基于谷歌地球的湫水河流域暴雨洪水变化分析

刘龙庆 狄艳艳 张荣刚

摘要：采用统计学方法研究了黄河中游支流湫水河流域1960-2015年的暴雨洪水变化趋势，并基于谷歌地球软件提供的近期卫星遥感图片分析了库坝、梯田以及林草等在产/汇流和暴雨洪水变化过程中的不同作用。结果表明：水库及淤地坝系阻滞了河道汇流，梯田及林草等植被覆蓋率的提高减小了流域产流，而库坝的增多对洪水量级和发生频次的减小起着最主要的作用。建议继续加强以淤地坝系为主的小流域沟道治理力度，进一步降低黄土高原地区洪水的发生频次。

关键词：谷歌地球：下垫面；水土流失治理；暴雨洪水；湫水河流域

中图分类号：TV122：TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.007

20世纪80年代以来，黄河中游人类活动加剧，以水库、淤地坝系修筑和退耕还林还草为主的T程措施、生物措施相继实施，黄河干支流产洪产沙特性发生了较大变化，流域产洪能力大幅降低，洪水发生频次显著减小，洪峰量级明显减小，造成这种现象的主要因素是流域下垫面发生了较大变化[l]。基于谷歌地球软件提供的最新卫片进行调查，可以直观地观察到某一地区水库、淤地坝、梯田、植被等各下垫面要素的分布情况及规模，并能得到水库、淤地坝等地物的地理坐标，计算其控制的流域面积，从而进一步分析各个要素在洪水变化方面所起的作用及影响程度。本文以黄河中游支流湫水河流域为研究对象，利用谷歌地球软件对该流域暴雨洪水的变化原因进行了分析。

1 流域概况及暴雨洪水变化

1.1 流域概况

湫水河流域位于黄河中游山陕区间中部左岸，为黄河一级支流，流域面积1 989 km2，除东北部为石山林区外，大部分地区为黄土丘陵沟壑区，是典型的超渗产流区。流域内较大的支沟（流域面积大于IO km2）有20多条，呈羽状汇人，主要支沟有太平沟、城庄沟、榆林沟、车赶沟、安业沟、大峪沟、招贤沟等。湫水河控制站林家坪水文站位于人黄口上游13 km处，控制流域面积为1 873 km2。

湫水河流域属暴雨洪水多发区，20世纪60-70年代多次发生大洪水，仅洪峰流量超过1 000 m3/s的大洪水就有20次之多。据《中国水文大事记》记载，1875年曾发生过洪峰流量7 700 m3/s的特大洪水，是1967年实测洪峰流量3 670 m3/s的两倍多。20世纪80年代后，暴雨和洪水的发生频次和量级都发生了显著变化。

1.2 暴雨变化

据实测资料分析，20世纪60年代以来，湫水河流域各雨量站暴雨（降雨量大于50 mm/d）日数和量级在各年代有所不同。根据林家坪站雨量资料统计，1960-2015年汛期共发生暴雨38次。按年代划分，各年代暴雨以上量级降雨量的总趋势是60-90年代逐步减小，进入21世纪后暴雨发生次数有所增大，量级降雨量也明显增大（见表1）。2010年9月19日次暴雨降雨量达185.4mm，为有记录以来的最大实测暴雨。

1.3 洪水变化

根据1960年以来的洪水资料统计，林家坪站共发生洪峰流量超过500 m3/s的洪水58次，平均洪峰流量为1 080 m3/s。与20世纪60年代相比，70年代以来特别是2000-2015年洪水的发生频率显著降低：20世纪70-90年代洪峰流量明显减小，90年代以来又有所增大，见图1。

从洪水发生频率来看，按年代划分，20世纪60-90年代发生洪峰流量500 m3/s以上的洪水分别为26、10、9、8次，进人21世纪后发生次数急剧减小，2000-2009年和2010-1015年分别仅为2、3次。从洪峰流量来看，20世纪60-90年代最大洪峰流量分别为3 670、2 760、1 630、804 m3/s，进入21世纪后有所增大，2000-2009年最大洪峰流量为1 260 m3/s，2010-2016年则为2 300 m3/s（见图1）。

从1960-2016年林家坪水文站洪峰流量500 m3/s以上洪水历年发生次数和最大洪峰流量的变化情况（见图2）看，1980年后洪水发生次数急剧减小，其中2004-2009年连续6a未发生最大洪峰流量超过500m3/s的洪水，而最大洪峰流量经过1967-2009年的趋势性减小后。2010-2016年又有所增大，其中2010年、2012年、2015年、2016年分别为2 300、1 350、1 400、1 700 m3/s。

为了分析湫水河流域各时期暴雨产洪能力的变化，统计了各雨量站建站以来的总暴雨日数及其相应林家坪站无洪水暴雨（指未产生洪峰流量100 m3/s以上洪水的暴雨）日数（见表2）。

从表2可以看出：1960-1979年无洪水暴雨日数仅占总暴雨日数的10%以下，大部分暴雨会产生洪水：1980-1999年该比例增大至约33%：2000-2015年该比例继续增大至约61%，即当某站发生暴雨时，流域产生洪水的概率只有不到40%，说明流域产洪能力下降。

2 谷歌地球简介

谷歌地球是Google公司开发的一款虚拟地球软件，由Google公司于2005年向全球推出。用户可以通过下载到个人电脑上的客户端软件免费浏览全球各地的高清卫片。该软件已在勘查、测量、规划、设计等领域和环保、水利、建筑、旅游等行业得到广泛应用。本文选用谷歌地球免费提供的湫水河流域2015年8月14日、10月5日分辨率Sm以上（3m或更高）彩色卫片，可清楚地分辨出沟道、梯田、植被、淤地坝坝体以及道路、桥梁、村庄、房屋、工地等，并能得到其地理信息，用于测量沟道长度、计算区域面积等。

3 流域下垫面现状

20世纪80年代，黄河流域水土保持工作全面发展，采用T程措施与植物措施相结合的方法对支毛沟和五荒地（荒山、荒坡、荒沟、荒滩、荒沙）进行治理，至80年代末已收到明显的经济效益和生态效益。工程措施包括修建梯田、淤地坝等，植物措施主要是造林种草。1999年，国家开始实施退耕还林、退牧还草政策，植物措施得到进一步加强。2003年，水利部将淤地坝建设作为当年三大亮点工程之一，工程措施得到强化。随着这些政策的实施，湫水河流域内淤地坝数量逐年增多，退耕还林还草面积不断扩大，影响产洪产沙的下垫面条件发生了较大变化。

3.1 库坝

根据山西省中小水库资料并通过谷歌地球卫片查看，湫水河流域中小型水库有阳坡、太平、曹家岭、胡家峪、玉坪、薛家圪台、刘王沟等7座，控制面积合计437.2 km2（见表3，胡家峪水库处于曹家岭水库控制面积中）。更多的是分布在小支溝、毛沟河道内的淤地坝。大多数支沟内的淤地坝已形成坝系，坝间距几十米至百米不等，如大禹沟小流域某沟道中新建的淤地坝系（见图3.来自2015年10月5日谷歌地球卫片）。

这样的淤地坝系在湫水河流域内星罗棋布，如面积为172.1 km2的车赶沟小流域，分布在支沟、毛沟内的淤地坝坝系有60余个，控制了该小流域近50%的面积（见图4，网圈为支沟控制性淤地坝位置，绿色部分为由淤地坝（系）控制的区域）。

据统计，车赶沟、城庄沟等10条支沟中，处于沟道口下端、对沟道具有控制意义的坝系有300余个。为了计算每个小流域内坝系的控制面积，从而确定其治理程度，首先依据谷歌地球显示的分水岭和高程，用多边形工具勾绘每个小流域的流域边界：然后，在谷歌地球上用点标注每条沟道内淤地坝系最下端的淤地坝位置，用多边形工具将这些点与分水岭连线，形成若干闭合区域：最后，通过坐标转换和多边形面积计算方法，求出上述流域和区域的面积，并统计已控制面积与小流域面积之比。

采用上述方法统计得出阳坡水库以及城庄沟、安业沟等11个小流域的已控制面积合计为721.3 km2，占其总控制面积的62.3%（6座小（1）型水库分布在不同的小流域内，不再重复计算）。其他区域因分散在湫水河干流两岸，山高沟深，一些沟道比降较大且长度较短，故坝系相对较少，估算该区域库坝控制面积约占区域总面积的40%。全流域水库和坝系控制面积合计为1 053.9 km2，占流域总面积的53.0%（见表4）。

3.2 梯田与植被

流域东北部为石山林区，面积401 km2，植被覆盖度较高，侵蚀轻微，其他地区为黄土丘陵沟壑区和少部分河川阶地区，植被覆盖度较低（见图5（a））。

湫水河流域水土流失面积占全流域面积的82%，在20世纪60年代就开始了水土流失治理T作。经过多年治理，除了修建大量库坝外，还逐步形成了以梯田、林、草为主的水土保持措施，集中连片治理则始于20世纪90年代。1991年，联合国粮农组织“3923”项目于湫水河有岸开工T：1996年，黄河高原水土保持世行贷款项目又在左岸开工：1998年，国家将湫水河流域列为重点治理区。

通过统计湫水河流域内5个县1954-2000年的水保资料，梯田、造林、种草累计保存面积已由1959年的3 980 hm2增大到2000年的74 06hm2，见表5。

通过谷歌地图可以发现，黄土丘陵沟壑区内绝大部分梁峁和较缓的山坡都已梯田化（据实地调查，有的甚至还是反坡梯田），改变了原有的自然地貌（见图5（b）、图5（c））。湫水河流域内主要种植农作物或林木、果木，部分沟道内多有林草、灌木，而较陡的山坡一般仍为黄土裸露状态（见图5（d））。

4 暴雨洪水变化原因分析

一般来讲，降雨经过植物截留、地面填洼和土壤下渗后，在坡面产生地表径流，下渗部分中的自由水形成地下径流，这一阶段称为产流阶段：地表/地下径流在重力作用下汇人毛沟、支沟、干沟、干流，最终在流域出口断面形成洪水过程，这一阶段称为汇流。流域内产生径流的区域称为产流区，其面积称产流面积，洪水量级和洪量与产流面积成正比。

湫水河流域属典型的超渗产流区，洪水组成以地表径流为主，洪水陡涨陡落，历时较短。视洪水量级和历时不同，次洪量一般在几百万到上千万立方米。

4.1 水库和淤地坝坝系作用分析

对于水库来讲，因其库容大、防御标准高，故在滞洪蓄洪方面起着重要作用。如阳坡水库控制面积251km2，处于流域上游石山林区，总库容1 756.8万m3，其中有效库容730万mi，相当于30 mm净雨（指形成径流的那部分降雨）。若按径流系数0.5计算，可拦截控制面积内一次60 mm暴雨（一次降雨过程）所产生的的洪水，所控制面积对其下游而言已成为不产流面积，发生大洪水时又可起到削峰错峰、调蓄洪水的作用。对于淤地坝系来讲，一条沟道内一般都由多道淤地坝组成，坝间距几十米到一二百米不等，横亘于河道内的一道道坝体改变了沟道的自然形态。暴雨洪水期间，各级淤地坝系虽不影响流域坡面产流，但可分段拦蓄不超过设防标准的洪水，大部分径流就地下渗，直接拦截了防御标准内的洪水，对于下游而言已成为不产流区，相当于减小了产流面积。因此，就湫水河流域而言，产流面积不仅随降雨的空间分布而变化，而且与库坝位置及其拦蓄作用有很大关系。湫水河流域库坝控制了53%的流域面积，相当于在一般降雨条件下产流面积缩小了50%以上，使得各条支沟、毛沟的洪水分别被拦截在库坝内不再下泄。与自然条件下相比，势必会相当程度上减小洪水的量级、降低洪水发生的频率。因此，库坝作用下产流面积的减小是湫水河流域洪水量级和发生频次变化的主要因素。

在卫片上，淤地坝系控制的许多沟道内已看不到明显的过水河道，只有绿色的农作物和大量的树林，说明这些坝系已经或正在起着拦洪减洪的作用。2015年8月1日，林家坪水文站发生了一次洪峰流量为1 400m3/s的较大洪水，在2015年10月10日卫片上可以清楚地看到一些沟道中淤地坝内的浑浊水面，经分析这是8月1日的洪水被淤地坝拦截而形成的（见图6）。

通过谷歌地图普查，在2015年10月10日的卫片上发现有明显水体存蓄的淤地坝有40余处（见图7），均分布在8月1日的暴雨区内。这也直观地说明了淤地坝系对此次洪水的削减作用。若没有水库和淤地坝系的拦蓄作用，则此次洪水的量级和洪量会更大。

需要说明的是，当暴雨洪水量级超过防御标准时，个别淤地坝可能发生溃坝或决口。如2015年10月5日卫星遥感图片上可清楚地看到车赶沟小流域某沟道内淤地坝体形成的溃口和坝体下游的洪水痕迹。因此，若发生大雨强或长历时持续性降雨，产生的洪水超过了库坝防御标准，或者暴雨发生在治理程度较低、淤地坝系较少的区域，则仍会产生较大洪水，如2010年、2012年、2015年分别发生的洪峰流量2 300（100 a -遇）、1 350、1 400 m3/s洪水。

4.2 梯田和林草作用分析

修建梯田和提高林草覆盖度主要影响流域产流。由于大量梯田的存在，坡面坡度变缓，甚至为负比降，因此无论降雨强度如何，都会增大对雨水的拦截效果，使原有的产流方式由超渗产流变为蓄满产流。由于黄土较为疏松，下渗量较大，加之梯田内农作物的作用，因此较植被覆盖度高的自然山区更不易产流，同时一定程度上减轻了淤地坝防洪压力。

近20 a来，国家在黄土高原地区实施了退耕还林、退牧还草政策，植被得到了一定恢复，在一定程度上增大了降雨截留量和土壤下渗量，减少了产流量，在改善局部生产生活条件和生态环境、防治水土流失方面起到了重要作用。但是，在黃土丘陵沟壑区，许多地方坡度较大且土壤贫瘠，不适合植物的存活和生长，植被一般只在缓坡、沟道和台地局部或零星分布，因此就整个流域来讲，植被覆盖度仍然不高，影响的产流面积有限，只是局部有植被覆盖区域产流量有所减小，流域产流方式仍为超渗产流。

5 结语

总体来讲，湫水河流域库坝和梯田、林草植被在汇流和产流阶段起着不同的作用。在一般降雨条件下，库坝可以拦截其上产生的所有或者大部分来水来沙，影响甚至阻滞河网汇流，对下游而言则减小了产流面积：大量梯田的存在使得中雨和大雨量级情况下一般不再产流，植被覆盖度的提高则增大了降雨损失量，在一定程度上减少了产流，同时也减轻了库坝的防御压力。两者有机结合，各自承担了流域减洪的作用，影响了流域内暴雨洪水的变化。

分析结果表明：①谷歌地图是流域调查和查勘中有效且实用的工具：②梯田、造林和种草等措施减小了坡面产流，库坝等措施阻滞了河网汇流，两者的共同作用使得洪水量级减小，洪水发生频次降低，不易产流面积的增大与植被覆盖度的提高有机结合、共同作用，是洪水发生频次降低和洪水量级减小的主要下垫面因素：③淤地坝的洪水防御标准有限，发生常遇降雨可起到减洪作用，遇超常暴雨则仍可产生较大洪水：④湫水河流域水土保持治理程度仍然不高，淤地坝系未控面积仍然较大。建议：①继续加大以淤地坝系为主的小流域沟道治理力度，进一步减少黄土高原地区的洪水和泥沙：②利用谷歌地图等现代技术并结合实地查勘，详细调查流域下垫面现状，统计黄河中游地区各主要支流淤地坝建设和植被恢复情况，科学合理地分析各下垫面因素变化在流域减洪减沙方面的作用。

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