仕望河流域水土保持措施的减水减沙效益研究

徐家隆, 张 云, 张雪兵, 何 欢, 申卫博2,, 王国栋, 胡 波

(1.陕西省水土保持勘测规划研究所, 西安 710004; 2.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重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学, 陕西 杨凌 712100; 4.长江科学院水土保持研究所, 武汉 430010)

仕望河流域水土保持措施的减水减沙效益研究

徐家隆1, 张 云3, 张雪兵3, 何 欢3, 申卫博2,3, 王国栋3, 胡 波4

(1.陕西省水土保持勘测规划研究所, 西安 710004; 2.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重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学, 陕西 杨凌 712100; 4.长江科学院水土保持研究所, 武汉 430010)

黄河河口镇至龙门区间是黄河流域的主要产沙区，该区间河道全长725.1 km，落差607.3 m，比降0.084%，流域面积11.2万km2。而仕望河流域地处黄土丘陵沟壑区与高原沟壑区的过渡地带，是黄河中游吴堡—龙门段西岸的1条1级支流。本文旨在通过对仕望河流域的水沙变化的综合分析探讨而为黄河的综合治理提供一个切实可靠的依据。本文根据1970—1989年水文站的实测资料，分析了该流域的水沙来源和降雨产流产沙关系，并结合2006—2010年的实测资料，对比分析了不同时期该流域降雨、产流、产沙的变化情况。采用水文法分析计算了该流域水土保持、水利措施的减水减沙效益。通过实测资料分析计算，认为仕望河流域水量变化采用双累计曲线法分析结果比较合理，基本反映了降雨和产流产沙的内在联系。对比影响流域产流产沙的自然因素(降雨)和人为因素(水土保持措施)，仕望河流域水土保持措施减水减沙量在总减水减沙量的占比呈逐年增加的趋势，而降雨因素的的影响在逐步递减。近30 a来国家越来越重视水土保持工作，黄土高原地区的水土保持治理工程陆续的实施对流域产流产沙的减少有显著的影响。

仕望河; 水土保持; 减水减沙

黄河干流暴雨洪水主要来自五个地区：黄河上游兰州以上地区；黄河中游河口镇至龙门区间(简称河龙间)；黄河中游龙门至三门峡区间(简称龙三间)；黄河中游三门峡至花园口区间(简称三花间)和黄河下游的大汶河流域。兰州以上地区的洪水主要威胁在兰州河段和宁蒙河段，洪水经过长距离演进和水库调蓄，形成相对平缓的基流，对黄河下游防洪影响不大[1]；黄河下游仅有金堤河和大汶河入汇，其洪量不大，对黄河干流洪水影响也不大。因此，黄河中游三个区间的暴雨洪水对黄河下游防洪安全威胁较大。黄河中游洪水的特点是洪峰高、历时短、含沙量大，过程线多为尖瘦型。黄河中游支流一次洪峰一般为3～5 d，连续洪水一般为10～15 d；干流一次洪峰一般为5～8 d，连续洪水可达30～40 d，最长达45 d。以三门峡以上的河龙间和龙三间来水为主形成的大洪水(简称上大型洪水)占花园口站洪峰流量的70%～80%，其特点是洪峰高，洪量大，含沙量高，产生的较大洪水洪峰流量一般为15 000～22 000 m3/s[2]，日平均含沙量可达800～900 kg/m3。该区间洪水对黄河下游和三门峡库区防洪威胁严重。

仕望河流域地处黄土丘陵沟壑区与高原沟壑区的过渡地带。为黄河中游吴堡—龙门段西岸的一条一级支流，流域总面积为2 356 km2。该流域水文特性的是：洪水过程平缓，历时长，枯水流量大，这在流域上中游明显[3]。该流域与黄河中游的多沙河流相似，泥沙主要集中在汛期，据大村站、英旺站1959—1969年(天然状态下)资料统计，其平均6—9月的输沙量能占到全年输沙量的95%～98%，而7月，8月输沙量又占汛期输沙量的71.6%～83.5%。

采用水文法，根据水文站资料，对降雨资料进行系列化处理和代表性分析，研究仕望河流域建站至1999年的水文和2006—2010年的降雨以及径流泥沙，特别是20世纪90年代以来的水沙变化趋势，可以正确认识黄河流域的水土保持工作的地位和作用，减轻河道淤泥堆积等，具有重要的研究价值。本文旨在通过对仕望河流域的水沙变化的综合分析探讨而为黄河的综合治理提供一个切实可靠的依据。

1 基本资料

1.1 自然地理特征

仕望河流域地处黄土丘陵沟壑区与高原沟壑区的过渡地带，为黄河中游吴堡—龙门段西岸相邻的1级支流，流域总面积2 356 km2，仕望河大村水文站控制面积2 141 km2，占流域总面积的90.9%，(以下所称流域仅指水文站控制区)。

仕望河发源于黄龙北部低山林区，流经黄龙、宜川入黄河(其中黄龙县在流域内面积921.6 km2，宜川县在流域内面积1 219.4 km2)，河道长112.8 km，主要支流有大南川、蔡家川、西川、交里河等，支流与干流成树枝状水系[4]，沟壑密度1.0～1.8 km/km2。仕望河地貌形态与汾川河相似，其上游为山林丘陵沟壑区，面积1 551 km2，占流域面积的72.4%。区内山大、沟深坡陡、梁茆起伏、沟壑纵横，林草覆盖度73.8%～93%。下游为残原沟壑区，占流域面积的27.6%。

仕望河流域的土壤上中游主要为森林褐土、黑垆土和黄绵土，土壤肥力较高，结构好，涵蓄水分能力强，下游主要为黄土性土类的黄善土、黄绵土。

1.2 水沙特征

仕望河流域地处半干旱半湿润地区，1970—1989年水文站的实测资料显示平均年降水量在500～600 mm之间，最大年降水量750 mm，最小年降水量仅289 mm。降雨多集中在6—9月，占年降雨量的70%以上。而2006—2010年的资料显示该地区的降雨有所减少。

仕望河多年平均径流量8 655万m3，汛期占42.3%。该流域水文特性是：洪水过程平缓，历时长，枯水流量大，这在流域上中游明显。流域产流在面上分布有较大差异，上中游丘陵林区，径流年内分配相对均匀，平均年产流模数较小，为2.32万m3/km2；下游残原区，径流年内分配相对集中，平均年产流模数大于上中游，为3.08万m3/km2，但是由于下游残原区面积小(约占流域面积的27.6%～29.1%)，因而上中游仍是径流的主要来源区，约占流域年径流量的65.2%。

从输沙情况看，由于上中游与下游下垫面条件的差异，因而产沙量也有较大差别。上中游植被好，输沙模数也小，只有108～450 t/km2。两流域的下游由于地形、土壤、植被条件差，其输沙模数要比上中游大得多，约为5 000～6 890 t/km2。因而下游残原区虽然面积所占比例小(27.6%～229.1%)，但却是沙量的主要来源区，来沙量约占流域输沙量的87.0%以上。

1.3 计算方法

计算年径流、年输沙量，并与实测值比较，其差值ΔR、ΔWs即为人类活动的减水减沙量。计算式为[7]：

(1)

(2)

式中：P——降雨量(mm)，减水效益计算用年雨量，减沙效益计算用汛期雨量；R2，Ws2——治理后实测年径流、输沙量；R1，Ws1——治理前年径流、输沙量；η1，η2——分别为减水、减沙效益；α——流域治理前产流率；E——流域治理前产沙率。分析计算得出：仕望河：α=17.434万m3/mm，E=0.915万t/mm。

2 结果与分析

2.1 仕望河实测水沙过程变化分析

图1为仕望河大村站实测年径流、输沙量过程线(R-t，Ws-t)。历年径流量过程线显示，在1959—1989年，年径流量大于平均值的年份共13 a，其中时段Ⅰ有6 a(1961，1963，1964，1966，1967，1968年)。时段Ⅱ有4 a(1971，1975，1976，1978年)，时段Ⅲ有3 a(1983，1985，1988年)。年径流量累计曲线显示，与时段Ⅰ相比，时段Ⅱ，Ⅲ曲线斜率是减小的，时段Ⅱ与时段Ⅲ相比，曲线斜率略为增大。

图1 仕望河大村镇P-t，R-t，WS-t过程线

历年输沙量过程线显示，在1959—1989年，年输沙量大于平均值的年份共有11 a，其中时段Ⅰ有6 a(1960，1963，1964，1965，1966，1967年)，时段Ⅱ有3 a(1971，1975，1977年)，时段Ⅲ有2 a(1982，1988年)，最大值出现在1971年。年输沙量累计曲线转折点较多，曲线斜率是逐时段减小的。

表1为仕望河大村站年径流量、输沙量、平均含沙量统计成果，可以看出，时段Ⅱ，Ⅲ与时段Ⅰ相比，年径流量、年输沙量都是减小的，不同的是沙量连续减小，而水量时段Ⅲ比时段Ⅱ略有增加。

综合表1分析可见，仕望河流域1970年以后两个时段(Ⅱ，Ⅲ)实测水、沙量都比1970年以前(时段Ⅰ)有所减少，在同时段内比较看，两流域时段Ⅱ沙量减少的百分数都略低于水量减少的百分数，时段Ⅲ沙量减少的百分数都显著的高于水量减少的百分数。Ⅱ，Ⅲ两个时段比较看，时段Ⅲ水量减少的百分数都略低于时段Ⅱ，而沙量减少的百分数却显著的高于时段Ⅱ。

表1 仕望河不同系列对比法结果

注：表中的“-”号表示增加

表2给出了仕望河流域2006—2010年的径流量、输沙量统计成果。就全流域而言，2007至2010年的径流量都小于2006年，2009年输沙量更是大幅度小于2006年。只是2010年的输沙量大幅度增加。

综合表2分析可见，仕望河两流域2006—2010年的实测水、沙量都比1959—1989年减少很多，在同时段内比较看，两流域时段沙量减少的百分数反而略高于水量减少的百分数，尤其2010年，高出了很多。

表2 仕望河2006-2010年不同系列对比法结果

注：表中的“-”号表示增加

2.2 双累计曲线法减水减沙效益计算

双累计曲线法是利用累计雨量和累计径流量(∑P-∑R)、累计沙量(∑P-∑Ws)曲线的斜率变化来分析人类活动—水保水利措施的减水减沙效益的。在双累计曲线上，若其斜率发生变化，则意味着降雨—径流关系、降雨—输沙关系发生了变化，这一改变来源于流域下垫面的变化，及人类活动改变了流域下垫面的产流产沙水平[5]。

图2为仕望河流域的降雨—径流、降雨—输沙双累计曲线。可以看出，流域的降雨—径流双累计曲线(∑P-∑R)治理后(1970年以后)两个时段的斜率都略小于治理前(1959—1969年)，且曲线都比较顺直，无明显的起伏和转折，说明人类活动的影响对水量变化总趋势呈平稳状态；两流域降雨—输沙双累计曲线(∑P-∑Ws)都存在明显的起伏和转折，曲线的斜率是逐时段趋于减缓，说明人类活动的减沙效益是逐时段增大的。流域降雨—径流、降雨—输沙双累计曲线斜率的这一变化特点可以理解为：流域的水土保持措施主要分布在下游的残原区[6]，这一区域是流域的主要来沙区，但不是径流的主要来源区，因而流域治理程度逐时段提高，对流域输沙量变化的影响较大，而对径流量变化的影响比较平稳。

图2 仕望河大村站∑P-∑R、∑p-∑ws曲线

3 结论和建议

3.1结论

通过双累积曲线法，经验公式法和水保法[9]的分析计算结果，对二者进行比较，可以看出，几种方法计算治理措施减水、减沙的趋势是基本一致的，但量值大小存在差异，分析其原因为：双累计曲线法只是考虑雨量变化，没有考虑到雨强变化；经验公式法虽考虑到雨量、雨强的变化影响，但仍存在模拟误差，水保法计算采用的参数较多，难免出现误差，且对人类活动中对水沙变化的消极影响因无准确资料而未计入分析计算。因此，三种方法分析计算结果都不同程度的存在误差，综合多因素分析，本文认为仕望河流域水量变化采用双累计曲线法分析结果比较合理，其余的采用三种方法计算结果的平均值作为结论比较合理。

本文通过水文法研究了仕望河的近些年的泥沙变化情况，得出结论如下：

(1) 通过实测资料分析计算，根据水文法计算结果，认为仕望河流域水量变化采用双累计曲线法分析结果比较合理，基本反映了降雨和产流产沙的内在联系。

(2) 对比影响流域产流产沙的自然因素(降雨)和人为因素(水土保持措施)，20世纪80年代，仕望河流域水土保持措施减水减沙量在总减水减沙量的占比较70年代有所增加，而降雨因素的减水减沙量在总减水减沙量的占比较70年代在逐步递减。

(3) 近30 a来国家越来越重视水土保持工作，法律法规趋于完善，职能部门监督与治理并举，黄土高原地区的水土保持治理工程陆续的实施对流域产流产沙的减少有显著的影响。以2006—2010年为例，仕望河流域年均降雨量比70—90年代增加了10%的情况下，而水、沙量却分别减少了46.41%，98.64%。

3.2 建 议

本次研究只是探究仕望河组成的小流域面积，而且时间较短，资料又比较庞杂而且2006—2010年的资料严重数据不足，很多分析只能依靠以前的资料。对该区域水土保持治理提几点简单的期望：(1) 仕望河流域地处黄土丘陵沟壑区与高原沟壑区的过渡地带。为黄河中游吴堡—龙门段西岸相邻的两条一级支流，流域内的经济发展水平不是很高，人民群众的生活水平相比比较低下，这需要国家大力的财政投入支持，如此才能有效把经济发展与黄河的治理开发结合好，才能有效保护黄河资源。

(2) 经济开发将带来一些列环境问题和社会问题，将极大影响黄河水沙的变化，应完善水土保持监测网络的建设，加强水文站的水文监测、统计和分析，加强环境监管，为该地区的开发与治理提供客观详实的科学依据。

[1] 冉大川.黄河中游河龙区间水沙变化研究综述[J].泥沙研究,2000(3):72-81.

[2] 左大康,叶青超.黄河流域环境演变与水沙运行规律[J].中国科学基金,1991(4):6.

[3] 熊贵枢.黄河流域水利水保措施减水减沙分析方法简述[J].人民黄河,1994(11):33-36.

[4] 张宏鸣.基于GIS的区域水土流失模型的优化与改进[D].陕西 杨凌：西北农林科技大学,2008.

[5] 常丹东.黄河流域水土保持用水研究[D].北京:北京林业大学,2006.

[6] 姚允龙,王蕾,吕宪国,等.挠力河流域河流径流量对气候变化的敏感性分析[J].地理研究,2012,31(3):409-416.

[7] 徐学选,琚彤军,郑世清.延安燕沟流域次降雨泥沙来源分析[J].中国水土保持科学,2008,6(3):38-42.

[8] 张晓明,余新晓,武思宏,等.黄土区森林植被对坡面径流和侵蚀产沙的影响[J].应用生态学报,2005,16(9):1613-1617.

[9] 张孝中,张经济,冀文慧.无定河延河流域水沙变化现状,成因及发展趋势的研究[R].陕西省水土保持勘测规划研究所,1998.

ResearchonSoilandWaterConservationAchievementsofBenefitsofRunoff&SedimentationReductionoftheShiwangRiver

XU Jia-long1, ZHANG Yun3, ZHANG Xue-bing3, HE Huan3, SHEN Wei-bo2,3, WANG Guo-dong3, HU Bo4

(1.ShaanxiInstituteofSoilandWaterConversation,Xi′an710004,China; 2.StatekeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,MWR,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.DepartmentofSoilandWaterConservation,ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

The predominate 11.2 km2sedimentation area of the Yellow River lies between Hekou and Longmen, where the river runs through 725.1 km in length, with a drop of 607.3 m and a water surface slope of 0.084%. The Shiwang River is one of the first level tributaries of the Yellow River west to the area from Wubu to Longmen, with a drainage area located at the transition zone of the loess hilly gully region and the plateau gully region. This paper has provided a solid basis for the comprehensive control of the Yellow River through deep analysis and discussion on the variation of the runoff and sediment of Shiwang River Basin. This paper has analyzed the water and sediment sources and their relation with the rainfall based on the data from 1970 to 1989, and compared the changes in the amount of rainfall, runoff and sediment during different periods based on the data from 2006 to 2010. The results from the hydrology method have shown the beneficial results of runoff and sediment reduction from soil and water conservation. The double cumulative curve method has been proved reasonable for the water variation analysis of the Shiwang River Basin, which has indicated the relations among rainfall, runoff and sediment. The ratio of runoff and sediment reduction benefits from soil and water conservation measures to the reduction overall has increased year by year, comparied to the ratio of benefits from the rainfall factor. In the recent 30 years, soil and water conservation has been taken more and more seriously by the government. Conservation works carried out on the Loess Plateau Region have the significant influences on runoff and sediment reduction of this drainage area.

Shiwang River; soil and water conservation; sediment and runoff reduction

2014-03-02

：2014-07-04

黄土高原土壤侵蚀与旱地农业重点室基金资助(K318009902-1320)；国家自然科学基金(41101521)

徐家隆(1982—),男,陕西山阳人,工程师,硕士,主要从事水土保持、小流域非点源污染等方面的工作。E-mail:38146163@qq.com

申卫博(1979—),男,陕西泾阳人,助理研究员,博士,主要从事水环境、土壤侵蚀方面的研究工作。E-mail:shenweibo@ms.iswc.ac.cn

S157

：A

：1005-3409(2014)06-0140-04