皇甫川特拉沟小流域近期泥沙减少成因分析

李景宗 张永永 赵帮元 杨廷华

摘要：受降雨变化及人类活动等因素影响，近期皇甫川流域水沙发生显著变化。通过分析皇甫川典型小流域特拉沟2007-2016年水土流失原型动态监测资料，揭示了特拉沟小流域存在降雨强度显著减小、产水产沙年际变化大、沟道坝系工程及植被对泥沙减少作用显著等特征，建立了基于降雨侵蚀力和小流域產沙模数的二次曲线相关关系，其适用于分析比较不同降雨条件下特拉沟小流域产沙状况。研究结果表明，特拉沟小流域2007-2016年年均输沙量与1954-1999年均值相比减少167.7万t，其中：降雨强度减小、汛期降雨量减少引起的年均产沙减少量约为24.98万t，占总减少量的14.9%；淤地坝拦沙减蚀作用年均拦减泥沙约75.72万t，占总减少量的45.2%：坡面治理措施年均产沙减少量约67.O万t，占总减少量的39.9%。

关键词：降雨侵蚀力；产沙模数；淤地坝；坡面措施；特拉沟小流域

中图分类号：P333：TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.001

皇甫川流域是黄河中游多沙粗沙区的重要组成部分，流域面积3175km2（皇甫水文站控制面积），水土流失极其严重，多年平均侵蚀模数15614t/a。受降雨变化及人类活动等因素影响，近期皇甫川流域水沙发生显著变化。据统计，1954-2016年多年平均径流量、输沙量，分别为1.248亿m3和3823万t，1954-1986年分别为1.782亿m3和5555万t，2000-2016年分别为0.361亿m3和758万t。与1954-1986年（可认为是人类活动影响相对较小时期）均值相比，2000-2016年实测年均径流量、输沙量分别减少1.421亿m3和4797万t，减幅分别为80%和86%。黄河主要产沙区河口镇至龙门区间与皇甫川流域类似，近期水沙也发生显著变化，表现为水沙量大幅度减少。本文根据皇甫川典型小流域特拉沟2007-2016年水土流失原型动态监测资料，分析了近10a来该小流域产沙特点，初步建立了该小流域降雨产沙关系，分析了近期泥沙减少的主要成因，以期为深入研究黄河主要产沙区水沙变化成因提供参考。

1 特拉沟小流域基本情况

特拉沟小流域位于内蒙古自治区准格尔旗，是皇甫川流域的一级支沟，流域面积128.2km2，属沙质丘陵沟壑区，水土流失十分严重。

1.1 降水及水土流失情况

2007年以前特拉沟小流域无降雨量观测站，参考距该流域7km的沙圪堵气象站资料分析，流域多年平均降水量400mm，年际变化大，年内分配极不均匀。沙圪堵站实测年最大降水量为636.5mm，年最小降水量为160.8mm；降水主要集中在汛期（7-9月），多年平均汛期降雨量为315.2mm，占年降水量的78.8%，多以局部暴雨形式出现，历时短、强度大。

流域内大部分地表为黄土、风沙土所覆盖，零星分布有栗钙土。上游梁峁顶较平缓，沟道切割深而窄，沟壑较发育，沟岸砒砂岩大面积裸露：中游为平缓的沙丘洼地，局部有零星流动沙丘，支毛沟较少：下游主沟道两岸和各级支沟岸坡较陡，均为砒砂岩沟谷，支毛沟密集，多呈短、深、窄状，主沟道沟床呈U形，支毛沟多呈V形，沟壑密度3.7km/km2。流域出口处地势平坦，两岸均为川台地。流域内沟谷地约占总面积的25%。

流域内风力、水力和重力侵蚀并存，侵蚀强度属强烈及以上。从侵蚀部位看，梁峁顶和梁峁坡较平缓，侵蚀相对轻微，沟谷地坡度大、侵蚀剧烈。流域内土壤侵蚀量大多来源于沟谷地，其侵蚀量占流域总侵蚀量的60.0%～70.0%。据黄河上中游管理局2011年遥感监测数据分析，该流域侵蚀模数为10430t/（km2·a）。

1.2 水土保持生态建设概况

从1983年开始流域内的特拉东沟、特拉西沟被列为全国八片一期、二期一阶段重点治理小流域，2000年后随着“退耕还林还草项目”“黄河水土保持生态工程特拉沟小流域坝系建设项目”等水土保持重点项目相继实施，水土保持生态建设取得显著成效。

截至2016年年底，流域治理面积达7533.hm2，治理度为58.8%。其中：梯田、川台地面积185hm2；林草措施面积7348hm2（造林4140.5hm2，封禁2587.6hm2，人工种草620.0hm2），计入自然生态修复的荒草地面积，林草植被覆盖率达70.1%：建成大中型淤地坝23座（骨干坝15座，中型坝8座）、小型淤地坝5座。

2 水沙动态监测情况

2007-2011年，黄河上中游管理局黄河水土保持生态环境监测中心在特拉沟小流域实施了水土流失动态监测，2012-2016年内蒙古准格尔旗水土保持监测站对特拉沟小流域实施了水土流失动态监测。流域内监测基础设施相对完善，截至2016年年底，积累了连续10a的监测资料，主要监测项目及监测情况如下。

2.1 径流、泥沙监测

特拉沟把口站所在主河道河槽顺直、断面规整、水流集中、河槽稳定、无塌岸，测验断面设计洪水流速8.1m/s，控制面积128.2km2，在暴雨洪水期间实时观测径流、输沙情况。

2.2 雨量监测

流域内安装2台白记雨量计（布设在2个雨量监测站），1#雨量站位于流域监测站屋顶，2#雨量站位于边将沟骨干坝有侧一农户房屋顶，主要观测流域内5-10月的降雨量与降雨强度。

2.3 淤地坝拦蓄量监测

主要开展拦沙、蓄水、用水情况的监测工作。年初和年末观测淤积面对应的混凝土标尺的刻度变化情况，可较为准确地确定淤地坝的淤积厚度。对于有些淤积面不太规整、淤积情况比较复杂的淤地坝，结合人工开挖淤积剖面进行测定。通过逐坝丈量淤地坝内的淤积面长度、宽度、厚度，计算出坝地的总淤积量。蓄水、用水情况监测采用人工现场测量法进行。

淤地坝拦蓄量监测主要针对骨干坝和中型淤地坝进行，对小型淤地坝没有进行监测。

2.4 主要监测成果

特拉沟小流域2007-2016年降水量主要监测成果见表1，把口站径流、泥沙及淤地坝拦沙、蓄水动态主要监测成果见表2。

3 监测成果分析

通过综合分析，得出以下主要认识。

3.1 近10a降雨强度偏小

2007-2016年年均降水量388.9mm，最大年降水量734.6mm（2016年），最小年降水量136.8mm（2011年）：年均汛期（7-9月）降雨量261.0mm，最大汛期降雨量483.3mm（2016年），最小汛期降雨量73.4mm（2011年）；年均最大1d降水量45.7mm，其中最大ld降水量最大值93.0mm（2012年）、最小值仅14.3mm（2011年）。特拉沟小流域2007-2016年降水量与邻近的皇甫川沙圪堵站长系列降水量相比，年均降水量仅偏少2.8%，汛期降雨量偏少17.1%，但最大1d降水量偏少10.7%，说明近10a降雨强度总体偏小。

3.2 流域产水产沙年际年内变化大

从把口站水沙动态监测成果看，近10a年均径流量仅为26.8万m3，年均输沙量仅为5.3万t，最大年径流量和输沙量分别为90.37万m3和33.29万t（2010年），有5a没有测到径流量和输沙量。但从全流域产水产沙量（即把口站实测径流量、输沙量分别与淤地坝的蓄水量、拦沙量之和，用水量因很小而忽略不计）监测成果看，近10a年均产水、产沙量分别为99.8万mi和66.7万t，其中最大年产水、产沙量分为251.8万m3（2010年）和199.31万t（2012年）。10a中有la没有产生径流（2015年）、有2a没有产沙。年内产沙主要集中在几次暴雨，如2010年把口站实测输沙量33.29万t，其中9月20日发生暴雨，含沙量高达488.6kg/m3，日输沙量达24.83万t.占全年输沙量的74.6%。

3.3 植被对低强度降雨减沙效果显著

特拉沟小流域现状植被较好，植被覆盖率达到70.1%。2011年和2015年降雨强度较小，最大ld降雨量分别为14.3mm和25.3mm，汛期降雨量分别为73.4mm和154.6mm，把口站没有测到输沙量，流域内的骨干坝和中型坝没有淤积泥沙，说明遇低强度降雨，植被减沙效果很好，坡面几乎没有产沙。2010年、2012年、2014年、2016年最大1d降雨量为36.6～93.0mm，流域产沙模数为6976～15547t/（km2.a），淤地坝控制流域范围内产沙模数为5108～17285t/（km2·a），说明遇中高强度暴雨，即使植被覆盖率较高，流域产沙模数仍然较大。从近10a的实测降水和产沙情况看，在现状下垫面条件下，特拉沟小流域在日降雨量达到14.3mm情况下即可产水，日降雨量为21.5～30.6mm情况下即可产沙。

3.4 沟道坝系工程对小流域泥沙减少发挥了关键作用

2007-2016年特拉沟小流域在降水偏少的情况下年均产沙66.7万t，年均产沙模数为5203t/（km2·a），淤地坝年均拦沙61.4万t（占该流域产沙量的92%），淤地坝控制流域范围内的产沙模数为5536t/（km2·a），淤地坝对减少小流域出口泥沙起到关键作用。2010年9月20日经历了一次高强度降雨，园子沟中型坝当年新增淤积厚度5.651m，年新增淤积量2.765万m3，控制流域产沙模数达到2.489万t/（km2·a）：王家塔中型淤地坝年新增淤泥量2.481万m3，控制流域产沙模数达到2.592万L/（km2·a）。2013年淤地坝总拦沙量75.33万t，其中小陶不洼、王家塔2座中型坝（均为2007年9月建成）提前达到设计淤积总量，坝控范围年侵蚀模数分别高达7.64万、6.7万t（km2·a）。

由近10a的监测结果可以看出，沟道坝系工程对减少小流域出口泥沙到了关键作用，除直接拦沙之外，还抬高了侵蚀基准面，有效减少了沟道的重力侵蚀。

4 降雨产沙关系分析

工通过对近10a特拉沟小流域水沙动态监测成果分析可知，在现状植被覆盖率较高（接近70%）情况下，流域产沙既与降雨强度有关，又与汛期降雨量有关。因缺乏历年小流域短历时降雨强度（如最大30min雨强130、最大60min雨强160）资料，故本文采用最大1d降雨量，作为降雨强度（单位为cm），用汛期降雨量P作為雨量因子（单位为cm），将PaIb（其中a、b分别为雨量和雨强指数，其值大于0）近似作为降雨侵蚀力，建立PaIb，与小流域产沙模数之间的相关关系，以揭示现状下垫面条件下特拉沟小流域的降水产沙特性。

根据近10a特拉沟小流域的降雨、产沙（把口站输沙量+淤地坝拦沙量）资料，结合邻近小流域淤地坝的监测资料，形成27组PaIb与小流域产沙模数样本数据，通过反复试算，得出当a值为0.5、6值为2时，P0.5I2与小流域产沙模数Y之间的相关关系最好，复相关系数（R2）达到0.8351，见图1。

由图1可知，产沙模数与降雨侵蚀力（P0.5I2）之间的相关关系为二次曲线，其相关方程如下：

Y=0.0086X2+10.268X+1725.7

（1）其中

X=P0.5I2

（2）

由以上分析可知，在现状植被条件下，特拉沟小流域产沙与雨强、汛期降雨量密切相关，雨强的指数大于汛期雨量的指数。需要说明的是，由于实测样本资料有限、大暴雨资料较少，因此上述关系宜用于不同降雨条件下特拉沟小流域产沙模数的分析比较，不宜作为该流域产沙模数绝对值的计算依据。

5 近期泥沙减少成因分析

特拉沟小流域位于皇甫川沙圪堵站至皇甫站区间，根据这2站历年实测输沙量分析，1954-1999年区间平均输沙模数为13497t/（km2·a），按此计算，特拉沟小流域1954-1999年年均产沙量约为173万t。2007-2016年特拉沟小流域把口站实测年均输沙量仅为5.3万t，与1954-1999年均值相比，输沙量减少167.7万t。输沙量减少主要受降雨变化和下垫面变化（包括水土保持措施和自然修复）的影响。根据建立的特拉沟小流域降雨产沙关系及实测的淤地坝淤积资料，可以分析2007-2016年降雨变化、淤地坝拦沙减蚀及坡面治理措施对泥沙减少的贡献率。

5.1 降雨强度减小对泥沙减少的影响

根据特拉沟小流域降雨监测数据和皇甫川降雨资料分析，该小流域近10a汛期降雨量与1954-1999年相比，年均汛期降雨量和最大ld降水量分别减少了4.8%和17.1%。根据式（1）计算特拉沟小流域近10a因降雨强度减小、汛期雨量减少引起的产沙减少量约为24.98万t.占泥沙总减少量的14.9%。

5.2 淤地坝拦沙减蚀对泥沙减少的影响

由2007-2016年特拉沟小流域动态监测成果可知，全流域23座大中型淤地坝年均拦沙量为61.4万t。按照大中型淤地坝年均拦沙模数（即淤地坝控制流域的年均产沙模数），估算流域内5座小型淤地坝年均拦沙量为1.7万t。因淤地坝坝地的淤积，抬高了沟道的侵蚀基准面，在拦减泥沙的同时，也减少了沟道的重力侵蚀。根据以往研究成果，淤地坝减蚀作用按淤地坝拦沙量的20%估算，则特拉沟小流域2007-2016年年均减少的沟道重力侵蚀量约为12.62万t。近10a特拉沟小流域淤地坝拦沙减蚀作用年均减沙量约为75.72万t，占总减沙量的45.2%。

5.3 坡面治理措施对泥沙减少的影响

坡面治理包括林草措施和兴修梯田等，林草措施包括造林种草、封禁治理及自然恢复植被。目前，特拉沟小流域植被覆盖率达到70.1%，对坡面产沙减少起到重要的作用。该流域梯田、川台地面积仅185hm2，减沙作用很小。近10a与过去相比，年均产沙量减少167.7万t，扣除降雨变化减少的产沙量及淤地坝的拦沙减蚀量，近10a坡面措施年均减少产沙量67.0万t，占总减沙量的39.9%。根据有关研究成果，陕北地区梯田年均减沙量约为158t/hm2，估算梯田和川台地年均减沙量约为2.92万t。扣除梯田和川台地年均减沙量，估算林草措施年均减沙量约为64.08万t。林草措施、梯田（含川台地）减沙量分别占总减沙量的38.2%和1.7%。

6 结论

（1）通过分析特拉沟小流域2007-2016年的降水量、径流量、输沙量及淤地坝拦沙、蓄水动态等监测资料，揭示了特拉沟小流域存在降雨强度显著减小、产水产沙量年际变化大、沟道坝系工程及植被对泥沙减少作用显著等特征。

（2）特拉沟小流域产沙量与降雨强度、汛期降雨量关系密切，建立PaIb（近似的降雨侵蚀力）与小流域产沙模数之间的相关关系（二次曲线），通过反复试算，得出P0.5I2与小流域产沙模数之间的相关关系最好，复相关系数（R2）达0.8351，适用于不同降雨条件下特拉沟小流域产沙量的分析比较。

（3）根据建立的特拉沟小流域降雨产沙关系及实测的淤地坝淤积资料，特拉沟小流域2007-2016年输沙量与1954-1999年相比减少167.7万t。降雨强度减小、汛期雨量减少引起的产沙减少量约为24.98万t，占总减少量的14.9%：淤地坝拦沙减蚀作用年均拦减泥沙约75.72万t，占总减少量的45.2%：坡面措施年均减少产沙量67.0万t，占總减沙量的39.9%，其中林草措施减沙量约为64.08万t，梯田和川台地减沙量为2.92万t，分别占总减沙量的38.2%和1.7%。