黄土高塬沟壑区小流域暴雨侵蚀特征分析

刘 展,李文华,刘 斌,张宝琦,郝玉东,刘晓文,王一涵

(黄河水土保持西峰治理监督局,甘肃 庆阳 745000 )

黄土高原是世界上水土流失最为严重的地区之一,该地区气候干燥、生态环境脆弱,严重的水土流失制约着当地社会、经济的高质量发展。近年来,黄土高原地区暴雨天气多次发生,造成土壤侵蚀、水土流失、河湖淤积,同时由暴雨引发的江河洪水泛滥、山洪暴发、山体滑坡等自然灾害,严重影响人民的生产生活和经济社会的高质量发展,给黄土高原地区带来了严重生态危害及经济损失[1-3]。

在长期的水土流失治理工作中,黄土高原地区形成了以小流域为单元的综合治理模式。长期以来人们较为系统地研究了治理小流域对产沙、输沙的影响,在小流域综合治理方面进行不断探索[4-5]。王瑞芳等[6]利用2001年6月15日天水市罗玉沟流域暴雨实测资料分析了两条对比小流域单次暴雨条件下的侵蚀特征;袁静等[7]研究了治理小流域对流域地表径流的作用和影响;原翠萍等[8]分析了水土保持综合治理不同阶段小流域侵蚀产流量年际变化和次降雨径流过程。然而,对暴雨条件下水土保持治理与非治理小流域的侵蚀特征缺乏较系统、全面的对比研究。

本研究结合黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站(黄河水土保持西峰治理监督局)杨家沟(已进行水土保持综合治理的小流域)、董庄沟(非治理小流域)测站2005—2021年降雨、径流、泥沙实测资料,采用小流域平行对比法研究典型小流域暴雨条件下产流产沙特征,进行拦蓄效益评价,旨在为区域水土流失综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于西峰水土保持科学试验站南小河沟试验场内的杨家沟、董庄沟小流域,所选小流域是泾河支流蒲河左岸支沟,该支沟流域面积38.93 km2,海拔1 050～1 423 m,相对高差373 m,具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征。

杨家沟主要用于研究支毛沟植物措施治理效果,非治理流域董庄沟为对比小流域。杨家沟地理位置为东经107°33′10″、北纬35°42′12″,集水面积1.01 km2,沟道下游修筑土谷坊和柳谷坊,沟道中上游和坡面以柳树、杨树、杏树、刺槐等乡土树种为主造林,整地方式以鱼鳞坑整地为主。董庄沟地理位置为东经107°32′28″、北纬35°42′16″,集水面积1.12 km2,作为黄土高塬沟壑区未治理的试验小流域,研究其水土流失规律,与治理流域杨家沟形成对比。两条小流域位置毗邻,土壤类型相似,降雨类型相似,观测资料完整,适合进行小流域土壤侵蚀特征方面的对比试验研究。

2 研究方法

本研究基于2005—2021年杨家沟、董庄沟测站实测降雨、径流、泥沙资料,以24 h降水量≥50 mm的降雨作为一次暴雨过程进行研究。通过对研究区降雨数据统计发现,研究区暴雨类型以A、B两种雨型出现。采用小流域平行对比法、水文分析方法,对暴雨条件下实施水土保持综合治理小流域土壤侵蚀特征进行科学分析。

3 结果分析

3.1 研究区暴雨情况

结合2005—2021年黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站实测杨家沟、董庄沟降雨资料,经统计分析,期间研究区共出现暴雨事件13次,其中A类型暴雨占暴雨总次数的61.5%,B类型暴雨占暴雨总次数的38.5%。按照暴雨等级划分[9],共出现2次大暴雨,分别为2021年8月18日董庄沟测站实测24 h最大降雨量100.7 mm,2005年6月30日两测站测得24 h最大降雨量分别为117.1 mm和121.8 mm,无特大暴雨出现。

3.2 产流特征分析

3.2.1 产流过程对比分析

表1为两条小流域在A、B两种暴雨类型条件下各场次的产流过程指标均值。由表1可知,在A、B两种类型暴雨条件下,杨家沟小流域产流时间均值比董庄沟小流域延后17.97%和17.26%;杨家沟小流域涨水过程所用时间均值分别比董庄沟小流域多109.72%和21.39%;董庄沟小流域退水过程所用时间均值分别比杨家沟小流域多84.25%和1.21%。由此可以看出,董庄沟小流域洪水比杨家沟小流域起涨时间早、上涨快,但在洪峰降落后的退水阶段,洪水过程的消退明显滞后。在A类型暴雨条件下,董庄沟小流域洪水历时为杨家沟小流域的1.35倍,但在B类型暴雨条件下,杨家沟小流域洪水历时为董庄沟小流域的1.15倍,这是由于B类型暴雨降雨历时较长,因此可以看出,暴雨类型也是影响小流域洪水历时的重要因素。

表1 不同暴雨类型条件下小流域产流过程指标均值

通过对比分析发现,在同一小流域中,B类型暴雨的产流时间、涨水过程所用时间、退水过程所用时间及洪水历时均大于A类型暴雨。这是由于B类型暴雨降雨历时长,平均雨强较小,因此洪水起涨及消退时间较长。

3.2.2 产流量对比分析

表2为两条小流域在A、B两种类型暴雨条件下各场次的产流指标均值。由表2可知,在A、B两种类型暴雨条件下,董庄沟小流域洪水总量均值分别为杨家沟小流域的3.06倍和3.39倍,径流深分别为杨家沟小流域的2.75倍和3.06倍,洪峰流量分别为杨家沟小流域的1.95倍和2.09倍,洪水平均流量分别为杨家沟小流域的3.29倍和2.03倍,径流系数分别为杨家沟小流域的3.90倍和4.19倍。从以上数据对比分析可以看出,对小流域进行综合治理具有显著的滞洪、拦蓄地表径流、削减洪峰等重要作用,进行水土保持综合治理是防治流域暴雨洪水侵蚀的重要途径。

表2 不同暴雨类型条件下小流域产流指标均值

通过对比分析,发现在同一小流域中,B类型暴雨条件下的洪水总量及径流深均值大于A类型暴雨条件下的均值。但A类型暴雨条件下平均流量及洪峰流量大于B类型暴雨条件下的均值。这是由于降雨导致产流,暴雨类型及过程的改变影响流域产汇流过程,因此两类暴雨类型在各产流指标变化中表现出不一致性。

3.3 产沙特征分析

3.3.1 产沙过程对比分析

表3为两条小流域在A、B两种类型暴雨条件下各场次的产沙过程指标均值。从表3可以看出,在A类型暴雨条件下,杨家沟小流域产沙量峰值出现时间较董庄沟小流域滞后15.09 min,但输沙率峰值出现时间较董庄沟小流域提前10.33 min。在B类型暴雨条件下,杨家沟小流域产沙量峰值与输沙率峰值出现时间较董庄沟小流域分别提前376.67和370.00 min。在A类型暴雨条件下,产沙量峰值出现时间及输沙率峰值出现时间均在洪峰流量出现之前,而B类型暴雨条件下则相反。通过对比分析发现在同一小流域中,A类型暴雨产沙量峰值出现时间及输沙率峰值出现时间均提前于B类型暴雨。因此,暴雨类型是影响洪沙关系的重要因素。

表3 不同暴雨类型条件下小流域产沙过程指标均值

3.3.2 产沙量对比分析

表4为两条小流域在A、B两种类型暴雨条件下各场次的产沙量指标均值。由表4可知,在A、B两种类型暴雨条件下,董庄沟小流域输沙量分别为杨家沟小流域的3.67倍和4.21倍,土壤流失量分别为杨家沟小流域的3.31倍和3.80倍,最大含沙量分别为杨家沟小流域的1.82倍和2.03倍,平均含沙量分别为杨家沟小流域的1.73倍和1.62倍。从以上数据分析可以看出,对小流域进行治理在减轻流域土壤流失方面有显著作用。

表4 不同暴雨类型条件下小流域产沙指标均值

通过对比分析发现,在同一小流域中,B类型暴雨条件下输沙量、土壤流失量均大于A类型暴雨,但A类型暴雨条件下最大含沙量、平均含沙量大于B类型暴雨。

3.4 小流域拦蓄效益分析

表5为两条小流域在A、B两种类型暴雨条件下蓄水保土效益指标。由表5可知,进行水土保持治理的小流域在不同暴雨类型条件下蓄水、保土效益俱佳。通过对比分析发现,杨家沟小流域在B类型暴雨条件下的蓄水量、保土量及蓄水效益、保土效益表现均优于A类型暴雨条件下。

表5 不同暴雨类型条件下小流域蓄水保土效益

4 结论及展望

1)在A、B两种类型暴雨条件下,已治理小流域产流时间均值分别比非治理小流域延后17.97%和17.26%;涨水过程所用时间均值分别比非治理小流域多109.72%和21.39%;非治理小流域退水过程所用时间均值分别比已治理小流域多84.25%和1.21%。

2)在A、B两种类型暴雨条件下,非治理小流域洪水总量均值分别为已治理小流域的3.06倍和3.39倍,径流深分别为已治理小流域的2.75倍和3.06倍,洪峰流量分别为已治理小流域的1.95倍和2.09倍。非治理小流域输沙量分别为已治理小流域的3.67倍和4.21倍,土壤流失量分别为已治理小流域的3.31倍和3.80倍,最大含沙量分别为已治理小流域的1.82倍和2.03倍,平均含沙量分别为已治理小流域的1.73倍和1.62倍。

在暴雨条件下,水土保持综合治理对于小流域滞洪、拦蓄地表径流、削减洪峰作用较为明显,这与王瑞芳等[6-7]的研究结果较为一致。因此,在后续治理水土流失危害方面,应进一步加强小流域综合治理的推广和探索。

降雨是径流的来源,同时也是引起土壤侵蚀的重要因素。本研究中发现,在同一小流域中,B类型暴雨条件下的洪水总量及径流深大于A类型暴雨条件下的均值,但A类型暴雨条件下平均流量及洪峰流量大于B类型暴雨条件下的均值。A类型暴雨产沙量峰值出现时间及输沙率峰值出现时间均提前于B类型暴雨,但B类型暴雨条件下的输沙量、土壤流失量大于A类型暴雨条件下的均值。A类型暴雨条件下蓄水量、保土量及蓄水效益、保土效益均小于B类型暴雨条件下的指标值。可以看出不同类型暴雨条件下水土保持治理小流域与非治理小流域个别产流产沙指标表现出不一致性,因此在后续研究中应进一步开展暴雨类型、暴雨过程对小流域侵蚀特征的影响研究。