偏关河流域泥沙与水土保持工作关联分析

张 燕

（山西省水文水资源勘测局偏关水文站，山西 偏关 036400）

1 流域概况

偏关河发源于朔州平鲁、内蒙清水河县境内，全长128.5km，河床坡度5.5‰，流域面积2040km2，羽状汇流，流经偏关县境，自东向西汇入黄河，属黄河一级支流，是北方典型的季节性河流。流域范围内地形起伏崎岖，沟壑纵横，植被稀疏，绝大部分耕地为旱坡地，仅河谷内有少量平地，为典型的黄土高原农业区（见图1）。

图1 偏关河流域水系简图

2 泥沙分析

偏关河流域，除上游局部区域有石质裸露，整个流域被厚厚的黄土覆盖；黄土为沙壤土质，细而疏松，易于冲刷，加上人类活动影响，水土流失比较严重。该区域近年重视水土保持工作，主要措施包括植树造林，修建水平梯田，建造蓄水拦沙淤地库坝等。为分析水土保持、环境保护效果，结合一线水文工作经验及偏关水文站40余年历史水文资料，重点从泥沙问题入手，分析探究人类活动与水土流失的关联关系。

2.1 现象分析

2.1.1 平均降雨量

偏关水文站控制流域面积1915km2，为总流域面积93.9%；该地区多年平均年降水量456mm，雨量多集中在六月中旬至八月下旬（见图2），历年数据显示关联性好，基本反映了该区域多年年度降水量的基本情况。

2.1.2 暴雨与输沙量

暴雨（大暴雨）、暴雨历时和产汇流条件，是决定洪水和输沙量大小的主要因素。分析泥沙问题，应该着眼于泥沙是由洪水挟带运送形成的这一客观现象，重点抓好径流量与输沙量的关联分析；总体来说，径流量大，输沙量相应变大，径流量小，输沙量相应减少。图3表明，80年代后，流域径流量明显变小，输沙量也相应变小。

2.1.3 径流量与输沙量

以水量（自变量）作纵坐标、泥沙（因变量）作横坐标，绘制关联关系图（见图4），可明显看出以下特征：

第一，水量大，泥沙量也大；水量小，泥沙量也小。关联规律明显。

第二，形成4条斜率相似的关系曲线，分别代表4个历史年段：1号线为1958—1965年，2号线为1966—1973年，3号线为1974—1988年，4号线为1989—1997年。

第三，泥沙量（输沙量）随历史年段递增，但增速有快有慢，80年代后出现负增长。

第四，个别年度偏离年段曲线较远，具有一定的特殊性。经历史数据查阅，1963年、1979年偏关河中下游暴雨洪水，最大洪峰流量分别为1580m3/s和2140 m3/s，流经泥沙侵蚀区域，含沙量大；1967年最大洪峰流量1950m3/s，暴雨发生在清水河县和平鲁县的山区，由于植被覆盖较好，含沙量相对较小。这3个年度偏离年段曲线较远，情况比较特殊，但历史水文气象数据能给出合理解释。

图2 降水量、降水日数关系线

图3 偏关站年径流量/年输沙量过程线

图4 偏关站年径流量/年输沙量关系线

2.1.4 年最大洪峰与年径流量

总体来看，4个历史年段的划分具有普遍性和代表性，年最大洪峰流量与年径流量关系密切，可以说，该区域的一场大洪水，就基本决定年径流量的大小，也基本决定了对应年度输沙量的大小（见图5）。

图5还从另一个视角反映了降水和径流量、输沙量的关系。暴雨强度越大，历时越长，范围越大，则降水量就越大，洪峰流量也越大；洪峰流量越大，历时越长，范围越大，则地表径流量也越大，输沙量也就越大。反之，暴雨降水强度越小，历时越短，范围越小，则降水量就变小，洪峰流量也减小；洪峰流量越小，历时越短，范围越小，则地表径流量也减小，输沙量也就越少。

图5 偏关站年最大洪峰流量/年径流量关系线

1958—1997年近40年间，该流域自记雨量站点太少，无法为今天收集、提供到诸如降水强度、范围、历时等系统性历史数据资料；但从图5分析比对可以看出，同样的年最大洪峰流量，80年代以后年份与80年代之前年份相比，对应的年径流量的量级和概率普遍减少，即大数据出现少小数据出现多。因为，较低年最大洪峰流量出现的概率（重现期）多，以图5中500m3/s洪峰流量级别为例，500m3/s以下的年最大洪峰流量出现年份为28年，占40年份统计总量的70%；也就是说，年最大洪峰流量相同或相似的数值，这个级别及以下出现的机会非常多，几率非常高。由于年最大洪峰流量主要是由暴雨形成，所以可以得出一个推演结论：该区域近40年间，伴随该级别年最大洪峰流量出现的年份，应该存在相同（相似）暴雨，并且暴雨的范围、过程等水文基本信息相近。

2.1.5 相同（相似）暴雨产、汇流分析

该区域存在很多相同（相似）暴雨情况，但80年代及后期年径流量却明显比60～70年代少。对于降水量减少，相对于40年时间段而言变化是微乎其微的，相同（相似）暴雨相对于相同（相似）年最大洪峰流量这一个因变量，更符合概率统计客观实际。

因为，年最大洪峰流量，以及洪峰形成的径流总量，是由地面产生汇集形成的。虽然相同（相似）暴雨较多，如果80年代及后期暴雨比60～70年代的暴雨历时短，降水范围小，那就不符合常见暴雨相同（相似）的推论。但是，相同（相似）暴雨：包括降水历时、范围，对于40年时间段和有限的2040km2流域面积而言，确实普遍存在，符合客观实际。随着社会经济的不断发展，人们的环境保护意识愈加浓厚，农业生产、畜牧养殖、植被恢复、水土保持工作等更加理性和科学，人类活动的各种有效措施，为改变该流域的产汇流条件提供了基本条件，最终表现为80年代及后期人类活动对年最大洪峰流量明显比60～70年代系统性地减少了。说明图4、图5中对4个历史年段划分进行数理统计和泥沙问题分析，是符合实际情况的。

2.2 数理分析

经计算得出，1958—1997年近40年间平均年径流量0.3827亿m3，用这个数值在图4中分别查出分年段对应的年段年平均输沙量，绘制表1（对应图4）。

2.2.1 历史年段年径流量和年输沙量

将偏关河流域内3个自记雨量站（利民、老营、偏关）1958—1997年近40年降水量资料，及偏关水文站同期年径流量和年输沙量特征值，根据图4、图5历史年段划分统计，绘制表2，可直观了解降水量、年径流量、年输沙量的分年段变化情况。

表1 偏关河流域年段年平均输沙量统计表

表2 偏关河流域降水量偏关站年径流量、年输沙量统计表

2.2.2 年输沙量比较计算

从表1可知：1958—1965年8年中，年均输沙量增长531万t，年均增长66.4万t；1966—1973年8年中，年均输沙量增长620万t，年均增长77.5万t；1974—1988年15年中，年均输沙量增长445万t，年均增长29.7万t；1989—1997年9年中，从图4看出，年段年均输沙量停留在4号线上不增加，即这9年增量为0。可知，1958—1988年31年中，年均输沙量的年均增量为51.5万t。

（1）1974—1988年这15 年，较1958—1973年这16年，输沙量减少值保守估算：

前16 年均值=（66.4+77.5）÷2=72.0（万t）

（29.7-72.0）×15=－634.5（万t），即较前16年减少了634.5万t。

（2）1989—1997年这9年中年增量为0，如果按照1958—1988年31年中，年均输沙量的年均增量51.5万t，估算9年输沙减少量：

（0-51.5）×9=－463.5（万t）

（3）以上两个历史年段（1974—1997年）24年间，输沙量减少保守估算为：

634.5+463.5=1098（万t）

1098万t仅为发生水沙现象的估算值，至于产汇流条件改善带来的径流量减少，并由此带来的输沙量减少，数字难以量化，但该数值一定非常可观。

2.2.3 洪峰流量与输沙量关联分析

表2综合反映了1958—1997年40年内流域分年段年均降水量、年均径流量和年均输沙量的情况。1958—1973年径流量和输沙量增速明显加大，特别是1966—1973年8年中，输沙量增速最快；1974—1997年输沙量增速下降，其中1989—1997年为零增长（见图5），期间年最大洪峰流量，对应年径流量全部落在4号线上。

由1989—1997年最常见暴雨形成的系列中，出现机会最多的最大洪峰流量控制在500m3/s左右。同一洪峰流量对应的4号线年径流量数值远低于1号、2号、3号线的年径流量数值。在暴雨和最大洪峰流量之间的因果关系中，最大洪峰流量是因变量，暴雨发生后产流量减少，汇流量相应减少，由于地面产汇流补给不足，洪水历时缩短。导致最大洪峰流量系统性地相对减小，径流量也系统性地减小，最终输沙量也相应地减少。

3 泥沙与水保关联分析

在60～70年代，农民砍烧山柴取暖做饭的现象十分普遍，集体牲畜饲草也需要砍割山坡杂草补充。该流域经历这种多年的砍烧山柴，导致植被严重破坏，黄土外露，生态破坏殆尽。由于缺少生态保护意识，同时因机械化程度低，水土保持工作力度不够，这是60～70年代该流域年径流量和年输沙量明显增大且增速很快的主要症结。

从70年代后期开始，农业机械化程度逐步提高，各级政府水土保持工作力度加大，大量修建了水平梯田和蓄水拦沙库坝，不适宜耕种的山坡滩涂种植柠条、植树等，水土保持工程的固沙效果开始逐步显现。1981年农村实行家庭联产承包土地经营模式后，老百姓劳动积极性热情高涨，农家自产的秸杆富足有余，完全能满足日常取暖做饭需要；随着生态保护意识的形成，荒山、荒坡、荒沟的天然植被逐步得到恢复和保护，山鸡野兔成群结队安家落户，自然生态开始转向良性发展。

从近40年偏关河流域年径流量和年输沙量变化趋势来看，从60～70年代的快速增长，80年代的负增长，到90年代的0增长，充分说明随着水土保持工作的持续开展，流域内天然植被的大面积恢复，流域生态指标开始呈全面向好发展态势。分析偏关河流域水文资料，可以得出黄河流域水土流失明显改善，是70年代后期各级政府特别重视水土保持工作和全社会重视环境、保护生态的结果。

4 结语

尽管缺少近年水文气象的数据支撑，但可以推断偏关河流域1997年后的泥沙（水土流失）问题，特别是年径流量、年输沙量等数据一定是在图4、图5的4号线的轨迹上，继续向更小位置移动。随着国家退耕还林还草政策的深入实施，随着水土保持综合治理持续推进，经过人民群众世代努力，一定会打赢碧水青山的生态保卫战。