水土保持措施减水减沙研究概述，本文主要内容关键词为：水土保持论文,措施论文,减水减沙论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
人类活动对河川径流、泥沙的影响程度不断加剧，过度的垦荒、放牧、砍伐森林等破坏自然环境的行为，使一些流域水土流失面积不断增加。以我国长江流域为例，50年代水土流失面积为36.38万km[2]，占总面积的20.2%，到80年代，水土流失面积增加到56.24万km[2]，占总面积的30%以上。自80年代末以来，长江流域开始了大规模的“长治”工程，目前对长江上游水土流失严重地区的治理面积已达4.58万km[2]，治理区内的水土流失状况得到明显改善。我国水土流失最为严重的黄河流域自50年代开展治理以来，初步治理面积已达13.37万km[2]，减沙效益显著。初步估算，80年代黄河中游水土保持措施年均减沙在3亿t左右。研究水土保持减水减沙效益已成为泥沙研究和水土保持研究的一项重要课题。
1 研究概况
在开展水土流失治理的同时，对土壤侵蚀、水土流失及水土保持措施减水减沙效益的研究也在不断加强。80年代以前，研究重点基本上是通过水土保持实验区观测资料对影响土壤侵蚀的主导因子进行研究，揭示不同地形地貌、土壤特征、林草植被、水文气象条件下土壤侵蚀规律及单项水土保持治理措施的减水减沙效益等。80年代中期以来，加强了对重点治理流域片区研究。长江委结合三峡工程泥沙研究的需要，对三峡水库来水来沙条件作了深入分析研究，并对长江宜昌以上未来的来水来沙趋势作了初步预测；近期又进行了“长治”工程减沙效益研究。水利部专门设立了黄河水沙变化研究基金会和黄河流域水土保持基金，对黄河流域特别是中游地区侵蚀产沙规律、水土保持减沙效益和水沙变化进行了较系统的研究。中国科学院、西北水土保持所、河海大学、武汉水电大学等科研机构和大专院校，各省区的水文、水土保持部门，应用不同方法对全国水土流失及水土保持治理的重点流域片区的水沙变化规律及水土保持措施的减沙效益进行了研究。如广东韩江流域、北盘江流域水土流失和治理研究，海河流域石质山区土壤侵蚀及治理研究，福建省土壤流失预报研究，宜昌太平溪小流域综合治理效益研究等。通过广大科技工作者的努力，提出了一些新方法和新成果，为今后系统地研究水土保持措施减水减沙作用及预测水沙变化趋势打下了基础。
2 土壤侵蚀产沙及输移规律研究
分析水土保持措施减水减沙效益及水沙变化趋势，是从研究流域土壤侵蚀产沙及泥沙输移基本规律开始的。从19世纪后期开始，就有人研究过土壤侵蚀问题。美国在本世纪20年代成立了土壤保持局，在开展土壤保持工作的同时，着重对土壤侵蚀问题进行研究。我国也早在40年代初期就在天水市及关中地区建立了水土保持实验区，对人工种草、沟垄耕作等水土保持措施的减水减沙效益进行了观测研究。建国后，全国在水土流失重点防治区普遍建立了水土保持实验区和科学实验站。同时各科研机构、大专院校也加大了对土壤侵蚀、水土流失规律及水土保持效益等方面的研究，逐步形成了一套较为系统的研究坡面及沟谷土壤侵蚀特性及土壤侵蚀与各影响因素间关系的方法和成果，为定量研究水土保持措施减水减沙效益提供了理论依据。
2.1 坡面侵蚀和沟道侵蚀规律
因为侵蚀的机制不同，坡面和沟道侵蚀具有不同的特点。自60年代以来，许多学者对各试验站的资料进行了统计分析，定量表达不同区域土壤侵蚀物质的垂直分布特点及相互关系。蒋德麒等进行的研究表明，沟谷地的侵蚀模数一般大于坡面和沟间地。但由于坡地远大于沟地，一般坡地和沟间地的侵蚀总量远大于沟谷地。
2.2 降雨侵蚀规律
降雨侵蚀主要取决于降雨特性和下垫面状况，降雨特性包括降雨总量、强度、历时、雨滴大小等。研究结果表明：一般来说，在植被差的地区，随着降雨量增大，土壤侵蚀量（或产沙量）有增大的趋势；但在年降水量较丰的地区，其森林植被往往较好，侵蚀可能较轻。黄委对黄土高原地区输沙模数与年降水量相关关系研究的结果表明：输沙模数在多年平均降水量400～500mm时达到最高值。
降雨历时与土壤侵蚀的关系，目前还存在分歧，国内研究表明，溅蚀率随降雨历时的增加有从增大到减小的变化过程。降雨强度与侵蚀产沙关系密切，雨强越大，侵蚀量越大，尤其在高雨强时，侵蚀量增加明显。据分析，雨强I同侵蚀量Wc之间存在着幂函数关系：
Wc=aI[b](1)
2.3 泥沙输移比研究
侵蚀物质在输移过程中伴有沉积，产沙量只是侵蚀量的一部分。泥沙输移比为通过河流某一断面的输沙量与该断面以上进入水流中的侵蚀量之比。泥沙输移比大小受流域地形地貌和环境等诸多因素影响，如沙源种类、地形地貌特征、流域形状和河道状况、植被、土壤结构、侵蚀物质粗细等。正是由于输移比影响因素复杂，没有充足的实测资料，准确分析流域泥沙输移比存在问题较多，这也是水土保持分析法估算水土保持减沙效益的主要障碍之一。
国外研究认为：泥沙输移比有随流域面积增大而迅速递减的趋势。我国对泥沙输移比的研究已有几十年的历史。黄委对黄河流域研究后认为，泥沙输移比的大小因时段和空间而异，同一流域在不同时段其值是不同的，不同流域泥沙输移比相差较大。
3 水土保持措施减水减沙效益研究
3.1 水土保持分析法
根据水土保持试验站试验资料，对治理流域按各项水土保持措施分项计算减水减沙效益，并考虑流域侵蚀产沙在河道运行中的冲淤变化，最后计算水土保持措施减水减沙效益的一种方法，叫水土保持分析法。水土保持分析法必须与土壤侵蚀研究密切结合，准确细致地分析试验区各单项措施固沙减水效果，然后才能应用到研究流域。
水土保持单项措施一般包括生物措施和工程措施，生物措施包括植树造林、人工种草治理坡地和沟谷；工程措施主要包括农田的坡改梯、修筑淤地坝和蓄水蓄沙塘堰以及实施水土保持耕作法等。同一地区的不同措施或不同地区的同一措施其减水减沙作用是不同的。在用水土保持分析法计算减水减沙效益时，应注意选择同类地区的试验资料。
水土保持分析法用于水土保持减水减沙效益的研究，80年代以前较多地局限于试验区和小流域。80年代后期黄委将其应用于黄河水系的北洛河、无定河等大中流域减水减沙效益分析及水沙变化趋势预测；长江委也较好地运用水土保持分析法研究了嘉陵江中下游低山丘陵区和三峡库区“长治”工程的减沙效益。
水土保持分析法作为一种直观的成因分析法，对水土保持措施实施和保存情况的资料要求严格，在应用前除收集地方水土保持部门的统计资料外，还必须与野外调查相结合，确保各种治理措施的数据准确可靠。蓄水拦沙指标的确定，要在小区观测资料基础上，利用水文站成果和土壤侵蚀研究成果予以修正。此外应用此法的一个关键问题是泥沙输移比的确定，特别在无水文泥沙观测资料的河流。
3.2 水文模型法
水文模型法是根据对降雨径流和产沙基本规律分析，建立计算水土保持减水减沙效益的降雨产流产沙模型。水文模型主要分为两类：一类是经验性的水文统计模型；一类是概念性的产流产沙物理模型。
3.2.1 水文统计模型
水文统计模型从输沙角度出发，在水文站实测水沙资料的基础上，根据统计相关理论，建立水土保持措施治理前流域产流产沙模型，然后将治理后降雨条件代入还原计算相当于治理前的产流产沙量，再与治理后实测的水沙比较，得到水利水土保持措施减水减沙效益。水文统计模型现阶段应用较多，也较为成熟。特别是对大尺度的流域，水文统计模型是较为理想的方法，但该方法最大的缺点是不易单独进行未来趋势预测。
(1)降雨径流模型。经验的降雨径流模型在水文学中应用较多。通常的降雨径流统计模型，根据不同流域既可选择线性相关，也可选择幂指数相关；既可选择单因素相关，也可选择多因素综合相关，应用时可根据实测资料优化拟合确定。
(2)产沙经验模型。产沙经验模型是由产输沙量与影响产输沙的主导因子间通过回归分析等建立产沙经验关系，产沙经验关系主要有降雨产沙关系与径流输沙关系。
降雨产沙经验模型：降雨产沙关系是通过流域测控点以上降雨与测控点输沙量建立经验关系式，主要有降雨量与产输沙量的关系和暴雨与产输沙的关系。张有芷等分析了长江上游地区暴雨与输沙量的关系。杨永德等进行了李子溪流域输沙与降雨、洪水等多因子回归分析。焦恩泽等以汛期有效雨量与有效雨强为参数与产沙量建立关系，分析了窟野河水沙变化趋势。熊贵枢等以不同雨强累积雨量与产沙量建立关系分析了黄河中游河口镇至龙门区间水沙变化。王宏等通过建立年输沙量和年降水量、汛期不同雨强累积雨量及相应强度等的综合关系，分析了渭河流域水利水保持措施对泥沙径流影响。周明衍提出了以特征降雨模比系数为降雨指标的降雨产沙关系。王云璋等根据黄河中游地区降雨及下垫面分布特点，建立了产沙地区综合公式，定量评价降雨和流域治理在水沙变化中的作用。
径流量和输沙量的关系：径流量和输沙量的关系包括洪水峰、量也输沙量的关系和年、月径流与输沙量的关系或它们的综合关系。戴明英等对延水、无定河、清涧河等流域水沙实测资料分析后认为月径流与月输沙的关系可分为3个区：第1区径流量较小，沙量也不大，当到一定程度时输沙与径流的增长成正比趋势，此时地表径流为零，反映的是地下径流挟沙与河道冲沙特性；第2区径流变化不大，而输沙量则相差悬殊，这是由于降雨后形成地表径流挟带泥沙进入河道，此时因地下径流所占比重很大，一般坡面产多少沙河道就能输多少沙；第3区当沙量达到一定值后，又显示出沙量随径流量增加的趋势。
据钱宁等研究，流量Q和输沙率Qs存在着下述关系：
Qs=KQ[N] (2)
且国内大部分河流N值在2.0～4.0之间。
根据(2)式即可建立径流W与沙量Ws的关系：
Ws=K′W[N] (3)
(3)式说明径流与沙量呈指数关系，来水量越大，来沙量也越大，减水势必减沙。因此若能建立降雨径流关系，再由径流泥沙关系估算水土保持减水减沙效益也是一种好的途径。嘉陵江李子溪的水沙关系中指数关系的相关系数最大；安和平分析了北盘江不同时段径流量与年输沙模数的指数关系。
3.2.2 水文概念性物理模型
概念性物理模型以流域为系统，模拟流域上降雨、径流及产输沙形成过程，其特点是基于流域水文的自然过程，根据“确定性系统”的概念与方法，作出数字模拟。一个物理模型表达为结构及参数两个方面。在模型的研制方面，又分为降雨径流模型和产沙模型。
降雨径流概念性模型有蓄满产流和超渗产流两大理论体系，国际上比较通用的模型有萨克拉门托模型、水箱模型、API模型等。我国应用较成功的模型有南方湿润地区的新安江模型和北方干旱地区的陕北模型。概念性流域产沙模型是把侵蚀产沙、水沙汇流及泥沙沉积的物理过程经过一定的简化，以数学形式表达的关系。概念性产沙模型还不够完善，应用时尚有许多地方有待改进。
国外降雨侵蚀产沙的模型不少，60年代美国Standford-IV模型模拟的地表径流，把贮存物质输走，并用此来计算细沟和切沟侵蚀。类似的模型还有AMR、CSU、ANSWERS等模型。这些模型的共同特点都是利用输入降雨等过程来模拟水文和侵蚀产沙过程。国内对降雨产沙结构模型的研究起步相对要晚些。80年代，樊尔兰等首先利用纳希瞬时单位线理论，提出了悬移质输沙单位线模型，由流域侵蚀量推求流域出口的输沙过程；杨永德等利用悬移质输沙单位线模拟嘉陵江李子溪流域的暴雨产沙过程，效果比较理想。汤立群等建立了黄土丘陵沟壑区小流域产沙过程模型；包为民等还提出了概念性汇沙模型及中大流域水沙藕合模拟物理概念模型等。
4 水沙变化趋势预测
水土保持措施影响后流域水沙特性必然发生变化，这对水利水电工程的兴建、河道规划整治、防洪、后期水土保持措施规划等将产生较大影响，正确估计和预测水沙变化趋势意义重大。
4.1 结合水土保持措施规划预测
一种方法是用水文方法建立水土保持措施治理程度和减水减沙效益关系，然后根据今后一段时期内的水利水土保持措施规划，预测规划期内的水沙变化趋势。另一种方法是用水土保持分析法直接计算各单项水土保持措施不同治理程度的固土固沙、涵水减蚀效益，然后结合水土保持规划方案中未来一定时期内各种单项水土保持措施计划实施规模，来预测未来的水沙变化趋势。通过水土保持规划方法来预测未来水沙变化趋势，指标过硬，概念清晰。无论是用其中的水文法还是水土保持分析法，关键还是要准确计算水土保持措施治理程度和减水减沙效益的关系。计算时，水文系列无论治理前后，都应包含丰、平、枯各种来水年段；水土保持资料的统计一定要准确，统计新的水土保持治理面积时，对以往治理而现在已损毁的必须扣除。
4.2 数学模型预测
目前用数学方法对水沙变化趋势预测的主要有灰色系统模型和随机模型。随机模型主要应用于水文序列的模拟和预报。当人类活动影响较小，水沙变化不明显或没有趋势变化时，用随机模型进行模拟和预测比较理想，对于水土保持措施影响后的水沙变化趋势分析则不太合适。陈显维等曾用随机模拟的方法，分析了长江三峡水库来水来沙条件的稳定性趋势。灰色模型预测，目前可谓方兴未艾，GM(m,n)灰色模型预测，实质是找出某一系列数据间的动态关系。刘毅等利用灰色系统模型对三峡水库控制站宜昌站和嘉陵江上游西汉水顺利峡站水沙系列进行灰色关联分析和模拟，其模拟过程与实测过程配合良好。近年来，武汉水电大学、黄委等对黄河流域中游水沙系列进行了较多的灰色系统分析，陈小红等对黄河的水沙系列进行模拟，其模拟效果理想。
由于水沙变化趋势受多种因素影响，要很准确地定量预测比较困难。50年代，三门峡水库的兴建，就是因为水沙变化趋势预测失误，造成了极大损失。因此，今后应加强对水利水土保持措施减水减沙效益及未来水沙变化趋势的分析研究工作。
5 结语
80年代以来，水土保持措施对水沙变化的影响研究取得了可喜的成绩，但存在的问题还很多。①水土保持重点治理区往往缺乏水沙观测资料，给分析研究工作增添了困难。②从降雨侵蚀产沙的角度来看，对实验资料和小流域情况分析比较多，而要准确地推广运用到大尺度的流域上去，还有相当的差距。③虽然分析水土保持措施减水减沙效益的方法很多，但没有较成熟的水文统计模型，因为影响水沙变化的因子较多，难以全面考虑，且水沙关系非线性，资料的长短及其代表性显得尤为重要。而产沙输沙的水文概念性物理模型起步较晚，还不能象降雨径流模型那样方便地应用。④诸如农田及耕作措施拦蓄水沙作用、河道本身冲淤对水沙变化的影响等研究比较欠缺，有待重视。⑤水土保持措施影响后水沙变化趋势预测，目前还处于起步阶段，特别是缺少对未来较长时期的预测。一方面，降雨产沙本身是不确定的；另一方面，人类活动影响显著，增加了预测的难度和不确定性。
因此，要较准确地分析水土保持措施减水减沙效益及预测未来的水沙变化趋势，还得从基本资料、基础理论方面入手，通过实测资料，分析水沙规律，并不断探索用高新技术（遥感、GIS等）研究水土保持措施减水减沙效益及趋势预测。