水土保持工程措施对洪峰和洪量的影响程度,农业基础科学论文

　　水土保持措施既有以林草植被营造为主的生物措施，还有包括梯田、条田、鱼鳞坑、池塘、水坝等的工程措施。按照各项措施对水文过程作用机理的不同，可将水土保持措施划分滞蓄型和拦蓄型水土保持措施。滞蓄型措施如造林、种草和农田轮作等能通过增加地表覆盖和地表糙度，促进水分下渗，减少并延缓产流。拦蓄型措施，如淤地坝和水库等，具有一定的容水量，以直接拦蓄径流的方式减少水土流失量。

　　水土保持改变了流域下垫面条件，进而对洪水径流产生了影响。

　　流域综合治理会引起洪水径流特征的变化，并可以定量分析下垫面变化对径流量的影响程度，但很少区分水土保持措施对径流的定量影响。水土保持措施对水文水资源的定量影响研究，主要采用水文法和水保法两种方法。水文法是利用水文观测资料建立水文统计模型分析水土保持措施减水减沙作用的一种方法。水文法就具体方法而言，分为经验公式法、双累积曲线法、不同系列对比法以及水文模型法。水保法是根据水土保持措施对径流形成的影响机理和径流小区观测资料，通过分析和确定各项措施对径流量的作用强度，计算各项水土保持措施对径流量的影响，各项之和即为流域水土保持措施对径流的影响量。綦俊谕等采用经验公式法、双累积曲线法和不同系列对比法计算了岔巴沟、大理河与无定河流域20世纪70年代水土保持综合措施的平均减水效益和减沙效益。并采用减水效率来表示水土保持综合措施减水作用的能力。穆兴民等采用小流域平行对比观测法，分析了黄土高塬沟壑区水土保持对小流域地表径流的数量及其时间分布特征的影响。并在变量共线性分析基础上，提出了流域降水量标度和水土保持标度及其计算方法，建立了流域降水－水土保持－径流统计模型。仇亚琴等采用分布式水文模型(WEP－L模型)，以汾河流域为研究对象，定量研究了流域尺度水保措施对流域水循环分量及水资源量的影响。张升堂，康绍忠等研究表明水土保持综合治理可以明显改变中雨、大雨级的降雨产流量。冉大川采用水保法估算了黄河中游水土保持措施的减水减沙作用。Sauer在人工径流场利用水量平衡方法分析了坡地单元的地表特征、暴雨特性等因素与产流的相互关系。Basic分析了不同耕作方式下的径流及土壤流失。Tan分析了耕作对蒸发及经流的影响。这些研究不同程度揭示了各种水土保持治理措施对降雨径流的影响。

　　统计模型结构相对简单，使用方便且能达到一定的精度，在生产和实践中得到了广泛应用。双累积曲线法主要用于水土保持措施对年径流的影响，水文模型相对复杂，需要输入的参数较多，而且缺乏观测资料，参数获取也较为困难。水土保持措施对次洪洪峰和洪量的影响，一般采用系列对比法，即选择水土保持措施实施前后两场相似降雨产生的洪水过程，对比其洪峰和洪量。但要求选择的每组暴雨具有相似降雨量、时空分布和前期影响雨量，由于暴雨发生的随机性，从历史暴雨洪水资料中选择完全相似的暴雨过程是比较困难的。因此，该方法分析得到的水土保持措施对洪水的影响程度受其他因素的影响。文中研究的目的是为了消除降雨特征等因素的影响，根据历史实测暴雨洪水资料，估算出水土保持工程措施的蓄水容量，在此基础上分析水土保持工程措施对洪峰和洪量的影响程度。

　　1、材料与研究方法

　　1．1数据来源

　　基于实测水文资料分析水土保持工程对流域洪水特征影响，主要采用冷口以上流域实测暴雨洪水资料，资料系列长度为1956～2010年，由河北省水文水资源勘测局提供。为了说明研究流域暴雨洪水变化主要原因为水土保持措施，采用中国科学院遥感应用研究所提供的1970、1980及2000年代的土地利用遥感数据，分析冷口以上流域土地利用变化。

　　1．2研究方法

　　为了估算谷坊坝、水平沟等水土保持工程措施对洪水的影响程度，首先应估算水土保持工程的蓄水容量和集水面积。但由于冷口以上流域修建谷坊坝等水土保持工程众多，无法根据实际调查或地形信息得到其蓄水容量，因此，需要利用实测水文资料来估算。首先选择水土保持工程修建前后两场相似降雨过程，其降雨量较大，认为产生的地面径流可以使谷坊坝等水土保持工程蓄满，经过分割地面径流，两场降雨过程产生的地面径流量差值即为水土保持工程的蓄水容量。另外，统计水土保持工程修建前多场暴雨洪水的时段最大降雨量与洪峰，并建立二者之间的关系式。选择水土保持工程修建后主雨峰靠前的降雨过程，其在水土保持工程集水面积上产生的径流全部被水土保持工程拦蓄，根据时段最大降雨量与洪峰关系式计算水土保持工程修建后暴雨应产生的理论洪峰值Q计算，并与实测洪峰Q实测对比，计算值与实测值的相对变化程度即为水土保持工程的集水面积占全流域面积的百分比幔缡?(1):

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　　1．3研究流域概况

　　冷口以上流域位于滦河流域下游(图1)，地处河北省秦皇岛市青龙满族自治县，面积502km2，河道全长76km。流域汛期多年平均降水量575mm，7～8月降水量占汛期降水量的71．5%，降雨强度大，降雨历时短，降雨量集中，以超渗地表径流为主。流域多年平均年径流量为1．03亿m3，洪水主要产自汛期暴雨，洪水暴涨暴落。1962年7月25日实测最大流量1580m3/s。

　　冷口站以上流域是河北省水土保持重点治理区，70年代主要修建谷坊坝，1997～1999年主要是修水平梯田，营造用材林，栽植经济林，营造薪炭林，修建谷坊坝，挖围山转(水平沟)，挖大埯。另外，该流域土地利用类型也发生了变化，但变化程度较小。下垫面变化导致洪水量级减小。

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　　2、结果与分析

　　2．1土地利用变化分析

　　采用中国科学院遥感应用研究所提供的1970、1980和2000年海河流域250m×250m土地利用资料，从中提取冷口以上流域的土地利用数据(图2和表1)。

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　　由图2和表1可以看出，冷口以上流域主要土地利用类型为林地和草地，占全流域面积的80%以上，耕地也占有一定比例。流域内1970～1980年间，耕地、林地、草地和建筑用地均增加，水域面积减小，但是各土地利用类型变化程度均不足2%。1980年和2000年土地利用面积相比，没有变化，流域内水土保持以工程措施为主。

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　　2．2水土保持工程蓄水容量估算

　　选择冷口以上流域水土保持工程修建前后量级较大，且相似降雨产生的洪水过程，分别为640813和940711次洪水过程，进行水土保持工程蓄水容量估算。两场暴雨洪水过程特征值(表2)，暴雨空间分布(图3)。由于940711次洪水过程产生的地面径流为69．5mm，可以使水土保持工程蓄满，因此，640813和940711次洪水过程产生的地面径流差值7．8mm即为冷口以上流域水土保持工程的蓄水容量。

　　2．3水土保持工程集水面积估算

　　统计水土保持工程修建前的8场暴雨洪水的最大1h降雨量与洪峰值(表3和图4)。拟合最大1h降雨量与洪峰的关系如式(2)，相关系数为0．823。Q=958．271nP－1984．5(2)选择880808、960809、980713和080704次洪水过程对应的降雨过程，分别估算水土保持工程的集水面积幔缓笕∑骄底魑淇谝陨狭饔蛩帘３止こ痰募婊Ｍ臣普?4场降雨的最大1h降雨量，代人式(2)，即可得到水土保持工程修建前的洪峰流量。根据公式(1)即可得到水土保持工程的集水面积占全流域面积的比例，选择的降雨洪水特征及计算结果(表4)。根据表4中计算结果可知，冷口以上流域水土保持工程的集水面积约占全流域面积的73%。
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　　2．4水土保持工程对洪水影响程度分析

　　根据估算的冷口以上流域水土保持工程蓄水容量和集水面积，对70年代以前的洪水进行还现计算，对70年代以后的洪水进行还原计算，分析水土保持工程对洪量和洪峰的影响程度(表5)。

　　从表5中可以看出，冷口以上流域水土保持工程措施对每场洪峰和洪量的影响程度差异较大，由于冷口流域洪水直接径流比例较大，一般可以将谷坊坝等工程蓄满，因此，如图5所示，水土保持工程对洪量的影响程度随着洪水量级的增加而减小，如620724次洪水过程实测洪量为152．2mm，洪量减小5．1%，880808次洪水洪量22．4mm，洪量减小25．8%。

　　但是谷坊坝等水土保持工程对洪峰的影响程度与洪水量级关系不明显，洪峰变化率与洪峰的关系比较散乱(图5)，主要和降雨的时程分配有关。水土保持工程对洪峰的影响与降雨类型有关，如620724次洪水，水利水保工程对洪峰影响为0，主要是因为该次洪水的洪峰是由分布在降雨历时末的主雨峰形成，该次洪水总量为152．2mm，主雨峰之前的降雨产生的地表径流将谷坊坝等工程蓄满，主雨峰形成的洪水过程不受水土保持工程的影响。

　　另外，根据表中水土保持工程对880808、960809、980713和080704次洪水洪峰的影响程度，与表中由统计方程计算的水土保持工程集水面积对比，二者比较接近，验证了采用统计方程计算集水面积的合理性。

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　　3、讨论

　　水土保持措施对洪水径流的影响程度，一般采用分项估算的方法，即根据单位面积林地、草地及单位长度水平阶、谷坊坝等各项工程的蓄水保水能力及综合治理面积求得，这种方法虽然可以得到各种措施对洪水径流的影响程度，但是对于多数流域实际的水平沟及谷坊坝等的蓄水容量难以调查。在小流域也可以采用平行对比观测法。在缺少这些详细资料的情况下，由实测暴雨洪水资料系列来估算水土保持措施对洪水的影响是一种可行的方法。

　　对于冷口以上流域水土保持工程蓄水容量和集水面积的估算方法，仅适用于流域内水土保持措施以工程措施为主的流域，对于综合治理的流域蓄水容量和计算面积的估算，需要根据土地利用变化分析的结果进一步研究。如果流域内土地利用变化较大，则应根据林地、草地及梯田的保水能力将洪水还原到同一土地利用条件下，再根据文中的估算方法来计算谷坊坝等工程对洪水的影响程度。

　　另外，水土保持工程对洪峰和洪量的影响程度分析结果，仅考虑了常遇洪水情况，一旦谷坊坝等水土保持工程遭遇超标准洪水将会溃坝，和没有水土保持工程相比将会增加洪峰，对下游带来更大的灾害。

　　4、结论

　　根据冷口流域水土保持实际情况，估算了冷口流域水土保持工程的蓄水容量和集水面积，并分析了水土保持工程对冷口流域洪峰和洪量的影响，得到了以下主要结论。

　　(1)根据冷口流域水土保持主要是谷坊坝等工程措施的实际情况，提出了由历史实测暴雨洪水资料推求水土保持工程措施蓄水容量的方法，并选择两场暴雨量、空间分布及历时等特征相似的大暴雨产生的洪水过程进行对比，估算出冷口流域水土保持工程措施的蓄水容量为7．8mm。

　　(2)建立了水土保持工程修建前时段最大雨量与洪峰的统计方程，选择水土保持工程修建后主雨峰靠前的几场暴雨洪水过程，根据该方程计算了这几场暴雨产生的理论洪峰值，在此基础上估算了冷口流域水土保持工程的集水面积为73%。

　　(3)根据估算的冷口流域水土保持工程的蓄水容量和集水面积，选择多场洪水进行还原和还现计算，估算了水土保持工程对洪峰和洪量的影响。水土保持措施对历史实测洪水洪量的影响程度随着洪水量级的增加而减小，对洪峰的影响程度与降雨的时程分配有关。对主雨峰靠前的洪峰影响程度大，主雨峰靠后的洪峰影响程度小，甚至没有影响。在遭遇特大洪水时，需要考虑谷坊坝等的溃坝情况进一步分析。

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