汾河水庫上游流域水土侵蝕過程研究

王 博

（山西省汾河水庫管理局，山西 太原 030006）

1 研究區概況

汾河是山西的“母親河”，是山西境內最長的河流，全長716km，面積3.9萬km2，占全省總面積的25%。區內降雨的年際變化較大，降水量季節分配極不均勻，冬季干旱少雨，夏季雨水充沛。年降雨量420～650mm，全年70%降雨量集中在6—9月，并且多以暴雨形式出現。汾河流域地面徑流總量26.54億m3，其中上游5.92億m3。汾河水庫上游沉積了深厚的第三紀紅土及第四紀黃土，受重力侵蝕和水蝕作用形成了丘陵溝壑侵蝕地貌，溝梁相間，溝深坡陡，溝河面積占總面積的48%，汾河水庫上游水土流失嚴重，致使水庫淤積嚴重。

2 研究方法

2.1 DEM數據

本文用90m分辨率SRTM數字高程模型（DEM），原數據為地理坐標，為滿足模型輸入要求，將其轉化為Albers投影。

2.2 土地利用數據

本文應用GIS的空間分析功能，基于汾河水庫上游遙感影像的解譯資料，提取各類土地利用類型的屬性值，通過空間疊加分析流域土地利用和覆被的時空變化特征，得出汾河上游流域共有6種土地利用類型，又可細分為18種土地利用類型。

2.3 模型構建

本文的徑流與泥沙模型采用國際通用的SWAT（SoilandWaterAssessmentTool）模型，集成遙感（RS）、地理信息系統（GIS）和數字高程模型（DEM）技術的基于水文過程的、具有較強物理機制的、可以連續模擬的分布式流域水文模型。對不同土壤條件、土地利用類型、氣候狀況和人類活動干擾下做出有效的產流、產沙模擬分析，適用于面向水資源管理的長時段的水文過程模擬。模型由700多個數學方程、1000多個中間變量組成，基于遙感和GIS提供的強大平臺，利用GIS和RS提供的空間數據信息，模擬復雜大流域中多種不同的水文物理過程，包括水、沙輸移與轉化過程。

3 結果與分析

3.1 汾河水庫上游水土侵蝕分析

汾河水庫位于汾河流域的上游段，控制流域面積5268km2，總庫容7.21億m3，水庫最大回水面面積32km2，最大回水長度18.3km。流域內河網密度0.35km/km2，溝壑密度 5～8km/km2，多年平均侵蝕模數5000t/km2，徑流模數7.98萬m3/km2，輸沙模數87.3t/km2。從發源地至汾河水庫，地形破碎、溝壑縱橫、坡陡溝深，地面坡度7°～35°的面積占63.2%。上游河道縱坡4.5‰，河網密度為0.35km/km2。丘陵溝壑區內3～30km2的小流域 135條，面積1774.3km2，占丘陵溝壑區面積的92.51%，中等干旱年（75%）年徑流量為20.7億m3，干旱年（95%）年徑流量為14.9億m3，年平均輸沙量為0.41億t。

由試驗結果可知，汾河水庫上游雖經過營林建設，植被系統得到一些恢復，但覆蓋度仍很低。流域內地貌根據地面物質組成及侵蝕特征劃分為黃土丘陵溝壑區、石林山區、土石山區、河川階地區4大區。年土壤侵蝕模數大于允許值500t/km2的流域面積為3688km2，占總控制流域面積的70%，年土壤侵蝕總量為2.37×107t，年均侵蝕模數為4495t/km2。石林和土石山區面積為3164km2，占控制面積的59.2%，年均侵蝕量為283萬t，占控制流域年侵蝕量的11.9%。河川階地區面積為279km2，占控制流域總面積的5.3%，年均侵蝕量9.80萬t，占控制流域年侵蝕量的0.4%。黃土丘陵溝壑區面積為1870km2，占總面積的35.5%，年均侵蝕量為2.08×107t，占控制流域年侵蝕量的87.7%，是汾河水庫泥沙的主要來源區，也是水土流失嚴重地區。

建庫以來，由于受風雨侵蝕、水沙運動、自然環境變化等因素的影響，造成水庫泥沙淤積狀況日趨嚴重，為進一步研究監控水沙狀況，在入庫處汾河上設立河岔泥沙站，控制流域面積3325km2；支流嵐河上設立上靜游水文站，控制流域面積1400km2；支流澗河上設立婁煩泥沙站，控制流域面積578km2，以上三河是汾河水庫水、沙的主要來源，占控制流域面積的95%。汾河水庫流域內多年平均降水量522.67mm，其中汛期降水量為全年降水量的70%，7—8月最大，占全年降水量的48%。設計年均來水量4.52億m3，實際年來水量為3.67億m3，汛期來水量占全年來水量的60%，多年平均來沙量為2100t，汛期來沙量占全年來沙量的96%，斷面最大平均含沙量為605kg/m3。試驗表明，汾河水庫上游的1998—2010年泥沙量與年徑流量變化趨勢基本一致，表明年水土侵蝕量隨年徑流量減少而減少，隨著年徑流量增大而加劇。

3.2 汾河水庫上游水土侵蝕模擬研究成果

模擬試驗結果表明，汾河水庫上游區的徑流量及其變化主要由汾河干流決定，泥沙貢獻同樣為汾河干流。影響汾河水庫泥沙淤積的因子主要是汾河水庫上游來水來沙過程。水庫上游來水來沙受制于產流產沙過程，且與上游流域特性和水土保持狀況密切相關。

4 水土侵蝕與水庫淤積防治措施

4.1 加強水土保持

加強水土保持是防治水土侵蝕與水庫淤積的根本途徑，在水庫上游流域面上植樹種草，既能保水保土，遏制水土侵蝕，又可起到減沙、阻沙作用，從根本上解決水土侵蝕與水庫淤積問題。必須加大水土保持力度，切實治理水土侵蝕，恢復植被系統，使之形成新的良性的水沙循環。

4.2 泄洪排沙，蓄清排渾

根據汾河水庫的具體情況，河流水量及沙量高度集中于汛期的特點，充分利用汛期洪水能攜帶大量泥沙自然傳吐的性能，洪水一到就及時開啟閘門放水，以達到排沙清淤的效果，將大部分泥沙排出庫外。同時，修攔沙水庫或利用上游洼地引洪淤地，控制入庫沙量，減少上游來沙，能有效緩解水庫淤積。

4.3 清淤排沙

泥沙淤積，侵占有效庫容，嚴重影響水庫三大效益的發揮。在水庫泄空期間，對水庫進行水力人工或機械措施清理，或將水流導入在灘地上預先挖好的新主槽內，依靠清水、基流或洪水沖刷作用，使入庫水流挾帶的泥沙排出庫外，恢復有效庫容，延長水庫使用壽命。

5 結論

流域水土侵蝕問題與水庫安全運行中的任何一個目標都同步存在并且相互制約，汾河水庫上游水土侵蝕量隨年徑流量減少而減少，隨著年徑流量增大而加劇。黃土丘陵溝壑區占控制流域年侵蝕量的87.7%，是水土流失嚴重地區，是汾河水庫泥沙的主要來源區。SWAT模型在汾河水庫上游模擬效果較好，模擬與實測相對誤差小于10%，適用于汾河水庫上游流域的水土侵蝕過程模擬，模擬結果為水庫今后運行和管理提供了科學的依據。根據汾河水庫具體情況，建立適宜的優化調度模型，進行綜合調度，將不協調的水沙關系調節成協調的水沙關系，解決防洪、排沙和興利等多方面的矛盾，從而實現水庫的優化運行，進而實現經濟、社會與生態三大效益。