霍山縣江子河小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及水土保持效益分析

張乃夫，桂博文，汪軍紅，呂陳

（1.淮河水利委員會淮河流域水土保持監(jiān)測中心站，安徽 蚌埠 233001；2.霍山縣水土保持試驗站，安徽 六安 237200；3.六安市水利工程建設(shè)管理處，安徽 六安 237000）

水土保持監(jiān)測是國家宏觀決策的基本依據(jù)，是水土保持事業(yè)的重要組成部分。為探索水土流失防治成效評價及土壤侵蝕模型參數(shù)精細(xì)化的有效途徑，近年來，水利部持續(xù)推進(jìn)典型小流域觀測數(shù)據(jù)分析工作。本文根據(jù)淮河流域典型小流域數(shù)據(jù)分析工作成果，以霍山縣江子河小流域為研究對象，探索分析小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及水土保持效益。

1 研究區(qū)概況

安徽省霍山江子河小流域綜合觀測站位于霍山縣上土市鎮(zhèn)，流域面積9.25km2，屬淮河支流淠河水系。項目區(qū)屬北亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同期，多年平均氣溫14.8℃，多年平均降水量1423.3mm，多年平均蒸發(fā)量1240.05mm，無霜期240天。江子河小流域地形北高南低，北、東、西三面環(huán)山，海拔高度在370.00～1169.86m 之間，流域內(nèi)有干溝2 條，支溝105 條，溝壑總長度61.43km，溝壑密度6.63km/km2，溝底平均比降11.23%，流域長度4.24km，流域?qū)挾?.48km，流域完整系數(shù)0.35。江子河小流域地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，具有良好的過渡帶森林生態(tài)系統(tǒng)，植物區(qū)系南北兼容，植物資源十分豐富，主要為次生植被和人工植被。

2 研究方法

2.1 小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及其影響因素

本文分別基于場次和年度降雨數(shù)據(jù)，對不同降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行對比分析，探索一定條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙的下限值，通過年度小流域水土流失狀況縱向比較，分析年際小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙變化趨勢，并通過不同降雨因子與產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行相關(guān)性分析，探索影響小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的因素。

2.2 小流域水土保持效益

根據(jù)水沙量平衡原理，通過小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙方程進(jìn)行水土保持效益計算。

小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙方程：

式中：

W產(chǎn)—計算期流域產(chǎn)流量；

WS產(chǎn)—計算期流域產(chǎn)沙量；

W控—控制站水文年實測徑流量；

WS控—控制站當(dāng)年實測全沙量；

W坡攔—坡面措施保水量；

WS坡攔—坡面措施保土量；

W溝攔—溝道工程攔洪量，可通過庫壩測量、調(diào)查獲取；

WS溝攔—溝道工程攔沙量，可通過庫壩測量、調(diào)查獲取；

W引—灌溉引水量，可通過灌區(qū)監(jiān)測、調(diào)查資料獲取；

W引沙—灌溉引沙量，可通過灌區(qū)監(jiān)測、調(diào)查資料獲取；

WS淤—河道淤積量，可通過歷年斷面測量成果獲取；

W增—人類活動增洪量；

WS增—人類活動增沙量。

各年的水土保持措施效益計算采用下式：

式中符號意義同上。

3 結(jié)果和分析

3.1 小流域次產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律分析

3.1.1 小流域次產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律分析

江子河小流域控制站2009—2021年共產(chǎn)流221次，產(chǎn)沙214 次，平均次降水量55.1mm，最大次降水量351.5mm，最小次降水量4.6mm；平均次I30為19.8mm/h，最大次I30為67.8mm/h，最小次I30為2.25mm/h；平均次徑流深14.5mm，最大次徑流深280.1mm，最小次徑流深0.27mm；平均次輸沙模數(shù)18.4t/km2，最大次輸沙模數(shù)1890t/km2，最小次輸沙模數(shù)0.02t/km2。

通過對江子河小流域采用次降雨量、次I30分別與次徑流深進(jìn)行分析可知，次徑流深與次降雨量、次I30相關(guān)性比較明顯，其相關(guān)系數(shù)分別為0.713、0.631，說明降雨量和雨強是影響江子河小流域產(chǎn)流的重要因素之一。通過對江子河小流域采用次降雨量、次I30分別與次輸沙模數(shù)進(jìn)行分析可知，其相關(guān)系數(shù)分別為0.451、0.321，次輸沙模數(shù)與次降雨量、次I30具有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性不明顯，說明江子河小流域產(chǎn)沙除了受降雨因素影響外還受其他因素影響。

3.1.2 小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙下限分析

江子河小流域2009—2021 年間共產(chǎn)流221 次，產(chǎn)流產(chǎn)沙的最小降雨量為2013年7月21—22日的4.6mm，其對應(yīng)徑流深2.9mm，對應(yīng)輸沙模數(shù)1.051t/km2，產(chǎn)流產(chǎn)沙的最小I30為2014 年9 月8—9 日的2.25mm/h，其對應(yīng)徑流深2.29mm，對應(yīng)輸沙模數(shù)1.000t/km2。說明在江子河小流域，特定條件下降雨量大于4.6mm，I30大于2.25mm/h 可能會造成該小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙。

3.2 小流域年產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律分析

3.2.1 小流域年產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律分析

江子河小流域控制站2009—2021 年間平均降水量1514.9mm，年最大降水量2506.5mm，年最小降水量910.0mm；年平均I30為343.3mm/h，年最大I30為637.4mm/h，年最小I30為93.5mm/h；年平均徑流深305.6mm，年最大徑流深887.9mm，年最小徑流深46.5mm；年平均輸沙模數(shù)3.12t/hm2，年最大輸沙模數(shù)21.40t/hm2，年最小輸沙模數(shù)0.06t/hm2。

以江子河小流域2009—2021 年觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別采用徑流、泥沙單累積曲線法分析徑流泥沙變化年際節(jié)點，結(jié)果表明：輸沙量節(jié)點出現(xiàn)在2016 年、2019 年，徑流深節(jié)點出現(xiàn)在2019 年，2016 年之后累積輸沙量增長迅速，2019 年以后累積輸沙量增長趨于平緩，2019 年累計徑流深增長迅速，2019 年之前累計徑流深增長較平緩。結(jié)合歷年降雨、土地利用方式等綜合分析，小流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙受降水影響顯著，但部分年份也存在產(chǎn)流、產(chǎn)沙變化規(guī)律不一致的現(xiàn)象，說明小流域內(nèi)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙還受人為擾動等其他因素的影響。小流域累積年輸沙量、年徑流深累積曲線見圖1。

圖1 江子河小流域累積年輸沙量、年徑流深累積曲線圖

3.2.2 小流域徑流及產(chǎn)沙影響因子分析

江子河小流域2009—2021 年徑流深與降雨因子相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為降雨侵蝕力＞降雨量＞I30＞降雨歷時，輸沙模數(shù)與降雨因子相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為降雨量＞降雨侵蝕力＞降雨歷時＞I30，且徑流深受降雨因子影響比產(chǎn)沙模數(shù)受降雨因子影響更加明顯，說明江子河小流域降雨因素是影響該小流域產(chǎn)流的重要影響因素，但該小流域降雨因子對流域產(chǎn)沙影響較少，說明流域產(chǎn)沙除了受降雨因素影響外，還受到其他因素影響。相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表見表1。

表1 江子河小流域控制站徑流深、產(chǎn)沙模數(shù)與降雨因子相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表

3.3 水土保持效益分析

將各因子代入小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙方程及水土保持措施效益計算方程，分別求得小流域水土保持措施的減流、減沙效益。小流域內(nèi)無自流域外引水灌溉，故W引、W引沙均為0；小流域內(nèi)無淤地壩，故暫不考慮W溝攔、WS溝攔；小流域內(nèi)未進(jìn)行河道淤積泥沙觀測，暫不進(jìn)行WS淤計算。綜合坡面徑流小區(qū)措施設(shè)置及小流域具體情況，本次小流域水土保持措施效益為坡面措施（梯田）攔蓄效益。

綜上所述，經(jīng)計算，江子河小流域2013—2021年坡面攔蓄效益表現(xiàn)為年均攔蓄徑流量9.89 萬m3、攔蓄泥沙量0.23 萬t、年均徑流攔蓄效益3.21%、泥沙量攔蓄效益39.18%。水土保持措施減流保土效益見表2。

表2 江子河小流域2013—2021 年間水土保持措施減流保土效益統(tǒng)計表

4 結(jié)論

（1）江子河小流域控制站2009—2021 年共產(chǎn)流221 次，產(chǎn)沙214 次，次徑流深介于0.27～280.1mm，次產(chǎn)沙模數(shù)介于0.02～1890t/km2。通過對江子河小流域采用次降雨量、次I30分別與次徑流深、次輸沙模數(shù)分析可知，次徑流深與次降雨量、次I30相關(guān)性比較明顯，說明降雨量和雨強是影響江子河小流域產(chǎn)流的重要因素之一，次輸沙模數(shù)與次降雨量、次I30具有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性不明顯，說明江子河小流域產(chǎn)沙除了受降雨因素影響外還受其他因素影響。

（2）江子河小流域2009—2021 年間產(chǎn)流產(chǎn)沙的最小次降雨量為4.6mm，其對應(yīng)次徑流深2.9mm，對應(yīng)次輸沙模數(shù)1.051t/km2，產(chǎn)流產(chǎn)沙的最小次I30為2.25mm/h，其對應(yīng)次徑流深2.29mm，對應(yīng)次輸沙模數(shù)1.000t/km2。說明在江子河小流域，特定條件下降雨量大于4.6mm，I30大于2.25mm/h 可能會造成該小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙。

（3）以江子河小流域分別采用徑流、泥沙單累積曲線法分析徑流泥沙變化年際節(jié)點，結(jié)果表明：輸沙量節(jié)點出現(xiàn)在2016 年、2019 年，徑流深節(jié)點出現(xiàn)在2019 年。結(jié)合歷年降雨、土地利用方式等綜合分析，2016 年降雨量顯著增加，2019 年降雨量顯著減少，受降雨影響，2016 年產(chǎn)流、產(chǎn)沙均明顯增長；2019 年徑流、泥沙增長相對減緩。綜上所述，小流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙均受降水影響明顯，但也存在產(chǎn)流、產(chǎn)沙變化規(guī)律不一致的現(xiàn)象，說明小流域內(nèi)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙還受到了其他因素的影響。

（4）江子河小流域2013—2021 年坡面攔蓄效益表現(xiàn)為年均攔蓄徑流量9.89 萬m3、攔蓄泥沙量0.23萬t，年均徑流攔蓄效益3.21%、泥沙量攔蓄效益39.18%，說明梯田水土保持措施具有較好攔蓄徑流泥沙效果，且攔蓄泥沙效果更好■