水土保持措施对黄河水沙影响评价模型及效益评价

水土保持措施对黄河水沙影响评价模型及效益评价

1水土保持与水资源及泥沙洛杉矶高原是中国的一个重要能源、化工和农业基地。受干旱气候影响,水资源贫乏,水土流失严重。大量的水土流失不仅使当地生态环境进一步趋于恶化,而且大量泥沙淤积黄河下游河道,致使河槽萎缩,行洪能力降低,下游防洪问题更加严峻。自20世纪70年代以来,黄土高原开展了大规模的水土保持工作,实践表明,水土保持是一项防止水土流失、改善生态环境、促进当地经济发展的重要举措。但大规模的水土保持措施势必对黄土高原水资源及土壤防蚀等方面产生重要影响,科学、定量评价水土保持对黄土高原水资源及泥沙的影响,是做好长期水土保持规划、水资源利用的一项重要内容。以现有研究成果为基础,提出一套操作性强且行之有效的水土保持对水资源和泥沙影响评价系统,进而科学、定量地评估水土保持对水资源和泥沙影响对黄河的治理开发具有重要意义。为此,在黄河水利委员会水土保持科研基金资助下,开展了“水土保持生态环境建设对径流、泥沙影响评价方法”项目的研究,水土保持对径流、泥沙影响评价模型是其中的第三专题。本专题研究的总目标是:①提出适用于黄土区、风沙区的水土保持措施生态环境建设对水资源、泥沙影响评价模型;②对黄土区、风沙区的典型支流秃尾河(高家堡以上)、孤山川流域水土保持措施的蓄水拦沙效益作定量评价。在对现有水沙评价模型及研究流域水沙变化成果综合分析的基础上,通过分析水土保持措施对产流产沙机制的影响,提出了适用于研究区域的水沙评价模型,并进行研究区域水土保持措施的蓄水拦沙效益评价,概括总结了该专题的主要研究成果。2水沙研究中的水沙评价模型分析自上世纪50年代,国内外专家、学者及相关研究机构便针对黄河开始了流域水文模拟及泥沙数学模型的研究。到目前为止,已有数十种水沙模型在黄河流域进行了应用研究。就概念性水文模型而言,其参数多寡不等,结构繁简不一,计算的时空尺度也有较大差别;尽管不同模型描述的产汇流机制不同,但都从定量上重演了径流形成的全部过程。几乎所有模型都可表示为许多节点所成的网络,节点表示流域中的某种蓄量或状态,而节点间的联系则表示水分的转移;因而任一模型都是由水量平衡方程和动力方程组合而成。不同的产输沙模型之间在结构、用途、表达形式和考虑的产沙因子等方面也存在较大的差异;从模型的结构看,有的模型只是一个考虑了影响产沙因子的简单代数方程式,这种模型表达了产沙因子与产沙量之间的直接关系;而有些模型则是由若干逻辑运算组成,模型结构较为复杂;在产沙因子的考虑方面:一些模型只考虑降雨量及其特征或者径流过程的一些特征量对产沙的影响,直接由降雨或径流预报流域产沙;而近期发展的模型则系统考虑了降雨击溅、径流冲刷、径流搬运和沉积的子过程特征,建立了产汇流和产输沙不同演进阶段的连续模型。目前这些已经初步应用的水沙评价模型分析环境变化对水沙资源的影响问题中尚不同程度地存在着一些不足,具体表现在以下方面:①对资料要求过于严格,在实际操作中难以满足要求;很难移植应用到其它流域;②水土保持措施对水沙影响机制在评价模型中反映不足,使得评价模型的物理概念模糊,高、低水沙外延置信度低;③模型在实际应用中适应性欠缺,检验不够,大多模型只经过一个流域的检验。孤山川是近10年来在第一、二期“黄河水沙变化研究基金”、国家自然科学基金重大项目“黄河流域环境演变水沙运行规律”、“黄河流域水土保持基金”、“八五”期间国家重点科技攻关项目专题“多沙粗沙区水沙变化原因及发展趋势预测”等项目的重点研究的支流之一。在上述项目的研究中,根据不同时段的降水、径流和泥沙资料建立了不同的水沙统计模型,尽管各统计模型均对率定期间的径流、泥沙具有良好的模拟效果,但不同统计模型得出的水土保持效益存在一定差异,甚至出现了水土保持措施减水减沙效益相反的情形。如第一期水保基金项目中的计算结果认为1970～1979年期间水土保持措施增加了孤山川流域的径流,其增加量为512×104m3,而其他计算结果则认为水土保持在该时期依然拦蓄了径流,尽管其拦蓄量在1307×104m3～2051×104m3之间变化,但相差依然接近1倍;1980～1989年期间水土保持措施对泥沙的计算影响量在196×104t～933×104t之间变化,差异超过3倍。分析认为,建立模型所用资料的代表性不足和统计模型本身外延精度不高的缺陷应是引起该差异的主要原因。因此,应进一步加强具有物理基础的概念性流域水文模型在水沙变化分析中的应用研究和资料代表性分析。3对暴雨产径流沙机制的调控措施以黄土丘陵沟壑区的两个对比沟插财主沟和羊道沟为研究对象,利用邻区横向对比分析法研究了小流域水土保持的水文效应,结果表明:水土保持措施具有较好的拦蓄径流、泥沙的作用,并且可以有效地削减洪峰流量、降低径流含沙量,滞后洪峰出现时间,缩短洪水历时;尽管对降水与径流、泥沙的相关性没有太大改变,但改变了降水与径流、泥沙的定量相关关系。黄河中游地区由于土层深厚,土质疏松,包气带缺水量大,植被稀少,加之降雨历时短、强度大,因此超渗产流是该地区主要的产流形式;其特点是地面径流比重大,地下径流所占比重较小,洪水历时短,洪峰陡涨陡落,洪水过程线基本对称。高强度暴雨击溅土层,剥蚀地表,使土壤颗粒分散,极易被地面径流冲刷携带,故暴雨和地面径流是该地区产沙的主要动力。根据水利水保措施的特征及其拦减水沙的机制,可将它们划分为两种类型:①滞蓄型,主要指造林、种草和作物轮种等措施,②拦蓄型,主要包括淤地坝和水库等措施。不同类型措施拦减水沙的机理不同;滞蓄型水土保持措施对土壤有良好的改造作用,并通过改变土壤结构而增加土壤中非毛管孔隙率,增强土层的透水性和流域的蓄水能力。滞蓄型水保措施对产流的影响主要表现在增大了流域的滞蓄量和径流调节能力,使产流机制向不利于地表径流产生的方向发展。滞蓄型水保措施不仅增加了流域的地表被覆和地表糙率,而且根系对土壤具有良好的固结作用。其在减小地表径流量及其流速的同时,也削弱了地表径流的侵蚀及输沙能力,并且在一定程度上延缓或阻滞泥沙出流。拦蓄型措施具有一定的容量,可在一定程度上拦蓄地表径流及其携带的泥沙,从而减少径流和泥沙的流失。由于泥沙在坝库内淤积,使得坝库容量减小、拦减水沙的能力随之降低;当发生一场强度很大的降雨时,产生的入库水沙量超过其拦蓄能力极有可能发生垮坝事件。因此,水利水保工程措施对暴雨产流产沙机制的影响,基本上可由其“筛子效应”和“泥盆效应”来体现;前者主要说明措施对径流泥沙的削弱调节作用,而措施的拦蓄功能及工程破坏主要有后者来体现。其综合影响的结果是使洪水泥沙过程不但变得较为低矮,而且具有一个较长而厚实的退水过程。4黄河月水文模型与改进的通用土壤侵蚀方程的对比分析水文模型的评价标准也是模型参数优选的重要指标,参考目前国内外研究成果,选取Nash效率标准EFF、对数Nash效率标准LEFF和平均相对误差%MAR为模型的评价标准;计算公式如下:Nash效率标准:EFF=1−Σi=1N(Qobsi−Qsimi)2Σi=1N(Qobsi−Qbari)2EFF=1-Σi=1Ν(Qobsi-Qsimi)2Σi=1Ν(Qobsi-Qbari)2对数Nash效率标准:LEFF=1−Σi=1N(logQobsi−logQsimi)2Σi=1N(logQobsi−logQbari)2LEFF=1-Σi=1Ν(logQobsi-logQsimi)2Σi=1Ν(logQobsi-logQbari)2显然,当EFF、LEFF越接近于1,平均相对误差%MAR越接近于0,则说明模拟效果越好。以这三个评价标准作为参数率定的目标函数不仅可以较好地控制计算与实测的水沙平衡,而且可以较好地反映对水沙低值和高值的模拟效果。在本项目的研究中,根据上述评价标准,对下述模型进行了对比分析,水文模型包括:①霍顿和菲利浦下渗公式,②改进型格林—安普特下渗曲线,③美国农业部土壤保持局(SoilConservationService)SCS模型,④流域超渗—蓄满兼容产流模型,⑤TOPMODEL模型,⑥中大尺度流域水沙耦合模型,⑦黄河月水量平衡模型,⑧MIKE11河流模拟系统中的NAM模型,⑨DUFLOW河流模拟软件中的RAM模型,(10)GR3J模型。产输沙模型包括:①基于水流连续方程、水流运动方程和挟沙力方程推导的暴雨产沙方程,②清华大学暴雨产沙模型,③降雨侵蚀分离能力模型,④中大尺度流域水沙耦合模型,⑤黄委会暴雨产流产沙模型,⑥改进型通用土壤流失方程。在上述模型的对比评价中,限于资料,对其中的部分模型只是根据相关文献资料中的模拟成果计算了三个评价指标。评价结果表明:上述这些模型均能够较好地控制计算与实测水沙的平衡,其平均相对误差小于10%;Nash效率标准在74%到92%之间变化;对数Nash效率标准在65%和86%之间变化,若以后两个标准进行评价,尽管不同模型之间有相对较大的差别,但其模拟效果均可以接受。采用水文模拟途径分析环境变化对径流、泥沙的影响具有物理成因上的一致性,但该方法一般要求模型能够计算长系列的水文过程,若计算时段过短(如日、时),则需要资料太多,不但计算繁琐,而且现有资料也多难以满足要求,基于上述原因综合考虑,选择月作为水沙变化原因分析的计算时段。尽管上述评价模型均在黄土高原典型流域或试验区做了应用尝试,并取得了不错的模拟效果,但有的对资料要求过高,难以满足,有的参数太多,从而给模型的率定和应用带来诸多不便,相比之下,黄河月水文模型及改进的通用土壤侵蚀方程具有更好的适应性,前者已在数十个支流得到应用检验,与其它模型的对比分析,不仅模拟效果与其它知名模型相当,更具有结构简单、参数较少的优点,便于推广应用;后者在全球的土壤侵蚀研究中已得到较好的推广应用,故选作为本次研究的模型。将黄河月水文模型和改进的通用土壤侵蚀方程应用于孤山川流域和秃尾河高家堡以上地区;为进一步检验模型的外延能力,将资料“天然”时期的资料划分为两个阶段,第一阶段作为率定期只进行模型参数优选,第二阶段作为检验期,检验模型的外延效果。根据选定流域内水土保持措施的实施时间、措施规模及其引起的水沙变化,孤山川在1955～1969年期间和秃尾河高家堡以上地区在1966～1974年期间可视为流域处于天然状态。根据流域的水文特征值变化,选定孤山川流域的率定期为1955～1964年,检验期为1965～1969年,秃尾河流域的率定期1966～1971年,1971～1974年作为模型检验期。水沙模拟结果表明:模型在孤山川流域具有更好的模拟效果,在率定期和检验期对径流的模拟效率标准超过84%,对泥沙的模拟效率系数超过70%。在秃尾河流域,对径流的模拟效率超过70%,对泥沙的模拟效率在65%和70%之间,同样可以接受。5水沙变化的主要影响因素采用黄河月水文模型及改进5的土壤流失方程作为水沙评价模型分析环境变化对孤山川、秃尾河(高家堡以上)流域径流、泥沙的影响。对孤山川流域的分析结果表明:①气候因素对水沙的影响较水土保持的影响更为明显,在各年代对径流的相对影响量均超过60%,而对汛期7～9月份的泥沙相对影响量也在55%以上。②水土保持的蓄水保土量逐年代递增,如20世纪70年代减水量为116万m3,而90年代减水量达到1984万m3;80、90年代水土保持措施在7～9月份的减沙量分别为417.9万t和703.2万t;由于1977年8月孤山川流域发生了特大暴雨,冲垮了500多座坝库,造成泥沙急增,致使水土保持在70年代在拦沙方面为负效益。③降水减少使得流域的产流产沙量减少,尽管77年发生了特大暴雨,就年代平均而言,降水较前期也有一定程度的减少,70年代受此影响而减少水沙量分别为496万m3和213.4万t,90年代因降水减少而减少的水沙量分别达到3247万m3和1004万t。④不同时期人类活动和气候变化对水沙的相对影响程度不同,降水因素在70年代对径流的相对影响量最为明显,受其影响的径流减少量占总减少量的81%,而在90年代,水土保持对泥沙的相对影响量较其它年代显著,其影响量占总减少量的41.2%。总的来看,1970～1999年期间,降水减少是孤山川流域水沙减少的主要原因,其影响量分别占到水沙总减少量的63.1%和73.6%。对秃尾河高家堡以上风沙区分析成果表明:①人类活动是风沙区水沙变化的主要因素,其对径流泥沙的影响量占水沙减少总量的60%以上;②1975～1982年期间水土保持措施对水沙的影响比例相对较大,超过30%;③从影响绝对量来看,人类活动的蓄水拦沙量具有递增趋势,在1975～1982年期间水土保持措施拦蓄的径流深和泥沙量分别为21.7mm、517.2万t,而在1983～1989年期间分别为44mm和570万t。对比孤山川流域和秃尾河流域高家堡以上地区水土保持的蓄水拦沙效果可以发现:气候条件变化是处于黄土区的孤山川流域水沙变化的主要因素,而对位于风沙区的高家堡以上地区,水土保持等人类活动是水沙减少的