自然地理背景宏觀判析黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)

通過來沙粒徑、輸沙模數(shù)、水土流失面積占流域面積的比例等指標(biāo)遴選出黃河粗泥沙集中來源區(qū)重點(diǎn)治理的支流。按水文站實(shí)測(cè)懸移質(zhì)粒徑粗細(xì)分析的重點(diǎn)支流的排序?yàn)?皇甫川、窟野河、禿尾河、佳蘆河、孤山川、無定河、延河和清澗河;根據(jù)各支流壩地淤積物鉆孔取樣分析的d≥0.10mm泥沙所占百分?jǐn)?shù)由大到小排序是:窟野河、皇甫川、清水川、孤山川、石馬川、禿尾河、無定河、佳蘆河、烏龍河、延河和北洛河;在此基礎(chǔ)上,再按粗泥沙輸沙模數(shù)大小最后遴選的重點(diǎn)治理支流的順序是:窟野河、皇甫川、清水川、禿尾河、孤山川、石馬川、佳蘆河、烏龍河、無定河。

黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)水土流失類型多樣、侵蝕強(qiáng)度高、泥沙顆粒粗,按照不同治理區(qū)的自然環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征、水土流失特點(diǎn)和關(guān)鍵防治區(qū)段,借鑒區(qū)域典型流域水土流失防治的成功經(jīng)驗(yàn),緊緊圍繞有效控制和攔減入黃泥沙,特別是粗泥沙,充分利用洪沙資源,發(fā)展生產(chǎn),為區(qū)域能源開發(fā)創(chuàng)造良好環(huán)境的要求,開展了攔減黃河粗泥沙治理方向研究。

黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)總面積18803km2,涉及陜西、內(nèi)蒙古兩省區(qū)的榆林、延安、鄂爾多斯3市共15個(gè)縣(旗、區(qū))的11條黃河支流。該區(qū)域可建治溝骨干工程1500座,建攔泥庫86座,治坡措施中可完成修梯田、造林、種草13162km2,三項(xiàng)措施的年攔泥沙量分別為1.63億、1.43億、1.54億t。實(shí)行以小流域?yàn)閱卧⒁灾Я鳛楣羌芙y(tǒng)一規(guī)劃,統(tǒng)籌安排淤地壩(系)、攔泥庫、治坡措施及其他治理措施并實(shí)行不同措施的科學(xué)組合,能夠滿足黃河年減沙4.08億t的要求。

在黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)界定研究的基礎(chǔ)上,基于數(shù)字高程模型、衛(wèi)星影像、電子地圖及有關(guān)研究成果,在地理信息系統(tǒng)軟件支持下,分析研究了窟野河、皇甫川、清水川等9條支流的特性。經(jīng)過分析認(rèn)為,支流內(nèi)上中下游、左右岸差異較大,從支流上游向下游坡度增大,治理措施密度減小,土壤抗蝕性增大;區(qū)域內(nèi)以自然侵蝕為主,侵蝕類型總體表現(xiàn)以水蝕為主,有部分區(qū)域?yàn)樗g和風(fēng)蝕復(fù)合侵蝕,侵蝕等級(jí)從南向北遞增,治理難度相應(yīng)增大。

在錢寧等［１］關(guān)于黃河中游粗泥沙來源宏觀分析的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步考慮了區(qū)域地貌特征及近年來人類活動(dòng)因素的影響，對(duì)黃河中游粗沙來源區(qū)進(jìn)行了更為詳細(xì)的分區(qū)對(duì)比研究，并結(jié)合典型流域產(chǎn)沙及河道淤積歷史剖面分析，全面探討了入黃泥沙來源這一問題。本項(xiàng)工作是在前人工作的基礎(chǔ)上取得的一個(gè)進(jìn)展。分析表明，７０年代以來由于水土保持工作的大規(guī)模開展，黃河中游的粗泥沙明顯減少，但黃河中游地區(qū)仍是黃河主要的粗泥沙來源區(qū)，其中又以窟野河、皇甫川和無定河流域粗泥沙產(chǎn)量最大，占黃河中上游流域粗沙產(chǎn)量的８５％以上。這三個(gè)流域應(yīng)作為黃河中游水土保持的重點(diǎn)地區(qū)，并應(yīng)相應(yīng)提高該區(qū)域水保措施的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

選擇黃河中游多沙粗沙來源較為集中的皇甫川、孤山川、窟野河、禿尾河、佳蘆河、無定河等流域,對(duì)比分析了河流粗泥沙含量和平均粒徑年內(nèi)變化規(guī)律及其空間差異。結(jié)果表明:軟弱砂巖出露區(qū)的皇甫川流域,河流攜帶的粗泥沙含量及平均粒徑與徑流量年內(nèi)變化趨勢(shì)一致,軟弱易蝕巖層出露面積比例越大,這一趨勢(shì)就越明顯;風(fēng)沙區(qū)分布面積較大的禿尾河和無定河等流域,隨著夏季水流侵蝕能力的增強(qiáng),懸移質(zhì)平均粒徑并未明顯增大,甚至降水集中和多暴雨的7~8月的平均粒徑和粗泥沙含量小于冬季的,這些流域內(nèi)基巖產(chǎn)沙對(duì)河流泥沙貢獻(xiàn)不大,懸移質(zhì)中的粗泥沙應(yīng)主要來源于風(fēng)沙。

針對(duì)黃河粗泥沙界限問題,介紹了粗泥沙界限0.05mm的由來,利用下游河床質(zhì)鉆孔資料分不同時(shí)段研究主槽淤積物粒徑組成,利用輸沙率平衡法計(jì)算下游河道不同時(shí)段的區(qū)間淤積比和排沙比,利用小浪底水庫運(yùn)用以來下游河床質(zhì)淤積物鉆孔資料分析淤積物粒徑變化。依據(jù)1960年以前天然情況下、對(duì)長(zhǎng)系列資料分析結(jié)果顯示、小浪底水庫運(yùn)用以來的黃河下游主槽淤積物中d≥0.10mm的泥沙淤積特點(diǎn),確定應(yīng)以0.10mm作為黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)界定研究中的粗泥沙界限。

黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)現(xiàn)狀治理措施年攔沙能力為1.03億t,占區(qū)域年泥沙流失量4.08億t的25.2%。其中:淤地壩(系)年攔沙能力為2757萬t,占現(xiàn)狀措施年攔沙能力的26.8%;水庫年攔沙能力為2688萬t,占現(xiàn)有措施年攔沙量的26.1%;治坡措施年攔沙能力為4842萬t,占現(xiàn)狀措施年攔沙量的47.0%。

通過對(duì)粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程建設(shè)成就與問題的分析,結(jié)合粗泥沙集中來源區(qū)溝道特征,提出了粗泥沙集中來源區(qū)攔沙工程體系的構(gòu)成、布局思路、建設(shè)原則,提出了“先大后小”、“先下后上”和“分段實(shí)施”的攔沙工程建設(shè)時(shí)序,并針對(duì)當(dāng)前工作實(shí)際,提出了亟待解決的幾個(gè)問題:加快大型攔泥庫前期工作步伐、盡快制定大型攔泥庫標(biāo)準(zhǔn)、重視各類工程實(shí)施進(jìn)度以及正確理解和執(zhí)行規(guī)范、充分發(fā)揮骨干壩的作用等。

黃河粗泥沙集中來源區(qū)面積18803km2,年均流失泥沙4.08億t,占黃河多沙粗沙區(qū)年產(chǎn)沙量11.82億t的34.5%;年產(chǎn)生粒徑≥0.1mm的粗泥沙量為0.61億t,占黃河多沙粗沙區(qū)年產(chǎn)粗沙量0.89億t的68.5%。對(duì)該區(qū)域大型攔泥庫工程建設(shè)資源進(jìn)行的調(diào)查表明,區(qū)內(nèi)溝道建壩條件好,建壩材料豐富,建壩修庫的發(fā)展?jié)摿Υ?是修建大型攔泥庫及溝道壩系工程的理想?yún)^(qū)域,共可建設(shè)大型攔泥庫86座,合計(jì)工程控制總面積6581.9km2。大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)和公路、鐵路建設(shè),使有些理想的壩址因此而失去了建壩修庫的條件。在該區(qū)域盡快建設(shè)大型攔泥庫工程顯得十分緊迫。

為進(jìn)一步尋找并治理對(duì)黃河下游主槽淤積危害最嚴(yán)重的粗泥沙集中來源區(qū),根據(jù)1960年未建三門峽水庫前自然水沙條件下下游河槽淤積物粒徑組成,確定出黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)界定中的粗泥沙界限為0.1mm。利用邊際分析法在黃河中游多沙粗沙區(qū)確定粗泥沙集中來源區(qū)面積為1.88萬km2。該面積僅占黃河中游多沙粗沙區(qū)面積的23.9%,可產(chǎn)生的全沙、粒徑大于0.05mm和0.1mm的泥沙分別占同期多沙粗沙區(qū)相應(yīng)沙量的34.5%、47.6%和68.5%。由此看出,該區(qū)是名副其實(shí)的粗泥沙集中來源區(qū)。

從形成高濃度粗泥沙水流機(jī)理出發(fā)，綜合分析了不同地層侵蝕產(chǎn)沙對(duì)黃河粗泥沙的影響。分析認(rèn)為，風(fēng)沙和基巖產(chǎn)沙對(duì)黃河粗泥沙均有一定影響，但起關(guān)鍵作用的仍然是黃土。風(fēng)沙、基巖、黃土產(chǎn)沙的綜合作用是形成黃河高濃度粗泥沙水流的重要原因，因此應(yīng)從整體上綜合治理多沙粗沙區(qū)。

本文對(duì)地處黃河中游多沙粗沙區(qū)的河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間(簡(jiǎn)稱河龍區(qū)間)及四大典型支流皇甫川、窟野河、無定河和三川河流域淤地壩攔減粗泥沙效果進(jìn)行了深入分析,計(jì)算了不同年代淤地壩攔減粗泥沙量。通過分析實(shí)施淤地壩等水土保持措施前后泥沙粒徑的變化、淤地壩配置比例與減沙比例關(guān)系的變化后認(rèn)為:淤地壩是快速減少入黃粗泥沙的首選工程措施和第一道防線,具有明顯的“攔粗排細(xì)”功能。只要河龍區(qū)間壩地的配置比例保持在2%左右,其減沙比例即可達(dá)到45%以上。當(dāng)四大典型支流淤地壩配置比例平均達(dá)到2.5%時(shí),淤地壩減沙比例平均可以達(dá)到60%。因此,為有效、快速地減少入黃泥沙尤其是粗泥沙,河龍區(qū)間水土保持措施應(yīng)采用以淤地壩為主的工程措施與坡面措施相結(jié)合的綜合配置模式。淤地壩的配置比例應(yīng)保持在2%以上。減少黃河粗泥沙的重點(diǎn)支流應(yīng)首選窟野河和皇甫川。

通過對(duì)黃河中游多沙粗沙區(qū)中d≥0.05mm和d≥0.10mm不同粗泥沙年輸沙模數(shù)級(jí)的區(qū)域分布及產(chǎn)沙量的分析,得出d≥0.05mm粗泥沙年輸沙模數(shù)大于等于2500、5000和10000t/km2的粗泥沙來源區(qū)面積分別為5.82萬、1.97萬和0.22萬km2,對(duì)應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生的全沙量分別占黃河中游多沙粗沙區(qū)全沙量的80.0%、35.6%和5.9%;d≥0.10mm粗泥沙年輸沙模數(shù)大于等于350、700、1400和2800t/km2的粗泥沙來源區(qū)面積分別為5.80萬、3.94萬、1.88萬和1.17萬km2,對(duì)應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生的全沙量分別占黃河中游多沙粗沙區(qū)全沙量的79.8%、58.3%、34.5%和24.2%。研究不同輸沙模數(shù)級(jí)的區(qū)域分布、面積及產(chǎn)沙量,為粗泥沙集中來源區(qū)界定提供支撐。

利用壩地鉆探取樣資料,對(duì)黃河中游多沙粗沙區(qū)壩地淤積泥沙粒徑的空間變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:淤地壩對(duì)泥沙具有分選作用,壩前泥沙粒徑小于壩尾泥沙粒徑;泥沙顆粒越粗,這種分選作用越明顯。從而認(rèn)為,在粗泥沙產(chǎn)沙區(qū)淤地壩能夠起到一定的淤粗排細(xì)作用。

利用壩地鉆探取樣資料分析了泥沙空間分布規(guī)律,通過輸沙模數(shù)指標(biāo)計(jì)算了黃河中游多沙粗沙區(qū)重點(diǎn)支流中各級(jí)泥沙的產(chǎn)沙量。結(jié)果表明:受水流分選作用的影響,表現(xiàn)出壩后淤積物粒徑比壩前淤積物粒徑粗的特點(diǎn);受地表組成物質(zhì)的影響,泥沙粒徑空間上整體呈現(xiàn)出由南向北逐漸變粗的趨勢(shì);根據(jù)多沙粗沙區(qū)重點(diǎn)支流泥沙粒徑、產(chǎn)沙量分析結(jié)果和淤地壩分布情況,可有針對(duì)性的開展溝道攔沙工程來達(dá)到有效控制泥沙的目的。

利用三角坐標(biāo)對(duì)黃河中游5條支流懸移質(zhì)顆粒級(jí)配資料進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)黃河中游的高含沙水流粒徑組成大致在如下范圍之內(nèi):0.010mm的粒徑占60%~90%。因各支流所在流域差異,使其高含沙水流的粒度組成也有所差異,但均集中于一定的粒徑配比范圍內(nèi)。

黃河粗泥沙集中來源區(qū)輸沙模數(shù)是淤地壩攔沙庫容規(guī)模設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)。受人類活動(dòng)影響,1970—2007年實(shí)測(cè)多年平均輸沙模數(shù)明顯偏小,必須對(duì)其還原修正后方可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。采用長(zhǎng)短系列對(duì)比分析法分析黃河粗泥沙集中來源區(qū)各水文站長(zhǎng)系列(1954—2007年)實(shí)測(cè)多年平均輸沙模數(shù)較短系列(1954—1969年)變化情況,并對(duì)長(zhǎng)系列輸沙模數(shù)進(jìn)行還原,得出還原后黃河粗泥沙集中來源區(qū)多年平均年輸沙總量和年輸沙模數(shù)分別為3.19億t、1.7萬t/(km2.a),介于短系列和長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)值之間,多年平均年還原量為0.64億t。

基于黃河中游河口-龍門區(qū)間實(shí)地考察和對(duì)1964—1989年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行時(shí)空變化分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):該區(qū)水力、風(fēng)力變化對(duì)河流產(chǎn)出的粗泥沙的量和質(zhì)的變化具有一定的分異控制作用,水力對(duì)河流的輸沙量的變化起主導(dǎo)作用,而風(fēng)力對(duì)粗泥沙占全沙的百分比變化起主導(dǎo)作用。隨著降雨量的減少和風(fēng)沙活動(dòng)的減弱,黃河中游河流輸沙量和粗沙比有不同程度的減少,輸沙量減少明顯,減沙比在50%～70%之間,而粗沙比的變化要小得多,減少量在10%～20%之間。

來自黃河水利委員會(huì)等單位的最新研究成果——《黃河中游多沙粗沙區(qū)區(qū)域界定及產(chǎn)沙輸沙規(guī)律研究》表明：黃河中游7．86萬平方千米的多沙粗沙區(qū)是造成黃河三門峽庫區(qū)和黃河下游淤積的主要泥沙來源區(qū)。該區(qū)域包括陜北、晉西、內(nèi)蒙古南部和甘肅東部的44個(gè)縣，其中55％的多沙區(qū)在陜西省。

利用黃河粗泥沙集中來源區(qū)水文、地質(zhì)研究成果以及實(shí)地調(diào)查和勘測(cè)資料,采用典型分析和綜合對(duì)比分析的方法,依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)定,以及提出的工程布局原則,通過對(duì)典型小流域建設(shè)目標(biāo)分析、單壩工程設(shè)計(jì)、布局方案設(shè)置、控制面積對(duì)比、防洪能力對(duì)比、攔沙能力對(duì)比、淤地面積對(duì)比等,論證確定每條典型小流域中小型攔沙壩布局與規(guī)模成果。利用典型小流域布局成果,確定黃河粗泥沙集中來源區(qū)布置攔沙壩10165座,其中中型攔沙壩1995座、小型攔沙壩8170座。

黃河網(wǎng)報(bào)道淤積在黃河下游河道里，水流沖不走、搬不動(dòng)的粗顆粒泥沙主要來自哪里?經(jīng)過黃委多個(gè)部門的協(xié)同攻關(guān)，3月29日，黃委成功破解出了對(duì)黃河下游河床不斷淤積抬高影響最大，粒徑大于0．1mm，且粗泥沙輸沙模數(shù)為每平方公里1400t以上的粗泥沙集中來源區(qū)。該區(qū)域位于黃土高原地區(qū)的窟野河、皇甫川等9條黃河重點(diǎn)支流流域內(nèi)，面積為1．88萬km^2。此舉將實(shí)現(xiàn)水土保持與黃河河道減淤的有機(jī)結(jié)合，使黃土高原水土流失治理目標(biāo)更加明確，措施更加有效。