水土保持措施對(duì)黃河水沙影響評(píng)價(jià)模型及效益評(píng)價(jià)

水土保持措施對(duì)黃河水沙影響評(píng)價(jià)模型及效益評(píng)價(jià)

1水土保持與水資源及泥沙洛杉磯高原是中國的一個(gè)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(yán)重。大量的水土流失不僅使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境進(jìn)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(yán)峻。自20世紀(jì)70年代以來,黃土高原開展了大規(guī)模的水土保持工作,實(shí)踐表明,水土保持是一項(xiàng)防止水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措。但大規(guī)模的水土保持措施勢必對(duì)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(píng)價(jià)水土保持對(duì)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(xiàng)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(qiáng)且行之有效的水土保持對(duì)水資源和泥沙影響評(píng)價(jià)系統(tǒng),進(jìn)而科學(xué)、定量地評(píng)估水土保持對(duì)水資源和泥沙影響對(duì)黃河的治理開發(fā)具有重要意義。為此,在黃河水利委員會(huì)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(duì)徑流、泥沙影響評(píng)價(jià)方法”項(xiàng)目的研究,水土保持對(duì)徑流、泥沙影響評(píng)價(jià)模型是其中的第三專題。本專題研究的總目標(biāo)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(duì)水資源、泥沙影響評(píng)價(jià)模型;②對(duì)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?dāng)r沙效益作定量評(píng)價(jià)。在對(duì)現(xiàn)有水沙評(píng)價(jià)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(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制的影響,提出了適用于研究區(qū)域的水沙評(píng)價(jià)模型,并進(jìn)行研究區(qū)域水土保持措施的蓄水?dāng)r沙效益評(píng)價(jià),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(píng)價(jià)模型分析自上世紀(jì)50年代,國內(nèi)外專家、學(xué)者及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)便針對(duì)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(jìn)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(jì)算的時(shí)空尺度也有較大差別;盡管不同模型描述的產(chǎn)匯流機(jī)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(diǎn)所成的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)表示流域中的某種蓄量或狀態(tài),而節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(dá)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(gè)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(dá)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(yùn)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(duì)產(chǎn)沙的影響,直接由降雨或徑流預(yù)報(bào)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(yùn)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(jìn)階段的連續(xù)模型。目前這些已經(jīng)初步應(yīng)用的水沙評(píng)價(jià)模型分析環(huán)境變化對(duì)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(duì)資料要求過于嚴(yán)格,在實(shí)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(duì)水沙影響機(jī)制在評(píng)價(jià)模型中反映不足,使得評(píng)價(jià)模型的物理概念模糊,高、低水沙外延置信度低;③模型在實(shí)際應(yīng)用中適應(yīng)性欠缺,檢驗(yàn)不夠,大多模型只經(jīng)過一個(gè)流域的檢驗(yàn)。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(xiàng)目“黃河流域環(huán)境演變水沙運(yùn)行規(guī)律”、“黃河流域水土保持基金”、“八五”期間國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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(xiàng)目的重點(diǎn)研究的支流之一。在上述項(xiàng)目的研究中,根據(jù)不同時(shí)段的降水、徑流和泥沙資料建立了不同的水沙統(tǒng)計(jì)模型,盡管各統(tǒng)計(jì)模型均對(duì)率定期間的徑流、泥沙具有良好的模擬效果,但不同統(tǒng)計(jì)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?；痦?xiàng)目中的計(jì)算結(jié)果認(rèn)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(jì)算結(jié)果則認(rèn)為水土保持在該時(shí)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(duì)泥沙的計(jì)算影響量在196×104t～933×104t之間變化,差異超過3倍。分析認(rèn)為,建立模型所用資料的代表性不足和統(tǒng)計(jì)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(jìn)一步加強(qiáng)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(duì)暴雨產(chǎn)徑流沙機(jī)制的調(diào)控措施以黃土丘陵溝壑區(qū)的兩個(gè)對(duì)比溝插財(cái)主溝和羊道溝為研究對(duì)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(shí)間,縮短洪水歷時(shí);盡管對(duì)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(shí)短、強(qiáng)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(diǎn)是地面徑流比重大,地下徑流所占比重較小,洪水歷時(shí)短,洪峰陡漲陡落,洪水過程線基本對(duì)稱。高強(qiáng)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?jiǎng)恿Α８鶕?jù)水利水保措施的特征及其攔減水沙的機(jī)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(jī)理不同;滯蓄型水土保持措施對(duì)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(qiáng)土層的透水性和流域的蓄水能力。滯蓄型水保措施對(duì)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(jī)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(duì)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(shí),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(dāng)發(fā)生一場強(qiáng)度很大的降雨時(shí),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(duì)暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)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(duì)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(gè)較長而厚實(shí)的退水過程。4黃河月水文模型與改進(jìn)的通用土壤侵蝕方程的對(duì)比分析水文模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也是模型參數(shù)優(yōu)選的重要指標(biāo),參考目前國內(nèi)外研究成果,選取Nash效率標(biāo)準(zhǔn)EFF、對(duì)數(shù)Nash效率標(biāo)準(zhǔn)LEFF和平均相對(duì)誤差%MAR為模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);計(jì)算公式如下:Nash效率標(biāo)準(zhǔn):EFF=1?Σi=1N(Qobsi?Qsimi)2Σi=1N(Qobsi?Qbari)2EFF=1-Σi=1Ν(Qobsi-Qsimi)2Σi=1Ν(Qobsi-Qbari)2對(duì)數(shù)Nash效率標(biāo)準(zhǔn):LEFF=1?Σi=1N(logQobsi?logQsimi)2Σi=1N(logQobsi?logQbari)2LEFF=1-Σi=1Ν(logQobsi-logQsimi)2Σi=1Ν(logQobsi-logQbari)2顯然,當(dāng)EFF、LEFF越接近于1,平均相對(duì)誤差%MAR越接近于0,則說明模擬效果越好。以這三個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為參數(shù)率定的目標(biāo)函數(shù)不僅可以較好地控制計(jì)算與實(shí)測的水沙平衡,而且可以較好地反映對(duì)水沙低值和高值的模擬效果。在本項(xiàng)目的研究中,根據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)下述模型進(jìn)行了對(duì)比分析,水文模型包括:①霍頓和菲利浦下滲公式,②改進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(huì)暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙模型,⑥改進(jìn)型通用土壤流失方程。在上述模型的對(duì)比評(píng)價(jià)中,限于資料,對(duì)其中的部分模型只是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料中的模擬成果計(jì)算了三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明:上述這些模型均能夠較好地控制計(jì)算與實(shí)測水沙的平衡,其平均相對(duì)誤差小于10%;Nash效率標(biāo)準(zhǔn)在74%到92%之間變化;對(duì)數(shù)Nash效率標(biāo)準(zhǔn)在65%和86%之間變化,若以后兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),盡管不同模型之間有相對(duì)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(duì)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(jì)算長系列的水文過程,若計(jì)算時(shí)段過短(如日、時(shí)),則需要資料太多,不但計(jì)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(jì)算時(shí)段。盡管上述評(píng)價(jià)模型均在黃土高原典型流域或試驗(yàn)區(qū)做了應(yīng)用嘗試,并取得了不錯(cuò)的模擬效果,但有的對(duì)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(jìn)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(gè)支流得到應(yīng)用檢驗(yàn),與其它模型的對(duì)比分析,不僅模擬效果與其它知名模型相當(dāng),更具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn),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(jìn)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(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐庋幽芰?將資料“天然”時(shí)期的資料劃分為兩個(gè)階段,第一階段作為率定期只進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)選,第二階段作為檢驗(yàn)期,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐庋有Ч?。根?jù)選定流域內(nèi)水土保持措施的實(shí)施時(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)期對(duì)徑流的模擬效率標(biāo)準(zhǔn)超過84%,對(duì)泥沙的模擬效率系數(shù)超過70%。在禿尾河流域,對(duì)徑流的模擬效率超過70%,對(duì)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(jìn)5的土壤流失方程作為水沙評(píng)價(jià)模型分析環(huán)境變化對(duì)孤山川、禿尾河(高家堡以上)流域徑流、泥沙的影響。對(duì)孤山川流域的分析結(jié)果表明:①氣候因素對(duì)水沙的影響較水土保持的影響更為明顯,在各年代對(duì)徑流的相對(duì)影響量均超過60%,而對(duì)汛期7～9月份的泥沙相對(duì)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(jì)70年代減水量為116萬m3,而90年代減水量達(dá)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(fù)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(dá)到3247萬m3和1004萬t。④不同時(shí)期人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水沙的相對(duì)影響程度不同,降水因素在70年代對(duì)徑流的相對(duì)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(duì)泥沙的相對(duì)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(duì)禿尾河高家堡以上風(fēng)沙區(qū)分析成果表明:①人類活動(dòng)是風(fēng)沙區(qū)水沙變化的主要因素,其對(duì)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(duì)水沙的影響比例相對(duì)較大,超過30%;③從影響絕對(duì)量來看,人類活動(dòng)的蓄水?dāng)r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(duì)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?dāng)r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(duì)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(dòng)是水沙減少的