余欣，侯素珍，李勇，史學(xué)建1,3

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003；2.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003；3.水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003)

無定河是黃河中游河龍區(qū)間最大的、水土流失最嚴(yán)重的一條多沙粗沙支流，流域面積30 261 km2，干流河道長度491 km。地貌特征存在3種類型，流域西北為毛烏素沙漠腹地，面積占54.3%；西南部為河源梁墹區(qū)，面積占11.4%；東南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，面積10 361 km2，占34.3 %，年均侵蝕模數(shù)18 000 t/km2，是無定河主要水沙來源區(qū)[1]。近年來，無定河流域水沙情勢發(fā)生了顯著變化，徑流量與輸沙量都出現(xiàn)了急劇減少的現(xiàn)象，特別是受淤地壩攔沙的影響,輸沙量序列變異復(fù)雜[2]。把口控制站白家川多年平均(1956—2015年)徑流量為11.07億m3，輸沙量為1.002億t，年內(nèi)水沙高度集中，2002年以前洪水期最大含沙量平均在1 000 kg/m3以上，2003年后沙峰值銳減，2016年在200 kg/m3左右。

2017年7月25—26日，黃河中游山陜區(qū)間中北部地區(qū)降大到暴雨，無定河及其支流大理河流域均發(fā)生了大洪水，白家川站最大含沙量超過873 kg/m3[3-4]。為真實(shí)了解“2017.7.26”暴雨的侵蝕產(chǎn)沙和泥沙來源，多次組織技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)考察，并組織相關(guān)單位進(jìn)行淤地壩調(diào)查測量和河道斷面測量[1]。本文以降雨分布特征和淤地壩等觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對泥沙來源進(jìn)行綜合分析。

1 暴雨洪水泥沙特征

1.1 暴雨時(shí)空分布集中

受高空槽底部冷空氣與副高外圍暖濕氣流共同影響，2017年7月25—26日，黃河中游山陜區(qū)間中北部大部地區(qū)降大到暴雨，黃河支流無定河的黃土丘陵溝壑區(qū)普降暴雨到大暴雨(簡稱“2017.7.26”)。暴雨過程為7月25日16時(shí)至26日8時(shí)，主雨時(shí)段為25日22時(shí)至26日6時(shí)的8 h內(nèi)，暴雨中心降雨量達(dá)150～200 mm，其中趙家砭雨量站場次降雨量252.3 mm，最大10 h降雨量達(dá)237.8 mm(見圖1)。

圖1 無定河流域典型站“7.26”暴雨累計(jì)降雨過程線Fig.1 Cumulative rainfall process line of “7.26” rainstorm at typical Wudinghe River watershed weather stations

無定河流域場次降雨量大于100 mm有34個(gè)雨量站，大于200 mm有10個(gè)雨量站。大于200、100和75 mm 的暴雨籠罩面積分別為865.3,4 573和7 431 km2，扣除風(fēng)沙區(qū)不產(chǎn)沙或少產(chǎn)沙，大于50 mm暴雨籠罩面積9 801 km2。無定河白家川以上面平均雨量為64.0 mm，大理河綏德以上面平均雨量達(dá)129.8 mm(僅次于1977年，排歷史第2位)，支溝岔巴溝曹坪以上面平均雨量177.8 mm，小理河李家河以上面平均雨量121.4 mm(見圖2)。

圖2 黃河中游“7.26”洪水對應(yīng)降雨量等值線Fig.2 Precipitation contour of “7.26” rainstorm at middle Yellow River watershed

1.2 暴雨強(qiáng)度大

對有實(shí)測資料以來無定河白家川水文站洪峰流量大于2 000 m3/s的13場洪水及相應(yīng)場次降雨進(jìn)行對比分析，本次降雨平均雨強(qiáng)為3.5 mm/h，為各場次中最大值，相應(yīng)最大1和6 h雨量分別為7.7和43.1 mm，也為最大值，最大12 h雨量達(dá)到60.8 mm，接近最大值65.0 mm。

從最大24 h雨量重現(xiàn)期看，200 mm以上站點(diǎn)降雨量的重現(xiàn)期為30到100年一遇，其中2個(gè)站重現(xiàn)期超過88年，趙家砭降雨量重現(xiàn)期接近100年，其他站點(diǎn)重現(xiàn)期在30～40年。

1.3 把口站洪峰流量大、含沙量較高，但流域輸沙量有所減少

暴雨形成的洪水過程到白家川站洪峰流量達(dá)4 490 m3/s，僅次于1966年的洪峰4 980 m3/s，為建站以來第二大洪水，相應(yīng)最大含沙量873 kg/m3。暴雨中心支流大理河洪峰3 290 m3/s，為建站以來最大值，相應(yīng)最大含沙量837 kg/m3。

白家川站洪水期的徑流量和輸沙量分別為 1.666億m3和0.775 6億t，與1956—1970年相比，相同降雨條件下的徑流量變化不大(見圖3)，輸沙量有所減少(見圖4)。

圖3 次洪徑流量與降雨量的關(guān)系Fig.3 Flood runoff and precipitation relationship

圖4 次洪輸沙量與降雨量的關(guān)系Fig.4 Flood sediment amount and precipitation relationship

2 洪水來沙組成及產(chǎn)沙總量分析

2.1現(xiàn)場調(diào)查和測量

為分析暴雨洪水期無定河流域的產(chǎn)沙量和入黃沙量的來源組成，對淤地壩、城區(qū)淤積量、河道沖淤量等進(jìn)行了測量和調(diào)查。

綏德縣城位于無定河與大理河的交匯區(qū)，其中無定河由綏德縣北向東南貫流，大理河由縣西北向東南流，于綏德縣城東北入無定河；子洲縣城位于大理河的下游，徬大理河兩岸河川地而建。2017年7月26日無定河流域暴雨洪水期，兩縣城發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，大面積淹沒積水，泥沙落淤。洪水過后，對城區(qū)洪水泥沙情況、城鎮(zhèn)漫溢淹沒范圍、淹沒水深及淤積厚度分布等進(jìn)行調(diào)查，推算得兩城區(qū)淤積量為273萬t[2]。

為真實(shí)反映淤地壩在本次暴雨洪水中的表現(xiàn)和作用，分析暴雨期間流域產(chǎn)沙量，開展了野外調(diào)查和淤地壩淤積量測量。選擇了暴雨中心區(qū)的6個(gè)小流域，即岔巴溝、小理河、大理河青陽岔以上、磚廟溝、馬湖峪、張王家圪嶗，共調(diào)查了1 940座淤地壩，包括了大型壩、中型壩和小型壩，其中已經(jīng)損毀或者已經(jīng)淤滿的壩、有積水的淤地壩未進(jìn)行測量，測量了525座，總淤積量為608萬m3。

洪水期無定河干流兩岸部分河段漫灘行洪，為分析河道沖淤對輸沙的影響，在丁家溝-白家川干流河道布設(shè)18個(gè)斷面測量。根據(jù)調(diào)查各斷面主槽的沖刷情況、灘地的淤積變化，以及丁家溝和白家川洪水前后斷面的沖淤調(diào)整，分析計(jì)算得到區(qū)間河道的沖刷量為421萬t[4]。

2.2 輸沙量分析

無定河本場洪水期的入黃輸沙量7 756萬t，包括了丁家溝站以上和支流大理河輸沙量、區(qū)間未控區(qū)產(chǎn)沙量、以及河道沖淤調(diào)整的影響等。

圖5 綏德站洪水輸沙關(guān)系Fig.5 Relationship between flood and sediment transport of Suide station

(1)大理河輸沙量分析 2017年“7.26”洪水期間，由于大理河洪水漲勢過猛，綏德水文站被淹，泥沙測驗(yàn)設(shè)備受損，含沙量無法進(jìn)行正常觀測。根據(jù)2000年以來綏德站場次洪水的洪量和相應(yīng)輸沙量關(guān)系分析(圖5)，洪水期綏德徑流量1.133 5億m3，相應(yīng)輸沙量為4 969萬t。

(2)無定河輸沙量來源 “7.26”洪水期無定河把口站白家川實(shí)測輸沙量為0.775 6億t，主要是干流丁家溝以上、大理河綏德以上的來沙和區(qū)間未控區(qū)產(chǎn)沙，以及輸移過程中河道沖淤變化和城區(qū)淤積的影響。表1為主要測站和區(qū)間的泥沙量及計(jì)算方法，區(qū)間未控區(qū)輸沙為平衡計(jì)算結(jié)果。分析表明，暴雨中心大理河流域輸沙量占白家川64.1%，是本次洪水的主要泥沙來源區(qū)；城區(qū)的淤積量和區(qū)間河道的沖刷量對白家川輸沙量影響較??；干流丁家溝以上來沙和區(qū)間未控區(qū)產(chǎn)沙分別占14.8%和19.2%，也是白家川站輸沙量的重要組成。

表1 洪水期無定河輸沙量來源組成Tab.1 Sediment source compositions of Wudinghe River during flood

2.3 侵蝕產(chǎn)沙量分析

植被覆蓋和降雨強(qiáng)度對土壤侵蝕起重要作用[5]。由于流域侵蝕、產(chǎn)沙和輸沙過程的復(fù)雜性，流域面上的侵蝕量不一定等于流域出口水文站的輸沙量。特別是黃土高原地區(qū)，坡面有深厚的黃土為強(qiáng)烈侵蝕提供充足物質(zhì)來源，坡陡溝深為流水提供豐富勢能，往往強(qiáng)烈侵蝕發(fā)生后，遭遇溝道中有淤地壩等工程攔阻，在短歷時(shí)的大暴雨時(shí)，很難一次輸送至流域出口水文站。但是對于悶葫蘆淤地壩，其控制流域面積小，輸沙溝道很短，侵蝕產(chǎn)生的泥沙一般都淤積到壩中，壩內(nèi)淤積量即為小流域的產(chǎn)沙量。

在本次的調(diào)查區(qū)域共測量悶葫蘆淤地壩140個(gè)，以小理河流域?yàn)槔M(jìn)行分析。小理河流域測量了21座悶葫蘆壩，推算各悶葫蘆壩控流域內(nèi)的攔沙模數(shù)(即侵蝕強(qiáng)度)，與對應(yīng)地區(qū)降雨量(采用反距離內(nèi)插法計(jì)算)建立關(guān)系(圖6)，二者有較好的線性關(guān)系。回歸關(guān)系式為：

y=158.32x-4 851.9

(1)

式中：y為侵蝕強(qiáng)度(t/km2)，x為降雨量(mm)。

其他幾個(gè)流域，由于流域內(nèi)暴雨量空間變化規(guī)律不明顯或地貌特征的差異，侵蝕強(qiáng)度與降雨量相關(guān)程度差，而磚廟溝流域和張王家圪嶗流域與小理河流域的淤地壩，其關(guān)系與小理河基本一致。

鑒于無定河流域降雨中心區(qū)在宏觀上地形和植被覆蓋等主要水土流失因素的相似性，可利用在小理河、磚廟溝、張王家圪嶗流域建立的侵蝕強(qiáng)度與降雨量關(guān)系，推廣到大理河及整個(gè)無定河南部的其他地區(qū)，計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖6 無定河南部悶葫蘆淤地壩攔沙模數(shù)與暴雨量關(guān)系Fig.6 Sediment yield and rainfall relationship at Menhulu check dam of southern Wudinghe River watershed

圖7 無定河流域南部土壤侵蝕強(qiáng)度(計(jì)算值)分布Fig.7 Soil erosion intensity contour of southern Wudinghe River watershed

利用ArcGIS的分區(qū)統(tǒng)計(jì)方法，分別計(jì)算各個(gè)水文站控制區(qū)域以及區(qū)間未控區(qū)域的平均侵蝕強(qiáng)度，考慮各分區(qū)暴雨量50 mm以上的黃土區(qū)面積，估算得到本次暴雨期無定河侵蝕產(chǎn)沙量為12 492萬t。

2.4 淤地壩攔沙作用

暴雨期間淤地壩的攔沙作用明顯[6]?！?.26”暴雨期，50 mm以上落區(qū)有大中型淤地壩3 500余座和更多小型淤地壩，淤地壩主要分布在各支流2級以上的溝道。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，暴雨落區(qū)淤地壩均發(fā)生了不同程度的淤積，平均淤積厚度在0.3～0.7 m，部分敞口的淤地壩也發(fā)生淤積,厚度約在0.1～0.2 m。在暴雨洪水過程中，淤地壩不僅攔截了泥沙，也起到了滯洪作用。

流域侵蝕產(chǎn)沙量在溝道輸移過程中經(jīng)過了淤地壩的攔截進(jìn)入河道，在子州和綏德縣城區(qū)發(fā)生漫灘淤積，淤積量273萬t；洪水期無定河下游河道發(fā)生沖刷，補(bǔ)充泥沙421萬t；把口站白家川輸沙量為7 756萬t(見表1)。流域侵蝕產(chǎn)沙量加上河道沖刷補(bǔ)沙量，減去漫灘淤積量和進(jìn)入黃河沙量，即為淤地壩的攔沙量，計(jì)算結(jié)果為4 884萬t。由于坡耕地的大量存在和溝谷坡的治理難度，坡面侵蝕將繼續(xù)存在，淤地壩仍是減沙的主要工程措施。

為掌握無定河流域近年淤地壩的攔沙作用，韓向楠等[7]運(yùn)用最新的統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)測數(shù)據(jù)，分析提出2011—2017年無定河流域淤地壩的年均攔沙量為4 134萬t，與本文框算的數(shù)據(jù)基本相當(dāng)。

3 坡面和溝谷產(chǎn)沙比例分析

圖8 黃土丘陵區(qū)徑流和泥沙來源分區(qū)Fig.8 Division of loess hilly area for runoff and sediment source

黃土高原侵蝕產(chǎn)沙來自溝谷和梁峁坡，所謂溝谷侵蝕是指峁邊線以下的侵蝕，峁邊線以上為坡面(梁峁坡)侵蝕，但是實(shí)際上峁邊線很難準(zhǔn)確劃分，只能是一條大致界線(見圖8)。

同時(shí)，溝谷或坡面的產(chǎn)沙與林草植被也有一定關(guān)系。無定河流域1998年開始實(shí)施退耕還草還林、封山禁牧等政策以來，植樹種草面積迅速擴(kuò)大，植被得到了一定程度的修復(fù)，植被覆蓋度有了明顯提高，東南部的黃土丘陵溝壑區(qū)從20世紀(jì)90年代的13.8%提高到2013年的33.3%，對增加入滲、減少徑流和產(chǎn)沙起到一定作用。本次降雨過程中，坡耕地和經(jīng)濟(jì)林地是產(chǎn)沙的主要源地之一，溝邊的重力侵蝕、耕作道路等也是重要侵蝕地貌部位。

為進(jìn)一步分析本次暴雨侵蝕產(chǎn)沙來源，采用了核素示蹤技術(shù)、數(shù)學(xué)模擬、現(xiàn)場調(diào)查等分析方法。

3.1 核素示蹤法

137Cs和210Pbex是目前廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕評價(jià)的環(huán)境放射性核素。137Cs系20世紀(jì)五六十年代核爆炸產(chǎn)生的散落在大氣中的人工放射性核素,在全球沉降開始于1954年,1963—1964年達(dá)到高峰,隨即降低,80年代初期結(jié)束。210Pbex是土壤/巖石中238U的衰變系列產(chǎn)物222Rn釋放到大氣后再沉降到地表的放射性核素。散落在地表的137Cs和210Pbex能和土壤顆粒緊密結(jié)合，沒有明顯的向下淋洗的跡象，也不被植物所吸收。在土壤剖面中，210Pbex主要集中在表層，其中50%以上集中在表層5 cm以上，且隨著土壤剖面深度的增加呈指數(shù)減少，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度時(shí)，210Pbex的值為一常數(shù)。本方法主要是通過測定采樣地點(diǎn)單位樣本環(huán)境核素的總活度，分析不同地點(diǎn)核素的差異，定量估算土壤侵蝕和泥沙來源。

以暴雨中心區(qū)大理河支流小理河和岔巴溝流域?yàn)槔?，對小理河流域草紅溝淤地壩、岔巴溝候石畔淤地壩控制區(qū)域內(nèi)梁峁坡和溝谷坡的表層土壤、壩地沉積泥沙進(jìn)行取樣，對不同泥沙來源區(qū)的樣品進(jìn)行放射性核素137Cs和210Pbex活度測量，利用配比公式計(jì)算了該壩控小流域泥沙的相對來源。分析結(jié)果表明，在“7.26”特大暴雨過程中，小理河草紅溝來自梁峁坡的泥沙占20%～23%，而溝谷坡來沙占比77%～80%；岔巴溝候石畔來自梁峁坡的泥沙占15%～21%，而溝谷坡來沙占比79%～85%?？梢姕瞎绕率切×饔蚯治g產(chǎn)沙的主要來源區(qū)。

3.2 小流域模擬分析

采用次降雨分布式侵蝕產(chǎn)沙過程模型，以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，在流域數(shù)字高程模型(DEM)基礎(chǔ)上，模型計(jì)算所需要因子由地理信息系統(tǒng)提供，采用超滲產(chǎn)流模式構(gòu)建產(chǎn)流模型，然后考慮匯流輸沙關(guān)系，根據(jù)地形、地貌特征，模型將研究區(qū)分成梁茆坡、溝坡和溝槽三部分侵蝕產(chǎn)沙計(jì)算單元，由能量平衡原理分別建立其侵蝕產(chǎn)沙的計(jì)算公式，然后以分布式產(chǎn)匯流模型為基礎(chǔ)進(jìn)行耦合求解，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格的各個(gè)時(shí)段的水深、流速、流量依次計(jì)算出網(wǎng)格的各個(gè)時(shí)段的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。

以岔巴溝為例，根據(jù)地形、地貌特征，將流域分為梁峁坡、溝谷坡、溝槽三部分侵蝕產(chǎn)沙計(jì)算單元，計(jì)算出流域侵蝕產(chǎn)沙空間分布，并進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，在“7.26”洪水中，岔巴溝流域梁峁坡產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的27.6%，溝谷坡占70.1%，溝槽占2.3%。

3.3 溝槽侵蝕調(diào)查

對小理河及岔巴溝溝道形態(tài)及溝槽進(jìn)行調(diào)查分析，根據(jù)沖淤情況將溝道分為4級，1級為流域的主要干流，沖刷和淤積都不明顯；2級為主要支溝，有水庫和骨干壩分布；3級是淤地壩分布的主要支流，2級和3級溝道主要受水庫和淤地壩控制；4級是支溝上部的V形深切溝谷，比降大，溝槽有少量沖刷。根據(jù)野外侵蝕調(diào)查和溝槽的統(tǒng)計(jì)，小理河、岔巴溝溝槽侵蝕產(chǎn)沙量分別為6.59萬t和1.25萬t，分別占實(shí)測輸沙量的1.8%和1.4%，略低于數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果。

因此，在今后的流域管理中仍應(yīng)采取生物措施與工程措施相結(jié)合的坡溝兼治原則，特別是要更加重視溝谷地的治理。只有這樣，才能大幅度減少流域的侵蝕產(chǎn)沙總量。

4 結(jié) 語

(1)無定河“2017.7.26”暴雨具有時(shí)空分布集中、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)，暴雨中心區(qū)的無定河和支流大理河等均發(fā)生了高含沙洪水。單站最大24 h降雨量252.3 mm，有10個(gè)雨量站點(diǎn)在200 mm以上，重現(xiàn)期為30～100年；無定河白家川水文站洪峰流量4 490 m3/s，為有實(shí)測資料以來的第二大洪峰流量；大理河綏德站洪峰為有實(shí)測資料以來的最大值。

(2)洪水期白家川泥沙主要來自大理河流域?！?.26”洪水期白家川站實(shí)測輸沙量7 756萬t，大理河綏德站占白家川的64.1%，其次是丁家溝以上來沙和未控區(qū)產(chǎn)沙，河道沖刷和城區(qū)淤積對輸沙量影響較小。

(3)基于悶葫蘆淤地壩攔沙量分析，暴雨期無定河流域侵蝕產(chǎn)沙量為1.249億t；根據(jù)小流域分析結(jié)果，產(chǎn)沙量的70%～85%來自溝谷坡，梁峁坡產(chǎn)沙比在15%～30%，溝槽的產(chǎn)沙1.4%～2.3%。

(4)由于坡耕地的大量存在和溝谷坡的治理難度，坡面侵蝕將繼續(xù)存在，淤地壩仍是減沙的主要工程措施。

致謝：參加本項(xiàng)目研究的人員還有：郭彥、李勉、王玲玲、楊吉山、金雙彥、李莉等。