皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策

1、皇甫川流域水沙特性分析及其治理对策 作者：冉大川1， 高健翎2时间：2007-11-25 12:10:00来源：论文天下论文网摘要：作者对皇甫川流域从径流泥沙来源、水沙特性、水沙变化趋势等方面进行了较为深入地分析和研究，据此提出皇甫川流域近期治理方略是：以沟道坝系建设为切入点；积极推进林草植被建设；对砒砂岩地区实行大面积封禁治理。流域近期至2010年，治理的重点建议放在十里长川、沙圪堵至皇甫区间和沙圪堵以上的纳林川左岸。 关键词：水沙特性 水沙来源 沙变化趋势 治理对策 皇甫川1  流域概况及水土流失特点1    皇甫川流域位于黄河中游河口镇至龙门区间的

2、右岸上段，是黄河流域主要的多沙粗沙区，多年平均(19561998年)输沙量0.505亿t。皇甫川发源于内蒙古自治区达拉特旗南部敖包梁和准格尔旗西北部的点畔沟一带，在陕西省府谷县巴兔坪汇入黄河，干流长137km，河道平均比降2.7；流域面积3246km2，其中水土流失面积3215km2，占流域总面积的99.0%。皇甫川流域水系主要由干流纳林川和支流长川组成。干流沙圪堵以上(纳林川)河道长70km，河道平均比降4.3，面积1351km2，占流域总面积的41.6%；长川河道长75km，河道平均比降5.7，流域面积702km2，占流域总面积的21.6%。皇甫川流域按照侵蚀程度和地表土层覆盖的差异，大致

3、可分为三个水土流失类型区：1.1  砒砂岩丘陵沟壑区  主要分布于流域西北部纳林川两岸的虎石沟、圪秋沟、干昌板沟和尔架麻沟，面积948km2，占皇甫川流域总面积的29.2%，沟壑密度平均为7.42km/km2。该区水土流失极为严重，地形切割十分破碎，坡陡沟深，植被覆盖度很低，基岩大面积外露。区内侵蚀以水蚀为主，复合重力侵蚀。 1.2  黄土丘陵沟壑区  主要分布于流域的东部和西南部，面积1756km2，占流域总面积的54.1%，沟壑密度在5km/km29km/km2之间。该区黄土层较厚，呈现较典型的黄土梁峁和黄土沟谷地貌，除部分梁峁和缓坡地为耕地外，多为

4、天然草场，植被覆盖度为20%左右。区内土壤侵蚀以水蚀为主，水蚀、风蚀和重力侵蚀交替发生。 1.3  沙化黄土丘陵沟壑区  面积542km2，占流域总面积的16.7%，主要分布在纳林川中下游以东到长川以西地区和库布其沙漠边缘，平均沟壑密度为4.2km/km2，地表沙化严重，以风蚀为主要侵蚀方式，呈现出风、水蚀复合侵蚀的景观。2  降雨、径流、泥沙特性     皇甫川流域水文泥沙特征值统计见表1。表1 皇甫川流域水文泥沙特征值统计水文站名年代PN/mmPX/mmWN/万m3WX/万m3WH/万m3WS/万tWXS/万t皇甫水文站1956-

5、19651970-19791980-19891990-19981956-1998430.0372.0343.0397.6389.5323.6313.3268.6290.6301.5192101758012710987015360147201501010880893012680138601372092307940115106200625042802810505060506230424027904990注：表中PN、PX分别代表年降雨量和汛期降雨量；WN、WX、WH分别代 表年径流量、汛期径流量和洪水径流量；WS、WXS分别代表年输沙量和汛期输沙量。2.1  降雨特性  皇甫川

6、流域多年平均降水量389.5mm，降水分布总的趋势是由东南向西北递减。最大降水月份一般出现在7月，最小降水月份出现在11月，连续四个月最大降水均出现在汛期，汛期降水量占年降水量的78%以上，约5060%的降雨量集中在7、8两月。皇甫川流域和窟野河一带又是河龙区间的暴雨中心之一。皇甫川暴雨最明显的特征是：历时短，笼罩面积小，强度大，年际变化大。一次降雨过程的洪水、泥沙特征很大方面依赖于暴雨，暴雨是产洪产沙的原动力。暴雨产洪量一般可占汛期水量的24.376.7%，暴雨产沙量可占汛期沙量的37.695.3%2。皇甫川暴雨大多数降落在纳林川，暴雨中心多出现在流域的西北部。2.2  径流特性&

7、#160; 皇甫水文站多年平均径流量15360万m3，径流深48.0mm。皇甫川流域径流的特点是：蒸发旺盛，径流量小，产流不均匀，年际变化大，年内分配很不均匀。径流泥沙不仅集中在汛期，而且多集中在几次大洪水。多年平均汛期径流量占年径流量的82.6%，洪水径流量占74.9%；纳林川沙圪堵站以上流域，一场占年均雨量38.6%的暴雨，可产生占年均径流量66%的径流，极易形成较大的洪水灾害。皇甫川流域地面径流发育，沙圪堵以上的砒砂岩区地下径流占年径流的比例仅为18.7%。2.3  泥沙特性  皇甫川流域泥沙特点是：产区集中，侵蚀强度大，洪水含沙量高。流域经常出现高含沙水流，基岩风化

8、壳和黄土区是皇甫川流域泥沙的主要产区，其中基岩风化壳则是粗泥沙的主要来源区，而黄土和深度风化的页岩提供了一定数量的细颗粒泥沙，从而形成了产生高含沙水流的有利条件。皇甫川高含沙水流最大含沙量为1570kg/m3,洪水平均含沙量达422kg/m3，悬沙粒径大于0.05mm的粗沙多年平均(19541998年)来量为2970万t，占对应多年平均产沙量的58.3%，在河龙区间诸多支流中来沙组成最粗。3  不同地貌类型径流泥沙来源分析 3.1  全流域径流泥沙来源分析  皇甫川流域于1953年7月12日设立皇甫水文站，开始观测。后几经变动，现把口水文站为皇甫水文（三）站，始测

9、于1977年1月1日，控制面积3175km2；设置于干流上段纳林川的沙圪堵水文站，始测于1959年8月1日，控制面积1351km2；设置于支流十里长川中段的长滩水文站，始测于1978年，控制面积524km2，1981年因故停测，后于1986年恢复观测，但站址下迁，控制面积626km2。鉴于皇甫川大规模治理始于1980年以后，为比较准确的分析皇甫川流域的径流泥沙来源，选取受人类活动影响较小的资料系列(19601979年)，将皇甫川以上分为沙圪堵站控制区和沙圪堵以下、十里长川至皇甫站两部分进行资料统计与计算。根据计算结果，来自沙圪堵以上的水量占皇甫站总来水量的44.7%，沙量占皇甫站总来沙量的51

10、.7%，来自沙圪堵至皇甫川及十里长川的来水来沙量分别占总来水来沙量的55.3%和48.3%。另据长滩水文站不完整的水文资料(19861994年)统计，来自长滩以上的水量占皇甫站对应总来水量的8.5%，沙量占皇甫站对应总来沙量的15.9%，同期来自沙圪堵以上的水量占皇甫站总来水量的40.5%，沙量占48.6%，则来自沙圪堵、长滩至皇甫区间的来水来沙量分别占皇甫站总来水来沙量的51.0%和35.5%，说明皇甫川的径流主要来自沙圪堵、长滩至皇甫区间，其次是沙圪堵以上；泥沙主要来自沙圪堵以上，其次是沙圪堵、长滩至皇甫区间。来自长滩以上的水沙量较少。3.2  坡面与沟道径流泥沙来源分析

11、0; 小流域是水土流失从坡面至沟道发生发展的基本单元。皇甫川小流域侵蚀地貌与丘（一）区其他小流域很类似，也是以现代沟缘线为界分为沟间地和沟谷地两大区，流域平均沟壑密度为4.2km/km2，沟间地坡度一般小于25°，沟谷地突变，形成大于45°的沟坡。根据黄委会绥德水土保持科学试验站郝建忠等人1991年对绥德、米脂、子洲、离石等8条小流域资料分析，求得流域沟壑密度同沟谷地占流域面积比例的关系式为：F1=35.8+1.576Gm式中：F1为沟谷地占流域面积的比例，(%)；Gm为流域沟壑密度(km/km2)。    由上式求得皇甫川流域沟谷地占流域面积

12、的比例为42.4%，相应沟间地所占比例即为57.6%。    根据韭园沟和王家沟的小区观测资料，求得两流域沟间地平均径流模数为17133.5m3/km2,沟谷地平均径流模数为38367.5m3/km2；两流域沟间地平均输沙模数为9551t/km2，沟谷地平均输沙模数为26547.5t/km2。假定皇甫川流域沟谷地与沟间地的径流模数和输沙模数之比（亦即侵蚀模数之比）和韭园沟、王家沟的平均值之比一致，通过联解沙量平衡方程组，即可求得皇甫川流域不同地貌类型径流泥沙来源，见表2。可见，皇甫川流域沟谷地是径流、泥沙的主要来源区，沟谷地产流量占流域总产流量的62.2%，沟谷地

13、产沙量占流域总产沙量的67.2%，其径流、输沙模数分别是流域径流、输沙模数的1.5倍和1.6倍，是沟间地的2.2倍和2.8倍。19561998年，皇甫流域年均径流量为15360万m3，其中沟谷地来水量为9554万m3，沟间地来水量为5806万m3；年均输沙量5050万t，其中沟谷地来沙量为3394万t，沟间地来沙量为1656万t。 表2  皇甫川流域不同地貌类型径流泥沙来源计算成果（19561988年）控制面积/km2年均径流量/万m3年均径流模数/(m3/km2)沟谷地径流模 数/(m3/km2)沟间地径流模数/(m3/km2)3199控制面积/km2319915360年均输沙量/

14、万t505048015年均输沙模数/(t/km2)1578670486沟谷地输沙模数/(t/km2)2500531498沟间地输沙模数/(t/km2)89983.3  不同出露岩层产粗沙量估算  皇甫川流域是黄河中游河龙区间粗沙的主要来源区。根据景可等人利用粒度分析法的研究成果，皇甫川流域基岩、黄土及风沙产粗沙平均量分别占年均产粗沙总量的69.5%、30.4%和0.1%。皇甫川流域多年粗泥沙平均来量为2970万t，则基岩、黄土及风沙产粗沙量多年平均分别为2064.1万t、902.9万t和3.0万t，见表 3。    另据徐建华等人的最新研究成果

15、2，皇甫川流域主要产沙地层为砒砂岩，其次为黄土，风积沙地层产沙较少。其面积分别占流域面积的54.9%、28.3%和16.8%，而产沙量却分别占总产沙量的71.5%、27.2%和1.3%，则砒砂岩、黄土及风积沙产粗沙量多年平均分别为2123.6万t、807.8万t和38.6万t。因此，砒砂岩（基岩）地层应成为皇甫川流域今后表3 皇甫川流域岩层产粗泥沙量估算(单位：万t)岩层基岩黄土风沙合计多年平均产粗沙量占总(%)2064.169.5902.930.43.00.12970.0100治理的重中之重。二者相比，主要研究结论基本相同。虽然风沙产沙量差别较大，但仍属同一数量级。4 流域水沙变化趋势分析4

16、.1  降雨变化趋势  皇甫川流域多年平均(19541998年)汛期降雨量占年降雨量的比重达79.5%，7+8月降雨量占年降雨量的比重达54.3%以上。从各年代的降雨量变化情况看，以1969年前作为基准期，70、80、90年代均有不同程度的减少。以年降雨为例，减少百分比分别为8.6%、15.7%和2.3，80年代减少百分比最大。此外，流域90年代降雨比80年代有所增加，年、汛期及7+8月降雨量增幅分别为15.9%、8.2%和3.0%。4.2  径流变化趋势  皇甫川流域多年平均汛期径流量占年径流量的比重为82.0%，7+8月径流量占年径流量的比重为46.

17、9%。从各年代径流量变化情况看，以1969年前作为基准期，70、80、90年代年径流量减少的百分比分别为16.4%、39.6%和53.1%。90年代径流量比基准期减少的百分比均在40%以上；7+8月径流量比基准期减少了42.8%，比70年代减少47.8%，比80年代减少31.5%。4.3  泥沙变化趋势  皇甫川流域多年平均汛期输沙量占年输沙量的比重为98.6%，7+8月输沙量占年输沙量的比重为84.3%。从各年代输沙量变化情况看，以1969年前作为基准期，70、80、90年代年输沙量减少的百分比分别为-1.1%（增沙）、30.7%和54.5%。70年代输沙量比基准期均有不

18、同程度的增加，7+8月输沙量增幅达16.0%。90年代输沙量比基准期减少的百分比均在50%以上，减幅明显高于径流。7+8月输沙量比基准期减少60.5%，比70年代减少66.0%，比80年代减少51.7%。    由以上变化趋势可知，皇甫川流域降雨、径流、泥沙依时序递减，与黄河中游其它支流一致。90年代降雨虽比80年代有所增加，但径流、泥沙并未增加，其主要原因是单位毫米降雨产流产沙量仍呈递减趋势。另据笔者研究，皇甫川流域现状水资源利用率只有10%，在黄河中游多沙粗沙支流中属于较低水平。其主要原因是汛期降雨量占年降雨量的78%以上，约5060%的降雨集中在7、8两月且

19、多为暴雨。由于暴雨集中，历时短，强度大，因此洪水洪峰尖瘦，陡涨陡落，高含沙洪水出现频繁，给水资源的开发利用带来了很大困难。从水沙变化过程线的周期性分析结果看，预计皇甫川流域今后的水沙来量仍将减少，生态环境建设水资源形势严峻。如何充分、有效地利用好现有的宝贵水资源（尤其是7、8两月降雨）和用洪用沙，将是提高皇甫川流域水资源利用率的关键，也是事关皇甫川流域水土保持生态工程建设能否成功的重大问题。4.4  各年代78月粗沙所占百分比变化分析3  皇甫川流域78月d>0.05mm粗沙各年代所占百分比见表4。由此可见，从60年代（19661969年）到90年代，粗泥沙所占百分比

20、从49.5%降至36.4%，年粗沙输移量从2940万t降至579万t，中值粒径从0.0590mm降至0.0500mm，平均粒径从0.1520mm降至0.1095mm，泥沙粒径细化趋势十分明显，主要原因是流域内水土保持措施的大量实施。这和笔者在甘肃环江流域的研究结论相同4。但遇丰水年份，泥沙粒径仍然较粗，如1998年，皇甫川最大洪峰流量仅1.680m3s，但中值粒径高达0.068mm，平均粒径达0.172mm。说明流域水土保持综合治理措施在丰水年份拦洪拦沙尤其是拦减粗泥沙作用有限；现有的水土保持综合治理措施还不尽完善。 表4  皇甫川流域78月d0.5mm粗沙各年代所占百分比年代196

21、61969197019791980198919901998d>0.05mm所占的分数(%)78月输沙量/万td>0.05mm输沙量/万t中值粒径/mm平均粒径/mm49.5593029400.05900.152045.4564025600.05900.132043.2398017200.05100.127036.415905790.05000.10954.5  对河龙区间水沙变化的影响分析  皇甫川流域不同年代来水来沙量占河府区间（即河口镇至府谷区间）及河龙区间（即河口镇至龙门区间）来水来沙量的百分比（占比）见表5。由此可以看出，皇甫川流域来水来沙量占河府区间来

22、水来沙量的比例较大，从多年平均情况看，水沙来量占比分别为14.5%和39.1%。尤其是来沙量占比，19901995年高达51.6%（一半还多），70、80年代分别为48.1%和43.8%，远远高于同期径流占比。因此，皇甫川流域水沙变化对河府区间水沙变化影响很大，泥沙尤甚。此外，由表5还可以看出，19701995年与1969年以前相比，皇甫川流域、河府区间及河龙区间径流量、输沙量均有明显减少，但皇甫川流域径流所占河府区间的百分比却由11.4%上升到18.5%，所占河龙区间的百分比由2.6%上升到3.0%；泥沙所占河府区间的百分比由31.9%上升到46.8%，所占河龙区间的百分比由6.0%上升到8

23、.3%；粗泥沙所占河龙区间的百分比由8.0%上升到14.8%，说明皇甫川流域径流泥沙尤其是泥沙减少的速率慢于河府区间及河龙区间其它支流。认清这一事实对黄河中游多沙粗沙区水土保持生态工程建设和治黄决策，对加速皇甫川流域综合治理，具有重大的现实意义5。表5  皇甫川流域不同年代水沙来量影响占比项目站名1969年以前197019791980198919901995197019 95多年平均年径流量/108m3皇甫川河府区间河龙区间河府区间河龙区间1.92116.972.911.42.61.7587.854.122.53.21.2717.037.118.23.40.8887.544.111.

24、82.01.3707.42345.2518.53.01.56310.854.914.52.8年输沙量/104t皇甫川河府区间河龙区间河府区间河龙区间62001944010282031.96.06250129907545048.18.3428097803725043.811.5231044805175051.64.5458097905529046.88.35150131707192039.17.2粗泥沙/104t占比(%)皇甫川河府区间河龙区间2690335308.032902232014.720601047019.71035127208.124452240010.922951554514.8注

25、：表中河府区间及河龙区间数据来自参考文献6。4.6  水土保持措施的减沙减淤作用分析1 据统计，皇甫川流域泥沙多年平均(19571998年)中值粒径为0.05mm，平均粒径为0.134mm。90年代(19901998年)是皇甫川流域治理力度较大的时期。根据笔者研究，90年代皇甫川流域水土保持措施年均减沙1554万t，亦即每年减少入黄泥沙1554万t，占90年代皇甫川流域年均实测输沙量2810万t的55.3%，减沙效益25%。按皇甫川流域90年代粗沙量占年输沙量的百分比36.4%计算，可减少入黄粗泥沙566万t，占三门峡库区90年代粗泥沙总淤积量0.228亿t的24.8%，占黄河下游粗

26、泥沙总淤积量0.8354亿t的6.8%，水土保持综合治理功不可没。皇甫川流域90年代实际年均入黄沙量为2810万t，其中粗泥沙为1023万t，占三门峡库区90年代粗泥沙总淤积量的45%，占黄河下游同期粗泥沙总淤积量的12.2%。此外，皇甫川流域19701998年水土保持措施年均减沙量为797万t，可为黄河下游减淤0.064亿t；皇甫川流域水土保持措施减沙量占黄河下游减淤量的16。因此，皇甫川能否实施大规模、高投入的水土保持综合治理，对黄河下游减淤至关重要。5  治理对策    皇甫川流域自1983年开始进行大规模治理，至今已近20年，成效显著。但由于水土

27、保持措施修建早、标准低，已经达到或超过使用年限。尤其是沟道工程，效益的新增和减退同步，泥沙问题仍然没有得到根本解决。随着西部大开发战略的实施和黄河中游水土保持生态，工程建设项目的启动，按照黄土高原水土保持生态建设“防治结合、保护优先、强化治理”的基本思路，皇甫川流域近期治理方略应该是：以沟道坝系建设为切入点，加大以治沟骨干工程为主的沟道坝系建设力度；因地制宜，积极推进林草植被建设，退耕还林还草；对砒砂岩地区实行大面积封禁治理，充分发挥生态系统的自我修复功能。    为实现上述治理方略，对皇甫川流域水土保持生态工程建设提出如下建议：   

28、; （1）砒砂岩地区应作为皇甫川流域水土保持生态工程建设的重中之重。该区应加速以沙棘、柠条、沙打旺等为主的林草植被建设，实行封禁治理。为使砒砂岩地区林草植被具有较为显著的蓄水减沙效益，皇甫川流域林草植被覆盖度至少应在30%以上。    （2）沟谷地应作为皇甫川流域布置拦截泥沙工程的主要地带；在黄土丘陵沟壑区应以沟道坝系建设为重点，大量兴建淤地坝，建坝密度必须达到相当规模。    （3）水土保持措施的配置应贯彻“因地制宜”的原则。当前以突出工程措施为主，与生物措施实行短、中、长期的有机结合。    （4）结

29、合黄委会“数字黄河”的建设，将皇甫川流域作为重点支流，对其水沙变化进行动态监测。    皇甫川流域最大的问题是植被问题。据现场典型调查，90年代皇甫川流域林草措施保存率分别为65.2%和36.1%，还比较低。尽快恢复灌草植被，有计划地退耕还林还草，实施大面积封禁保护，努力提高植被覆盖度以减少侵蚀，是皇甫川流域水土保持生态建设的当务之急。为千方百计减少入黄泥沙，减少黄河下游输沙用水，实现下游“河床不抬高”，充分发挥水土保持措施的最大减沙能力和整体结构减沙效益，建设秀美山川，皇甫川流域近期至2010年，治理的重点建议放在沟壑密度大、侵蚀严重且人口相对集中的十里长川、沙

30、圪堵至皇甫区间和沙圪堵以上的纳林川左岸。以上区域控制总面积2350km2，年均来沙量约3700万t。若按照年均来沙量的80控制，并考虑按每3km2布设一座治沟骨干工程（单座库容按150万m3计算），1km2布设一座淤地坝（单座库容按50万m3计算），可布设治沟骨干工程381座，淤地坝1143座；可安排坡面治理措施75700hm2。参照黄河流域水土保持生态建设规划及相关区域投资定额，按坡面治理50万元km2、治沟骨干工程91万元座、淤地坝20万元座的投资定额计算，总投资需要9538亿元。上述投入和治理目标如能实现，期末可减少入黄泥沙3000万t，其中可减少粗泥沙1750万t水利部黄河水利委员会.黄河中游多沙粗沙区皇甫川、孤山川