黄河水土保持生态工程蓄水减沙作用分析<br/>——以泾河流域砚瓦川项目区为例

黄河水土保持生态工程蓄水减沙作用分析
——以泾河流域砚瓦川项目区为例

2014-04-03王鸿斌张志萍常瑞丽

中国水土保持 2014年11期

王鸿斌，刘斌，张志萍，常瑞丽

(黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，甘肃庆阳 745000)

砚瓦川流域地处甘肃省庆阳市西峰区、宁县境内，系泾河二级支流，位于E107°37′34″—107°51′57″、N35°32′50″—35°42′33″之间，流域总面积366.93 km2，沟道比降1.29%，涉及西峰区、宁县的8个乡镇。流域主要由塬、坡、沟三大地貌单元组成，其中塬面面积138.53 km2、沟壑面积73.19 km2、坡面面积155.21 km2，分别占流域总面积的37.75%、19.95%和42.30%。流域主沟道长75 km，有0.3 km以上的支毛沟520多条，支毛沟总长361.85 km，平均沟壑密度2.17 km/km2。黄河水土保持生态工程泾河流域砚瓦川项目区由砚瓦川、崆峒沟、庆丰沟、白土沟4条小流域组成，总面积236.67 km2，其中砚瓦川小流域88.62 km2、崆峒沟小流域68.20 km2、庆丰沟小流域37.06 km2、白土沟小流域42.79 km2，涉及西峰区的董志、什社、肖金和宁县的焦村、新宁、瓦斜等6个乡镇、39个行政村。项目区为典型的黄土高塬沟壑区，有水土流失面积224.9 km2，属国家和《甘肃省人民政府关于水土保持预防监督“三区”划分公告》中所列的水土流失重点治理区。

1 流域水沙基本特性

为分析砚瓦川流域水土保持综合治理效益，从1976年开始，黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站在砚瓦川流域出口处设立径流泥沙观测站进行观测。观测站控制流域面积329 km2，测流设施为抛物线型量水堰。2008年，随着黄河水土保持生态工程砚瓦川项目区(以下简称项目区)的开工建设，为进一步对比观测水土保持措施的蓄水拦沙效益，在流域内的肖金老山布设了10个水土保持效益观测标准径流小区，其中在阴坡布设2个油松沙棘混交林小区和1个荒坡对照小区，在阳坡布设2个侧柏林小区、2个香豌豆小区、2个封禁治理小区、1个荒坡对照小区。

项目区内设有14个雨量站。根据实测资料，项目区年均降水量(1976—2013年数据，下同)为512.6 mm，汛期降雨量为405.4 mm，7—8月降雨量为215.0 mm，有效降雨量为326.3 mm。砚瓦川流域年径流量为734.5万m3，其中：汛期径流量406.3万m3，占年径流量的55.3%；7—8月径流量229.7万m3，占年径流量的31.3%，占汛期径流量的56.5%；多年平均洪水径流量240.3万m3，占年径流量的32.7%；年常水径流量481.9万m3，占年径流量的65.6%。最大年径流量1 577.0万m3(1984年)，最小年径流量371.1万m3(2009年)，极值比为4.2 ∶1。多年平均径流模数为2.232 4万m3/km2，多年平均洪水径流模数为0.730 5万m3/km2。砚瓦川流域年输沙量为66.48万t，其中：汛期输沙量65.71万t，占年输沙量的98.84%；7—8月输沙量48.15万t，占年输沙量的72.43%，占汛期输沙量的73.28%；年洪水输沙量为64.93万t，占年输沙量的97.67%。最大年输沙量396.88万t(1984年)，最小年输沙量0.99万t(2008年)，多年平均输沙模数为2 020.6 t/km2。

2 水土保持措施面积提取

以建设基准年和建设期末的SPOT 5卫星影像为信息源，结合野外调查，在GIS平台下提取了项目区实施的各类水土保持措施数量。解译结果表明，截至2013年末，项目区累计实施坡改梯1.92 km2，栽植人工林10.57 km2，培育人工草地3.04 km2，建设淤地坝16座、水窖200眼、涝池17个、沟头防护工程10处。

3 水土保持措施蓄水减沙作用分析

对于项目区实施的水土保持措施的蓄水减沙作用，采用“水保法”进行计算。

3.1 坡面措施减洪减沙量

项目区坡面措施主要包括坡改梯、人工造林、人工种草等三大类。计算坡面水土保持措施的减洪减沙量时，一方面利用项目区布设的径流小区取得的观测数据进行单项措施拦蓄效益分析，另一方面借鉴水利部第二期黄河水沙变化研究基金项目“泾河、北洛河、渭河流域水土保持措施减水减沙效益分析”[1]和黄委十五重大治黄科技项目“黄土高塬沟壑区典型小流域水土流失规律及水土保持治理效益分析研究”[2]中南小河沟径流场观测数据，采用频率分析法建立坡面水土保持措施减洪减沙指标体系，在修正、完善后用于项目区水土保持措施减洪减沙量计算。

根据措施小区-对照小区〔梯田-坡耕地、人工林-荒草坡、人工牧草地-宜牧坡耕地(>20°)〕的洪水径流量、侵蚀量的经验频率曲线，与同频率量值比较，即可得出某一频率下的减洪减沙指标。林地、草地由减洪指标曲线查得的径流量、减洪量与实际状况较接近，而梯田因减洪指标曲线反映的是无埂梯田的状况，需要引入有埂率指标采用“二步到位法”进行修正。

通过点绘措施小区与对照小区汛期降雨量与减洪减沙量关系曲线，采用同频率对应的方法，将不同洪量频率下的减洪指标转换为同一频率、不同雨量级下的减洪指标。为消除不同系列水文周期性的影响，通过分析代表小区与流域的汛期降雨量统计规律与特性，以汛期降雨量对小区系列汛期雨量及相应的减洪指标进行修正，得到项目区减洪减沙指标体系。

3.2 治沟骨干工程减洪减沙量

淤地坝减沙量计算。砚瓦川流域内的坝地均蓄水未利用，淤地坝总拦泥量为单坝控制面积和区域平均土壤侵蚀模数的乘积。减蚀量为坝淤地(蓄水)面积、沟谷减蚀模数、各坝建成年限三者的乘积。经计算，砚瓦川项目区2008—2013年淤地坝累计减蚀量为24.4万t。

淤地坝减洪量计算。淤地坝减洪量计算分为两部分，一部分是计算已经淤平后作为农地利用的坝地减洪量，另一部分是计算仍在拦洪期的淤地坝减洪量。淤地坝淤平后开发利用坝地，其减洪作用就跟有埂的水平梯田一样。经计算，项目区2008—2013年淤地坝总减洪量为94.47万m3。

3.3 其他小型工程减洪减沙量

除治沟骨干工程外，砚瓦川流域还建设有沟头防护、水窖、涝池等小型工程措施，尤其是沟头防护能防止塬面成股洪水流入沟中造成严重侵蚀，发挥了一定的拦蓄作用。其他小型工程减洪减沙量的计算采用西峰水土保持科学试验站《南小河沟典型流域水土保持综合治理效益研究报告》中提供的某小型工程的平均拦蓄量乘以单项工程的数量，得到该措施的蓄水拦沙效益。经计算，2008—2013年项目区治沟骨干工程和小型拦蓄工程年均减洪26.40万m3，年均减沙17.40万t。

3.4 人为活动新增水土流失量

根据调查，砚瓦川流域人为活动主要是修路、工矿建设等。通过调查修路、开矿的弃土弃渣量，结合南小河沟道路径流场观测资料确定的流失量及计算指标，来计算项目区人为活动新增水土流失量。经计算，2008—2013年项目区人为活动累计增沙1.14万t，累计增洪6.02万m3。

4 结果与分析

砚瓦川项目区水土保持综合治理措施蓄水减沙效益计算结果见表1、2。由“水保法”计算成果汇总可知，2008—2013年项目区水土保持综合治理措施及人类活动年均减洪量152.61万m3，年均减沙量34.68万t。水保措施中坡面措施年均减洪132.22万m3，占坡面和工程措施减洪总量的83.4%，工程措施年均减洪26.41万m3，占16.6%；坡面措施减沙18.42万t，占坡面和工程措施减沙总量的51.4%，工程措施减沙17.40万t，占48.6%。在坡面措施减洪量中，梯田减洪占16.4%，林地占75.7%，草地占7.9%；在坡面措施减沙中，梯田减沙占17.8%，林地减沙占74.1%，草地减沙占8.1%。