劉龍慶 狄艷艷 張榮剛

摘要：采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了黃河中游支流湫水河流域1960-2015年的暴雨洪水變化趨勢(shì)，并基于谷歌地球軟件提供的近期衛(wèi)星遙感圖片分析了庫(kù)壩、梯田以及林草等在產(chǎn)/匯流和暴雨洪水變化過(guò)程中的不同作用。結(jié)果表明：水庫(kù)及淤地壩系阻滯了河道匯流，梯田及林草等植被覆蓋率的提高減小了流域產(chǎn)流，而庫(kù)壩的增多對(duì)洪水量級(jí)和發(fā)生頻次的減小起著最主要的作用。建議繼續(xù)加強(qiáng)以淤地壩系為主的小流域溝道治理力度，進(jìn)一步降低黃土高原地區(qū)洪水的發(fā)生頻次。

關(guān)鍵詞：谷歌地球：下墊面；水土流失治理；暴雨洪水；湫水河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122：TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.007

20世紀(jì)80年代以來(lái)，黃河中游人類(lèi)活動(dòng)加劇，以水庫(kù)、淤地壩系修筑和退耕還林還草為主的T程措施、生物措施相繼實(shí)施，黃河干支流產(chǎn)洪產(chǎn)沙特性發(fā)生了較大變化，流域產(chǎn)洪能力大幅降低，洪水發(fā)生頻次顯著減小，洪峰量級(jí)明顯減小，造成這種現(xiàn)象的主要因素是流域下墊面發(fā)生了較大變化[l]?；诠雀璧厍蜍浖峁┑淖钚滦l(wèi)片進(jìn)行調(diào)查，可以直觀地觀察到某一地區(qū)水庫(kù)、淤地壩、梯田、植被等各下墊面要素的分布情況及規(guī)模，并能得到水庫(kù)、淤地壩等地物的地理坐標(biāo)，計(jì)算其控制的流域面積，從而進(jìn)一步分析各個(gè)要素在洪水變化方面所起的作用及影響程度。本文以黃河中游支流湫水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用谷歌地球軟件對(duì)該流域暴雨洪水的變化原因進(jìn)行了分析。

1 流域概況及暴雨洪水變化

1.1 流域概況

湫水河流域位于黃河中游山陜區(qū)間中部左岸，為黃河一級(jí)支流，流域面積1 989 km2，除東北部為石山林區(qū)外，大部分地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)，是典型的超滲產(chǎn)流區(qū)。流域內(nèi)較大的支溝（流域面積大于IO km2）有20多條，呈羽狀匯人，主要支溝有太平溝、城莊溝、榆林溝、車(chē)趕溝、安業(yè)溝、大峪溝、招賢溝等。湫水河控制站林家坪水文站位于人黃口上游13 km處，控制流域面積為1 873 km2。

湫水河流域?qū)俦┯旰樗喟l(fā)區(qū)，20世紀(jì)60-70年代多次發(fā)生大洪水，僅洪峰流量超過(guò)1 000 m3/s的大洪水就有20次之多。據(jù)《中國(guó)水文大事記》記載，1875年曾發(fā)生過(guò)洪峰流量7 700 m3/s的特大洪水，是1967年實(shí)測(cè)洪峰流量3 670 m3/s的兩倍多。20世紀(jì)80年代后，暴雨和洪水的發(fā)生頻次和量級(jí)都發(fā)生了顯著變化。

1.2 暴雨變化

據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，20世紀(jì)60年代以來(lái)，湫水河流域各雨量站暴雨（降雨量大于50 mm/d）日數(shù)和量級(jí)在各年代有所不同。根據(jù)林家坪站雨量資料統(tǒng)計(jì)，1960-2015年汛期共發(fā)生暴雨38次。按年代劃分，各年代暴雨以上量級(jí)降雨量的總趨勢(shì)是60-90年代逐步減小，進(jìn)入21世紀(jì)后暴雨發(fā)生次數(shù)有所增大，量級(jí)降雨量也明顯增大（見(jiàn)表1）。2010年9月19日次暴雨降雨量達(dá)185.4mm，為有記錄以來(lái)的最大實(shí)測(cè)暴雨。

1.3 洪水變化

根據(jù)1960年以來(lái)的洪水資料統(tǒng)計(jì)，林家坪站共發(fā)生洪峰流量超過(guò)500 m3/s的洪水58次，平均洪峰流量為1 080 m3/s。與20世紀(jì)60年代相比，70年代以來(lái)特別是2000-2015年洪水的發(fā)生頻率顯著降低：20世紀(jì)70-90年代洪峰流量明顯減小，90年代以來(lái)又有所增大，見(jiàn)圖1。

從洪水發(fā)生頻率來(lái)看，按年代劃分，20世紀(jì)60-90年代發(fā)生洪峰流量500 m3/s以上的洪水分別為26、10、9、8次，進(jìn)人21世紀(jì)后發(fā)生次數(shù)急劇減小，2000-2009年和2010-1015年分別僅為2、3次。從洪峰流量來(lái)看，20世紀(jì)60-90年代最大洪峰流量分別為3 670、2 760、1 630、804 m3/s，進(jìn)入21世紀(jì)后有所增大，2000-2009年最大洪峰流量為1 260 m3/s，2010-2016年則為2 300 m3/s（見(jiàn)圖1）。

從1960-2016年林家坪水文站洪峰流量500 m3/s以上洪水歷年發(fā)生次數(shù)和最大洪峰流量的變化情況（見(jiàn)圖2）看，1980年后洪水發(fā)生次數(shù)急劇減小，其中2004-2009年連續(xù)6a未發(fā)生最大洪峰流量超過(guò)500m3/s的洪水，而最大洪峰流量經(jīng)過(guò)1967-2009年的趨勢(shì)性減小后。2010-2016年又有所增大，其中2010年、2012年、2015年、2016年分別為2 300、1 350、1 400、1 700 m3/s。

為了分析湫水河流域各時(shí)期暴雨產(chǎn)洪能力的變化，統(tǒng)計(jì)了各雨量站建站以來(lái)的總暴雨日數(shù)及其相應(yīng)林家坪站無(wú)洪水暴雨（指未產(chǎn)生洪峰流量100 m3/s以上洪水的暴雨）日數(shù)（見(jiàn)表2）。

從表2可以看出：1960-1979年無(wú)洪水暴雨日數(shù)僅占總暴雨日數(shù)的10%以下，大部分暴雨會(huì)產(chǎn)生洪水：1980-1999年該比例增大至約33%：2000-2015年該比例繼續(xù)增大至約61%，即當(dāng)某站發(fā)生暴雨時(shí)，流域產(chǎn)生洪水的概率只有不到40%，說(shuō)明流域產(chǎn)洪能力下降。

2 谷歌地球簡(jiǎn)介

谷歌地球是Google公司開(kāi)發(fā)的一款虛擬地球軟件，由Google公司于2005年向全球推出。用戶可以通過(guò)下載到個(gè)人電腦上的客戶端軟件免費(fèi)瀏覽全球各地的高清衛(wèi)片。該軟件已在勘查、測(cè)量、規(guī)劃、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域和環(huán)保、水利、建筑、旅游等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本文選用谷歌地球免費(fèi)提供的湫水河流域2015年8月14日、10月5日分辨率Sm以上（3m或更高）彩色衛(wèi)片，可清楚地分辨出溝道、梯田、植被、淤地壩壩體以及道路、橋梁、村莊、房屋、工地等，并能得到其地理信息，用于測(cè)量溝道長(zhǎng)度、計(jì)算區(qū)域面積等。

3 流域下墊面現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，黃河流域水土保持工作全面發(fā)展，采用T程措施與植物措施相結(jié)合的方法對(duì)支毛溝和五荒地（荒山、荒坡、荒溝、荒灘、荒沙）進(jìn)行治理，至80年代末已收到明顯的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。工程措施包括修建梯田、淤地壩等，植物措施主要是造林種草。1999年，國(guó)家開(kāi)始實(shí)施退耕還林、退牧還草政策，植物措施得到進(jìn)一步加強(qiáng)。2003年，水利部將淤地壩建設(shè)作為當(dāng)年三大亮點(diǎn)工程之一，工程措施得到強(qiáng)化。隨著這些政策的實(shí)施，湫水河流域內(nèi)淤地壩數(shù)量逐年增多，退耕還林還草面積不斷擴(kuò)大，影響產(chǎn)洪產(chǎn)沙的下墊面條件發(fā)生了較大變化。

3.1 庫(kù)壩

根據(jù)山西省中小水庫(kù)資料并通過(guò)谷歌地球衛(wèi)片查看，湫水河流域中小型水庫(kù)有陽(yáng)坡、太平、曹家?guī)X、胡家峪、玉坪、薛家圪臺(tái)、劉王溝等7座，控制面積合計(jì)437.2 km2（見(jiàn)表3，胡家峪水庫(kù)處于曹家?guī)X水庫(kù)控制面積中）。更多的是分布在小支溝、毛溝河道內(nèi)的淤地壩。大多數(shù)支溝內(nèi)的淤地壩已形成壩系，壩間距幾十米至百米不等，如大禹溝小流域某溝道中新建的淤地壩系（見(jiàn)圖3.來(lái)自2015年10月5日谷歌地球衛(wèi)片）。

這樣的淤地壩系在湫水河流域內(nèi)星羅棋布，如面積為172.1 km2的車(chē)趕溝小流域，分布在支溝、毛溝內(nèi)的淤地壩壩系有60余個(gè)，控制了該小流域近50%的面積（見(jiàn)圖4，網(wǎng)圈為支溝控制性淤地壩位置，綠色部分為由淤地壩（系）控制的區(qū)域）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，車(chē)趕溝、城莊溝等10條支溝中，處于溝道口下端、對(duì)溝道具有控制意義的壩系有300余個(gè)。為了計(jì)算每個(gè)小流域內(nèi)壩系的控制面積，從而確定其治理程度，首先依據(jù)谷歌地球顯示的分水嶺和高程，用多邊形工具勾繪每個(gè)小流域的流域邊界：然后，在谷歌地球上用點(diǎn)標(biāo)注每條溝道內(nèi)淤地壩系最下端的淤地壩位置，用多邊形工具將這些點(diǎn)與分水嶺連線，形成若干閉合區(qū)域：最后，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和多邊形面積計(jì)算方法，求出上述流域和區(qū)域的面積，并統(tǒng)計(jì)已控制面積與小流域面積之比。

采用上述方法統(tǒng)計(jì)得出陽(yáng)坡水庫(kù)以及城莊溝、安業(yè)溝等11個(gè)小流域的已控制面積合計(jì)為721.3 km2，占其總控制面積的62.3%（6座?。?）型水庫(kù)分布在不同的小流域內(nèi)，不再重復(fù)計(jì)算）。其他區(qū)域因分散在湫水河干流兩岸，山高溝深，一些溝道比降較大且長(zhǎng)度較短，故壩系相對(duì)較少，估算該區(qū)域庫(kù)壩控制面積約占區(qū)域總面積的40%。全流域水庫(kù)和壩系控制面積合計(jì)為1 053.9 km2，占流域總面積的53.0%（見(jiàn)表4）。

3.2 梯田與植被

流域東北部為石山林區(qū)，面積401 km2，植被覆蓋度較高，侵蝕輕微，其他地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)和少部分河川階地區(qū)，植被覆蓋度較低（見(jiàn)圖5（a））。

湫水河流域水土流失面積占全流域面積的82%，在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了水土流失治理T作。經(jīng)過(guò)多年治理，除了修建大量庫(kù)壩外，還逐步形成了以梯田、林、草為主的水土保持措施，集中連片治理則始于20世紀(jì)90年代。1991年，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織“3923”項(xiàng)目于湫水河有岸開(kāi)工T：1996年，黃河高原水土保持世行貸款項(xiàng)目又在左岸開(kāi)工：1998年，國(guó)家將湫水河流域列為重點(diǎn)治理區(qū)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)湫水河流域內(nèi)5個(gè)縣1954-2000年的水保資料，梯田、造林、種草累計(jì)保存面積已由1959年的3 980 hm2增大到2000年的74 06hm2，見(jiàn)表5。

通過(guò)谷歌地圖可以發(fā)現(xiàn)，黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)絕大部分梁峁和較緩的山坡都已梯田化（據(jù)實(shí)地調(diào)查，有的甚至還是反坡梯田），改變了原有的自然地貌（見(jiàn)圖5（b）、圖5（c））。湫水河流域內(nèi)主要種植農(nóng)作物或林木、果木，部分溝道內(nèi)多有林草、灌木，而較陡的山坡一般仍為黃土裸露狀態(tài)（見(jiàn)圖5（d））。

4 暴雨洪水變化原因分析

一般來(lái)講，降雨經(jīng)過(guò)植物截留、地面填洼和土壤下滲后，在坡面產(chǎn)生地表徑流，下滲部分中的自由水形成地下徑流，這一階段稱(chēng)為產(chǎn)流階段：地表/地下徑流在重力作用下匯人毛溝、支溝、干溝、干流，最終在流域出口斷面形成洪水過(guò)程，這一階段稱(chēng)為匯流。流域內(nèi)產(chǎn)生徑流的區(qū)域稱(chēng)為產(chǎn)流區(qū)，其面積稱(chēng)產(chǎn)流面積，洪水量級(jí)和洪量與產(chǎn)流面積成正比。

湫水河流域?qū)俚湫偷某瑵B產(chǎn)流區(qū)，洪水組成以地表徑流為主，洪水陡漲陡落，歷時(shí)較短。視洪水量級(jí)和歷時(shí)不同，次洪量一般在幾百萬(wàn)到上千萬(wàn)立方米。

4.1 水庫(kù)和淤地壩壩系作用分析

對(duì)于水庫(kù)來(lái)講，因其庫(kù)容大、防御標(biāo)準(zhǔn)高，故在滯洪蓄洪方面起著重要作用。如陽(yáng)坡水庫(kù)控制面積251km2，處于流域上游石山林區(qū)，總庫(kù)容1 756.8萬(wàn)m3，其中有效庫(kù)容730萬(wàn)mi，相當(dāng)于30 mm凈雨（指形成徑流的那部分降雨）。若按徑流系數(shù)0.5計(jì)算，可攔截控制面積內(nèi)一次60 mm暴雨（一次降雨過(guò)程）所產(chǎn)生的的洪水，所控制面積對(duì)其下游而言已成為不產(chǎn)流面積，發(fā)生大洪水時(shí)又可起到削峰錯(cuò)峰、調(diào)蓄洪水的作用。對(duì)于淤地壩系來(lái)講，一條溝道內(nèi)一般都由多道淤地壩組成，壩間距幾十米到一二百米不等，橫亙于河道內(nèi)的一道道壩體改變了溝道的自然形態(tài)。暴雨洪水期間，各級(jí)淤地壩系雖不影響流域坡面產(chǎn)流，但可分段攔蓄不超過(guò)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的洪水，大部分徑流就地下滲，直接攔截了防御標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的洪水，對(duì)于下游而言已成為不產(chǎn)流區(qū)，相當(dāng)于減小了產(chǎn)流面積。因此，就湫水河流域而言，產(chǎn)流面積不僅隨降雨的空間分布而變化，而且與庫(kù)壩位置及其攔蓄作用有很大關(guān)系。湫水河流域庫(kù)壩控制了53%的流域面積，相當(dāng)于在一般降雨條件下產(chǎn)流面積縮小了50%以上，使得各條支溝、毛溝的洪水分別被攔截在庫(kù)壩內(nèi)不再下泄。與自然條件下相比，勢(shì)必會(huì)相當(dāng)程度上減小洪水的量級(jí)、降低洪水發(fā)生的頻率。因此，庫(kù)壩作用下產(chǎn)流面積的減小是湫水河流域洪水量級(jí)和發(fā)生頻次變化的主要因素。

在衛(wèi)片上，淤地壩系控制的許多溝道內(nèi)已看不到明顯的過(guò)水河道，只有綠色的農(nóng)作物和大量的樹(shù)林，說(shuō)明這些壩系已經(jīng)或正在起著攔洪減洪的作用。2015年8月1日，林家坪水文站發(fā)生了一次洪峰流量為1 400m3/s的較大洪水，在2015年10月10日衛(wèi)片上可以清楚地看到一些溝道中淤地壩內(nèi)的渾濁水面，經(jīng)分析這是8月1日的洪水被淤地壩攔截而形成的（見(jiàn)圖6）。

通過(guò)谷歌地圖普查，在2015年10月10日的衛(wèi)片上發(fā)現(xiàn)有明顯水體存蓄的淤地壩有40余處（見(jiàn)圖7），均分布在8月1日的暴雨區(qū)內(nèi)。這也直觀地說(shuō)明了淤地壩系對(duì)此次洪水的削減作用。若沒(méi)有水庫(kù)和淤地壩系的攔蓄作用，則此次洪水的量級(jí)和洪量會(huì)更大。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)暴雨洪水量級(jí)超過(guò)防御標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，個(gè)別淤地壩可能發(fā)生潰壩或決口。如2015年10月5日衛(wèi)星遙感圖片上可清楚地看到車(chē)趕溝小流域某溝道內(nèi)淤地壩體形成的潰口和壩體下游的洪水痕跡。因此，若發(fā)生大雨強(qiáng)或長(zhǎng)歷時(shí)持續(xù)性降雨，產(chǎn)生的洪水超過(guò)了庫(kù)壩防御標(biāo)準(zhǔn)，或者暴雨發(fā)生在治理程度較低、淤地壩系較少的區(qū)域，則仍會(huì)產(chǎn)生較大洪水，如2010年、2012年、2015年分別發(fā)生的洪峰流量2 300（100 a -遇）、1 350、1 400 m3/s洪水。

4.2 梯田和林草作用分析

修建梯田和提高林草覆蓋度主要影響流域產(chǎn)流。由于大量梯田的存在，坡面坡度變緩，甚至為負(fù)比降，因此無(wú)論降雨強(qiáng)度如何，都會(huì)增大對(duì)雨水的攔截效果，使原有的產(chǎn)流方式由超滲產(chǎn)流變?yōu)樾顫M產(chǎn)流。由于黃土較為疏松，下滲量較大，加之梯田內(nèi)農(nóng)作物的作用，因此較植被覆蓋度高的自然山區(qū)更不易產(chǎn)流，同時(shí)一定程度上減輕了淤地壩防洪壓力。

近20 a來(lái)，國(guó)家在黃土高原地區(qū)實(shí)施了退耕還林、退牧還草政策，植被得到了一定恢復(fù)，在一定程度上增大了降雨截留量和土壤下滲量，減少了產(chǎn)流量，在改善局部生產(chǎn)生活條件和生態(tài)環(huán)境、防治水土流失方面起到了重要作用。但是，在黃土丘陵溝壑區(qū)，許多地方坡度較大且土壤貧瘠，不適合植物的存活和生長(zhǎng)，植被一般只在緩坡、溝道和臺(tái)地局部或零星分布，因此就整個(gè)流域來(lái)講，植被覆蓋度仍然不高，影響的產(chǎn)流面積有限，只是局部有植被覆蓋區(qū)域產(chǎn)流量有所減小，流域產(chǎn)流方式仍為超滲產(chǎn)流。

5 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)講，湫水河流域庫(kù)壩和梯田、林草植被在匯流和產(chǎn)流階段起著不同的作用。在一般降雨條件下，庫(kù)壩可以攔截其上產(chǎn)生的所有或者大部分來(lái)水來(lái)沙，影響甚至阻滯河網(wǎng)匯流，對(duì)下游而言則減小了產(chǎn)流面積：大量梯田的存在使得中雨和大雨量級(jí)情況下一般不再產(chǎn)流，植被覆蓋度的提高則增大了降雨損失量，在一定程度上減少了產(chǎn)流，同時(shí)也減輕了庫(kù)壩的防御壓力。兩者有機(jī)結(jié)合，各自承擔(dān)了流域減洪的作用，影響了流域內(nèi)暴雨洪水的變化。

分析結(jié)果表明：①谷歌地圖是流域調(diào)查和查勘中有效且實(shí)用的工具：②梯田、造林和種草等措施減小了坡面產(chǎn)流，庫(kù)壩等措施阻滯了河網(wǎng)匯流，兩者的共同作用使得洪水量級(jí)減小，洪水發(fā)生頻次降低，不易產(chǎn)流面積的增大與植被覆蓋度的提高有機(jī)結(jié)合、共同作用，是洪水發(fā)生頻次降低和洪水量級(jí)減小的主要下墊面因素：③淤地壩的洪水防御標(biāo)準(zhǔn)有限，發(fā)生常遇降雨可起到減洪作用，遇超常暴雨則仍可產(chǎn)生較大洪水：④湫水河流域水土保持治理程度仍然不高，淤地壩系未控面積仍然較大。建議：①繼續(xù)加大以淤地壩系為主的小流域溝道治理力度，進(jìn)一步減少黃土高原地區(qū)的洪水和泥沙：②利用谷歌地圖等現(xiàn)代技術(shù)并結(jié)合實(shí)地查勘，詳細(xì)調(diào)查流域下墊面現(xiàn)狀，統(tǒng)計(jì)黃河中游地區(qū)各主要支流淤地壩建設(shè)和植被恢復(fù)情況，科學(xué)合理地分析各下墊面因素變化在流域減洪減沙方面的作用。

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