中国水利学会第二届青年科技论坛征文

中国水利学会第二届青年科技论坛征文 基于淤地坝建设的黄河中游泥沙粒径变化分析 1，423冉大川 郭宝群 马勇 （1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院 河南 郑州 450003； 2.黄河水利委员会水文局 河南 郑州 450004； 3.黄河水利委员会天水水土保持科学试验站 甘肃 天水 741000； 4.中国科学院、水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验 室 陕西 杨凌 712100） 【摘要】 本文以黄河中游河口镇-龙门区间及四大典型支流皇甫川、窟野河、无定河和三川河 为研究对象，通过分析实施淤地坝等水土保持措施前后泥沙粒径的变化认为：（1）自20世纪70年代以来，河龙区间粗泥沙占比、淤地坝减沙量和拦减粗泥沙量均呈下降趋势，淤地坝拦减 粗泥沙量的时效性较为明显。龙门水文站实测泥沙粒径有着明显细化的趋势。（2）黄河中游粗泥沙集中来源区实施水土保持综合治理后，皇甫川、无定河、三川河流域泥沙中值粒径和平 均粒径均有细化的趋势；窟野河流域泥沙中值粒径也有细化的趋势，但平均粒径却呈波动增大 趋势。（3）黄河中游部分支流及干流水文站控制流域实施水土保持综合治理后，绝大部分流 域泥沙中值粒径和平均粒径同时变小，泥沙明显变细。（4）淤地坝等水土保持综合治理措施 不仅具有减沙作用，还具有明显的“拦粗排细”作用。减少黄河粗泥沙的重点支流应首选窟野 河和皇甫川。 【关键词】 河龙区间 淤地坝 粗泥沙 粒径 长期的水土保持实践经验证明，淤地坝是黄土高原水土流失防治的重要措施，在水土 流失治理中具有不可替代的作用；是快速减少入黄泥沙、减轻黄河下游河道泥沙淤积、实 现“河床不抬高”最有效的工程措施；在黄土高原地区小流域治理中对泥沙具有绝对的控 [1]制性作用。根据笔者以往研究成果，作为黄河中游多沙粗沙区淤地坝分布最为集中的河 19701996口镇至龙门区间（简称河龙区间），～年淤地坝减沙量占水土保持措施减沙总量 64.7%65%的，接近。河龙区间淤地坝较多的四条典型支流皇甫川、窟野河、无定河和三 1970199657.8%37.2%川河流域，～年淤地坝减沙量分别占水土保持措施减沙总量的、、62.1%72.2% 和。因此，淤地坝是拦减黄河中游泥沙的关键措施。 在黄河中游地区淤地坝减沙作用研究中，以往的研究侧重于对淤地坝拦减泥沙总量的 d0.05 mm研究，对淤地坝拦减粗泥沙（粒径?）研究不够。粗泥沙对黄河下游的危害最大。 淤地坝在拦减泥沙的同时，也必然拦减粗泥沙。本文根据以往研究成果，对黄河中游多沙 1.88km粗沙区淤地坝拦减粗泥沙情况进行了分析，以期对集中治理黄河中游万2的粗泥沙 集中来源区有所裨益。 1 河龙区间淤地坝拦减粗泥沙及粒径变化情况 2070黄河中游河龙区间自世纪年代以来，输沙量明显减少。根据本文研究水文资料 10.05 mm19692.83统计（见表），黄河干流龙门水文站大于的粗泥沙来量年以前年均为 中国水利学会第二首届青年科技论坛论文集 260 t702.25t 801.05t9019901996亿，年代减少为亿，年代只有亿。年代（～年，下同） [2]802%在年降雨量比年代增大8045.8%、年输沙量比年代增大的情况下，粗泥沙来量增 1.38t8030.8%大到亿，比年代增大了。粗泥沙来量呈现出随着年输沙量的减少而减少、 增大而增大的趋向性变化规律。但不同年代粗泥沙占比变化规律不明显。相应的河流泥沙 600.0324 mm70粒径也有着细化的趋势：龙门水文站实测的中值粒径由年代的、年代的0.0285 mm800.0250 mm900.0219 mm600.0536 、年代的变为年代的；平均粒径由年代的mm700.0471 mm800.0331 mm900.0283 mm、年代的、年代的变为年代的。这种变化一方面固然有降雨减少的影响，另一方面，黄河中游大规模的水土保持综合治理工作的深入 开展，也是造成龙门水文站输沙量减少、泥沙变细的重要原因。 12070由表可知，自世纪年代以来，河龙区间粗泥沙占比（即粗泥沙量占年输沙量 的比例）、淤地坝减沙量和拦减粗泥沙量均呈下降趋势，淤地坝拦减粗泥沙量的时效性较为 170明显。河龙区间不同年代淤地坝拦减粗泥沙量变化过程见图。由此可见，年代拦减粗 80901990199690泥沙量最大，、年代（～年）拦减粗泥沙量明显减少，呈下降趋势，但 801970199627年代下降速度比年代缓慢。～年年平均，河龙区间淤地坝年均拦减粗泥沙 2730t5.57t5%万，占河龙区间对应时段多年平均输沙量亿的，占多年平均粗泥沙输移量1.571t17.4% 亿的。 表1 河龙区间淤地坝拦减粗泥沙量计算成果 淤地坝 淤地坝 龙门站 龙门站 年代 年输沙量 粗泥沙年粗沙量 淤地坝减减沙量 减粗沙量 中值粒径平均粒径（年） （亿t） 占比/% （亿t） 沙占比/% （万t） （万t） （mm） （mm） 1969年10.3 27.5 2.833 3320 72.2 910 0.0324 0.0536 以前 1970～ 7.54 29.8 2.247 11660 80.0 3470 0.0285 0.0471 1979 1980～ 3.71 28.4 1.054 8850 63.3 2510 0.0250 0.0331 1989 1990～ 5.41 25.5 1.379 8040 47.6 2050 0.0219 0.0283 1996 1970～ 5.57 28.2 1.571 9680 64.7 2730 0.0255 0.0370 1996 注：表中“淤地坝减沙占比”为淤地坝减沙量占水土保持措施减沙总量的比例。 703470t80从各年代具体计算结果看，年代河龙区间淤地坝年均拦减粗泥沙万，年 2510t70960t27.7%90代下降为万，比年代减少了万，减幅为。年代淤地坝年均拦减粗 2050t80460t18.3%70泥沙量仅为万，比年代又减少了万，减幅为，只占年代淤地坝年 59.1%8081.7%2740%均拦减粗泥沙量的，年代的。年间河龙区间淤地坝几乎丧失了的拦 减粗泥沙能力，淤地坝年均拦减粗泥沙量的衰减速度相当快。 45%19701996由于河龙区间淤地坝减沙占比高达以上，～年淤地坝年均减沙占比达64.7%65%，接近。因此，淤地坝是快速减少入黄粗泥沙的首选工程措施和第一道防线， 为保证淤地坝拦减粗泥沙作用的持续性，应在黄土高原淤地坝建设规划的基础上，按照坝 系建设的总体要求，对河龙区间现有淤地坝进行除险、加固、改建和配套；突出重点，加 大投资力度和建设速度，在粗泥沙集中来源区加快以淤地坝为主的水土保持生态工程建设 步伐，以达到快速减少入黄粗泥沙、实现黄河下游“河床不抬高”的目的。 11970此外，由表可见，实施淤地坝等水土保持措施前（年以前），龙门水文站实测 261 四、水力学 河流动力学 0.0324 mm0.0536 mm泥沙中值粒径和平均粒径分别为和，在四个阶段中最大；实施淤地 19701996坝等水土保持措施后，龙门水文站实测泥沙粒径逐年代变小，～年实测泥沙中值 0.0255 mm0.0370 mm19690.0069 mm粒径和平均粒径分别为和，比年以前分别减小了和0.0166 mm21.3%31.0%19701996，减幅分别达到和。由于河龙区间～年淤地坝年均减沙 64.7%占比高达，是主要的拦沙措施，因此，淤地坝等水土保持综合治理措施不仅具有减 沙作用，还具有明显的“拦粗排细”作用。黄河龙门水文站不同时段泥沙粒径变化情况见 2 图。 图1 图2 2 典型支流泥沙粒径变化情况 皇甫川、窟野河、无定河、三川河是河龙区间的四条典型支流，也是黄河中游粗泥沙 的集中来源区。四大水土保持措施中减沙最大的主要水土保持措施均为淤地坝。四条典型 支流不同年代泥沙平均粒径和中值粒径统计结果见表2。由此可以看出： 表2 河龙区间典型支流不同年代泥沙粒径变化情况 单位：mm 皇甫川 窟野河 无定河 三川河 年代 中值粒平均粒平均粒平均粒中值粒平均粒中值粒径 中值粒径 径 径 径 径 径 径 1954～0.066 0.156 0.0783 0.0897 0.0358 0.0520 0.0247 0.0378 1969 1970～0.066 0.154 0.0616 0.1154 0.0347 0.0519 0.0228 0.0352 1979 1980～0.051 0.150 0.0557 0.1388 0.0336 0.0493 0.0189 0.0284 1989 1990～0.046 0.148 0.0488 0.1175 0.0288 0.0428 0.0172 0.0267 1996 中国水利学会第二首届青年科技论坛论文集 262 （1）黄河中游粗泥沙集中来源区实施水土保持治理后，皇甫川、无定河、三川河流域 泥沙中值粒径和平均粒径均有细化的趋势；窟野河流域泥沙中值粒径也有细化的趋势，但 平均粒径却呈波动增大趋势。 （2）窟野河流域蕴藏有丰富的煤炭资源，20世纪80年代开发的大型露天煤矿神（木） 2府（谷）煤田，面积3214 km，地质储量339亿t，主要分布在窟野河神木以上至转龙湾 区间的干支流两侧。诸多的研究已经证明，开矿会使河流泥沙粒径变粗，抵消了由于淤地 坝等水土保持措施的实施使河流泥沙粒径变细的影响。 3 黄河中游支流及干流水文站长时段粒径变化情况 从黄河中游部分支流及干流水文站长时段的粒径变化情况来看（表3），实施水土保持综合治理后（一般以1970年为界），绝大部分流域泥沙中值粒径和平均粒径同时变小，泥 沙明显变细。粒径变化以皇甫川、秃尾河、无定河三条支流最为明显。经分析，河龙区间 降雨的减少和河道冲淤都不是影响河流泥沙变细的因素，因此，水土保持便成为可能导致 [3]河流泥沙变细的主要因素。河龙区间实施的水土保持措施主要有梯田、林草、淤地坝， 水利措施主要是水库和灌区。水土保持措施通过增大地面糙率、减缓坡度，使得水流侵蚀 和输沙能力降低，从而起到减沙效果。不仅如此，各支流上的大小水库和淤地坝大多具有 明显的拦减粗泥沙和排放细泥沙的作用，这些水利水土保持措施的综合作用最终使进入河 流的泥沙变细。黄河中游河龙区间干流及部分支流水文站实施水土保持措施前（1970年以前）、实施水土保持措施后（1970～1996年）长时段的粒径变化柱状图及过程线分别见图3～图6。窟野河温家川水文站控制流域实施水保治理后，由于开矿等人为新增水土流失导致 泥沙平均粒径变粗，引起毗邻的黄河干流府谷水文站实测泥沙平均粒径也相应变粗；佳芦 河申家湾水文站进入20世纪90年代后，由于开矿和特大暴雨的共同影响，中值粒径和平 均粒径急剧变粗，多年的水土保持治理成果被抵消殆尽，必须引起高度重视。 表3 黄河中游支流实施水土保持前后的泥沙粒径变化情况 水保后d水保前d水保后d50avg avg河流 水文站 水保前d（mm） 50（mm） （mm） （mm） 0.0660 0.0556 0.1560 0.1511 皇甫川 皇甫 0.0453 0.0401 0.0666 0.0618 孤山川 高石崖 0.0783 0.0564 0.0897 0.1249 窟野河 温家川 0.0948 0.0694 0.1581 0.1402 秃尾河 高家川 0.0422 0.0608 佳芦河 申家湾 0.0466（0.0344） 0.1072（0.0595） 0.0358 0.0329 0.0520 0.0488 无定河 白家川 0.0317 0.0271 0.0416 0.0359 清涧河 延川 0.0298 0.0219 0.0492 0.0374 湫水河 林家坪 0.0247 0.0200 0.0378 0.0306 三川河 后大成 0.0259 0.0255 0.0399 0.0467 黄河 府谷 0.0288 0.0276 0.0472 0.0425 黄河 吴堡 0.0324 0.0255 0.0536 0.0370 黄河 龙门 注：（1）资料系列截止1996年，部分水文站缺1994年资料。表中部分数据来自参考文献[3]。 （2）d代表中值粒径，d代表平均粒径。 50avg （3）佳芦河申家湾水文站括号内为截止1989年的资料。 263 四、水力学 河流动力学 4 减少黄河粗泥沙的重点支流应首选窟野河和皇甫川 图3长时段的粒径变化柱状图 图4长时段的粒径变化柱状图 图5长时段的粒径变化过程线 图6长时段的粒径变化过程线 在河龙区间的诸多支流中，以皇甫川、窟野河、无定河三条支流对黄河泥沙的贡献最 中国水利学会第二首届青年科技论坛论文集 264 2大。这三条支流水文站控制流域面积合计为4.15万km，占河龙区间总面积的37%，但其 多年平均（1956～1996年）输沙量却占到河龙区间多年平均（1950～1996年）输沙量的40%，多年平均粗泥沙输沙量占到45%。这三条支流中又以窟野河和皇甫川为甚，两条支 2流面积合计1.18万km。在仅占河龙区间11%的面积上，其多年平均粗泥沙输沙量占到河 龙区间的27%，接近30%。因此，减少黄河粗泥沙的重点应放到这两条流域上来。控制这 “一河一川”的粗泥沙入黄，将大大改善目前黄河下游严重淤积的不利状况。根据目前黄 河中游水土保持措施在中小洪水时减沙效果明显、在大洪水时减沙作用有限甚至增沙的实 际情况，为了减少大洪水时入黄泥沙剧增、防止出现大洪水破坏水土保持措施尤其是冲毁 淤地坝而导致增沙的现象发生，这两条流域以淤地坝为主的水土保持生态工程建设必须提 高防洪标准。 参 考 文 献 1 冉大川，罗全华，刘斌，等. 黄河中游地区淤地坝减洪减沙及减蚀作用研究. 水利学报，2004，35（5）： 7-13. 2 冉大川，柳林旺，赵力仪，等. 黄河中游河口镇至龙门区间水土保持与水沙变化. 郑州：黄河水利出 版社，2000. 3 韩鹏，倪晋仁. 水土保持对黄河中游泥沙粒径影响的统计分析. 水利学报，2001（8）：69-74. 【作者简介】 冉大川，1964年3月出生，西安理工大学水利工程硕士，黄河水利委员会黄河水利科学研究 院水土保持研究所总工程师，高级工程师；中国科学院、水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地 农业国家重点实验室客座研究员。主要从事水土保持科学研究。 豆丁网（DocIn）是全球优秀的C2C文档销售与分享社区。 豆丁允许用户上传包括 .pdf, .doc, . ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt , .txt 在内的数十种格式的文档文件，并以Flash Player的形式在网页中直接展示给读者。简而言之，豆丁就如同文档版 的Youtube。现在每天都有数以万计的文档会上传到豆丁，正基于此，豆丁将致力 构建全球最大的中文图书馆。 豆丁努力使世界上任何人都能够自由地发挥他们的创造力。文档资料只通过少 数、单一的出版物来传播的时代已经结束。现在，互联网给文档资料提供了世界范 围内的传播渠道，豆丁希望能够给每个独立的文档持有者利用这个新机会的方法。 现在，我们为原创人群提供安全、自由、民主、便利的文档发布与营销平台。借助 豆丁，你可以为你的文档定价，并通过豆丁发表到不同博客、论坛、联盟中，进行 广泛传播，在分享的同时获得收入回报。 豆丁致力于构建全球领先的文档发布与销售平台，面向世界范围提供便捷、安 全、专业、有效的文档营销服务。包括中国、日本、韩国、北美、欧洲等在内的豆 丁全球分站，将面向全球各地的文档拥有者和代理商提供服务，帮助他们把文档发 行到世界的每一个角落。豆丁正在全球各地建立便捷、安全、高效的支付与兑换渠 道，为每一位用户提供优质的文档交易和账务服务。 中国水利学会第二首届青年科技论坛论文集 2