岳志春， 宋天華， 金曉勇

（1．寧夏水旱災(zāi)害防御中心，寧夏 銀川 750001；2．清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

黃河上游龍劉水庫建成使用以來，黃河干流寧夏段來水、來沙過程發(fā)生了變化。黃河寧夏段較大的入黃支流有清水河、紅柳溝、苦水河、都思兔河（界河），清水河是黃河寧夏段最大支流，苦水河、紅柳溝均為黃河重要的一級支流。紅柳溝流域人為干擾較少，基本屬于天然河道，研究紅柳溝流域水沙變化問題和區(qū)間產(chǎn)沙機制可進一步分析降水和人類活動對徑流、泥沙及水沙關(guān)系的影響。本文利用1954—2015 年紅柳溝流域水文站點實測資料，研究紅柳溝流域各時期水沙變化規(guī)律及其趨勢，旨在揭示黃河寧夏段水沙變化的成因。

1 基本情況

紅柳溝為寧夏河流直接入黃的第三支流，集水面積1 064 km2，河長107 km，發(fā)源于同心羅山，流經(jīng)同心、中寧，由中寧鳴沙洲匯入黃河（表1）。該河流具有干旱、徑流少、泥沙大等特點。區(qū)域平均年降水量265 mm，總量2．82 億m3。年輸沙量239 萬t，平均含沙量為385 kg/m3。

表1 主要入黃水沙來源區(qū)水文特征

2 水沙量變化特點

2.1 年均水沙量變化特點

由于缺少紅柳溝鳴沙洲站1970—1979 年實測資料[1]，本文在分析紅柳溝不同時期水沙量變化時，將研究時期劃分成1969 年以前、1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2015 年4 個時期（表2）。鳴沙洲站多年平均水、沙量分別為0．133 億m3和0．027 2 億t。與長時期年均相比，水量偏多的時期為1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2015 年，水量增長0．7%～19．5%；而1958—1969 年水量偏少，減少29．3%。年均沙量只有在1990—1999 年偏多，增長62．5%，其他幾個時期年均沙量均偏少，減少10．8%～23．3%。

表2 鳴沙洲水文站不同時期水、沙量變化

2.2 年際間水沙量變化

紅柳溝鳴沙洲站多年平均含沙量為204 kg/m3，含沙量相對較高[2-3]。年際間水沙量變化起伏較大，豐枯懸殊。紅柳溝鳴沙洲水文站最大水、沙量分別為0．274 億m3和0．109 億t，分別發(fā)生在1985 年和1996 年；最小水、沙量分別為0．03 億m3和0．001 億t，均發(fā)生在1963 年，水、沙量最大、最小量分別相差9．1 倍和109 倍（表3）?？梢?，紅柳溝各時期的最大水量沒有明顯的變化趨勢，在各時期均有大有小，而沙量最大值出現(xiàn)在1990—1999 年，2000—2015 年有所減小。

表3 紅柳溝鳴沙洲站不同時期最大和最小水、沙量

2.3 水沙量年內(nèi)分配特點

2.3.1水沙量年內(nèi)分配比例 紅柳溝鳴沙洲站在不同時期的水沙量年內(nèi)分配情況見表4。1958—1969年汛期水量占年水量比例為84．1%，1980—1989 年、1990—1999 年這2 個時期汛期水量占年水量比例為63．9%～69．4%，2000—2015 年汛期水量占年水量比例為51．8%。紅柳溝鳴沙洲水文站各時期汛期沙量占年沙量的比例較高，除2000—2015 年為85．1%外，在其他3 個時期達到了91．6%～94．7%。

表4 不同時期紅柳溝鳴沙洲站水、沙量年內(nèi)分配

2.3.2汛期水沙量 紅柳溝鳴沙洲站不同時期汛期和非汛期水、沙量特征參數(shù)見表5。鳴沙洲站汛期水量為0.076～0.111 億m3，沙量為0.017 8～0.040 1 億t，水量和沙量在1990—1999 年出現(xiàn)最大值。水量在各時期內(nèi)的變化起伏不定，沙量總體上呈減小趨勢。平均流量為0.71～1.04 m3/s，平均含沙量為235.6～362.3 kg/m3，均在1990—1999 年這一時期內(nèi)最大。

表5 紅柳溝鳴沙洲站不同時期汛期和非汛期水、沙量特征值

2.3.3非汛期平均流量 紅柳溝鳴沙洲站非汛期的平均流量小，且變化幅度不大，平均流量0.07～0.34 m3/s，呈明顯增大的趨勢，在2000—2015 年最大[4-5]。

3 降水變化特征與趨勢分析

紅柳溝流域降水值見表6—表8。1959—2015年年雨量、汛期雨量、主汛期雨量的多年平均值分別為287、196、120 mm，汛期雨量和主汛期雨量分別占年雨量的68%、42%。1959—2015 年＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm 雨量多年平均值分別為165、56、14 mm，＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量分別占＞10 mm 雨量的34%、8%；1959—2015 年最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量的多年平均值分別為38、48、57、76 mm。

表6 紅柳溝流域各時期年雨量、汛期雨量、主汛期雨量統(tǒng)計

表7 紅柳溝流域各時期＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量統(tǒng)計

表8 紅柳溝流域最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量統(tǒng)計

3.1 紅柳溝流域各點降水特征

紅柳溝流域年雨量基本不變，汛期雨量總體呈增大趨勢，主汛期雨量呈減小趨勢。就不同強度雨量值而言，＞25 mm雨量呈略微增大趨勢，＞10 mm、＞50 mm 雨量呈略微減小趨勢，＞10 mm 雨量的減少幅度大于＞50 mm 雨量。上述分析結(jié)果表明，在1959—2015 年，紅柳溝流域的降水總量基本不變，其年內(nèi)分配可能發(fā)生了一定變化，即7、8 月份降水量減小，6、9 月份降水量增加；在＞10 mm 雨量整體呈略微減小趨勢的情況下，＞50 mm 雨量的變化趨勢與＞10 mm 雨量基本一致，＞25 mm 雨量的變化趨勢與二者相反。這表明不同量級的降水比例可能發(fā)生了變化，即25～50 mm 雨量的比例增大。

1959—2015 年，紅柳溝流域最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量的Cv值變化無明顯規(guī)律；其間各時期的最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量Cv值總體波動變化，無明顯規(guī)律；就1959—2015 年長系列而言，Cv值由小到大依次為最大7 日、最大3 日、最大15 日、最大1 日雨量。從1959—2015年整體看，上述降水特征值的離散程度由小到大依次為最大7 日、最大3 日、最大15 日、最大1 日雨量，即變化劇烈程度逐個增大；從1959—2015 年間的各時期看，最大1 日、最大3 日、最大7日、最大15 日雨量變化的劇烈程度波動變化，無明顯規(guī)律。

3.2 紅柳溝流域各降水特征值累計距平值

紅柳溝流域年雨量在1961—1979 年有一個豐水過程，在1985—2006 年有一個枯水過程；汛期雨量、主汛期雨量累計距平值總體呈波動狀態(tài)，無明顯趨勢。2000 年以來，流域年雨量、汛期雨量累計距平值呈先減小后增大趨勢，2006 年以前雨量偏枯，2011 年以后雨量偏豐；主汛期雨量累計距平值呈持續(xù)減小趨勢，這表明主汛期雨量持續(xù)偏枯。

紅柳溝流域1959—2015 年長時期＞10 mm、＞25 mm 雨量累計距平值均波動變化，無明顯規(guī)律，未出現(xiàn)長時段持續(xù)豐水或枯水過程；＞50 mm 雨量呈一定的周期性變化，但振幅有隨時間減弱趨勢。2000年以來，＞10 mm、＞25 mm 雨量累計距平值在2002—2006 年呈減小趨勢，在2011—2014 年呈增大趨勢，這表明2002—2006 年雨量偏枯，2011—2014 年雨量偏豐；＞50 mm 雨量表現(xiàn)為2 個周期，且振幅逐次降低，單個周期時長縮短，這表明其出現(xiàn)頻率增高。

3.3 紅柳溝流域各降水特征值在不同時段的差異系數(shù)

紅柳溝流域1959—2015 年年雨量、汛期雨量、主汛期雨量差異系數(shù)（Cv值）由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量；其間各時期的Cv值變化過程總體呈波動變化無明顯規(guī)律；就1959—2015 年長系列而言，Cv值由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量。從1959—2015 年總體和其間某一時期分別看，上述降雨特征值的離散程度由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量，即變化劇烈程度逐個增大；不同時期的年雨量、汛期雨量、主汛期雨量變化的劇烈程度波動變化，無明顯規(guī)律，其中在1980—1989年這一時期波動最為劇烈[6-7]。

紅柳溝流域1959—2015 年雨量Cv值由小到大依次為＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm 雨量；不同時期Cv值的變化特點為＞10 mm、＞50 mm、＞25 mm 雨量總體波動變化，無明顯規(guī)律；就1959—2015 年長系列而言，Cv值由小到大依次為＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm雨量?？梢?，對于1959—2015 年整體情況和其間某一時期而言，上述降雨特征值的離散程度由小到大依次為＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量，即變化劇烈程度逐個增大；對于各時期而言，＞10 mm、＞50 mm、＞25 mm 雨量變化的劇烈程度波動變化，無明顯規(guī)律。

紅柳溝流域1959—2015 年的最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量Cv值的變化無明顯規(guī)律；其間不同時期Cv值的變化呈現(xiàn)為最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量總體波動，無明顯規(guī)律；就1959—2015 年長系列而言，Cv值由小到大依次為最大1 日、最大3 日、最大15 日、最大7 日雨量。這表明，在1959—2015 年上述降雨特征值的離散程度由小到大依次為最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大15 日雨量、最大7 日雨量，即變化劇烈程度逐個增大；其間各時期最大1 日、最大3日、最大7 日、最大15 日雨量變化的劇烈程度波動變化，無明顯規(guī)律[8]。

3.4 紅柳溝流域1959—2015 年的各降雨特征值

如表9—表11 所示，各降雨特征值均無顯著變化趨勢（顯著性水平α=0.05，│Z0.05│=1.64）。年雨量、汛期雨量的Z值與β 值均為正值，二者均呈增大趨勢，但趨勢并不顯著。汛期雨量的增大速率大于年雨量；主汛期雨量的Z值與β 值均為負值，這表明其呈減小趨勢，趨勢亦不顯著。

表9 紅柳溝年雨量、汛期雨量、主汛期雨量Mann-Kendall 趨勢檢驗

表11 紅柳溝最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量Mann-Kendall 趨勢檢驗

＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量的Z值與β 值均為正值，三者均呈增大趨勢，但變化趨勢并不顯著，增大速率由大到小依次為＞25 mm 雨量、＞10 mm 雨量、＞50 mm 雨量。最大1 日、最大3日、最大7 日、最大15 日雨量的Z值與β 值均為負值，四者均呈減小趨勢，但變化趨勢不顯著，減小速率由大到小依次為最大7 日雨量、最大15 日雨量、最大3 日雨量、最大1 日雨量。

表10 紅柳溝大于10 mm、大于25 mm、大于50 mm 雨量Mann-Kendall 趨勢檢驗

4 降水—徑流—輸沙關(guān)系分析

為闡明紅柳溝流域降水與徑流、降水與輸沙的關(guān)系，以鳴沙洲站作為流域出口控制站，使用雙累積曲線、對比分析法等方法，分析鳴沙洲的年降雨量與鳴沙洲站實測年徑流量、輸沙量的關(guān)系及其在不同時期的變化過程。

4.1 降水—徑流關(guān)系分析

鳴沙洲站不同時期年降雨量與年徑流量見表12。以1960—1969 年這一時期作為基準期，對比不同時期降雨量與徑流量的變化：自1980 年起，各時期的徑流量減少量均為負值，這表明流域徑流量增大，各時期的徑流量增大幅度與降水增幅呈正相關(guān)關(guān)系，其中2000—2015 年的降雨量與徑流量增幅最大，分別增加20.4%、71.5%。

表12 鳴沙洲站不同時期降雨量與年徑流量

4.2 降水—輸沙關(guān)系分析

鳴沙洲站不同時段年降雨量與年輸沙量見表13。流域年輸沙量—年降雨量關(guān)系變化過程大致可劃分為3 個時期：1959—1988 年、1989—2002年、2003—2015 年，1959—1988 年這一時期可作為基準對比時期，該時期實測年輸沙量與降雨量的變化幅度基本一致；1989—2002 年這一時期流域增沙量遠遠高于降水增幅，這表明該時期生產(chǎn)開發(fā)建設(shè)規(guī)模較大，人為的新增水土流失量較多；2003—2015 年，流域輸沙量較前一時期大幅降低，尤其是2010—2015 年年降雨量較基準對比時期增大20.4%，為各時期中的最大值，而實測年輸沙量較基準對比時期減小7.0%。這表明隨著該流域水土流失治理力度加大，尤其是進一步實施退耕還林還草工程與淤地壩亮點工程[7-8]，水土保持治理成效逐漸顯現(xiàn)。流域長系列累計輸沙量與累計降雨量關(guān)系的斜率先增大后減小，這表明紅柳溝流域年降雨量與年輸沙量的關(guān)系發(fā)生了較為明顯的變化[9]。

表13 鳴沙洲站不同時段年降雨量與年輸沙量統(tǒng)計

紅柳溝流域的減沙量與降水較少量的一致性較好，這表明紅柳溝下墊面條件整體受人類活動影響較少，侵蝕產(chǎn)沙環(huán)境與輸沙條件變化不大。僅在2003 年以后逐漸受到各項水土流失治理措施的影響，下墊面條件有所改變。

5 討論與結(jié)論

1）紅柳溝鳴沙洲站多年平均水、沙量分別為0．133 億m3、0．027 2 億t，各時期水、沙量沒有明顯的規(guī)律性變化。1969 年以前是水量最少的時期，減幅達到29．3%；1990—1999 年是水、沙量最多時期，增幅分別為19．5%和62．5%。2000—2015 年是沙量減少最多的時期，減少23．3%。同時紅柳溝水沙量變幅除在個別時期外，基本呈減少趨勢。

2）紅柳溝流域長時期水、沙量主要集中在汛期，汛期水、沙量占全年的比例分別為64．7%和90．3%。但是隨著時間推移，大部分站點汛期水、沙量站全年的比例逐漸降低，至2000—2015 年鳴沙洲汛期水、沙量的占比只有51．8%和85．1%。

3）1959—2015 年，紅柳溝流域年雨量、汛期雨量、主汛期雨量、＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量、最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量的多年平均值分別為287、196、120、165、56、14、38、48、57、76 mm。根據(jù)1958—2015 年各降水特征值的擬合趨勢線，除年雨量、汛期雨量、＞25 mm 雨量呈略微增大趨勢外，其余均呈略微減小趨勢，但是變化趨勢均不顯著。2000 年以來，年雨量、汛期雨量、＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量累計距平值表明，2002—2006 年雨量偏枯、2011—2014 年雨量偏豐。就1958—2015 年的Cv值而言，不同系列特征值變化的劇烈程度分別由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量，＞10 mm雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量，最大7 日雨量、最大3 日雨量、最大15 日雨量、最大1 日雨量。就不同時期的Cv值而言，各降雨特征值無明顯變化趨勢。Mann-Kendall 趨勢檢驗表明，1958—2015 年各降雨特征值均無顯著變化趨勢。

4）1959—2015 年紅柳溝流域年徑流量—年降雨量關(guān)系基本保持一致，僅在2002 年后斜率略微減小。根據(jù)紅柳溝流域年降雨量—年輸沙量關(guān)系的變化過程可劃分為1959—1988 年、1989—2002 年、2003—2015 年3 個時期，年輸沙量累積值隨年降雨量累積值的增速先增大再減小，流域年輸沙量—年降雨量關(guān)系發(fā)生了明顯變化。以1959—1988 年作為基準對比時段，1989—2002 年這一時期流域增沙量遠遠高于降水增幅，這表明在該時期人為的新增水土流失量較多；2003—2015 年，流域輸沙量較前一時期大幅降低，尤其是2010—2015 年年降雨量較基準對比時期增大20．4%，而實測年輸沙量較基準對比時段減小7．0%，這表明水土保持治理成效逐漸顯現(xiàn)。