偏关河流域水土保持措施对地表径流影响分析

彭宇航

（忻州市水文水资源勘测站，山西 忻州 034000）

1 流域概况

偏关河发源于朔州市利民镇利民沟，由偏关县老营镇贾堡村入境，从天峰坪镇关河口村直接汇入黄河，河长130 km，控制流域面积2 084 km2，其中在偏关县境内流域面积为1 095 km2，占全县总面积的65%，河道纵坡6.3‰。偏关河流域多年平均年降水量434.8 mm；最大年降水量691.2 mm（1967 年）；最小年降水量为222.1 mm（1965 年）。多年平均河川径流量1 782 万m3，折径流深9.4 mm，多年平均年径流系数0.022。偏关河流域24 h 年暴雨均值55 ～60 mm，单站最大24 h 点暴雨值101.8 mm，发生于1973 年8 月19 日。根据偏关水文站实测资料分析，实测多年（1957—2016 年）平均输沙量891 万t，输沙模数4 699 t/km2。

2 地形地貌

偏关县地处黄河中上游黄土丘陵沟壑区，境内丘陵起伏，沟壑纵横，切割破碎，地势东高西低，因长期雨水冲刷，形成了支离破碎的梁、峁、沟、壑复杂地形。平均海拔为1 377 m，最高处是海拔1 855.2 m的青杨岭山；最低处位于黄河岸边的寺沟河畔，海拔875 m。

偏关县处于吕梁山余脉西背斜，其构造形迹不明显，但由于受东部吕梁隆起的影响，岩层基本向西倾斜，倾角2°～10°，并在局部地段产生了一系列的挠曲和断裂。偏关河流域上游平鲁一带有一背斜构造，老营一带为背斜西翼，其北面地层均倾向西南，偏关河谷下土寨—高家湾段，成为石灰岩局部地下水汇流、排泄的富水段。

3 流域降水量、径流量变化

3.1 降水量变化

偏关河流域内共设雨量站52 处，其中国家基本雨量站16 处，中小河流新建雨量站36 处。平均每站控制流域面积189.6 km2。利用计算机网格法，计算流域平均降水量得出，偏关河流域1956—2000 年系列多年平均年降水量变化较大，流域内各时段年降水量和汛期降水量均呈递增态势。基准期内降水量变幅较大，其他各时段降水量极值比的变幅在1.07～3.09 之间。

3.2 径流量变

20 世纪70 年代，受人类活动的影响偏关河流域内生态环境遭到严重破坏，水土流失严重；20 世纪90 年代，随着流域内人口的不断增长，社会经济的不断发展，以及水土保持、生态建设理念的不断增强，国家开始大规模地开展水土保持综合治理工程，流域内植被得到较好恢复，偏关河（偏关水文站）流域内的下垫面发生了变化，洪水、洪峰量也随之变化。偏关县径流变化过程见图1。

通过偏关水文站数据还原的径流变化过程线可知，偏关流域天然径流量呈随时序明显下降趋势。径流量年际间变化幅度剧烈，1956—1983 年系列年径流量极值比为6.0，1984—2016 年系列年径流量极值比为15.5。

4 水土保持对径流变化的影响分析

4.1 水土保持措施的蓄水拦沙机理分析

水土保持措施主要包括梯田、淤地坝、治滩造地及林草等措施，这些措施通过改变流域下垫面，影响流域的产流、产沙。

图1 偏关县径流变化过程线

水平梯田是切断坡面径流，增大持水量，减弱土壤侵蚀的主要措施。林草措施削弱了雨滴对土壤的溅蚀作用，林下的枯技落叶层加大了地表糙度，分散水流，降低了径流速度，使雨水逐渐变成地下水，减少了地表径流。治滩造地，主要是通过工程措施整治河滩，把洪水季节中含有大量泥沙的洪水引入到治好的滩面上，排清落淤，变荒滩为良田。河道整治，减轻了洪水对河道的冲刷侵蚀。

4.2 水土保持治理措施面积的确定

通过实地走访和现场查勘，搜集、整理了偏关县1982—2016 年水土保持措施统计资料，调查数据显示，偏关县自1982 年开始大面积实施水土保持工程，水保措施累积实施情况为水保林64%，梯田21%，封山育林7%，种草4%，滩地4%。其中，梯田和水保林是偏关县采取的主要水保措施，水保林占总实施面积的64%，梯田占总实施面积的21%。随着时间的推移，各项措施面积呈稳步递增的状态，典型年水保措施面积详见图2。

图2 典型年水保措施面积图

4.3 水土保持措施的效益分析

水土保持坡面措施的蓄水效益分析，只针对坡面措施对径流的影响，暂不考虑对蓄水、减沙量的影响。坡面措施蓄水效益分析，是根据分析区域的代表性区域指标，结合当地调查的实际情况，计算各项措施的蓄水减沙量。

根据1982—2016 年水保措施面积及河川径流量统计，在各项水保措施的影响下，偏关站以上流域的河川径流量减少，1982 年的减少量为2 206 万m3、1990 年的减少量为3 924 万m3、2000 年的减少量为4 964 万m3、2010 年的减少量为5 436 万m3。

偏关站以上流域河川径流减少量，由1982 的2 206 万m3逐年递增，到2016 年因水保措施减少的河川径流量达5 775 万m3，比1982 年增加3 569 万m3，同比增加161.8%。

在各项水保措施中，梯田和水保林减水量最为明显，其中1982—1998 年间梯田减水量占总减水量的37%；1999—2011 年期间占比最大，占减水总量的57%～61%；2012—2016 年期间的平均占比为48%。随着水土保持治理措施的不断实施，各时段的径流减少量呈不断增加的趋势。

4.4 降雨、径流比较分析

偏关水文站控制流域面积1 896 km2，其中偏关县903 km2、平鲁区827 km2、内蒙古自治区为166 km2。由于本次调查受地域及其他因素限制，为使流域内下垫面变化情况基本一致，将调查到的偏关县下垫面变化情况（水土保持措施面积），用系数法比拟到未调查的流域内，统一进行计算，得出偏关水文站上游1982—2016 年逐年水保措施对径流的影响成果。

根据统计模型模拟的流域天然径流量和天然输沙量表明，自20 世纪80 年代年开始，梯田和水保林减水量最为明显。统计各项水保措施面积，并结合模型计算，两项合计1982—2016 年多年平均减水量占到总减水量的91%，其他各项措施减水量仅占总减水量的9%。

通过对1956—2016 年60 年间偏关河流域降雨、洪水和径流等资料的统计，将受水土保持措施影响的径流量还原到流域天然径流中，还原成逐年径流量，结合降雨量，重新建立降雨、径流双累积曲线，得出偏关站降雨、径流双累积曲线图，详见图3。

图3 偏关站降雨、径流双累积曲线图

由上图可知，流域内降雨、径流关系从1983 年开始出现转折，表明1983 年以前的流域下垫面相对稳定，产流条件无明显变化，可将1956—1983 年这一时段，作为降雨、径流关系的基准期。在将受水土保持措施影响的径流量还原到流域天然径流后，1956—2016 年径流、降水双累积曲线的相关性有明显提升。

比较1983 年前后的降雨、径流趋势，两条曲线存在明显差异，图中曲线变化幅度表明，随着水土保持措施规模的逐步形成，降低了河川径流和洪水的形成，同时也拦截了大量的泥沙。

5 结论

据调查，偏关河流域在70 年代之前受生产力和生活条件的制约，居民过度依赖当地自然条件，致使植被破坏，流域水土流失严重。随着人类活动对自然环境影响的减少，在环境的自然恢复和水土保持措施等人工干预双重作用下，水土保持措施规模逐步形成，流域下垫面条件发生了良性转化，在防风固沙的同时，降低了径流和洪水。

但是径流减少不只是有水保措施的影响，它与水保治理、植树造林、地下水超采、河道采砂等人类活动是密切相关的，只有减少人类活动对环境的过度开发，才能有效将减少的径流“还原”到流域中去。