晋西北地区人类活动增洪增沙作用研究

面向二十一世纪的泥沙研究 成都 2000 131 晋西北地区人类活动增洪增沙作用研究 刘 勇 冉大川 刘 斌 罗全华 张志萍 (黄委会西峰水保站 甘肃西峰 745000) 摘 要 人类活动增洪增沙作用分析是黄河中游水沙变化研究中的一个重要问题，也是一个薄弱环节。本文对晋西北地区人类活动的增洪增沙作用进行了较为深入的研究，对开荒、开矿、修路、过度放牧等人类活动对河流泥沙的影响及其增洪增沙机理进行了分析，并计算了晋西北地区八条入黄一级支流 1970 1996 年人类活动的增洪增沙量。结果表明：人类活动增洪量占水保措施总减洪量的近 3%，人类活 动增沙量占水保措施总减沙量的近 9%。 关键词 人类活动 增洪增沙 晋西北 1 概述 人类活动既能有效地控制水土流失，又能造成新的水土流失。这种积极地预防与消极地增加水土流失在整个人类历史活动过程中交替发生。黄河中游地区人类活动造成新增水土流失的方式多种多样，由最初的毁林、毁草逐渐增加到现在的陡坡开荒、修路、修窑建房、开采矿藏、过度放牧等，形式越来越多，规模越来越大，由此而增加的河流泥沙量在很大程度上抵销了多年来水土保持治理的减沙量。分析该地区人类活动的增洪增沙作用，对今后合理开发利用水土资 源，保护生态环境，积极预防水土流失和准确计算水土保持措施减洪减沙效益，都具有重要的现实意义。 本文所指的晋西北地区，东至吕梁山脊以西，西至黄河北干流，北至浑河流域，南至三川河流域，涉及浑河、偏关河、县川河、朱家川、岚漪河、蔚汾河、湫水河及三川河等八条入黄一级支流及未控区，共计面积约 2.927 万 km2。 2 开荒对土壤侵蚀的影响 晋西北黄土高原的地貌以丘陵沟壑区为主，其地形破碎，沟谷纵横。开荒分为毁林毁草开荒和陡坡开荒两大类型。开荒对土壤侵蚀的影响主要表现在：减少地表植被；破坏原来的土体 结构；导致地面生态环境日趋恶化 1。 3 开矿所造成的弃石、弃土对河流泥沙的影响 晋西北地区属黄河中游多沙粗沙区，沟道纵横，沟壑密度在 4 6km/km2之间。沟岸陡峻，沟谷狭窄，呈“ V”字型，纵比降一级沟道在 2%以上，大部分二级沟道的纵比降超过 5%，具有较好的水流输送条件。该地区矿产资源开发会造成了一定数量的弃土弃石。在这些弃物中有打矿井所弃的石渣，有开采中弃掉的煤矸石，有因平整作业场地所弃的土石，有修路所弃的大量土石。这些弃土、弃石、弃渣有一个共同点，就是全部堆放在狭窄的沟道及陡立的谷坡上。 开采系统的弃土、弃石主要是开掘矿井巷道、叉道的石渣、土方。一般矿井在开挖过程中 132 都需要掘进一定的深度，按正常巷道计算，每掘进一米的土石体积为 6 10m3。另外，在狭窄的沟谷内开矿时往往需要削山削坡，保证矿井有足够的煤场，地面附属设施建筑有足够的场地，一般一个生产矿井仅此一项弃土量就在万立方米以上。 煤炭运输系统是弃土弃石较大的地面工程。修一条路面 6m 宽的普通道路，一般弃土量在1.0 万 m3/km 以上，并且有 40%左右直接堆在沟床、河床，一遇洪水会全被冲走，这是开矿中增加河流泥沙最大的一项人类活动。 4 修路对河流水沙的影响 在黄土丘陵沟壑区修建铁路、公路，需要大量开挖土方，在土方中一部分用于填筑低洼地段，一部分被弃倒在山坡、沟 (河 )道。这些弃土、弃石一部分沿山坡路外沿向坡面下溜，形成一个较陡的溜土面，坡度在 38 42之间，由于以松软土形式堆放，因此在暴雨洪水期间，极易产生面蚀和沟蚀，由此而引起的增沙作用可持续 4 5 年。在正常降雨情况下呈逐年递减趋势，最大侵蚀模数可达 50000t/km2 a 以上。 5 过度放牧对河流水沙的影响 在晋西北黄土丘陵山区，过度放牧对植被及河流水沙的影响主要表现在 以下几个方面：荒坡植被逐年减少；羊只踩踏破坏地表土体结构；使土壤侵蚀量剧增。以离石市王家沟流域为例， 1956 年曾对 37的黄土沟坡进行封育，禁止放牧。封育前，天然荒草坡植被为 30%，三年后 (1959 年 )天然植被达 80%， 1959 年设立小区进行观测， 1959 1966 年的 8 年内，年平均侵蚀量仅 489t/km2； 1963 年对 29的红土沟坡和 37的黄土沟坡不禁止放牧，植被度 20 30%；设立小区进行观测，到 1968 年， 6 年平均年侵蚀量为：红土沟坡 18749t/km2，是封育荒坡的38 倍；黄土沟坡 26615t/km2，是封育荒坡的 54 倍。 又据陕西省靖边县 50 年代观测，封沟禁牧后，植被度可达 60%，不封沟禁牧的天然植被度仅 20%，在相同的降雨条件下（降雨量 35.1mm），长期放牧区径流深 23.4mm，冲刷量 952t/km2，而不放牧区径流深仅 2.0mm，而且冲刷量为 0。 6 人类活动增洪增沙量计算 6.1 开荒增洪增沙量计算 6.1.1 开荒面积计算 依各地土地面积资料，计算大于 25的坡耕地面积，即为统计年开荒的面积。各年代开荒面积依据人口数量按比例适当分配。 6.1.2 增洪增沙指标的确定 开荒一般以天然荒坡为对比条件，统计大于 25的天然荒草坡和坡耕地径流小区的径流量和冲刷量，经过对比，即可得到增洪增沙指标。 本文研究共统计了黄委会绥德水保站 1958 1963 年简易径流场观测的 40 个小区年资料，其中坡耕地 20 个小区年，天然荒坡 20 个小区年。将各年的小区观测资料进行平均、对比后发现：径流量天然荒坡与坡耕地基本相同，可以认为荒坡开垦后基本不增洪；而冲刷量坡耕地比天然荒坡大 6570 t/km2。山西省水保所王家沟流域 1959 1966 年坡耕地与荒草坡观测结果相比，冲刷量大 6686 t/km2,说明两地增沙量大致相同，因此，在计算晋西北地区开荒增沙量时， 133 以 6600 t/km2作为开荒地增沙指标 2。 6.1.3 各支流增沙量计算 根据开荒面积和开荒增沙指标，计算晋西北地区八条入黄一级支流各年代增沙量，其结果见表 1。 由此可见，从 60 年代至 90 年代 (1990 1996 年 )，晋西北地区开荒增沙量呈上升趋势，90 年代因开荒年均累计增沙 108.7 万 t，比 80 年代增加了 12.0%，比 70 年代增加了 25.2%，比60 年代增加了 38.5%；朱家川、蔚汾河、湫水河、三川河等四条支流， 90 年代年均开荒增 沙量均在 15 万 t 以上。 6.2 道路增水增沙量计算 6.2.1 修路弃土量 据晋西北山区各地调查，修路过程中的弃土量，公路每公里移动土石方约 2 5 万 m3，乡村道路每公里移动土方约 1.0 万 m3，在移动的土石方中约有 70%左右用于填垫路基， 表 1 晋西北八条支流各年代开荒增沙量计算表 河 名 各年代开荒面积（ km2） 各年代年均增沙量（万 t） 60 70 80 90 60 70 80 90 浑 河 13.67 16.65 19.55 22.15 9.02 11.0 12.9 14.62 偏关 河 8.12 9.86 11.61 13.11 5.36 6.51 7.66 8.65 县川河 6.78 8.22 9.86 11.26 4.47 5.43 6.51 7.43 朱家川 14.77 17.92 21.14 24.14 9.75 11.83 13.95 15.93 岚漪河 8.08 9.82 11.55 13.08 5.33 6.48 7.62 8.63 蔚汾河 15.64 19.02 22.38 25.54 10.32 12.55 14.77 16.86 湫水河 16.55 20.09 23.61 26.81 10.92 13.26 15.58 17.69 三川河 17.65 21.64 25.23 28.63 11.65 14.28 16.65 18.89 合计 101.26 123.22 144.93 164.72 66.82 81.34 95.64 108.7 30%左右弃于山坡、沟道。修路总弃土量的计算方法是：先按照路面面积反算出道路长度，其依据是公路平均宽 12m，乡村道路宽 8m，再根据单位公里长度移动土石方量求出修路弃土量；道路占地面积按 1989 年各县土地详查资料及 1996 年土地变更调查资料计算。在总弃土量中 60年代占 15%， 70 年代占 20%， 80 年代占到 25%， 90 年代占到 40%。 6.2.2 流失量 流失量是弃土量中被冲走的那部分数量。据山西省吕梁地区等地调查，道路弃土流失量约占弃土量的 30%左右，计算中按 30%的流失关系计算。各支流道路弃土流失量计算结果见表 2。 表 2 晋西北各支流道路弃土流失量计算表 河 名 公路弃土量 （万 m3） 流失量 （万 m3） 乡村道路弃土量 （万 m3） 流失量 （万 m3） 合计流失量 （万 m3） 浑 河 708.6 212.6 1240.1 372.0 584.6 偏关河 248.2 74.5 434.4 130.3 204.8 县川河 170.2 51.1 297.8 89.3 140.4 朱家川 521.2 156.4 912.1 273.6 430.0 岚漪河 121.9 36.6 213.3 64.0 100.6 蔚汾河 102.1 30.6 178.7 53.6 84.2 湫水河 111.7 33.5 195.4 58.6 92.1 三川河 236.1 70.8 413.2 124.0 194.8 134 6.2.3 道路增水量 道路增水表现形式十分简单，但由于增水往往会引起增沙。增水主要是由于道路修成以后，破坏了天然地表植被和土体结构，路面经过硬化处理后降雨几乎不入渗，特别是柏油路面，径流系数可达 1.0。根据陕北、晋西北各地观测资料，道路平均径流模数 6.118 万 m3/km2，与荒坡、农地相比，增水模数为 2.08 万 m3/km2，以此计算道路增水量。 6.2.4 道路增沙量 道路增水后其本身水的含沙量较小，但山坡路面的水在路面汇流后由山坡向沟道集中，在山坡上参与坡面产沙，增加坡面泥沙。这一部分水所 产生的泥沙量可以按坡面治理前的洪水泥沙关系，根据增水量计算其增沙量。 6.3 村庄、庄院增洪增沙量计算 6.3.1 庄院弃土 农村修窑洞、削山坡平庄院需大量弃土。从晋西北地区群众居住特点来看，大部分都是以石块砌窑为主。石砌窑洞首先要在河边、沟边采石，采石要剥离表土层。我们在保德、河曲、临县等地调查，采一方石块需弃土、弃碎石渣 0.5 1.5m3，一般弃土、弃石都倾倒于河道、沟床，易被洪水冲走，流失系数在 0.8 1.0 之间，每孔窑洞开挖土方 200 300m3。按 0.15 的流失系数计算流失量。 农村住户窑洞 数按人口统计。据统计每户平均 3.64 人，平均 3 4 孔窑洞，依此计算各年代各流域的窑洞孔数。庄院弃土量及流失量计算成果见表 3。 表 3 晋西北各支流庄院增沙量计算表 70 年 代 80 年 代 90 年 代 河 名 增加户数 （万户） 增加窑洞 （万孔） 弃土量 （万 m3） 流失量 （万 m3） 增加户数 （万户） 增加窑洞 （万孔） 弃土量 （万 m3） 流失量 （万 m3） 增加户数 （万户） 增加窑洞 （万孔） 弃土量 （万 m3） 流失量 （万 m3） 浑 河 0.99 2.62 525.47 78.82 0.65 1.73 346.33 51.95 0.34 0.84 210.0 31.5 偏关河 0.41 1.08 218.47 32.77 0.27 0.72 143.87 21.58 0.13 0.36 90.0 13.5 县川河 0.40 1.08 213.13 31.97 0.27 0.72 143.87 21.58 0.10 0.30 75.0 11.3 朱家川 0.68 1.78 362.27 54.34 0.45 1.20 239.73 35.96 0.22 0.70 175.0 26.3 岚漪河 0.45 1.20 239.74 35.96 0.30 0.80 159.87 23.98 0.15 0.40 100.0 15.0 蔚汾河 0.40 1.08 212.93 31.94 0.27 0.72 143.87 21.58 0.14 0.42 105.0 15.8 湫水河 0.89 2.40 474.20 71.13 0.60 1.60 319.67 47.95 0.31 0.80 200.0 30.0 三川河 1.47 3.92 783.20 117.48 0.98 2.61 522.13 78.32 0.49 1.29 322.5 48.4 6.3.2 村庄增洪增沙 村庄的增洪增沙量按道路增水增沙方法计算。村庄面积按土地详查结果统计。 6.4 各支流增洪增沙计算结果 在人类活动增洪增沙计算中还有过度放牧、铁路、开矿等项目，由于所占比重较小，不再逐项进行计算。这次进行的几项计算，其汇总结果见表 4。 表 4 晋西北各支流增洪增沙量计算成果汇总表 年 代 水保措施 减洪量 （万 m3） 人类活动 增洪量 （万 m3） 增洪量占 减洪量的 （ %） 水 保措施 减沙量 （万 t） 人类活动 增沙量 （万 t） 增沙量占 减沙量的 （ %） 1969 年以前 2665.0 47.8 1.8 1030.0 208.5 20.2 1970 1979 7700.0 149.7 1.9 3250.0 259.6 8.0 1980 1989 8890.0 270.6 3.0 3340.0 288.6 8.6 1990 1996 1