極端降雨情形下黃土區水土保持治理的減沙效益估算

鄭明國，梁 晨，廖義善，黃 斌，袁再健

極端降雨情形下黃土區水土保持治理的減沙效益估算

鄭明國，梁 晨，廖義善，黃 斌，袁再健

（1. 廣東省科學院生態環境與土壤研究所，華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心，廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東省面源污染防治工程技術研究中心，廣州 510650；2. 梅州市國際水土保持研究院，梅州 514000）

極端降雨情形下水土流失治理的效益評估對黃河治理具有重要意義，但由于缺乏有效的針對降雨事件尺度的定量評估方法，該問題長期存有爭議。2017年陜西榆林“7·26”特大暴雨致災嚴重，引發廣泛關注。該研究提出了一種適用于事件尺度的減沙效益計算方法，并以岔巴溝流域為研究對象，計算流域水土保持治理在“7·26”暴雨事件中的減沙效益。研究結果表明，在流域未治理時段，高強度降雨事件具有較好的降雨徑流關系，并且事件平均含沙量相當穩定，藉此可估計“7·26”洪水發生在未治理時段的產流量和平均含沙量，從而計算出相應的產沙量，估算出流域治理的總減沙效益。進一步，利用坡面措施（包括梯田和植被）和淤地壩減沙機制的不同，可分割其各自的減沙貢獻。計算結果表明，“7·26”暴雨中，流域水土保持治理使得洪水平均含沙量減小83%，徑流減小55.1%，流域治理的總減沙效益因此高達92.4%，與2007－2017年岔巴溝流域泥沙的減幅相當。總減沙效益中有55.1%來自坡面措施，37.3%來自淤地壩措施，2種措施均發揮重要作用。該方法不僅可以計算流域水土保持治理的總減沙效益，還能夠分割不同水土保持措施的效益，可廣泛應用于黃土區極端降雨情形下水土流失治理的效益評估。

泥沙；植被；土壤侵蝕；水土保持；減沙效益；極端降雨；黃河中游

0 引 言

極端降雨是對人類社會危害嚴重的自然災害。黃土高原近期頻繁發生極端降雨[1]，水土流失治理工程能否經受住極端降雨的考驗、在極端降雨中發揮的效益如何，是黃河治理研究中必須回答的重要問題。

在黃河中游，極端降雨下水土保持治理的減沙效益長期存有爭議。劉曉燕[2]對2012年7月河龍區間的2次特大暴雨進行了分析，與歷史暴雨洪水比對后發現，水土保持治理減沙效益在大部分流域都超過80%，甚至達到96%。胡春宏等[3]也發現，2000年后黃河中游極端降雨情況下的雨沙關系發生了明顯變化，事件產沙量平均減少了50%～85%，Zhao等[4]的計算結果類似。但也有許多研究者認為極端降雨下流域水土保持治理的效益有限，甚至為負效益。王蕓等[5]在黃土高塬溝壑區的研究表明，流域綜合治理顯著降低了中低強度降雨事件的單位徑流輸沙量，但對高強度事件影響不大。許炯心[6]發現，盡管自1980年以來，水土保持治理已大幅度減少了入黃泥沙，但年降水量高于580 mm后，水土保持措施的減沙效益十分有限。潘賢娣等[7]發現，河龍區間1970年以前和1970年－1990年2個時段的降雨-徑流和徑流-輸沙關系并沒有趨勢性的變化，因此認為，一般降雨情形下，流域水土保持治理的減水減沙效益高且穩定，但在大暴雨年份，徑流、泥沙和洪峰流量仍將明顯增加。張勝利[8]對無定河流域“94·8”暴雨調查后也有類似結論。

2017年7月25晚至26日上午，陜西榆林市突降特大暴雨（以下稱“7·26”暴雨），暴雨中心集中在無定河（黃河一級支流）的支流-大理河流域，降雨量150～200 mm，最大為252.3 mm，重現期近百年[9]，其平均雨強、最大1 h雨強和最大6 h雨強也均為歷史最高紀錄[9]。暴雨導致受災人口共計43.25萬人，直接經濟損失69.33億元。

對“7·26”暴雨的侵蝕產沙過程目前已有較多研究，但對該事件過程中水土保持措施的減沙效益評估尚較少開展。劉寶元等[10]對綏德縣韭園溝小流域進行了調查，認為“7·26”暴雨中該流域的植被、梯田和淤地壩等水保措施發揮了巨大的減洪減沙效益，60 a的水土保持“修成正果”。胡春宏等[3]通過與未治理小流域的比對，認為“7·26”暴雨中韭園溝流域水土保持措施的減沙效益為75%。肖培青等[11]通過分布式模型計算，認為在大理河典型支流岔巴溝流域，與基準年（1978年）相比，“7·26”暴雨中水土保持措施減沙總效益為79%。與以上研究不同，徐建華等[12]分析了無定河和大理河流域歷史大洪水的降雨-徑流和降雨-產沙關系，認為“7·26”暴雨中水保措施減水減沙作用有限，未來發生特大暴雨時仍會有較大的產沙，張金良等[13-14]的研究結果類似。

黃河中游目前已有眾多的水土保持措施減沙效益的定量研究成果，但已有的方法（如水文法和水保法）基本針對多年時間尺度，計算結果為治理期的多年平均效益。由于事件尺度的水沙過程更為復雜、影響因素更多，這些方法難以簡單套用，這是目前極端降雨情形下水土保持治理效益存有較大爭議的主要原因。基于此，本文提出了一種適用于降雨事件尺度的減沙效益評估方法，并以岔巴溝流域為研究對象，對“7·26”暴雨中水土保持措施的減沙效益進行了計算。首先通過與歷史大洪水比較，定性分析了“7·26”暴雨中水保措施的減沙效益；然后估算了“7·26”暴雨如發生在未治理時段的產流量、平均含沙量和產沙量，藉此對流域水土保持治理的總減沙效益進行了估算；最后，基于不同水保措施減沙機制的差異，對坡面措施（包括植被和梯田）和淤地壩的減沙效益分別進行了估算。研究結果為評估“7·26”暴雨過程中水保治理的減沙效益提供了定量支撐，所采用方法對其他流域的暴雨事件也有借鑒意義。

1 研究區概況與數據來源

岔巴溝流域位于陜西省榆林市子洲縣（109°47′E，37°31′E），把口站曹坪水文站（圖1）以上流域面積187 km2，屬典型黃土丘陵溝壑區，黃土厚度超過100 m。各級河道均已切入基巖，河床組成一般為碎石夾砂。氣候為暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，多年平均降水量約450 mm，其中70%集中于在6－9月，多為強度大、歷時短的暴雨。流域地形破碎，溝壑縱橫，平均坡度超過20°，土質疏松，土壤侵蝕嚴重。1959－1969年監測表明，流域平均年產沙模數為2.2萬t/km2。

岔巴溝流域大規模水土保持治理始于1970年。1970年以前，流域內植被稀疏，除較陡的荒坡、溝壑和村莊外，其他基本都開墾為耕地。主要水土保持措施包括植被、梯田以及淤地壩等。淤地壩主要修建于20世紀70年代，陸續共建成近500座，平均2.4座/km2，但其中許多已淤滿或被沖毀。由于退耕還林措施的實施，2000年以后植被覆蓋度顯著增加，2016年植被覆蓋度為72%，約為1978年的4倍。流域內現有梯田25.24 km2，占總面積的12.3%。高強度的治理使得流域下墊面發生了巨大變化，水土流失大幅下降，2007－2017年期間流域平均年產沙模數為887 t/km2，僅為1959－1969年期間的4%。

本文所用降雨、徑流、泥沙數據，1970年以前的來源于《黃河流域子洲實驗站水文試驗資料》（1959－1969），相關水文站、雨量站和徑流場位置見圖1。本文所選擇的試驗流域包括岔巴溝內不同大小的各級子流域，坡面徑流場包括從峁坡上部到全坡面不同尺度，未選擇已采取治理措施的流域和觀測時間較短的試驗點。本文1970年以后的相關數據摘錄自《中華人民共和國水文年鑒》（1970－2017）。文中“產沙”一詞指觀測時段內通過河流某一斷面的懸移質總量。

2 方法的提出

2.1 減沙總效益評估

給定發生于流域水土保持治理后的某一暴雨事件，經實測，獲取其降雨量為（mm），對應的洪水徑流深（mm）、平均含沙量（kg/m3）、產沙模數（t/km2）分別為、、SSY，有SSY=；現假定該事件發生在流域未治理時段，設其對應的洪水徑流深、平均含沙量、產沙模數分別為0、0、SSY0，有SSY0=00。設Δ=0?，Δ=0?，ΔSSY=SSY0?SSY=00?SSY。忽略水土保持治理以外的其他人類活動，ΔSSY即為事件發生時流域各項水土保持措施的減沙總效益，確定ΔSSY只需估計出0和0即可。

2.2 坡面措施和淤地壩的減沙效益分割

2.2.1 坡面措施的流域減沙機制

對任一洪水事件，總有SSY=。山西離石站和甘肅天水站的觀測均表明[15-21]，在流域尺度上，坡面措施僅通過減來減SSY。相關機理可概括為：1）坡面措施不能有效地抑制溝谷重力侵蝕和流水侵蝕，因此坡面措施的實施不會改變黃土區泥沙來源充沛的特點，坡面水下溝后會繼續沖刷；2）在黃土區流域，當洪水流量在某一時刻達到某一臨界值后，其后的時段內含沙量基本保持穩定，并不隨流量變化而變化[22]。在泥沙來源仍然充沛的情形下，盡管坡面措施的實施會減小溝谷流量，但如流量仍保持在該臨界值以上，則含沙量并不會減小[16]。因此，除非坡面措施的實施使得洪水事件的洪峰流量小于該臨界流量（黃土區洪水過程線陡峭，大部分徑流發生洪峰流量附近），則坡面措施僅通過減來減SSY[15]。姚文藝等[23]研究發現，盡管近期黃河中游許多支流的降雨徑流關系發生了變化，但汛期時段的徑流產沙關系并沒有變化，其原因可能與此相關。

2.2.2 減沙效益分割

設坡面措施和淤地壩在事件過程的減水量分別為ΔSM和ΔCD（mm），單位流域面積的減沙量分別為ΔSSYSM和ΔSSYCD（t/km2），忽略其他人類活動的效應，有Δ=ΔSM+ΔCD，ΔSSY=ΔSSYSM+ΔSSYCD。減沙效益分割的目的即確定ΔSSYSM和ΔSSYCD。

與坡面措施不同，淤地壩一般通過同時減小和來減SSY[15]，可利用兩者減沙機制的不同來進行減沙效益分割。為敘述方便，以下假定淤地壩僅修建在流域出口。事件在治理后的下墊面發生時，減沙過程可分解為以下3個步驟：

1）由于坡面措施的減水作用，從坡面進入河道的徑流減小為0?ΔSM，由于坡面措施不影響流域出口的含沙量，故這些徑流在匯入淤地壩庫區時含沙量為0，單位流域面積的匯入沙量因此為0(0?ΔSM)，這一過程使得流域產沙模數減小了0ΔSM；

2）淤地壩攔截了ΔCD的徑流，這些徑流含沙量為0，這一過程使得流域產沙模數進一步減小了0ΔCD；

3）剩余徑流經由淤地壩排出。這些徑流進入淤地壩時含沙量為0，排出時含沙量為，含沙量減小了Δ，這一過程使得流域產沙模數減小了Δ。

步驟1）的減沙效益完全由坡面措施導致，故有：

ΔSSYSM=0ΔSM（1）

步驟2）的減沙效益通過淤地壩減所導致，步驟3）的減沙效益通過淤地壩減所導致，故有：

ΔSSYCD=0ΔCD+Δ（2）

以上兩式同文獻[15]，以下將利用這2個公式確定ΔSSYSM和ΔSSYCD。和可通過實測資料獲取，實際運用這2個公式時需要確定0、ΔSM和ΔCD的值。

3 結果與分析

3.1 “7·26”暴雨水沙特性及其與歷史大洪水比較

將“7·26”暴雨與歷史大洪水比較，藉此可對“7·26”暴雨中的水土保持效益作定性評估。1966-07-17暴雨為岔巴溝未治理時段（1959－1969年）產流和產沙均最大的一次洪水事件。表1給出了該次暴雨和“7·26”暴雨的特征數據，圖2比較了“7·26”暴雨和1966-07-17暴雨的流量和含沙量過程線。

表1 “7·26”暴雨與1966-07-17暴雨特征對比

盡管“7·26”暴雨的降雨量和雨強都顯著高于1966-07-17暴雨，但其流量過程線顯著坦化，徑流總量略低，事件平均含沙量只有后者的1/6左右，導致產沙也約為后者的1/6。如圖3和圖4所示，“7·26”洪水的含沙量甚至要低于治理前的一般性降雨事件數倍，這導致其產沙僅相當于未治理時段的一次普通降雨事件。例如，1959年8月5日降雨量僅21.7 mm，徑流量為6.6 mm，但由于洪水平均含沙量高達699 kg/m3，因此產沙模數略微高于“7·26”暴雨，為5 086 t/km2。這充分說明流域治理在此次極端降雨事件起到了巨大的水土保持效益。

3.2 減沙總效益評估

3.2.10的求取

黃土高原為典型的超滲產流。超滲產流情形下，高強度降雨事件的產流特性和低強度事件顯著不同，因此，分析高強度事件的產流規律時應剔除低強度事件。“7·26”暴雨事件徑流系數為0.2，可以認為，如該事件發生在植被稀疏的未治理時段，其徑流系數應顯著高于0.2，因此定義徑流系數高于0.2的事件為高強度事件，通過建立其降雨-徑流（-）關系來推算0。圖5表明，盡管對所有事件，岔巴溝流域未治理時段的-關系比較散亂，但對高強度事件，其-關系卻非常密切（2=0.87）。因此可利用圖5b中的回歸方程來計算0，計算結果為0=78.5 mm。

注：虛線的斜率為0.2，表示徑流系數為0.2，虛線以上的點代表高強度事件。P和R為分別為降雨事件的降雨量和洪水徑流深。下同。

3.2.20的求取

前期研究表明，在黃土區大規模流域治理前，絕大部分水流都可以達到沖刷限制下的極限含沙量（水流此時已無沖刷能力，但搬運能力未必飽和）[24-25]，因此除一些小的徑流事件外，歷次洪水的平均含沙量變異并不大[26-27]，與降雨特性基本無關[15,28-29]，使得-SSY關系可用比例函數來表示[5, 21, 26-27, 30]。圖6表明，對于治理前的岔巴溝流域，無論僅采用高強度降雨事件或采用所有降雨事件，SSY關系都可用比例系數很好地擬合，比例系數也非常接近（分別為762和785）。該比例系數表示歷次洪水的平均含沙量。圖4表明，對高強度事件，洪水平均含沙量變異確實較小，變差系數僅為11.7%。因此，可通過該比例系數來估計0。本文取圖6b的結果0=785 kg/m3。

注：SSY為降雨事件的產沙模數。下同。

Note: SSY is the specific sediment yield of a rainfall event. The same below.

圖6 岔巴溝流域未治理時段的事件徑流深與產沙模數關系

Fig.6 Relationship between runoff depth and specific sediment yield of the Chabagou Watershed for the non-management period

按以上計算結果，0=78.5 mm，0=785 kg/m3，因此SSY0=61 623 t/km2，ΔSSY=56 917 t/km2（表2）。按此結果，在“7·26”暴雨中，流域水土保持治理使得“7·26”洪水平均含沙量減小了83%，徑流減小了55.1%，產沙因此減小了92.4%。

3.3 坡面措施和淤地壩減沙效益分割

如2.2節所述，坡面措施實施后，如洪峰流量仍超過含沙量達到穩定時的臨界流量，則坡面措施僅通過減來減SSY。如圖3所示，在岔巴溝，上述臨界流量在約50～150 m3/s的范圍內，流量大于50 m3/s時，含沙量基本都在500 kg/m3以上，但同流量下仍有一定變幅，流量大于150 m3/s后，含沙量變幅明顯變小。“7·26”洪水洪峰流量為299 m3/s，遠超該臨界區域。根據洪水過程數據，即使取150 m3/s為臨界流量，“7·26”洪水過程中流量達到該臨界值后，其后的洪水歷時也貢獻了總流量的91.1%。因此，可以認為，在“7·26”暴雨中，坡面措施僅通過減來減SSY。

表2 減沙效益計算結果

注：0、0和SSY0分別為假定“7·26”暴雨發生在未治理時段的洪水徑流深、平均含沙量和產沙模數。下同。

Note:0,0and SSY0are the runoff depth, average sediment concentration and specific sediment yield of the flood assuming that the "7.26" rainstorm had occurred during the non-management period, respectively. The same below.

應用公式（1）和（2）進行減沙效益分割時，需要確定0、ΔSM和ΔCD的值。0值在3.2節已確定，故只需確定ΔSM或ΔCD值即可。ΔCD值指洪水后仍滯留在淤地壩庫區的水量。對“7·26”暴雨后岔巴溝現存的146座淤地壩的調查表明，僅有10座仍有蓄水[31]，占比不到7%。淤地壩的庫容非常小，且由于多年的泥沙淤積，目前大部分淤地壩的有效庫容已很低，在岔巴溝，約80%的淤地壩其淤積面距壩頂的高度已小于6 m[32]。故可認為“7·26”暴雨中ΔCD值很小，可忽略。

按上述，忽略“7·26”暴雨中淤地壩減水量，認為所有減水均由坡面措施所造成。故有：ΔCD=0，ΔSM=Δ=43.3 mm（表2）。代入公式（1）和（2）計算，分別得到ΔSSYSM=33 960 t/km2，ΔSSYCD=22 957 t/km2。據此可計算出，在流域水土保持治理總的減沙效益中，有55.1%來自坡面措施，37.3%來自淤地壩，坡面措施的減沙貢獻約是淤地壩的1.5倍。

4 討 論

4.1 誤差估計及計算合理性分析

SSY0值的計算誤差取決于0和0的估計誤差。0值根據圖5b中的回歸方程估計，該方程的標準誤為2.86 mm。在95%置信水平下，隨機變量的置信區間范圍為標準差的1.96倍，因此給定95%的置信水平，0值預測的最大絕對誤差為5.6 mm，對應的最大相對誤差為7.1%。0值根據圖6b中方程的斜率項估計，其標準誤為9.9 mm，表明在95%的置信水平下，0值預測的最大絕對誤差為19.4 kg/m3，最大相對誤差為2.5%。根據0和0的最大誤差，可估算SSY0值預測的最大相對誤差為9.8%。

按本文計算結果，如“7·26”暴雨發生在岔巴溝流域未治理時段，其徑流系數為44%，平均含沙量為785 kg/m3。對黃土高原眾多試驗小流域的資料分析發現[33]，極強烈侵蝕事件（SSY>1萬t/km2）的徑流系數一般超過30%，甚至高達70%，平均含沙量為600～900 kg/m3。本文計算結果在該統計范圍內。圖7表明，在岔巴溝流域未治理時段，從不同坡長的坡面到各級子流域，高強度降雨事件的徑流系數基本都在0.40～0.55左右（圖中回歸方程中斜率可作為徑流系數的估計值），和岔巴溝整個流域的產流特性相近。

水文法是計算人類活動減沙效益的常規方法[34]，由于事件尺度的-SSY關系往往較為散亂，水文法基本只運用于年際尺度。圖8表明，盡管對所有降雨事件，岔巴溝未治理時段-SSY關系非常散亂，但高強度事件的-SSY關系卻非常密切（2=0.86）。因此可按水文法的思路計算SSY0和ΔSSY，計算結果分別為61 462和56 756 t/km2（圖8b），與表2中結果高度吻合。

按本文結果，SSY0=61 623 t/km2。根據對悶葫蘆壩淤積量測量結果，“7·26”暴雨中岔巴溝全流域的平均侵蝕強度高達2.5萬t/km2左右[31,35]，考慮本次暴雨中坡面措施巨大的水土保持效益，可認為SSY0必定遠超2.5萬t/km2。在流域未治理時段，土地利用方式主要為坡耕地，可通過坡耕地的侵蝕情況推測SSY0值。調查表明，“7·26”暴雨中峁坡下部坡耕地的侵蝕強度可達3.7 t/km2，甚至超過10萬t/km2[36]。基于實測的壩地淤積數據，王楠等[36]推測，“7·26”暴雨中坡耕地較多的一小流域的侵蝕強度至少為4.6萬t/km2，而相鄰坡耕地少的小流域僅為1.2萬t/km2。悶葫蘆壩的淤積測量結果[9,35,37-38]也表明，“7·26”暴雨中一些小流域的產沙模數超過了4萬t/km2，甚至高達9.4萬t/km2，這些小流域很可能仍分布有較多坡耕地。

4.2 計算方法及結果適用性

估計SSY0的最大難點在于0值的估計，比例水沙關系較好地解決了該問題。由于比例水沙關系在黃河中游普遍存在[27]，因此，本文提出的水土保持治理總減沙效益的計算方法也應能較好運用于其他黃土流域。

植被梯田等坡面措施僅通過減水來減沙，這是本文進行減沙效益分割的關鍵依據。該規律發揮作用的一個前提條件是：坡面措施對重力侵蝕、溝谷侵蝕抑制作用有限。黃土區的植被恢復主要發生在梁峁坡，陡峭的溝坡仍然黃土裸露，暴雨期間重力侵蝕頻繁[39]。余欣等[9]采用核素示蹤法分析了岔巴溝“7·26”暴雨中的泥沙來源，發現梁峁坡的產沙貢獻僅約20%，剩余80%左右的泥沙來自溝坡部位，這表明重力侵蝕和溝谷侵蝕仍然是重要的產沙方式[10,12,39-40]。世界其他地區的研究也表明[41-42]，植被覆蓋增加后，溝谷侵蝕對總產沙的貢獻可能增加。

如2.2.1節所述，坡面措施僅通過減水來減沙，該規律發揮作用的另一前提條件是：坡面措施實施后，洪峰流量仍可超過含沙量達到穩定所需要的臨界流量。由于該臨界值非常小（參考圖3和文獻[26]），坡面措施很難將洪水過程中所有流量都控制在該值以下。大理河綏德站的監測數據表明，“7·26”洪水的洪峰流量為3 290 m3/s，遠超未治理時段的最大流量紀錄（1 720 m3/s），為該站建站以來最高紀錄[9]。這表明，公式（1）和（2）除適用于岔巴溝外，也能適用于大部分黃土區域。

按本文結果，岔巴溝流域水土保持治理在“7·26”暴雨中的減沙總效益為92.4%，該值可能高于大理河其他區域，其原因為岔巴溝流域淤地壩建設歷史悠久，壩系密度高。“7·26”暴雨中岔巴溝的洪峰流量顯著低于未治理時段的最大流量紀錄（圖3），與大理河顯著不同，原因很可能與岔巴溝壩系密度高有關。

在黃河中游，流域產沙主要取決于發生概率不大的大暴雨事件，譬如岔巴溝流域“7·26”一次暴雨事件的產沙模數竟然高于2007－2016期間共計10 a的產沙模數總和（4 305 t/km2）。2007－2017年岔巴溝流域的產沙量與未治理時段相比大幅減少，減幅為96%，與本文計算結果相當。如水土保持治理在大暴雨期間減沙效益有限，則多年平均產沙不可能出現如此大幅度的降低。黃河泥沙近期也急劇減少，已由1919－1959年的16億t/a減少至2010年以來的1.5億t/a[43]，減幅達90.6%。因此認為，流域水土保持治理在極端降雨情形下發揮極顯著的減沙效益應是一個普遍現象。

4.3 數據可獲得性

本文方法具有良好的數據可獲得性。計算流域水土保持治理的減沙總效益需確定0和0值。黃河中游在大規模流域治理前就已有較多的水文觀測站點，建立其-SSY關系即可獲取0值。而且，已有研究表明[24-25]，0值基本僅由流域土壤或泥沙粒徑特性決定，由于黃土特性在空間上變異很小，因此0值的空間變異也不大。例如，在整個無定河黃土區范圍內（約1.4萬km2），不同流域的水沙關系都可表示為SSY730[25]。利用這種空間不變性，可非常容易地求取不同流域的0值。

本文通過建立-關系來推求0值。極端降雨通常雨強較大，這導致其徑流系數往往較高。與許多研究不同，本文建立-關系時剔除了低強度降雨事件。如圖7所示，對高強度事件，岔巴溝流域內從不同坡長坡面到各級子流域也存在和圖5b中類似的-關系，即-關系也具有空間不變的性質。-關系的空間不變性甚至適用于更大區域（論文投稿中），利用這種空間不變性，可非常容易地求取0值。

進行坡面措施和淤地壩減沙效益的分割還需要確定ΔSM或ΔCD的值，這是公式（1）和（2）運用的難點之一，但可認為，尤其在極端降雨情況下，淤地壩減水量有限。主要原因是黃河中游1980年以前修建的大量無排水設施的中小淤地壩由于淤積歷史長，已基本失去攔水攔沙效應[36, 44]。目前仍在發揮效應的主要是較大型淤地壩，這些淤地壩一般配備有排水設施，且因防汛需要，按有關規定嚴禁蓄水，實地調查表明確實如此[2]。洪水事件后仍有蓄水的原因主要是部分淤地壩僅修建溢洪道而無放水建筑物，在岔巴溝流域的調查表明，該類型淤地壩僅占總量的1/5左右[32]。盡管壩地也有一定減水作用，但其面積一般較小，例如，即使在淤地壩廣泛建設的韭園溝流域，壩地面積也僅占流域面積1/24[45]。因此，盡管淤地壩數量眾多，但大暴雨期間其減水量可能有限。例如，2013年7月延河流域極端降雨事件后，王瑤水庫（大（二）型水庫）蓄水量為0.888億m3[2]。盡管淤地壩蓄水現象普遍，但由于庫容有限，蓄水量總計為0.272億m3[2]，為王瑤水庫的31%，占產流總量的比例僅8.9%，如該事件發生在流域未治理時段，該比例會更小。

4.4 淤地壩減沙效益分析

公式（1）和（2）的計算結果表示各治理措施的實際減沙量，并不代表其減沙能力或減沙效率的大小。降雨落到地面，首先坡面措施進行第1輪減沙，水流匯入溝道后，淤地壩進行第2輪減沙，即ΔSSYCD為坡面措施已經發揮效益后淤地壩所減少的泥沙量。由于是“第2輪減沙”，淤地壩的攔沙能力往往不能充分發揮。按3.3部分計算結果，“7·26”暴雨過程中，坡面措施使徑流減小了55.1%，故其減沙效益為55.1%。盡管淤地壩將洪水平均含沙量減小了83%，但由于來水量顯著減少，其減沙效益也僅為37.3%。假定無坡面措施，在僅有淤地壩情形下，如無大規模潰壩發生，則減沙效益應至少為83%。

除壩體直接攔沙外，由于淤積泥沙抬高了侵蝕基準面，淤地壩也會起到穩定坡谷、減少溝谷沖刷和重力侵蝕的作用[22]，對該效益的評估尚無有效方法。目前淤地壩減沙效益的評估一般僅包括壩體直接攔沙量，難以實現對淤地壩減沙效益的綜合評估。任何一種治理措施，其減沙效益必定通過改變或值實現，因此公式（2）計算結果包含了淤地壩的所有減沙效益。按本文計算結果，“7·26”暴雨中淤地壩的總減沙效益為429萬t。按水利部黃河泥沙重點實驗室[31]和Bai等[35]，“7·26”暴雨中淤地壩的攔沙量分別為195.7萬和111萬t。按此結果，“7·26”暴雨中淤地壩通過抬高侵蝕基準面實現的減沙效益是其直接攔沙量的1.2～2.9倍，這表明，僅考慮壩體的直接攔沙量會嚴重低估淤地壩的減沙效益。

5 結 論

基于一種新的針對事件尺度的減沙效益評估方法，本文以岔巴溝流域和“7·26”暴雨為研究對象，分析了黃土高原小流域水土保持治理在極端降雨情形下的減沙效益。結果表明：

1）“7·26”暴雨中，流域水土保持措施的減沙效益巨大，岔巴溝流域的減沙效益高達92.4%，同2007－2017年來該流域的泥沙減幅相當。高強度降雨下水土保持治理具有巨大的減沙效益，這應是黃土區的一個普遍規律。

2）“7·26”暴雨中，岔巴溝流域總減沙效益的55.1%來自坡面措施，37.3%來自淤地壩，坡面措施的減沙貢獻約為淤地壩的1.5倍。但淤地壩的減沙能力在此次暴雨中可能未完全發揮，故該結果并不意味著淤地壩的減沙能力小于坡面措施。

3）本文所采用的減沙效益分割方法有效實現了淤地壩減沙效益的綜合評估，計算結果表明，淤地壩通過抬高侵蝕基準面實現的減沙效益很可能已顯著超過其直接攔沙量。

本文研究方法原理清楚、計算簡單，具有較好的適用性和數據可獲得性，可有效地應用于黃土區事件尺度的減沙效益評估。

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Estimation of sediment reduction benefit by soil and water conservation under extreme rainfall in a loess watershed

Zheng Mingguo, Liang Chen, Liao Yishan, Huang Bin, Yuan Zaijian

(1.510650; 2514000,)

Quantitative assessment on the effects of soil conservation measures under extreme rainstorms is crucial for the watershed management in the Middle Yellow River Basin of China. Most previous efforts have focused mainly on a long period evaluation. The developed methods were applicable to the multi-year time scale, but not to the storm-event scale as the fluvial processes at the short time scale are more complex and stochastic. As a result of the absence of an efficient method, there has long been considerable controversy surrounding the role of soil conservation measures under extreme events in the Middle Yellow River Basin. On 26 July, 2017, an extreme rainstorm occurred in Yulin City (the so-called “7·26” storm event), Shaanxi Province, China, causing serious flood hazards and attracting extensive public attention. The purpose of this study is: 1) to develop a new approach to evaluate the effect of the soil conservation measures at the storm-event time scale; 2) used the method for the “7·26” storm event in the Chabagou Watershed, a 205 km2loess watershed on the Loess Plateau. The results showed that: 1) after removing the non-high-intensity rainfall events (with a runoff coefficient lower than 0.2), there was a close relationship between rainfall and runoff for the high-intensity rainfall events (2=0.87) during the non-management period (1959-1969); 2) since most flows approached the flush-limited maximum sediment concentration, the mean sediment concentration of a flood event was considerably stable, leading to a proportional relationship between event runoff and sediment yields. The resultant proportionality coefficient can be used as an estimation of the mean sediment concentration of a flood event. The two results allowed us to effectively evaluate the runoff yield, the event mean sediment concentration, and then the basin sediment yield when assuming that the “7·26” event had occurred during the non-management period. In this way, we obtained the total sediment-reduction effect of the soil conservation measures. Previous studies have shown that the slope measures (including terracing, afforestation, pasture establishment) reduced basin sediment yields simply by reducing runoff, whereas the check-dam construction (channel measures) by reducing both runoff and sediment concentration in the runoff. Based on the difference, we can further partition the respective impacts of the two measures. Our calculations showed that during the “7·26” event, the mean sediment concentration reduced by 83%, the runoff by 55.1%, and thus the basin sediment yield by 92.4%, as a result of the implementation of soil conservation in the Chabagou Watershed. Among the total sediment-reduction effect, 55.1% was attributed to the slope measures and 37.3% was attributed to the check dams. The calculations suggest an enormous sediment-reduction effect of soil conservation practices even under extreme storms on the Loess Plateau, and that both the slope measures and the check dams play important roles. The proposed method cannot only figure out the total amount of the reduced sediment yield by soil conservation measures in a basin, but also can figure out that by an individual measure. The method has good applicability and data requirement, and is suitable for the evaluation of the sediment-reduction effect by soil conservation measures at the storm event scale in the middle Yellow River Basin.

sediments; vegetation; soil erosion; soil and water conservation; sediment reduction benefit; extreme rainfall; Middle Yellow River

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Zheng Mingguo, Liang Chen, Liao Yishan, et al. Estimation of sediment reduction benefit by soil and water conservation under extreme rainfall in a loess watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 147-156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017 http://www.tcsae.org

2021-01-05

2021-02-20

國家自然科學基金資助項目（41671278）；廣東省科學院專項資金項目（2019GDASYL-0103043，2019GDASYL-0401003）

鄭明國，博士，研究員，研究方向為侵蝕產沙及其環境效應。Email：mgzheng@soil.gd.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.017

S157.2

A

1002-6819(2021)-05-0147-10