极端降雨情形下黄土区水土保持治理的减沙效益估算

郑明国，梁 晨，廖义善，黄 斌，袁再健

极端降雨情形下黄土区水土保持治理的减沙效益估算

郑明国，梁 晨，廖义善，黄 斌，袁再健

（1. 广东省科学院生态环境与土壤研究所，华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心，广东省农业环境综合治理重点实验室，广东省面源污染防治工程技术研究中心，广州 510650；2. 梅州市国际水土保持研究院，梅州 514000）

极端降雨情形下水土流失治理的效益评估对黄河治理具有重要意义，但由于缺乏有效的针对降雨事件尺度的定量评估方法，该问题长期存有争议。2017年陕西榆林“7·26”特大暴雨致灾严重，引发广泛关注。该研究提出了一种适用于事件尺度的减沙效益计算方法，并以岔巴沟流域为研究对象，计算流域水土保持治理在“7·26”暴雨事件中的减沙效益。研究结果表明，在流域未治理时段，高强度降雨事件具有较好的降雨径流关系，并且事件平均含沙量相当稳定，藉此可估计“7·26”洪水发生在未治理时段的产流量和平均含沙量，从而计算出相应的产沙量，估算出流域治理的总减沙效益。进一步，利用坡面措施（包括梯田和植被）和淤地坝减沙机制的不同，可分割其各自的减沙贡献。计算结果表明，“7·26”暴雨中，流域水土保持治理使得洪水平均含沙量减小83%，径流减小55.1%，流域治理的总减沙效益因此高达92.4%，与2007－2017年岔巴沟流域泥沙的减幅相当。总减沙效益中有55.1%来自坡面措施，37.3%来自淤地坝措施，2种措施均发挥重要作用。该方法不仅可以计算流域水土保持治理的总减沙效益，还能够分割不同水土保持措施的效益，可广泛应用于黄土区极端降雨情形下水土流失治理的效益评估。

泥沙；植被；土壤侵蚀；水土保持；减沙效益；极端降雨；黄河中游

0 引 言

极端降雨是对人类社会危害严重的自然灾害。黄土高原近期频繁发生极端降雨[1]，水土流失治理工程能否经受住极端降雨的考验、在极端降雨中发挥的效益如何，是黄河治理研究中必须回答的重要问题。

在黄河中游，极端降雨下水土保持治理的减沙效益长期存有争议。刘晓燕[2]对2012年7月河龙区间的2次特大暴雨进行了分析，与历史暴雨洪水比对后发现，水土保持治理减沙效益在大部分流域都超过80%，甚至达到96%。胡春宏等[3]也发现，2000年后黄河中游极端降雨情况下的雨沙关系发生了明显变化，事件产沙量平均减少了50%～85%，Zhao等[4]的计算结果类似。但也有许多研究者认为极端降雨下流域水土保持治理的效益有限，甚至为负效益。王芸等[5]在黄土高塬沟壑区的研究表明，流域综合治理显著降低了中低强度降雨事件的单位径流输沙量，但对高强度事件影响不大。许炯心[6]发现，尽管自1980年以来，水土保持治理已大幅度减少了入黄泥沙，但年降水量高于580 mm后，水土保持措施的减沙效益十分有限。潘贤娣等[7]发现，河龙区间1970年以前和1970年－1990年2个时段的降雨-径流和径流-输沙关系并没有趋势性的变化，因此认为，一般降雨情形下，流域水土保持治理的减水减沙效益高且稳定，但在大暴雨年份，径流、泥沙和洪峰流量仍将明显增加。张胜利[8]对无定河流域“94·8”暴雨调查后也有类似结论。

2017年7月25晚至26日上午，陕西榆林市突降特大暴雨（以下称“7·26”暴雨），暴雨中心集中在无定河（黄河一级支流）的支流-大理河流域，降雨量150～200 mm，最大为252.3 mm，重现期近百年[9]，其平均雨强、最大1 h雨强和最大6 h雨强也均为历史最高纪录[9]。暴雨导致受灾人口共计43.25万人，直接经济损失69.33亿元。

对“7·26”暴雨的侵蚀产沙过程目前已有较多研究，但对该事件过程中水土保持措施的减沙效益评估尚较少开展。刘宝元等[10]对绥德县韭园沟小流域进行了调查，认为“7·26”暴雨中该流域的植被、梯田和淤地坝等水保措施发挥了巨大的减洪减沙效益，60 a的水土保持“修成正果”。胡春宏等[3]通过与未治理小流域的比对，认为“7·26”暴雨中韭园沟流域水土保持措施的减沙效益为75%。肖培青等[11]通过分布式模型计算，认为在大理河典型支流岔巴沟流域，与基准年（1978年）相比，“7·26”暴雨中水土保持措施减沙总效益为79%。与以上研究不同，徐建华等[12]分析了无定河和大理河流域历史大洪水的降雨-径流和降雨-产沙关系，认为“7·26”暴雨中水保措施减水减沙作用有限，未来发生特大暴雨时仍会有较大的产沙，张金良等[13-14]的研究结果类似。

黄河中游目前已有众多的水土保持措施减沙效益的定量研究成果，但已有的方法（如水文法和水保法）基本针对多年时间尺度，计算结果为治理期的多年平均效益。由于事件尺度的水沙过程更为复杂、影响因素更多，这些方法难以简单套用，这是目前极端降雨情形下水土保持治理效益存有较大争议的主要原因。基于此，本文提出了一种适用于降雨事件尺度的减沙效益评估方法，并以岔巴沟流域为研究对象，对“7·26”暴雨中水土保持措施的减沙效益进行了计算。首先通过与历史大洪水比较，定性分析了“7·26”暴雨中水保措施的减沙效益；然后估算了“7·26”暴雨如发生在未治理时段的产流量、平均含沙量和产沙量，藉此对流域水土保持治理的总减沙效益进行了估算；最后，基于不同水保措施减沙机制的差异，对坡面措施（包括植被和梯田）和淤地坝的减沙效益分别进行了估算。研究结果为评估“7·26”暴雨过程中水保治理的减沙效益提供了定量支撑，所采用方法对其他流域的暴雨事件也有借鉴意义。

1 研究区概况与数据来源

岔巴沟流域位于陕西省榆林市子洲县（109°47′E，37°31′E），把口站曹坪水文站（图1）以上流域面积187 km2，属典型黄土丘陵沟壑区，黄土厚度超过100 m。各级河道均已切入基岩，河床组成一般为碎石夹砂。气候为暖温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量约450 mm，其中70%集中于在6－9月，多为强度大、历时短的暴雨。流域地形破碎，沟壑纵横，平均坡度超过20°，土质疏松，土壤侵蚀严重。1959－1969年监测表明，流域平均年产沙模数为2.2万t/km2。

岔巴沟流域大规模水土保持治理始于1970年。1970年以前，流域内植被稀疏，除较陡的荒坡、沟壑和村庄外，其他基本都开垦为耕地。主要水土保持措施包括植被、梯田以及淤地坝等。淤地坝主要修建于20世纪70年代，陆续共建成近500座，平均2.4座/km2，但其中许多已淤满或被冲毁。由于退耕还林措施的实施，2000年以后植被覆盖度显著增加，2016年植被覆盖度为72%，约为1978年的4倍。流域内现有梯田25.24 km2，占总面积的12.3%。高强度的治理使得流域下垫面发生了巨大变化，水土流失大幅下降，2007－2017年期间流域平均年产沙模数为887 t/km2，仅为1959－1969年期间的4%。

本文所用降雨、径流、泥沙数据，1970年以前的来源于《黄河流域子洲实验站水文试验资料》（1959－1969），相关水文站、雨量站和径流场位置见图1。本文所选择的试验流域包括岔巴沟内不同大小的各级子流域，坡面径流场包括从峁坡上部到全坡面不同尺度，未选择已采取治理措施的流域和观测时间较短的试验点。本文1970年以后的相关数据摘录自《中华人民共和国水文年鉴》（1970－2017）。文中“产沙”一词指观测时段内通过河流某一断面的悬移质总量。

2 方法的提出

2.1 减沙总效益评估

给定发生于流域水土保持治理后的某一暴雨事件，经实测，获取其降雨量为（mm），对应的洪水径流深（mm）、平均含沙量（kg/m3）、产沙模数（t/km2）分别为、、SSY，有SSY=；现假定该事件发生在流域未治理时段，设其对应的洪水径流深、平均含沙量、产沙模数分别为0、0、SSY0，有SSY0=00。设Δ=0−，Δ=0−，ΔSSY=SSY0−SSY=00−SSY。忽略水土保持治理以外的其他人类活动，ΔSSY即为事件发生时流域各项水土保持措施的减沙总效益，确定ΔSSY只需估计出0和0即可。

2.2 坡面措施和淤地坝的减沙效益分割

2.2.1 坡面措施的流域减沙机制

对任一洪水事件，总有SSY=。山西离石站和甘肃天水站的观测均表明[15-21]，在流域尺度上，坡面措施仅通过减来减SSY。相关机理可概括为：1）坡面措施不能有效地抑制沟谷重力侵蚀和流水侵蚀，因此坡面措施的实施不会改变黄土区泥沙来源充沛的特点，坡面水下沟后会继续冲刷；2）在黄土区流域，当洪水流量在某一时刻达到某一临界值后，其后的时段内含沙量基本保持稳定，并不随流量变化而变化[22]。在泥沙来源仍然充沛的情形下，尽管坡面措施的实施会减小沟谷流量，但如流量仍保持在该临界值以上，则含沙量并不会减小[16]。因此，除非坡面措施的实施使得洪水事件的洪峰流量小于该临界流量（黄土区洪水过程线陡峭，大部分径流发生洪峰流量附近），则坡面措施仅通过减来减SSY[15]。姚文艺等[23]研究发现，尽管近期黄河中游许多支流的降雨径流关系发生了变化，但汛期时段的径流产沙关系并没有变化，其原因可能与此相关。

2.2.2 减沙效益分割

设坡面措施和淤地坝在事件过程的减水量分别为ΔSM和ΔCD（mm），单位流域面积的减沙量分别为ΔSSYSM和ΔSSYCD（t/km2），忽略其他人类活动的效应，有Δ=ΔSM+ΔCD，ΔSSY=ΔSSYSM+ΔSSYCD。减沙效益分割的目的即确定ΔSSYSM和ΔSSYCD。

与坡面措施不同，淤地坝一般通过同时减小和来减SSY[15]，可利用两者减沙机制的不同来进行减沙效益分割。为叙述方便，以下假定淤地坝仅修建在流域出口。事件在治理后的下垫面发生时，减沙过程可分解为以下3个步骤：

1）由于坡面措施的减水作用，从坡面进入河道的径流减小为0−ΔSM，由于坡面措施不影响流域出口的含沙量，故这些径流在汇入淤地坝库区时含沙量为0，单位流域面积的汇入沙量因此为0(0−ΔSM)，这一过程使得流域产沙模数减小了0ΔSM；

2）淤地坝拦截了ΔCD的径流，这些径流含沙量为0，这一过程使得流域产沙模数进一步减小了0ΔCD；

3）剩余径流经由淤地坝排出。这些径流进入淤地坝时含沙量为0，排出时含沙量为，含沙量减小了Δ，这一过程使得流域产沙模数减小了Δ。

步骤1）的减沙效益完全由坡面措施导致，故有：

ΔSSYSM=0ΔSM（1）

步骤2）的减沙效益通过淤地坝减所导致，步骤3）的减沙效益通过淤地坝减所导致，故有：

ΔSSYCD=0ΔCD+Δ（2）

以上两式同文献[15]，以下将利用这2个公式确定ΔSSYSM和ΔSSYCD。和可通过实测资料获取，实际运用这2个公式时需要确定0、ΔSM和ΔCD的值。

3 结果与分析

3.1 “7·26”暴雨水沙特性及其与历史大洪水比较

将“7·26”暴雨与历史大洪水比较，藉此可对“7·26”暴雨中的水土保持效益作定性评估。1966-07-17暴雨为岔巴沟未治理时段（1959－1969年）产流和产沙均最大的一次洪水事件。表1给出了该次暴雨和“7·26”暴雨的特征数据，图2比较了“7·26”暴雨和1966-07-17暴雨的流量和含沙量过程线。

表1 “7·26”暴雨与1966-07-17暴雨特征对比

尽管“7·26”暴雨的降雨量和雨强都显著高于1966-07-17暴雨，但其流量过程线显著坦化，径流总量略低，事件平均含沙量只有后者的1/6左右，导致产沙也约为后者的1/6。如图3和图4所示，“7·26”洪水的含沙量甚至要低于治理前的一般性降雨事件数倍，这导致其产沙仅相当于未治理时段的一次普通降雨事件。例如，1959年8月5日降雨量仅21.7 mm，径流量为6.6 mm，但由于洪水平均含沙量高达699 kg/m3，因此产沙模数略微高于“7·26”暴雨，为5 086 t/km2。这充分说明流域治理在此次极端降雨事件起到了巨大的水土保持效益。

3.2 减沙总效益评估

3.2.10的求取

黄土高原为典型的超渗产流。超渗产流情形下，高强度降雨事件的产流特性和低强度事件显著不同，因此，分析高强度事件的产流规律时应剔除低强度事件。“7·26”暴雨事件径流系数为0.2，可以认为，如该事件发生在植被稀疏的未治理时段，其径流系数应显著高于0.2，因此定义径流系数高于0.2的事件为高强度事件，通过建立其降雨-径流（-）关系来推算0。图5表明，尽管对所有事件，岔巴沟流域未治理时段的-关系比较散乱，但对高强度事件，其-关系却非常密切（2=0.87）。因此可利用图5b中的回归方程来计算0，计算结果为0=78.5 mm。

注：虚线的斜率为0.2，表示径流系数为0.2，虚线以上的点代表高强度事件。P和R为分别为降雨事件的降雨量和洪水径流深。下同。

3.2.20的求取

前期研究表明，在黄土区大规模流域治理前，绝大部分水流都可以达到冲刷限制下的极限含沙量（水流此时已无冲刷能力，但搬运能力未必饱和）[24-25]，因此除一些小的径流事件外，历次洪水的平均含沙量变异并不大[26-27]，与降雨特性基本无关[15,28-29]，使得-SSY关系可用比例函数来表示[5, 21, 26-27, 30]。图6表明，对于治理前的岔巴沟流域，无论仅采用高强度降雨事件或采用所有降雨事件，SSY关系都可用比例系数很好地拟合，比例系数也非常接近（分别为762和785）。该比例系数表示历次洪水的平均含沙量。图4表明，对高强度事件，洪水平均含沙量变异确实较小，变差系数仅为11.7%。因此，可通过该比例系数来估计0。本文取图6b的结果0=785 kg/m3。

注：SSY为降雨事件的产沙模数。下同。

Note: SSY is the specific sediment yield of a rainfall event. The same below.

图6 岔巴沟流域未治理时段的事件径流深与产沙模数关系

Fig.6 Relationship between runoff depth and specific sediment yield of the Chabagou Watershed for the non-management period

按以上计算结果，0=78.5 mm，0=785 kg/m3，因此SSY0=61 623 t/km2，ΔSSY=56 917 t/km2（表2）。按此结果，在“7·26”暴雨中，流域水土保持治理使得“7·26”洪水平均含沙量减小了83%，径流减小了55.1%，产沙因此减小了92.4%。

3.3 坡面措施和淤地坝减沙效益分割

如2.2节所述，坡面措施实施后，如洪峰流量仍超过含沙量达到稳定时的临界流量，则坡面措施仅通过减来减SSY。如图3所示，在岔巴沟，上述临界流量在约50～150 m3/s的范围内，流量大于50 m3/s时，含沙量基本都在500 kg/m3以上，但同流量下仍有一定变幅，流量大于150 m3/s后，含沙量变幅明显变小。“7·26”洪水洪峰流量为299 m3/s，远超该临界区域。根据洪水过程数据，即使取150 m3/s为临界流量，“7·26”洪水过程中流量达到该临界值后，其后的洪水历时也贡献了总流量的91.1%。因此，可以认为，在“7·26”暴雨中，坡面措施仅通过减来减SSY。

表2 减沙效益计算结果

注：0、0和SSY0分别为假定“7·26”暴雨发生在未治理时段的洪水径流深、平均含沙量和产沙模数。下同。

Note:0,0and SSY0are the runoff depth, average sediment concentration and specific sediment yield of the flood assuming that the "7.26" rainstorm had occurred during the non-management period, respectively. The same below.

应用公式（1）和（2）进行减沙效益分割时，需要确定0、ΔSM和ΔCD的值。0值在3.2节已确定，故只需确定ΔSM或ΔCD值即可。ΔCD值指洪水后仍滞留在淤地坝库区的水量。对“7·26”暴雨后岔巴沟现存的146座淤地坝的调查表明，仅有10座仍有蓄水[31]，占比不到7%。淤地坝的库容非常小，且由于多年的泥沙淤积，目前大部分淤地坝的有效库容已很低，在岔巴沟，约80%的淤地坝其淤积面距坝顶的高度已小于6 m[32]。故可认为“7·26”暴雨中ΔCD值很小，可忽略。

按上述，忽略“7·26”暴雨中淤地坝减水量，认为所有减水均由坡面措施所造成。故有：ΔCD=0，ΔSM=Δ=43.3 mm（表2）。代入公式（1）和（2）计算，分别得到ΔSSYSM=33 960 t/km2，ΔSSYCD=22 957 t/km2。据此可计算出，在流域水土保持治理总的减沙效益中，有55.1%来自坡面措施，37.3%来自淤地坝，坡面措施的减沙贡献约是淤地坝的1.5倍。

4 讨 论

4.1 误差估计及计算合理性分析

SSY0值的计算误差取决于0和0的估计误差。0值根据图5b中的回归方程估计，该方程的标准误为2.86 mm。在95%置信水平下，随机变量的置信区间范围为标准差的1.96倍，因此给定95%的置信水平，0值预测的最大绝对误差为5.6 mm，对应的最大相对误差为7.1%。0值根据图6b中方程的斜率项估计，其标准误为9.9 mm，表明在95%的置信水平下，0值预测的最大绝对误差为19.4 kg/m3，最大相对误差为2.5%。根据0和0的最大误差，可估算SSY0值预测的最大相对误差为9.8%。

按本文计算结果，如“7·26”暴雨发生在岔巴沟流域未治理时段，其径流系数为44%，平均含沙量为785 kg/m3。对黄土高原众多试验小流域的资料分析发现[33]，极强烈侵蚀事件（SSY>1万t/km2）的径流系数一般超过30%，甚至高达70%，平均含沙量为600～900 kg/m3。本文计算结果在该统计范围内。图7表明，在岔巴沟流域未治理时段，从不同坡长的坡面到各级子流域，高强度降雨事件的径流系数基本都在0.40～0.55左右（图中回归方程中斜率可作为径流系数的估计值），和岔巴沟整个流域的产流特性相近。

水文法是计算人类活动减沙效益的常规方法[34]，由于事件尺度的-SSY关系往往较为散乱，水文法基本只运用于年际尺度。图8表明，尽管对所有降雨事件，岔巴沟未治理时段-SSY关系非常散乱，但高强度事件的-SSY关系却非常密切（2=0.86）。因此可按水文法的思路计算SSY0和ΔSSY，计算结果分别为61 462和56 756 t/km2（图8b），与表2中结果高度吻合。

按本文结果，SSY0=61 623 t/km2。根据对闷葫芦坝淤积量测量结果，“7·26”暴雨中岔巴沟全流域的平均侵蚀强度高达2.5万t/km2左右[31,35]，考虑本次暴雨中坡面措施巨大的水土保持效益，可认为SSY0必定远超2.5万t/km2。在流域未治理时段，土地利用方式主要为坡耕地，可通过坡耕地的侵蚀情况推测SSY0值。调查表明，“7·26”暴雨中峁坡下部坡耕地的侵蚀强度可达3.7 t/km2，甚至超过10万t/km2[36]。基于实测的坝地淤积数据，王楠等[36]推测，“7·26”暴雨中坡耕地较多的一小流域的侵蚀强度至少为4.6万t/km2，而相邻坡耕地少的小流域仅为1.2万t/km2。闷葫芦坝的淤积测量结果[9,35,37-38]也表明，“7·26”暴雨中一些小流域的产沙模数超过了4万t/km2，甚至高达9.4万t/km2，这些小流域很可能仍分布有较多坡耕地。

4.2 计算方法及结果适用性

估计SSY0的最大难点在于0值的估计，比例水沙关系较好地解决了该问题。由于比例水沙关系在黄河中游普遍存在[27]，因此，本文提出的水土保持治理总减沙效益的计算方法也应能较好运用于其他黄土流域。

植被梯田等坡面措施仅通过减水来减沙，这是本文进行减沙效益分割的关键依据。该规律发挥作用的一个前提条件是：坡面措施对重力侵蚀、沟谷侵蚀抑制作用有限。黄土区的植被恢复主要发生在梁峁坡，陡峭的沟坡仍然黄土裸露，暴雨期间重力侵蚀频繁[39]。余欣等[9]采用核素示踪法分析了岔巴沟“7·26”暴雨中的泥沙来源，发现梁峁坡的产沙贡献仅约20%，剩余80%左右的泥沙来自沟坡部位，这表明重力侵蚀和沟谷侵蚀仍然是重要的产沙方式[10,12,39-40]。世界其他地区的研究也表明[41-42]，植被覆盖增加后，沟谷侵蚀对总产沙的贡献可能增加。

如2.2.1节所述，坡面措施仅通过减水来减沙，该规律发挥作用的另一前提条件是：坡面措施实施后，洪峰流量仍可超过含沙量达到稳定所需要的临界流量。由于该临界值非常小（参考图3和文献[26]），坡面措施很难将洪水过程中所有流量都控制在该值以下。大理河绥德站的监测数据表明，“7·26”洪水的洪峰流量为3 290 m3/s，远超未治理时段的最大流量纪录（1 720 m3/s），为该站建站以来最高纪录[9]。这表明，公式（1）和（2）除适用于岔巴沟外，也能适用于大部分黄土区域。

按本文结果，岔巴沟流域水土保持治理在“7·26”暴雨中的减沙总效益为92.4%，该值可能高于大理河其他区域，其原因为岔巴沟流域淤地坝建设历史悠久，坝系密度高。“7·26”暴雨中岔巴沟的洪峰流量显著低于未治理时段的最大流量纪录（图3），与大理河显著不同，原因很可能与岔巴沟坝系密度高有关。

在黄河中游，流域产沙主要取决于发生概率不大的大暴雨事件，譬如岔巴沟流域“7·26”一次暴雨事件的产沙模数竟然高于2007－2016期间共计10 a的产沙模数总和（4 305 t/km2）。2007－2017年岔巴沟流域的产沙量与未治理时段相比大幅减少，减幅为96%，与本文计算结果相当。如水土保持治理在大暴雨期间减沙效益有限，则多年平均产沙不可能出现如此大幅度的降低。黄河泥沙近期也急剧减少，已由1919－1959年的16亿t/a减少至2010年以来的1.5亿t/a[43]，减幅达90.6%。因此认为，流域水土保持治理在极端降雨情形下发挥极显著的减沙效益应是一个普遍现象。

4.3 数据可获得性

本文方法具有良好的数据可获得性。计算流域水土保持治理的减沙总效益需确定0和0值。黄河中游在大规模流域治理前就已有较多的水文观测站点，建立其-SSY关系即可获取0值。而且，已有研究表明[24-25]，0值基本仅由流域土壤或泥沙粒径特性决定，由于黄土特性在空间上变异很小，因此0值的空间变异也不大。例如，在整个无定河黄土区范围内（约1.4万km2），不同流域的水沙关系都可表示为SSY730[25]。利用这种空间不变性，可非常容易地求取不同流域的0值。

本文通过建立-关系来推求0值。极端降雨通常雨强较大，这导致其径流系数往往较高。与许多研究不同，本文建立-关系时剔除了低强度降雨事件。如图7所示，对高强度事件，岔巴沟流域内从不同坡长坡面到各级子流域也存在和图5b中类似的-关系，即-关系也具有空间不变的性质。-关系的空间不变性甚至适用于更大区域（论文投稿中），利用这种空间不变性，可非常容易地求取0值。

进行坡面措施和淤地坝减沙效益的分割还需要确定ΔSM或ΔCD的值，这是公式（1）和（2）运用的难点之一，但可认为，尤其在极端降雨情况下，淤地坝减水量有限。主要原因是黄河中游1980年以前修建的大量无排水设施的中小淤地坝由于淤积历史长，已基本失去拦水拦沙效应[36, 44]。目前仍在发挥效应的主要是较大型淤地坝，这些淤地坝一般配备有排水设施，且因防汛需要，按有关规定严禁蓄水，实地调查表明确实如此[2]。洪水事件后仍有蓄水的原因主要是部分淤地坝仅修建溢洪道而无放水建筑物，在岔巴沟流域的调查表明，该类型淤地坝仅占总量的1/5左右[32]。尽管坝地也有一定减水作用，但其面积一般较小，例如，即使在淤地坝广泛建设的韭园沟流域，坝地面积也仅占流域面积1/24[45]。因此，尽管淤地坝数量众多，但大暴雨期间其减水量可能有限。例如，2013年7月延河流域极端降雨事件后，王瑶水库（大（二）型水库）蓄水量为0.888亿m3[2]。尽管淤地坝蓄水现象普遍，但由于库容有限，蓄水量总计为0.272亿m3[2]，为王瑶水库的31%，占产流总量的比例仅8.9%，如该事件发生在流域未治理时段，该比例会更小。

4.4 淤地坝减沙效益分析

公式（1）和（2）的计算结果表示各治理措施的实际减沙量，并不代表其减沙能力或减沙效率的大小。降雨落到地面，首先坡面措施进行第1轮减沙，水流汇入沟道后，淤地坝进行第2轮减沙，即ΔSSYCD为坡面措施已经发挥效益后淤地坝所减少的泥沙量。由于是“第2轮减沙”，淤地坝的拦沙能力往往不能充分发挥。按3.3部分计算结果，“7·26”暴雨过程中，坡面措施使径流减小了55.1%，故其减沙效益为55.1%。尽管淤地坝将洪水平均含沙量减小了83%，但由于来水量显著减少，其减沙效益也仅为37.3%。假定无坡面措施，在仅有淤地坝情形下，如无大规模溃坝发生，则减沙效益应至少为83%。

除坝体直接拦沙外，由于淤积泥沙抬高了侵蚀基准面，淤地坝也会起到稳定坡谷、减少沟谷冲刷和重力侵蚀的作用[22]，对该效益的评估尚无有效方法。目前淤地坝减沙效益的评估一般仅包括坝体直接拦沙量，难以实现对淤地坝减沙效益的综合评估。任何一种治理措施，其减沙效益必定通过改变或值实现，因此公式（2）计算结果包含了淤地坝的所有减沙效益。按本文计算结果，“7·26”暴雨中淤地坝的总减沙效益为429万t。按水利部黄河泥沙重点实验室[31]和Bai等[35]，“7·26”暴雨中淤地坝的拦沙量分别为195.7万和111万t。按此结果，“7·26”暴雨中淤地坝通过抬高侵蚀基准面实现的减沙效益是其直接拦沙量的1.2～2.9倍，这表明，仅考虑坝体的直接拦沙量会严重低估淤地坝的减沙效益。

5 结 论

基于一种新的针对事件尺度的减沙效益评估方法，本文以岔巴沟流域和“7·26”暴雨为研究对象，分析了黄土高原小流域水土保持治理在极端降雨情形下的减沙效益。结果表明：

1）“7·26”暴雨中，流域水土保持措施的减沙效益巨大，岔巴沟流域的减沙效益高达92.4%，同2007－2017年来该流域的泥沙减幅相当。高强度降雨下水土保持治理具有巨大的减沙效益，这应是黄土区的一个普遍规律。

2）“7·26”暴雨中，岔巴沟流域总减沙效益的55.1%来自坡面措施，37.3%来自淤地坝，坡面措施的减沙贡献约为淤地坝的1.5倍。但淤地坝的减沙能力在此次暴雨中可能未完全发挥，故该结果并不意味着淤地坝的减沙能力小于坡面措施。

3）本文所采用的减沙效益分割方法有效实现了淤地坝减沙效益的综合评估，计算结果表明，淤地坝通过抬高侵蚀基准面实现的减沙效益很可能已显著超过其直接拦沙量。

本文研究方法原理清楚、计算简单，具有较好的适用性和数据可获得性，可有效地应用于黄土区事件尺度的减沙效益评估。

[1]焦菊英，王志杰，魏艳红，等. 延河流域极端暴雨下侵蚀产沙特征野外观测分析[J]. 农业工程学报，2017，33(13)：159-167.

Jiao Juying, Wang Zhijie, Wei Yanhong, et al. Characteristics of erosion sediment yield with extreme rainstorms in Yanhe Watershed based on field measurement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(13): 159-167. (in Chinese with English abstract)

[2]刘晓燕. 黄河近年水沙锐减成因[M]. 北京：科学出版社，2016：343-351.

[3]胡春宏，张晓明，赵阳. 黄河泥沙百年演变特征与近期波动变化成因解析[J]. 水科学进展，2020，31(5)：725-733.

Hu Chunhong, Zhang Xiaoming, Zhao Yang. Cause analysis of the centennial trend and recent fluctuation of the Yellow River sediment load[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(5): 725-733. (in Chinese with English abstract)

[4]Zhao Y, Cao W H, Hu C H, et al. Analysis of changes in characteristics of flood and sediment yield in typical basins of the Yellow River under extreme rainfall events[J]. Catena, 2019, 177: 31-40.

[5]王芸，刘文兆，李志，等. 黄土高塬沟壑区砚瓦川流域水沙关系及其对流域治理的响应[J]. 自然资源学报，2015，30(8)：1403-1413.

Wang Yun, Liu Wenzhao, Li Zhi, et al. The flow-sediment relationship and its response to watershed management in Yanwachuan Watershed, Loess Plateau Gully Region, China[J]. Journal of Natural Resources, 2015, 30(8): 1403-1413. (in Chinese with English abstract)

[6]许炯心. 黄河中游多沙粗沙区水土保持减沙的近期趋势及其成因[J]. 泥沙研究，2004(2)：5-10.

Xu Jiongxin. Recent tendency of sediment reduction in the middle Yellow River and some countermeasures[J]. Journal of Sediment Research, 2004(2): 5-10. (in Chinese with English abstract)

[7]潘贤娣，李勇，张晓华. 河龙区间流域综合治理对水沙特性的影响[J]. 人民黄河，1999(8)：15-17.

[8]张胜利. “94·8”暴雨对无定河流域产流产沙影响的调查研究[J]. 人民黄河，1995，17(5)：24-27.

[9]余欣，侯素珍，李勇，等. 黄河无定河流域“2017.7.26”洪水泥沙来源辨析[J]. 水利水运工程学报，2019(6)：31-37.

Yu Xin, Hou Suzhen, Li Yong, et al. Identifying sediment sources in Wudinghe River during “7·26” flood in 2017[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(6): 31-37. (in Chinese with English abstract)

[10]刘宝元，刘晓燕，杨勤科，等. 黄土高原小流域水土流失综合治理抗暴雨能力考察报告[J]. 水土保持通报，2017，37(4)：2-350.

Liu Baoyuan, Liu Xiaoyan, Yang Qinke, et al. Reports on the anti-rainstorm ability of integrated watershed management in small watersheds of the Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(4): 2-350. (in Chinese with English abstract)

[11]肖培青，王玲玲，杨吉山，等. 大暴雨作用下黄土高原典型流域水土保持措施减沙效益研究[J]. 水利学报，2020，51(9)：1-8.

Xiao Peiqing, Wang Lingling, Yang Jishan, et al. Study on sediment reduction benefits of soil and water conservation measures in typical watersheds in the Loess Plateau under the heavy rainfall[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(9): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[12]徐建华，金双彦，高亚军，等. 水保措施对“7·26”暴雨洪水减水减沙的作用[J]. 人民黄河，2017，39(12)：22-26.

Xu Jianhua, Jin Shuangyan, Gao Yajun, et al. Analysis of the effect of the effect of water and soil conservation measures on storm water and sediment reduction of the flood on July 26, 2017[J]. Yellow River, 2017, 39(12): 22-26. (in Chinese with English abstract)

[13]张金良，刘继祥，万占伟，等. 黄河2017年第1号洪水雨洪泥沙特性分析[J]. 人民黄河，2017，39(12)：14-17.

Zhang Jinliang, Liu Jixiang, Wan Zhanwei, et al. Analysis of rainfall-flood-sediment characteristics of the No. 1 flood in 2017 in the Yellow River[J]. Yellow River, 2017, 39(12): 14-17. (in Chinese with English abstract)

[14]韩丹丹，穆兴民，高鹏，等. 极端降水条件下大理河流域水沙特征对比分析[J].中国水土保持科学，2019，17(6)：61-68.

Han Dandan, Mu Xingmin, Gao Peng, et al. Comparative study on characteristics of runoff and sediment under extreme precipitation conditions in Dali River Basin[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(6): 61-68. (in Chinese with English abstract)

[15]郑明国. 基于水沙关系框架的黄土区不同水保措施减沙贡献分割方法[J]. 农业工程学报，2020，36(7)：173-183.

Zheng Mingguo. Partition of reducing sediment for various soil and water conservation measures of Loess Plateau in China based on runoff-sediment relationship[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 173-183. (in Chinese with English abstract)

[16]郑明国，蔡强国，陈浩. 黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响[J]. 生态学报，2007，27(9)：3572-3581.

Zheng Mingguo, Cai Qiangguo, Chen Hao. Effect of vegetation on runoff-sediment yield relationship at different spatial scales in hilly areas of the Loess Plateau, North China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(9): 3572-3581. (in Chinese with English abstract)

[17]郑明国，蔡强国，王彩峰，等. 黄土丘陵沟壑区坡面水保措施及植被对流域尺度水沙关系的影响[J]. 水利学报，2007，38(1)：47-53.

Zheng Mingguo, Cai Qiangguo, Wang Caifeng, et al. Effect of vegetation and other measures for soil and water conservation on runoff-sediment relationship in watershed scale[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 38(1): 47-53. (in Chinese with English abstract)

[18]晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 降水和水土保持对黄土区流域水沙关系的影响[J]. 中国水土保持科学，2013，11(4)：9-16.

Yan Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu, et al. Effects of precipitation and erosion control practices on the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of typical watersheds in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(4): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[19]晏清洪，原翠萍，雷廷武，等. 黄土丘陵沟壑区吕二沟流域水沙关系变化分析[J]. 中国水土保持科学，2013，11(5)：1-8.

Yan Qinghong, Yuan Cuiping, Lei Tingwu, et al. Variation in the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of Lvergou Watershed in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013, 11(5): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[20]秦瑞杰，李桂芳，李平. 降水和土地利用变化对罗玉沟流域水沙关系的影响[J]. 水土保持学报, 2018，32(5)：29-34.

Qin Ruijie, Li Guifang, Li Ping. Impacts of precipitation and land use change on runoff and sediment in Luoyugou Watershed[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(5): 29-34. (in Chinese with English abstract)

[21]Yan Q H, Lei T W, Yuan C P, et al. Effects of watershed management practices on the relationships among rainfall, runoff，and sediment delivery in the hilly-gully region of the Loess Plateau in China[J]. Geomorphology, 2015, 228: 735-745. (in Chinese with English abstract)

[22]龚时旸，蒋德麒. 黄河中游黄土丘陵沟壑区沟道小流域的水土流失及治理[J]. 中国科学，1978(6)：671-678.

Gong Shiyang, Jiang Deqi. The soil loss and treatment in a small watershed in loess area in the middle reaches of Yellow River[J]. Science in China, 1978(6): 671-678. (in Chinese with English abstract)

[23]姚文艺，高亚军，张晓华. 黄河径流与输沙关系演变及其相关科学问题[J]. 中国水土保持科学，2020，18(4)：1-11.

Yao Wenyi, Gao Yajun, Zhang Xiaohua. Relationship evolution between runoff and sediment transport in the Yellow River and related scientific issues[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(4): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[24]Zheng M G, Qin F, Yan J S, et al. The spatio-temporal invariability of sediment concentration and the flow-sediment relationship for hilly areas of the Chinese Loess Plateau[J]. Catena, 2013, 109: 164-176.

[25]Zheng M G. A spatially invariant sediment rating curve and its temporal change following watershed management in the Chinese Loess Plateau[J]. Science of the Total Environment, 2018, 630: 1453-1463.

[26]Zheng M G, Cai Q G, Cheng Q J.Modelling the runoff-sediment yield relationship using a proportional function in hilly areas of the Loess Plateau, North China[J]. Geomorphology, 2008, 93: 288-301.

[27]Zheng M G, Yang J S, Qi D L, et al. Flow-sediment relationship as functions of spatial and temporal scales in hilly areas of the Chinese Loess Plateau[J]. Catena, 2012, 98: 29-40.

[28]刘晓燕，刘昌明，党素珍. 黄土丘陵区雨强对水流含沙量的影响[J]. 地理学报，2019，74(9)：1723-1732.

Liu Xiaoyan, Liu Changming, Dang Suzhen. Effects of rainfall intensity on sediment concentration in loess hilly region of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 74(9): 1723-1732. (in Chinese with English abstract)

[29]Zheng M G, Chen X A. Statistical determination of rainfall-runoff erosivity indices for single storms in the Chinese Loess Plateau[J]. PLoS ONE, 2015, 10(3): e0117989.

[30]原翠萍，雷廷武，张满良，等. 黄土丘陵沟壑区小流域治理对侵蚀产沙特征的影响[J]. 农业机械学报，2011，42(3)：36-43.

Yuan Cuiping, Lei Tingwu, Zhang Manliang, et al. Sediment yields from the Parallel watersheds in the hilly-gully regions of Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2011, 42(3): 36-43. (in Chinese with English abstract)

[31]水利部黄河泥沙重点实验室. 无定河“2017.7.26”洪水泥沙来源分析[R]. 郑州：黄河水利科学研究院，2018：19-34.

[32]刘宝元，姚文艺，刘国彬，等. 黄土高原“7·26”特大暴雨洪水与水土保持效益综合考察报告[M]. 北京：科学出版社，2020：178-179.

[33]王万忠，焦菊英. 黄土高原降雨侵蚀产沙与水土保持减沙[M]. 北京：科学出版社，2018：315-323.

[34]汪岗，范昭. 黄河水沙变化研究[M]. 郑州：黄河水利出版社，2002：1-430.

[35]Bai L, Wang N, Jiao J, et al. Soil erosion and sediment interception by check dams in a watershed for an extreme rainstorm on the Loess Plateau, China[J]. International Journal of Sediment Research, 2020, 35: 408-416.

[36]王楠，陈一先，白雷超，等. 陕北子洲县“7·26”特大暴雨引发的小流域土壤侵蚀调查[J]. 水土保持通报，2017，37(4)：338-344.

Wang Nan, Chen Yixian, Bai Leichao, et al.Investigation on soil erosion in small watersheds under “7·26” extreme rainstorm in Zizhou County, Northern Shaanxi Province. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017, 37(4): 338-344. (in Chinese with English abstract)

[37]史学建，王玲玲，杨吉山，等. 基于淤地坝沉积信息的流域土壤侵蚀模数估算[J]. 人民黄河，2019，41(2)：103-106.

Shi Xuejian, Wang Linging, Yang Jishan, et al. Calculation of soil erosion modulus based on sedimentation investigation of check dam[J]. Yellow River, 2019, 41(2): 103-106. (in Chinese with English abstract)

[38]张意奉，焦菊英，唐柄哲，等. 特大暴雨条件下小流域沟道的泥沙连通性及其影响因素-以陕西省子洲县为例[J]. 水土保持通报，2019，39(1)：302-309.

Zhang Yifeng, Jiao Juying, Tang Bingzhe, et al. Channel sediment connectivity and influence factors in small watersheds under extremely rainstorm[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2019, 39(1): 302-309. (in Chinese with English abstract)

[39]姚文艺. 新时代黄河流域水土保持发展机遇与科学定位[J]. 人民黄河，2019，41(12)：1-7.

Yao Wenyi. Development Opportunity and Sicentific Positioning of Soil and Water Conservation of the Yellow River in the New Era[J]. Yellow River, 2019, 41(12): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[40]高海东，李占斌，李鹏，等. 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[J]. 中国水土保持科学，2018，16(4)：66-72.

Gao Haidong, Li Zhanbin, Li Peng, et al. Paths and prevention of sediment during storm-runoff on the Loess Plateau: Based on the rainstorm of 2017-07-26 in Wuding River. Science of Soil and Water Conservation, 2018, 16(4): 66-72. (in Chinese with English abstract)

[41]Trimble S W. Changes in sediment storage in Coon Creek Basin, Driftless Area, Wisconsin, 1853-1975[J]. Science, 1981, 214: 181-183.

[42]Minella J P G, Walling D E, Merten G H. Combining sediment source tracing techniques with traditional monitoring to assess the impact of improved land management on catchment sediment yields[J]. Journal of Hydrology, 2008, 348: 546-563.

[43]胡春宏，张晓明. 论黄河水沙变化趋势预测研究的若干问题[J]. 水利学报，2018，49(9)：6-17.

Hu Chunhong, Zhang Xiaoming. Several key questions in the researches of runoff and sediment changes and trend predictions in the Yellow River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(9): 6-17. (in Chinese with English abstract)

[44]高云飞，郭玉涛，何兴照，等. 陕北黄河中游淤地坝拦沙功能失效的判断标准[J]. 地理学报，2014，69(1)：73-79.

Gao Yunfei, Guo Yutao, He Xingzhao. Failure criteria of the warping dams on sediment interception in the Middle Yellow River in northern Shaanxi[J]. Acta Geographica Sinica, 2014, 69(1): 73-79. (in Chinese with English abstract)

[45]郑宝明. 黄河水土保持生态工程韭园沟示范区建设理论与实践[M]. 郑州：黄河水利出版社，2006：93.

Estimation of sediment reduction benefit by soil and water conservation under extreme rainfall in a loess watershed

Zheng Mingguo, Liang Chen, Liao Yishan, Huang Bin, Yuan Zaijian

(1.510650; 2514000,)

Quantitative assessment on the effects of soil conservation measures under extreme rainstorms is crucial for the watershed management in the Middle Yellow River Basin of China. Most previous efforts have focused mainly on a long period evaluation. The developed methods were applicable to the multi-year time scale, but not to the storm-event scale as the fluvial processes at the short time scale are more complex and stochastic. As a result of the absence of an efficient method, there has long been considerable controversy surrounding the role of soil conservation measures under extreme events in the Middle Yellow River Basin. On 26 July, 2017, an extreme rainstorm occurred in Yulin City (the so-called “7·26” storm event), Shaanxi Province, China, causing serious flood hazards and attracting extensive public attention. The purpose of this study is: 1) to develop a new approach to evaluate the effect of the soil conservation measures at the storm-event time scale; 2) used the method for the “7·26” storm event in the Chabagou Watershed, a 205 km2loess watershed on the Loess Plateau. The results showed that: 1) after removing the non-high-intensity rainfall events (with a runoff coefficient lower than 0.2), there was a close relationship between rainfall and runoff for the high-intensity rainfall events (2=0.87) during the non-management period (1959-1969); 2) since most flows approached the flush-limited maximum sediment concentration, the mean sediment concentration of a flood event was considerably stable, leading to a proportional relationship between event runoff and sediment yields. The resultant proportionality coefficient can be used as an estimation of the mean sediment concentration of a flood event. The two results allowed us to effectively evaluate the runoff yield, the event mean sediment concentration, and then the basin sediment yield when assuming that the “7·26” event had occurred during the non-management period. In this way, we obtained the total sediment-reduction effect of the soil conservation measures. Previous studies have shown that the slope measures (including terracing, afforestation, pasture establishment) reduced basin sediment yields simply by reducing runoff, whereas the check-dam construction (channel measures) by reducing both runoff and sediment concentration in the runoff. Based on the difference, we can further partition the respective impacts of the two measures. Our calculations showed that during the “7·26” event, the mean sediment concentration reduced by 83%, the runoff by 55.1%, and thus the basin sediment yield by 92.4%, as a result of the implementation of soil conservation in the Chabagou Watershed. Among the total sediment-reduction effect, 55.1% was attributed to the slope measures and 37.3% was attributed to the check dams. The calculations suggest an enormous sediment-reduction effect of soil conservation practices even under extreme storms on the Loess Plateau, and that both the slope measures and the check dams play important roles. The proposed method cannot only figure out the total amount of the reduced sediment yield by soil conservation measures in a basin, but also can figure out that by an individual measure. The method has good applicability and data requirement, and is suitable for the evaluation of the sediment-reduction effect by soil conservation measures at the storm event scale in the middle Yellow River Basin.

sediments; vegetation; soil erosion; soil and water conservation; sediment reduction benefit; extreme rainfall; Middle Yellow River

郑明国，梁晨，廖义善，等. 极端降雨情形下黄土区水土保持治理的减沙效益估算[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：147-156.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017 http://www.tcsae.org

Zheng Mingguo, Liang Chen, Liao Yishan, et al. Estimation of sediment reduction benefit by soil and water conservation under extreme rainfall in a loess watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 147-156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017 http://www.tcsae.org

2021-01-05

2021-02-20

国家自然科学基金资助项目（41671278）；广东省科学院专项资金项目（2019GDASYL-0103043，2019GDASYL-0401003）

郑明国，博士，研究员，研究方向为侵蚀产沙及其环境效应。Email：mgzheng@soil.gd.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017

S157.2

A

1002-6819(2021)-05-0147-10