白樺,穆興民,2,王雙銀

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100)

黃河河龍區(qū)間是我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū),對(duì)該區(qū)水土保持措施水文效應(yīng)的評(píng)價(jià)不僅對(duì)指導(dǎo)水土流失治理和防洪減災(zāi)工作,而且對(duì)完善水土保持學(xué)科都具有理論和實(shí)踐意義。水土保持措施的減水減沙效應(yīng)是衡量水土保持生態(tài)效益的重要指標(biāo),其研究方法主要有水文模型法、水保法、水文法,三種方法均認(rèn)為天然狀態(tài)下徑流序列的選取非常重要。人們通常采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)或雙累計(jì)曲線法確定徑流序列突變點(diǎn),以區(qū)分“天然”和“人為”兩個(gè)階段[1]。汪崗等分析了黃河主要支流近50 a徑流序列突變點(diǎn)、趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因素[2-7],指出在水土保持措施及降水減少兩因素影響下,徑流量已經(jīng)表現(xiàn)出減少。但仍缺乏兩因素水文效應(yīng)定量評(píng)價(jià)及比較,對(duì)徑流量的分析也未考慮年內(nèi)降水極端事件的影響。通過計(jì)算降水波動(dòng)引起的徑流變化量,分離出水土保持措施對(duì)徑流量的影響;劃分相似降水組,比較組內(nèi)年徑流量突變點(diǎn)前后洪水要素及洪水過程的變化,以揭示水土保持措施對(duì)場(chǎng)次洪水的影響。

1 流域概況

禿尾河發(fā)源于陜西省神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)宮泊海子,由西北向東南流經(jīng)神木、榆林、佳縣等3縣16個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),于神木縣的萬鎮(zhèn)河口岔匯入黃河。干流長(zhǎng)139.6 km,平均比降3.12%,流域面積3 295 km2。禿尾河流域在1965年以前只有高家堡和高家川2處水文站,1966年以后雨量站陸續(xù)增設(shè)到6～10處。流域多年平均降水量417.4 mm(1956-2000年),主要集中在汛期。植被帶為干旱草原與森林草原植被的過渡帶。流域可分為4個(gè)地貌類型區(qū):草灘區(qū)、流動(dòng)風(fēng)沙區(qū)、蓋沙區(qū)、黃土丘陵區(qū)。流域內(nèi)水土流失嚴(yán)重,年均輸沙量0.22×108t,至1996年底,禿尾河流域水土流失治理面積占整個(gè)流域的35.1%,且主要以林地措施為主,其面積占整個(gè)流域的31.4%。流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,分布有陜北能源重化工基地,蘊(yùn)含煤炭、天然氣、石油資源,出產(chǎn)豐富的農(nóng)畜林產(chǎn)品,集中了一批重點(diǎn)企業(yè)。

2 研究資料與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)為黃河流域水文年鑒中禿尾河流域公草灣、高家堡、高家川站1956-2003年水文資料,包括降水、徑流、暴雨、洪水資料,其中年際變化分析及雙累計(jì)曲線采用流域1951-2008年水文資料。流域面降水量由泰森多邊形法求得,缺少的年份降水依據(jù)榆林站延展。洪水資料從洪水過程線分割得到,對(duì)應(yīng)暴雨資料參照分割出的洪水從降水量摘錄表中劃分而來。

2.2 研究方法

相似降水的確定標(biāo)準(zhǔn):降水是產(chǎn)流的動(dòng)力,降水量及其時(shí)空分布影響徑流量及流量過程。考慮到黃河河龍區(qū)間降水多為暴雨,產(chǎn)流方式以超滲產(chǎn)流為主,相近年份下墊面變化小等原因,相似降水的確定主要考慮年份、降水量、降水歷時(shí)、降水強(qiáng)度、最大時(shí)段降水量、雨峰歷時(shí)、雨峰強(qiáng)度這些因素。

禿尾河流域暴雨中心區(qū)位于高家堡以上地區(qū)時(shí),即使降水量較大,所產(chǎn)生的地表徑流也很小[8],所以次降水要素的計(jì)算僅采用高家堡、高家川站降水資料,距離年徑流量突變點(diǎn)一定的時(shí)間間隔,取突變點(diǎn)前后各約10 a的暴雨及洪水資料,分析次暴雨的降水量、降水歷時(shí)、降水強(qiáng)度、最大時(shí)段降水量、雨峰歷時(shí)、雨峰強(qiáng)度,并以兩站在黃土丘陵區(qū)所占面積比例計(jì)算面上均值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的降水量排序,并以各降水要素接近為原則劃分相似降水組,對(duì)比分析相似降水組內(nèi)突變點(diǎn)后洪水總量、洪峰流量及洪水過程相對(duì)于突變點(diǎn)前的變化,定量評(píng)價(jià)水土保持措施對(duì)次洪水的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征分析

對(duì)比流域內(nèi)各站年降水量,結(jié)果表明:流域上游降水量較中下游小,高家堡站豐水年和平水年的設(shè)計(jì)年及汛期降水量較大,高家川站枯水年的設(shè)計(jì)年及汛期降水量較大。

3.1.1 降水量年內(nèi)分配特征 對(duì)流域年平均降水量進(jìn)行頻率分析,得到25%、50%、75%頻率下禿尾河設(shè)計(jì)年降水量分別為480 mm、380 mm及300 mm,見圖1。降水量年內(nèi)分配不均,主要集中在6-9月。3種設(shè)計(jì)年連續(xù)最大三個(gè)月降水量占年降水量比例分別達(dá)63.9%、67.6%、74.6%,實(shí)測(cè)多年平均汛期(7-9月)降水比例為64%,各年的月降水量變差系數(shù)變化為1～1.9。

圖1 禿尾河流域不同頻率設(shè)計(jì)降水量年內(nèi)分配

3.1.2 降水量年際變化特征 由各水文站及流域逐年平均降水量過程線看出:各站年降水量變化趨勢(shì)基本一致,流域最大、最小年降水量分別為714.4 mm(1967年)、119.9 mm(1965年),極值比是6.0,見圖2。流域年平均降水量變差系數(shù)為0.28,各站汛期(6-9月)降水量極值比在12.2～16.9之間變化,說明流域年平均降水量年際變化大,汛期降水量年際變化更劇烈。

年降水量具有明顯的階段性變化特征,采用距平累積曲線方法分析降水量的階段性變化特征[9]。年降水量距平累積變化曲線見圖3,按照曲線至少連續(xù)出現(xiàn)5 a的變化趨勢(shì),可將整個(gè)年降水量序列分為如下時(shí)段:2個(gè)顯著的枯水段,即1951-1957年、1971-1999年。2個(gè)顯著的豐水段,即1958-1970 年、2000-2004年 。

圖2 禿尾河及各測(cè)站年降水量過程線

圖3 禿尾河流域年降水距平累計(jì)變化

3.2 徑流特征分析

3.2.1 徑流量年內(nèi)分配特征 對(duì)流域把口站高家川站年平均流量進(jìn)行頻率分析得到25%、50%、75%頻率的高家川站設(shè)計(jì)年平均流量分別為12.6 m3/s、10.6 m3/s、9.0 m3/s,見圖4。徑流分配具有雙峰型的特點(diǎn),峰值分別出現(xiàn)在3月和7月,最豐月出現(xiàn)在7-8月,最枯月出現(xiàn)在1月和5月,各設(shè)計(jì)年連續(xù)最大3個(gè)月徑流量比例穩(wěn)定在0.37左右。多年平均汛期徑流量比例為0.31,各年的逐月徑流量序列變差系數(shù)為0.15～0.89,反映出徑流量年內(nèi)分配不均。對(duì)比降水和徑流,汛期徑流量比例與各年的逐月徑流量變差系數(shù)均小于降水對(duì)應(yīng)值,說明雖然徑流年內(nèi)分配不均,但相對(duì)于降水波動(dòng)較小,反映了降水年內(nèi)分配的不均勻性受到了下墊面的調(diào)節(jié)。

圖4 高家川站不同頻率設(shè)計(jì)徑流年內(nèi)分配變化

3.2.2 徑流量年際變化 高家堡、高家川站年平均流量過程線表明:兩站年平均流量均呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì),最大、最小年平均流量分別為 13.5 m3/s、6.1 m3/s;17.0 m3/s、6.2 m3/s,見圖 5。兩站年徑流量變差系數(shù)均為0.24,年及汛期徑流量極值比分別為2.2,4.5;2.7,6.2。結(jié)果表明:徑流量年際變化大,汛期徑流量年際變化更劇烈。M-K檢驗(yàn)證實(shí)高家川站不同時(shí)段徑流序列下降趨勢(shì)顯著。依據(jù)高家川站徑流距平累積圖(見圖6)可將年徑流量序列分為以下時(shí)段:1個(gè)明顯豐水段為1956-1972年,1個(gè)明顯平水段為1973-1980年,1個(gè)明顯枯水段為1981-2003年。對(duì)比降水與徑流,年徑流量極值比、變差系數(shù)均小于降水對(duì)應(yīng)值,說明徑流量年際波動(dòng)較小,體現(xiàn)出下墊面的調(diào)節(jié)作用。降水與徑流序列豐枯基本同步,在70年代出現(xiàn)偏差,是由年內(nèi)暴雨特性不同及下墊面變化導(dǎo)致。

圖5 禿尾河研究水文測(cè)站流量過程線

圖6 高家種站徑流距平累積圖

3.3 水土保持措施對(duì)徑流的影響

3.3.1 水土保持措施對(duì)月、年徑流量的影響 影響徑流量的因素主要包括氣候、地質(zhì)地貌及人類活動(dòng)。查閱資料可知禿尾河無大型水利工程,幾十年內(nèi)地質(zhì)地貌基本沒有變化,水土保持措施是人類活動(dòng)中影響徑流的主要因素[7]。根據(jù)雙累積曲線理論和方法,從年或汛期降水量與徑流量雙累計(jì)曲線可以得出:年及汛期降水量分別在1977年和1971年后出現(xiàn)明顯降低,根據(jù)產(chǎn)流系數(shù)α的定義,R=P×α,兩邊求導(dǎo)并以差分形式給出,即

式中:ΔP×α——降雨波動(dòng)引起的徑流量變化量;P×Δα——下墊面變化引起的徑流量變化量。

由年徑流量突變點(diǎn),結(jié)合相似降水分析期確定原則,選取1962-1976年和1977-1989年兩個(gè)研究時(shí)段,對(duì)1977-1989年多年平均情況下的年、各月、連續(xù)最大四個(gè)月(7-10月)及枯水期(11月-翌年6月)徑流量利用ΔP×α進(jìn)行修正。修正后,后期多年平均徑流深為124.6 mm,年徑流深序列變差系數(shù)為0.09,而前期年徑流深為150.1 mm,徑流深序列變差系數(shù)為0.16;兩時(shí)段多年平均各月徑流量見圖7,1977年前后多年平均連續(xù)最大4個(gè)月徑流量占年徑流量比例由44%下降到40%,多年平均枯水期徑流量比例由56%上升到60%。結(jié)果表明:水土保持措施使多年平均徑流量減少,各月徑流量均化,汛期徑流量占年徑流量比例減少,枯水期徑流量比例增加,徑流雙峰型特征變?yōu)槎喾逍?徑流量年際變化波動(dòng)幅度減小。

3.3.2 暴雨洪水特性 黃土高原的土壤侵蝕及河流洪水往往是由幾場(chǎng)明顯的暴雨所產(chǎn)生,因此,分析暴雨洪水及其對(duì)水土保持措施的響應(yīng)對(duì)指導(dǎo)區(qū)域防洪及水土流失治理具有重要意義[10-11]。統(tǒng)計(jì)1965-1975年(缺1971年)禿尾河及各測(cè)站暴雨洪水資料,結(jié)果表明:禿尾河流域暴雨次數(shù)少、總量小、歷時(shí)短,且主要集中在7-8月,占全年降水量的55.9%。時(shí)程分布不均,例如高家川站670820號(hào)洪水對(duì)應(yīng)暴雨歷時(shí)26.5 h,暴雨量83.5 mm,其中19日20:04～4:20暴雨量為46.8 mm;空間分布不均,650727號(hào)洪水對(duì)應(yīng)公草灣站降水量0.6 mm,高家川站降水量30.4 mm,高家堡站無降水。最大洪峰流量為3 101 m3/s,出現(xiàn)在660714號(hào)洪水中。大于 1 000 m3/s洪水8場(chǎng),洪水歷時(shí)較短,洪峰滯時(shí)差異大。

圖7 禿尾河年平均流量序列轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后月徑流分配變化

3.3.3 水土保持措施對(duì)場(chǎng)次洪水的影響 劃分相似降水組,比較1977年前后洪水總量、洪峰流量變化,見表1。結(jié)果表明:各相似降水組中1977年后場(chǎng)次洪水的洪水總量及洪峰流量相對(duì)于1977年前衰減幅度為50%～97%和68%～90%,反映水土保持措施削減洪水總量及洪峰流量。對(duì)比分析相似降水組中次洪水過程線,見圖8-12,結(jié)果表明水土保持措放使洪水過程均化。

表1 相似降水組下前后期洪水要素對(duì)照表

圖8 相似降水下場(chǎng)次洪水對(duì)照?qǐng)D(1組)

圖9 相似降水下場(chǎng)次洪水對(duì)照?qǐng)D(2組)

圖10 相似降水下場(chǎng)次洪水對(duì)照?qǐng)D(3組)

圖11 相似降水下場(chǎng)次洪水對(duì)照?qǐng)D(4組)

圖12 相似降水下場(chǎng)次洪水對(duì)照?qǐng)D(5組)

4 結(jié)論

(1)流域降水量及河道徑流量年際及季節(jié)分配不均。流域降水量季節(jié)分配不均,主要集中在6-9月,年際變化大。河道徑流量季節(jié)分配不均,且具有雙峰型特點(diǎn),年際變化大,但波動(dòng)均比降水小,因其受到了下墊面的調(diào)節(jié),不同時(shí)段徑流序列有顯著下降趨勢(shì)。降水徑流豐枯時(shí)段在70年代不同步,是年內(nèi)暴雨特性不同及下墊面變化導(dǎo)致的。

(2)水土保持措施使年徑流量減小,季節(jié)分配均化,年際波動(dòng)減弱。年徑流量在1977年后出現(xiàn)減小趨勢(shì)。水土保持措施使多年平均情況下年徑流量減少,各月徑流量均化,汛期徑流量占年徑流量比例減少,枯水期徑流量比例增加,徑流季節(jié)分配雙峰型特征變?yōu)槎喾逍?年徑流量序列變差系數(shù)減小。

(3)流域暴雨次數(shù)少、總量小、歷時(shí)短,且主要集中在7-8月,時(shí)空分布不均。最大洪峰流量為3 101 m3/s,出現(xiàn)在660714號(hào)洪水中,大于1 000 m3/s洪水8場(chǎng),洪水歷時(shí)較短,洪峰滯時(shí)差異大。

(4)水土保持措施削減洪水總量及洪峰流量,并使洪水過程均化。相似降水條件下,年徑流量突變點(diǎn)后的洪水總量及洪峰流量相對(duì)之前衰減幅度為50%～97%和68%～90%,場(chǎng)次洪水過程相對(duì)之前均化。

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