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【摘 要】根据河北省邢台县西部山区坡底水文站的水文监测资料,对历年在水保措施实施情况下,流域植被对径流的调节作用进行研究。通过水保措施增加流域植被对径流的年内分配、径流系数、削减洪峰作用以及枯季径流量等进行分析,分析比较各种坡地类型及植被条件下水土保持状况,从而更好的有针对性的采取措施,搞好水土保持工作。
【关键词】流域植被;径流调节;枯季径流量;水土流失;水土保持;治理
1. 研究区水文特征与植被情况
1.1 研究区基本情况。
邢台县位于河北省南部,东经113°45′~114°38′,北纬36°58′~37°22′,东临南和县、任县;西与山西省左权、和顺、昔阳三县接壤;南与沙河市、武安市相连;北与内丘县毗邻。县境内的大沙河发源于内丘县白鹿角川的山丘区地带,流入邢台县境内后,主要支流为宋家庄川、将军墓川、浆水川和路罗川汇合流入朱庄水库,境内流域面积1102Km2,河长72Km,河源高程1120m,落差922m,河道纵坡12.8‰。七里河发源于境内西部山丘区龙尾尖后沟。全长77Km,邢台县境内河长59Km。流域面积505Km2,境内面积334Km2。河源高程400m,河口高程28.5m。河床纵坡4.82‰。七里河经南和县汇入大陆泽,上游建有东川口水库。牛尾河发源于邢台县中部张果老山及丘陵地带,由小黄河、沙底河、仙源河三条支流汇聚而成,经邢台市北侧穿过,入任县境内汇入南浬河。流域面积338Km2,在邢台县境内面积134Km2,河源高程190m,河口高程28.5m。河床纵坡3.42‰。白马河发源于邢台县境内北小庄乡的戈廖,经雀寨村、石槽、石相入任县汇入北澧河,该河全长73.5Km,流域面积485Km2,河源高程520m,河口高程30.5m。河床纵坡6.66‰,该河上游常年有水,上游建有羊卧湾水库。
1.2 水文特征。
降水:西部山区多年平均降水量为542mm。年降水的77%集中在6~9月,月最大降水一般出现在8月,约占全年降水的30%,且常以暴雨的形式出现。该区降水量的年季际变化很大,丰水年和枯水年的降水量相差1~2倍,最大相差4~9倍。该区降水不仅变率大。强度也大,不少地方降水量常为一、二次暴雨所形成,雨量过于集中,常常由于暴雨造成洪水泛滥成灾。
蒸发:该区年平均蒸发量为1005mm。由于蒸发量大,降水偏少,地表径流贫乏,因而水分蒸发后难以得到尽快补充,形成经常性干旱缺水。
径流:与降水特点相似,径流量的季节分配很不均匀,也不能满足农作物需要。因受地形、地貌、植被等因素的影响,不同地区的径流深相差很大。中低山区多年平均径流深为209.8mm,丘陵区多年平均径流深为109mm。
2. 流域植被对径流调节作用情况
在流域植被较好的区域,植被可以调节地表径流、防止土壤侵蚀、减少河流泥沙淤积等。树冠防止雨滴直接打击地表,削弱雨滴对土壤溅蚀作用,并可截流部分雨水。截留量的大小主要受降雨量和降雨强度的影响。
当降雨到达坡面以后,一部分雨量沿坡面产生地表径流,另一部分渗入土壤,随着这一过程的继续,土壤含水量达到并超过田间持水率,由于水分不能为毛管力所保持,而受重力支配,形成重力水。当重力水渗透到风化岩石所构成的弱透水层或相对不透水层时,一部分水量在土壤——风化岩石的交界面处相聚,并沿相对不透水层侧向流动,形成壤中流;另一部分水量则进入风化岩体继续向下渗透,当风化岩体的含水量达到并超过岩体的弱透水层或相对不透水层时,水量再次积聚于风化岩石——基岩的交界面处,并沿该相对不透水层侧向流动,形成裂隙流。到了枯季,以地下水的形式排泄,形成枯季径流。
2.1 流域植被对年径流量的调节作用。
河流水量可分为降水直接产生的流量和基流流量两部分。直接流量即为相应于降雨马上产生的流量,基流包括流域植被截留部分和土壤中被储留后在缓慢流出的部分。直接流量包含溪流的流路上降水和短暂透过露岩的水、降于地表后又原封不动流出的水和降于山腹斜面的又经过地表或土壤表层很快流出的水。直接流量和基流流量的比例,在一定程度上反映流域植被对径流的影响程度。流域植被越好,直接流量越小,对径流的调节作用越大。采用1995~2004年监测资料,分析坡底水文站直接产流情况,流域植被对径流影响统计见表1。
通过对坡底水文站年径流量与年内降雨直接产流水量进行分析计算,坡底站流域植被截留率为68.78%。通过计算还可以看出,流域植被截流主要与植被有关,但也和降雨强度和降雨历时及降水量有关。如1996年、2000年,该流域发生较大洪水,植被截留率都比正常年份低2~3倍,说明流域植被截留也是有一定限度的,超过流域植被截留能力后,则全部以直接产流形式流出。而且降雨强度愈大,降雨愈集中,植被截留率愈低。
2.2 流域植被对径流量的年内分配的调节作用。
植被较好的土壤具有特殊的水、热、气条件,有利于土壤生物、微生物的滋生繁衍,促使土壤有机质分解和土壤结构形成,加速土壤发育。同时,土壤中动物活动的洞穴、孔道和植物根系的生长更新,使土壤密度小,总孔隙大,非无管孔隙比例增大,这些有利于土壤持水量的提高和土壤水分运动。水分在不同土层内缓慢地沁流,最后进入河川,可以调节径流,改善河川水文状况,达到涵养水源的作用。
2.3 流域植被对洪峰的截留作用。
对于一个闭合小流域,单次洪水水量就是收集监测断面上的区域所收集起来的直接天然降水径流,一次降雨的产流量将受到众多因素的影响,如降雨、前期土壤含水量、下垫面情况等,降雨因素又包括降水量、降雨强度等;下垫面情况又包括集水面质地、土壤結构、容重、集水面坡度等,均影响产流量的变化。
根据实测降雨和径流资料,确定两个流域次暴雨
径流系数。在上述两个小面积站的降水中,从1995~2004年测验成果中,选择降雨强度、降水量相似的次暴雨进行比较,分析不同流域单次暴雨的产流情况,并计算其径流系数,调查结果见表2。 通过对坡底流域几场暴雨产流情况调查分析,坡底站在降雨强度为1.11~2.20mm/h,径流系数分别为2.9~5.3%之间。通过对次暴雨产流情况分析,说明流域植被对调节洪水起很大作用,不仅减少洪峰流量,而且延缓洪峰时间,增大对地下水的入渗量和入渗时间,对于涵养流域水分起重要作用。
3. 水土流失原因及危害
3.1 邢臺市水土流失区域土壤侵蚀形式分析。
邢台县西部山区土壤侵蚀以降水和地表径流作为侵蚀的直接动力,即以水力侵蚀为主,其主要侵蚀形态有面蚀和沟蚀。水力侵蚀的强度取决于土壤或土体的特性、地面坡度、植被情况、降水特性及水流冲刷能力的大小等,其中降雨是最重要的动力因素,尤其是暴雨对土壤的分散、破坏作用最大,同时暴雨还会增强地面径流的冲刷力和搬运能力,加大土壤侵蚀量。少数几次大暴雨引起的侵蚀量,往往成为年侵蚀量的主要部分。植被对地面的覆盖是减少水力侵蚀的关键因素,严重的水力侵蚀一般发生在植被遭到严重破坏的地区。坡度与坡长即影响径流速度,也影响渗透量和径流量。人为不合理的经营活动是引起水力侵蚀的主要因素,滥砍、滥伐、滥牧和不合理的耕种方式均能加剧水力侵蚀。邢台县水土流失面积为1195Km2。
3.2 人为活动对水土流失的影响分析。
20世纪80年代后期以来,山区开矿、采石、修路等生产建设事业迅速发展,由于弃渣和排弃危矿,地表植被的损毁,人为活动造成的水土流失越来越严重。《中华人民共和国水土保持法》颁布实施后,人为活动造成的水土流失受到一定的治理和限制,但治理和恢复的速度与破坏速度大体持平。
3.3 邢台市水土流失的危害分析。
(1)破坏土壤资源,蚕食农田,威胁人类的生存条件。土壤是人类赖以生存的物质基础,是环境的基本要素,是农业生产的最基本资源。年复一年的水土流失,使有限的土地资源遭到严重的破坏,地形破碎,土层变薄,地表物质沙化或石化,特别是土石山区,由于土层流失,致使基岩裸露,荒山秃岭无法耕种。例如1996年暴雨,仅邢台县山丘区就冲毁耕地达4660hm2。
(2)消减地力,加剧干旱发展。由于水土流失,使坡耕地成为跑水、跑土、跑肥的“三跑田”,致使土地日益瘠薄,土壤理化性恶化,土壤透水性、持水力下降,加剧了干旱的发展,使农业生产低而不稳。按照邢台市土壤侵蚀强度以及相应的侵蚀模数计算,每年泥沙损失总量为660万t。每吨泥沙中一般含有氮肥1.2Kg,磷肥1.5Kg,钾肥20Kg,则每年流失的肥料约15万t。
(3)泥沙淤积河床、水库,加剧洪涝灾害。水土流失使大量泥沙下泄,淤积下游河道,降低行洪能力。
参考文献
[1] 乔光建.区域水资源保护探索与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
[2] 张金香,孙吉定,郝铁山.太行山片麻岩区主要坡地类型水土保持观测分析[J].河北水利科技,1996(2):10~14.
[3] 张广军,赵晓光.水土流失及荒漠化监测与评价[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[4] 宋玉红.提高水土保持措施有效性初探[J].黄河规划设计,2008(3):21~22.
【关键词】流域植被;径流调节;枯季径流量;水土流失;水土保持;治理
1. 研究区水文特征与植被情况
1.1 研究区基本情况。
邢台县位于河北省南部,东经113°45′~114°38′,北纬36°58′~37°22′,东临南和县、任县;西与山西省左权、和顺、昔阳三县接壤;南与沙河市、武安市相连;北与内丘县毗邻。县境内的大沙河发源于内丘县白鹿角川的山丘区地带,流入邢台县境内后,主要支流为宋家庄川、将军墓川、浆水川和路罗川汇合流入朱庄水库,境内流域面积1102Km2,河长72Km,河源高程1120m,落差922m,河道纵坡12.8‰。七里河发源于境内西部山丘区龙尾尖后沟。全长77Km,邢台县境内河长59Km。流域面积505Km2,境内面积334Km2。河源高程400m,河口高程28.5m。河床纵坡4.82‰。七里河经南和县汇入大陆泽,上游建有东川口水库。牛尾河发源于邢台县中部张果老山及丘陵地带,由小黄河、沙底河、仙源河三条支流汇聚而成,经邢台市北侧穿过,入任县境内汇入南浬河。流域面积338Km2,在邢台县境内面积134Km2,河源高程190m,河口高程28.5m。河床纵坡3.42‰。白马河发源于邢台县境内北小庄乡的戈廖,经雀寨村、石槽、石相入任县汇入北澧河,该河全长73.5Km,流域面积485Km2,河源高程520m,河口高程30.5m。河床纵坡6.66‰,该河上游常年有水,上游建有羊卧湾水库。
1.2 水文特征。
降水:西部山区多年平均降水量为542mm。年降水的77%集中在6~9月,月最大降水一般出现在8月,约占全年降水的30%,且常以暴雨的形式出现。该区降水量的年季际变化很大,丰水年和枯水年的降水量相差1~2倍,最大相差4~9倍。该区降水不仅变率大。强度也大,不少地方降水量常为一、二次暴雨所形成,雨量过于集中,常常由于暴雨造成洪水泛滥成灾。
蒸发:该区年平均蒸发量为1005mm。由于蒸发量大,降水偏少,地表径流贫乏,因而水分蒸发后难以得到尽快补充,形成经常性干旱缺水。
径流:与降水特点相似,径流量的季节分配很不均匀,也不能满足农作物需要。因受地形、地貌、植被等因素的影响,不同地区的径流深相差很大。中低山区多年平均径流深为209.8mm,丘陵区多年平均径流深为109mm。
2. 流域植被对径流调节作用情况
在流域植被较好的区域,植被可以调节地表径流、防止土壤侵蚀、减少河流泥沙淤积等。树冠防止雨滴直接打击地表,削弱雨滴对土壤溅蚀作用,并可截流部分雨水。截留量的大小主要受降雨量和降雨强度的影响。
当降雨到达坡面以后,一部分雨量沿坡面产生地表径流,另一部分渗入土壤,随着这一过程的继续,土壤含水量达到并超过田间持水率,由于水分不能为毛管力所保持,而受重力支配,形成重力水。当重力水渗透到风化岩石所构成的弱透水层或相对不透水层时,一部分水量在土壤——风化岩石的交界面处相聚,并沿相对不透水层侧向流动,形成壤中流;另一部分水量则进入风化岩体继续向下渗透,当风化岩体的含水量达到并超过岩体的弱透水层或相对不透水层时,水量再次积聚于风化岩石——基岩的交界面处,并沿该相对不透水层侧向流动,形成裂隙流。到了枯季,以地下水的形式排泄,形成枯季径流。
2.1 流域植被对年径流量的调节作用。
河流水量可分为降水直接产生的流量和基流流量两部分。直接流量即为相应于降雨马上产生的流量,基流包括流域植被截留部分和土壤中被储留后在缓慢流出的部分。直接流量包含溪流的流路上降水和短暂透过露岩的水、降于地表后又原封不动流出的水和降于山腹斜面的又经过地表或土壤表层很快流出的水。直接流量和基流流量的比例,在一定程度上反映流域植被对径流的影响程度。流域植被越好,直接流量越小,对径流的调节作用越大。采用1995~2004年监测资料,分析坡底水文站直接产流情况,流域植被对径流影响统计见表1。
通过对坡底水文站年径流量与年内降雨直接产流水量进行分析计算,坡底站流域植被截留率为68.78%。通过计算还可以看出,流域植被截流主要与植被有关,但也和降雨强度和降雨历时及降水量有关。如1996年、2000年,该流域发生较大洪水,植被截留率都比正常年份低2~3倍,说明流域植被截留也是有一定限度的,超过流域植被截留能力后,则全部以直接产流形式流出。而且降雨强度愈大,降雨愈集中,植被截留率愈低。
2.2 流域植被对径流量的年内分配的调节作用。
植被较好的土壤具有特殊的水、热、气条件,有利于土壤生物、微生物的滋生繁衍,促使土壤有机质分解和土壤结构形成,加速土壤发育。同时,土壤中动物活动的洞穴、孔道和植物根系的生长更新,使土壤密度小,总孔隙大,非无管孔隙比例增大,这些有利于土壤持水量的提高和土壤水分运动。水分在不同土层内缓慢地沁流,最后进入河川,可以调节径流,改善河川水文状况,达到涵养水源的作用。
2.3 流域植被对洪峰的截留作用。
对于一个闭合小流域,单次洪水水量就是收集监测断面上的区域所收集起来的直接天然降水径流,一次降雨的产流量将受到众多因素的影响,如降雨、前期土壤含水量、下垫面情况等,降雨因素又包括降水量、降雨强度等;下垫面情况又包括集水面质地、土壤結构、容重、集水面坡度等,均影响产流量的变化。
根据实测降雨和径流资料,确定两个流域次暴雨
径流系数。在上述两个小面积站的降水中,从1995~2004年测验成果中,选择降雨强度、降水量相似的次暴雨进行比较,分析不同流域单次暴雨的产流情况,并计算其径流系数,调查结果见表2。 通过对坡底流域几场暴雨产流情况调查分析,坡底站在降雨强度为1.11~2.20mm/h,径流系数分别为2.9~5.3%之间。通过对次暴雨产流情况分析,说明流域植被对调节洪水起很大作用,不仅减少洪峰流量,而且延缓洪峰时间,增大对地下水的入渗量和入渗时间,对于涵养流域水分起重要作用。
3. 水土流失原因及危害
3.1 邢臺市水土流失区域土壤侵蚀形式分析。
邢台县西部山区土壤侵蚀以降水和地表径流作为侵蚀的直接动力,即以水力侵蚀为主,其主要侵蚀形态有面蚀和沟蚀。水力侵蚀的强度取决于土壤或土体的特性、地面坡度、植被情况、降水特性及水流冲刷能力的大小等,其中降雨是最重要的动力因素,尤其是暴雨对土壤的分散、破坏作用最大,同时暴雨还会增强地面径流的冲刷力和搬运能力,加大土壤侵蚀量。少数几次大暴雨引起的侵蚀量,往往成为年侵蚀量的主要部分。植被对地面的覆盖是减少水力侵蚀的关键因素,严重的水力侵蚀一般发生在植被遭到严重破坏的地区。坡度与坡长即影响径流速度,也影响渗透量和径流量。人为不合理的经营活动是引起水力侵蚀的主要因素,滥砍、滥伐、滥牧和不合理的耕种方式均能加剧水力侵蚀。邢台县水土流失面积为1195Km2。
3.2 人为活动对水土流失的影响分析。
20世纪80年代后期以来,山区开矿、采石、修路等生产建设事业迅速发展,由于弃渣和排弃危矿,地表植被的损毁,人为活动造成的水土流失越来越严重。《中华人民共和国水土保持法》颁布实施后,人为活动造成的水土流失受到一定的治理和限制,但治理和恢复的速度与破坏速度大体持平。
3.3 邢台市水土流失的危害分析。
(1)破坏土壤资源,蚕食农田,威胁人类的生存条件。土壤是人类赖以生存的物质基础,是环境的基本要素,是农业生产的最基本资源。年复一年的水土流失,使有限的土地资源遭到严重的破坏,地形破碎,土层变薄,地表物质沙化或石化,特别是土石山区,由于土层流失,致使基岩裸露,荒山秃岭无法耕种。例如1996年暴雨,仅邢台县山丘区就冲毁耕地达4660hm2。
(2)消减地力,加剧干旱发展。由于水土流失,使坡耕地成为跑水、跑土、跑肥的“三跑田”,致使土地日益瘠薄,土壤理化性恶化,土壤透水性、持水力下降,加剧了干旱的发展,使农业生产低而不稳。按照邢台市土壤侵蚀强度以及相应的侵蚀模数计算,每年泥沙损失总量为660万t。每吨泥沙中一般含有氮肥1.2Kg,磷肥1.5Kg,钾肥20Kg,则每年流失的肥料约15万t。
(3)泥沙淤积河床、水库,加剧洪涝灾害。水土流失使大量泥沙下泄,淤积下游河道,降低行洪能力。
参考文献
[1] 乔光建.区域水资源保护探索与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
[2] 张金香,孙吉定,郝铁山.太行山片麻岩区主要坡地类型水土保持观测分析[J].河北水利科技,1996(2):10~14.
[3] 张广军,赵晓光.水土流失及荒漠化监测与评价[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[4] 宋玉红.提高水土保持措施有效性初探[J].黄河规划设计,2008(3):21~22.