黃河中游水利水土保持措施減沙關(guān)系研究

黃河中游水利水土保持措施減沙關(guān)系研究

本研究在黃河上游的水保護(hù)措施減少沙砂流的影響，不僅要正確評(píng)估水保護(hù)措施減少黃水流量，全面了解水資源配置對(duì)沙害條件的影響，還要做好水保護(hù)計(jì)劃和流域規(guī)劃的重要基礎(chǔ)工作。黃河是一條受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重的河流,有關(guān)單位和部門(mén)對(duì)水利水土保持措施減沙作用研究十分重視。早在20世紀(jì)40年代初期就開(kāi)始了水土保持減沙效益的試驗(yàn)研究,此后,隨著水土保持工作的開(kāi)展和黃河治理規(guī)劃工作的需要,黃河水利委員會(huì)和有關(guān)單位,曾多次組織大量人力進(jìn)行水利水土保持措施減沙效益的研究。20世紀(jì)70年代以來(lái),特別是80年代,黃河來(lái)水來(lái)沙明顯減少,引起了社會(huì)各界的關(guān)注。1986年6月,中國(guó)水利學(xué)會(huì)泥沙專業(yè)委員會(huì)和黃委會(huì)在鄭州聯(lián)合召開(kāi)了“黃河中游近期水沙變化情況研討會(huì)”。在這次會(huì)議的推動(dòng)下,1987年,水利部撥專款設(shè)立了“黃河水沙變化研究基金”(以下簡(jiǎn)稱水沙基金),進(jìn)行了一、二期黃河水沙變化研究,與此同時(shí),黃委會(huì)黃河流域水土保持科研基金“黃河中游多沙粗沙區(qū)水土保持減水減沙效益及水沙變化趨勢(shì)研究”、國(guó)家自然科學(xué)基金“黃河流域環(huán)境演變與水沙運(yùn)行規(guī)律研究”、“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“黃河中游多沙粗沙區(qū)水沙變化原因及發(fā)展趨勢(shì)”專題以及黃委會(huì)多項(xiàng)專題等都對(duì)黃河中游水利水土保持措施減水減沙效益進(jìn)行了大量研究,在暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律和水利水土保持措施減水減沙效益研究方面取得了一批新成果;但由于降雨過(guò)程的多變性、水利水土保持措施的多樣性以及地面物質(zhì)形態(tài)(特別是其他人類活動(dòng)改變下墊面)的復(fù)雜性,加之基本資料的準(zhǔn)確性及計(jì)算方法不夠完善等諸多原因,對(duì)水利水土保持措施減沙作用認(rèn)識(shí)上還存在一定分歧,特別是一些新情況、新問(wèn)題還在不斷發(fā)生和發(fā)展,對(duì)現(xiàn)階段減沙作用尚需作進(jìn)一步分析論證。目前,黃河水利委員會(huì)正在進(jìn)行黃河綜合規(guī)劃修編,有關(guān)單位正在進(jìn)行現(xiàn)狀水土保持減沙作用和未來(lái)水土保持減沙目標(biāo)的研究。筆者結(jié)合多年從事的水利水土保持措施減沙作用研究,對(duì)此項(xiàng)研究工作進(jìn)行一些回顧與展望,供水土保持規(guī)劃和流域規(guī)劃參考。1黃河來(lái)水來(lái)沙減少原因分析20世紀(jì)50年代初期,圍繞三門(mén)峽水庫(kù)的泥沙問(wèn)題,黃河規(guī)劃委員會(huì)(當(dāng)時(shí)在北京)對(duì)水土保持、攔泥庫(kù)工程的減沙作用及減沙速度進(jìn)行了估計(jì)。蘇聯(lián)專家認(rèn)為“凡是發(fā)動(dòng)群眾去做的工作,其速度及效果不宜估計(jì)過(guò)高”,當(dāng)時(shí),中國(guó)專家偏于樂(lè)觀,認(rèn)為一二十年內(nèi)黃河輸沙量可以減少1/2以上,事實(shí)證明,這樣的估計(jì)不切實(shí)際,教訓(xùn)深刻。20世紀(jì)70年代以來(lái),特別是80年代,黃河來(lái)水來(lái)沙明顯減少,引起了社會(huì)各界的關(guān)注。黃委會(huì)和有關(guān)單位對(duì)黃河中游水利水土保持措施減水減沙效益進(jìn)行了大量研究,在水利水土保持措施減水減沙效益研究方面取得了豐碩成果。1.12黃河中游水沙變化情況20世紀(jì)初設(shè)立的試驗(yàn)小流域,到70年代,通過(guò)水文觀測(cè)資料證實(shí),各項(xiàng)水利水土保持措施能有效地?cái)r截泥沙。由試驗(yàn)小流域(綏德韭園溝、西峰南小河溝、離石王家溝、延安大砭溝、天水呂二溝)治理資料可知,當(dāng)綜合治理程度達(dá)到30%~60%時(shí),可減水24%~56%,減沙52%~97%1。70年代初期,通過(guò)水文觀測(cè)資料分析,一些較大流域,如無(wú)定河(3萬(wàn)261km2)、汾河(3萬(wàn)9471km2)、清水河(1萬(wàn)4481km2)、大黑河(1萬(wàn)7673km2)等實(shí)施水利水土保持措施后,河流輸沙量也表現(xiàn)出明顯減少趨勢(shì)。為探討黃河中游近期(1970—1984年,以下同)水沙變化情況,中國(guó)水利學(xué)會(huì)泥沙專業(yè)委員會(huì)和黃委會(huì)于1986年6月24日至27日,在鄭州聯(lián)合召開(kāi)了“黃河中游近期水沙變化情況研討會(huì)”。主要結(jié)論與觀點(diǎn)歸納如下。1)1970—1984年,黃河中上游地區(qū)實(shí)測(cè)平均徑流量較1950—1969年減少66.3億m3,減少了14.8%,輸沙量減少5.84億t,減少了33.7%,相應(yīng)地降雨量減少了11.0%。其中,河口鎮(zhèn)至龍門(mén)區(qū)間減少最多,減沙38.8%,減水36.0%,降雨量減少14.5%。說(shuō)明近十幾年來(lái),降雨減少和水利水土保持措施的蓄水?dāng)r沙作用是黃河水量、沙量減少的主要原因。1970年以來(lái),黃土高原進(jìn)入少雨期,年平均降雨量較前期減少10%~15%,日降雨量大于50和100mm的次數(shù)也減少,同時(shí),各項(xiàng)水利水土保持措施也起到了重要作用。2)1960—1984年,平均每年攔蓄泥沙約5.1億t,其中每年干流水庫(kù)攔蓄1.0億t,支流水庫(kù)攔蓄1.2億t,灌溉引沙0.6億t,淤地壩攔沙2.0億t,梯田攔沙0.3億t;但需指出,攔蓄的泥沙并不直接等于減少的入黃泥沙。張勝利等用水文法與水土保持法分析,得出1971—1983年黃河上中游水利水土保持措施減沙3億t(表1)。3)熊貴樞2用“比較不受影響和受影響河流的相似泥沙過(guò)程方法”,求得1970—1984年黃河流域水利水土保持措施平均每年減少泥沙2.97億t;陳枝霖3采用“1960年前后2個(gè)時(shí)段各站天然年均徑流量的差值,乘以工程修建后相應(yīng)的年平均含沙量”的方法,求得1960年以來(lái)黃河上中游工程及其他措施反映在龍、華、河、狀4站的年均減沙量為1.5億~3.0億t。經(jīng)“黃河中游近期水沙變化情況研討會(huì)”領(lǐng)導(dǎo)和專家討論,對(duì)黃河中游水利水土保持措施減沙3.0億t取得了共識(shí),并被黃河治理規(guī)劃采用。1.22減沙量計(jì)算水利水土保持措施減沙作用研究屬基礎(chǔ)性應(yīng)用研究范疇,需要持續(xù)不斷地研究;因此,自1986年“黃河中游近期水沙變化情況研討會(huì)”取得水利水土保持措施減沙3.0億t共識(shí)后的20多年間,黃委會(huì)和有關(guān)單位又進(jìn)行了大量研究,其中代表性的成果有水利部水沙變化研究基金的研究成果和黃河水利科學(xué)研究院為黃河流域(片)防洪規(guī)劃所作的“黃河中游水土保持減沙作用分析”。1.2.1水利部第2期水沙變化研究基金“水利水土保持減沙研究”成果分析評(píng)價(jià)綜合第2期水沙基金研究成果,將黃河中上游各時(shí)期水利水土保持減沙量列于表2?？梢?jiàn),1960—1996年,龍門(mén)、河津、張家山、狀頭、咸陽(yáng)5站合計(jì)年均減沙4.511億t,其中水利工程減沙2.166億t,占48.1%,水土保持減沙2.754億t,占61.4%。水土保持減沙量大于水利工程減沙量,從不同年代減沙量來(lái)看,各種措施總減沙量是逐年增加的,而水利工程減沙量在90年代有所減少。同時(shí),該研究還對(duì)1970年后黃河中上游水利水土保持工程減沙量進(jìn)行了計(jì)算,若以50、60年代為基準(zhǔn)期(實(shí)際上60年代水利水土保持工程減沙作用已達(dá)2.47億t),計(jì)算1970年后的水土保持工程減沙量,還原計(jì)算成果見(jiàn)表3。可以看出,1970—1996年與50、60年代相比,5站年均減沙量為3.077億t。1.2.2黃河水利科學(xué)研究院“黃河中游水土保持減沙作用研究”成果分析評(píng)價(jià)1999年,在進(jìn)行黃河流域(片)防洪規(guī)劃時(shí),黃河水利科學(xué)研究院承擔(dān)了“黃河中游水土保持減水減沙作用分析”課題4,在收集、整理、核實(shí)水利水土保持措施數(shù)量的基礎(chǔ)上,按干流水庫(kù)、支流水庫(kù)、大型灌區(qū)、水土保持措施、人為增沙、河道沖淤等分項(xiàng)計(jì)算,用求其代數(shù)和的方法,估算了20世紀(jì)80、90年代黃河中上游水利水土保持措施的減沙量(表4和表5)。由表4可知:80年代黃河中上游(龍華河狀4站以上)水利水土保持措施年均減沙量4.190億t,其中水土保持措施年均減沙量1.466億t,占總減沙量的35.1%;在水土保持措施中,壩地減沙量最大,年均減沙量1.260億t,占水土保持措施減沙量的86.0%;造林、種草、梯田僅占14.0%。從表5可知,90年代黃河中上游水利水土保持措施年均減沙量為3.922億t,較80年代有所減少,其中水土保持措施年均減沙量1.426億t。1.2.3近期水土保持減沙作用分析評(píng)價(jià)黃河上中游管理局2009年2月對(duì)黃河流域水土保持規(guī)劃(修編)水利水土保持措施現(xiàn)狀減沙作用進(jìn)行了初步分析論證5,在總結(jié)分析了中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所科考報(bào)告及其他研究成果后認(rèn)為:按照20世紀(jì)80和90年代保守的治理減沙關(guān)系(1萬(wàn)km2治理面積減沙0.2億t)計(jì)算,21.5萬(wàn)km2減沙4.3億t;已建骨干壩控制面積約1萬(wàn)km2,按侵蝕模數(shù)5000t/(km2·a)計(jì)算,骨干壩每年攔沙約0.5億t;2項(xiàng)合計(jì),黃河流域水利水土保持措施現(xiàn)狀減沙的保守量為每年4.8億t。因此,黃河上中游管理局認(rèn)為,截至2005年底保守計(jì)算的水利水土保持措施現(xiàn)狀減沙量取4.5億~5.0億t較為合適6。對(duì)于黃河上中游管理局提出的水利水土保持措施現(xiàn)狀減沙4.5億~5.0億t的成果,黃河水利委員會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)進(jìn)行了專家咨詢,被咨詢專家一致認(rèn)為,鑒于資料和時(shí)間問(wèn)題,提出的現(xiàn)狀減沙分析資料比較單薄,論證不夠充分。專家組充分討論后認(rèn)為,水利水土保持措施減沙問(wèn)題十分復(fù)雜,現(xiàn)有各家研究分析成果采用的資料系列、計(jì)算方法各異,考慮的因素不盡相同,得出的結(jié)果也有一定差異,都有一定的道理,但也有一定的局限性。綜合考慮以往研究成果、現(xiàn)有水利水土保持措施攔沙作用的衰減情況以及氣候因素對(duì)減沙作用的影響,黃河水利委員會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)認(rèn)為,水利水土保持措施現(xiàn)狀減沙效果為3.5億~4.5億t較為合適,在計(jì)算中視具體情況可采用4.0億t。2洪水泥沙成為發(fā)展趨勢(shì)居安思危,古之明訓(xùn)。千萬(wàn)不能把目前的水沙銳減認(rèn)為是水土保持發(fā)揮了巨大的攔沙作用。近年來(lái),黃土高原水土流失地區(qū)暴雨強(qiáng)度較小,實(shí)測(cè)來(lái)沙量資料不能作為綜合規(guī)劃修編中水土保持現(xiàn)狀減沙效果計(jì)算的主要依據(jù),因此,對(duì)未來(lái)水利水土保持減沙作用還需要認(rèn)真評(píng)估7。1)未來(lái)水利水土保持措施減沙作用取決于多種因素的組合,多年來(lái)的研究表明,黃河中游多沙粗沙區(qū),特別是粗泥沙集中來(lái)源區(qū),土壤侵蝕模數(shù)極高的特性是大量產(chǎn)沙的物質(zhì)基礎(chǔ),而該地區(qū)暴雨多、強(qiáng)度大的特點(diǎn)是其大量產(chǎn)沙的強(qiáng)大動(dòng)力,暴雨在短時(shí)間內(nèi)高度集中所形成的高含沙量洪水挾帶的巨量泥沙是黃河下游河道淤積的根本。這些導(dǎo)致水土流失加劇的雨暴、土松、坡陡、植被稀少等不利的自然條件短期內(nèi)難以改變,即使在長(zhǎng)期內(nèi),由于減沙的滯后性,減沙效果也難以發(fā)生巨大變化。2)1985年前修建的水利水土保持工程,如一部分水庫(kù)和淤地壩等已到運(yùn)行后期,減沙作用衰減;近期新建的淤地壩治溝骨干工程量少而分散,難以起到整體減沙效益;恢復(fù)植被可望有一定的減沙作用,但有一定的局限性(降雨、土質(zhì)等自然條件和地理分布)和脆弱性(抗御大暴雨的能力)。3)面臨西部大開(kāi)發(fā),人類對(duì)自然索取加大的壓力,人類活動(dòng)新增水土流失難以杜絕,會(huì)抵消一部分水土保持減沙作用。4)降雨的周期規(guī)律顯示,目前的降雨減少(特別是暴雨減少)不會(huì)永久持續(xù)下去,還會(huì)遇到雨量豐沛時(shí)期。近期發(fā)生的局部性區(qū)域暴雨,如1994年北洛河、無(wú)定河以及2002年清澗河的暴雨產(chǎn)沙,都接近治理前的產(chǎn)沙水平,如發(fā)生大面積、高強(qiáng)度、長(zhǎng)歷時(shí)的暴雨,長(zhǎng)期積累的、隱蔽的泥沙可能使產(chǎn)沙量激增,不僅對(duì)當(dāng)?shù)貢?huì)造成嚴(yán)重的洪水泥沙災(zāi)害,也可能使黃河下游在一、二年內(nèi)淤積極快,水位急劇上升,加劇下游防洪的緊張局面;因此,對(duì)未來(lái)水利水土保持措施減沙作用應(yīng)持慎重和偏于安全的態(tài)度,并作為今后長(zhǎng)期認(rèn)真研究的問(wèn)題。3不同水土保持措施減沙效果分析1)20世紀(jì)70—90年代,黃河中游水利水土保持措施年均減少入黃泥沙3.0億t。水利水土保持措施減沙效果約為3.5億~4.5億t,在計(jì)算中可視具體