水利工程論文-皇甫川流域水沙特性分析及其治理對(duì)策.doc

水利工程論文-皇甫川流域水沙特性分析及其治理對(duì)策摘要：作者對(duì)皇甫川流域從徑流泥沙來(lái)源、水沙特性、水沙變化趨勢(shì)等方面進(jìn)行了較為深入地分析和研究，據(jù)此提出皇甫川流域近期治理方略是：以溝道壩系建設(shè)為切入點(diǎn)；積極推進(jìn)林草植被建設(shè)；對(duì)砒砂巖地區(qū)實(shí)行大面積封禁治理。流域近期至2010年，治理的重點(diǎn)建議放在十里長(zhǎng)川、沙圪堵至皇甫區(qū)間和沙圪堵以上的納林川左岸。關(guān)鍵詞：水沙特性水沙來(lái)源沙變化趨勢(shì)治理對(duì)策皇甫川1流域概況及水土流失特點(diǎn)1皇甫川流域位于黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門(mén)區(qū)間的右岸上段，是黃河流域主要的多沙粗沙區(qū)，多年平均(19561998年)輸沙量0.505億t?；矢Υòl(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)達(dá)拉特旗南部敖包梁和準(zhǔn)格爾旗西北部的點(diǎn)畔溝一帶，在陜西省府谷縣巴兔坪匯入黃河，干流長(zhǎng)137km，河道平均比降2.7；流域面積3246km2，其中水土流失面積3215km2，占流域總面積的99.0%?；矢Υ饔蛩抵饕筛闪骷{林川和支流長(zhǎng)川組成。干流沙圪堵以上(納林川)河道長(zhǎng)70km，河道平均比降4.3，面積1351km2，占流域總面積的41.6%；長(zhǎng)川河道長(zhǎng)75km，河道平均比降5.7，流域面積702km2，占流域總面積的21.6%?；矢Υ饔虬凑涨治g程度和地表土層覆蓋的差異，大致可分為三個(gè)水土流失類(lèi)型區(qū)：1.1砒砂巖丘陵溝壑區(qū)主要分布于流域西北部納林川兩岸的虎石溝、圪秋溝、干昌板溝和爾架麻溝，面積948km2，占皇甫川流域總面積的29.2%，溝壑密度平均為7.42km/km2。該區(qū)水土流失極為嚴(yán)重，地形切割十分破碎，坡陡溝深，植被覆蓋度很低，基巖大面積外露。區(qū)內(nèi)侵蝕以水蝕為主，復(fù)合重力侵蝕。1.2黃土丘陵溝壑區(qū)主要分布于流域的東部和西南部，面積1756km2，占流域總面積的54.1%，溝壑密度在5km/km29km/km2之間。該區(qū)黃土層較厚，呈現(xiàn)較典型的黃土梁峁和黃土溝谷地貌，除部分梁峁和緩坡地為耕地外，多為天然草場(chǎng)，植被覆蓋度為20%左右。區(qū)內(nèi)土壤侵蝕以水蝕為主，水蝕、風(fēng)蝕和重力侵蝕交替發(fā)生。1.3沙化黃土丘陵溝壑區(qū)面積542km2，占流域總面積的16.7%，主要分布在納林川中下游以東到長(zhǎng)川以西地區(qū)和庫(kù)布其沙漠邊緣，平均溝壑密度為4.2km/km2，地表沙化嚴(yán)重，以風(fēng)蝕為主要侵蝕方式，呈現(xiàn)出風(fēng)、水蝕復(fù)合侵蝕的景觀(guān)。2降雨、徑流、泥沙特性皇甫川流域水文泥沙特征值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。表1皇甫川流域水文泥沙特征值統(tǒng)計(jì)水文站名年代PN/mmPX/mmWN/萬(wàn)m3WX/萬(wàn)m3WH/萬(wàn)m3WS/萬(wàn)tWXS/萬(wàn)t皇甫水文站1956-19651970-19791980-19891990-19981956-1998430.0372.0343.0397.6389.5323.6313.3268.6290.6301.5192101758012710987015360147201501010880893012680138601372092307940115106200625042802810505060506230424027904990注：表中PN、PX分別代表年降雨量和汛期降雨量；WN、WX、WH分別代表年徑流量、汛期徑流量和洪水徑流量；WS、WXS分別代表年輸沙量和汛期輸沙量。2.1降雨特性皇甫川流域多年平均降水量389.5mm，降水分布總的趨勢(shì)是由東南向西北遞減。最大降水月份一般出現(xiàn)在7月，最小降水月份出現(xiàn)在11月，連續(xù)四個(gè)月最大降水均出現(xiàn)在汛期，汛期降水量占年降水量的78%以上，約5060%的降雨量集中在7、8兩月?；矢Υ饔蚝涂咭昂右粠в质呛育垍^(qū)間的暴雨中心之一。皇甫川暴雨最明顯的特征是：歷時(shí)短，籠罩面積小，強(qiáng)度大，年際變化大。一次降雨過(guò)程的洪水、泥沙特征很大方面依賴(lài)于暴雨，暴雨是產(chǎn)洪產(chǎn)沙的原動(dòng)力。暴雨產(chǎn)洪量一般可占汛期水量的24.376.7%，暴雨產(chǎn)沙量可占汛期沙量的37.695.3%2?；矢Υū┯甏蠖鄶?shù)降落在納林川，暴雨中心多出現(xiàn)在流域的西北部。2.2徑流特性皇甫水文站多年平均徑流量15360萬(wàn)m3，徑流深48.0mm?；矢Υ饔驈搅鞯奶攸c(diǎn)是：蒸發(fā)旺盛，徑流量小，產(chǎn)流不均勻，年際變化大，年內(nèi)分配很不均勻。徑流泥沙不僅集中在汛期，而且多集中在幾次大洪水。多年平均汛期徑流量占年徑流量的82.6%，洪水徑流量占74.9%；納林川沙圪堵站以上流域，一場(chǎng)占年均雨量38.6%的暴雨，可產(chǎn)生占年均徑流量66%的徑流，極易形成較大的洪水災(zāi)害。皇甫川流域地面徑流發(fā)育，沙圪堵以上的砒砂巖區(qū)地下徑流占年徑流的比例僅為18.7%。2.3泥沙特性皇甫川流域泥沙特點(diǎn)是：產(chǎn)區(qū)集中，侵蝕強(qiáng)度大，洪水含沙量高。流域經(jīng)常出現(xiàn)高含沙水流，基巖風(fēng)化殼和黃土區(qū)是皇甫川流域泥沙的主要產(chǎn)區(qū)，其中基巖風(fēng)化殼則是粗泥沙的主要來(lái)源區(qū)，而黃土和深度風(fēng)化的頁(yè)巖提供了一定數(shù)量的細(xì)顆粒泥沙，從而形成了產(chǎn)生高含沙水流的有利條件?；矢Υǜ吆乘髯畲蠛沉繛?570kg/m3,洪水平均含沙量達(dá)422kg/m3，懸沙粒徑大于0.05mm的粗沙多年平均(19541998年)來(lái)量為2970萬(wàn)t，占對(duì)應(yīng)多年平均產(chǎn)沙量的58.3%，在河龍區(qū)間諸多支流中來(lái)沙組成最粗。3不同地貌類(lèi)型徑流泥沙來(lái)源分析3.1全流域徑流泥沙來(lái)源分析皇甫川流域于1953年7月12日設(shè)立皇甫水文站，開(kāi)始觀(guān)測(cè)。后幾經(jīng)變動(dòng)，現(xiàn)把口水文站為皇甫水文（三）站，始測(cè)于1977年1月1日，控制面積3175km2；設(shè)置于干流上段納林川的沙圪堵水文站，始測(cè)于1959年8月1日，控制面積1351km2；設(shè)置于支流十里長(zhǎng)川中段的長(zhǎng)灘水文站，始測(cè)于1978年，控制面積524km2，1981年因故停測(cè)，后于1986年恢復(fù)觀(guān)測(cè)，但站址下遷，控制面積626km2。鑒于皇甫川大規(guī)模治理始于1980年以后，為比較準(zhǔn)確的分析皇甫川流域的徑流泥沙來(lái)源，選取受人類(lèi)活動(dòng)影響較小的資料系列(19601979年)，將皇甫川以上分為沙圪堵站控制區(qū)和沙圪堵以下、十里長(zhǎng)川至皇甫站兩部分進(jìn)行資料統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，來(lái)自沙圪堵以上的水量占皇甫站總來(lái)水量的44.7%，沙量占皇甫站總來(lái)沙量的51.7%，來(lái)自沙圪堵至皇甫川及十里長(zhǎng)川的來(lái)水來(lái)沙量分別占總來(lái)水來(lái)沙量的55.3%和48.3%。另?yè)?jù)長(zhǎng)灘水文站不完整的水文資料(19861994年)統(tǒng)計(jì)，來(lái)自長(zhǎng)灘以上的水量占皇甫站對(duì)應(yīng)總來(lái)水量的8.5%，沙量占皇甫站對(duì)應(yīng)總來(lái)沙量的15.9%，同期來(lái)自沙圪堵以上的水量占皇甫站總來(lái)水量的40.5%，沙量占48.6%，則來(lái)自沙圪堵、長(zhǎng)灘至皇甫區(qū)間的來(lái)水來(lái)沙量分別占皇甫站總來(lái)水來(lái)沙量的51.0%和35.5%，說(shuō)明皇甫川的徑流主要來(lái)自沙圪堵、長(zhǎng)灘至皇甫區(qū)間，其次是沙圪堵以上；泥沙主要來(lái)自沙圪堵以上，其次是沙圪堵、長(zhǎng)灘至皇甫區(qū)間。來(lái)自長(zhǎng)灘以上的水沙量較少。3.2坡面與溝道徑流泥沙來(lái)源分析小流域是水土流失從坡面至溝道發(fā)生發(fā)展的基本單元?；矢Υㄐ×饔蚯治g地貌與丘（一）區(qū)其他小流域很類(lèi)似，也是以現(xiàn)代溝緣線(xiàn)為界分為溝間地和溝谷地兩大區(qū)，流域平均溝壑密度為4.2km/km2，溝間地坡度一般小于25，溝谷地突變，形成大于45的溝坡。根據(jù)黃委會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站郝建忠等人1991年對(duì)綏德、米脂、子洲、離石等8條小流域資料分析，求得流域溝壑密度同溝谷地占流域面積比例的關(guān)系式為：F1=35.8+1.576Gm式中：F1為溝谷地占流域面積的比例，(%)；Gm為流域溝壑密度(km/km2)。由上式求得皇甫川流域溝谷地占流域面積的比例為42.4%，相應(yīng)溝間地所占比例即為57.6%。根據(jù)韭園溝和王家溝的小區(qū)觀(guān)測(cè)資料，求得兩流域溝間地平均徑流模數(shù)為17133.5m3/km2,溝谷地平均徑流模數(shù)為38367.5m3/km2；兩流域溝間地平均輸沙模數(shù)為9551t/km2，溝谷地平均輸沙模數(shù)為26547.5t/km2。假定皇甫川流域溝谷地與溝間地的徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)之比（亦即侵蝕模數(shù)之比）和韭園溝、王家溝的平均值之比一致，通過(guò)聯(lián)解沙量平衡方程組，即可求得皇甫川流域不同地貌類(lèi)型徑流泥沙來(lái)源，見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，皇甫川流域溝谷地是徑流、泥沙的主要來(lái)源區(qū)，溝谷地產(chǎn)流量占流域總產(chǎn)流量的62.2%，溝谷地產(chǎn)沙量占流域總產(chǎn)沙量的67.2%，其徑流、輸沙模數(shù)分別是流域徑流、輸沙模數(shù)的1.5倍和1.6倍，是溝間地的2.2倍和2.8倍。19561998年，皇甫流域年均徑流量為15360萬(wàn)m3，其中溝谷地來(lái)水量為9554萬(wàn)m3，溝間地來(lái)水量為5806萬(wàn)m3；年均輸沙量5050萬(wàn)t，其中溝谷地來(lái)沙量為3394萬(wàn)t，溝間地來(lái)沙量為1656萬(wàn)t。表2皇甫川流域不同地貌類(lèi)型徑流泥沙來(lái)源計(jì)算成果（19561988年）控制面積/km2年均徑流量/萬(wàn)m3年均徑流模數(shù)/(m3/km2)溝谷地徑流模數(shù)/(m3/km2)溝間地徑流模數(shù)/(m3/km2)3199控制面積/km2319915360年均輸沙量/萬(wàn)t505048015年均輸沙模數(shù)/(t/km2)1578670486溝谷地輸沙模數(shù)/(t/km2)2500531498溝間地輸沙模數(shù)/(t/km2)89983.3不同出露巖層產(chǎn)粗沙量估算皇甫川流域是黃河中游河龍區(qū)間粗沙的主要來(lái)源區(qū)。根據(jù)景可等人利用粒度分析法的研究成果，皇甫川流域基巖、黃土及風(fēng)沙產(chǎn)粗沙平均量分別占年均產(chǎn)粗沙總量的69.5%、30.4%和0.1%?；矢Υ饔蚨嗄甏帜嗌称骄鶃?lái)量為2970萬(wàn)t，則基巖、黃土及風(fēng)沙產(chǎn)粗沙量多年平均分別為2064.1萬(wàn)t、902.9萬(wàn)t和3.0萬(wàn)t，見(jiàn)表3。另?yè)?jù)徐建華等人的最新研究成果2，皇甫川流域主要產(chǎn)沙地層為砒砂巖，其次為黃土，風(fēng)積沙地層產(chǎn)沙較少。其面積分別占流域面積的54.9%、28.3%和16.8%，而產(chǎn)沙量卻分別占總產(chǎn)沙量的71.5%、27.2%和1.3%，則砒砂巖、黃土及風(fēng)積沙產(chǎn)粗沙量多年平均分別為2123.6萬(wàn)t、807.8萬(wàn)t和38.6萬(wàn)t。因此，砒砂巖（基巖）地層應(yīng)成為皇甫川流域今后表3皇甫川流域巖層產(chǎn)粗泥沙量估算(單位：萬(wàn)t)巖層基巖黃土風(fēng)沙合計(jì)多年平均產(chǎn)粗沙量占總(%)2064.169.5902.930.43.00.12970.0100治理的重中之重。二者相比，主要研究結(jié)論基本相同。雖然風(fēng)沙產(chǎn)沙量差別較大，但仍屬同一數(shù)量級(jí)。4流域水沙變化趨勢(shì)分析4.1降雨變化趨勢(shì)皇甫川流域多年平均(19541998年)汛期降雨量占年降雨量的比重達(dá)79.5%，7+8月降雨量占年降雨量的比重達(dá)54.3%以上。從各年代的降雨量變化情況看，以1969年前作為基準(zhǔn)期，70、80、90年代均有不同程度的減少。以年降雨為例，減少百分比分別為8.6%、15.7%和2.3，80年代減少百分比最大。此外，流域90年代降雨比80年代有所增加，年、汛期及7+8月降雨量增幅分別為15.9%、8.2%和3.0%。4.2徑流變化趨勢(shì)皇甫川流域多年平均汛期徑流量占年徑流量的比重為82.0%，7+8月徑流量占年徑流量的比重為46.9%。從各年代徑流量變化情況看，以1969年前作為基準(zhǔn)期，70、80、90年代年徑流量減少的百分比分別為16.4%、39.6%和53.1%。90年代徑流量比基準(zhǔn)期減少的百分比均在40%以上；7+8月徑流量比基準(zhǔn)期減少了42.8%，比70年代減少47.8%，比80年代減少31.5%。4.3泥沙變化趨勢(shì)皇甫川流域多年平均汛期輸沙量占年輸沙量的比重為98.6%，7+8月輸沙量占年輸沙量的比重為84.3%。從各年代輸沙量變化情況看，以1969年前作為基準(zhǔn)期，70、80、90年代年輸沙量減少的百分比分別為-1.1%（增沙）、30.7%和54.5%。70年代輸沙量比基準(zhǔn)期均有不同程度的增加，7+8月輸沙量增幅達(dá)16.0%。90年代輸沙量比基準(zhǔn)期減少的百分比均在50%以上，減幅明顯高于徑流。7+8月輸沙量比基準(zhǔn)期減少60.5%，比70年代減少66.0%，比80年代減少51.7%。由以上變化趨勢(shì)可知，皇甫川流域降雨、徑流、泥沙依時(shí)序遞減，與黃河中游其它支流一致。90年代降雨雖比80年代有所增加，但徑流、泥沙并未增加，其主要原因是單位毫米降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量仍呈遞減趨勢(shì)。另?yè)?jù)筆者研究，皇甫川流域現(xiàn)狀水資源利用率只有10%，在黃河中游多沙粗沙支流中屬于較低水平。其主要原因是汛期降雨量占年降雨量的78%以上，約5060%的降雨集中在7、8兩月且多為暴雨。由于暴雨集中，歷時(shí)短，強(qiáng)度大，因此洪水洪峰尖瘦，陡漲陡落，高含沙洪水出現(xiàn)頻繁，給水資源的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)了很大困難。從水沙變化過(guò)程線(xiàn)的周期性分析結(jié)果看，預(yù)計(jì)皇甫川流域今后的水沙來(lái)量仍將減少，生態(tài)環(huán)境建設(shè)水資源形勢(shì)嚴(yán)峻。如何充分、有效地利用好現(xiàn)有的寶貴水資源（尤其是7、8兩月降雨）和用洪用沙，將是提高皇甫川流域水資源利用率的關(guān)鍵，也是事關(guān)皇甫川流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)能否成功的重大問(wèn)題。4.4各年代78月粗沙所占百分比變化分析3皇甫川流域78月d0.05mm粗沙各年代所占百分比見(jiàn)表4。由此可見(jiàn)，從60年代（19661969年）到90年代，粗泥沙所占百分比從49.5%降至36.4%，年粗沙輸移量從2940萬(wàn)t降至579萬(wàn)t，中值粒徑從0.0590mm降至0.0500mm，平均粒徑從0.1520mm降至0.1095mm，泥沙粒徑細(xì)化趨勢(shì)十分明顯，主要原因是流域內(nèi)水土保持措施的大量實(shí)施。這和筆者在甘肅環(huán)江流域的研究結(jié)論相同4。但遇豐水