嘉陵江西汉水流域水保措施减水减沙作用分析.doc

嘉陵江西汉水流域水保措施减水减沙作用分析张明波, 黄 燕， 郭海晋， 沈燕舟（长江水利委员会 水文局)摘要：西汉水位于秦岭南坡，其上游分布有2 350km2的黄土区，为嘉陵江流域重点产沙区。自20世纪80年代末“长治”工程实施以来，重点产沙区实施了大规模的水土保持治理，至1996年底，累积治理面积占水土流失总面积的40%，水保措施对控制流域内水土流失起到了积极作用。作者以流域上游控制站顺利峡站为分析重点，以实测水沙资料为依据，采用水文学方法，着重分析研究水保措施实施以来的水沙变化。关键词：嘉陵江； 西汉水； 水土保持； 水沙变化水土保持措施具有减水减沙作用，这种作用通过减水减沙效益加以量化和评价。传统的水土保持减水减沙效益计算方法有水文法和水保法。水保法是根据各项水土保持措施减水减沙作用实测成果，并考虑产沙在河道中的输移及冲淤变化，以及新增水土流失数量等，计算水土保持减水减沙效益的一种方法。水文法是利用水文泥沙观测资料分析水土保持减水减沙效益的一种方法，其基本原理是根据对降雨径流和产沙基本规律分析，建立计算水土保持减水减沙效益的降雨产流产沙模型，以分析流域综合治理减水减沙效益；同时还可以求得降雨变化和流域综合治理对减水减沙的影响程度。作者以实测水沙资料为基础，采用水文分析法，着重分析嘉陵江重点产沙区西汉水流域水保减水减沙效益。1 流域概况西汉水发源于天水市秦城区的齐寿山，北隔分水岭与黄河流域相邻，流经陇南地区的礼县、西和县、成县，出康县后进入陕西省，于略阳汇入嘉陵江。西汉水流域位于秦岭南坡，地质地貌及气候条件从北到南变化较大。区内既有黄河流域的地质地貌及气候特征、植被类型和耕作方式，又有长江流域和秦岭山区的自然景观和基本水文气候特征。特殊的地质构造和地理位置，形成了复杂的地形地貌。上游北部地区，以黄土梁状丘陵为主，基本可划分为沟间与沟谷两大单元和梁峁顶、梁峁坡、沟谷坡及沟床等地貌类型。由于现代侵蚀沟发育，地表被沟壑切割得支离破碎、沟壑交错，区内南部已由黄土丘陵沟壑区过渡到土石质山区，表现出轻切割黄土梁峁中山区的类型特征。流域内干支流现有水文站4个。从水沙资料统计情况看，径流以下游为主，但来沙则以上游为主。顺利峡站控制面积占镡家坝站的36.1%，而多年平均径流量和输沙量分别占镡家坝的22.7%和45.5%；大桥站控制面积占镡家坝的68.1%，多年平均径流量和输沙量分别占55.3%和75%，两站径流量比均小于相应面积比，而输沙量比均大于相应面积比。西汉水流域站网示意图如图1所示。2 实测水沙变化西汉水流域是“长治”工程首批重点治理流域之一，自1989年一期治理开始至1996年止，西和、礼县、康县、成县、徽县等5县和天水市的秦城、北道两区已累计治理水土流失面积3 808.3km2，占7县区水土流失面积的39.5%，其中西和、礼县两县和天水市的秦城、北道两区治理面积2 368.5km2，占四县区水土流失面积的39.4%。水保治理措施的实施，对控制流域水土流失起到了较为明显的作用。统计西汉水实测水沙资料看，水保治理后径流量比治理前减少7.73%36%;输沙量减少52%69%，越往下游水沙量变化越小。西汉水各站实测水沙情况统计如表1。图1 西汉水流域水系及站网示意图Fig.1 Sketch map of station network in Xihanshui basin3 上游水保减水减沙效益分析流域上游顺利峡水文站控制面积3 439km2，流域内现有雨量站11个，为了保证流域面平均雨量计算系列的一致性和代表性，选取均匀分布于流域面上的6个雨量站作为分析依据站。表1 西汉水主要站水保治理前后水沙量比较Table 1 Comparison of runoff and sediment yield before and after the implementation of soil and water conservation径流量/亿m3输沙量/万t河名站名1989年前1990年后相对差(%)系列年限1989年前1990年后相对差(%)系列年限顺利峡3.52.24-36196319961085337-68.919631996西汉水大桥8.746.62-24.3197819961946831-57.319781996镡家坝14.912.9-13.41965199623101104-52.219651996平洛河平洛1.811.67-7.731966199610940.5-62.8196619963.1 水保减水效益影响流域年径流量的主要因素包括降水量和气候及地质地貌类型等，但起决定因素的是降水。因此，一般情况，通过建立降水量和径流量的单变量相关模型即可获得较理想的模拟效果。顺利峡站自60年代后期以来，资料条件较好，以19691989年实测降雨径流资料建立治理前天然情况下降雨产流关系，以19901996年实测资料作为水保治理后系列作对比分析减水效益。西汉水上游为黄土区，降雨产流关系复杂，为使相关关系最优，通过优选，采用单变量非线性形式的模拟模型。模型1：年降水量与年径流深相关：H=2.53810-6P3-2.494410-3P2+0.8435P-47.6模型2：汛期降水量与年径流深相关：H=1.964910-7P3+1.296710-3P2-0.8502P+181.94模型3：最大4个月降水量与年径流深相关：H=0.00241P2-1.2006P+197.48式中H为径流深(mm)，P为降雨量(mm)。3种模型的相关系数在0.9030.926之间，其中汛期降水与年径流相关系数最大。各式计算的19691989年径流深与实测年径流深比较，误差均在0.1%以内，所建模型可靠，可以用来分析径流变化。各种关系计算的减水效益如表2所示。表2结果看，西汉水顺利峡站自1990年以来，水保措施减水明显，年均减少径流深18.523.0mm，相应减少径流量0.640.79亿m3，平均减少0.72亿m3，7年平均减水效率达30%左右。同时，计算结果还可以看出，随着西汉水流域水保措施的逐年进一步实施和深化，顺利峡以上水保减水效益呈现出逐年增加的趋势，90年代初减水不明显，而到1995、1996年减水达一倍以上。表2 西汉水顺利峡站减水效益计算表单位：径流深/mmTable 2 Water reduction at Shunlixia station径流模型1径流模型2径流模型3年 减少径深减水率/%减少径深减水率/%减少径深减水率/%19901.10.63-31.3-18.59-37.9-22.4919919.822.104.911.013.88.63199228.432.2763.772.2541.947.56199337.448.6348.362.7745.1158.68199421.563.8621.564.1117.451.81199531.4132.4326.0109.7127.411.582199629.6139.6128.2133.2231.6149.10平均22.734.923.035.418.528.4减少量0.78亿m30.79亿m30.64亿m33.2 水保减沙效益降雨对输沙的影响关系十分复杂，不同时段降雨量、暴雨强度、降雨历时等对流域产、输沙有着不同程度的影响。因此分别研究了反映不同雨强累积雨量与产沙的关系、汛期各个级别的累积雨量与产沙的关系、最大30d降雨量和汛期降雨量与年输沙量的关系、流域特征降雨模比系数为降雨指标的降雨与产沙的关系、不同时段降雨量与产沙的关系等。作者重点分析能较全面反映降雨特性和输沙特性、且效果较理想的3种水沙关系模型。输沙模型 1：为突出汛期高雨强降雨对产沙影响的重要性，建立不同雨强累积雨量与产沙的关系WS=b1P1+b2P2+b3P3+b4P4+b5式中，WS为年输沙量(百万t)，P1、P2、P3、P4为汛期各个级别雨强的流域面平均降水量(mm),b1、b2、b3、b4、b5为方程拟合系数。通过选取多组参数进行多元线性回归，并进行F检验，选取P16mm、P220mm、P330mm、P440mm时，相关系数最大为0.882，回归方程为WS=0.049P1-0.027P2+0.033P3+0.088P4-6.3输沙模型2：不仅考虑不同级别雨强对产沙的影响，同时考虑不同级别雨量持续时间对产沙的影响，建立汛期各级别累积雨量与产沙的关系WS=b1P1+b2T1+b3P2+b4T2+b5P3+b6T3+b7式中WS为年输沙量(百万t)，P1、P2、P3为汛期各个级别的面平均累积雨量mm)；T1、T2、T3为相应的累积天数；b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7为方程拟合系数。通过选取多组雨量进行多元线性回归分析，并进行F检验，最后选定P1=420mm、P2=2040mm、P340mm三组雨量级建立相关，回归方程如下WS=0.038P1+0.081T1+0.133P2-2.761T2+0.151P3-0.151T3-7.79输沙模型3：以流域特征降雨模比系数为降雨指标的降雨产沙关系，考虑到西汉水顺利峡以上最大1d和最大30d输沙量占年输沙量的比例较大，从而引入“降雨指标”来表示流域产沙模型WS=AKB式中K为降雨指标，由下式表示K=n1MP1+n2MP30+n3MP汛期+n4MP枯期n1=WS1/WS年；n2=(WS30-WS1)/WS年；n3=(WS汛期-WS30)/WS年；n4=1-(n1+n2+n3)MP1=P1i/P1;MP30=P30i/P30;MP汛期=P汛期i/P汛期；MP枯期=P枯期i/P枯期式中WS1、WS30、WS汛期、WS年依次为最大1日沙量、月沙量、汛期沙量、年沙量；P1i、P30i、P汛期i、P枯期i依次为流域内所有雨量站年内最大1日、最大30日、汛期、枯期降雨量的算术平均值；P1、P30、P汛期、P枯期依次为相应时段降雨量系列平均值。各种关系计算的输沙量与实测年输沙量比较，误差均在0.4%以内，据此分析水保治理后的减沙效益。根据流域降雨产沙模型计算结果看，90年代以来，流域水保治理措施实施以后减沙效益明显。从19901996年平均情况看，顺利峡站减沙在3 5004 000万t左右，减沙效益达60%左右。顺利峡站历年减沙效益计算成果如表3，治理前后输沙量变化对比如表4。表3 顺利峡站减沙效益计算成果表Table 3 Sediment reduction at Shunlixia station单位：年输沙量/万t年输沙量平均总计减沙效率/%实测337.42362输沙计算973.2583960.00模型1减沙5843504输沙计算988.8593360.00模型2减沙599.73598输沙计算904.4633162.70模型3减沙5673969表4 流域治理前后沙量变化对比表Table 4 The changes of sediment yield before and after the implementation of soil and water conservation单位：输沙量/万t模型时段实测年输沙量计算年输沙量总减沙量降雨变化减沙人类活动减沙减沙量/%减沙量/%输沙1966198710901090模型11990199538797370311716.658683.4输沙1966198710901090模型21990199538798970310114.460285.6输沙19691989943945模型319901996337904606396.456793.64 镡家坝站水保减水减沙分析镡家坝站为西汉水下游控制站，控制流域面积9 538km2，多年平均径流量14.4亿m3，多年平均悬移质输沙量2 046万t。根据流域水沙分布特性，选择汛期流域平均降水量与年径流和年输沙量建立相关分析模型，分析镡家坝站水保减水减沙效益。汛期降水量与年径流量关系模型 W=0.0556P汛-11.387汛期降水量与年输沙量关系模型 Ws=5.6810-4P3汛-0.76P2汛+334.4P汛-46852根据拟定的汛期面平均降雨量与年径流量和年输沙量关系，计算出1990年后控制站没有实施水保治理条件下所应该产生的径流量和输沙量，与同期实测的径流量和输沙量的差值即为包括水土保持治理在内的人类活动影响的减水减沙效益。治理前后实测与计算径流量和输沙量比较如表5所示。从表5看，治理前计算和实测径流量、输沙量均值一致，说明各站拟合的降雨量径流量和降雨量输沙量关系合理可靠，可以作为水保治理减水减沙效益分析计算的依据。治理后计算和实测径流量、输沙量比较，水土保持措施及其它人类活动的影响，具有较为明显的减沙作用和一定的减水作用。多年平均情况，1990至1996年7年间，计算天然产流量13.8亿m3，天然产沙量1 997万t，实测产流量12.9亿m3，产沙量仅1 104万t，减沙幅度44.6%，减水幅度6.5%。表5 镡家坝站水保治理减水减沙效益计算表Table 5 Effects of reducing runoff and sediment by the soil and water conservation at Tanjiaba station单位：径流/亿m3；输沙/万t实测计 算系列年限治理前治理后治理前治理后径流输沙径流输沙径流输沙径流(%)输沙(%)196619891523821523831990199612.9110413.86.5199744.65 结语西汉水是嘉陵江流域重要的产沙支流，实测资料比较，水保治理前顺利峡站输沙模数高达3 000t/km2a，治理后的19901996年平均输沙模数减为980t/km2a，而同期顺利峡以上降雨量相差不到3%，表明水保措施的实施，对减少流域水土流失起到了积极作用。水沙关系模型分析结果看，上游顺利峡站，水保措施多年平均减水效益达30%左右，平均减少径流0.72亿m3；减沙效益达60%左右，多年来减沙3 5004 000万t。镡家坝站，多年平均减水率6.5%，多年平均减沙率44.6%，多年减沙达6 000余万t。而且从其它的途径分析也得出了类似的结论。从西汉水减水减沙效益分析结果看，自80年代末实施“长治”工程以来，水土保持措施的固土保水效益明显。该流域分析期内没有兴建大型水利枢纽，人类活动影响主要表现为水土保持措施的实施和土地耕作等。因此，计算的流域水沙变化，虽然是包含各种人类活动影响后的综合效益，但水保效益应是主要的。上游顺利峡以上，分布有大面积的黄土覆盖层，是西汉水主要的泥沙来源，水土保持多项措施实施，不仅固结了土壤，改变了流域产汇流机制，减少了水土流失；而且加大了流域雨后下渗量，因此减水减沙效益均较明显。中下游主要是土石山区，水保措施的实施，在减少流域土壤侵蚀方面作用较为显著；而减水作用减弱，这与水保减水减沙的一般规律是相符的。本次分析采用的水文分析法