岔巴沟流域水土保持减水减沙作用

綦俊谕,蔡强国,方海燕,陈晓安,3,聂斌斌,4,崔普伟,3

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,100101,北京;2.中国科学院研究生院,100049,北京;3.华中农业大学资源与环境学院,430070,武汉;4.华中农业大学园艺林学学院,430070,武汉)

岔巴沟流域水土保持减水减沙作用

綦俊谕1,2,蔡强国1†,方海燕1,陈晓安1,3,聂斌斌1,4,崔普伟1,3

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,100101,北京;2.中国科学院研究生院,100049,北京;3.华中农业大学资源与环境学院,430070,武汉;4.华中农业大学园艺林学学院,430070,武汉)

运用经验公式法、双累积曲线法和不同系列对比法计算岔巴沟流域 1971—1980年水土保持措施的减水作用分别为 10.55%、6.18%和 26.67%,减沙作用为 58.74%、63.40%和 72.77%;经过对计算结果和前人研究成果的分析得到如下结论:1)岔巴沟流域库坝等工程措施为主的水土流失治理方式在措施生效期间能够有效减少流域输沙量,减沙作用为 65%左右,能够有效拦截洪水,减少洪峰流量,汛期减水作用大于 25%;2)库坝等工程措施对流域年径流量的影响不大,减水作用在7%左右,地下径流占总径流比例提高了 20.4%,对地下水的补充起到了很好的作用;3)库坝等工程措施不能改善流域坡面和沟坡侵蚀条件,故而无法真正改善流域水土流失的状况,其减沙效果随着淤积量的增加而减小,需要不断投入以维持其减沙作用,而限于自然条件,库坝等工程措施对流域的治理是不可持续的。解决水土流失问题的根本途径在于恢复流域自然植被,顺应自然规律的发展,并采取适当的人工辅助措施。

水土保持措施;地下径流;淤地坝工程;植被恢复;黄土高原丘陵沟壑区

图 1 岔巴沟流域站点布设图Fig.1 Distribution of the stations for the data collection of rainfalland runoff in Chabagou Watershed

对水土保持减水减沙作用研究的最终目的是为水土保持规划、水土流失定量预报及各种水土保持措施的横向比较提供依据。20世纪 80年代以前,水土保持减水减沙作用的研究重点基本上是通过水土保持实验区观测资料对影响土壤侵蚀的主导因子进行研究,揭示不同地形地貌、土壤特征、林草植被、水文气象条件下土壤侵蚀规律及单项水土保持措施的减水减沙作用[1]。80年代中期以来,加强了对重点治理流域的研究。长江水利委员会结合三峡工程泥沙研究的需要,对三峡水库来水来沙条件作了深入分析研究[2],之后又进行了“长治”工程减沙作用研究。水利部专门设立了黄河水沙变化研究基金会和黄河流域水土保持基金,对黄河流域特别是中游地区侵蚀产沙规律、水土保持减水减沙作用和水沙变化进行了较系统的研究[3]。科研机构和大专院校,各省区的水文、水土保持部门,应用不同方法对全国水土流失及水土保持重点流域片区的水沙变化规律及水土保持的减水减沙作用进行了研究[4-5]。通过大量的研究,提出了一些新方法和新成果,为今后系统地研究水土保持措施减水减沙作用及预测水沙变化趋势打下了基础;然而,以往的研究并未深入探讨水土保持减水和减沙作用之间的关系,对于水沙变化规律的探讨也大多止于宏观和理论,未能结合水土保持工作而指导实践。笔者选取位于黄河中游的岔巴沟小流域为研究对象,通过对水土保持减水减沙作用的计算和与前人研究成果的对比分析,结合流域水土保持措施实施情况,比较水土保持对减水作用和减沙作用的异同,进而对该地区以库坝工程为主的治理模式的水土保持效果进行分析,以期为黄土高原丘陵沟壑区小流域水土流失治理提供有益的启示。

1 研究区概况

岔巴沟在陕西省子洲县境内,位于 E 109°47′,N 37°31′,自然地理区划属于黄土丘陵沟壑区第一副区。岔巴沟是大理河的一个支流,干沟与支沟相汇夹角约 60°。流域面积 205 km2,岔巴沟出口站曹坪站以上集水面积 187 km2,沟道长度 24.1 km,流域平均宽度 7.22 km,沟壑密度 1.05 km/km2,流域形状基本对称。岔巴沟流域的沟网由主沟 -岔巴沟和 11条一级支沟组成,其中左岸从下游至上游依次分布着麻地沟等 7条一级支沟,右岸从下游至上游依次分布着马家沟等 4条一级支沟(图 1)。该区土壤侵蚀极其严重,1954—1958年的观测表明,平均侵蚀模数为 1.578万 t/(km2◦a),最大侵蚀模数为2.367万 t/(km2◦a)。

本地区属于干燥少雨的大陆性气候,1959—1969年的实测资料表明,多年平均降水量约 480 mm,降雨的年内分配极不均匀,70%集中于 7—9月份,且多降雨强度较大而历时短暂的暴雨,实测最大降雨强度为 3.5mm/m in[6],夏秋之际,常有冰雹下降[7]。年平均气温为 8℃,最高气温为 38℃,最低气温为 -27℃,霜冻期约0.5a,最大风力超过 9级。根据 1954—1958年大理河流域的观测,年均径流深为 54mm,最小为 29.9mm,径流的年内分配极不均匀,7—9月份的径流占全年的总径流量的 60%之上。根据子洲水文站蒸发皿的观测资料,1954—1958年的多年平均蒸发量为 1 570.4 mm[8]。陆面蒸发量根据子洲水文站多年平均年降水量与年径流深之差求得,为 386mm。

截至 1980年,岔巴沟流域有梯田 10 km2,造林10 km2,种草 6 km2,坝地 2 km2,水地 2.7 km2,合计治理面积 30.7 km2,占总流域面积的 15%[9]。1970年以后由于水坠坝技术的推广,流域内水库、淤地坝总座数、总库容激增,特别是 1975年后,大量的坝库建成并发挥效益,平均库容超过 12万 m3/km2。作为治沟措施的坝库工程,截至 1977年底,流域内共修建坝库 444座,总库容达 2651万 m3,其中坝高超过 20 m的控制性骨干工程 39座,只占总数的8.8%,而库容却占总库容的 54.8%。这些坝库均匀地分布在流域内,乃减水减沙的重要原因[9]。

2 数据来源与研究方法

选择 1959—1980年(1970年数据缺失)岔巴沟流域各水文站和气象站的降水资料和出口站曹坪水文站的径流泥沙资料作为研究的基础。表 1为统计分析后 1959—1980年(缺 1970年)岔巴沟流域实测年均径流量、输沙量和降水量的成果。

对岔巴沟流域水土保持减水减沙作用采用 3种计算方法。

1)经验公式法。根据岔巴沟流域治理以前1959—1969年的降水、径流、输沙系列观测资料,建立这三者间的经验关系模型,再将治理以后 1971—1980年流域年均降水系列代入经验关系模型,得到治理后的径流量和输沙量的模拟值,再与实测值进行比较从而获得减水减沙作用。

2)双累积曲线法。将 1959—1980年(缺 1970年)年均降水量及相应的径流量、输沙量点绘双累积曲线,此曲线在水土保持发挥减水减沙作用年份(1969年)有较明显的转折。根据治理以前 1959—1969年的实测资料,经回归分析求得累积降水量与累积径流量和累积输沙量的线性相关方程,将治理后 1971—1980年的累积降水量值分别代入方程中,求得累积径流量和累积输沙量的模拟值,然后与同期实测值比较,即得减水减沙作用。

3)不同系列对比法。也就是 1971—1980年实测年均径流量和输沙量与 1959—1969年实测年均径流量和输沙量的直接对比。

表 1 1959—1980年(缺 1970年)岔巴沟流域年均径流、输沙量和降水量Tab.1 Annual runoff,sediment discharge and rainfall in Chabagou Watershed from 1959 to 1980(lacking 1970)

3 不同方法的计算成果

3.1 基准期和措施期的确定

采用双累积曲线法确定水土保持措施对流域年径流量和输沙量产生影响的转折年份,即将 1959—1980年(缺 1970年)流域径流量和输沙量的逐年累积值对流域年降水量的逐年累积值点绘成图(图2),若流域径流量或输沙量只受到降水的影响(极端降水事件除外),则双累积曲线基本呈一直线,若双累积曲线发生偏转。说明流域下垫面状况发生了变化,也就是水土保持措施开始起到减水减沙作用。确定水土保持措施产生影响的转折年后,以此为分界点,将之前一段时间定为无水土保持措施影响的基准期,后一段时间为有水土保持措施影响的措施期。

图2 岔巴沟流域年降水量与径流量和输沙量双累积曲线Fig.2 Doub le-mass curves of annual rainfall and runoff,and annual rain fall and sediment discharge in Chabagou Watershed

考虑到岔巴沟流域在 20世纪 70年代库坝等工程的修筑达到高峰期,对减沙发挥了主要作用[9],故确定转折年主要依据年降水量与输沙量双累积曲线。由图 2可以明显看出,水土保持措施生效的转折年为 1969年,所以 1959—1969年为基准期,而1971—1980年为措施期。

3.2 经验公式法计算成果

确定基准期和措施期后,对流域基准期(1959—1969年)的年降水量分别与径流量和输沙量进行曲线拟合,得到拟合曲线和对应的曲线方程(图 3)。

将岔巴沟流域 1971—1980年年降水量分别带入曲线方程,得到 1971—1980年模拟径流量和输沙量,与同期实测值进行比较得到 1971—1980年径流和输沙减少量,再除以同期径流量与输沙量模拟值,即得到水土保持减水减沙作用分别为 10.55%和58.74%。

图 3 基准期年降水量与径流量和输沙量拟合曲线Fig.3 Fitted curves of annual rainfall and runoff,and annual rainfalland sedimentdischarge in base period

通过岔巴沟流域 1959—1980年(缺 1970年)年径流量与模拟径流量以及年输沙量与模拟输沙量的比较可以看出,在措施期(1971—1980年)输沙量的实测值相对于模拟值明显减少(图 4),而措施期径流量的实测值相对于模拟值虽然有所减少却并不明显 (图 5)。

图 4 岔巴沟流域年输沙量的模拟值和实测值比较Fig.4 Comparison between measured annual sediment discharge and simulated value in Chabagou Watershed

图 5 岔巴沟流域年径流量的模拟值和实测值比较Fig.5 Comparison between measured annual runoff and simulated value in Chabagou Watershed

3.3 双累积曲线法计算成果

对岔巴沟流域基准期(1959—1969年)年降水量与径流量和输沙量的累积值分别进行拟合,得到拟合曲线和曲线方程(图 6)。

图 6 基准期累积年降水量与径流量和输沙量拟合曲线Fig.6 Fitted curves of accumu lativeannual rain fall and runoff,and accumulative annual rainfall and sediment discharge in base period

将岔巴沟流域 1959—1980年(缺 1970年)年降水量的累积值分别带入曲线方程,计算得到 1971—1980年累积径流量和输沙量的模拟值,与同期实测累积值进行比较得到 1971—1980年累积径流和输沙的减少量,再除以同期累积径流量与输沙量的模拟值,即得到水土保持减水减沙作用分别为 6.18%和63.40%。

通过岔巴沟流域 1959—1980年(缺 1970年)累积年径流量与累积年径流量模拟值以及累积年输沙量与累积年输沙量模拟值的比较可以看出,在措施期(1971—1980年)累积年输沙量的实测值相对于模拟值显著减少(图 7),而措施期累积年径流量的实测值相对于模拟值虽然有所减少却并不显著(图 8)。

图 7 岔巴沟流域累积年输沙量模拟值与实测值比较Fig.7 Com parison between measured accumulated annual sediment dischargeand simulated value in Chabagou Watershed

3.4 不同系列对比法

分别求出岔巴沟流域 1959—1969年径流量与输沙量的平均值以及 1971—1980年径流量与输沙量的平均值,前后各项之差即为径流量与输沙量的减少值,再除以 1959—1969年径流量与输沙量的实测平均值,可得减水减沙作用分别为26.67%与72.77%。

图 8 岔巴沟流域累积年径流量模拟值与实测值比较Fig.8 Comparison between measured accumulated annual runoffand simulated value in Chabagou Watershed

4 结果与分析

经过经验公式法、双累积曲线法和不同系列对比法计算得出岔巴沟流域水土保持在 1971—1980年的减水减沙作用的平均值为 14.47%和 64.97%。无论用哪种方法计算岔巴沟流域水土保持减水减沙作用,减沙作用都远大于减水作用,这一点与前人[9-10]的研究一致(表 2)。

表 2 岔巴沟流域水土保持减水减沙作用研究成果Tab.2 Effects of soiland water conservation on runoff and sediment reduction investigated by different researches%

张仲子[10]曾根据岔巴沟出口站曹坪水文站1959—1978年的实测资料的统计分析,结合岔巴沟流域水土流失治理情况,确定水土保持措施明显生效的 1971—1978年汛期年均径流量和输沙量分别减少 30%和 63.4%,计算得出淤地坝减沙量为总减沙量 78.6%,最终得到了工程措施对减沙起主要作用的结论。此研究揭示了不同水土保持措施对减沙作用的差异,但没有对径流量做同样的分析,而且只是考虑了汛期径流泥沙的变化,未能对全年径流泥沙的变化进行细致的研究。张胜利[9]对岔巴沟年径流泥沙变化做了初步分析,通过分析 1959—1980年水沙关系的变化确定了 1959—1974和 1975—1980分别为水土保持减水减沙作用的基准期和措施期,用径流系数还原法计算得到水土保持减水减沙作用生效后年径流量减少仅 0.71%,汛期径流量减少 25.2%,年输沙量减少 68.7%,汛期泥沙减少59.1%,再对流量过程线进行曲线分割,发现地下径流占全年总径流量比例增加了 20.4%。此研究应用水沙关系来确定水土保持减水减沙作用生效的时期,主要是因为库坝工程减沙作用显著大于减水作用。严格意义上来讲,要考察水土保持综合措施的减水减沙作用,应当从降水量与径流量和输沙量的关系上入手。这样,不仅可以排除降水量变化对流域径流量和输沙量的影响,而且可以更加准确地确定水土保持综合措施减水减沙作用的分界年份。

本研究弥补了前人研究的不足,所用 3种方法计算得出的平均减沙作用 64.97%和张胜利[9]计算出的 68.7%与张仲子[10]计算出的汛期减沙作用63.4%非常接近。虽然张仲子[10]只计算了汛期减沙作用,但是作为汛期输沙量占全年输沙量 93.2%的岔巴沟而言,全年减沙作用与汛期减沙作用也相差不大,这也被张胜利[9]计算的全年减沙作用68.7%和汛期减沙作用 59.1%之间的相近关系证明。故而,可以取各个研究的计算结果近似确定岔巴沟流域水土保持减沙作用为 65%。本研究计算得出岔巴沟流域水土保持全年减水作用平均为14.47%,与张胜利[9]计算的 0.71%差别较明显,这是由于本研究确定 1971—1980年作为措施期,而张胜利[9]的研究措施期为 1975—1980年,岔巴沟大量的库坝工程到 1974年到达修建高峰[9—10],接下来的措施期(1975—1980年)水土保持对径流量的影响主要是库坝工程在起主导作用。由张胜利[9]计算得到的汛期减水作用 25.2%与全年减水作用0.71%的差别可以看出,库坝等工程措施可以有效地拦截洪水,降低洪峰流量(这点也被张仲子[10]计算的汛期减水作用 30%证实),但是对全年径流量的影响并不大。全年地下水径流量占总径流量比例增加 20.4%,更说明了水土保持并不一定大量减少总径流,只是调整地下和地表径流的分配比例。考虑到流域水量平衡的关系,本研究计算出的减水作用之所以相对较大,是因为在 1971—1980年期间,虽然库坝等工程措施是水土流失治理的主要方面,但是植被措施的实施也有一定的增加[10],部分水分随着植物蒸腾和蒸发而减少了流域径流量,但是总的说来还是比较小的。

通过以上分析,岔巴沟流域在 20世纪 70年代以库坝等工程建设为主的水土流失治理方式,能够有效地减少流域输沙量(减沙作用在 65%左右)和拦截洪水(汛期减水作用 25%以上),对地下水的补充起到了明显的效果(地下径流比例上升 20.4%),但是整个流域水土保持的减水作用却不明显(平均减水作用 7%)。这说明以库坝等措施治理流域水土流失的方式只能减少输沙量而不能减少产沙量,也就是侵蚀发育的主要部位坡面和沟坡未能得到有效治理,导致流域水土流失状况依然严峻。

由此可见,库坝工程虽然可以减少进入下游的泥沙量,表面上看减沙效果十分明显,却面临着 2个与水土保持目的相违背的结果:1)随着泥沙淤积量的增加,库坝工程减沙效果降低,也就是说除非持续对其进行大规模投入,否则这种减沙作用无法长时间维持;2)未能真正解决流域上游水土流失问题,特别是坡面和沟坡的侵蚀状况不能得到有效治理。总之,库坝等工程措施在减沙作用上的效果是暂时的,其维持是高消耗的,从长远看也不是可持续发展的,更没有达到改善水土流失状况的目的。

5 结论

1)岔巴沟流域库坝等工程措施为主的水土流失治理方式在措施生效期间能够有效减少流域输沙量,减沙作用为 65%左右;能够有效拦截洪水,减少洪峰流量,汛期减水作用大于 25%。

2)岔巴沟流域库坝等工程措施为主的水土流失治理方式对流域年径流量的影响不大,减水作用在 7%左右;地下径流占总径流比例提高了 20.4%,对地下水的补充起到了很好的作用。

3)库坝等工程措施不能改善流域坡面和沟坡侵蚀条件,无法真正改善流域水土流失状况;其减沙效果随着淤积量的增加而减小,需要不断投入以维持其减沙作用,而限于自然条件,库坝等工程措施对流域的治理是不可持续的。解决水土流失问题的途径在于恢复流域自然植被,顺应自然规律的发展,并采取适当的人工辅助措施。

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[5]王飞,穆兴民,张晓萍,等.水土保持对偏关河径流和泥沙的影响分析.中国水土保持科学,2005,3(2):10-14

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[10]张仲子.浅析岔巴沟小流域减沙与水土保持效益.水土保持通报,1986,6(3):50-54

Effects of soil and water conservation on reduction of runoff and sediment in Chabagou W atershed

Qi Junyu1,2,Cai Qiangguo1,Fang Haiyan1,Chen Xiao'an1,3,Nie Binbin1,4,Cui Puwei1,3

(1.Key Laboratory ofWater Cycle and Related Land Surface Processes,Institute of Geographic Science and Natural Resources Research,CAS,100101,Beijing;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,100049,Beijing;3.College of Resources and Environment,Huazhong Agriculture University,430070,Wuhan;4.College of Horticulture and Forestry Sciences,Huazhong Agriculture University,430070,Wuhan:China)

In this study,effectsof soiland water conservationmeasures on runoffand sediment reduction in Chabagou Watershed from 1971 to 1980 are calculated by three methods:rainfall-runoff and rainfallsediment statistical model,double-accumulative curve method and time series contrasting method separately.As a result,runoff reduction are 10.55%,6.18%and 26.67%and sediment reduction are 58.74%,63.40%and 72.77%accordingly.By analyzing the results of calculation and comparison with results of previous studies,three main points are concluded:1)Governance model emphasizing on sediment storage dam has remarkable sediment reduction effects which is averaging about 65%and can effectively reduce peak discharge with an averaging runoff reduction effectmore than 25%in the flood season;2)Annual runoff reduction effect isonly averaging about7%and the ratio of groundwater runoff to total runoff raised by 20.4%,which shows that sediment storage dam affect runoff by adjusting the ingredientproportion rather than reducing total runoff;3)The aim of water and soil conservation can not realized only by sediment storage dam for it does not change the conditions of hill slopes where soil erosion occurs,and instead vegetation restoration is an effective approach for ecosystem restoration and enhancement in eroded area of loess.

soil and water conservation measures;groundwater runoff;sediment storage dam for building farmland;vegetation restoration;Hilly-gully region of Loess Plateau

2009-07-21

2009-11-16

项目名称:国家重点基础研究发展计划(973)项目“水土流失综合调控原理与治理范式”(2007CB407207);国家自然科学基金重点项目“黄土区多尺度小流域土壤水蚀动态过程模拟研究”(40635027);中国科学院优秀博士学位论文、院长奖获得者科研启动专项资金“中国典型水土流失区水沙关系尺度效应及地带性研究”

綦俊谕(1984—),男,硕士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail:qijunyu2009@yahoo.com.cn

†责任作者简介:蔡强国(1946—),男,研究员,博士生导师。主要研究方向:坡面水土流失过程及流域侵蚀产沙模拟。E-mail:caiqg@igsnrr.ac.cn

(责任编辑:程 云)