張寶琦，劉 斌，劉 展，金天龍，章寶寧，郝玉東，倉(cāng)周措毛，許小梅，袁 靜，劉曉文

(黃河水利委員會(huì) 西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 慶陽(yáng)745000)

隨著氣候的不斷變化，極端暴雨發(fā)生頻次不斷增加，引發(fā)洪水災(zāi)害，發(fā)生嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、基礎(chǔ)設(shè)施損毀等危害，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-5]。2021年8月18日，慶陽(yáng)市境內(nèi)普降大雨，局地出現(xiàn)暴雨，全市平均降雨量36.6 mm。暴雨發(fā)生后，調(diào)查人員于2021年8月21—25日，前往暴雨影響范圍內(nèi)進(jìn)行了調(diào)查，了解此次暴雨洪水特征及水土保持設(shè)施損毀情況，分析水土保持措施在暴雨中產(chǎn)生的防治效果，旨在為科學(xué)評(píng)價(jià)水土保持措施的防治效果提供參考依據(jù)。

1 調(diào)查區(qū)域概況

董志塬地處中緯度地帶(東經(jīng)107°26′52″～107°56′06″，北緯35°14′41″～36°03′26″)，大陸性氣候明顯，屬溫帶半濕潤(rùn)氣候，其特點(diǎn)是冷暖干濕四季分明，冬春長(zhǎng)，夏秋短，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈。該區(qū)多年平均氣溫8.4～9.5 ℃，多年平均降水量525～623.2 mm，年內(nèi)分配不均，大部分集中在7—9月，期間降水量占年降水總量的60%。多年平均蒸發(fā)量1 600 mm，全年太陽(yáng)輻射量為531.5～565.8 kJ/cm2，年積溫為2 739.2～3 352.2 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 446 h。黃河二級(jí)支流涇河位于其南部，馬蓮河、蒲河兩大河流堅(jiān)展兩翼，區(qū)內(nèi)多年平均徑流量為12.28億m3，平均年徑流深35 mm，徑流模數(shù)34 470 m3/(km2·a)，其中62.7%的徑流集中在7—9月。馬蓮河年均徑流總量4.75億m3，蒲河年均徑流總量2.35億m3，洪河年均徑流總量4 935萬m3，四郎河年均徑流總量3 902.50萬m3。

2 調(diào)查結(jié)果

2.1 暴雨特征及災(zāi)害

2.1.1 暴雨特征

2021年8月18—19日，慶陽(yáng)市全市范圍內(nèi)出現(xiàn)了一次降雨過程，主要降雨時(shí)段出現(xiàn)在18日夜間至19日凌晨。此次降雨在董志塬周邊形成兩個(gè)暴雨中心，分別為鎮(zhèn)原縣屯字鎮(zhèn)閆溝村及慶城縣蔡家廟鄉(xiāng)政府附近。其中鎮(zhèn)原縣閆溝主要降雨時(shí)段集中在18日22時(shí)至19日1時(shí)，最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在18日23時(shí)至19日0時(shí)，達(dá)86.3 mm/h，圖1為此次降雨過程閆溝小時(shí)降雨分布情況。

圖1 2021年8月18—19日閆溝小時(shí)降雨分布

從18日22時(shí)至19日12時(shí)，鎮(zhèn)原縣閆溝降雨量200.2 mm，慶城縣蔡家廟降雨量150.1 mm，全市累積降雨量超過100 mm的有8站次，超過50 mm的有22站次，超過20 mm的有125站次。根據(jù)慶陽(yáng)市172個(gè)雨量站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出董志塬地區(qū)“20210818”降雨量等值線圖，詳見圖2。通過2020年5月高分1號(hào)遙感衛(wèi)星解譯(分辨率為2 m)，降雨量為60 mm以上的籠罩面積為2 979.61 km2，占慶陽(yáng)市此次降雨范圍總面積的31.68%。

2.1.2 暴雨災(zāi)害

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至19日12時(shí)，本次暴雨造成城關(guān)鎮(zhèn)、上肖鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、屯字鎮(zhèn)、開邊鎮(zhèn)、平泉鎮(zhèn)、孟壩鎮(zhèn)、方山鄉(xiāng)、南川鄉(xiāng)、郭原鄉(xiāng)、新集鎮(zhèn)11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)48個(gè)村73個(gè)組373戶1 037人不同程度受災(zāi)，無遇難失蹤人員。災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失229.45萬元，其中：居民家庭財(cái)產(chǎn)損失63.4萬元，農(nóng)林牧漁業(yè)損失146.05萬元，公共基礎(chǔ)設(shè)施損失20萬元。慶城縣蔡家廟暴雨中心周邊除發(fā)生道路損毀、農(nóng)田水毀外，未造成其他方面重大損失。

圖2 董志塬區(qū)“20210818”降雨量等值線

2.2 暴雨條件下水沙關(guān)系

2.2.1 洪水過程分析

圖3為毛家寺水文站8月18日8時(shí)至8月20日8時(shí)測(cè)站流量及含沙量變化曲線，從中可以看出，8月19日1:00開始漲水，含沙量也隨之增大，流量增加速率大于含沙量增加速率，2:54流量增加速率減小，持續(xù)近3 h后出現(xiàn)洪峰，洪峰流量為195.0 m3/s，之后流量逐漸減小，減小速率逐漸減小。含沙量于8月19日3:06達(dá)到峰值附近，持續(xù)近8 h，于8月19日11:18達(dá)到產(chǎn)沙峰值166 kg/m3，而后逐漸減小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本次洪水徑流量為520.8萬m3，輸沙量為71.2萬t。

圖3 “20210818”暴雨條件下毛家寺測(cè)站流量、含沙量變化曲線

2.2.2 巴家咀水庫(kù)攔蓄洪水情況

圖4為巴家咀水庫(kù)水位變化曲線，18日22:00水庫(kù)水位開始上漲，表明流量已經(jīng)增加，有洪水入庫(kù)。通過調(diào)查洪水痕跡和參考?xì)庀筚Y料進(jìn)行分析得知，短時(shí)間洪水已經(jīng)匯流入庫(kù)。19日1:30至3:45由于降雨量減小，水位變化速率減小。19日3:45庫(kù)水位漲勢(shì)較快，分析是太白梁站洪水已入庫(kù)，以及姚新莊降雨持續(xù)增加所產(chǎn)生的洪水入庫(kù)。

圖4 “20210818”暴雨條件下巴家咀水庫(kù)水位變化曲線

2.2.3 南小河溝測(cè)站洪水特征分析

根據(jù)觀測(cè)資料，南小河溝流域非治理流域董莊溝小流域8月18日21:31開始降雨，洪峰23:31到達(dá)，水位0.45 m，流量0.627 m3/s，8月20日2:00斷流。治理溝楊家溝小流域8月18日21:38開始降雨，洪峰8月19日1:10到達(dá)，水位0.24 m，流量0.159 m3/s，8月19日18:00斷流。相對(duì)于非治理流域董莊溝小流域，治理流域楊家溝小流域徑流模數(shù)和侵蝕模數(shù)分別減少了62.12%和80.03%。表1為“20210818”暴雨洪水產(chǎn)流輸沙特性統(tǒng)計(jì)。

表1 “20210818”暴雨洪水產(chǎn)流輸沙特征統(tǒng)計(jì)

2.3 暴雨條件下災(zāi)害特征分析

2.3.1 徑流小區(qū)細(xì)溝侵蝕

2005年，西峰水保站在南小河溝典型小流域內(nèi)的湫溝布設(shè)了坡度分別為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°的裸地徑流小區(qū)各2個(gè)，長(zhǎng)度和寬度水平投影均為20 m和5 m，進(jìn)行不同降雨條件下不同坡度徑流小區(qū)水土流失規(guī)律的試驗(yàn)觀測(cè)。在本次暴雨后，通過對(duì)14個(gè)不同坡度徑流小區(qū)沖溝的量測(cè)，得到圖5。當(dāng)坡度從5°增加到35°時(shí)，細(xì)溝侵蝕量變化范圍在0～214.36 kg之間，并且細(xì)溝總侵蝕量與坡度之間存在顯著的線性函數(shù)關(guān)系，R2=0.71。

圖5 “20210818”暴雨條件下不同坡度與細(xì)溝總侵蝕量關(guān)系

2.3.2 梯田損毀

圍繞暴雨中心展開了一系列調(diào)查，梯田發(fā)生土壤侵蝕的主要原因是梯田無邊埂，道路和梯田匯水沿著地壟溝流到地勢(shì)低洼處，形成沖溝，嚴(yán)重處會(huì)形成陷穴穿洞，且當(dāng)下墊面為覆膜玉米地時(shí)，地膜會(huì)阻止水分入滲，增加地表徑流，加劇無邊梗梯田侵蝕。而慶城縣蔡家廟鄉(xiāng)北岔溝村的梯田在2014年修建，有邊梗且設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，無水毀現(xiàn)象。調(diào)查梯田詳情見表2。

表2 不同區(qū)域梯田損毀情況

2.3.3 道路損毀

根據(jù)不同降雨區(qū)間道路水毀情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，柏油路和硬化道路發(fā)生損毀的最主要原因?yàn)榈缆放潘粫?。例如?zhèn)原縣太平鎮(zhèn)柳咀村柏油路面，由于道路兩側(cè)排水渠設(shè)計(jì)過窄，呈矩形，溝道和路面來水匯集到排水渠，對(duì)排水渠兩側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕，最終沖毀路基，造成路面懸空。表3為不同區(qū)域道路侵蝕特征。

表3 不同區(qū)域道路侵蝕特征

2.3.4 工程措施損毀

針對(duì)本次暴雨中心影響范圍內(nèi)的水土保持工程措施(澇池、溝頭防護(hù)工程和淤地壩)，進(jìn)行了實(shí)際淤積和水毀情況調(diào)查，共調(diào)查澇池8座、溝頭防護(hù)工程3座、淤地壩1座。澇池和溝道防護(hù)工程均未出現(xiàn)沖毀情況，而淤地壩為兩大件，無臥管，水面距離溢洪道底部2 m，壩坡有沖溝，整體比較完整，壩體頂部匯水集中，形成長(zhǎng)10 m、寬0.6 m、深0.45 m和長(zhǎng)10 m、寬0.25 m、深0.18 m的塌陷各一處，侵蝕量分別為3.65和0.61 t，并且溢洪道與壩體結(jié)合部位出現(xiàn)沖溝，產(chǎn)生塌陷。

2.3.5 人為活動(dòng)

人為活動(dòng)干擾也會(huì)造成土壤侵蝕的發(fā)生。本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)西峰區(qū)后官寨鎮(zhèn)王鐵村村民建廟，對(duì)700 m2土地進(jìn)行平整，但沒有采取任何水土保持措施，在這次暴雨過程中造成了較嚴(yán)重的土壤侵蝕。經(jīng)實(shí)地測(cè)量，沖溝上部長(zhǎng)8 m、寬0.5 m、深0.4 m，侵蝕量為0.72 t，下部長(zhǎng)5 m、寬2 m、深1.5 m，侵蝕量為6.75 t，總侵蝕量為7.47 t。慶城縣蔡家廟鄉(xiāng)有作業(yè)油井，井場(chǎng)未做邊坡防護(hù)，造成沖蝕。

2.4 水土保持效益評(píng)價(jià)

2.4.1 梯田工程建設(shè)

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有邊埂的梯田基本沒有發(fā)生損毀，可以很好地?cái)r蓄徑流，使降水全部入滲，而沒有邊埂的梯田則在暴雨沖刷下出現(xiàn)了滑塌；靠近道路的梯田，由于道路匯水流入梯田后沿著地壟溝匯集到地勢(shì)較低處，形成了淤積或陷穴。這表明梯田工程實(shí)施后，及時(shí)配置地埂植物帶和田坎植物護(hù)坡極為必要。

2.4.2 水土保持措施

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水土保持措施減蝕效果顯著。林草植被覆蓋度高和配置工程措施的地區(qū)(已修建水平階，種植油松、側(cè)柏，蓋度已達(dá)85%以上)均未發(fā)生較明顯的侵蝕現(xiàn)象。澇池和溝頭防護(hù)工程沒有被沖毀，坡面林草植被蓋度已達(dá)到90%以上，能很好地減少?gòu)搅髑治g。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)未布設(shè)溝頭防護(hù)工程的溝頭，受暴雨徑流的沖刷侵蝕劇烈，如西峰區(qū)后官寨鎮(zhèn)一處溝頭，自1988年以來，在下切及重力侵蝕作用下，溝頭大量坍塌，不斷前進(jìn)，至調(diào)查時(shí)溝頭已前進(jìn)23 m，變寬4.5 m，變深8 m，侵蝕量達(dá)372.6 t。

2.4.3 治理流域與非治理流域?qū)Ρ确治?/p>

楊家溝和董莊溝為南小河溝中的兩條小支溝，位置毗鄰。從流域治理角度出發(fā)，楊家溝小流域以生物措施為主進(jìn)行了水土保持治理。與未治理的董莊溝相比，楊家溝小流域的徑流模數(shù)減少了62.12%，侵蝕模數(shù)減少了80.03%，減水減沙效果顯著。暴雨過程中兩條小流域徑流及侵蝕情況見表4。

表4 楊家溝、董莊溝徑流及侵蝕特性對(duì)比

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1)在南小河溝徑流小區(qū)坡面中，當(dāng)裸地小區(qū)坡度從5°增加到35°時(shí)，細(xì)溝總侵蝕量與坡度之間存在顯著的線性函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)為0.71。無邊梗梯田和排水不暢的土質(zhì)道路均發(fā)生了不同程度的沖毀。

(2)水土保持植物措施和工程措施在此次暴雨中發(fā)揮了重要作用，在有林草措施和工程措施的區(qū)域基本沒有發(fā)生侵蝕。治理流域楊家溝與非治理流域董莊溝相比，前者的徑流模數(shù)和侵蝕模數(shù)分別減少了62.12%和80.03%。

3.2 建 議

(1)加大老舊梯田的維修力度，提高新梯田的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在此次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，梯田損毀的主要原因是沒有邊埂，因此應(yīng)加強(qiáng)老舊梯田的維修力度，同時(shí)加強(qiáng)管理和養(yǎng)護(hù)，推廣地埂的管理養(yǎng)護(hù)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以減少地埂破壞。

(2)在此次暴雨中，林草措施和工程措施在控制水土流失等方面中發(fā)揮了重要作用。因此，要加強(qiáng)水土保持植物措施和工程措施的推廣力度，宣傳水土保持措施的重要性，提升水土保持工程管理水平與維護(hù)力度，實(shí)現(xiàn)建管并重，才能持續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的功能。急需構(gòu)建新時(shí)期水土保持管理與維護(hù)技術(shù)體系，為生態(tài)文明建設(shè)與區(qū)域生態(tài)安全保駕護(hù)航。