水土保持措施對黃河水沙影響評價模型及效益評價

水土保持措施對黃河水沙影響評價模型及效益評價

1水土保持與水資源及泥沙洛杉磯高原是中國的一個重要能源、化工和農(nóng)業(yè)基地。受干旱氣候影響,水資源貧乏,水土流失嚴重。大量的水土流失不僅使當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境進一步趨于惡化,而且大量泥沙淤積黃河下游河道,致使河槽萎縮,行洪能力降低,下游防洪問題更加嚴峻。自20世紀70年代以來,黃土高原開展了大規(guī)模的水土保持工作,實踐表明,水土保持是一項防止水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的重要舉措。但大規(guī)模的水土保持措施勢必對黃土高原水資源及土壤防蝕等方面產(chǎn)生重要影響,科學(xué)、定量評價水土保持對黃土高原水資源及泥沙的影響,是做好長期水土保持規(guī)劃、水資源利用的一項重要內(nèi)容。以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ),提出一套操作性強且行之有效的水土保持對水資源和泥沙影響評價系統(tǒng),進而科學(xué)、定量地評估水土保持對水資源和泥沙影響對黃河的治理開發(fā)具有重要意義。為此,在黃河水利委員會水土保持科研基金資助下,開展了“水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)對徑流、泥沙影響評價方法”項目的研究,水土保持對徑流、泥沙影響評價模型是其中的第三專題。本專題研究的總目標是:①提出適用于黃土區(qū)、風(fēng)沙區(qū)的水土保持措施生態(tài)環(huán)境建設(shè)對水資源、泥沙影響評價模型;②對黃土區(qū)、風(fēng)沙區(qū)的典型支流禿尾河(高家堡以上)、孤山川流域水土保持措施的蓄水攔沙效益作定量評價。在對現(xiàn)有水沙評價模型及研究流域水沙變化成果綜合分析的基礎(chǔ)上,通過分析水土保持措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙機制的影響,提出了適用于研究區(qū)域的水沙評價模型,并進行研究區(qū)域水土保持措施的蓄水攔沙效益評價,概括總結(jié)了該專題的主要研究成果。2水沙研究中的水沙評價模型分析自上世紀50年代,國內(nèi)外專家、學(xué)者及相關(guān)研究機構(gòu)便針對黃河開始了流域水文模擬及泥沙數(shù)學(xué)模型的研究。到目前為止,已有數(shù)十種水沙模型在黃河流域進行了應(yīng)用研究。就概念性水文模型而言,其參數(shù)多寡不等,結(jié)構(gòu)繁簡不一,計算的時空尺度也有較大差別;盡管不同模型描述的產(chǎn)匯流機制不同,但都從定量上重演了徑流形成的全部過程。幾乎所有模型都可表示為許多節(jié)點所成的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點表示流域中的某種蓄量或狀態(tài),而節(jié)點間的聯(lián)系則表示水分的轉(zhuǎn)移;因而任一模型都是由水量平衡方程和動力方程組合而成。不同的產(chǎn)輸沙模型之間在結(jié)構(gòu)、用途、表達形式和考慮的產(chǎn)沙因子等方面也存在較大的差異;從模型的結(jié)構(gòu)看,有的模型只是一個考慮了影響產(chǎn)沙因子的簡單代數(shù)方程式,這種模型表達了產(chǎn)沙因子與產(chǎn)沙量之間的直接關(guān)系;而有些模型則是由若干邏輯運算組成,模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;在產(chǎn)沙因子的考慮方面:一些模型只考慮降雨量及其特征或者徑流過程的一些特征量對產(chǎn)沙的影響,直接由降雨或徑流預(yù)報流域產(chǎn)沙;而近期發(fā)展的模型則系統(tǒng)考慮了降雨擊濺、徑流沖刷、徑流搬運和沉積的子過程特征,建立了產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙不同演進階段的連續(xù)模型。目前這些已經(jīng)初步應(yīng)用的水沙評價模型分析環(huán)境變化對水沙資源的影響問題中尚不同程度地存在著一些不足,具體表現(xiàn)在以下方面:①對資料要求過于嚴格,在實際操作中難以滿足要求;很難移植應(yīng)用到其它流域;②水土保持措施對水沙影響機制在評價模型中反映不足,使得評價模型的物理概念模糊,高、低水沙外延置信度低;③模型在實際應(yīng)用中適應(yīng)性欠缺,檢驗不夠,大多模型只經(jīng)過一個流域的檢驗。孤山川是近10年來在第一、二期“黃河水沙變化研究基金”、國家自然科學(xué)基金重大項目“黃河流域環(huán)境演變水沙運行規(guī)律”、“黃河流域水土保持基金”、“八五”期間國家重點科技攻關(guān)項目專題“多沙粗沙區(qū)水沙變化原因及發(fā)展趨勢預(yù)測”等項目的重點研究的支流之一。在上述項目的研究中,根據(jù)不同時段的降水、徑流和泥沙資料建立了不同的水沙統(tǒng)計模型,盡管各統(tǒng)計模型均對率定期間的徑流、泥沙具有良好的模擬效果,但不同統(tǒng)計模型得出的水土保持效益存在一定差異,甚至出現(xiàn)了水土保持措施減水減沙效益相反的情形。如第一期水保基金項目中的計算結(jié)果認為1970～1979年期間水土保持措施增加了孤山川流域的徑流,其增加量為512×104m3,而其他計算結(jié)果則認為水土保持在該時期依然攔蓄了徑流,盡管其攔蓄量在1307×104m3～2051×104m3之間變化,但相差依然接近1倍;1980～1989年期間水土保持措施對泥沙的計算影響量在196×104t～933×104t之間變化,差異超過3倍。分析認為,建立模型所用資料的代表性不足和統(tǒng)計模型本身外延精度不高的缺陷應(yīng)是引起該差異的主要原因。因此,應(yīng)進一步加強具有物理基礎(chǔ)的概念性流域水文模型在水沙變化分析中的應(yīng)用研究和資料代表性分析。3對暴雨產(chǎn)徑流沙機制的調(diào)控措施以黃土丘陵溝壑區(qū)的兩個對比溝插財主溝和羊道溝為研究對象,利用鄰區(qū)橫向?qū)Ρ确治龇ㄑ芯苛诵×饔蛩帘３值乃男?yīng),結(jié)果表明:水土保持措施具有較好的攔蓄徑流、泥沙的作用,并且可以有效地削減洪峰流量、降低徑流含沙量,滯后洪峰出現(xiàn)時間,縮短洪水歷時;盡管對降水與徑流、泥沙的相關(guān)性沒有太大改變,但改變了降水與徑流、泥沙的定量相關(guān)關(guān)系。黃河中游地區(qū)由于土層深厚,土質(zhì)疏松,包氣帶缺水量大,植被稀少,加之降雨歷時短、強度大,因此超滲產(chǎn)流是該地區(qū)主要的產(chǎn)流形式;其特點是地面徑流比重大,地下徑流所占比重較小,洪水歷時短,洪峰陡漲陡落,洪水過程線基本對稱。高強度暴雨擊濺土層,剝蝕地表,使土壤顆粒分散,極易被地面徑流沖刷攜帶,故暴雨和地面徑流是該地區(qū)產(chǎn)沙的主要動力。根據(jù)水利水保措施的特征及其攔減水沙的機制,可將它們劃分為兩種類型:①滯蓄型,主要指造林、種草和作物輪種等措施,②攔蓄型,主要包括淤地壩和水庫等措施。不同類型措施攔減水沙的機理不同;滯蓄型水土保持措施對土壤有良好的改造作用,并通過改變土壤結(jié)構(gòu)而增加土壤中非毛管孔隙率,增強土層的透水性和流域的蓄水能力。滯蓄型水保措施對產(chǎn)流的影響主要表現(xiàn)在增大了流域的滯蓄量和徑流調(diào)節(jié)能力,使產(chǎn)流機制向不利于地表徑流產(chǎn)生的方向發(fā)展。滯蓄型水保措施不僅增加了流域的地表被覆和地表糙率,而且根系對土壤具有良好的固結(jié)作用。其在減小地表徑流量及其流速的同時,也削弱了地表徑流的侵蝕及輸沙能力,并且在一定程度上延緩或阻滯泥沙出流。攔蓄型措施具有一定的容量,可在一定程度上攔蓄地表徑流及其攜帶的泥沙,從而減少徑流和泥沙的流失。由于泥沙在壩庫內(nèi)淤積,使得壩庫容量減小、攔減水沙的能力隨之降低;當發(fā)生一場強度很大的降雨時,產(chǎn)生的入庫水沙量超過其攔蓄能力極有可能發(fā)生垮壩事件。因此,水利水保工程措施對暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙機制的影響,基本上可由其“篩子效應(yīng)”和“泥盆效應(yīng)”來體現(xiàn);前者主要說明措施對徑流泥沙的削弱調(diào)節(jié)作用,而措施的攔蓄功能及工程破壞主要有后者來體現(xiàn)。其綜合影響的結(jié)果是使洪水泥沙過程不但變得較為低矮,而且具有一個較長而厚實的退水過程。4黃河月水文模型與改進的通用土壤侵蝕方程的對比分析水文模型的評價標準也是模型參數(shù)優(yōu)選的重要指標,參考目前國內(nèi)外研究成果,選取Nash效率標準EFF、對數(shù)Nash效率標準LEFF和平均相對誤差%MAR為模型的評價標準;計算公式如下:Nash效率標準:EFF=1?Σi=1N(Qobsi?Qsimi)2Σi=1N(Qobsi?Qbari)2EFF=1-Σi=1Ν(Qobsi-Qsimi)2Σi=1Ν(Qobsi-Qbari)2對數(shù)Nash效率標準:LEFF=1?Σi=1N(logQobsi?logQsimi)2Σi=1N(logQobsi?logQbari)2LEFF=1-Σi=1Ν(logQobsi-logQsimi)2Σi=1Ν(logQobsi-logQbari)2顯然,當EFF、LEFF越接近于1,平均相對誤差%MAR越接近于0,則說明模擬效果越好。以這三個評價標準作為參數(shù)率定的目標函數(shù)不僅可以較好地控制計算與實測的水沙平衡,而且可以較好地反映對水沙低值和高值的模擬效果。在本項目的研究中,根據(jù)上述評價標準,對下述模型進行了對比分析,水文模型包括:①霍頓和菲利浦下滲公式,②改進型格林—安普特下滲曲線,③美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(SoilConservationService)SCS模型,④流域超滲—蓄滿兼容產(chǎn)流模型,⑤TOPMODEL模型,⑥中大尺度流域水沙耦合模型,⑦黃河月水量平衡模型,⑧MIKE11河流模擬系統(tǒng)中的NAM模型,⑨DUFLOW河流模擬軟件中的RAM模型,(10)GR3J模型。產(chǎn)輸沙模型包括:①基于水流連續(xù)方程、水流運動方程和挾沙力方程推導(dǎo)的暴雨產(chǎn)沙方程,②清華大學(xué)暴雨產(chǎn)沙模型,③降雨侵蝕分離能力模型,④中大尺度流域水沙耦合模型,⑤黃委會暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙模型,⑥改進型通用土壤流失方程。在上述模型的對比評價中,限于資料,對其中的部分模型只是根據(jù)相關(guān)文獻資料中的模擬成果計算了三個評價指標。評價結(jié)果表明:上述這些模型均能夠較好地控制計算與實測水沙的平衡,其平均相對誤差小于10%;Nash效率標準在74%到92%之間變化;對數(shù)Nash效率標準在65%和86%之間變化,若以后兩個標準進行評價,盡管不同模型之間有相對較大的差別,但其模擬效果均可以接受。采用水文模擬途徑分析環(huán)境變化對徑流、泥沙的影響具有物理成因上的一致性,但該方法一般要求模型能夠計算長系列的水文過程,若計算時段過短(如日、時),則需要資料太多,不但計算繁瑣,而且現(xiàn)有資料也多難以滿足要求,基于上述原因綜合考慮,選擇月作為水沙變化原因分析的計算時段。盡管上述評價模型均在黃土高原典型流域或試驗區(qū)做了應(yīng)用嘗試,并取得了不錯的模擬效果,但有的對資料要求過高,難以滿足,有的參數(shù)太多,從而給模型的率定和應(yīng)用帶來諸多不便,相比之下,黃河月水文模型及改進的通用土壤侵蝕方程具有更好的適應(yīng)性,前者已在數(shù)十個支流得到應(yīng)用檢驗,與其它模型的對比分析,不僅模擬效果與其它知名模型相當,更具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少的優(yōu)點,便于推廣應(yīng)用;后者在全球的土壤侵蝕研究中已得到較好的推廣應(yīng)用,故選作為本次研究的模型。將黃河月水文模型和改進的通用土壤侵蝕方程應(yīng)用于孤山川流域和禿尾河高家堡以上地區(qū);為進一步檢驗?zāi)Ｐ偷耐庋幽芰?將資料“天然”時期的資料劃分為兩個階段,第一階段作為率定期只進行模型參數(shù)優(yōu)選,第二階段作為檢驗期,檢驗?zāi)Ｐ偷耐庋有Ч?。根?jù)選定流域內(nèi)水土保持措施的實施時間、措施規(guī)模及其引起的水沙變化,孤山川在1955～1969年期間和禿尾河高家堡以上地區(qū)在1966～1974年期間可視為流域處于天然狀態(tài)。根據(jù)流域的水文特征值變化,選定孤山川流域的率定期為1955～1964年,檢驗期為1965～1969年,禿尾河流域的率定期1966～1971年,1971～1974年作為模型檢驗期。水沙模擬結(jié)果表明:模型在孤山川流域具有更好的模擬效果,在率定期和檢驗期對徑流的模擬效率標準超過84%,對泥沙的模擬效率系數(shù)超過70%。在禿尾河流域,對徑流的模擬效率超過70%,對泥沙的模擬效率在65%和70%之間,同樣可以接受。5水沙變化的主要影響因素采用黃河月水文模型及改進5的土壤流失方程作為水沙評價模型分析環(huán)境變化對孤山川、禿尾河(高家堡以上)流域徑流、泥沙的影響。對孤山川流域的分析結(jié)果表明:①氣候因素對水沙的影響較水土保持的影響更為明顯,在各年代對徑流的相對影響量均超過60%,而對汛期7～9月份的泥沙相對影響量也在55%以上。②水土保持的蓄水保土量逐年代遞增,如20世紀70年代減水量為116萬m3,而90年代減水量達到1984萬m3;80、90年代水土保持措施在7～9月份的減沙量分別為417.9萬t和703.2萬t;由于1977年8月孤山川流域發(fā)生了特大暴雨,沖垮了500多座壩庫,造成泥沙急增,致使水土保持在70年代在攔沙方面為負效益。③降水減少使得流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少,盡管77年發(fā)生了特大暴雨,就年代平均而言,降水較前期也有一定程度的減少,70年代受此影響而減少水沙量分別為496萬m3和213.4萬t,90年代因降水減少而減少的水沙量分別達到3247萬m3和1004萬t。④不同時期人類活動和氣候變化對水沙的相對影響程度不同,降水因素在70年代對徑流的相對影響量最為明顯,受其影響的徑流減少量占總減少量的81%,而在90年代,水土保持對泥沙的相對影響量較其它年代顯著,其影響量占總減少量的41.2%?？偟膩砜?1970～1999年期間,降水減少是孤山川流域水沙減少的主要原因,其影響量分別占到水沙總減少量的63.1%和73.6%。對禿尾河高家堡以上風(fēng)沙區(qū)分析成果表明:①人類活動是風(fēng)沙區(qū)水沙變化的主要因素,其對徑流泥沙的影響量占水沙減少總量的60%以上;②1975～1982年期間水土保持措施對水沙的影響比例相對較大,超過30%;③從影響絕對量來看,人類活動的蓄水攔沙量具有遞增趨勢,在1975～1982年期間水土保持措施攔蓄的徑流深和泥沙量分別為21.7mm、517.2萬t,而在1983～1989年期間分別為44mm和570萬t。對比孤山川流域和禿尾河流域高家堡以上地區(qū)水土保持的蓄水攔沙效果可以發(fā)現(xiàn):氣候條件變化是處于黃土區(qū)的孤山川流域水沙變化的主要因素,而對位于風(fēng)沙區(qū)的高家堡以上地區(qū),水土保持等人類活動是水沙減少的