黃土高塬溝壑區小流域暴雨侵蝕特征分析

劉 展,李文華,劉 斌,張寶琦,郝玉東,劉曉文,王一涵

(黃河水土保持西峰治理監督局,甘肅 慶陽 745000 )

黃土高原是世界上水土流失最為嚴重的地區之一,該地區氣候干燥、生態環境脆弱,嚴重的水土流失制約著當地社會、經濟的高質量發展。近年來,黃土高原地區暴雨天氣多次發生,造成土壤侵蝕、水土流失、河湖淤積,同時由暴雨引發的江河洪水泛濫、山洪暴發、山體滑坡等自然災害,嚴重影響人民的生產生活和經濟社會的高質量發展,給黃土高原地區帶來了嚴重生態危害及經濟損失[1-3]。

在長期的水土流失治理工作中,黃土高原地區形成了以小流域為單元的綜合治理模式。長期以來人們較為系統地研究了治理小流域對產沙、輸沙的影響,在小流域綜合治理方面進行不斷探索[4-5]。王瑞芳等[6]利用2001年6月15日天水市羅玉溝流域暴雨實測資料分析了兩條對比小流域單次暴雨條件下的侵蝕特征;袁靜等[7]研究了治理小流域對流域地表徑流的作用和影響;原翠萍等[8]分析了水土保持綜合治理不同階段小流域侵蝕產流量年際變化和次降雨徑流過程。然而,對暴雨條件下水土保持治理與非治理小流域的侵蝕特征缺乏較系統、全面的對比研究。

本研究結合黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站(黃河水土保持西峰治理監督局)楊家溝(已進行水土保持綜合治理的小流域)、董莊溝(非治理小流域)測站2005—2021年降雨、徑流、泥沙實測資料,采用小流域平行對比法研究典型小流域暴雨條件下產流產沙特征,進行攔蓄效益評價,旨在為區域水土流失綜合治理提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于西峰水土保持科學試驗站南小河溝試驗場內的楊家溝、董莊溝小流域,所選小流域是涇河支流蒲河左岸支溝,該支溝流域面積38.93 km2,海拔1 050～1 423 m,相對高差373 m,具有典型的黃土高塬溝壑區地貌特征。

楊家溝主要用于研究支毛溝植物措施治理效果,非治理流域董莊溝為對比小流域。楊家溝地理位置為東經107°33′10″、北緯35°42′12″,集水面積1.01 km2,溝道下游修筑土谷坊和柳谷坊,溝道中上游和坡面以柳樹、楊樹、杏樹、刺槐等鄉土樹種為主造林,整地方式以魚鱗坑整地為主。董莊溝地理位置為東經107°32′28″、北緯35°42′16″,集水面積1.12 km2,作為黃土高塬溝壑區未治理的試驗小流域,研究其水土流失規律,與治理流域楊家溝形成對比。兩條小流域位置毗鄰,土壤類型相似,降雨類型相似,觀測資料完整,適合進行小流域土壤侵蝕特征方面的對比試驗研究。

2 研究方法

本研究基于2005—2021年楊家溝、董莊溝測站實測降雨、徑流、泥沙資料,以24 h降水量≥50 mm的降雨作為一次暴雨過程進行研究。通過對研究區降雨數據統計發現,研究區暴雨類型以A、B兩種雨型出現。采用小流域平行對比法、水文分析方法,對暴雨條件下實施水土保持綜合治理小流域土壤侵蝕特征進行科學分析。

3 結果分析

3.1 研究區暴雨情況

結合2005—2021年黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站實測楊家溝、董莊溝降雨資料,經統計分析,期間研究區共出現暴雨事件13次,其中A類型暴雨占暴雨總次數的61.5%,B類型暴雨占暴雨總次數的38.5%。按照暴雨等級劃分[9],共出現2次大暴雨,分別為2021年8月18日董莊溝測站實測24 h最大降雨量100.7 mm,2005年6月30日兩測站測得24 h最大降雨量分別為117.1 mm和121.8 mm,無特大暴雨出現。

3.2 產流特征分析

3.2.1 產流過程對比分析

表1為兩條小流域在A、B兩種暴雨類型條件下各場次的產流過程指標均值。由表1可知,在A、B兩種類型暴雨條件下,楊家溝小流域產流時間均值比董莊溝小流域延后17.97%和17.26%;楊家溝小流域漲水過程所用時間均值分別比董莊溝小流域多109.72%和21.39%;董莊溝小流域退水過程所用時間均值分別比楊家溝小流域多84.25%和1.21%。由此可以看出,董莊溝小流域洪水比楊家溝小流域起漲時間早、上漲快,但在洪峰降落后的退水階段,洪水過程的消退明顯滯后。在A類型暴雨條件下,董莊溝小流域洪水歷時為楊家溝小流域的1.35倍,但在B類型暴雨條件下,楊家溝小流域洪水歷時為董莊溝小流域的1.15倍,這是由于B類型暴雨降雨歷時較長,因此可以看出,暴雨類型也是影響小流域洪水歷時的重要因素。

表1 不同暴雨類型條件下小流域產流過程指標均值

通過對比分析發現,在同一小流域中,B類型暴雨的產流時間、漲水過程所用時間、退水過程所用時間及洪水歷時均大于A類型暴雨。這是由于B類型暴雨降雨歷時長,平均雨強較小,因此洪水起漲及消退時間較長。

3.2.2 產流量對比分析

表2為兩條小流域在A、B兩種類型暴雨條件下各場次的產流指標均值。由表2可知,在A、B兩種類型暴雨條件下,董莊溝小流域洪水總量均值分別為楊家溝小流域的3.06倍和3.39倍,徑流深分別為楊家溝小流域的2.75倍和3.06倍,洪峰流量分別為楊家溝小流域的1.95倍和2.09倍,洪水平均流量分別為楊家溝小流域的3.29倍和2.03倍,徑流系數分別為楊家溝小流域的3.90倍和4.19倍。從以上數據對比分析可以看出,對小流域進行綜合治理具有顯著的滯洪、攔蓄地表徑流、削減洪峰等重要作用,進行水土保持綜合治理是防治流域暴雨洪水侵蝕的重要途徑。

表2 不同暴雨類型條件下小流域產流指標均值

通過對比分析,發現在同一小流域中,B類型暴雨條件下的洪水總量及徑流深均值大于A類型暴雨條件下的均值。但A類型暴雨條件下平均流量及洪峰流量大于B類型暴雨條件下的均值。這是由于降雨導致產流,暴雨類型及過程的改變影響流域產匯流過程,因此兩類暴雨類型在各產流指標變化中表現出不一致性。

3.3 產沙特征分析

3.3.1 產沙過程對比分析

表3為兩條小流域在A、B兩種類型暴雨條件下各場次的產沙過程指標均值。從表3可以看出,在A類型暴雨條件下,楊家溝小流域產沙量峰值出現時間較董莊溝小流域滯后15.09 min,但輸沙率峰值出現時間較董莊溝小流域提前10.33 min。在B類型暴雨條件下,楊家溝小流域產沙量峰值與輸沙率峰值出現時間較董莊溝小流域分別提前376.67和370.00 min。在A類型暴雨條件下,產沙量峰值出現時間及輸沙率峰值出現時間均在洪峰流量出現之前,而B類型暴雨條件下則相反。通過對比分析發現在同一小流域中,A類型暴雨產沙量峰值出現時間及輸沙率峰值出現時間均提前于B類型暴雨。因此,暴雨類型是影響洪沙關系的重要因素。

表3 不同暴雨類型條件下小流域產沙過程指標均值

3.3.2 產沙量對比分析

表4為兩條小流域在A、B兩種類型暴雨條件下各場次的產沙量指標均值。由表4可知,在A、B兩種類型暴雨條件下,董莊溝小流域輸沙量分別為楊家溝小流域的3.67倍和4.21倍,土壤流失量分別為楊家溝小流域的3.31倍和3.80倍,最大含沙量分別為楊家溝小流域的1.82倍和2.03倍,平均含沙量分別為楊家溝小流域的1.73倍和1.62倍。從以上數據分析可以看出,對小流域進行治理在減輕流域土壤流失方面有顯著作用。

表4 不同暴雨類型條件下小流域產沙指標均值

通過對比分析發現,在同一小流域中,B類型暴雨條件下輸沙量、土壤流失量均大于A類型暴雨,但A類型暴雨條件下最大含沙量、平均含沙量大于B類型暴雨。

3.4 小流域攔蓄效益分析

表5為兩條小流域在A、B兩種類型暴雨條件下蓄水保土效益指標。由表5可知,進行水土保持治理的小流域在不同暴雨類型條件下蓄水、保土效益俱佳。通過對比分析發現,楊家溝小流域在B類型暴雨條件下的蓄水量、保土量及蓄水效益、保土效益表現均優于A類型暴雨條件下。

表5 不同暴雨類型條件下小流域蓄水保土效益

4 結論及展望

1)在A、B兩種類型暴雨條件下,已治理小流域產流時間均值分別比非治理小流域延后17.97%和17.26%;漲水過程所用時間均值分別比非治理小流域多109.72%和21.39%;非治理小流域退水過程所用時間均值分別比已治理小流域多84.25%和1.21%。

2)在A、B兩種類型暴雨條件下,非治理小流域洪水總量均值分別為已治理小流域的3.06倍和3.39倍,徑流深分別為已治理小流域的2.75倍和3.06倍,洪峰流量分別為已治理小流域的1.95倍和2.09倍。非治理小流域輸沙量分別為已治理小流域的3.67倍和4.21倍,土壤流失量分別為已治理小流域的3.31倍和3.80倍,最大含沙量分別為已治理小流域的1.82倍和2.03倍,平均含沙量分別為已治理小流域的1.73倍和1.62倍。

在暴雨條件下,水土保持綜合治理對于小流域滯洪、攔蓄地表徑流、削減洪峰作用較為明顯,這與王瑞芳等[6-7]的研究結果較為一致。因此,在后續治理水土流失危害方面,應進一步加強小流域綜合治理的推廣和探索。

降雨是徑流的來源,同時也是引起土壤侵蝕的重要因素。本研究中發現,在同一小流域中,B類型暴雨條件下的洪水總量及徑流深大于A類型暴雨條件下的均值,但A類型暴雨條件下平均流量及洪峰流量大于B類型暴雨條件下的均值。A類型暴雨產沙量峰值出現時間及輸沙率峰值出現時間均提前于B類型暴雨,但B類型暴雨條件下的輸沙量、土壤流失量大于A類型暴雨條件下的均值。A類型暴雨條件下蓄水量、保土量及蓄水效益、保土效益均小于B類型暴雨條件下的指標值。可以看出不同類型暴雨條件下水土保持治理小流域與非治理小流域個別產流產沙指標表現出不一致性,因此在后續研究中應進一步開展暴雨類型、暴雨過程對小流域侵蝕特征的影響研究。