基于谷歌地球的湫水河流域暴雨洪水變化分析

劉龍慶 狄艷艷 張榮剛

摘要：采用統計學方法研究了黃河中游支流湫水河流域1960-2015年的暴雨洪水變化趨勢，并基于谷歌地球軟件提供的近期衛星遙感圖片分析了庫壩、梯田以及林草等在產/匯流和暴雨洪水變化過程中的不同作用。結果表明：水庫及淤地壩系阻滯了河道匯流，梯田及林草等植被覆蓋率的提高減小了流域產流，而庫壩的增多對洪水量級和發生頻次的減小起著最主要的作用。建議繼續加強以淤地壩系為主的小流域溝道治理力度，進一步降低黃土高原地區洪水的發生頻次。

關鍵詞：谷歌地球：下墊面；水土流失治理；暴雨洪水；湫水河流域

中圖分類號：TV122：TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.007

20世紀80年代以來，黃河中游人類活動加劇，以水庫、淤地壩系修筑和退耕還林還草為主的T程措施、生物措施相繼實施，黃河干支流產洪產沙特性發生了較大變化，流域產洪能力大幅降低，洪水發生頻次顯著減小，洪峰量級明顯減小，造成這種現象的主要因素是流域下墊面發生了較大變化[l]。基于谷歌地球軟件提供的最新衛片進行調查，可以直觀地觀察到某一地區水庫、淤地壩、梯田、植被等各下墊面要素的分布情況及規模，并能得到水庫、淤地壩等地物的地理坐標，計算其控制的流域面積，從而進一步分析各個要素在洪水變化方面所起的作用及影響程度。本文以黃河中游支流湫水河流域為研究對象，利用谷歌地球軟件對該流域暴雨洪水的變化原因進行了分析。

1 流域概況及暴雨洪水變化

1.1 流域概況

湫水河流域位于黃河中游山陜區間中部左岸，為黃河一級支流，流域面積1 989 km2，除東北部為石山林區外，大部分地區為黃土丘陵溝壑區，是典型的超滲產流區。流域內較大的支溝（流域面積大于IO km2）有20多條，呈羽狀匯人，主要支溝有太平溝、城莊溝、榆林溝、車趕溝、安業溝、大峪溝、招賢溝等。湫水河控制站林家坪水文站位于人黃口上游13 km處，控制流域面積為1 873 km2。

湫水河流域屬暴雨洪水多發區，20世紀60-70年代多次發生大洪水，僅洪峰流量超過1 000 m3/s的大洪水就有20次之多。據《中國水文大事記》記載，1875年曾發生過洪峰流量7 700 m3/s的特大洪水，是1967年實測洪峰流量3 670 m3/s的兩倍多。20世紀80年代后，暴雨和洪水的發生頻次和量級都發生了顯著變化。

1.2 暴雨變化

據實測資料分析，20世紀60年代以來，湫水河流域各雨量站暴雨（降雨量大于50 mm/d）日數和量級在各年代有所不同。根據林家坪站雨量資料統計，1960-2015年汛期共發生暴雨38次。按年代劃分，各年代暴雨以上量級降雨量的總趨勢是60-90年代逐步減小，進入21世紀后暴雨發生次數有所增大，量級降雨量也明顯增大（見表1）。2010年9月19日次暴雨降雨量達185.4mm，為有記錄以來的最大實測暴雨。

1.3 洪水變化

根據1960年以來的洪水資料統計，林家坪站共發生洪峰流量超過500 m3/s的洪水58次，平均洪峰流量為1 080 m3/s。與20世紀60年代相比，70年代以來特別是2000-2015年洪水的發生頻率顯著降低：20世紀70-90年代洪峰流量明顯減小，90年代以來又有所增大，見圖1。

從洪水發生頻率來看，按年代劃分，20世紀60-90年代發生洪峰流量500 m3/s以上的洪水分別為26、10、9、8次，進人21世紀后發生次數急劇減小，2000-2009年和2010-1015年分別僅為2、3次。從洪峰流量來看，20世紀60-90年代最大洪峰流量分別為3 670、2 760、1 630、804 m3/s，進入21世紀后有所增大，2000-2009年最大洪峰流量為1 260 m3/s，2010-2016年則為2 300 m3/s（見圖1）。

從1960-2016年林家坪水文站洪峰流量500 m3/s以上洪水歷年發生次數和最大洪峰流量的變化情況（見圖2）看，1980年后洪水發生次數急劇減小，其中2004-2009年連續6a未發生最大洪峰流量超過500m3/s的洪水，而最大洪峰流量經過1967-2009年的趨勢性減小后。2010-2016年又有所增大，其中2010年、2012年、2015年、2016年分別為2 300、1 350、1 400、1 700 m3/s。

為了分析湫水河流域各時期暴雨產洪能力的變化，統計了各雨量站建站以來的總暴雨日數及其相應林家坪站無洪水暴雨（指未產生洪峰流量100 m3/s以上洪水的暴雨）日數（見表2）。

從表2可以看出：1960-1979年無洪水暴雨日數僅占總暴雨日數的10%以下，大部分暴雨會產生洪水：1980-1999年該比例增大至約33%：2000-2015年該比例繼續增大至約61%，即當某站發生暴雨時，流域產生洪水的概率只有不到40%，說明流域產洪能力下降。

2 谷歌地球簡介

谷歌地球是Google公司開發的一款虛擬地球軟件，由Google公司于2005年向全球推出。用戶可以通過下載到個人電腦上的客戶端軟件免費瀏覽全球各地的高清衛片。該軟件已在勘查、測量、規劃、設計等領域和環保、水利、建筑、旅游等行業得到廣泛應用。本文選用谷歌地球免費提供的湫水河流域2015年8月14日、10月5日分辨率Sm以上（3m或更高）彩色衛片，可清楚地分辨出溝道、梯田、植被、淤地壩壩體以及道路、橋梁、村莊、房屋、工地等，并能得到其地理信息，用于測量溝道長度、計算區域面積等。

3 流域下墊面現狀

20世紀80年代，黃河流域水土保持工作全面發展，采用T程措施與植物措施相結合的方法對支毛溝和五荒地（荒山、荒坡、荒溝、荒灘、荒沙）進行治理，至80年代末已收到明顯的經濟效益和生態效益。工程措施包括修建梯田、淤地壩等，植物措施主要是造林種草。1999年，國家開始實施退耕還林、退牧還草政策，植物措施得到進一步加強。2003年，水利部將淤地壩建設作為當年三大亮點工程之一，工程措施得到強化。隨著這些政策的實施，湫水河流域內淤地壩數量逐年增多，退耕還林還草面積不斷擴大，影響產洪產沙的下墊面條件發生了較大變化。

3.1 庫壩

根據山西省中小水庫資料并通過谷歌地球衛片查看，湫水河流域中小型水庫有陽坡、太平、曹家嶺、胡家峪、玉坪、薛家圪臺、劉王溝等7座，控制面積合計437.2 km2（見表3，胡家峪水庫處于曹家嶺水庫控制面積中）。更多的是分布在小支溝、毛溝河道內的淤地壩。大多數支溝內的淤地壩已形成壩系，壩間距幾十米至百米不等，如大禹溝小流域某溝道中新建的淤地壩系（見圖3.來自2015年10月5日谷歌地球衛片）。

這樣的淤地壩系在湫水河流域內星羅棋布，如面積為172.1 km2的車趕溝小流域，分布在支溝、毛溝內的淤地壩壩系有60余個，控制了該小流域近50%的面積（見圖4，網圈為支溝控制性淤地壩位置，綠色部分為由淤地壩（系）控制的區域）。

據統計，車趕溝、城莊溝等10條支溝中，處于溝道口下端、對溝道具有控制意義的壩系有300余個。為了計算每個小流域內壩系的控制面積，從而確定其治理程度，首先依據谷歌地球顯示的分水嶺和高程，用多邊形工具勾繪每個小流域的流域邊界：然后，在谷歌地球上用點標注每條溝道內淤地壩系最下端的淤地壩位置，用多邊形工具將這些點與分水嶺連線，形成若干閉合區域：最后，通過坐標轉換和多邊形面積計算方法，求出上述流域和區域的面積，并統計已控制面積與小流域面積之比。

采用上述方法統計得出陽坡水庫以及城莊溝、安業溝等11個小流域的已控制面積合計為721.3 km2，占其總控制面積的62.3%（6座小（1）型水庫分布在不同的小流域內，不再重復計算）。其他區域因分散在湫水河干流兩岸，山高溝深，一些溝道比降較大且長度較短，故壩系相對較少，估算該區域庫壩控制面積約占區域總面積的40%。全流域水庫和壩系控制面積合計為1 053.9 km2，占流域總面積的53.0%（見表4）。

3.2 梯田與植被

流域東北部為石山林區，面積401 km2，植被覆蓋度較高，侵蝕輕微，其他地區為黃土丘陵溝壑區和少部分河川階地區，植被覆蓋度較低（見圖5（a））。

湫水河流域水土流失面積占全流域面積的82%，在20世紀60年代就開始了水土流失治理T作。經過多年治理，除了修建大量庫壩外，還逐步形成了以梯田、林、草為主的水土保持措施，集中連片治理則始于20世紀90年代。1991年，聯合國糧農組織“3923”項目于湫水河有岸開工T：1996年，黃河高原水土保持世行貸款項目又在左岸開工：1998年，國家將湫水河流域列為重點治理區。

通過統計湫水河流域內5個縣1954-2000年的水保資料，梯田、造林、種草累計保存面積已由1959年的3 980 hm2增大到2000年的74 06hm2，見表5。

通過谷歌地圖可以發現，黃土丘陵溝壑區內絕大部分梁峁和較緩的山坡都已梯田化（據實地調查，有的甚至還是反坡梯田），改變了原有的自然地貌（見圖5（b）、圖5（c））。湫水河流域內主要種植農作物或林木、果木，部分溝道內多有林草、灌木，而較陡的山坡一般仍為黃土裸露狀態（見圖5（d））。

4 暴雨洪水變化原因分析

一般來講，降雨經過植物截留、地面填洼和土壤下滲后，在坡面產生地表徑流，下滲部分中的自由水形成地下徑流，這一階段稱為產流階段：地表/地下徑流在重力作用下匯人毛溝、支溝、干溝、干流，最終在流域出口斷面形成洪水過程，這一階段稱為匯流。流域內產生徑流的區域稱為產流區，其面積稱產流面積，洪水量級和洪量與產流面積成正比。

湫水河流域屬典型的超滲產流區，洪水組成以地表徑流為主，洪水陡漲陡落，歷時較短。視洪水量級和歷時不同，次洪量一般在幾百萬到上千萬立方米。

4.1 水庫和淤地壩壩系作用分析

對于水庫來講，因其庫容大、防御標準高，故在滯洪蓄洪方面起著重要作用。如陽坡水庫控制面積251km2，處于流域上游石山林區，總庫容1 756.8萬m3，其中有效庫容730萬mi，相當于30 mm凈雨（指形成徑流的那部分降雨）。若按徑流系數0.5計算，可攔截控制面積內一次60 mm暴雨（一次降雨過程）所產生的的洪水，所控制面積對其下游而言已成為不產流面積，發生大洪水時又可起到削峰錯峰、調蓄洪水的作用。對于淤地壩系來講，一條溝道內一般都由多道淤地壩組成，壩間距幾十米到一二百米不等，橫亙于河道內的一道道壩體改變了溝道的自然形態。暴雨洪水期間，各級淤地壩系雖不影響流域坡面產流，但可分段攔蓄不超過設防標準的洪水，大部分徑流就地下滲，直接攔截了防御標準內的洪水，對于下游而言已成為不產流區，相當于減小了產流面積。因此，就湫水河流域而言，產流面積不僅隨降雨的空間分布而變化，而且與庫壩位置及其攔蓄作用有很大關系。湫水河流域庫壩控制了53%的流域面積，相當于在一般降雨條件下產流面積縮小了50%以上，使得各條支溝、毛溝的洪水分別被攔截在庫壩內不再下泄。與自然條件下相比，勢必會相當程度上減小洪水的量級、降低洪水發生的頻率。因此，庫壩作用下產流面積的減小是湫水河流域洪水量級和發生頻次變化的主要因素。

在衛片上，淤地壩系控制的許多溝道內已看不到明顯的過水河道，只有綠色的農作物和大量的樹林，說明這些壩系已經或正在起著攔洪減洪的作用。2015年8月1日，林家坪水文站發生了一次洪峰流量為1 400m3/s的較大洪水，在2015年10月10日衛片上可以清楚地看到一些溝道中淤地壩內的渾濁水面，經分析這是8月1日的洪水被淤地壩攔截而形成的（見圖6）。

通過谷歌地圖普查，在2015年10月10日的衛片上發現有明顯水體存蓄的淤地壩有40余處（見圖7），均分布在8月1日的暴雨區內。這也直觀地說明了淤地壩系對此次洪水的削減作用。若沒有水庫和淤地壩系的攔蓄作用，則此次洪水的量級和洪量會更大。

需要說明的是，當暴雨洪水量級超過防御標準時，個別淤地壩可能發生潰壩或決口。如2015年10月5日衛星遙感圖片上可清楚地看到車趕溝小流域某溝道內淤地壩體形成的潰口和壩體下游的洪水痕跡。因此，若發生大雨強或長歷時持續性降雨，產生的洪水超過了庫壩防御標準，或者暴雨發生在治理程度較低、淤地壩系較少的區域，則仍會產生較大洪水，如2010年、2012年、2015年分別發生的洪峰流量2 300（100 a -遇）、1 350、1 400 m3/s洪水。

4.2 梯田和林草作用分析

修建梯田和提高林草覆蓋度主要影響流域產流。由于大量梯田的存在，坡面坡度變緩，甚至為負比降，因此無論降雨強度如何，都會增大對雨水的攔截效果，使原有的產流方式由超滲產流變為蓄滿產流。由于黃土較為疏松，下滲量較大，加之梯田內農作物的作用，因此較植被覆蓋度高的自然山區更不易產流，同時一定程度上減輕了淤地壩防洪壓力。

近20 a來，國家在黃土高原地區實施了退耕還林、退牧還草政策，植被得到了一定恢復，在一定程度上增大了降雨截留量和土壤下滲量，減少了產流量，在改善局部生產生活條件和生態環境、防治水土流失方面起到了重要作用。但是，在黃土丘陵溝壑區，許多地方坡度較大且土壤貧瘠，不適合植物的存活和生長，植被一般只在緩坡、溝道和臺地局部或零星分布，因此就整個流域來講，植被覆蓋度仍然不高，影響的產流面積有限，只是局部有植被覆蓋區域產流量有所減小，流域產流方式仍為超滲產流。

5 結語

總體來講，湫水河流域庫壩和梯田、林草植被在匯流和產流階段起著不同的作用。在一般降雨條件下，庫壩可以攔截其上產生的所有或者大部分來水來沙，影響甚至阻滯河網匯流，對下游而言則減小了產流面積：大量梯田的存在使得中雨和大雨量級情況下一般不再產流，植被覆蓋度的提高則增大了降雨損失量，在一定程度上減少了產流，同時也減輕了庫壩的防御壓力。兩者有機結合，各自承擔了流域減洪的作用，影響了流域內暴雨洪水的變化。

分析結果表明：①谷歌地圖是流域調查和查勘中有效且實用的工具：②梯田、造林和種草等措施減小了坡面產流，庫壩等措施阻滯了河網匯流，兩者的共同作用使得洪水量級減小，洪水發生頻次降低，不易產流面積的增大與植被覆蓋度的提高有機結合、共同作用，是洪水發生頻次降低和洪水量級減小的主要下墊面因素：③淤地壩的洪水防御標準有限，發生常遇降雨可起到減洪作用，遇超常暴雨則仍可產生較大洪水：④湫水河流域水土保持治理程度仍然不高，淤地壩系未控面積仍然較大。建議：①繼續加大以淤地壩系為主的小流域溝道治理力度，進一步減少黃土高原地區的洪水和泥沙：②利用谷歌地圖等現代技術并結合實地查勘，詳細調查流域下墊面現狀，統計黃河中游地區各主要支流淤地壩建設和植被恢復情況，科學合理地分析各下墊面因素變化在流域減洪減沙方面的作用。

參考文獻：

[1]劉曉燕.黃河近年水沙銳減成因[M].北京：科學出版社，2016：300-301.

[2]蔣昕暉.湫水河流域暴雨洪水分析[J].水利發展研究，2014（4）：28-31.

[3]武曉林.湫水河流域水沙變化現狀及成因分析[J].西北水資源與水T程，2007（6）：56-59.

[4]冉大川，劉斌，寇權.湫水河流域常水變化研究[J].西北水資源與水T程.2003（9）：1-7.

[5]米占萍.湫水河流域水沙變化及成因分析[J].山西水利科技，2006（11）：58-60.

[6] 黃河水利委員會中游水文水資源局.黃河中游水文（河口鎮一龍門區間）[M].鄭州：黃河水利出版社，2005：65 -71.