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水利工程论文-皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策.doc

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水利工程论文-皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策.doc

水利工程论文皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策摘要作者对皇甫川流域从径流泥沙来源、水沙特性、水沙变化趋势等方面进行了较为深入地分析和研究,据此提出皇甫川流域近期治理方略是以沟道坝系建设为切入点积极推进林草植被建设对砒砂岩地区实行大面积封禁治理。流域近期至2010年,治理的重点建议放在十里长川、沙圪堵至皇甫区间和沙圪堵以上的纳林川左岸。关键词水沙特性水沙来源沙变化趋势治理对策皇甫川1流域概况及水土流失特点1皇甫川流域位于黄河中游河口镇至龙门区间的右岸上段,是黄河流域主要的多沙粗沙区,多年平均1956~1998年输沙量0.505亿t。皇甫川发源于内蒙古自治区达拉特旗南部敖包梁和准格尔旗西北部的点畔沟一带,在陕西省府谷县巴兔坪汇入黄河,干流长137km,河道平均比降2.7‰流域面积3246km2,其中水土流失面积3215km2,占流域总面积的99.0。皇甫川流域水系主要由干流纳林川和支流长川组成。干流沙圪堵以上纳林川河道长70km,河道平均比降4.3‰,面积1351km2,占流域总面积的41.6长川河道长75km,河道平均比降5.7‰,流域面积702km2,占流域总面积的21.6。皇甫川流域按照侵蚀程度和地表土层覆盖的差异,大致可分为三个水土流失类型区1.1砒砂岩丘陵沟壑区主要分布于流域西北部纳林川两岸的虎石沟、圪秋沟、干昌板沟和尔架麻沟,面积948km2,占皇甫川流域总面积的29.2,沟壑密度平均为7.42km/km2。该区水土流失极为严重,地形切割十分破碎,坡陡沟深,植被覆盖度很低,基岩大面积外露。区内侵蚀以水蚀为主,复合重力侵蚀。1.2黄土丘陵沟壑区主要分布于流域的东部和西南部,面积1756km2,占流域总面积的54.1,沟壑密度在5km/km2~9km/km2之间。该区黄土层较厚,呈现较典型的黄土梁峁和黄土沟谷地貌,除部分梁峁和缓坡地为耕地外,多为天然草场,植被覆盖度为20左右。区内土壤侵蚀以水蚀为主,水蚀、风蚀和重力侵蚀交替发生。1.3沙化黄土丘陵沟壑区面积542km2,占流域总面积的16.7,主要分布在纳林川中下游以东到长川以西地区和库布其沙漠边缘,平均沟壑密度为4.2km/km2,地表沙化严重,以风蚀为主要侵蚀方式,呈现出风、水蚀复合侵蚀的景观。2降雨、径流、泥沙特性皇甫川流域水文泥沙特征值统计见表1。表1皇甫川流域水文泥沙特征值统计水文站名年代PN/mmPX/mmWN/万m3WX/万m3WH/万m3WS/万tWXS/万t皇甫水文站1956196519701979198019891990199819561998430.0372.0343.0397.6389.5323.6313.3268.6290.6301.5192101758012710987015360147201501010880893012680138601372092307940115106200625042802810505060506230424027904990注表中PN、PX分别代表年降雨量和汛期降雨量WN、WX、WH分别代表年径流量、汛期径流量和洪水径流量WS、WXS分别代表年输沙量和汛期输沙量。2.1降雨特性皇甫川流域多年平均降水量389.5mm,降水分布总的趋势是由东南向西北递减。最大降水月份一般出现在7月,最小降水月份出现在11月,连续四个月最大降水均出现在汛期,汛期降水量占年降水量的78以上,约50~60的降雨量集中在7、8两月。皇甫川流域和窟野河一带又是河龙区间的暴雨中心之一。皇甫川暴雨最明显的特征是历时短,笼罩面积小,强度大,年际变化大。一次降雨过程的洪水、泥沙特征很大方面依赖于暴雨,暴雨是产洪产沙的原动力。暴雨产洪量一般可占汛期水量的24.3~76.7,暴雨产沙量可占汛期沙量的37.6~95.32。皇甫川暴雨大多数降落在纳林川,暴雨中心多出现在流域的西北部。2.2径流特性皇甫水文站多年平均径流量15360万m3,径流深48.0mm。皇甫川流域径流的特点是蒸发旺盛,径流量小,产流不均匀,年际变化大,年内分配很不均匀。径流泥沙不仅集中在汛期,而且多集中在几次大洪水。多年平均汛期径流量占年径流量的82.6,洪水径流量占74.9纳林川沙圪堵站以上流域,一场占年均雨量38.6的暴雨,可产生占年均径流量66的径流,极易形成较大的洪水灾害。皇甫川流域地面径流发育,沙圪堵以上的砒砂岩区地下径流占年径流的比例仅为18.7。2.3泥沙特性皇甫川流域泥沙特点是产区集中,侵蚀强度大,洪水含沙量高。流域经常出现高含沙水流,基岩风化壳和黄土区是皇甫川流域泥沙的主要产区,其中基岩风化壳则是粗泥沙的主要来源区,而黄土和深度风化的页岩提供了一定数量的细颗粒泥沙,从而形成了产生高含沙水流的有利条件。皇甫川高含沙水流最大含沙量为1570kg/m3,洪水平均含沙量达422kg/m3,悬沙粒径大于0.05mm的粗沙多年平均1954~1998年来量为2970万t,占对应多年平均产沙量的58.3,在河龙区间诸多支流中来沙组成最粗。3不同地貌类型径流泥沙来源分析3.1全流域径流泥沙来源分析皇甫川流域于1953年7月12日设立皇甫水文站,开始观测。后几经变动,现把口水文站为皇甫水文(三)站,始测于1977年1月1日,控制面积3175km2设置于干流上段纳林川的沙圪堵水文站,始测于1959年8月1日,控制面积1351km2设置于支流十里长川中段的长滩水文站,始测于1978年,控制面积524km2,1981年因故停测,后于1986年恢复观测,但站址下迁,控制面积626km2。鉴于皇甫川大规模治理始于1980年以后,为比较准确的分析皇甫川流域的径流泥沙来源,选取受人类活动影响较小的资料系列1960~1979年,将皇甫川以上分为沙圪堵站控制区和沙圪堵以下、十里长川至皇甫站两部分进行资料统计与计算。根据计算结果,来自沙圪堵以上的水量占皇甫站总来水量的44.7,沙量占皇甫站总来沙量的51.7,来自沙圪堵至皇甫川及十里长川的来水来沙量分别占总来水来沙量的55.3和48.3。另据长滩水文站不完整的水文资料1986~1994年统计,来自长滩以上的水量占皇甫站对应总来水量的8.5,沙量占皇甫站对应总来沙量的15.9,同期来自沙圪堵以上的水量占皇甫站总来水量的40.5,沙量占48.6,则来自沙圪堵、长滩至皇甫区间的来水来沙量分别占皇甫站总来水来沙量的51.0和35.5,说明皇甫川的径流主要来自沙圪堵、长滩至皇甫区间,其次是沙圪堵以上泥沙主要来自沙圪堵以上,其次是沙圪堵、长滩至皇甫区间。来自长滩以上的水沙量较少。3.2坡面与沟道径流泥沙来源分析小流域是水土流失从坡面至沟道发生发展的基本单元。皇甫川小流域侵蚀地貌与丘(一)区其他小流域很类似,也是以现代沟缘线为界分为沟间地和沟谷地两大区,流域平均沟壑密度为4.2km/km2,沟间地坡度一般小于25°,沟谷地突变,形成大于45°的沟坡。根据黄委会绥德水土保持科学试验站郝建忠等人1991年对绥德、米脂、子洲、离石等8条小流域资料分析,求得流域沟壑密度同沟谷地占流域面积比例的关系式为F135.81.576Gm式中F1为沟谷地占流域面积的比例,Gm为流域沟壑密度km/km2。由上式求得皇甫川流域沟谷地占流域面积的比例为42.4,相应沟间地所占比例即为57.6。根据韭园沟和王家沟的小区观测资料,求得两流域沟间地平均径流模数为17133.5m3/km2,沟谷地平均径流模数为38367.5m3/km2两流域沟间地平均输沙模数为9551t/km2,沟谷地平均输沙模数为26547.5t/km2。假定皇甫川流域沟谷地与沟间地的径流模数和输沙模数之比(亦即侵蚀模数之比)和韭园沟、王家沟的平均值之比一致,通过联解沙量平衡方程组,即可求得皇甫川流域不同地貌类型径流泥沙来源,见表2。可见,皇甫川流域沟谷地是径流、泥沙的主要来源区,沟谷地产流量占流域总产流量的62.2,沟谷地产沙量占流域总产沙量的67.2,其径流、输沙模数分别是流域径流、输沙模数的1.5倍和1.6倍,是沟间地的2.2倍和2.8倍。1956~1998年,皇甫流域年均径流量为15360万m3,其中沟谷地来水量为9554万m3,沟间地来水量为5806万m3年均输沙量5050万t,其中沟谷地来沙量为3394万t,沟间地来沙量为1656万t。表2皇甫川流域不同地貌类型径流泥沙来源计算成果(1956~1988年)控制面积/km2年均径流量/万m3年均径流模数/m3/km2沟谷地径流模数/m3/km2沟间地径流模数/m3/km23199控制面积/km2319915360年均输沙量/万t505048015年均输沙模数/t/km21578670486沟谷地输沙模数/t/km22500531498沟间地输沙模数/t/km289983.3不同出露岩层产粗沙量估算皇甫川流域是黄河中游河龙区间粗沙的主要来源区。根据景可等人利用粒度分析法的研究成果,皇甫川流域基岩、黄土及风沙产粗沙平均量分别占年均产粗沙总量的69.5、30.4和0.1。皇甫川流域多年粗泥沙平均来量为2970万t,则基岩、黄土及风沙产粗沙量多年平均分别为2064.1万t、902.9万t和3.0万t,见表3。另据徐建华等人的最新研究成果2,皇甫川流域主要产沙地层为砒砂岩,其次为黄土,风积沙地层产沙较少。其面积分别占流域面积的54.9、28.3和16.8,而产沙量却分别占总产沙量的71.5、27.2和1.3,则砒砂岩、黄土及风积沙产粗沙量多年平均分别为2123.6万t、807.8万t和38.6万t。因此,砒砂岩(基岩)地层应成为皇甫川流域今后表3皇甫川流域岩层产粗泥沙量估算单位万t岩层基岩黄土风沙合计多年平均产粗沙量占总2064.169.5902.930.43.00.12970.0100治理的重中之重。二者相比,主要研究结论基本相同。虽然风沙产沙量差别较大,但仍属同一数量级。4流域水沙变化趋势分析4.1降雨变化趋势皇甫川流域多年平均1954~1998年汛期降雨量占年降雨量的比重达79.5,78月降雨量占年降雨量的比重达54.3以上。从各年代的降雨量变化情况看,以1969年前作为基准期,70、80、90年代均有不同程度的减少。以年降雨为例,减少百分比分别为8.6、15.7和2.3%,80年代减少百分比最大。此外,流域90年代降雨比80年代有所增加,年、汛期及78月降雨量增幅分别为15.9、8.2和3.0。4.2径流变化趋势皇甫川流域多年平均汛期径流量占年径流量的比重为82.0,78月径流量占年径流量的比重为46.9。从各年代径流量变化情况看,以1969年前作为基准期,70、80、90年代年径流量减少的百分比分别为16.4、39.6和53.1。90年代径流量比基准期减少的百分比均在40以上78月径流量比基准期减少了42.8,比70年代减少47.8,比80年代减少31.5。4.3泥沙变化趋势皇甫川流域多年平均汛期输沙量占年输沙量的比重为98.6,78月输沙量占年输沙量的比重为84.3。从各年代输沙量变化情况看,以1969年前作为基准期,70、80、90年代年输沙量减少的百分比分别为1.1(增沙)、30.7和54.5。70年代输沙量比基准期均有不同程度的增加,78月输沙量增幅达16.0。90年代输沙量比基准期减少的百分比均在50以上,减幅明显高于径流。78月输沙量比基准期减少60.5,比70年代减少66.0,比80年代减少51.7。由以上变化趋势可知,皇甫川流域降雨、径流、泥沙依时序递减,与黄河中游其它支流一致。90年代降雨虽比80年代有所增加,但径流、泥沙并未增加,其主要原因是单位毫米降雨产流产沙量仍呈递减趋势。另据笔者研究,皇甫川流域现状水资源利用率只有10,在黄河中游多沙粗沙支流中属于较低水平。其主要原因是汛期降雨量占年降雨量的78以上,约50~60的降雨集中在7、8两月且多为暴雨。由于暴雨集中,历时短,强度大,因此洪水洪峰尖瘦,陡涨陡落,高含沙洪水出现频繁,给水资源的开发利用带来了很大困难。从水沙变化过程线的周期性分析结果看,预计皇甫川流域今后的水沙来量仍将减少,生态环境建设水资源形势严峻。如何充分、有效地利用好现有的宝贵水资源(尤其是7、8两月降雨)和用洪用沙,将是提高皇甫川流域水资源利用率的关键,也是事关皇甫川流域水土保持生态工程建设能否成功的重大问题。4.4各年代7~8月粗沙所占百分比变化分析3皇甫川流域7~8月d0.05mm粗沙各年代所占百分比见表4。由此可见,从60年代(1966~1969年)到90年代,粗泥沙所占百分比从49.5降至36.4,年粗沙输移量从2940万t降至579万t,中值粒径从0.0590mm降至0.0500mm,平均粒径从0.1520mm降至0.1095mm,泥沙粒径细化趋势十分明显,主要原因是流域内水土保持措施的大量实施。这和笔者在甘肃环江流域的研究结论相同4。但遇丰水年份,泥沙粒径仍然较粗,如1998年,皇甫川最大洪峰流量仅1.680m3/s,但中值粒径高达0.068mm,平均粒径达0.172mm。说明流域水土保持综合治理措施在丰水年份拦洪拦沙尤其是拦减粗泥沙作用有限现有的水土保持综合治理措施还不尽完善。表4皇甫川流域7~8d>0.5mm粗沙各年代所占百分比年代1966~19691970~19791980~19891990~1998d0.05mm所占的分数7~8月输沙量/万td0.05mm输沙量/49.5593029400.059045.4564025600.059043.2398017200.051036.415905790.0500

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