汾河水库上游流域水土侵蚀过程研究

王 博

（山西省汾河水库管理局，山西 太原 030006）

1 研究区概况

汾河是山西的“母亲河”，是山西境内最长的河流，全长716km，面积3.9万km2，占全省总面积的25%。区内降雨的年际变化较大，降水量季节分配极不均匀，冬季干旱少雨，夏季雨水充沛。年降雨量420～650mm，全年70%降雨量集中在6—9月，并且多以暴雨形式出现。汾河流域地面径流总量26.54亿m3，其中上游5.92亿m3。汾河水库上游沉积了深厚的第三纪红土及第四纪黄土，受重力侵蚀和水蚀作用形成了丘陵沟壑侵蚀地貌，沟梁相间，沟深坡陡，沟河面积占总面积的48%，汾河水库上游水土流失严重，致使水库淤积严重。

2 研究方法

2.1 DEM数据

本文用90m分辨率SRTM数字高程模型（DEM），原数据为地理坐标，为满足模型输入要求，将其转化为Albers投影。

2.2 土地利用数据

本文应用GIS的空间分析功能，基于汾河水库上游遥感影像的解译资料，提取各类土地利用类型的属性值，通过空间叠加分析流域土地利用和覆被的时空变化特征，得出汾河上游流域共有6种土地利用类型，又可细分为18种土地利用类型。

2.3 模型构建

本文的径流与泥沙模型采用国际通用的SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）模型，集成遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和数字高程模型（DEM）技术的基于水文过程的、具有较强物理机制的、可以连续模拟的分布式流域水文模型。对不同土壤条件、土地利用类型、气候状况和人类活动干扰下做出有效的产流、产沙模拟分析，适用于面向水资源管理的长时段的水文过程模拟。模型由700多个数学方程、1000多个中间变量组成，基于遥感和GIS提供的强大平台，利用GIS和RS提供的空间数据信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙输移与转化过程。

3 结果与分析

3.1 汾河水库上游水土侵蚀分析

汾河水库位于汾河流域的上游段，控制流域面积5268km2，总库容7.21亿m3，水库最大回水面面积32km2，最大回水长度18.3km。流域内河网密度0.35km/km2，沟壑密度 5～8km/km2，多年平均侵蚀模数5000t/km2，径流模数7.98万m3/km2，输沙模数87.3t/km2。从发源地至汾河水库，地形破碎、沟壑纵横、坡陡沟深，地面坡度7°～35°的面积占63.2%。上游河道纵坡4.5‰，河网密度为0.35km/km2。丘陵沟壑区内3～30km2的小流域 135条，面积1774.3km2，占丘陵沟壑区面积的92.51%，中等干旱年（75%）年径流量为20.7亿m3，干旱年（95%）年径流量为14.9亿m3，年平均输沙量为0.41亿t。

由试验结果可知，汾河水库上游虽经过营林建设，植被系统得到一些恢复，但覆盖度仍很低。流域内地貌根据地面物质组成及侵蚀特征划分为黄土丘陵沟壑区、石林山区、土石山区、河川阶地区4大区。年土壤侵蚀模数大于允许值500t/km2的流域面积为3688km2，占总控制流域面积的70%，年土壤侵蚀总量为2.37×107t，年均侵蚀模数为4495t/km2。石林和土石山区面积为3164km2，占控制面积的59.2%，年均侵蚀量为283万t，占控制流域年侵蚀量的11.9%。河川阶地区面积为279km2，占控制流域总面积的5.3%，年均侵蚀量9.80万t，占控制流域年侵蚀量的0.4%。黄土丘陵沟壑区面积为1870km2，占总面积的35.5%，年均侵蚀量为2.08×107t，占控制流域年侵蚀量的87.7%，是汾河水库泥沙的主要来源区，也是水土流失严重地区。

建库以来，由于受风雨侵蚀、水沙运动、自然环境变化等因素的影响，造成水库泥沙淤积状况日趋严重，为进一步研究监控水沙状况，在入库处汾河上设立河岔泥沙站，控制流域面积3325km2；支流岚河上设立上静游水文站，控制流域面积1400km2；支流涧河上设立娄烦泥沙站，控制流域面积578km2，以上三河是汾河水库水、沙的主要来源，占控制流域面积的95%。汾河水库流域内多年平均降水量522.67mm，其中汛期降水量为全年降水量的70%，7—8月最大，占全年降水量的48%。设计年均来水量4.52亿m3，实际年来水量为3.67亿m3，汛期来水量占全年来水量的60%，多年平均来沙量为2100t，汛期来沙量占全年来沙量的96%，断面最大平均含沙量为605kg/m3。试验表明，汾河水库上游的1998—2010年泥沙量与年径流量变化趋势基本一致，表明年水土侵蚀量随年径流量减少而减少，随着年径流量增大而加剧。

3.2 汾河水库上游水土侵蚀模拟研究成果

模拟试验结果表明，汾河水库上游区的径流量及其变化主要由汾河干流决定，泥沙贡献同样为汾河干流。影响汾河水库泥沙淤积的因子主要是汾河水库上游来水来沙过程。水库上游来水来沙受制于产流产沙过程，且与上游流域特性和水土保持状况密切相关。

4 水土侵蚀与水库淤积防治措施

4.1 加强水土保持

加强水土保持是防治水土侵蚀与水库淤积的根本途径，在水库上游流域面上植树种草，既能保水保土，遏制水土侵蚀，又可起到减沙、阻沙作用，从根本上解决水土侵蚀与水库淤积问题。必须加大水土保持力度，切实治理水土侵蚀，恢复植被系统，使之形成新的良性的水沙循环。

4.2 泄洪排沙，蓄清排浑

根据汾河水库的具体情况，河流水量及沙量高度集中于汛期的特点，充分利用汛期洪水能携带大量泥沙自然传吐的性能，洪水一到就及时开启闸门放水，以达到排沙清淤的效果，将大部分泥沙排出库外。同时，修拦沙水库或利用上游洼地引洪淤地，控制入库沙量，减少上游来沙，能有效缓解水库淤积。

4.3 清淤排沙

泥沙淤积，侵占有效库容，严重影响水库三大效益的发挥。在水库泄空期间，对水库进行水力人工或机械措施清理，或将水流导入在滩地上预先挖好的新主槽内，依靠清水、基流或洪水冲刷作用，使入库水流挟带的泥沙排出库外，恢复有效库容，延长水库使用寿命。

5 结论

流域水土侵蚀问题与水库安全运行中的任何一个目标都同步存在并且相互制约，汾河水库上游水土侵蚀量随年径流量减少而减少，随着年径流量增大而加剧。黄土丘陵沟壑区占控制流域年侵蚀量的87.7%，是水土流失严重地区，是汾河水库泥沙的主要来源区。SWAT模型在汾河水库上游模拟效果较好，模拟与实测相对误差小于10%，适用于汾河水库上游流域的水土侵蚀过程模拟，模拟结果为水库今后运行和管理提供了科学的依据。根据汾河水库具体情况，建立适宜的优化调度模型，进行综合调度，将不协调的水沙关系调节成协调的水沙关系，解决防洪、排沙和兴利等多方面的矛盾，从而实现水库的优化运行，进而实现经济、社会与生态三大效益。