晉西北地區(qū)人類活動(dòng)增洪增沙作用研究

面向二十一世紀(jì)的泥沙研究 成都 2000 131 晉西北地區(qū)人類活動(dòng)增洪增沙作用研究 劉 勇 冉大川 劉 斌 羅全華 張志萍 (黃委會(huì)西峰水保站 甘肅西峰 745000) 摘 要 人類活動(dòng)增洪增沙作用分析是黃河中游水沙變化研究中的一個(gè)重要問題，也是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。本文對(duì)晉西北地區(qū)人類活動(dòng)的增洪增沙作用進(jìn)行了較為深入的研究，對(duì)開荒、開礦、修路、過度放牧等人類活動(dòng)對(duì)河流泥沙的影響及其增洪增沙機(jī)理進(jìn)行了分析，并計(jì)算了晉西北地區(qū)八條入黃一級(jí)支流 1970 1996 年人類活動(dòng)的增洪增沙量。結(jié)果表明：人類活動(dòng)增洪量占水保措施總減洪量的近 3%，人類活 動(dòng)增沙量占水保措施總減沙量的近 9%。 關(guān)鍵詞 人類活動(dòng) 增洪增沙 晉西北 1 概述 人類活動(dòng)既能有效地控制水土流失，又能造成新的水土流失。這種積極地預(yù)防與消極地增加水土流失在整個(gè)人類歷史活動(dòng)過程中交替發(fā)生。黃河中游地區(qū)人類活動(dòng)造成新增水土流失的方式多種多樣，由最初的毀林、毀草逐漸增加到現(xiàn)在的陡坡開荒、修路、修窯建房、開采礦藏、過度放牧等，形式越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大，由此而增加的河流泥沙量在很大程度上抵銷了多年來(lái)水土保持治理的減沙量。分析該地區(qū)人類活動(dòng)的增洪增沙作用，對(duì)今后合理開發(fā)利用水土資 源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，積極預(yù)防水土流失和準(zhǔn)確計(jì)算水土保持措施減洪減沙效益，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文所指的晉西北地區(qū)，東至呂梁山脊以西，西至黃河北干流，北至渾河流域，南至三川河流域，涉及渾河、偏關(guān)河、縣川河、朱家川、嵐漪河、蔚汾河、湫水河及三川河等八條入黃一級(jí)支流及未控區(qū)，共計(jì)面積約 2.927 萬(wàn) km2。 2 開荒對(duì)土壤侵蝕的影響 晉西北黃土高原的地貌以丘陵溝壑區(qū)為主，其地形破碎，溝谷縱橫。開荒分為毀林毀草開荒和陡坡開荒兩大類型。開荒對(duì)土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)在：減少地表植被；破壞原來(lái)的土體 結(jié)構(gòu)；導(dǎo)致地面生態(tài)環(huán)境日趨惡化 1。 3 開礦所造成的棄石、棄土對(duì)河流泥沙的影響 晉西北地區(qū)屬黃河中游多沙粗沙區(qū)，溝道縱橫，溝壑密度在 4 6km/km2之間。溝岸陡峻，溝谷狹窄，呈“ V”字型，縱比降一級(jí)溝道在 2%以上，大部分二級(jí)溝道的縱比降超過 5%，具有較好的水流輸送條件。該地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)會(huì)造成了一定數(shù)量的棄土棄石。在這些棄物中有打礦井所棄的石渣，有開采中棄掉的煤矸石，有因平整作業(yè)場(chǎng)地所棄的土石，有修路所棄的大量土石。這些棄土、棄石、棄渣有一個(gè)共同點(diǎn)，就是全部堆放在狹窄的溝道及陡立的谷坡上。 開采系統(tǒng)的棄土、棄石主要是開掘礦井巷道、叉道的石渣、土方。一般礦井在開挖過程中 132 都需要掘進(jìn)一定的深度，按正常巷道計(jì)算，每掘進(jìn)一米的土石體積為 6 10m3。另外，在狹窄的溝谷內(nèi)開礦時(shí)往往需要削山削坡，保證礦井有足夠的煤場(chǎng)，地面附屬設(shè)施建筑有足夠的場(chǎng)地，一般一個(gè)生產(chǎn)礦井僅此一項(xiàng)棄土量就在萬(wàn)立方米以上。 煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)是棄土棄石較大的地面工程。修一條路面 6m 寬的普通道路，一般棄土量在1.0 萬(wàn) m3/km 以上，并且有 40%左右直接堆在溝床、河床，一遇洪水會(huì)全被沖走，這是開礦中增加河流泥沙最大的一項(xiàng)人類活動(dòng)。 4 修路對(duì)河流水沙的影響 在黃土丘陵溝壑區(qū)修建鐵路、公路，需要大量開挖土方，在土方中一部分用于填筑低洼地段，一部分被棄倒在山坡、溝 (河 )道。這些棄土、棄石一部分沿山坡路外沿向坡面下溜，形成一個(gè)較陡的溜土面，坡度在 38 42之間，由于以松軟土形式堆放，因此在暴雨洪水期間，極易產(chǎn)生面蝕和溝蝕，由此而引起的增沙作用可持續(xù) 4 5 年。在正常降雨情況下呈逐年遞減趨勢(shì)，最大侵蝕模數(shù)可達(dá) 50000t/km2 a 以上。 5 過度放牧對(duì)河流水沙的影響 在晉西北黃土丘陵山區(qū)，過度放牧對(duì)植被及河流水沙的影響主要表現(xiàn)在 以下幾個(gè)方面：荒坡植被逐年減少；羊只踩踏破壞地表土體結(jié)構(gòu)；使土壤侵蝕量劇增。以離石市王家溝流域?yàn)槔?1956 年曾對(duì) 37的黃土溝坡進(jìn)行封育，禁止放牧。封育前，天然荒草坡植被為 30%，三年后 (1959 年 )天然植被達(dá) 80%， 1959 年設(shè)立小區(qū)進(jìn)行觀測(cè)， 1959 1966 年的 8 年內(nèi)，年平均侵蝕量?jī)H 489t/km2； 1963 年對(duì) 29的紅土溝坡和 37的黃土溝坡不禁止放牧，植被度 20 30%；設(shè)立小區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，到 1968 年， 6 年平均年侵蝕量為：紅土溝坡 18749t/km2，是封育荒坡的38 倍；黃土溝坡 26615t/km2，是封育荒坡的 54 倍。 又據(jù)陜西省靖邊縣 50 年代觀測(cè)，封溝禁牧后，植被度可達(dá) 60%，不封溝禁牧的天然植被度僅 20%，在相同的降雨條件下（降雨量 35.1mm），長(zhǎng)期放牧區(qū)徑流深 23.4mm，沖刷量 952t/km2，而不放牧區(qū)徑流深僅 2.0mm，而且沖刷量為 0。 6 人類活動(dòng)增洪增沙量計(jì)算 6.1 開荒增洪增沙量計(jì)算 6.1.1 開荒面積計(jì)算 依各地土地面積資料，計(jì)算大于 25的坡耕地面積，即為統(tǒng)計(jì)年開荒的面積。各年代開荒面積依據(jù)人口數(shù)量按比例適當(dāng)分配。 6.1.2 增洪增沙指標(biāo)的確定 開荒一般以天然荒坡為對(duì)比條件，統(tǒng)計(jì)大于 25的天然荒草坡和坡耕地徑流小區(qū)的徑流量和沖刷量，經(jīng)過對(duì)比，即可得到增洪增沙指標(biāo)。 本文研究共統(tǒng)計(jì)了黃委會(huì)綏德水保站 1958 1963 年簡(jiǎn)易徑流場(chǎng)觀測(cè)的 40 個(gè)小區(qū)年資料，其中坡耕地 20 個(gè)小區(qū)年，天然荒坡 20 個(gè)小區(qū)年。將各年的小區(qū)觀測(cè)資料進(jìn)行平均、對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：徑流量天然荒坡與坡耕地基本相同，可以認(rèn)為荒坡開墾后基本不增洪；而沖刷量坡耕地比天然荒坡大 6570 t/km2。山西省水保所王家溝流域 1959 1966 年坡耕地與荒草坡觀測(cè)結(jié)果相比，沖刷量大 6686 t/km2,說明兩地增沙量大致相同，因此，在計(jì)算晉西北地區(qū)開荒增沙量時(shí)， 133 以 6600 t/km2作為開荒地增沙指標(biāo) 2。 6.1.3 各支流增沙量計(jì)算 根據(jù)開荒面積和開荒增沙指標(biāo)，計(jì)算晉西北地區(qū)八條入黃一級(jí)支流各年代增沙量，其結(jié)果見表 1。 由此可見，從 60 年代至 90 年代 (1990 1996 年 )，晉西北地區(qū)開荒增沙量呈上升趨勢(shì)，90 年代因開荒年均累計(jì)增沙 108.7 萬(wàn) t，比 80 年代增加了 12.0%，比 70 年代增加了 25.2%，比60 年代增加了 38.5%；朱家川、蔚汾河、湫水河、三川河等四條支流， 90 年代年均開荒增 沙量均在 15 萬(wàn) t 以上。 6.2 道路增水增沙量計(jì)算 6.2.1 修路棄土量 據(jù)晉西北山區(qū)各地調(diào)查，修路過程中的棄土量，公路每公里移動(dòng)土石方約 2 5 萬(wàn) m3，鄉(xiāng)村道路每公里移動(dòng)土方約 1.0 萬(wàn) m3，在移動(dòng)的土石方中約有 70%左右用于填墊路基， 表 1 晉西北八條支流各年代開荒增沙量計(jì)算表 河 名 各年代開荒面積（ km2） 各年代年均增沙量（萬(wàn) t） 60 70 80 90 60 70 80 90 渾 河 13.67 16.65 19.55 22.15 9.02 11.0 12.9 14.62 偏關(guān) 河 8.12 9.86 11.61 13.11 5.36 6.51 7.66 8.65 縣川河 6.78 8.22 9.86 11.26 4.47 5.43 6.51 7.43 朱家川 14.77 17.92 21.14 24.14 9.75 11.83 13.95 15.93 嵐漪河 8.08 9.82 11.55 13.08 5.33 6.48 7.62 8.63 蔚汾河 15.64 19.02 22.38 25.54 10.32 12.55 14.77 16.86 湫水河 16.55 20.09 23.61 26.81 10.92 13.26 15.58 17.69 三川河 17.65 21.64 25.23 28.63 11.65 14.28 16.65 18.89 合計(jì) 101.26 123.22 144.93 164.72 66.82 81.34 95.64 108.7 30%左右棄于山坡、溝道。修路總棄土量的計(jì)算方法是：先按照路面面積反算出道路長(zhǎng)度，其依據(jù)是公路平均寬 12m，鄉(xiāng)村道路寬 8m，再根據(jù)單位公里長(zhǎng)度移動(dòng)土石方量求出修路棄土量；道路占地面積按 1989 年各縣土地詳查資料及 1996 年土地變更調(diào)查資料計(jì)算。在總棄土量中 60年代占 15%， 70 年代占 20%， 80 年代占到 25%， 90 年代占到 40%。 6.2.2 流失量 流失量是棄土量中被沖走的那部分?jǐn)?shù)量。據(jù)山西省呂梁地區(qū)等地調(diào)查，道路棄土流失量約占棄土量的 30%左右，計(jì)算中按 30%的流失關(guān)系計(jì)算。各支流道路棄土流失量計(jì)算結(jié)果見表 2。 表 2 晉西北各支流道路棄土流失量計(jì)算表 河 名 公路棄土量 （萬(wàn) m3） 流失量 （萬(wàn) m3） 鄉(xiāng)村道路棄土量 （萬(wàn) m3） 流失量 （萬(wàn) m3） 合計(jì)流失量 （萬(wàn) m3） 渾 河 708.6 212.6 1240.1 372.0 584.6 偏關(guān)河 248.2 74.5 434.4 130.3 204.8 縣川河 170.2 51.1 297.8 89.3 140.4 朱家川 521.2 156.4 912.1 273.6 430.0 嵐漪河 121.9 36.6 213.3 64.0 100.6 蔚汾河 102.1 30.6 178.7 53.6 84.2 湫水河 111.7 33.5 195.4 58.6 92.1 三川河 236.1 70.8 413.2 124.0 194.8 134 6.2.3 道路增水量 道路增水表現(xiàn)形式十分簡(jiǎn)單，但由于增水往往會(huì)引起增沙。增水主要是由于道路修成以后，破壞了天然地表植被和土體結(jié)構(gòu)，路面經(jīng)過硬化處理后降雨幾乎不入滲，特別是柏油路面，徑流系數(shù)可達(dá) 1.0。根據(jù)陜北、晉西北各地觀測(cè)資料，道路平均徑流模數(shù) 6.118 萬(wàn) m3/km2，與荒坡、農(nóng)地相比，增水模數(shù)為 2.08 萬(wàn) m3/km2，以此計(jì)算道路增水量。 6.2.4 道路增沙量 道路增水后其本身水的含沙量較小，但山坡路面的水在路面匯流后由山坡向溝道集中，在山坡上參與坡面產(chǎn)沙，增加坡面泥沙。這一部分水所 產(chǎn)生的泥沙量可以按坡面治理前的洪水泥沙關(guān)系，根據(jù)增水量計(jì)算其增沙量。 6.3 村莊、莊院增洪增沙量計(jì)算 6.3.1 莊院棄土 農(nóng)村修窯洞、削山坡平莊院需大量棄土。從晉西北地區(qū)群眾居住特點(diǎn)來(lái)看，大部分都是以石塊砌窯為主。石砌窯洞首先要在河邊、溝邊采石，采石要?jiǎng)冸x表土層。我們?cè)诒５隆⒑忧?、臨縣等地調(diào)查，采一方石塊需棄土、棄碎石渣 0.5 1.5m3，一般棄土、棄石都傾倒于河道、溝床，易被洪水沖走，流失系數(shù)在 0.8 1.0 之間，每孔窯洞開挖土方 200 300m3。按 0.15 的流失系數(shù)計(jì)算流失量。 農(nóng)村住戶窯洞 數(shù)按人口統(tǒng)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)每戶平均 3.64 人，平均 3 4 孔窯洞，依此計(jì)算各年代各流域的窯洞孔數(shù)。莊院棄土量及流失量計(jì)算成果見表 3。 表 3 晉西北各支流莊院增沙量計(jì)算表 70 年 代 80 年 代 90 年 代 河 名 增加戶數(shù) （萬(wàn)戶） 增加窯洞 （萬(wàn)孔） 棄土量 （萬(wàn) m3） 流失量 （萬(wàn) m3） 增加戶數(shù) （萬(wàn)戶） 增加窯洞 （萬(wàn)孔） 棄土量 （萬(wàn) m3） 流失量 （萬(wàn) m3） 增加戶數(shù) （萬(wàn)戶） 增加窯洞 （萬(wàn)孔） 棄土量 （萬(wàn) m3） 流失量 （萬(wàn) m3） 渾 河 0.99 2.62 525.47 78.82 0.65 1.73 346.33 51.95 0.34 0.84 210.0 31.5 偏關(guān)河 0.41 1.08 218.47 32.77 0.27 0.72 143.87 21.58 0.13 0.36 90.0 13.5 縣川河 0.40 1.08 213.13 31.97 0.27 0.72 143.87 21.58 0.10 0.30 75.0 11.3 朱家川 0.68 1.78 362.27 54.34 0.45 1.20 239.73 35.96 0.22 0.70 175.0 26.3 嵐漪河 0.45 1.20 239.74 35.96 0.30 0.80 159.87 23.98 0.15 0.40 100.0 15.0 蔚汾河 0.40 1.08 212.93 31.94 0.27 0.72 143.87 21.58 0.14 0.42 105.0 15.8 湫水河 0.89 2.40 474.20 71.13 0.60 1.60 319.67 47.95 0.31 0.80 200.0 30.0 三川河 1.47 3.92 783.20 117.48 0.98 2.61 522.13 78.32 0.49 1.29 322.5 48.4 6.3.2 村莊增洪增沙 村莊的增洪增沙量按道路增水增沙方法計(jì)算。村莊面積按土地詳查結(jié)果統(tǒng)計(jì)。 6.4 各支流增洪增沙計(jì)算結(jié)果 在人類活動(dòng)增洪增沙計(jì)算中還有過度放牧、鐵路、開礦等項(xiàng)目，由于所占比重較小，不再逐項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。這次進(jìn)行的幾項(xiàng)計(jì)算，其匯總結(jié)果見表 4。 表 4 晉西北各支流增洪增沙量計(jì)算成果匯總表 年 代 水保措施 減洪量 （萬(wàn) m3） 人類活動(dòng) 增洪量 （萬(wàn) m3） 增洪量占 減洪量的 （ %） 水 保措施 減沙量 （萬(wàn) t） 人類活動(dòng) 增沙量 （萬(wàn) t） 增沙量占 減沙量的 （ %） 1969 年以前 2665.0 47.8 1.8 1030.0 208.5 20.2 1970 1979 7700.0 149.7 1.9 3250.0 259.6 8.0 1980 1989 8890.0 270.6 3.0 3340.0 288.6 8.6 1990 1996 1