水土保持通报   2024, Vol. 44 Issue (2): 155-166, 214.  DOI: 10.13961/j.cnki.stbctb.2024.02.017
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引用本文 

李天毅, 戴宁, 丛佩娟, 等. “23·7”京津冀地区暴雨洪水与土壤侵蚀调查——以河北省邢台市临城县为例[J]. 水土保持通报, 2024, 44(2): 155-166, 214. DOI: 10.13961/j.cnki.stbctb.2024.02.017
Li Tianyi, Dai Ning, Cong Peijuan, et al. Investigation on Rainstorm Flood and Soil Erosion in "23·7" Beijing-Tianjin-Hebei Region—A Case Study at Lincheng County, Xingtai City, Hebei Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2024, 44(2): 155-166, 214. DOI: 10.13961/j.cnki.stbctb.2024.02.017

资助项目

国家自然科学基金黄河水科学联合基金项目“黄土高原极端暴雨土壤侵蚀致灾及蓄排协调防控机制”(U2243213);国家重点研发计划黄河中游多沙粗沙区风水复合侵蚀协同治理技术与示范项目“黄土高原风水复合侵蚀生态治理技术识别挖掘和配置模式研究”(2022YFF130080402),“多沙粗沙区水土流失生态治理技术全生命周期抑沙阻沙效益分析”(2022YFF130080403)

第一作者

李天毅(1996—), 男(汉族), 山东省临邑县人, 硕士研究生, 研究方向为水文学及水资源、水土保持。Email: lty617148964@163.com.

通讯作者

戴宁(1981—), 女(汉族), 吉林省长春市人, 博士, 正高级工程师, 主要从事水土保持技术管理工作。Email: daining@mwr.gov.cn.

文章历史

收稿日期:2023-10-20
修回日期:2024-02-21
“23·7”京津冀地区暴雨洪水与土壤侵蚀调查——以河北省邢台市临城县为例
李天毅1,2 , 戴宁1 , 丛佩娟1 , 陈恒昌3 , 贾继宏3 , 李扬3 , 贵欣瑞3     
1. 水利部 水土保持监测中心, 北京 100053;
2. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048;
3. 河北省临城县水务局, 河北 临城 054399
摘要:[目的] 开展“23·7”(20230729—0801)京津冀地区暴雨洪水过程及水土保持调查工作,分析小流域的暴雨洪水过程以及暴雨所造成的土壤侵蚀状况,为水土保持决策提供科学支撑。[方法] 采用野外调查的方法对河北省临城县皇迷东沟和梁家庄西沟开展洪痕测量调查并计算洪峰流量模数,分析暴雨洪水对小流域造成的侵蚀危害。[结果] ① 该次降雨持续时间长、雨强大。梁家庄西沟和皇迷东沟流域累计雨量分别达到1 008.5和613.6 mm。②按洪痕法调查推算了洪峰流量,皇迷东沟、梁家庄西沟小流域洪峰流量模数为10.80和36.07 m3/(s·km2)。坡度和水土保持措施是影响洪峰流量的主要因素。较大的坡度会使洪峰流量变大,而完善的水土保持措施可以起到有效的削峰作用。③调查小流域位于泜河流域上游,是该次暴雨中心和洪水的主要产流区,小流域洪峰流量模数大于下游水文站洪峰流量模数。④梁家庄西沟的侵蚀情况比皇迷东沟严重,主要原因是皇迷东沟的果园、梯田和谷坊的面积比例大于梁家庄西沟,皇迷东沟的平均坡度小于梁家庄西沟且梁家庄雨量站的降雨量峰值持续时间更长。[结论] 良好的水土保持措施可以有效减少洪峰流量以及侵蚀现象的发生。实施水土保持措施是必要且有效的。应该进一步完善梯田、台地谷坊的建设。
关键词极端暴雨    暴雨调查    洪峰流量模数    土地利用类型    水土保持措施    京津冀地区    
Investigation on Rainstorm Flood and Soil Erosion in "23·7" Beijing-Tianjin-Hebei Region—A Case Study at Lincheng County, Xingtai City, Hebei Province
Li Tianyi1,2 , Dai Ning1 , Cong Peijuan1 , Chen Hengchang3 , Jia Jihong3 , Li Yang3 , Gui Xinrui3     
1. Soil and Water Conservation Monitoring Center of the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China;
2. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi'an University of Technology, Xi'an, Shaanxi 710048, China;
3. Water Bureau of Lincheng County, Hebei Province, Lincheng, Hebei 054399, China
Abstract: [Objective] Investigations on rainstorm and flood processes and soil and water conservation in Beijing-Tianjin-Hebei region from July 29 to August 1, 2023 (referried as "7·23") were carried out, and the rainstorm and flood processes in small basins and soil erosion caused by rainstorm were analyzed, in order to provide scientific support for soil and water conservation decision-making. [Methods] Field survey methods were used, in which flood marks were measured and investigated at Huangmi xigou and the Liangjiazhuang donggou of Lincheng County, Xingtai City, Hebei Province. The flood peak discharge modulus was calculated to analyze the erosion damage caused by rainstorm floods to small watersheds. [Results] ① The rainfall lasted for a long time and was strong. The cumulative rainfall in the Liangjiazhuang donggou valley and the Huangmi xigou valley reached 1 008.5 mm and 613.6 mm, respectively. ② According to the flood mark survey, the peak discharge modulus of the Huangmi xigou and the Liangjiazhuang donggou watersheds were 10.80 m3/(s·km2) and 36.07 m3/(s·km2), respectively. Slope and soil and water conservation measures were the main factors affecting flood peak discharge. Larger slopes will increase flood peak discharge, and soil and water conservation measures could play an effective role in peak reduction. ③ The investigated small watersheds were located in the upper reaches of the river basin, which is the main runoff producing area of the rainstorm center and flood. The peak flood discharge modulus of the small watersheds was larger than that of the downstream hydrology station. ④ The erosion situation of the Liangjiazhuang donggou was more serious than that of the Huangmi xigou, mainly due to the following reasons: the area proportion of orchards, terraces, and check dams in the Huangmi xigou was larger than that of the Huangmi west ditch; the average slope of the Huangmi xigou was smaller than that of the Liangjiazhuang donggou; and the peak duration of rainfall at the Liangjiazhuang rain-measuring station was longer. [Conclusion] Optimized soil and water conservation measures can effectively reduce the occurrence of flood peak discharge and erosion phenomenon. The implementation of soil and water conservation measures is necessary and effective. The construction of terraces and terrace valleys must be further improved.
Keywords: extreme rainfall    storm survey    peak discharge modulus    land use type    soil and water conservation measures    Beijing-Tianjin-Hebei region    

近几十年来,全球气候变化的影响导致极端降雨事件频繁发生,引发了严重的洪水灾害[1]。这给水土保持工作带来了新的挑战。水土流失的影响因素包括降雨侵蚀力、土壤可蚀性、植被覆盖、地形和水土保持措施等[2]。在这些相关因素中,降雨被认为是土壤侵蚀的主要气象驱动力[3]。极端降雨是导致土壤侵蚀的因素之一,降雨量与降雨侵蚀力之间存在显著的正相关关系。降雨侵蚀力反映了降雨对土壤侵蚀的潜在能力[4]。较高的降雨量将导致降雨侵蚀力增加,进而加剧土壤侵蚀,对当地水土流失造成极大的影响[5],因此,强降雨会对土壤侵蚀产生较大的影响。

洪水是暴雨、冰雪急剧融化等自然因素或水库垮坝等人为因素引起的江河湖库水量迅速增加或水位急剧上涨,对人民生命财产造成危害的现象[6]。近年来,我国极端降水量对总降水量的贡献率呈增加趋势,且季节差异明显,极端天气频发[7]。暴雨持续时间越长越容易导致灾害发生,最直观的就是洪水泛滥,甚至还会引起泥石流、山崩和滑坡等次生灾害的发生[8],山洪的爆发也会导致江河横溢、水库垮坝、农田淹没、房屋冲塌及交通电讯的中断,甚至还可能造成重大人员伤亡[9]。水土保持措施通过改变下垫面条件,从而导致洪水洪峰和洪量减小[10],有研究[11-14]表明,水土保持工程对洪峰和洪量均有减小作用,且洪峰和洪量的减小程度随洪水量级的增加而减小,海河流域通过造林、种草、封山育林等措施来逐步治理流域内的水土流失,使得流域内的森林、草地的覆盖率提高了20%~40%,洪水次数、洪峰量级均有不同程度的减少或降低。因此,目前亟需开展场次暴雨水土保持调查工作,为下一步水土保持决策提供科学支撑。

水利部已组织开展了4次较大规模的场次暴雨水土保持调查,分别针对2017年黄河无定河流域“7·26”特大暴雨,2019年山东省临朐县“8·10”特大暴雨,2021年河南省“7·20”特大暴雨和2022年“7·15”黄河中游特大暴雨开展[15]。2023年7月29日至8月1日(简称“23·7”),受台风“杜苏芮”影响,京津冀地区出现极端强降雨过程,16个国家气象观测站日降雨量突破历史极值,海河发生了流域性大洪水。7月29日以来,华北、黄淮等地开始出现强降雨,北京市中南部、天津市、河北省中南部和东北部、山西省东部、河南省北部、山东省西南部等地部分地区累计降雨量100~250 mm,河北省保定、石家庄、邢台、邯郸市,山西省阳泉、晋中、晋城市,河南鹤壁和新乡市等地300~480 mm,河北省石家庄、邢台、邯郸市局地500~580 mm,最大单站累计降雨量出现在河北省邢台市临城县(1 008 mm)。为了解该次暴雨强度以及洪水过程,水利部水土保持监测中心在河北省邢台市临城县组织开展了第5次暴雨洪水的调查工作。

1 研究区概况

临城县地处太行山东麓、河北省邢台市北部,北纬37°20′—37°35′,东经114°03′—114°38′之间。临城县位于太行山区,县境内地形特征是西高东低,地形复杂,地貌自西向东大致可分为低中山、低低山、低丘垄岗和山前平原4个形态。临城县属于海河流域子牙河水系。县境内的主要河流有: 泜河、午河和小槐河3条河流。临城县属于暖温带半湿润季风型大陆性气候,四季分明。冬季受西伯利亚大陆性气团控制,寒冷少雪; 春季受蒙古大陆性气团影响,偏北风或西北风盛行,降雨稀少,蒸发量大,往往形成干旱天气; 夏季受海洋气团及太行山山地地形影响,降雨集中,由于影响该县降雨的海洋气团每年进退时间不一,往往形成多旱少雨或暴雨成灾; 秋季多受高压控制,一般年份秋高气爽,降雨偏少[16]。临城县划分为山地棕壤、褐土、草甸土等13个土类,8个亚类,26个土属,47个土种。山地棕壤占总面积的3.7%,褐土占总面积的87.4%,在全县面积最大,适合多种作物和林果牧草生长,草甸土占总面积的3.7%。临城县有树种83个,适宜该县自然条件的优良树种有油松、毛白杨、椿树、桐柳、酸枣、板栗、柿子、蚕桑等,分布全县。受自然条件限制,低山区3个乡均属片麻岩地带,治理难度大,水土流失严重,全县森林覆盖率只有9.11%。临城县的水土保持工作起步较早,20世纪90年代至今,先后实施了河北省重点小流域建设工程、太行山国家一期水土流失重点治理工程、太行山国家二期水土流失重点治理工程项目,山区陡坡开荒。2013—2023年相继实施了13条小流域的水土保持综合治理工程,治理水土流失面积130 km2

该次暴雨调查的重点小流域选择依据为: ①考虑降雨情况,一般在降雨中心及周围一定降雨梯度内选择不同的小流域; ②考虑不同治理标准,从而可以对比水土保持措施及其标准在特大暴雨中的效益,对于国家重点治理工程可重点考虑; ③考虑不同土地利用类型; ④小流域大小适中,一般不小于0.2 km2,但不大于2 km2,以便于野外调查。基于此,本调查选取临城县北汦河流域皇迷东沟小流域和蝎子沟流域梁家庄西沟作为重点调查小流域,基本情况详见表 1。其中,皇迷东沟位于临城县西北部,位于水土保持措施区域内,梁家庄西沟位于临城县西部,位于水土保持措施区域内外。

表 1 调查小流域基本情况 Table 1 Basic information of study area
2 数据与研究方法 2.1 数据来源

本研究收集了临城县梁家庄和阎家庄2个雨量站和西台峪和郝家庄2个水文站2023年7月28日至8月1日逐小时雨量数据,根据《降水量等级(GB/T28592—2012)》(表 2)对暴雨程度定性。流量数据以实地测量为准。

表 2 不同时段的降雨量等级划分 Table 2 Classification of rainfall levels at different times
2.2 研究方法 2.2.1 野外调查

根据《水文调查规范(SL196—2015)》的要求,小流域洪峰流量调查通过调查洪水痕迹(简称洪痕)估算流量。

(1) 调查断面选择。调查断面满足以下条件: 河/沟较顺直,顺直段长度一般是调查断面宽度的5~10倍,河床/沟床稳定,无壅水、回水、分流或较大支流汇入(图 1a)。

图 1 研究区暴雨洪水野外调查步骤(20230819) Figure 1 Field survey steps of rainstorm flood study area (20230819)

(2) 洪痕调查。核查走访: 根据前期地形、植被、影像数据研判,核查流域的总体状况,包括流域主要沟道分布、道路和排水情况。通过现场勘查、村民访谈,调查了解小流域行洪通道,以及暴雨过程中和暴雨结束后,洪水位和洪水淹没范围的相关情况(图 1b)。对主要沟道和洪水影响较大的区域重点调查,寻找相关的洪痕位置。主要以植被上的水印、泥印,树干上挂的枯落物,以及墙壁上的水印等为主要线索,并结合村民访谈做必要的验证。对于明确的洪痕位置进行记录(包括地理位置、标志照面、洪痕高度等)。

确定断面。通过洪水过后植被上的水印、泥印,树干上挂的枯落物等查找洪痕,过水断面两侧均需要有明显的洪痕。记录洪痕高程。在调查到明显洪痕的位置中,选择小流域出口附近,断面相对规则、河道顺直(顺直段长度达到了调查断面宽度的10倍以上)、河床稳定、无壅水、回水、分流或较大支流汇入的位置作为洪峰流域计算断面,测量断面尺寸、河床糙率信息和河道比降(图 1c)。具体的量测记录包括: ①定点。确定调查断面后,将顺直河段的中间部位定为过水断面,记录断面经纬度。(图 1d);②过水断面测量: 现场皮尺测量过水断面尺寸: 确定过水断面每一个转折点的位置,同时在表中勾绘过水断面示意图,标明两点之间的相对高度和宽度。(图 1e1f);③测量沟道比降: 利用带有测量坡度功能的激光测距仪测量顺直段的沟道平均坡度,测量3次,取平均值,然后计算平均坡度的正切值,得到沟道比降。

(3) 过水断面测量。可实地量测或利用无人机搭载激光雷达等方式获取。具体方法为: 将顺直河段的中间部位定为过水断面,并用GPS定位利用激光测距仪测定过水断面尺寸,确定过水断面每一个转折点的位置,同时勾绘过水断面示意图,标明两点之间的相对高差和距离。

2.2.2 洪峰流量估算

根据野外调查结果对数据进行了处理,主要包括沟道分级、断面剖面绘制、复合河槽综合糙率计算和洪峰流量计算等。为了绘制调查断面将现场测的断面数据导入Excel软件,通过计算,获得了各个断面的湿周和过水断面面积,在此基础上,计算了水力半径、流速和调查的各过水断面的洪峰流量。

(1) 过水断面面积计算。根据转折点处的测量数据,将断面分为若干个子断面分别进行计算,各部分过水断面形状可能为三角形、矩形或梯形,在计算时统一按照梯形面积计算公式进行计算,总的过水断面面积为各子过水断面面积之和[17]:

$ A=\sum\limits_2^n \frac{1}{2} \times\left(H_i+H_{i-1}\right) \times b_i $ (1)
$ H_i=\sum\limits_1^i h_i $ (2)

式中:A为过水断面面积(m2); Hi为第i个测点的水深(m); bi为距第i-1个测点的水平距离(m); hi为所测的第i个和第i-1个测点之间的高差(m), 第i个测点相较第i-1个测点向下为正, 向上为负。

(2) 水力半径计算。水力半径由过水断面的断面面积和湿周确定,计算公式[18]为:

$ R=\frac{A}{P} $ (3)
$ P=\sum\limits_1^n \sqrt{b_i^2+h_i^2} $ (4)

式中:R为水力半径(m); P为湿周(m)。

(3) 洪峰流量计算。根据计算得到的过水断面面积和水力半径,按曼宁公式[19]进行各过水断面洪峰流量的估算[20]

$ Q=A \cdot V $ (5)
$ V=\frac{1}{n} R^{2 / 3} J^{1 / 2} $ (6)

式中:Q为流量(m3/s); V为流速(m/s); n为曼宁系数(或糙率, 取值详见表 3); R为水力半径(m); J为沟道比降(m/m)。

表 3 常见明渠水流河床物质组成及其对应的曼宁系数 Table 3 Material composition of common open channel flow bed and corresponding Manning coefficient

(4) 洪峰流量模数计算。洪峰流量模数计算公式为:

$ C=\frac{\overline{Q_{\max }}}{F} $ (7)

式中:$ \overline{Q_{\max }}$为断面洪峰流量均值〔m3/(s·km2)〕;F为小流域面积(km2)。

3 结果与分析 3.1 降水时空分布特征

临城县典型调查小流域皇迷东沟(0.8 km2)和梁家庄西沟(0.6 km2)附近的雨量站实测降雨量过程线如图 2所示。距皇迷东沟最近雨量站为阎家庄站,梁家庄西沟最近雨量站为梁家庄站。从图 2可以看出,本次降雨从7月29日开始,7月31日结束,总体上持续时间长、雨强大。对比阎家庄和梁家庄雨量可知,阎家庄和梁家庄累计雨量分别达到613.6 mm和1 008.5 mm; 最大单小时雨量分别为57.3和48.1 mm,阎家庄雨量站的峰值出现在7月31日3:00,而梁家庄雨量站有多个降雨高峰,7月29日21:00与7月30日15:00均为高峰期,虽然阎家庄雨量站降雨峰值较大,但是梁家庄雨量站的降雨量峰值持续时间更长,累计洪量更大。根据表 2可以判断出该次暴雨属于特大暴雨类型。

图 2 典型小流域特征雨量站降雨过程线 Figure 2 Characteristic rainfall process line of rain measuring station of typical watersheds
3.2 洪峰流量特征 3.2.1 典型洪峰流量断面调查

通过对无人机影像的分析及现场勘察,对皇迷东沟和梁家庄西沟主要沟道和洪水影响较大的区域开展了重点调查,寻找相关洪痕位置。主要以杂草整体倒向、枯物杂物印迹、泥印,以及坡壁上水印等为主要线索,并结合村民访谈,以确定该次暴雨形成最高水位的洪痕,梁家庄西沟以及皇迷东沟的洪痕位置如图 3所示。

图 3 研究区典型洪峰洪痕位置 Figure 3 Flood mark location of typical flood peak in study area

皇迷东沟和梁家庄西沟2个小流域主沟道经过了治理,皇迷东沟主沟道为两侧浆砌石,该次暴雨主沟道基本完好; 梁家庄西沟主沟道修建了台地,田坎为石坎(干砌石),主要种植板栗,少量玉米,该次暴雨中主沟道部分田坎垮塌。在调查到明显洪痕的位置中,调查组选择了断面相对规则、河道顺直、河床稳定、无壅水、回水、分流或较大支流汇入的位置,作为后续洪峰计算断面。本次调查分别确定了皇迷东沟6个断面,梁家庄西沟3个断面,各断面在小流域中的位置如图 3所示。针对每一个断面,调查组测量了断面尺寸,拍摄了断面的照片,填写了调查表; 同时,沿纵断面的洪痕,测量高程,以获取比降。各断面剖面如图 4所示。由图 4可以看出,皇迷断面(断面1—3)有清晰的河道边界范围,两侧有人为修建的浆砌石对河道进行加固,河道中仅有碎石,杂草较少,河道平整,两侧植被较少,横断面起伏是由于碎石的缘故。皇迷断面(断面4—6)也有较为清晰的河道以及浆砌石加固的措施,河道周边有梯田以及台地等水土保持措施,河道内的石块比皇迷断面(断面1—3)的石块更大且更密集,河道内有大量杂草。相比较来看,梁家庄的河道断面不如皇迷河道断面明显,且没有浆砌石护坡等水土保持措施干预,河道依然有大量碎石以及杂草,穿过林地,河道周边植被复杂且茂盛。

图 4 研究区典型洪峰各横断面剖面 Figure 4 Cross section of typical flood peak in study area

根据研究区9个横断面剖面图绘制皇迷东沟和梁家庄西沟2个小流域调查洪峰流量纵断面(如图 5所示)。

图 5 典型小流域过洪纵断面图 Figure 5 Flood longitudinal profile of typical watershed
3.2.2 洪峰流量计算

“23·7”暴雨洪水后所调查皇迷东沟和梁家庄西沟2个小流域洪峰流量计算相关参数详见表 4

表 4 皇迷东沟和梁家庄西沟小流域洪峰流量计算相关参数 Table 4 Related parameters of flood peak discharge calculation in Huangmi xigou and Liangjiazhuang donggou small watershed

对于不同断面的实际情况对曼宁系数进行选取,根据曼宁公式,分别计算了皇迷东沟6个断面和梁家庄西沟3个断面的洪峰流量,皇迷东沟的洪峰流量模数为10.80 m3/(s·km2),梁家庄西沟的洪峰流量模数为36.07 m3/(s·km2)。

3.3 土壤侵蚀特征

土壤侵蚀的调查以西沟及切沟侵蚀、重力侵蚀以及工程措施损毁3方面开展调查。本次调查中两个小流域在坡耕地,梯田、台地在现场调查过程中未发现西沟。由于临城县的水土保持工作起步较早、封山育林措施执行比较到位,水土流失治理工程较为完善,切沟发育在该次暴雨中比较少,对影像解译结果采用全覆盖方式调查新成切沟与沟头有溯源发育的切沟。皇迷东沟影像解译切沟6条,土地利用均为梯田式果园,果园都进行过水保措施改造,且均为新成切沟。梁家庄西沟没有发现切沟侵蚀。侵蚀图片及侵蚀位置如图 6a所示。根据野外调查结果与分析,皇迷东沟的重力侵蚀有两处,以果园为主,调查类型为崩塌,其侵蚀和堆积面积分别为16.5和6.4 m2,侵蚀和堆积体积分别为26.2和1.9 m3,流失体积24.3 m3,侵蚀量39.9 t,平均侵蚀深1.6 m,平均流失深1.5 m; 梁家西沟以林地为主,调查类型为泥石流,无堆积,侵蚀面积403.1 m2,侵蚀体积和流失体积均为342.6 m3,侵蚀量548.2 t,平均侵蚀深和流失深均为0.9 m。根据各种重力侵蚀发生的情况,并结合野外实际调查,该次暴雨过程引发的重力侵蚀中,崩塌和泥石流是主要类型。在调查的小流域中,均发生了崩塌; 从发生重力侵蚀的总面积上来看,崩塌也是3种重力侵蚀形式中面积最大的。侵蚀图片及侵蚀位置如图 6b所示。本次调查小流域内水土保持措施损毁主要为梯田损毁,其损毁方式主要为田坎滑塌/崩塌,也有切沟侵蚀和泥石流存在。梯田损毁情况随梯田类型、田面宽度、田坎高、田坎保护情况变化较大。皇迷东沟小流域共有田坎707条,其中4.10%的田坎(29条)不同程度受损,全部707条田坎平均田坎受损率为0.27%, 29条出现受损的田坎平均受损率为6.52%, 22.64%的田块受损,平均田块受损率为0.27%。梁家庄西沟小流域共有田坎32条,田块5块,均未受损。梁家西沟共有谷坊30个,仅1个发现损毁,受损比例为3.33%,谷台地则共有6块,仅1块发现损毁,受损比例为16.67%。皇迷沟小流域属高度治理流域,水土保持措施完备,其谷坊材质为浆砌石,在该次暴雨中未发现谷台地、谷坊受损。(图 6c)整体上,小流域耕地面积占比越大,谷坊、谷台地损毁越严重。此外,无论是浆砌石或干砌石在此次暴雨中损毁率均较低,并未表现出明显差异。工程措施损毁图片及损毁位置如图 6c所示。

图 6 研究区的侵蚀情况(20230821) Figure 6 Erosion status in study area (20230821)
4 讨论 4.1 小流域洪峰流量准确性分析

根据表 4中对比洪峰流量可以看出,皇迷断面(断面1—3)洪峰流量大于皇迷断面(断面4—6),由于地形原因,在断面4—6的河道中,碎石和杂草比断面1—3多,阻隔了洪水漫延,降低了洪水的洪峰流量。梁家庄的洪峰流量大于皇迷东沟的洪峰流量,分析原因有以下3点: ①梁家庄西沟小流域该次暴雨累计雨量(1 008.5 mm)显著大于皇迷东沟(613.6 mm),形成的洪水速度较快,强度较大; ②梁家庄西沟小流域平均坡度大于皇迷东沟,暴雨条件下导致汇水较快,产流较大; ③梁家庄河道没有像皇迷河道一样的浆砌石措施,河道边界不明显且较矮,洪水容易蔓延。已有研究表明[21],洪峰流量随着沟道坡度的增大而增大,呈现良好的线性关系,且随着降雨重现期的减小,沟道坡度对洪峰的影响更显著。盛菲等[22]人提出场次暴雨条件下,河道边界的变化对洪峰流量的平均贡献率为52.8%。以上研究说明了河道地形以及河道边界对于洪峰流量的影响是巨大的。根据测量的断面洪痕计算的洪峰流量均值作为标准值,用各断面实际洪峰流量与标准值进行误差计算。通过表 4可以得出,各个断面的误差分别为37%, 3.4%, 49.6%, 20%, 10%, 14.7%, 4.7%, 7%, 17.9%。仅有皇迷断面3误差相对较大,考虑到错峰作用以及各个断面的沟道坡度和河道边界的差异性,由洪痕法估算出的沟道洪峰流量基本准确。

4.2 小流域和水文站洪峰流量对比

本次调查收集了小流域下游郝家庄、西台峪2个水文站流量过程资料,流量过程线如图 7所示。郝家庄、西台峪水文站位于海河流域子牙河水系泜河,集水面积分别为142, 127 km2。该次暴雨产生的洪水过程中,最大流量分别出现在7月31日4:00和7月31日3:44,最大流量分别为806和1 136 m3/s,洪峰流量模数分别为5.68, 8.94 m3/(s·km2)。经过对比郝家庄水文站和西台峪水文站所测量的洪水过程,可以看出该次暴雨洪水有如下特点: ①洪水的涨水退水过程都较慢; ②在7月30日下午5:00左右达到一个小高峰,流量为400~500 m3/s; ③郝家庄水文站和西台峪水文站在7月31日凌晨4:00左右达到洪水高峰,流量分别为806和1 136 m3/s,峰高量大; ④整个洪水过程开始于7月29日晚上10:00,结束于8月2日0点,共历时74 h,与雨量站测量结果具有一致性。

图 7 场次暴雨洪水过程线 Figure 7 Curve of rainstorm flood process

比皇迷东沟、梁家庄西沟2个小流域洪峰流量模数〔10.80和36.07 m3/(s·km2)〕和郝家庄、西台峪水文站的洪峰流量模数〔5.68和8.94 m3/(s·km2)〕发现,本次调查小流域洪峰流量模数大于下游水文站洪峰流量模数,主要由于调查小流域位于泜河流域上游,是本次洪水的主要产流区。

4.3 土地利用类型及水土保持措施对洪水的影响

利用人工目视解译方法,基于无人机影像,对皇迷东沟和梁家西沟流域土地利用类型和水土保持措施进行了解译,并进行了野外校核,解译结果如图 8所示。由图 8可以看出,皇迷东沟小流域土地利用类型以果园为主,所占比例达到65.60%,其次为林地,有林地和灌木林地比例达到14.64%,农村建设用地比例也比较高,达到13.99%。梁家庄西沟流域土地利用类型主要以林地为主,有林地和灌木林地比例达到66.89%,其次为果园,比例为25.54%,其余土地利用类型比例不足8%。皇迷东沟属于水土保持措施范围内,梁家庄西沟在水土保持措施外,皇迷东沟的工程措施以梯田为主,辅以少量水平阶和谷坊,梯田占总面积比例的49.80%。梁家庄西沟的工程措施主要以梯田和谷坊为主,其中梯田所占比例为6.81%,谷坊比例为3.39%。皇迷东沟的土地利用类型中果园比例比梁家庄西沟多40.06%,而梁家庄西沟的土地利用类型中有林地及灌木比例比皇迷东沟多52.25%,皇迷东沟水土保持措施中的梯田和谷坊比例分别比梁家庄西沟多42.99%和18.97%。土地利用类型与水土保持措施对延长洪水历时没有明显影响,但会减小洪峰流量,减小幅度为38.78%。土地利用类型与水土保持措施对不同量级降雨量的洪峰流量减幅不同,对较小量级降雨量的洪峰流量减幅较大,而对较大量级降雨量的洪峰流量减幅较小[23]。因此皇迷东沟小流域的洪峰流量模数小于梁家庄西沟,土地利用类型以及水土保持措施是重要的因素。

图 8 研究区土地利用类型以及水土保持工程措施比例 Figure 8 Land use type and proportion of engineering measures in study area
4.4 土壤侵蚀的影响因素分析

根据野外调查的结果来看,梁家庄西沟不仅洪峰流量模数大于皇迷东沟,其侵蚀程度比皇迷东沟侵蚀程度更加严重。这种情况的原因是多方面的,首先,皇迷东沟位于水土保持措施内,水土保持措施比梁家庄西沟完善许多。已有学者[24-25]开展过相关研究。冯家豪[26]发现在一系列水土流失治理措施及大规模退耕还林工程的影响下,变化期单位径流的输沙量明显下降; Zhao等[27]的研究显示,由于水土保持措施的大规模实施,土壤侵蚀强度和水土保持措施的相关性在2006—2012年明显上升。张新和等[28]提出在其他条件一定时,汇水面积和坡面汇水长度对侵蚀沟的形成与发展起到了决定性作用,可以通过减小汇水坡长、减少坡地径流的水土保持耕作方法,减少坡长的有效值以减少上方汇水面积和汇水量,防止切沟发生。所以土地利用类型、植被状况、水土保持措施是防止侵蚀和损毁的有效手段。其次梁家庄西沟的地形、地貌及坡度等因子也是影响土壤侵蚀的主要因素。黄晨璐[29]提出了在水土保持措施因子效益较差的区域,坡度坡长是该区域土壤侵蚀强度的主控因子。经现场调研,发生重力侵蚀的条件主要受控于坡度和汇水。对于崩塌而言,其发生部位主要发生较陡的坡面(如陡坎),其坡度一般都很大,在强降雨条件下,原本稳定的陡坎边坡下部受到流水的,失去稳定性,从而发生崩塌。对于滑坡和泥石流,其发生区域坡度一般在25°以上,同时其上方坡面上汇水面积通常较大,且坡长较长,在强降雨的条件下,土体水分含量增高,容易发生滑坡和泥石流。除此之外,降雨量也是影响土壤侵蚀重要的气候因素,梁家庄西沟和皇迷东沟虽然距离较近,但梁家庄西沟的洪峰流量模数是皇迷东沟的3倍以上,雨量和雨强是影响土壤侵蚀的两个最基本的降雨特征量。已有研究表明[30-31],土壤侵蚀与降雨量的正相关关系不显著,产生这种现象的原因主要是因为坡面产沙不同于坡面产流,He等[32]人提出,产流量与降雨前期土壤含水量密切相关,而土壤含水量与降雨量密切相关,从而使得降雨量对径流量的影响相对较大; 侵蚀量除与土壤组成、坡度有关外,主要取决于地表径流侵蚀力的大小。当雨强不断增大时,击溅能力随之增强,对土壤表层稳定性的破坏增大,侵蚀力就越大,因此侵蚀量与降雨强度的关系更密切[33]

5 结论

(1) 本次降雨从7月29日开始,8月1日结束,总体上持续时间长,雨强大,梁家庄西沟和皇迷东沟累计雨量依次为1 008.5和613.6 mm。

(2) 该次暴雨形成了洪水过程,皇迷东沟、梁家庄西沟小流域洪峰流量模数为10.80和36.07 m3/(s·km2)。坡度和水土保持措施是影响洪峰流量的重要因素。

(3) 小流域洪峰流量模数和下游水文站的结果对比,本次调查小流域洪峰流量模数大于下游水文站洪峰流量模数。

(4) 梁家庄西沟的土壤侵蚀情况比皇迷东沟严重,水土保持措施、坡度以及降雨强度的差异性是重要因素。

(5) 本次调查反映出实施水土保持措施是必要且有效的,而且要进一步完善梯田、台地谷坊的建设。良好的水土保持措施可以有效减少洪峰流量以及侵蚀现象的发生。结合该次暴雨调查成果以及本文不足之处提出展望: ①应在暴雨过后及时开展暴雨调查。②提高影像的精度。由于暴雨调查的时间紧任务重,无法在短时间内展开详细调查测量以及取样,因此提高影像精度可以作为有力的技术支撑。③在实地调查中可以进一步测量侵蚀数据,建立模型分析侵蚀情况,量化土壤侵蚀数据,为今后的水土保持措施管理制度提供参考和支撑。

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