黃土高原高含沙水流成因分析

黃土高原高含沙水流成因分析

1流域內與高含沙水流的關系高沙水流是黃土高原地區(qū)常見的自然現象。挾沙水流進入高含沙水流的范疇之后,能耗減小,挾沙能力增大,水流具有很強的侵蝕搬運能力。因而高含沙水流既是一種常見的水流形式,同時又是一個特殊的侵蝕方式,在侵蝕過程中發(fā)揮著重要作用。流域內影響高含沙水流發(fā)生頻率的主要因素有降水和下墊面情況。短期內下墊面在自然條件下變化不大,對下墊面影響較大的主要是人為因素,如各種水利水保措施的修建、以及開荒、修路、開礦等活動。研究高含沙水流發(fā)生頻率的時間序列變化,分析不同變化趨勢的產生原因,有助于了解自然因素和人類活動對高含沙水流的影響,從而預測高含沙水流發(fā)生頻率的變化趨勢,為人為降低高含沙水流的發(fā)生頻率,從而降低中游的侵蝕強度和下游的淤積速度有很重要的指導意義。2研究區(qū)域、數據來源和方法2.1“名浚川”到延河的研究區(qū)域本研究選擇了黃河中游多沙粗沙區(qū)從黃甫川(前名皇甫川)到延河的幾條重要支流,研究區(qū)域如圖1。由北而南包括黃甫川、孤山川、窟野河、禿尾河、佳蘆河、無定河、清澗河和延河8個流域。2.2相關流域及流域內高含沙水流發(fā)生頻率的比較水流挾帶泥沙的粗、細顆粒含量不同,形成高含沙水流時的含沙量也不相同。本文以日含沙量>=300kg/m3作為高含沙水流的發(fā)生標準,將高含沙水流發(fā)生頻率定義為站點年內日含沙量>=300kg/m3的天數。為了便于不同流域間的比較,研究選用了各個流域均有完整數據的1967-1989年的資料。統(tǒng)計了上述流域25個站點(圖1)1967-1989年高含沙水流發(fā)生的次數。以流域內站點高含沙水流發(fā)生頻率的平均值作為該流域高含沙水流的發(fā)生頻率。使用時間序列法、比較分析法等對高含沙水流發(fā)生頻率的時間序列變化及影響因素進行分析。研究使用的數據主要有站點日含沙量、流域汛期降雨量等,數據主要來自黃河流域水文年鑒。降雨量數據為站點控制區(qū)內雨量站的算術平均值。其余數據均來自已出版的文獻資料。3不同流域減沙量變化的季節(jié)變化將各流域高含沙水流發(fā)生頻率的時間序列變化點繪,根據其變化趨勢的異同,將研究區(qū)的8個流域分為2種類型。1)高含沙水流發(fā)生頻率隨時間逐漸減低,如黃甫川、孤山川、窟野河流域(圖2)。汛期降雨量是影響高含沙水流發(fā)生的一個重要因素,將各流域汛期降雨量同時點繪到圖2。上述三個流域1967-1989年間,無論是汛期降雨量還是高含沙水流的發(fā)生頻率都呈隨時間減小的趨勢。汛期降雨量的減少是流域高含沙水流發(fā)生頻率減小的一個影響因素(圖3)。上述三個流域汛期降雨量和高含沙水流發(fā)生頻率之間呈正相關關系,但點子比較分散,說明除汛期降雨量外,還有其他因素影響高含沙水流的發(fā)生。促使高含沙水流發(fā)生頻率隨時間減小的另一個重要因素即人為的減沙活動,如各種水利水保措施的實施。上述流域的治理開始于上世紀50年代。1958-1960是水土保持大發(fā)展階段,之后由于多種因素,70年代進入了停頓、調整和恢復時期;1982年后進入了預防、治理、管護相結合的穩(wěn)定發(fā)展的軌道。將水利水保措施分為兩類,水保型(包括造林、種草和梯田)和壩庫型(包括淤地壩和水庫),對不同類型的減沙量及減沙總量進行點繪如圖4。上述三個流域各種措施的減沙總量在上世紀60-80年代呈顯著上升的趨勢(圖4)。各種措施對流域泥沙攔截是引起高含沙水流發(fā)生頻率隨時間逐漸降低的另一個重要影響因素。略有差異的是黃甫川圖4(a)和孤山川流域圖4(b),無論水保型還是壩庫型措施,其減沙量都隨時間逐漸增加,而窟野河圖4(c)的壩庫型措施減沙量在上世紀70年代達到最大,之后略有減小,但水保型措施的攔沙量的顯著增加遠大于壩庫型的減小量,因而各種措施總的減沙量仍隨時間呈現上升趨勢。2)高含沙水流發(fā)生頻率隨時間先減小后增大,如禿尾河、佳蘆河、無定河、清澗河和延河流域(圖5)。上述流域高含沙水流發(fā)生頻率均以1983、1984年為界,呈先顯著減小后緩慢增大的非線性變化趨勢。同時將各流域汛期降雨量的時間變化過程點繪(圖4)。有些流域汛期降雨量隨時間呈減小趨勢,如禿尾河、佳蘆河、無定河流域(圖5(a),5(b),5(c));有些流域汛期降雨量隨時間基本保持不變,如清澗河和延河流域(圖5(d),5(e))。高含沙水流發(fā)生頻率同時受汛期降雨量及人類活動的影響。清澗河、延河(圖5(d),5(e))汛期降雨量隨時間基本保持不變,可以忽略其對高含沙水流的影響。將禿尾河、佳蘆河、無定河流域(圖5(a),5(b),5(c))汛期降雨量與高含沙水流發(fā)生頻率進行點繪如圖6。從圖6可以看出,上述三個流域汛期降雨量與高含沙水流發(fā)生頻率之間呈正相關關系,高含沙水流發(fā)生頻率隨汛期降雨量的增大而增大。但點子比較分散,說明高含沙水流發(fā)生頻率同時受到其他因素的影響。1967-1983、1984年高含沙水流發(fā)生頻率隨時間減小除受同期汛期降雨量的影響外,還受到人類減沙活動(主要是各種水利水保措施)的影響;而1983、1984年以后,在汛期降雨量隨時間持續(xù)減小或保持不變的情況,高含沙水流發(fā)生頻率呈隨時間增大的趨勢,則主要受到人為因素的影響。黃土高原水土流失的治理可以分為三個階段,上世紀50、60年代為治理的起步階段,治理規(guī)模不大,進展緩慢;70年代為初步治理規(guī)模階段,溝道治理和淤地壩的建設達到高潮;80年代至今水土流失治理的規(guī)模、速度和質量都有很大提高,進入較高規(guī)模治理階段。將上述五個流域水利水保措施的減沙量隨年代的變化進行點繪如圖7。上述5個流域在上世紀50到80年代,各種水利水保措施的減沙量均呈現相同的變化趨勢(圖7):自50年代開始各種措施的減沙總量隨年代逐漸增大,到70年代達到最大值,到80年代其減沙量又顯著降低。由于水利水保措施攔截了泥沙,減少了泥沙源,因而高含沙水流的發(fā)生頻率自60年代末到80年代初呈顯著減小的趨勢;到了80年代水利水保措施攔減的泥沙減少,泥沙來源增加,因而上述流域高含沙水流發(fā)生頻率又呈現緩慢增加的趨勢。為了研究上述流域水利水保措施減沙量在上世紀80年代下降的原因,將無定河和清澗河流域各種水利水保措施減沙量隨時代的變化點繪如圖8。無定河流域圖8(a)的各種水利水保措施中,梯田、造林、種草措施的減沙量都隨年代逐漸增加,淤地壩和水庫的減沙量呈現先增大后減小的變化過程,減沙量的最大值出現在上世紀70年代。清澗河流域圖8(b)淤地壩減沙量隨時代的變化同無定河相似,其余措施的減沙量都隨時代逐漸增加。從圖8還可以看出,上述流域淤地壩的減沙量在各種水利水保措施中是最高的。將無定河和清澗河淤地壩減沙量占所有措施總減沙量的比例列表(表1)。如表1所示,淤地壩是所有水利水保措施中攔沙效益最高的一種,前人的研究亦得出相同的結論。淤地壩在上世紀70年代減沙量顯著增大,使上述流域各種水利水保措施的減沙總量顯著增加;但淤地壩的攔沙效益是隨時間衰減的,其攔沙壽命一般僅為10年左右,因而到上世紀80年代淤地壩減沙量顯著減小,使同期各種措施減沙的總量顯著減小。據陜西省水土保持局在上世紀90年代初對陜北地區(qū)淤地壩的調查表明,截止1993年,陜北地區(qū)共建淤地壩31924座,其中95%以上是上世紀70年代以前修建的,80、90年代修建數量很少。這些淤地壩經過長期運行,庫容淤損率已達77%,而且病險壩占總數的75.5%,加之年久失修,在洪水中水毀情況嚴重。據調查在1977年5月6日的一次暴雨中,清澗河子長縣淤地壩的沖毀率達總數的30%。上世紀60、70年代大量修建的淤地壩,在70、80年代發(fā)揮了巨大效益,大量泥沙被攔截抑制了高含沙水流的發(fā)生,因而上世紀60年代末到80年代初,高含沙水流發(fā)生頻率隨時間呈顯著下降的趨勢。由于80年代新建的淤地壩甚少,原有淤地壩大部分已被淤滿或成為病險壩,其攔沙有效性已大部分消失,原來存儲的粗泥沙又被釋放,故80年代初期后淤地壩攔沙量大幅度降低,泥沙來源的增加使高含沙水流發(fā)生頻率亦有所增加。雖然上世紀60年代以來梯田、造林、種草的面積都逐漸增加,尤其是80年代以來,增加更為顯著,但這些措施對泥沙的攔截作用不足以抵消由于淤地壩效益減弱引起的增沙效應。上世紀80年代以來引起高含沙水流發(fā)生頻率隨時間增加的另一個因素是人類的各種增沙活動。姚文藝等人對無定河流域河源區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū),進行了人為開荒、修路、建窯洞、開礦等新增水土流失量的調查,得出1950-1982年的年增沙量為0.139億噸,1983-1985的年增沙量為0.251億噸,后者是前者的2倍。說明由人為活動造成新增水土流失量到上世紀80年代,不僅沒有減少,還有所增加。前人對延河流域的研究亦表明,延河流域在上世紀70、80年代,上述人類增沙活動占各項措施減沙量約30%,雖然其相對數量(上述活動的增沙量與各種措施的減沙總量之比)隨時間呈減小趨勢,但絕對數量呈增大趨勢。上述人類活動,尤其是修路和開礦,在改革開放以來發(fā)展迅速,由此帶來了大量棄土棄渣在溝谷和河道中的堆積,是引起80年代初期以來高含沙水流發(fā)生頻率隨時間增大的一個因素。4不同流域高含沙水流日際變化特征根據各流域高含沙水流的發(fā)生頻率時間序列變化的差異,將黃土高原多沙粗沙區(qū)內的8個流域分成了兩類:①高含沙水流發(fā)生頻率隨時間逐漸減小,如黃甫川、孤山川、窟野河流域;②高含沙水流發(fā)生頻率隨時間先減小后保持不變或增大,如禿尾河、佳蘆河、無定河流域、清澗河、延河流域。對上述兩種不同的變化趨勢,主要從汛期降雨量和人類活動兩方面進行了具體分析。黃甫川等三個流域高含沙水流發(fā)生頻率隨時間的逐漸減小,是同時受到了汛期降雨量隨時間的逐漸減小以及人類的水利水保措施在上世紀60至80年代攔沙量逐漸增加的影響。禿尾河等五個流域高含沙水流發(fā)生頻率在上世紀60年代末到80年代初呈減小的趨勢,其