自然地理背景宏观判析黄河中游粗泥沙集中来源区

通过来沙粒径、输沙模数、水土流失面积占流域面积的比例等指标遴选出黄河粗泥沙集中来源区重点治理的支流。按水文站实测悬移质粒径粗细分析的重点支流的排序为:皇甫川、窟野河、秃尾河、佳芦河、孤山川、无定河、延河和清涧河;根据各支流坝地淤积物钻孔取样分析的d≥0.10mm泥沙所占百分数由大到小排序是:窟野河、皇甫川、清水川、孤山川、石马川、秃尾河、无定河、佳芦河、乌龙河、延河和北洛河;在此基础上,再按粗泥沙输沙模数大小最后遴选的重点治理支流的顺序是:窟野河、皇甫川、清水川、秃尾河、孤山川、石马川、佳芦河、乌龙河、无定河。

黄河中游粗泥沙集中来源区水土流失类型多样、侵蚀强度高、泥沙颗粒粗,按照不同治理区的自然环境及社会经济特征、水土流失特点和关键防治区段,借鉴区域典型流域水土流失防治的成功经验,紧紧围绕有效控制和拦减入黄泥沙,特别是粗泥沙,充分利用洪沙资源,发展生产,为区域能源开发创造良好环境的要求,开展了拦减黄河粗泥沙治理方向研究。

黄河中游粗泥沙集中来源区总面积18803km2,涉及陕西、内蒙古两省区的榆林、延安、鄂尔多斯3市共15个县(旗、区)的11条黄河支流。该区域可建治沟骨干工程1500座,建拦泥库86座,治坡措施中可完成修梯田、造林、种草13162km2,三项措施的年拦泥沙量分别为1.63亿、1.43亿、1.54亿t。实行以小流域为单元、以支流为骨架统一规划,统筹安排淤地坝(系)、拦泥库、治坡措施及其他治理措施并实行不同措施的科学组合,能够满足黄河年减沙4.08亿t的要求。

在黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究的基础上,基于数字高程模型、卫星影像、电子地图及有关研究成果,在地理信息系统软件支持下,分析研究了窟野河、皇甫川、清水川等9条支流的特性。经过分析认为,支流内上中下游、左右岸差异较大,从支流上游向下游坡度增大,治理措施密度减小,土壤抗蚀性增大;区域内以自然侵蚀为主,侵蚀类型总体表现以水蚀为主,有部分区域为水蚀和风蚀复合侵蚀,侵蚀等级从南向北递增,治理难度相应增大。

在钱宁等［１］关于黄河中游粗泥沙来源宏观分析的基础上，本文进一步考虑了区域地貌特征及近年来人类活动因素的影响，对黄河中游粗沙来源区进行了更为详细的分区对比研究，并结合典型流域产沙及河道淤积历史剖面分析，全面探讨了入黄泥沙来源这一问题。本项工作是在前人工作的基础上取得的一个进展。分析表明，７０年代以来由于水土保持工作的大规模开展，黄河中游的粗泥沙明显减少，但黄河中游地区仍是黄河主要的粗泥沙来源区，其中又以窟野河、皇甫川和无定河流域粗泥沙产量最大，占黄河中上游流域粗沙产量的８５％以上。这三个流域应作为黄河中游水土保持的重点地区，并应相应提高该区域水保措施的防洪标准。

选择黄河中游多沙粗沙来源较为集中的皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河、佳芦河、无定河等流域,对比分析了河流粗泥沙含量和平均粒径年内变化规律及其空间差异。结果表明:软弱砂岩出露区的皇甫川流域,河流携带的粗泥沙含量及平均粒径与径流量年内变化趋势一致,软弱易蚀岩层出露面积比例越大,这一趋势就越明显;风沙区分布面积较大的秃尾河和无定河等流域,随着夏季水流侵蚀能力的增强,悬移质平均粒径并未明显增大,甚至降水集中和多暴雨的7~8月的平均粒径和粗泥沙含量小于冬季的,这些流域内基岩产沙对河流泥沙贡献不大,悬移质中的粗泥沙应主要来源于风沙。

针对黄河粗泥沙界限问题,介绍了粗泥沙界限0.05mm的由来,利用下游河床质钻孔资料分不同时段研究主槽淤积物粒径组成,利用输沙率平衡法计算下游河道不同时段的区间淤积比和排沙比,利用小浪底水库运用以来下游河床质淤积物钻孔资料分析淤积物粒径变化。依据1960年以前天然情况下、对长系列资料分析结果显示、小浪底水库运用以来的黄河下游主槽淤积物中d≥0.10mm的泥沙淤积特点,确定应以0.10mm作为黄河中游粗泥沙集中来源区界定研究中的粗泥沙界限。

黄河中游粗泥沙集中来源区现状治理措施年拦沙能力为1.03亿t,占区域年泥沙流失量4.08亿t的25.2%。其中:淤地坝(系)年拦沙能力为2757万t,占现状措施年拦沙能力的26.8%;水库年拦沙能力为2688万t,占现有措施年拦沙量的26.1%;治坡措施年拦沙能力为4842万t,占现状措施年拦沙量的47.0%。

通过对粗泥沙集中来源区拦沙工程建设成就与问题的分析,结合粗泥沙集中来源区沟道特征,提出了粗泥沙集中来源区拦沙工程体系的构成、布局思路、建设原则,提出了“先大后小”、“先下后上”和“分段实施”的拦沙工程建设时序,并针对当前工作实际,提出了亟待解决的几个问题:加快大型拦泥库前期工作步伐、尽快制定大型拦泥库标准、重视各类工程实施进度以及正确理解和执行规范、充分发挥骨干坝的作用等。

黄河粗泥沙集中来源区面积18803km2,年均流失泥沙4.08亿t,占黄河多沙粗沙区年产沙量11.82亿t的34.5%;年产生粒径≥0.1mm的粗泥沙量为0.61亿t,占黄河多沙粗沙区年产粗沙量0.89亿t的68.5%。对该区域大型拦泥库工程建设资源进行的调查表明,区内沟道建坝条件好,建坝材料丰富,建坝修库的发展潜力大,是修建大型拦泥库及沟道坝系工程的理想区域,共可建设大型拦泥库86座,合计工程控制总面积6581.9km2。大规模的矿产资源开发和公路、铁路建设,使有些理想的坝址因此而失去了建坝修库的条件。在该区域尽快建设大型拦泥库工程显得十分紧迫。

为进一步寻找并治理对黄河下游主槽淤积危害最严重的粗泥沙集中来源区,根据1960年未建三门峡水库前自然水沙条件下下游河槽淤积物粒径组成,确定出黄河中游粗泥沙集中来源区界定中的粗泥沙界限为0.1mm。利用边际分析法在黄河中游多沙粗沙区确定粗泥沙集中来源区面积为1.88万km2。该面积仅占黄河中游多沙粗沙区面积的23.9%,可产生的全沙、粒径大于0.05mm和0.1mm的泥沙分别占同期多沙粗沙区相应沙量的34.5%、47.6%和68.5%。由此看出,该区是名副其实的粗泥沙集中来源区。

从形成高浓度粗泥沙水流机理出发，综合分析了不同地层侵蚀产沙对黄河粗泥沙的影响。分析认为，风沙和基岩产沙对黄河粗泥沙均有一定影响，但起关键作用的仍然是黄土。风沙、基岩、黄土产沙的综合作用是形成黄河高浓度粗泥沙水流的重要原因，因此应从整体上综合治理多沙粗沙区。

本文对地处黄河中游多沙粗沙区的河口镇至龙门区间(简称河龙区间)及四大典型支流皇甫川、窟野河、无定河和三川河流域淤地坝拦减粗泥沙效果进行了深入分析,计算了不同年代淤地坝拦减粗泥沙量。通过分析实施淤地坝等水土保持措施前后泥沙粒径的变化、淤地坝配置比例与减沙比例关系的变化后认为:淤地坝是快速减少入黄粗泥沙的首选工程措施和第一道防线,具有明显的“拦粗排细”功能。只要河龙区间坝地的配置比例保持在2%左右,其减沙比例即可达到45%以上。当四大典型支流淤地坝配置比例平均达到2.5%时,淤地坝减沙比例平均可以达到60%。因此,为有效、快速地减少入黄泥沙尤其是粗泥沙,河龙区间水土保持措施应采用以淤地坝为主的工程措施与坡面措施相结合的综合配置模式。淤地坝的配置比例应保持在2%以上。减少黄河粗泥沙的重点支流应首选窟野河和皇甫川。

通过对黄河中游多沙粗沙区中d≥0.05mm和d≥0.10mm不同粗泥沙年输沙模数级的区域分布及产沙量的分析,得出d≥0.05mm粗泥沙年输沙模数大于等于2500、5000和10000t/km2的粗泥沙来源区面积分别为5.82万、1.97万和0.22万km2,对应区域产生的全沙量分别占黄河中游多沙粗沙区全沙量的80.0%、35.6%和5.9%;d≥0.10mm粗泥沙年输沙模数大于等于350、700、1400和2800t/km2的粗泥沙来源区面积分别为5.80万、3.94万、1.88万和1.17万km2,对应区域产生的全沙量分别占黄河中游多沙粗沙区全沙量的79.8%、58.3%、34.5%和24.2%。研究不同输沙模数级的区域分布、面积及产沙量,为粗泥沙集中来源区界定提供支撑。

利用坝地钻探取样资料,对黄河中游多沙粗沙区坝地淤积泥沙粒径的空间变化进行了分析,结果表明:淤地坝对泥沙具有分选作用,坝前泥沙粒径小于坝尾泥沙粒径;泥沙颗粒越粗,这种分选作用越明显。从而认为,在粗泥沙产沙区淤地坝能够起到一定的淤粗排细作用。

利用坝地钻探取样资料分析了泥沙空间分布规律,通过输沙模数指标计算了黄河中游多沙粗沙区重点支流中各级泥沙的产沙量。结果表明:受水流分选作用的影响,表现出坝后淤积物粒径比坝前淤积物粒径粗的特点;受地表组成物质的影响,泥沙粒径空间上整体呈现出由南向北逐渐变粗的趋势;根据多沙粗沙区重点支流泥沙粒径、产沙量分析结果和淤地坝分布情况,可有针对性的开展沟道拦沙工程来达到有效控制泥沙的目的。

利用三角坐标对黄河中游5条支流悬移质颗粒级配资料进行了分析,发现黄河中游的高含沙水流粒径组成大致在如下范围之内:0.010mm的粒径占60%~90%。因各支流所在流域差异,使其高含沙水流的粒度组成也有所差异,但均集中于一定的粒径配比范围内。

2008年9月第6卷第3期≮国际沙棘研究与开发》27 efficiencyofp．hopeiensis。p．simoniiandc．spp．arelowerthanthatoftheotherthreespecies． keywords：theloessplateau；wind—watererosionregion；artificialvegetations； photosyntheticcharacteristics 《黄河中游粗泥沙集中来源区水土保持植被建设规划》 通过水利部黄委会验收 2008年8月1日，由水利部黄委会水保局主持，在郑州召开了《黄河中游粗泥沙集中来源区水 土保持植被建设规划》(以下简称《规划》)评审会，会议成立了由黄委会总工办、水保局、财务局、 上中游管理局等单位专家组成的验收组，

黄河粗泥沙集中来源区输沙模数是淤地坝拦沙库容规模设计最重要的参数。受人类活动影响,1970—2007年实测多年平均输沙模数明显偏小,必须对其还原修正后方可应用于工程设计。采用长短系列对比分析法分析黄河粗泥沙集中来源区各水文站长系列(1954—2007年)实测多年平均输沙模数较短系列(1954—1969年)变化情况,并对长系列输沙模数进行还原,得出还原后黄河粗泥沙集中来源区多年平均年输沙总量和年输沙模数分别为3.19亿t、1.7万t/(km2.a),介于短系列和长系列实测值之间,多年平均年还原量为0.64亿t。

利用黄河粗泥沙集中来源区水文、地质研究成果以及实地调查和勘测资料,采用典型分析和综合对比分析的方法,依据现行规范和规定,以及提出的工程布局原则,通过对典型小流域建设目标分析、单坝工程设计、布局方案设置、控制面积对比、防洪能力对比、拦沙能力对比、淤地面积对比等,论证确定每条典型小流域中小型拦沙坝布局与规模成果。利用典型小流域布局成果,确定黄河粗泥沙集中来源区布置拦沙坝10165座,其中中型拦沙坝1995座、小型拦沙坝8170座。

根据1951~2007年水文、气象资料,在统计分析黄河中游降水时空分布和变化特点的基础上,通过对比1986年前、后资料,分析近期降水较前期的变化,并根据潼关站年输沙量及其与中游不同站点、不同时段降水量的关系,建立了输沙量计算公式,计算分析了近期降水变化和其他因素对入黄泥沙量的影响。结果表明:①黄河中游近半个世纪降水量总体上呈前期多、后期少的特点;②1986年以来降水较前期普遍减少,其中南部减少10~30mm,北中部主要产沙区减少量都超过25mm;③降水量年内分配发生了很大变化,除12月~翌年3月和6月有所增多外,其余月份减少10%~30%;④降水变化对入黄泥沙的影响量相当于泥沙总变化量的30%~60%;④其他因素对入黄泥沙的影响量占总变化量的40%~70%,其作用具有越来越显著的特点。

基于黄河中游河口-龙门区间实地考察和对1964—1989年的实测资料进行时空变化分析,结果发现:该区水力、风力变化对河流产出的粗泥沙的量和质的变化具有一定的分异控制作用,水力对河流的输沙量的变化起主导作用,而风力对粗泥沙占全沙的百分比变化起主导作用。随着降雨量的减少和风沙活动的减弱,黄河中游河流输沙量和粗沙比有不同程度的减少,输沙量减少明显,减沙比在50%～70%之间,而粗沙比的变化要小得多,减少量在10%～20%之间。