皇甫川流域水沙特性分析及其治理對(duì)策

1、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

2、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，

3、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

4、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。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1956-19651970-19791980-19891990-19981956-1998430.0372.0343.0397.6389.5323.6313.3268.6290.6301.51921017580127109870153601472015010108808

5、93012680138601372092307940115106200625042802810505060506230424027904990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?；矢Υ?/p>

6、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

7、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?；矢Υ饔虻孛鎻搅靼l(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

8、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，

9、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

10、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：

11、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/km23，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

12、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)8998 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.

13、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

14、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

15、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、

16、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

17、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 4。但遇豐水年份，泥沙粒徑仍然較粗，如1998年，皇甫川最大洪峰流量?jī)H1.680m3s，但中值粒徑高達(dá)0.068mm，平均粒徑達(dá)0.172mm。說(shuō)明流域水土保持綜合治理措施在豐水年份攔洪攔沙尤其是攔減粗泥沙作用有限；現(xiàn)有的水土保持綜合治理措施還不盡完善。 表4 皇甫川流域78月d0.5mm粗沙各年代所占百分比年代19661969197019791980198919901998d0.05mm所占的分?jǐn)?shù)(%)78月輸沙量/萬(wàn)td0.05m

18、m輸沙量/萬(wàn)t中值粒徑/mm平均粒徑/mm49.5593029400.05900.152045.4564025600.05900.132043.2398017200.05100.127036.415905790.05000.10954.5 對(duì)河龍區(qū)間水沙變化的影響分析 皇甫川流域不同年代來(lái)水來(lái)沙量占河府區(qū)間（即河口鎮(zhèn)至府谷區(qū)間）及河龍區(qū)間（即河口鎮(zhèn)至龍門(mén)區(qū)間）來(lái)水來(lái)沙量的百分比（占比）見(jiàn)表5。由此可以看出，皇甫川流域來(lái)水來(lái)沙量占河府區(qū)間來(lái)水來(lái)沙量的比例較大，從多年平均情況看，水沙來(lái)量占比分別為14.5%和39.1%。尤其是來(lái)沙量占比，19901995年高達(dá)51.6%（一半還多），70、80年代

19、分別為48.1%和43.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期徑流占比。因此，皇甫川流域水沙變化對(duì)河府區(qū)間水沙變化影響很大，泥沙尤甚。此外，由表5還可以看出，19701995年與1969年以前相比，皇甫川流域、河府區(qū)間及河龍區(qū)間徑流量、輸沙量均有明顯減少，但皇甫川流域徑流所占河府區(qū)間的百分比卻由11.4%上升到18.5%，所占河龍區(qū)間的百分比由2.6%上升到3.0%；泥沙所占河府區(qū)間的百分比由31.9%上升到46.8%，所占河龍區(qū)間的百分比由6.0%上升到8.3%；粗泥沙所占河龍區(qū)間的百分比由8.0%上升到14.8%，說(shuō)明皇甫川流域徑流泥沙尤其是泥沙減少的速率慢于河府區(qū)間及河龍區(qū)間其它支流。認(rèn)清這一事實(shí)對(duì)黃河中游

20、多沙粗沙區(qū)水土保持生態(tài)工程建設(shè)和治黃決策，對(duì)加速皇甫川流域綜合治理，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義5。表5 皇甫川流域不同年代水沙來(lái)量影響占比項(xiàng)目站名1969年以前197019791980198919901995197019 95多年平均年徑流量/108m3皇甫川河府區(qū)間河龍區(qū)間河府區(qū)間河龍區(qū)間1.92116.972.911.42.61.7587.854.122.53.21.2717.037.118.23.40.8887.544.111.82.01.3707.42345.2518.53.01.56310.854.914.52.8年輸沙量/104t皇甫川河府區(qū)間河龍區(qū)間河府區(qū)間河龍區(qū)間62001944010

21、282031.96.06250129907545048.18.3428097803725043.811.5231044805175051.64.5458097905529046.88.35150131707192039.17.2粗泥沙/104t占比(%)皇甫川河府區(qū)間河龍區(qū)間2690335308.032902232014.720601047019.71035127208.124452240010.922951554514.8注：表中河府區(qū)間及河龍區(qū)間數(shù)據(jù)來(lái)自參考文獻(xiàn)6。4.6 水土保持措施的減沙減淤作用分析15 治理對(duì)策 皇甫川流域自1983年開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模治理，至今已近20年，成效顯著。但由

22、于水土保持措施修建早、標(biāo)準(zhǔn)低，已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)使用年限。尤其是溝道工程，效益的新增和減退同步，泥沙問(wèn)題仍然沒(méi)有得到根本解決。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和黃河中游水土保持生態(tài)，工程建設(shè)項(xiàng)目的啟動(dòng)，按照黃土高原水土保持生態(tài)建設(shè)“防治結(jié)合、保護(hù)優(yōu)先、強(qiáng)化治理”的基本思路，皇甫川流域近期治理方略應(yīng)該是：以溝道壩系建設(shè)為切入點(diǎn)，加大以治溝骨干工程為主的溝道壩系建設(shè)力度；因地制宜，積極推進(jìn)林草植被建設(shè)，退耕還林還草；對(duì)砒砂巖地區(qū)實(shí)行大面積封禁治理，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)功能。 為實(shí)現(xiàn)上述治理方略，對(duì)皇甫川流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)提出如下建議： （1）砒砂巖地區(qū)應(yīng)作為皇甫川流域水土保持生態(tài)工程建設(shè)的重中之重

23、。該區(qū)應(yīng)加速以沙棘、檸條、沙打旺等為主的林草植被建設(shè)，實(shí)行封禁治理。為使砒砂巖地區(qū)林草植被具有較為顯著的蓄水減沙效益，皇甫川流域林草植被覆蓋度至少應(yīng)在30%以上。 （2）溝谷地應(yīng)作為皇甫川流域布置攔截泥沙工程的主要地帶；在黃土丘陵溝壑區(qū)應(yīng)以溝道壩系建設(shè)為重點(diǎn)，大量興建淤地壩，建壩密度必須達(dá)到相當(dāng)規(guī)模。 （3）水土保持措施的配置應(yīng)貫徹“因地制宜”的原則。當(dāng)前以突出工程措施為主，與生物措施實(shí)行短、中、長(zhǎng)期的有機(jī)結(jié)合。 （4）結(jié)合黃委會(huì)“數(shù)字黃河”的建設(shè)，將皇甫川流域作為重點(diǎn)支流，對(duì)其水沙變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 皇甫川流域最大的問(wèn)題是植被問(wèn)題。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)典型調(diào)查，90年代皇甫川流域林草措施保存率分別為65.

24、2%和36.1%，還比較低。盡快恢復(fù)灌草植被，有計(jì)劃地退耕還林還草，實(shí)施大面積封禁保護(hù)，努力提高植被覆蓋度以減少侵蝕，是皇甫川流域水土保持生態(tài)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。為千方百計(jì)減少入黃泥沙，減少黃河下游輸沙用水，實(shí)現(xiàn)下游“河床不抬高”，充分發(fā)揮水土保持措施的最大減沙能力和整體結(jié)構(gòu)減沙效益，建設(shè)秀美山川，皇甫川流域近期至2010年，治理的重點(diǎn)建議放在溝壑密度大、侵蝕嚴(yán)重且人口相對(duì)集中的十里長(zhǎng)川、沙圪堵至皇甫區(qū)間和沙圪堵以上的納林川左岸。以上區(qū)域控制總面積2350km2，年均來(lái)沙量約3700萬(wàn)t。若按照年均來(lái)沙量的80控制，并考慮按每3km2布設(shè)一座治溝骨干工程（單座庫(kù)容按150萬(wàn)m3計(jì)算），1km2布設(shè)一座淤地壩（單座庫(kù)容按50萬(wàn)m3計(jì)算），可布設(shè)治溝骨干工程381座，淤地壩1143座；可安排坡面治理措施7