浅谈生态用水对黄河径流的影响

冯传杰 李晓春

(黄河上中游管理局)

黄河上游是黄河流域主要产水区，其生态系统的好坏直接关系到整个流域社会经济发展。黄河流域生态用水的重点区域是上中游，特别是甘肃、宁夏、内蒙古等省(区)。生态用水在一定程度上影响了流域的产水量，反应在径流上就体现为生态用水对黄河径流的减水作用。通过黄河上游水土保持治理对于黄河径流量的影响调查分析，揭示黄河径流的变化规律，弄清影响径流量变化的关键因素，为实现黄河的生态调度和生态治理提供依据。

1 水土保持措施对黄河径流量的影响机理

土壤侵蚀的持续发生，不仅会造成当地土壤退化乃至土地资源彻底破坏，而且还会引起下游河道与湖泊的淤积，加剧洪涝灾害的威胁。同时，土壤侵蚀引起的面源污染还会破坏水资源，加剧缺水地区的水危机。因此，开展水土流失综合治理已成为当前国土整治工作的重点。现将不同水土保持措施对黄河径流的影响分析如下。

1.1 梯田的水土保持作用

水平梯田作为黄土高原主要的基本农田形式，是一项面积较大的坡耕地治理根本措施。黄土高原严重的土壤侵蚀往往是由少数几次暴雨造成的，不同的暴雨情况所造成的水土流失差异很大。由于黄土高原超渗产流的特点，当降雨强度超过了土壤入渗速度，土壤表面就会产生积水，积水在重力作用下将沿坡面向下流动，形成坡面径流。坡面径流对坡面土壤具有冲刷力，坡面径流的冲刷力与径流系数、降雨强度、坡长的平方、坡度的正弦和余弦的乘积成正比:

式中:r为水的密度;g为重力加速度;a为径流系数;I为平均降雨强度;L为坡长;θ为坡面的倾斜角。

上式说明改变坡度θ和径流系数a，缩短坡长L，是防止坡面水土流失的关键所在。水平梯田之所以具有较强的水土保持作用，是因为水平梯田改变了地面坡度和径流系数，缩短了坡长。

1.2 林地对径流影响机理分析

在黄河上游地区实施的水土保持措施中，林草植被措施一直是各地大面积开展的人工措施。特别是森林植被措施，其减洪减沙作用十分明显。森林植被具有强大的减洪减沙功能，主要体现在三个层次，即林冠层、地被物层和根系—土壤层以及各自功能及总体协调功能的充分发挥。

林冠层主要作用表现在截持降水、蒸腾蒸发以及对林内雨滴动能的影响。目前，在黄土高原对不同植被类型冠层的截留作用，已有较多的研究，视植被类型和郁闭度不同，截留量一般约占总降水量的12%－30%。截留率随降水形式、降水量和降水强度而变化。林冠截持的降水，多以枝叶面蒸发的形式返回大气。冠层对降水的再分配，不仅减少了林内的降水量，也间接地影响到降水汇入黄河形成径流的过程。

地被物层主要作用表现在截留降水，防止溅蚀，滞缓地表径流，抑制土壤蒸发，抵抗水流冲刷等方面。胡建忠在黄土高原丘陵区进行的研究结果表明，平均年龄近70年的天然植被群落的枯落物吸水量为11 mm，退耕20年左右的人工植被群落的枯落物吸水量为4 mm。降水被截留在地被物层，从而汇入黄河形成径流的水量就相应减少。

根系—土壤层主要作用表现在其透水和贮水性能方面。根系对土壤的固持，以及在枯落物和根系的共同作用下，使土壤的物理性状和土体结构发生改善。土壤的渗透性，是植被各种有益水文功能的总基础，通过渗透，可把降雨转变为土壤水。决定土壤抗蚀性强弱的主导因子—土壤有机质含量和黏粒含量，其各植被类型区均较裸地为高，且在腐殖质组成中，与钙结合的富单酸和胡敏酸比较丰富，尤其是带有一价阳离子的腐殖质胶体，遇水不潮解，能促进水稳性团粒结构的形成。土壤透水性和贮水性的改变，使原本应该汇入黄河形成径流的雨量形成了土壤水，间接影响了黄河的径流。

1.3 草地对径流影响机理分析

草地的水土保持效应主要是通过牧草的地上和地下两部分共同实现的，地上部分主要是通过对降雨截留，减少地表净雨和削减降雨动能降低降雨侵蚀力，以及增加地表糙率，降低径流对地表的冲刷能力等多方面来实现的。而地下部分的作用主要体现在根系增强土壤的抗冲性能以及改善土壤构型。

草地坡面具有显著的减沙减水效应。根据已有的研究成果，草地的平均径流系数较裸地减少28.3%，输沙率减少78.4%。草地削减径流的作用明显弱于减沙作用。

1.3.1 草地能增大起流历时

雨水降落在坡面上，首先在土壤中入渗，经过一段时间，土壤蓄水能力达到饱和，或降雨强度超过逐渐减小的土壤入渗能力时，就会产生多余的水量，等充满地表的凹坑后，就会沿坡面流动形成径流。起流历时是反映水土保持措施对径流调控能力的综合参数和重要指标。据研究资料，裸地平均起流历时为2.00 min，而草地则为6.32 min。草地能将坡面径流流出小区的时间大大推迟，进而有效增加了径流在草地坡面入渗的时间，明显提高了草地坡面的径流入渗量。

1.3.2 草地会减小径流流速

土壤侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程，而坡面径流是土壤侵蚀的主要动力。坡面径流是指在重力作用下顺坡面流动的浅层水流，其流速会随流量的增加逐渐加大。据研究资料，草地坡面平均径流流速明显小于裸地，仅为裸地的60%，这也意味着草地坡面可将径流流速减小40%。流速的减小可使径流的冲刷能力和输沙能力迅速下降，草地坡面径流的含沙率和输沙率分别为裸地的32%和24%。同时，坡面径流流速的降低也为水分的充分入渗提供了条件。

1.3.3 草地对径流深度的影响并不明显

坡面径流深度受流量、流速以及入渗的综合影响。草地的减流减沙作用主要在于草地对径流流速的改变，如果单纯从措施对径流水力学参数的影响来考虑，径流流速可能会更好地反映草地的径流调控效果和能力。

总的来说，草地具有显著的减沙减水效应，从而对黄河径流量产生一定的影响。

1.4 淤地坝对黄河径流影响的机理分析

淤地坝的减水量包括已经淤平后作为农地利用的坝地减水量和仍在拦洪时期的淤地坝减水量。淤地坝淤平后，其减水作用与有埂的水平梯田一样;仍在拦洪时期的淤地坝，其拦泥和拦水是同时进行的，淤泥中所含的水分大部分将消耗于蒸发，另有一小部分渗入地下后形成潜流。

淤地坝减沙量包括淤地坝的拦泥量、减轻沟蚀量以及由于坝地滞洪及流速减小对坝下游沟道侵蚀的减少量。

淤地坝的减蚀作用在沟道建坝后即行开始，其减蚀量一般与沟壑密度、沟道比降及沟谷侵蚀模数等因素有关，其数量包括被坝内泥沙淤积物覆盖下的原沟谷侵蚀量和波及的淤泥面以上沟道侵蚀的减少量。

淤地坝除拦蓄沟谷地产沙量外，还可拦蓄坡面50%以上的产沙量。

2 水土保持措施对黄河径流量的影响分析

2.1 水土保持措施减水作用对黄河径流的影响

通过对黄河上游生态用水分析计算结果可知，青海段的现状梯田、造林、草地、坝地年生态减水量分别为8395.38 万 m3、24884.79 万 m3、14768.07万m3、1454.5 万 m3;甘肃段的现状梯田、造林、草地、坝地年生态减水量分别为61.364万m3、72.295万 m3、37.599 万 m3、1.33 万 m3;宁夏段的现状梯田、造林、草地、坝地年生态减水量分别为10869.5万 m3、16360.7 万 m3、8086.8 万 m3、16883.3 万m3;内蒙段的现状梯田、造林、草地、坝地减水量分别为 2316.0 万 m3、36193.0 万 m3、10503.2 万m3、18154.6万m3。由于水土保持措施减水的本质是减洪，即减少的是相对难以利用的洪水，并且汛期拦蓄的洪水有相当一部分在非汛期排放，这对黄河流域水资源的可持续利用起到了至关重要的作用。

2.2 水土保持措施减沙作用对黄河径流的影响

黄河下游为了减轻河道淤积，每年约需200亿m3的水量用于冲沙。水土保持措施的最大作用在于减少入河泥沙，因此，水土保持措施的实施，降低了河流含沙量，减少了河流冲沙用水，这部分水可为黄河下游增加大量的用于输沙以外的可调用水量。

按照表1所列的各类水土保持措施的减沙定额计算可知，2009年青海、甘肃、宁夏、内蒙段水土保持措施减沙量分别为6929.61万 t、6531.21万 t、24109.8 万 t、26935.3 万 t(见表 2)。

表1 水土保持措施减沙定额 单位:t/hm2

表2 黄河上游各省区2009年水土保持措施减沙量

按冲走1 t沙需要16 m3用水计算，则青海、甘肃、宁夏、内蒙段由于水土保持减少的冲沙用水则分别为110873.74 万 m3、104499.36 万 m3、385757.5万m3、430965.2万m3(见表3)。从计算结果可以看出，水土保持措施控制上游水土流失间接减少下游的冲沙用水量比水土保持直接通过减洪减少的水量要大很多，黄河上游青海、甘肃、宁夏、内蒙段水土保持措施减少的下游冲沙用水量分别比其水土保持措施直接减水量分别多出 54997.07万 m3、75004.84万 m3、333557.3 万 m3、363798.4 万 m3，这也是黄河上游生态环境脆弱区域大面积通过水土保持措施治理水土流失的重要原因之一。

表3 黄河上游2009年各省区水保措施减少的冲沙用水量

3 结束语

总之，大面积的水土保持措施对黄河径流的主要影响:一是对径流的减少和调节作用。大量的研究表明，黄土高原坝地含水量明显高于其他土地利用类型的含水量，土壤含水量的增加，导致了流域蒸腾蒸发量的增加。同时，林地的增加，也增大了流域的蒸腾蒸发量。因此，水土保持减少了河流的径流量。梯田和坝地由于坡度的改变，增加了流域的下渗能力，这部分土壤水，最终会通过地下径流的方式补给河流，只是在时间上滞后于地表径流。二是对下游的减沙减水作用。上游的水土保持措施减少了黄河下游的积沙量，从而减少了下游的冲沙用水量，间接影响了黄河的径流量。