簡(jiǎn)介： 通過(guò)分析清澗河流域水利水保措施對(duì)“1984.7”洪水影響表明,流域水利水保措施控制洪水必須滿足一定的控制條件,如欲控制一次降雨100mm 的洪水,則需流域單位面積庫(kù)容在7 萬(wàn)m3/km2 以上,若控制更高頻率的洪水,則需更大的單位面積庫(kù)容;通過(guò)分析清澗河流域水利水保措施對(duì)“2002.7”洪水影響表明,由于水利水保措施蓄水?dāng)r沙作用的衰減和人為增沙等因素的影響,水利水保措施對(duì)較大暴雨洪水的控制作用較低,甚至致洪增沙。據(jù)此,對(duì)清澗河流域水庫(kù)、淤地壩建設(shè)提出了一些對(duì)策建議。
關(guān)鍵字：水利水保措施 控制 洪水 清澗河

清澗河流域位于黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門(mén)區(qū)間右岸中部地帶,發(fā)源于陜西省安塞縣,流經(jīng)子長(zhǎng)縣和清澗縣,于延川縣蘇亞河匯入黃河,河長(zhǎng)167.8km ,總面積4 080km2 ,其中水土流失面積4 006km2 ,延川水文站控制面積3 468km2 。清澗河流域地理位置處于延河與大理河之間,氣候、土壤、植被、地形等自然條件具有由南向北的過(guò)渡性特征;治理措施主要為壩庫(kù)控制與大面積水土保持相結(jié)合,具有地區(qū)的相似性,在陜北多沙粗沙支流治理中具有一定的代表性。

　　1 　水利水保措施對(duì)“1984.7”洪水影響分析

　　1.1 　降雨及產(chǎn)流、產(chǎn)沙情況

　　1984 年7 月10 日～11 日,清澗河流域突降暴雨,26h 降雨93.8mm ,最大點(diǎn)日雨量110.6mm(簡(jiǎn)稱“1984.7”暴雨) 。為分析此次暴雨對(duì)洪水影響,以1970 年為分界年份,選擇治理前后兩次降雨特性大致相同或相近的1966 年7 月(簡(jiǎn)稱“1966.7”暴雨) 與“1984.7”暴雨進(jìn)行對(duì)比分析。1966 年視為治理前,1984 年視為治理后,兩次暴雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙的差異視為水利水保措施削洪減沙作用。

　　表1 為兩次暴雨的降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙情況。從表列成果可以看出“, 1984.7”暴雨較“1966.7”暴雨的降雨量多24.2mm ,偏大34.8 % ,而洪峰流量、洪量、輸沙量則分別偏小97.1 %、95.3 %和96.4 % ,幾乎全攔全蓄。從一般降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙規(guī)律來(lái)看,“1984.7”洪水較“1966.7”洪水降雨量和降雨強(qiáng)度均較大,其所形成的洪峰、洪量、輸沙量均應(yīng)偏大,但事實(shí)卻相反,究其原因主要是流域治理攔蓄了洪水,洪水是泥沙的載體,從而攔蓄了泥沙。

　　表1 　“1984.7”暴雨與“1966.7”暴雨的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

　　1.2 　水利水保措施控制洪水條件分析

　　1.2.1 清澗河流域治理狀況

　　水利水保措施對(duì)洪水、泥沙影響,涉及暴雨產(chǎn)流產(chǎn)沙、措施數(shù)量、措施構(gòu)成、措施分布、措施質(zhì)量等諸多因素,這里僅就壩庫(kù)建設(shè)和治理程度進(jìn)行分析。

　　1.2.1.1 　壩庫(kù)建設(shè)

　　據(jù)陜西省水保局提供的資料,截止1985 年清澗河流域已建百萬(wàn)m3 以上水庫(kù)7 座,總庫(kù)容7 323 萬(wàn)m3 ;已建淤地壩4 428 座,總庫(kù)容5.3 億m3 ,兩項(xiàng)合計(jì)總庫(kù)容6.03 億m3 ,折合單位流域面積有攔蓄庫(kù)容14.8 萬(wàn)m3 。子長(zhǎng)縣水利水保局提供的清澗河流域子長(zhǎng)縣淤地壩發(fā)

　　展過(guò)程表明,1959 年前,先后建成任家畔、石畔、紅石峁、強(qiáng)家坪、趙家焉、強(qiáng)家溝等7 座大型淤地壩,1970 年北方地區(qū)農(nóng)業(yè)會(huì)議后,出現(xiàn)了打壩高潮,到1976 年,全縣共建成淤地壩2 146 座,1977 年7 月6 日的一場(chǎng)特大暴雨沖毀大小淤地壩912 座,經(jīng)當(dāng)?shù)厝罕妼?duì)水毀淤地壩的修復(fù),到1979 年淤地壩達(dá)到1 854 座,此后基本上未再新修淤地壩,到1986 年列為黃河上中游治溝骨干工程試點(diǎn)縣后,新建治溝骨干壩18 座,列為全國(guó)生態(tài)環(huán)境治理重點(diǎn)縣后,又新建淤地壩15 座,到1999 年底全縣保存淤地壩1 244 座,淤地壩數(shù)量減少近50 %(圖1) 。也就是說(shuō)“, 1984.7”暴雨洪水泥沙的大幅度減少,大規(guī)模淤地壩建設(shè)起了相當(dāng)大的作用。

　　圖1 　清澗河流域子長(zhǎng)縣淤地壩座數(shù)變化

　　1.2.1.2 　治理程度

　　根據(jù)冉大川等[1 ]統(tǒng)計(jì)核實(shí)的各項(xiàng)治理措施面積,截止1989 年清澗河流域治理程度為2315 %(表2) 。

　　表2 　清澗河流域?qū)嵱兄卫泶胧┟娣e及治理度

　　注:治理程度為措施合計(jì)面積除以延川水文站控制面積(3 468km2)

　　1.2.2 水利水保措施控制洪水條件分析

　　1.2.2.1 　流域單位面積庫(kù)容控制條件

　　“1984.7”降雨大幅度削洪減沙最主要的原因是當(dāng)時(shí)流域有較大攔蓄庫(kù)容,同時(shí)面上也進(jìn)行了一定的水土保持治理。由此可以得出:對(duì)洪水、泥沙有較大的攔蓄作用,需單位流域面積庫(kù)容保持在10 萬(wàn)m3/km2 ,同時(shí)治理程度在20 %以上。這一認(rèn)識(shí)也可從大理河流域的水利水保措施對(duì)洪水、泥沙影響的分析中得到佐證[2 ] ,20 世紀(jì)80 年代初期對(duì)大理河流域1955 年～1980 年147 次洪水降雨、徑流、泥沙資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,以1970 年為分界年份,按照降雨量、降雨歷時(shí)基本相同,前期影響雨量基本相近的條件,從中找出1970 年前后42 組對(duì)比洪水,從而計(jì)算出各年的削洪減沙百分?jǐn)?shù),計(jì)算結(jié)果表明,1971～1980 年平均削峰51.5 % ,減水41.4 % ,減沙44.7 %。據(jù)分析,產(chǎn)生這樣大的效益最重要的條件是:單位流域面積庫(kù)容達(dá)20 萬(wàn)m3/km2 。據(jù)調(diào)查,截止1980 年大理河流域已建成百萬(wàn)m3 以上水庫(kù)84 座,總庫(kù)容2.27 億m3 ;百萬(wàn)m3 以下壩庫(kù)3 072 座,總庫(kù)容6.14 億m3 ;兩者合計(jì)總庫(kù)容達(dá)8.41 億m3 ,合單位面積庫(kù)容21.5 萬(wàn)m3Pkm2 ,這些壩庫(kù)控制了大理河流域面積的70 % ,而當(dāng)時(shí)的治理程度僅為17.1 %。以上事實(shí)說(shuō)明:長(zhǎng)期有效地保持流域單位面積庫(kù)容是實(shí)現(xiàn)流域洪水控制的關(guān)鍵,結(jié)合黃河中游韭園溝、大砭溝、王茂溝等分析,這一控制條件為流域單位面積庫(kù)容應(yīng)保持在7 萬(wàn)m3Pkm2 以上,流域治理程度在20 %左右。這對(duì)壩系規(guī)劃以及壩庫(kù)蓄洪攔沙效益的可持續(xù)性具有十分重要的指導(dǎo)意義。

　　1.2.2.2 　控制條件對(duì)控制洪水的保證率分析

　　分析得到的控制一次降雨100mm的洪水所需流域單位面積庫(kù)容7 萬(wàn)m3/km2 ,對(duì)其控制洪水的保證率作了如下分析。

　　①洪水頻率分析

　　延川水文站自1954 年建站至2003 年已有50 年的實(shí)測(cè)洪水資料,為分析控制一次100mm 降雨產(chǎn)生的洪水保證率,特對(duì)清澗河流域洪水理論頻率進(jìn)行了分析。

　　首先將延川水文站1954 年至2003 年已有的50 年實(shí)測(cè)最大洪峰流量按大小遞減次序排列,按(1) 式求洪峰流量均值( Qc ) 和按(2) 式求變率( Ki )

　　式中　Qc 為洪峰流量均值; Qi 為歷年洪峰流量; n 為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

　　進(jìn)而求出變差系數(shù)( Cv ) 和偏差系數(shù)( Cs )

　　　　并選用Cs = 2 Cv ,查皮爾遜Ⅲ型曲線Kp ,并按(4) 式求不同理論頻率洪峰流量QP ,

　　計(jì)算結(jié)果列于表3。

　　表3 　清澗河流域洪水理論頻率計(jì)算

　　②保證率分析

　　清澗河“2002.7”暴雨所產(chǎn)生的洪峰流量為5 500m3Ps ,由表3 可知,相當(dāng)于50 年一遇洪水,即目前確定的單位流域面積7 萬(wàn)m3/km2 庫(kù)容只能控制50 年一遇洪水,如遇百年或千年洪水尚不能控制,如欲全部控制洪水還需要增加流域單位面積庫(kù)容。

　　2 　水利水保措施對(duì)“2002.7”洪水影響分析

　　2.1 　“2002.7”暴雨、洪水、泥沙特點(diǎn)

　　2002 年7 月4 日～5 日,清澗河流域發(fā)生了一次高強(qiáng)度特大暴雨(簡(jiǎn)稱“2002.7”暴雨) ,其主要特點(diǎn)為:

　　2.1.1 雨量大、強(qiáng)度高

　　據(jù)黃委會(huì)中游水文水資源局調(diào)查[3 ]“, 2002.7”暴雨中心瓷窯總降雨量高達(dá)463mm ,較1955～1969 年平均降雨量450.2mm 多12.8mm ,其中,7 月4 日～5 日,子長(zhǎng)站最大24 小時(shí)降雨量為274.4mm ,較歷史實(shí)測(cè)最大降雨量165.7mm(1977 年) 還偏多108.7mm;7 月4 日6 時(shí)15 分～7 時(shí)15 分和7 月4 日20 時(shí)05分～21 時(shí)05 分最大一小時(shí)降雨量分別達(dá)到78mm 和85mm。

　　2.1.2 峰量大,水位高

　　7 月4日子長(zhǎng)站洪峰流量4 670m3/s ,是自1958 年7 月建站以來(lái)實(shí)測(cè)最大值;延川站7 月4日洪峰流量為5 500m/Ps ,是該站自1953 年7 月建站以來(lái)實(shí)測(cè)第二大洪水(圖2) 。暴雨期間,子長(zhǎng)站水位急劇上升,從7 月4日4 時(shí)15 分起漲至6 時(shí)42 分到達(dá)峰頂,水位漲幅7.95m;延川站從7 月4日9 時(shí)12 分起漲到11 時(shí)到達(dá)峰頂,水位漲幅9.97m ,為有實(shí)測(cè)資料以來(lái)第一高水位。

　　圖2 　清澗河流域年最大洪水流量過(guò)程

　　2.1.3 輸沙量大,侵蝕模數(shù)高

　　7 月4日子長(zhǎng)站洪水輸沙量為4 090 萬(wàn)t ,子長(zhǎng)站以上913km2 范圍內(nèi)侵蝕模數(shù)高達(dá)44800t/km2 ;延川站輸沙量達(dá)5 600 萬(wàn)t ,延川站以上3 468km2 流域范圍內(nèi)侵蝕模數(shù)達(dá)16 100tPkm2 ,均為兩站歷年次洪水侵蝕模數(shù)最大紀(jì)錄。

　　2.2 　水利水保措施對(duì)“2002.7”洪水影響分析

　　2.2.1 降雨產(chǎn)流分析

　　徑流量是降雨量與徑流損失的函數(shù)。在黃土地區(qū),徑流的主要來(lái)源是降雨,如其它條件相同,降雨量越大,徑流量也越大,而且超滲產(chǎn)流突出,地下徑流年際變化不大,當(dāng)年徑流量主要受當(dāng)年降雨量的影響。為此,點(diǎn)繪次洪降雨～產(chǎn)流關(guān)系(圖3) ,可以看出,盡管經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)比較散亂,但從不同年代來(lái)看,20世紀(jì)80 年代的點(diǎn)據(jù)偏于下方,說(shuō)明水利水保措施對(duì)洪水徑流量有一定影響,而“2002.7”暴雨產(chǎn)流又恢復(fù)到治理前或治理較少時(shí)段的產(chǎn)流水平,表明了水利水保措施攔蓄能力的脆弱性及攔蓄能力的降低。

　　圖3 　清澗河流域次洪降雨與產(chǎn)流關(guān)系

　　徑流系數(shù)除反映降雨產(chǎn)流狀況外,在一定程度上也反映水利水保措施的有效攔蓄能力。統(tǒng)計(jì)子長(zhǎng)站洪峰流量大于1 000m3/s 的較大暴雨徑流系數(shù)(表4) 可知,1954～1969 年的4 次暴雨平均徑流系數(shù)為0.33 ,1970～1979 年的3 次暴雨平均徑流系數(shù)為0.14 ,90 年代的4 次暴雨平均徑流系數(shù)為0.25 ,2002 年的2 次暴雨平均徑流系數(shù)為0.46 ,2002 年徑流系數(shù)的增大表明了水利水保措施攔蓄能力的降低。值得指出的是,1977 年7 月6 日面平均雨量140.4mm ,為統(tǒng)計(jì)暴雨的最大值,而徑流系數(shù)卻是最小值,這是由于當(dāng)時(shí)清澗河流域有較大的壩庫(kù)攔蓄庫(kù)容,盡管也發(fā)生了局部水毀,徑流系數(shù)只有0.1 ,說(shuō)明水利水保措施有較大的攔蓄能力。而2002 年7 月4 日暴雨徑流系數(shù)達(dá)0.63 ,并且匯流速度極快,洪水迅即沖入子長(zhǎng)縣城,致使當(dāng)?shù)厝罕姷纳�命、�?cái)產(chǎn)遭受重大損失,說(shuō)明了在特大暴雨條件下流域治理對(duì)洪水的攔蓄作用已很小。

　　2.2.2 降雨產(chǎn)沙分析

　　黃河中游河龍區(qū)間的主要支流,暴雨產(chǎn)沙量一般隨暴雨產(chǎn)流量的高次方遞增,清澗河流域“2002.7”暴雨產(chǎn)流量大,暴雨產(chǎn)沙量也多。表5 為“2002.7”暴雨與河龍區(qū)間其它支流大于100mm 暴雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙統(tǒng)計(jì)表[4 ] ,可以看出,清澗河子長(zhǎng)站“2002.7”暴雨產(chǎn)沙模數(shù)4.48 萬(wàn)t/km2 ,僅次于孤山川流域“1977.8”

　　暴雨產(chǎn)沙模數(shù),而較其它幾次暴雨產(chǎn)沙都大,說(shuō)明了流域治理的攔沙作用已很小,甚或增沙。

　　根據(jù)表5 成果可以整理成表6 ,可以看出,控制一次降雨100mm以上洪水、泥沙所需庫(kù)容約為5～10萬(wàn)m3/km2 ,平均為7 萬(wàn)m3/km2 左右,這與前面分析的控制洪水指標(biāo)是一致的。從清澗河流域本身降雨產(chǎn)沙關(guān)系(圖4) 可以看出,80 年代明顯偏于下方,表示了在相同降雨條件下產(chǎn)沙量減少,而“2002.7”暴雨產(chǎn)沙與未治理或治理較少情況處于同一水平。

　　2.2.3 “2002.7”暴雨致洪增沙原因分析

　　2.2.3.1 　水利水保措施蓄水?dāng)r沙能力的衰減

　　清澗河流域已建的百萬(wàn)m3 以上水庫(kù)7 座,總庫(kù)容7 323 萬(wàn)m3 ,到1989 年庫(kù)容淤損率已達(dá)34.2 %;已建淤地壩4 428 座,總庫(kù)容5.3 億m3 ,至1999 年已淤4.8 億m3 ,庫(kù)容淤損率達(dá)90.6 %�？梢�(jiàn),壩庫(kù)攔沙能力在大幅度衰減,遠(yuǎn)不能滿足控制洪水的流域單位面積庫(kù)容的要求;從防洪能力來(lái)看,小型、中型、大型淤地壩確定的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為10～20 年、20～30 年、30～50 年一遇洪水,據(jù)調(diào)查,隨著時(shí)間的推移,清澗河流域現(xiàn)有淤地壩大部未達(dá)到上述防御暴雨洪水標(biāo)準(zhǔn);此外,原有的淤地壩數(shù)量減少和失效是很大的,據(jù)子長(zhǎng)縣水利水保局2000 年調(diào)查,1976 年該縣已修建各類淤地壩2 164 座,到1999 年僅保存了1 463 座,損失率達(dá)32.3 %。從治理程度來(lái)看,截止1996 年清澗河流域的治理度為25.6 %(見(jiàn)表2) 。

　　由此可以推知,清澗河流域在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)高強(qiáng)度暴雨時(shí)削洪減沙作用是不大的。

圖4 　清澗河流域次洪降雨～產(chǎn)沙關(guān)系

　　表7 為清澗河流域幾次淤地壩水毀調(diào)查成果,可以看出,雖然此次暴雨洪水淤地壩水毀率較前有所減少,但水毀增沙仍較嚴(yán)重,沖失壩地占總壩地的12.5 % ,較前有較大的增加。此外,坡面措施在暴雨作用下來(lái)水來(lái)沙仍然很大,據(jù)調(diào)查,清澗河流域梯田多為60 、70 年代修建,目前梯田質(zhì)量大為下降;林草措施在近幾年干旱條件下,成活率較低。因此,在暴雨作用下,坡面來(lái)水仍較大。從壩庫(kù)運(yùn)用方式來(lái)看,目前清澗河流域壩庫(kù)已到了運(yùn)用后期,無(wú)論是水庫(kù),還是淤地壩,其運(yùn)用方式均“由攔轉(zhuǎn)排”,增加河流洪水泥沙。此外,根據(jù)姚文藝等對(duì)皇甫川流域、三川河流域資料分析,若壩庫(kù)控制面積小于流域面積的10 % ,盡管坡面的治理程度達(dá)到45 %以上,但對(duì)于一次面平均降雨量大于35mm、最大日降雨量大于50mm 的降雨,流域治理措施對(duì)洪水的控制作用較低[4 ] ,如果是一次降雨量大于100mm的暴雨,很可能使流域致洪增沙。顯然“, 2002.7”暴雨時(shí),清澗河流域未達(dá)到壩庫(kù)控制洪水基本條件。

表7 　清澗河流域淤地壩水毀調(diào)查

　　2.2.3.2 　人類活動(dòng)致洪增沙原因分析

　　清澗河流域石油、天然氣等礦產(chǎn)資源豐富,開(kāi)礦、修路、城鎮(zhèn)或鄉(xiāng)村建設(shè)等大量棄土、棄渣任意堆放,隱蔽著大量泥沙來(lái)源,在暴雨洪水作用下,增加洪水泥沙�，F(xiàn)以該流域中山川水庫(kù)淤積變化為例,說(shuō)明人類活動(dòng)增沙情況。中山川水庫(kù)位于子長(zhǎng)縣秀延河支流白廟岔河上白石畔村,1972 年開(kāi)工建設(shè),1976年竣工,控制面積143km2 ,總庫(kù)容4 430 萬(wàn)m3 ,到2000 年累計(jì)淤積2 280 萬(wàn)m3 ,占總庫(kù)容的51.5 %。據(jù)水庫(kù)淤積觀測(cè)資料,水庫(kù)各時(shí)段淤積量列于表8 ,由于該水庫(kù)一直采用攔洪蓄水運(yùn)用,因此可以認(rèn)為,1990～2000 年的淤積量的增加大部為人類活動(dòng)增沙所致,由表列成果可以看出,1990～2000 年水庫(kù)淤積量為1975～1989 年水庫(kù)淤積量的1.5 倍,即人類活動(dòng)增沙約50 %。

　　表8 　中山川水庫(kù)各時(shí)段淤積量變化

　　3 　結(jié)論

　　(1) 通過(guò)分析清澗河流域水利水保措施對(duì)“1984.7”洪水影響表明:流域水利水保措施控制洪水必須滿足一定的條件,如欲控制一次降雨100mm的洪水,即相當(dāng)于50 年一遇洪水,則需流域單位面積庫(kù)容在7 萬(wàn)m3/km2 以上,若控制更高頻率的洪水,則需更大的單位面積庫(kù)容;通過(guò)水利水保措施對(duì)清澗河流域“2002.7”洪水影響分析表明,由于水利水保措施蓄水?dāng)r沙作用的衰減和人為增沙等因素的影響,水利水保措施對(duì)較大暴雨洪水的控制作用較低,甚至致洪增沙。因此,欲達(dá)到控制高強(qiáng)度暴雨所產(chǎn)生的洪水、泥沙,在淤地壩、水庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮流域單位面積庫(kù)容這一控制指標(biāo)。

　　(2) 清澗河流域1985 年前修建了大量水庫(kù)和淤地壩,曾發(fā)揮了巨大的削洪減沙作用,但由于該地區(qū)水土流失嚴(yán)重,已建水庫(kù)和各類淤地壩大多數(shù)已進(jìn)入運(yùn)用后期,而且管理差、病險(xiǎn)壩庫(kù)多,一遇較大暴雨洪水,容易發(fā)生水毀,不僅使多年淤成的壩地大量沖失,同時(shí)也加重了干流水庫(kù)與河道的泥沙淤積,如不及時(shí)采取除險(xiǎn)加固和增加壩庫(kù)數(shù)量及庫(kù)容等有效措施,有可能會(huì)使多年治理的減沙效益毀于一旦。

　　(3) 清澗河流域不少已建水庫(kù)或骨干壩正采用”蓄清排渾”的運(yùn)用方式加以改造,普遍增建泄洪排沙設(shè)施,以求長(zhǎng)期保持興利庫(kù)容。而這一地區(qū)的水沙主要集中在洪水期,如果洪水期不蓄水?dāng)r沙,則可能洪水過(guò)后無(wú)水可蓄,不僅不能為當(dāng)?shù)嘏d利,同時(shí)將洪水泥沙排入黃河又加重了黃河干流水庫(kù)與河道的防洪與泥沙淤積的負(fù)擔(dān)。為此,應(yīng)在條件適宜時(shí),對(duì)這些水庫(kù)采用加高及除險(xiǎn)加固的措施,增大庫(kù)容并采用“蓄洪攔沙”的運(yùn)用方式,這不僅可取得較大的綜合效益,而且所需投資與增建泄洪排沙設(shè)施相比較,增加也不多,或者,在泄洪排沙水庫(kù)或淤地壩的下游修建蓄洪攔沙工程,攔蓄利用排泄的洪水泥沙資源,減少或避免洪水、泥沙帶來(lái)的危害。