黄土高原暴雨产沙路径及防控——基于无定河流域2017-07-26暴雨认识

高海东,李占斌,2,李 鹏,任宗萍,杨媛媛,王 杰

(1.省部共建西北旱区生态水利工程国家重点实验室西安理工大学,710048,西安;2.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)

黄土高原以严重的水土流失闻名于世,总面积62.40万km2,土壤侵蚀面积达39.08万km2,占总面积的62.63%。黄土高原地区的水土流失面积集中：土壤侵蚀模数≥5 000 t/(km2·a)的强度以上水蚀面积达19.1万km2,占全国同类面积的38.8%;侵蚀模数≥8 000 t/(km2·a)的极强度以上水蚀面积8.51万 km2,占全国同类面积的64.1%;侵蚀模数≥15 000 t/(km2·a)的剧烈水蚀面积 3.67万km2,占全国同类面积的89%;局部地区的侵蚀模数甚至超过3万t/(km2·a)[1]。

为遏制严重的水土流失,我国政府在黄土高原开展了大规模的生态治理措施。截至2012年[2],黄河上中游地区梯田面积为349万hm2,黄土高原地区平均植被覆盖度提升至60%[3],黄土高原共建成淤地坝9万多座[4],其中骨干坝5 500多座,淤成坝地28.63万hm2。

经过治理,黄河及主要支流输沙量显著下降,以黄河干流头道拐、潼关、花园口以及利津4个代表性水文站实测数据为基础,分析近年来黄河水沙变化特征,不同年代径流量及输沙量统计见表1。根据M-K检验,4站年径流量及年输沙量均呈极显著减少趋势(P＜0.001)。以潼关站为例,1952—1959年,年均径流量为426.34亿 m3,年均输沙量为18.04亿t,2010—2015年,年均径流量为268.38亿m3,年均输沙量仅1.66亿t。

但是,在暴雨条件下,黄土高原局部地区河流输沙量仍然维持在高位。2017年7月25—26日,无定河流域普降暴雨,暴雨中心位于绥德赵家砭和四十里铺,雨量分别为252和247 mm。受暴雨影响,大理河绥德站洪峰流量达3 290 m3/s,最大含沙量达837 kg/m3,为1959年建站以来最大洪水,无定河白家川站洪峰流量达4 480 m3/s,最大含沙量达837 kg/m3,场次洪水输沙量达到7 756万t,为1975年建站以来最大洪水。

大规模生态治理形势下,黄土高原侵蚀源地有无变化?典型小流域侵蚀特征如何?防治对策如何?为解决以上问题,笔者在2017-08-10—08-13对无定河7月26日暴雨进行了调查。

表1 黄河干流主要水文站径流量及输沙量变化Tab.1 Runoff and sediment yield of the main streams of the Yellow River

1 黄土高原典型小流域暴雨侵蚀特征

王茂沟是无定河下游的一条小流域,位于黄土高原丘陵沟壑区腹地,是黄土高原小流域治理的典范,坝系布局完善,坡耕地少,梯田比例大,植被覆盖较高。王茂沟流域沟口布设有把口站,监测径流和泥沙过程,流域中部安装全自动气象站。2017-07-26暴雨后,笔者于8月10日对坝地淤积厚度进行调查,共调查62处。调查点见图1。

图1 王茂沟流域监测图Fig.1 Monitoring map in Wangmaogou watershed

1.1 降雨特征分析

此次暴雨从2017年7月26日00：05：00起,2017年 7月 26日 08：15：00止,降雨历时 8 h10 min,总雨量148.8 mm,最大5 min降雨强度120 mm/h,最大30 min降雨强度81.6 mm/h,最大1 h降雨强度51.2 mm/h,平均降雨强度18 mm/h。降雨过程见图2。

1.2 输沙与淤积特征

王茂沟把口站最高洪水深度为2 m,洪峰流量为24.26 m3/s,最大含沙量为381 kg/m3,把口站输沙总量为3.56万t,输沙模数为5 965 t/km2。坝地最小淤积厚度为3 cm,最大为80 cm,平均淤积厚度为21 cm,淤积总量为11.53万t(表2),坝地洪水深度最低为15 cm,最高为250 cm,平均为59 cm。根据淤积量与输沙量可得知,本次暴雨产生的侵蚀总量为15.09万t,土壤侵蚀模数为2万5 280 t/km2,泥沙输移比为0.24。

1.3 典型小流域暴雨侵蚀特征

2012年陕北7月15日暴雨,笔者也曾对王茂沟流域进行过调查,2012-07-15王茂沟降雨历时2 h 45 min,降雨量为90.5 mm,1 h最大降雨量达到76 mm,坝地共淤积泥沙15.90万t,王茂沟把口站输沙总量为2.79万t,流域出口与坝地泥沙总量为18.69万t,土壤侵蚀模数为3.13万t/km2,泥沙输移比为0.15。2012年总雨量低于2017年,但是最大1 h降雨强度高于2017年,导致2012年流域土壤侵蚀模数高于2012年,同时,2012年暴雨后,王茂沟大部分中小型淤地坝溃决,部分淤地坝后期未进行修补,部分淤地坝淤满,导致2017年泥沙输移比提高,坝系拦沙能力降低。

暴雨条件下,黄土高原丘陵沟壑区产沙路径为：梯田下部田坎→坡耕地→土质道路→沟壁→淤地坝垮坝→沟道及河道堆土。

1)梯田下部田坎：暴雨和大暴雨是影响梯田蓄水保土效益的重要因素之一,随着降雨增大,保土效益有降低的趋势[5],暴雨和大暴雨也是造成梯田破坏的主导因素。李慧娟等[6]调查发现,极端降雨下,梯田侵蚀均以面蚀为主,并伴随有沟蚀,自上而下面蚀、沟蚀所占比重及其侵蚀强度越来越大。下部的第8阶梯田,其侵蚀模数是上部第1阶梯田的60多倍。黄土高原地形较陡,故田面较窄,梯田阶数多,因此,梯田下部田坎是暴雨条件下黄土高原侵蚀泥沙的1个重要源地(图3(a))。

2 黄土高原暴雨条件下产沙路径

表3 王茂沟流域2012年7月15日暴雨与2017年7月26日暴雨侵蚀特征对比Tab.3 Comparison of storm erosion characteristics between 2012 07 15 and 2017 07 26 in Wangmaogou watershed

2)坡耕地：经过大规模退耕还林(草),黄土高原坡耕地面积显著减少,但是部分地区,坡耕地仍然分布较广,根据国家发展改革委、水利部印发的《全国坡耕地水土流失综合治理“十三五”专项建设方案》,黄土高原耕地总面积为1 154万hm2,其中坡耕地面积为460万hm2,占耕地总面积的40%。坡耕地中,5°～15°缓坡耕地比例为60%,15°以上陡坡耕地面积为40%。坡耕地一直是黄土高原的主要泥沙来源地,暴雨条件下,侵蚀量更高(图3(b))。

3)土质道路：土质道路是黄土高原重要的运输通道,广泛分布在村及地块之间,在农业生产与经济建设活动中具有重要作用[7]。土质道路经长期人畜践踏和车辆碾压后,路面下凹,成为周围坡面径流汇集与输送的通道,加之黄土抗侵蚀能力差;因此,土质道路侵蚀是黄土高原普遍存在的一种相当严重的侵蚀类型(图3(c))。

4)沟壁：沟壁位于峁边线以下的沟谷地带,坡度极大,黄土裸露,难以治理。暴雨条件下,坡面来水加大,且坡面经过治理,含沙量降低,清水下沟挟沙力增加,加大了沟壁的侵蚀量(图3(e))。

5)淤地坝垮坝：淤地坝垮坝也是黄土高原泥沙的1个重要来源,超标洪水引起的渗流破坏、放水建筑物受损和漫顶溃坝是造成黄土高原淤地坝溃坝的主要原因。溃坝后,坝体和坝地泥沙顺流而下,成为泥沙来源。根据实地察看,淤地坝溃坝后,被破坏的坝地面积不大,但是冲蚀沟很深,下切严重(图3(f))。

6)沟道堆土：随着社会经济发展,黄土高原地区生产建设项目众多,生产建设项目产生的弃土,防治措施不力、不及时,或者倾倒进入河道,成为泥沙来源(图3(d))。

3 防治对策

1)完善小流域→支流→黄河干流三级输沙通道,保障排沙畅通。在小流域尺度上,重点应加强淤地坝溢洪道建设,加快淤地坝除险加固,提升淤地坝系排洪能力。具体而言,就是在坝地阴坡一侧(阳坡一般为居民地和道路),构建完善的排洪渠道。溢洪道下段,为了防止沟道下切,破坏已淤满坝地,应修建为浆砌石溢洪道。对于骨干坝和中型坝,都应该修建排洪渠道,以提高支沟内部以及支沟和主沟的连通度,提升流域排洪能力。

在支流上,随着我国城镇化进行加速,城市扩张,原有河道受到不同程度的挤占,行洪区修建违章临时建筑。以绥德县为例,根据遥感解译,2017年绥德城区面积较1999年增加到800多hm2,增幅达到7倍多,而河道面积减少了270多hm2,减幅达到68.2%。根据笔者统计,黄河中游地区,省会城市有西安和太原,西安跨渭河、太原横于汾河。地级市有东胜、榆林、延安、天水、离石以及三门峡等17座,除东胜和西峰外,其余地级市所在地均临河而建。县(旗、市)级居民地共有172座,其中临黄河而建的有7座,跨黄河一级支流的有55座,跨黄河二级支流的有44座,其他66座。因此,城市扩张过程中,应该科学规划,给河流预留充足的行洪空间,对于已经建成的且侵蚀河道的城市,应实行退城还河,提高河道的过洪能力。

在黄河干流体系上,应加快建设完善黄河水沙调控体系,上游修建黑山峡河段水利枢纽工程,配合龙羊峡和刘家峡水库调控水沙,中游修建古贤水库和碛口水库,与小浪底、三门峡水库配合调控水沙,将有效地调控黄河上中下游和河口水沙量及其过程,解决黄河水沙关系不协调的问题,保障黄河的长治久安[8]。

2)持续推进退耕还林(草)和坡改梯工程,加强坡耕地治理。经过退耕还林(草)后,黄土高原坡耕地面积大幅减少,但面积仍然较多。根据笔者调查,坡耕地单产一般为1 000 kg/hm2左右,黄土高原460万hm2坡耕地,粮食总产量为460万t,2013年,黄土高原粮食总产量为4 712万t,坡耕地以40%的比例贡献了大约10%的产量。因此,仍应推进退耕还林(草)工程以及坡改梯工程,力争做到黄土高原无坡耕地的理想状态。

3)加强农村道路建设和坡面径流调控能力,防治道路和沟壁侵蚀。道路侵蚀与沟壁侵蚀防治是黄土高原土壤侵蚀治理的难点。对于道路侵蚀防治,要加大投入,加强农村公路建设以代替土质道路,达到减少土壤侵蚀与带动农村经济发展的双重目的,实现生态建设与社会发展双赢。

随着坡面植被恢复程度的提高,坡面径流含沙量降低,挟沙力增强,一定程度上加大了沟壁侵蚀,新形势下,呈现出“缓坡产流,陡坡产沙”态势。对于沟壁侵蚀防治,应该从“异位”入手,即减少对沟壁的干扰,从上应加大坡面径流拦截,减少清水下沟,从下应加强沟道治理,提高侵蚀基准面,减少沟壁侵蚀。

4)加强梯田管护。刘晓燕等[9]发现当梯田上方汇水面积大于下方梯田面积的3倍左右时,梯田将很难完全容纳上方来水,极可能出现田埂或边壁破坏现象。新修梯田,应从峁顶开始,或是峁顶修建集雨场等,加强降水集蓄工程建设,应该因地制宜修建排水渠道、水窖、涝池等径流调控设施,减少径流下沟,降低梯田上方汇水面积[10]。

从产沙角度看,有埂水平梯田的产沙对降雨强度并不敏感[9],因此应加强田埂维护,有条件的地方可以修建反坡梯田,降低流速,减少冲刷。在气候变化条件下,极端暴雨事件突显,梯田设计标准应提高。目前,梯田的防御标准为20年一遇,应适当提高至50年一遇。

5)加强生产建设项目监管,管控建设项目弃土。推进水土保持监测“天地一体化”,综合应用地理信息科学技术,通过水土保持监督管理信息系统的信息汇集、处理、传送、自动识别与判断功能,对生产建设项目水土流失防治责任范围、扰动地表情况、弃渣场数量与位置、水土保持措施落实情况等实施全天候、全覆盖监管,为水土保持检查、监督执法等提供及时、全覆盖、精准的技术支持,全面提升水土保持监管水平和能力。加强施工单位生态环境保护宣传,使低影响开发和环保理念深入人心,杜绝弃土进入河道。