显著增大,2001、2002年坡面水土保持措施减沙量分别为计算成果资料系列中的最大值和次大值(2 660万 t),水土保持措施减沙的综合效应开始显现,水土保持生态工程建设显示出美好的治理前景。
1)现状治理条件下,大理河流域仅靠坡面治理措施取得的减沙效益只有 9%。要取得更大的减沙效益,除了继续加强坡面治理外,沟道坝库工程建设仍是流域水土保持生态工程建设的重点。
2)大理河流域现状治理条件下,取得最大减沙效益的水土保持措施梯田、林地、草地、坝地最优配置比例为 18.6∶73.2∶4.6∶3.6。为保持流域水土保持措施较高的减沙效益,坝地配置比例应保持在4%左右。
3)大理河流域水土保持措施减沙量与汛期降雨量关系最为密切,二者呈正相关关系。汛期降雨量越大,流域来沙量越大,水土保持措施减沙量也越大。流域水土保持措施减沙能力表现最充分的汛期降雨量值区间约为 300~500mm。
4)大理河流域治理期有 21年坡面措施减沙量小于 600万 t/a,与之对应的淤地坝措施减沙量均在3 000万 t/a以内变化。90年代以来,流域坡面措施减沙量与淤地坝措施减沙量关系比较密切,淤地坝措施减沙量的增幅小于坡面措施减沙量的增幅。
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Analysis of the sediment reduction benefits of soil and water conservation m easures and its in fluencing factors in Dali River Basin
Ran Dachuan1,2,3,Li Zhanbin2,Zhang Zhiping4,Li Peng2,Luo Quanhua4
(1.Yellow River Institute of Hydraulic Research,Yellow River Conservancy Commission,450003,Zhengzhou;2.Xi'an University of Technology,710048,Xi'an;3.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farm ing on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciencesand Ministry ofWater Resources,712100,Yangling,Shaanxi;4.Xifeng Soil and Water Conservation Experimental Station,Yellow River Conservancy Commission,745000,Qingyang,Gansu:China)
The relationship between sediment reduction benefit and preserved area and allocation rate of soil and water conservation measures and flood season rainfall aswell as other influencing factors in Dali River Basin was studied.The relationship between sediment reduction of warping dams and sediment reduction of slope measures was analyzed also.The results showed that under the current condition of watershed management the sediment reduction benefitonly reaches 9%by controllingmeasures on slope.The bestmaximum sediment reduction benefit can be reached when the allocation rate of terraced field,forested land,grasslands and warping dam land is 18.6∶73.2∶4.6∶3.6.The best allocation rate of warping dam land is 4%to reach the best sediment reduction benefit of soil and water conversation measures.The sediment reduction of soil and water conservation measures has close relation with flood season rainfall and shows positive correlation between them.Flood rain fall range from 300mm to 500mm can reach the bestsediment reduction ability of soiland water conservation measures in DaliRiver Basin.During watershed managementperiods,the sediment reduction of slopemeasures is less than 6million t/a and the sediment reduction of warping dam is less than 30million t/a in the 2/3 of the total years.Since 1990's,the sediment reduction ofmeasures on slope has close relation with sediment reduction of warping dam.The increase range of sediment reduction amount of warping dam is less than that of measureson slope.
soil and water conservation measure;sediment reduction benefit;influencing factor;Dali River Basin
2009-09-10
2010-04-08
项目名称:黄河水利委员会“十五”重大治黄科技项目“大理河流域水土保持生态工程建设的减沙作用研究”(2002SZ08);“十一五”国家科技支撑计划重点项目专题“黄河中游水沙变化成因分析”(2006BAB 06B01-04)
冉大川(1964—),男,硕士,高级工程师。主要研究方向:黄河中游水沙变化及水利水土保持措施蓄水减沙效益。E-mail:xfrdc@sohu.com
(责任编辑:宋如华)