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        皇甫川特拉溝小流域近期泥沙減少成因分析

        2018-09-10 07:22:44李景宗張永永趙幫元楊廷華
        人民黃河 2018年4期
        關(guān)鍵詞:淤地壩

        李景宗 張永永 趙幫元 楊廷華

        摘要:受降雨變化及人類活動等因素影響,近期皇甫川流域水沙發(fā)生顯著變化。通過分析皇甫川典型小流域特拉溝2007-2016年水土流失原型動態(tài)監(jiān)測資料,揭示了特拉溝小流域存在降雨強度顯著減小、產(chǎn)水產(chǎn)沙年際變化大、溝道壩系工程及植被對泥沙減少作用顯著等特征,建立了基于降雨侵蝕力和小流域產(chǎn)沙模數(shù)的二次曲線相關(guān)關(guān)系,其適用于分析比較不同降雨條件下特拉溝小流域產(chǎn)沙狀況。研究結(jié)果表明,特拉溝小流域2007-2016年年均輸沙量與1954-1999年均值相比減少167.7萬t,其中:降雨強度減小、汛期降雨量減少引起的年均產(chǎn)沙減少量約為24.98萬t,占總減少量的14.9%;淤地壩攔沙減蝕作用年均攔減泥沙約75.72萬t,占總減少量的45.2%:坡面治理措施年均產(chǎn)沙減少量約67.O萬t,占總減少量的39.9%。

        關(guān)鍵詞:降雨侵蝕力;產(chǎn)沙模數(shù);淤地壩;坡面措施;特拉溝小流域

        中圖分類號:P333:TV882.1

        文獻標志碼:A

        doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.001

        皇甫川流域是黃河中游多沙粗沙區(qū)的重要組成部分,流域面積3175km2(皇甫水文站控制面積),水土流失極其嚴重,多年平均侵蝕模數(shù)15614t/a。受降雨變化及人類活動等因素影響,近期皇甫川流域水沙發(fā)生顯著變化。據(jù)統(tǒng)計,1954-2016年多年平均徑流量、輸沙量,分別為1.248億m3和3823萬t,1954-1986年分別為1.782億m3和5555萬t,2000-2016年分別為0.361億m3和758萬t。與1954-1986年(可認為是人類活動影響相對較小時期)均值相比,2000-2016年實測年均徑流量、輸沙量分別減少1.421億m3和4797萬t,減幅分別為80%和86%。黃河主要產(chǎn)沙區(qū)河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間與皇甫川流域類似,近期水沙也發(fā)生顯著變化,表現(xiàn)為水沙量大幅度減少。本文根據(jù)皇甫川典型小流域特拉溝2007-2016年水土流失原型動態(tài)監(jiān)測資料,分析了近10a來該小流域產(chǎn)沙特點,初步建立了該小流域降雨產(chǎn)沙關(guān)系,分析了近期泥沙減少的主要成因,以期為深入研究黃河主要產(chǎn)沙區(qū)水沙變化成因提供參考。

        1 特拉溝小流域基本情況

        特拉溝小流域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗,是皇甫川流域的一級支溝,流域面積128.2km2,屬沙質(zhì)丘陵溝壑區(qū),水土流失十分嚴重。

        1.1 降水及水土流失情況

        2007年以前特拉溝小流域無降雨量觀測站,參考距該流域7km的沙圪堵氣象站資料分析,流域多年平均降水量400mm,年際變化大,年內(nèi)分配極不均勻。沙圪堵站實測年最大降水量為636.5mm,年最小降水量為160.8mm;降水主要集中在汛期(7-9月),多年平均汛期降雨量為315.2mm,占年降水量的78.8%,多以局部暴雨形式出現(xiàn),歷時短、強度大。

        流域內(nèi)大部分地表為黃土、風沙土所覆蓋,零星分布有栗鈣土。上游梁峁頂較平緩,溝道切割深而窄,溝壑較發(fā)育,溝岸砒砂巖大面積裸露:中游為平緩的沙丘洼地,局部有零星流動沙丘,支毛溝較少:下游主溝道兩岸和各級支溝岸坡較陡,均為砒砂巖溝谷,支毛溝密集,多呈短、深、窄狀,主溝道溝床呈U形,支毛溝多呈V形,溝壑密度3.7km/km2。流域出口處地勢平坦,兩岸均為川臺地。流域內(nèi)溝谷地約占總面積的25%。

        流域內(nèi)風力、水力和重力侵蝕并存,侵蝕強度屬強烈及以上。從侵蝕部位看,梁峁頂和梁峁坡較平緩,侵蝕相對輕微,溝谷地坡度大、侵蝕劇烈。流域內(nèi)土壤侵蝕量大多來源于溝谷地,其侵蝕量占流域總侵蝕量的60.0%~70.0%。據(jù)黃河上中游管理局2011年遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,該流域侵蝕模數(shù)為10430t/(km2·a)。

        1.2 水土保持生態(tài)建設(shè)概況

        從1983年開始流域內(nèi)的特拉東溝、特拉西溝被列為全國八片一期、二期一階段重點治理小流域,2000年后隨著“退耕還林還草項目”“黃河水土保持生態(tài)工程特拉溝小流域壩系建設(shè)項目”等水土保持重點項目相繼實施,水土保持生態(tài)建設(shè)取得顯著成效。

        截至2016年年底,流域治理面積達7533.hm2,治理度為58.8%。其中:梯田、川臺地面積185hm2;林草措施面積7348hm2(造林4140.5hm2,封禁2587.6hm2,人工種草620.0hm2),計入自然生態(tài)修復(fù)的荒草地面積,林草植被覆蓋率達70.1%:建成大中型淤地壩23座(骨干壩15座,中型壩8座)、小型淤地壩5座。

        2 水沙動態(tài)監(jiān)測情況

        2007-2011年,黃河上中游管理局黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心在特拉溝小流域?qū)嵤┝怂亮魇討B(tài)監(jiān)測,2012-2016年內(nèi)蒙古準格爾旗水土保持監(jiān)測站對特拉溝小流域?qū)嵤┝怂亮魇討B(tài)監(jiān)測。流域內(nèi)監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施相對完善,截至2016年年底,積累了連續(xù)10a的監(jiān)測資料,主要監(jiān)測項目及監(jiān)測情況如下。

        2.1 徑流、泥沙監(jiān)測

        特拉溝把口站所在主河道河槽順直、斷面規(guī)整、水流集中、河槽穩(wěn)定、無塌岸,測驗斷面設(shè)計洪水流速8.1m/s,控制面積128.2km2,在暴雨洪水期間實時觀測徑流、輸沙情況。

        2.2 雨量監(jiān)測

        流域內(nèi)安裝2臺白記雨量計(布設(shè)在2個雨量監(jiān)測站),1#雨量站位于流域監(jiān)測站屋頂,2#雨量站位于邊將溝骨干壩有側(cè)一農(nóng)戶房屋頂,主要觀測流域內(nèi)5-10月的降雨量與降雨強度。

        2.3 淤地壩攔蓄量監(jiān)測

        主要開展攔沙、蓄水、用水情況的監(jiān)測工作。年初和年末觀測淤積面對應(yīng)的混凝土標尺的刻度變化情況,可較為準確地確定淤地壩的淤積厚度。對于有些淤積面不太規(guī)整、淤積情況比較復(fù)雜的淤地壩,結(jié)合人工開挖淤積剖面進行測定。通過逐壩丈量淤地壩內(nèi)的淤積面長度、寬度、厚度,計算出壩地的總淤積量。蓄水、用水情況監(jiān)測采用人工現(xiàn)場測量法進行。

        淤地壩攔蓄量監(jiān)測主要針對骨干壩和中型淤地壩進行,對小型淤地壩沒有進行監(jiān)測。

        2.4 主要監(jiān)測成果

        特拉溝小流域2007-2016年降水量主要監(jiān)測成果見表1,把口站徑流、泥沙及淤地壩攔沙、蓄水動態(tài)主要監(jiān)測成果見表2。

        3 監(jiān)測成果分析

        通過綜合分析,得出以下主要認識。

        3.1 近10a降雨強度偏小

        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)、最小值僅14.3mm(2011年)。特拉溝小流域2007-2016年降水量與鄰近的皇甫川沙圪堵站長系列降水量相比,年均降水量僅偏少2.8%,汛期降雨量偏少17.1%,但最大1d降水量偏少10.7%,說明近10a降雨強度總體偏小。

        3.2 流域產(chǎn)水產(chǎn)沙年際年內(nèi)變化大

        從把口站水沙動態(tài)監(jiān)測成果看,近10a年均徑流量僅為26.8萬m3,年均輸沙量僅為5.3萬t,最大年徑流量和輸沙量分別為90.37萬m3和33.29萬t(2010年),有5a沒有測到徑流量和輸沙量。但從全流域產(chǎn)水產(chǎn)沙量(即把口站實測徑流量、輸沙量分別與淤地壩的蓄水量、攔沙量之和,用水量因很小而忽略不計)監(jiān)測成果看,近10a年均產(chǎn)水、產(chǎn)沙量分別為99.8萬mi和66.7萬t,其中最大年產(chǎn)水、產(chǎn)沙量分為251.8萬m3(2010年)和199.31萬t(2012年)。10a中有l(wèi)a沒有產(chǎn)生徑流(2015年)、有2a沒有產(chǎn)沙。年內(nèi)產(chǎn)沙主要集中在幾次暴雨,如2010年把口站實測輸沙量33.29萬t,其中9月20日發(fā)生暴雨,含沙量高達488.6kg/m3,日輸沙量達24.83萬t.占全年輸沙量的74.6%。

        3.3 植被對低強度降雨減沙效果顯著

        特拉溝小流域現(xiàn)狀植被較好,植被覆蓋率達到70.1%。2011年和2015年降雨強度較小,最大ld降雨量分別為14.3mm和25.3mm,汛期降雨量分別為73.4mm和154.6mm,把口站沒有測到輸沙量,流域內(nèi)的骨干壩和中型壩沒有淤積泥沙,說明遇低強度降雨,植被減沙效果很好,坡面幾乎沒有產(chǎn)沙。2010年、2012年、2014年、2016年最大1d降雨量為36.6~93.0mm,流域產(chǎn)沙模數(shù)為6976~15547t/(km2.a),淤地壩控制流域范圍內(nèi)產(chǎn)沙模數(shù)為5108~17285t/(km2·a),說明遇中高強度暴雨,即使植被覆蓋率較高,流域產(chǎn)沙模數(shù)仍然較大。從近10a的實測降水和產(chǎn)沙情況看,在現(xiàn)狀下墊面條件下,特拉溝小流域在日降雨量達到14.3mm情況下即可產(chǎn)水,日降雨量為21.5~30.6mm情況下即可產(chǎn)沙。

        3.4 溝道壩系工程對小流域泥沙減少發(fā)揮了關(guān)鍵作用

        2007-2016年特拉溝小流域在降水偏少的情況下年均產(chǎn)沙66.7萬t,年均產(chǎn)沙模數(shù)為5203t/(km2·a),淤地壩年均攔沙61.4萬t(占該流域產(chǎn)沙量的92%),淤地壩控制流域范圍內(nèi)的產(chǎn)沙模數(shù)為5536t/(km2·a),淤地壩對減少小流域出口泥沙起到關(guān)鍵作用。2010年9月20日經(jīng)歷了一次高強度降雨,園子溝中型壩當年新增淤積厚度5.651m,年新增淤積量2.765萬m3,控制流域產(chǎn)沙模數(shù)達到2.489萬t/(km2·a):王家塔中型淤地壩年新增淤泥量2.481萬m3,控制流域產(chǎn)沙模數(shù)達到2.592萬L/(km2·a)。2013年淤地壩總攔沙量75.33萬t,其中小陶不洼、王家塔2座中型壩(均為2007年9月建成)提前達到設(shè)計淤積總量,壩控范圍年侵蝕模數(shù)分別高達7.64萬、6.7萬t(km2·a)。

        由近10a的監(jiān)測結(jié)果可以看出,溝道壩系工程對減少小流域出口泥沙到了關(guān)鍵作用,除直接攔沙之外,還抬高了侵蝕基準面,有效減少了溝道的重力侵蝕。

        4 降雨產(chǎn)沙關(guān)系分析

        工通過對近10a特拉溝小流域水沙動態(tài)監(jiān)測成果分析可知,在現(xiàn)狀植被覆蓋率較高(接近70%)情況下,流域產(chǎn)沙既與降雨強度有關(guān),又與汛期降雨量有關(guān)。因缺乏歷年小流域短歷時降雨強度(如最大30min雨強130、最大60min雨強160)資料,故本文采用最大1d降雨量,作為降雨強度(單位為cm),用汛期降雨量P作為雨量因子(單位為cm),將PaIb(其中a、b分別為雨量和雨強指數(shù),其值大于0)近似作為降雨侵蝕力,建立PaIb,與小流域產(chǎn)沙模數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,以揭示現(xiàn)狀下墊面條件下特拉溝小流域的降水產(chǎn)沙特性。

        根據(jù)近10a特拉溝小流域的降雨、產(chǎn)沙(把口站輸沙量+淤地壩攔沙量)資料,結(jié)合鄰近小流域淤地壩的監(jiān)測資料,形成27組PaIb與小流域產(chǎn)沙模數(shù)樣本數(shù)據(jù),通過反復(fù)試算,得出當a值為0.5、6值為2時,P0.5I2與小流域產(chǎn)沙模數(shù)Y之間的相關(guān)關(guān)系最好,復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)達到0.8351,見圖1。

        由圖1可知,產(chǎn)沙模數(shù)與降雨侵蝕力(P0.5I2)之間的相關(guān)關(guān)系為二次曲線,其相關(guān)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,在現(xiàn)狀植被條件下,特拉溝小流域產(chǎn)沙與雨強、汛期降雨量密切相關(guān),雨強的指數(shù)大于汛期雨量的指數(shù)。需要說明的是,由于實測樣本資料有限、大暴雨資料較少,因此上述關(guān)系宜用于不同降雨條件下特拉溝小流域產(chǎn)沙模數(shù)的分析比較,不宜作為該流域產(chǎn)沙模數(shù)絕對值的計算依據(jù)。

        5 近期泥沙減少成因分析

        特拉溝小流域位于皇甫川沙圪堵站至皇甫站區(qū)間,根據(jù)這2站歷年實測輸沙量分析,1954-1999年區(qū)間平均輸沙模數(shù)為13497t/(km2·a),按此計算,特拉溝小流域1954-1999年年均產(chǎn)沙量約為173萬t。2007-2016年特拉溝小流域把口站實測年均輸沙量僅為5.3萬t,與1954-1999年均值相比,輸沙量減少167.7萬t。輸沙量減少主要受降雨變化和下墊面變化(包括水土保持措施和自然修復(fù))的影響。根據(jù)建立的特拉溝小流域降雨產(chǎn)沙關(guān)系及實測的淤地壩淤積資料,可以分析2007-2016年降雨變化、淤地壩攔沙減蝕及坡面治理措施對泥沙減少的貢獻率。

        5.1 降雨強度減小對泥沙減少的影響

        根據(jù)特拉溝小流域降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)和皇甫川降雨資料分析,該小流域近10a汛期降雨量與1954-1999年相比,年均汛期降雨量和最大ld降水量分別減少了4.8%和17.1%。根據(jù)式(1)計算特拉溝小流域近10a因降雨強度減小、汛期雨量減少引起的產(chǎn)沙減少量約為24.98萬t.占泥沙總減少量的14.9%。

        5.2 淤地壩攔沙減蝕對泥沙減少的影響

        由2007-2016年特拉溝小流域動態(tài)監(jiān)測成果可知,全流域23座大中型淤地壩年均攔沙量為61.4萬t。按照大中型淤地壩年均攔沙模數(shù)(即淤地壩控制流域的年均產(chǎn)沙模數(shù)),估算流域內(nèi)5座小型淤地壩年均攔沙量為1.7萬t。因淤地壩壩地的淤積,抬高了溝道的侵蝕基準面,在攔減泥沙的同時,也減少了溝道的重力侵蝕。根據(jù)以往研究成果,淤地壩減蝕作用按淤地壩攔沙量的20%估算,則特拉溝小流域2007-2016年年均減少的溝道重力侵蝕量約為12.62萬t。近10a特拉溝小流域淤地壩攔沙減蝕作用年均減沙量約為75.72萬t,占總減沙量的45.2%。

        5.3 坡面治理措施對泥沙減少的影響

        坡面治理包括林草措施和興修梯田等,林草措施包括造林種草、封禁治理及自然恢復(fù)植被。目前,特拉溝小流域植被覆蓋率達到70.1%,對坡面產(chǎn)沙減少起到重要的作用。該流域梯田、川臺地面積僅185hm2,減沙作用很小。近10a與過去相比,年均產(chǎn)沙量減少167.7萬t,扣除降雨變化減少的產(chǎn)沙量及淤地壩的攔沙減蝕量,近10a坡面措施年均減少產(chǎn)沙量67.0萬t,占總減沙量的39.9%。根據(jù)有關(guān)研究成果,陜北地區(qū)梯田年均減沙量約為158t/hm2,估算梯田和川臺地年均減沙量約為2.92萬t??鄢萏锖痛ㄅ_地年均減沙量,估算林草措施年均減沙量約為64.08萬t。林草措施、梯田(含川臺地)減沙量分別占總減沙量的38.2%和1.7%。

        6 結(jié)論

        (1)通過分析特拉溝小流域2007-2016年的降水量、徑流量、輸沙量及淤地壩攔沙、蓄水動態(tài)等監(jiān)測資料,揭示了特拉溝小流域存在降雨強度顯著減小、產(chǎn)水產(chǎn)沙量年際變化大、溝道壩系工程及植被對泥沙減少作用顯著等特征。

        (2)特拉溝小流域產(chǎn)沙量與降雨強度、汛期降雨量關(guān)系密切,建立PaIb(近似的降雨侵蝕力)與小流域產(chǎn)沙模數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系(二次曲線),通過反復(fù)試算,得出P0.5I2與小流域產(chǎn)沙模數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系最好,復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)達0.8351,適用于不同降雨條件下特拉溝小流域產(chǎn)沙量的分析比較。

        (3)根據(jù)建立的特拉溝小流域降雨產(chǎn)沙關(guān)系及實測的淤地壩淤積資料,特拉溝小流域2007-2016年輸沙量與1954-1999年相比減少167.7萬t。降雨強度減小、汛期雨量減少引起的產(chǎn)沙減少量約為24.98萬t,占總減少量的14.9%:淤地壩攔沙減蝕作用年均攔減泥沙約75.72萬t,占總減少量的45.2%:坡面措施年均減少產(chǎn)沙量67.0萬t,占總減沙量的39.9%,其中林草措施減沙量約為64.08萬t,梯田和川臺地減沙量為2.92萬t,分別占總減沙量的38.2%和1.7%。

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