大理河流域1970－2002年水保措施减洪减沙效益深化分析

冉大川，张志萍，罗全华，寇 权

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，甘肃 西峰 745000；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，陕西 杨凌 712100）

黄土高原地区水土保持生态工程建设，是有效地保护和合理开发利用水资源、减轻黄河下游河道淤积的一项基础工程和治本之举。开展黄河中游典型支流水土保持生态工程建设的减洪减沙作用研究，分析黄土高原地区实施水土保持生态工程建设后的减沙效果，对构建黄河水沙调控体系、制定黄河下游减淤措施，实现“河床不抬高”的总体目标至关重要；对提升业已开展多年的黄河水沙变化研究的科技水平，也具有重要的促进作用。

大理河是无定河的最大支流，水土保持措施比较齐全，坝库系统相对比较完善，共有淤地坝约3100 余座，是黄河中游开展水土保持生态工程建设减沙作用研究比较合适的流域。为此，水利部黄河水利委员会于2001年底通过引入竞争机制，设立了“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”，从典型支流着手开展研究。本文在该项目研究的基础上，通过补充收集基准期水文资料和对基准期洪水量进行重新摘录，建立了新的降雨产流产沙经验模型，据此进行了大理河流域1970－2002年水保措施减洪减沙效益的深化分析，主要体现在新的降雨产流产沙经验模型的建立与应用、流域水土保持措施减洪减沙效益变化过程分析和水保措施减水减沙比分析等3个方面。

1 流域概况

大理河流域位于白于山东侧、毛乌素沙漠南缘，自西向东流经陕西省靖边、横山、安塞、子长、子洲5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170km，河床比降为3.16‰，流域面积为3906 km2。大理河流域有两个不同的地貌类型区，即黄土梁墹河源丘陵沟壑区（简称河源区）和黄土梁峁丘陵沟壑区（简称丘陵区）。河源区位于干流上游，涉及靖边县、安塞县和横山县的部分地区，面积662km2，占流域面积的16.9%。丘陵区位于流域中下游地段，包括子洲、子长、绥德三县的全部，横山县的大部分和靖边县的一小部分，面积3244 km2，占流域总面积的83.1%。流域地形破碎，植被稀疏，水土流失严重，多年平均土壤侵蚀模数在12000 t／（km2·a）以上，是黄河流域粗泥沙的主要来源区之一。

2 水沙变化

流域的水沙变化通过流域实测水文资料来反映。大理河流域共设有青阳岔（干流上游）、李家河（小理河）、曹坪（岔巴沟）和绥德（流域出口）4个水文站。流域出口水文站为绥德水文站，集水面积3893 km2，占全流域面积的99.7%，从1960年起至今均有实测径流泥沙资料。截至2002年，全流域共有雨量站29处。降雨资料普遍存在20世纪70年代以前雨量站少且分布不均，缺测、漏测较多的问题，1970年以后雨量站相继增加较多且资料系列较完整。因此，20世纪60年代实测降水资料的代表性普遍较差，而这一时期正是流域内基本未实施水土保持措施的“天然”时期，其降水资料的代表性至关重要，直接影响后期流域水土保持措施减洪减沙作用分析研究的精度。因此，针对流域降雨资料中存在的诸多问题，对降水资料全部进行了插补展延和系列化处理［1］。大理河流域1960－2002年实测降水、径流、泥沙资料统计及计算结果见表1。

2.1 降水量变化

根据实测降水资料统计，大理河流域降水量年内分配很不均匀。最大年降水量683.0mm（1964年）是最小年降水量233.2mm（1965年）的2.9倍。由表1可知，流域多年平均（1960－2002年）年降水量439.5mm，汛期（5－9月）降水量355.0mm，占年降水量的80.8%。以1970年作为流域治理前后的分界年，治理期（1970－2002年）与基准期（1960－1969年）相比，流域年降水量减少了10.5%，汛期降水量减少了7.1%。各年代的具体变化是:20世纪70，80，90年代年降水量与基准期相比分别减小了12.0%、13.5%、11.8%；汛期降水量与基准期相比分别减小了8.6%、7.4%、10.4%。进入21世纪初降水量明显增大，2000－2002年年降水量和汛期降水量分别比基准期增大了8.0%和9.3%。

2.2 径流量变化

根据绥德水文站实测径流资料统计，大理河流域最大年径流量为25240 万m3（1964年），是最小径流量8690 万m3（1975年）的2.9倍。流域多年平均年径流量为14530 万m3，汛期径流量为8830 万m3，占年径流量的60.8%。流域实测径流量依时序呈递减趋势。各年代径流量的具体变化情况是:基准期径流量最大，20世纪70、80、90年代年径流量与基准期相比分别减小了15.9%、30.2%和21.8%；汛期径流量分别减小了18.1%、40.3%、19.9%。2000－2002年在降水量比基准期明显增大的情况下，年径流量与汛期径流量仍然分别减小了23.9%和18.8%。降水增大，径流依然减少，说明流域水土保持生态工程建设开始发挥作用。治理期的1970－2002年与基准期相比，年径流量和汛期径流量分别减小了22.7%和25.4%。

表1 大理河流域各时期降水、径流、输沙量统计成果

2.3 输沙量变化

根据绥德水文站实测泥沙资料统计，大理河流域最大年输沙量9780 万t（1966年）是最小输沙量724万t（1965年）的13.5倍。流域多年平均年输沙量为3820 万t，汛期输沙量为3770 万t，占年沙量的98.7%。流域实测输沙量依时序的递减幅度明显大于径流。各年代输沙量的具体变化情况是:基准期输沙量最大，70，80，90年代逐年递减，80年代减幅最大。70年代年输沙量和汛期输沙量与基准期相比分别减小了33.6%和33.0%；80年代分别减小了65.9%和66.3%，接近70%；90年代分别减小了36.9%和36.7%，减幅基本持平；2000－2002年分别减小了34.4%和33.1%。治理期的1970－2002年与基准期相比，年输沙量和汛期输沙量分别减小了44.4%和44.0%。

3 计算方法

采用“水文法”和“水保法”对大理河流域1970－2002年水土保持措施减洪减沙效益进行了分析和计算。其中“水文法”计算采用的3种方法分别是:①不同系列对比法；②单位毫米有效降雨产洪产沙量对比法；③经验公式法。

“不同系列对比法”是将各时期的实测值相对于基准期的变化量作为减洪减沙效益，反映的是人类活动和降雨变化的共同影响。

“单位毫米有效降雨产洪产沙量对比法”是根据流域治理前后单位毫米有效降雨产洪产沙量的变化推求流域治理后的减洪减沙效益，反映的是人类活动的影响［2］。计算公式为

式中:W计——计算的产洪（产沙）量［万 m3／mm（万t／mm）］；W实——同期实测的洪水（洪沙）量［万 m3（万t）］；η——流域减洪（减沙）效益（%）；m——产洪量（万 m3／mm）或产沙量（万t／mm）。

“经验公式法”是基于数理统计学原理，通过主导因子筛选和逐步回归分析，建立流域在非治理状态下（基准期）的“天然”降雨产流产沙经验模型；将治理后的降雨资料代入基准期的“天然”降雨产流产沙经验模型中，求得治理后的“天然”产洪产沙量，与同期实测值相比，即得流域综合治理的减洪减沙效益，反映的是流域综合治理的影响［3］。将“不同系列对比法”和“经验公式法”这两种方法的计算结果相结合，即可分离出降雨因素对流域减洪减沙量的影响，完成“水文法”计算的主要任务。其中，根据基准期降雨产洪产沙经验模型计算的产洪产沙量和同期实测洪水洪沙量之差，即为流域综合治理影响的减洪减沙量；基准期实测洪水洪沙量和计算的产洪产沙量之差，即为降雨影响的减洪减沙量。

在以往研究的基础上［2］，通过补充基准期的水文资料，对基准期的洪水量进行了重新摘录。由此建立的大理河流域基准期新的降雨产流产沙经验模型分别为

式中:WH——洪水径流量（万 m3）；WHS——洪水输沙量（万t）；PN——年降水量（mm）；PX——汛期降水量（mm）；PY——有效降雨量（mm）。

以上两式的复相关系数分别为0.825和0.828。

“水保法”计算方法采用“以洪算沙法”［2］。通过建立黄河中游小区水土保持坡面措施减洪指标体系，根据降雨量同频率对应的原则转化为大理河流域水土保持坡面措施减洪指标体系，进而计算流域水土保持坡面措施减洪量；通过“以洪算沙”统计模型计算流域水土保持坡面措施减沙量（需进行迭代计算）。淤地坝减洪减沙量计算方法同参考文献［2］，不再赘述。

4 减洪减沙效益分析

4.1 “水文法”减洪减沙效益分析

“水文法”计算结果中“不同系列对比法”计算结果见表2；“单位毫米有效降雨产洪产沙量对比法”计算结果见表3；“经验公式法”计算结果见表4。

4.1.1 减洪效益分析 “不同系列对比法”计算结果（表2）表明，在降雨因素和综合治理因素的共同影响下，大理河流域20世纪70，80，90年代实测洪水量比基准期分别减少了1861 万m3、4752 万m3和2747 万 m3；减洪效益分别为18.4%、47.1%和27.2%。2000－2002年在年降水量比基准期增大8.0%、汛期降水量比基准期增大9.3%的情况下，年均减少洪水2516 万m3，减洪效益24.9%。1970－2002年的治理期，流域年均减少洪水3065 万m3，减洪效益30.4%。

表2 不同系列对比法减洪减沙效益计算成果

“单位毫米有效降雨产洪产沙量对比法”计算结果（表3）表明，在综合治理因素的影响下，20世纪70，80，90年代和2000－2002年大理河流域年均分别减洪273万 m3、3398 万 m3、1025 万 m3和2968 万m3，减 洪 效 益 分 别 为 3.2%、38.9%、12.2% 和28.1%；80年代减洪效益最大，2000－2002年其次，90年代第三，70年代最小。1970－2002年大理河流域年均减少洪水1690 万m3，减洪效益19.4%。

表3 单位毫米有效降雨产洪产沙量对比法计算结果

“经验公式法”计算结果（表4）表明，1970－2002年的33a间，大理河流域因水土保持综合治理等人类活动，年均减少洪水2367 万m3，占不同系列对比年均总减洪量3065 万m3的77.2%，年均减洪效益25.2%；因降雨影响流域年均减少洪水698万m3，占总减洪量的22.8%；人类活动与降雨影响之比约为8∶2。

各年代具体变化情况为:20世纪70年代年均减少洪水1861 万m3，其中流域综合治理年均减少洪水1127 万m3，占总减少量的60.6%，年均减洪效益12.0%；降雨影响年均减少洪水734万m3，占总减少量的39.4%；人类活动与降雨影响之比为6∶4。80年代年均减少洪水4752 万m3，其中流域综合治理年均减少洪水3158 万m3，占总减少量的66.4%，减洪效益37.1%；降雨影响年均减少洪水1595 万m3，占总减少量的33.6%；人类活动与降雨影响之比为6.6∶3.4。90年代年均减少洪水2747 万m3，其中流域综合治理年均减少洪水1808 万m3，占总减少量的65.8%，减洪效益19.7%；降雨影响年均减少洪水939万m3，占总减少量的34.2%；人类活动与降雨影响之比仍为6.6∶3.4，与80年代一致，人类活动的影响比70年代有所增大。2000－2002年的3a间由于降雨明显增加，降雨影响增加洪水也非常明显，流域综合治理的减洪效应更为突出。

表4 经验公式法减洪减沙效益计算成果表

4.1.2 减沙效益分析 “不同系列对比法”计算结果（表2）表明，在降雨因素和综合治理因素的共同影响下，大理河流域20世纪70，80，90年代实测洪水输沙量分别比基准期减少了1933 万t、3804 万t和2115 万t，减沙效益分别为33.4%、65.8%和36.6%；2000－2002年年均减沙2005 万t，减沙效益34.7%。1970－2002年流域年均减少洪水泥沙2562 万t，减沙效益44.3%。

“单位毫米有效降雨产洪产沙量对比法”计算结果（表3）表明，在综合治理因素的影响下，20世纪70，80，90年代和2000－2002年大理河流域年均分别减沙1023 万t、3028 万t、1129 万t和2263 万t，减沙效益分别为21.0%、60.5%、23.6%和37.5%。显然，与减洪效益一样，80年代减沙效益最为显著，其余年代依时序呈递增趋势。1970－2002年流域年均减沙1776 万t，减沙效益35.6%。

“经验公式法”计算结果（表4）表明，1970－2002年的33a间，大理河流域因水土保持综合治理等人类活动年均减沙1940 万t，占不同系列对比年均总减沙量2562 万t的75.8%，年均减沙效益37.6%；因降雨影响流域年均减沙621万t，占总减沙量的24.2%；人类活动与降雨影响之比为7.6∶2.4，略小于人类活动与降雨对径流的影响之比。

各年代具体变化情况为:20世纪70年代年均减少洪水输沙量1933 万t，其中流域综合治理年均减沙量为1316 万t，占总减少量的68.1%，减沙效益25.5%；降雨影响年均减沙量为617万t，占总减少量的31.9%；人类活动与降雨影响之比为6∶4。80年代年均减少洪水输沙量3803 万t，其中流域综合治理年均减沙量为2902 万t，占总减少量的76.3%，减沙效益59.5%；降雨影响年均减沙量为901万t，占总减少量的23.7%；人类活动与降雨影响之比为7.6∶2.4。90年代年均减少洪水输沙量2116 万t，其中流域综合治理年均减沙量为1107 万t，占总减少量的52.3%，减沙效益23.2%；降雨影响年均减沙量为1009 万t，占总减少量的47.7%；人类活动与降雨影响之比为5.2∶4.8。人类活动对减沙的影响与70，80年代相比呈下降趋势，这与人类活动对径流的影响明显不同。但2000－2002年的3a间由于降雨明显增加，降雨影响增加洪水输沙量同样也非常明显，流域综合治理的减沙效应也更为突出。

根据“经验公式法”计算的大理河流域1970年以来历年水土保持综合治理等人类活动减洪减沙效益变化过程线见图1。由此可见，在流域发生特大暴雨之年，减洪减沙效益均为负值，如1972年、1977年和1994年。此外，1970－2002年流域减洪减沙效益的波动性变化非常明显；1997年以来流域减洪减沙效益呈增大（上升）趋势。

4.2 “水保法”减洪减沙效益分析

“水保法”计算结果［2］表明，大理河流域1970－2002年4大水保措施（梯田、林地、草地、坝地）年均减少洪水2280 万m3，减洪效益24.5%；年均减少洪水输沙量1860 万t，减沙效益36.6%。从各年代计算结果看，20世纪70，80，90年代4大水保措施年均分别减少洪水1820 万m3、1555 万m3和2960 万m3，减洪效益分别为18.1%、22.5%和28.7%；4大水保措施年均分别减少洪水输沙量1360 万t、1230 万t和2450 万t，减少洪沙效益分别为26.2%、38.4%和40.1%。2000－2002年4大水保措施年均减少洪水3970 万m3，年均减少洪水输沙量3640 万t，减洪效益34.4%，减沙效益49.1%，减洪减沙效益均居各年代之首。虽然3a的系列太短，但2000－2002年由于降雨有明显增加，由此说明大理河流域近期水土保持生态工程建设的减沙作用比较显著。根据“水保法”计算的大理河流域1970年以来历年水保措施减洪减沙效益变化过程线见图2。可以直观看出，流域水土保持措施减洪减沙效益依年代递增，自2000年以来水土保持生态工程建设的减洪减沙作用开始凸现。

图1 大理河流域综合治理减洪减沙效益变化过程线

图2 大理河流域水保措施减洪减沙效益变化过程线

从水保措施减水减沙比（水保措施减洪量／水保措施减沙量）的变化过程看（图3），20世纪70，80，90年代和2000－2002年大理河流域水保措施减水减沙比分别为1.34，1.26，1.21，1.09m3／t，依时序呈下降趋势，说明减少相同沙量所需减少的水量呈减少趋势。如果把水保措施减水减沙比理解为减少1t泥沙需要同时付出的减水代价即减沙水代价［4］，则近期减水减沙比最小的变化趋势，一方面表明大理河流域近期来水来沙集中程度增大，减水减沙的有效性也在增大，对流域水资源的开发利用比较有利；另一方面亦说明流域近期洪水含沙量有明显增大。由表1可知，对应以上各年代的流域汛期平均含沙量（汛期输沙量／汛期径流量）分别为424，298，410，428kg／m3，近期汛期含沙量确为最大。

从不同年代水保单项措施减水减沙比变化过程看（图4），坡面措施（梯田、林地、草地）减水减沙比变化趋势一致，都是自20世纪60年代开始增大，80年代达到最大，而后又开始减小，2000－2002年最小；80年代以后变幅较以前增大。而坝地的减水减沙比则呈现出波动增大的趋势，但不同年代之间变幅不大。由于近期坡面措施减水减沙比最小，坝地减水减沙比最大，说明坡面措施与沟道措施的减水减沙作用存在耦合关系，二者的减水减沙比变化具有明显的互补性。近期坝地减水减沙比达到最大也同时说明流域沟道来沙量减小，淤地坝淤积缓慢，这与外业调查结果一致。

图3 大理河流域水保措施减水减沙比变化过程线

图4 大理河流域单项水保措施减水减沙比变化过程线

4.3 “水文法”与“水保法”计算结果对比分析

从计算原理看，“水文法”是以流域出口处的实测水文资料计算减洪减沙量，其减少量包括流域内的所有下垫面因素，因此，“水文法”总体计算结果一般应大于“水保法”。大理河流域“水文法”与“水保法”年均减洪减沙量计算结果（取整）对比见表5。由此可知，1970－2002年“水保法”减洪减沙计算结果小于“水文法”。“水文法”和“水保法”减洪量计算结果相对误差为3.8%，减沙量计算结果相对误差为4.1%，均在5%以内，说明计算结果基本合理。

表5 “水保法”与“水文法”年均减洪减沙量计算结果对比

由于本次“水保法”研究只考虑了流域水土保持生态工程建设减洪减沙作用的正效应，没有计算水利措施减洪减沙量，导致计算结果偏小；又未扣除人为新增水土流失量（负效应），导致计算结果偏大。根据最新调查和估算，这两项偏大偏小量属同一数量级，基本相抵，因此，本次“水保法”研究成果总体上接近实际。

5 结论

（1）大理河流域治理期（1970－2002年）与基准期（1960－1969年）相比，流域年降水量减少了10.5%，汛期降水量减少了7.1%。进入21世纪初降水量明显增大，2000－2002年年降水量和汛期降水量分别比基准期增大了8.0%和9.3%。流域实测径流量、输沙量均依时序递减。治理期与基准期相比，年径流量和汛期径流量分别减小了22.7%和25.4%；年输沙量和汛期输沙量分别减小了44.4%和44.0%。20世纪70，80，90年代和2000－2002年等4个时段年径流量与基准期相比分别减小了15.9%、30.2%、21.8%和23.9%；年输沙量与基准期相比分别减小了33.6%、65.9%、36.9%和34.4%。

（2）“水文法”计算结果表明，1970－2002年大理河流域因水土保持综合治理等人类活动年均减少洪水2370 万m3，占不同系列对比年均总减洪量3065 万m3的77.2%，年均减洪效益25.2%；因降雨影响流域年均减少洪水698万m3，占总减洪量的22.8%；人类活动与降雨影响之比约为8∶2。1970－2002年大理河流域因水土保持综合治理等人类活动年均减沙1940 万t，占不同系列对比年均总减沙量2560 万t的75.8%，年均减沙效益37.6%；因降雨影响流域年均减沙621万t，占总减沙量的24.2%；人类活动与降雨影响之比为7.6∶2.4。

（3）“水保法”计算结果表明，1970－2002年大理河流域4大水保措施（梯田、林地、草地、坝地）年均减少洪水2280 万m3，减洪效益24.5%；年均减少洪水输沙量1860 万t，减沙效益36.6%。水土保持综合治理减洪减沙效益依年代呈现稳定递增的趋势；近期流域水土保持综合治理减洪减沙效益十分显著。水保措施减水减沙比依时序呈下降趋势。

［1］张志萍，冉大川，慕志龙.大理河流域降水资料插补方法探讨［J］.人民黄河，2006，28（12）:26－27.

［2］冉大川，李占斌，李鹏，等.大理河流域水土保持生态工程建设的减沙作用研究［M］.郑州:黄河水利出版社，2008.

［3］张胜利，于一鸣，姚文艺.水土保持减水减沙效益计算方法［M］.北京:中国环境科学出版社，1994.

［4］王飞，穆兴民，李锐，等.河口镇到龙门区间水土保持措施减沙水代价分析［J］.水土保持通报，2005，25（6）:28－32.