洮河泥沙分布及變化分析

凡炳文,陳 文,2,李計(jì)生

(1.甘肅省水文水資源勘測(cè)局,甘肅蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

河流泥沙輸移是河流中重要的水文現(xiàn)象,它對(duì)于河流的變遷有重大的影響。泥沙的多少主要與流域的氣候因素、下墊面因素和人類活動(dòng)有關(guān),時(shí)空分布變化與流域內(nèi)自然因素與人類活動(dòng)的交互作用密切相關(guān)[1～5]。泥沙產(chǎn)生的危害是多種多樣和廣泛的,泥沙產(chǎn)生危害的形式取決于泥沙的數(shù)量和特性,河道中泥沙含量的淤積和沖刷,對(duì)防汛、航運(yùn)、灌溉等帶來(lái)很多嚴(yán)重的問(wèn)題。洮河是一條高含沙河流,帶來(lái)的泥沙占到了劉家峽水庫(kù)來(lái)沙量的 30%以上,對(duì)劉家峽電站正常運(yùn)行和水庫(kù)綜合效益的發(fā)揮造成了非常嚴(yán)重的影響。水庫(kù)內(nèi)的泥沙淤積一方面減少了水庫(kù)庫(kù)容,降低了水電站的蓄水和防洪等效益,影響本河段的工農(nóng)業(yè)設(shè)施,另一方面由于壩區(qū)的泥沙淤積也將對(duì)電站的引水防沙構(gòu)成威脅,從而影響電站的引水發(fā)電效益[6]。因而,開展洮河泥沙方面的分析研究顯得很有必要。

1 分析方法

以洮河紅旗站 1956～2005年水文監(jiān)測(cè)泥沙資料為依據(jù),統(tǒng)計(jì)分析泥沙分布規(guī)律;采用非參數(shù) Mann-Kendall趨勢(shì)分析檢驗(yàn)法[7-8]、累積曲線法來(lái)分析徑流的趨勢(shì)變化;采用文獻(xiàn)[9]中泥沙含量年內(nèi)不均勻系數(shù)、集中度(期)以及變化幅度等不同指標(biāo)的計(jì)算方法,從不同角度分析泥沙年內(nèi)分布規(guī)律;并統(tǒng)計(jì)分析洪峰沙峰之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,探討水沙匹配情況。

2 泥沙來(lái)源及特征

2.1 泥沙特征

洮河是一條高含沙河流,以多沙著稱。從紅旗站 1956～2005年 50 a泥沙資料系列來(lái)看,多年平均年輸沙量2 430×104t,年輸沙模數(shù) 973 t/km2;實(shí)測(cè)最大斷面平均含沙量 620 kg/m3,最大年輸沙量6590×104t。洮河泥沙高度集中,主要產(chǎn)生于主汛期的 6～9月,占到了年輸沙總量的 89.6%,其他月份之和僅占全年的 10%左右。

2.2 產(chǎn)沙區(qū)基本情況

洮河泥沙主要來(lái)源于李家村水文站以下區(qū)域。該區(qū)域處于甘肅中部干旱黃土山丘區(qū),除河谷地段外,地形破碎,土石裸露,植被很差,水土流失特別嚴(yán)重。汛期暴雨洪水夾雜著大量泥沙瀉入河流,使得干流泥沙含量成百倍增長(zhǎng)。李家村以下的較大支流進(jìn)入汛期的第一、二場(chǎng)洪水,或久旱以后的洪水,水流渾濁,泥沙含量很大,常常達(dá)到 500 kg/m3以上,成為洮河的主要產(chǎn)沙區(qū)域,年輸沙量占洮河總輸沙量的 78%以上。

在這些高含沙的支流上,從東峪溝臨洮站(流域面積 582 km2)近 40a監(jiān)測(cè)資料來(lái)看,實(shí)測(cè)最大斷面平均含沙量為 963 kg/m3,多年平均年輸沙量 305×104t,占洮河總輸沙量的12.6%,年輸沙模數(shù)5240 t/km2,是洮河流域平均水平的5.4倍,水土流失極為嚴(yán)重。從廣通河三甲集站(流域面積1 523 km2)近 40 a監(jiān)測(cè)資料來(lái)看,實(shí)測(cè)最大斷面平均含沙量1 260 kg/m3,多年平均年輸沙量 265×104t,占洮河總輸沙量的10.9%,年輸沙模數(shù)1 740 t/km2,是洮河流域平均水平的1.8倍,水土流失特別嚴(yán)重。東峪溝和廣通河年輸沙總量占到了洮河總量的近 25%。

3 泥沙的年際變化

3.1 年際變化分析

根據(jù)紅旗站 1956～2005年實(shí)測(cè)泥沙資料,分析計(jì)算年平均含沙量和年輸沙量特征值,列于表 1。

表1 紅旗站泥沙特征值

紅旗站多年平均含沙量為 5.14 kg/m3,Cv值為 0.53,最大年份是最小年份的 6.6倍;多年平均年輸沙量為2 430×104t,Cv值為 0.71,最大年份是最小年份的 4.6倍。年平均輸沙量在 10%、20%、50%、75%和 90%條件下數(shù)值分別為4 750×104t、3 710×104t、2 120 ×104t、1 160 ×104t和 500×104t。與徑流的年際變化相比,泥沙的變化更為劇烈,年際間波動(dòng)幅度很大,大小年份交替出現(xiàn),呈不規(guī)則性變化。

3.2 年際變化趨勢(shì)分析

用 M-K趨勢(shì)分析 1956～2005年泥沙序列,年平均含沙量系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)為 -0.109,但未通過(guò) 90%的置信度檢驗(yàn),說(shuō)明含沙量年際間減小趨勢(shì)不明顯;年輸沙量系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)為-0.232＊,通過(guò) 90%置信度檢驗(yàn),說(shuō)明年輸沙量存在減小的趨勢(shì),主要與年徑流減小有關(guān)。

從圖 1年平均含沙量差積累計(jì)曲線反映出,1985年以前呈鋸齒狀,沒有明顯的周期變化,1985～1995年呈上升趨勢(shì),1996～2005年呈下降趨勢(shì),主要是由于不同時(shí)期流域內(nèi)工程建設(shè)增沙和水利水電工程攔沙的結(jié)果。

圖1 紅旗站年平均含沙量差積曲線

3.3 不同時(shí)段變化分析

將紅旗站 1956～2005年 50 a泥沙資料劃分為 5個(gè)時(shí)段,統(tǒng)計(jì)分析各時(shí)段與長(zhǎng)系列比較、近10a與其它時(shí)段比較的變化情況,其結(jié)果列于表 2。

表2 紅旗站不同時(shí)段年平均含沙量比較

從表 2看出,1956～1965年及 1976～1985年基本接近多年情況;1966～1975年及 1986～1995年大于多年均值,尤其 1986～1995年 10a中,含沙量增加較多,高出多年均值35%;1996～2005年較小幅度較大,低于多年均值 32.1%。最近10a比其他各時(shí)段含沙量都小,減小的比率在 30%以上,特別是最近10a比相鄰的前10a相對(duì)減小了近一半。不同時(shí)段最大值是最小值的 2倍,充分說(shuō)明洮河泥沙含量的階段性變化很大。

3.4 階段性變化成因分析

洮河泥沙年際變化上雖然不太明顯,但不同年代階段性變化突出。就以十年計(jì)的短時(shí)間尺度而言,氣候的變化是有限的,不可能對(duì)流域的水沙關(guān)系產(chǎn)生重大影響[10]。近二十年來(lái),洮河流域人類活動(dòng)通過(guò)改變流域下墊面特征使流域自然環(huán)境和水文過(guò)程發(fā)生了較大的改變,植被破壞與恢復(fù),水土流失治理,水利工程攔沙和工程建設(shè)增沙,其中人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成的水土流失和為了防洪、灌溉、發(fā)電等需要而建設(shè)的水利工程成為最主要的影響因素[11]。

上世紀(jì) 80年代以后,隨著人口的不斷增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人類活動(dòng)對(duì)流域下墊面的改變不斷加劇。由于采用不合理的耕作制度和方式,盲目地砍伐森林,無(wú)計(jì)劃地開發(fā)土地,植被遭到破壞,使地表侵蝕加劇,水土流失嚴(yán)重,河流含沙量顯著增大。同時(shí),各行各業(yè)工程建設(shè)不斷增加,施工裸地面積增加,擾動(dòng)和破壞了原地貌自然侵蝕狀態(tài)下的系統(tǒng),植被受到一定破壞,加劇了水土流失,在降雨和人為因素的作用下,使泥沙直接匯入下游的溝道,泥沙含量進(jìn)一步增加。除在干流河道內(nèi)大量采沙外,幾乎所有的支流上都存在亂采、亂挖、亂建、亂倒現(xiàn)象,盲目開采沙石料,整個(gè)河床的自然狀態(tài)遭到了嚴(yán)重破壞,如遇暴雨,大量泥沙涌入河道,使得泥沙含量成倍增加。

近幾年來(lái),洮河流域加大了對(duì)水能資源的梯級(jí)開發(fā)力度,大量泥沙被攔截是導(dǎo)致近十年輸沙量減少的主要原因。截至目前,洮河干流上已建成和正在興建的水電站多達(dá)二十余座,修壩建庫(kù)攔截了水庫(kù)上游的大量泥沙,導(dǎo)致通過(guò)河道進(jìn)入下游的泥沙減少。同時(shí),近年來(lái),各級(jí)政府高度重視流域水土流失的治理,退耕還林,種草植樹,調(diào)整土地利用方式,在水土保持方面取得了顯著的成效,水土流失面積減小,這對(duì)洮河含沙量的減小有一定作用。

4 泥沙的年內(nèi)變化

4.1 不均勻性分析

紅旗站不同時(shí)段泥沙年內(nèi)分配不均勻系數(shù) Sv列于表 3?？梢钥闯霾煌瑫r(shí)段含沙量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)較大,反映出泥沙在各個(gè)時(shí)期年內(nèi)的變化較為劇烈,說(shuō)明洮河泥沙在年內(nèi)分配極不均勻。從不同時(shí)段相比較來(lái)看,1956～1965年年內(nèi)變化最為劇烈,近 30 a內(nèi)變化不均勻程度基本一致。

表3 紅旗站不同時(shí)段泥沙年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

4.2 集中程度分析

紅旗站不同時(shí)段泥沙年內(nèi)分配集中度 Sd和集中期 D列于表 4。可以看出,一年中最大月泥沙含量不同時(shí)段出現(xiàn)在6月下旬或 7月上旬,高度集中在15d左右,集中期的泥沙值占到年總值的 70%以上,近 30 a來(lái)占到了 76%以上。說(shuō)明洮河泥沙含量呈現(xiàn)高度集中的特點(diǎn),同時(shí)也反映出洮河中下游地區(qū)春季干旱,夏初少雨,6月底進(jìn)入雷陣雨多發(fā)期的氣候特征。

表4 紅旗站泥沙年內(nèi)分配的集中度及集中期

4.3 變化幅度分析

用最大月泥沙含量與最小月泥沙含量之比 Sr和最大與最小月泥沙含量之差 Sa來(lái)分析泥沙年內(nèi)分配變化情況,不同時(shí)段泥沙年內(nèi)分配變化 Sr和Sa計(jì)算結(jié)果列于表 5。

表5 紅旗站泥沙年內(nèi)分配變化幅度

從計(jì)算結(jié)果看出,不同時(shí)期年內(nèi)最大與最小月泥沙含量的相對(duì)、絕對(duì)變化幅度很大。1986～1995年相對(duì)幅度最小,絕對(duì)幅度最大,1996～2005年絕對(duì)幅度最小。這也從另一方面反映出不同時(shí)期人類活動(dòng)對(duì)泥沙年內(nèi)分配的影響。1986～1995期間,由于工程建設(shè)增沙的影響,各月含沙量相對(duì)較大,使得相對(duì)變化幅度減小,而絕對(duì)幅度變大;1996～2005年期間,由于水利工程攔沙的影響,各月含沙量相對(duì)較小,使得相對(duì)變化幅度增大,而絕對(duì)變化幅度減小。

4.4 月分配分析

經(jīng)對(duì)紅旗站不同時(shí)段逐月輸沙量分析,月分配比例基本相近,表現(xiàn)出年內(nèi)分布高度集中,極不均衡的特點(diǎn)。就多年平均情況而言,11～3月的枯水時(shí)期,河水清澈,徑流較小,輸沙量?jī)H占年輸沙量的 0.86%;4月份由于冰雪消融,產(chǎn)生春汛,含沙量有所增大,占年總數(shù)的 1.42%;5月份由于局部降水的影響,河流泥沙含量增加,占到年總數(shù)的 5.81%;6～9月的暴雨季節(jié),大量泥沙隨水流進(jìn)入河道,為輸沙量最大的時(shí)期,占到了年總數(shù)的 89%以上,其中 8月份占的比重最大,為全年的 35.1%;10月份隨著強(qiáng)對(duì)流天氣的結(jié)束和徑流的逐漸消退,含沙量減小,月輸沙量只占年總數(shù)的 2.29%。

5 水沙匹配分析

5.1 水沙分布情況

洮河流域地跨兩大地貌單元,水沙異源特別明顯。岷縣以上控制面積占全流域的 60%,產(chǎn)水量占全流域的 70%以上,產(chǎn)沙量?jī)H占 10%,是洮河的主要產(chǎn)水區(qū);李家村以下區(qū)間面積占全流域的 21%,產(chǎn)水量占全流域的 13%,而產(chǎn)沙量占78%以上,是洮河的主要產(chǎn)沙區(qū)。產(chǎn)水區(qū)和產(chǎn)沙區(qū)的分布非常明顯。

5.2 水沙匹配分析

洮河由于水沙異源的特性,決定了年洪峰流量和年最大含沙量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系很弱,在 50 a系列中,14 a沙峰在洪峰之前出現(xiàn),36 a沙峰和洪峰處在不同的洪水場(chǎng)次中。洮河水沙的空間分布不均衡及水沙異源的特性,造成下游的沙峰與洪峰在量級(jí)上和時(shí)間上關(guān)系甚微且不同步。

就同場(chǎng)洪水沙峰與洪峰來(lái)說(shuō),洪峰與沙峰的相對(duì)關(guān)系一般可分為三種情況:(1)洪峰在前沙峰在后。在 1956～2005年的 50場(chǎng)年最大洪水中,有 8場(chǎng)是洪峰先于沙峰到達(dá)紅旗斷面,占總數(shù)的 16%。這種情況下,洪水在傳播過(guò)程中,沙峰的傳播時(shí)間稍大于洪峰的傳播時(shí)間,沙峰滯后約 1～3 h。(2)沙峰在前洪峰在后。據(jù)所統(tǒng)計(jì)的洪水中沙峰先于洪峰到達(dá)紅旗斷面的有 39場(chǎng),占 78%。沙峰提前的時(shí)間遠(yuǎn)近不等,一般情況下,如果是中上游產(chǎn)生的洪峰,則往往提前 1d以上,如果是中下游支流產(chǎn)生的洪峰,通常提前 0.5～4h左右。(3)沙峰與洪峰完全同步,在本次統(tǒng)計(jì)中僅有 3場(chǎng)洪水的沙峰與洪峰同時(shí)到達(dá)紅旗站,僅占 6%。

5.3 不同步原因分析

洪峰與沙峰出現(xiàn)時(shí)間不一致的原因是多方面的,從理論上講,河道洪水的流動(dòng)屬于不穩(wěn)定流,洪峰是以波的形式傳播,而泥沙運(yùn)動(dòng)則與水流平均流速有關(guān),泥沙沿程傳播的規(guī)律受水沙特性和河道邊界條件共同作用,其規(guī)律極為復(fù)雜[12]。

洮河沙峰與洪峰不同步除理論上的原因外,主要是由于下游地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙本身的規(guī)律和沙峰洪峰來(lái)自不同的區(qū)域所決定的。洮河較大的沙峰過(guò)程來(lái)自下游的支流,受暴雨局部性的影響,若一條支流發(fā)生洪水,則在紅旗產(chǎn)生一個(gè)沙峰過(guò)程,若多條支流發(fā)生洪水,則在紅旗站生成復(fù)式沙峰過(guò)程,其大小取決于各支流泥沙相互疊加的情況,關(guān)系甚為復(fù)雜。來(lái)自中上游的洪峰過(guò)程本身與下游的沙峰過(guò)程沒有多大關(guān)系,由于演進(jìn)距離的不同,下游沙峰要先于中上游洪峰到達(dá)紅旗斷面,提前時(shí)間隨不同情況而異;下游區(qū)間某一條支流很難在紅旗站產(chǎn)生較大洪峰過(guò)程,年最大洪峰通常是由多條支流共同作用的結(jié)果,沙峰主要由產(chǎn)生最大含沙的支流決定,通常提前或滯后,但與洪峰相距很近;下游區(qū)間未發(fā)生洪水,洪峰與沙峰全部由中上游生成,含沙量較小,一般情況下紅旗站沙峰與洪峰同步出現(xiàn)或沙峰稍有滯后。隨著中游水電站的建設(shè),水電站的泄洪沖沙將對(duì)紅旗站的沙峰與洪峰的匹配關(guān)系產(chǎn)生較大的改變。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析得出,洮河泥沙具有含量高、輸沙總量大、產(chǎn)沙的區(qū)域性、年際的波動(dòng)性、年內(nèi)的不均勻性和時(shí)間的集中性六大特點(diǎn)。

6.1 含沙量高

紅旗站有觀測(cè)資料以來(lái),實(shí)測(cè)最大含沙量高達(dá) 620 kg/m3,最小的年份也達(dá)到了 132 kg/m3,多年平均含沙量為5.14 kg/m3。這種高含沙的特性主要是由河流中下游的自然地理?xiàng)l件和降水特性決定的。

6.2 輸沙總量大

紅旗站多年平均年輸沙量達(dá)到了2 430×104t,最大年輸沙量高達(dá)6590×104t,平均年侵蝕模數(shù) 973 t/km2。下游地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重,大部分區(qū)域年侵蝕模數(shù)高達(dá)2 000 t/km2以上,使得洮河表現(xiàn)出輸沙總量很大的特點(diǎn)。

6.3 產(chǎn)沙的區(qū)域性

洮河流域自然地理特性決定了下游地區(qū)成為主要產(chǎn)沙區(qū),李家村站以下,面積僅占全流域的 21%,而輸沙量占洮河的 78%以上,區(qū)域性表現(xiàn)得非常明顯。

6.4 年際的波動(dòng)性

受降水的局部性和降水類型的影響,年際間變化很大,年平均含沙量極值比達(dá)到 6.6,年輸沙量極值比達(dá)到 4.6。表現(xiàn)為年際間呈不規(guī)則性變化,幅度很大,波動(dòng)性很強(qiáng)。

6.5 年內(nèi)的不均勻性

受降水時(shí)空分布不均的影響,洮河泥沙在空間上表現(xiàn)得極不均勻,紅旗站 6～9月占全年的 89%以上,11～4月僅占全年的不到 3%。這充分說(shuō)明了洮河泥沙年內(nèi)分布極不均衡的特點(diǎn)。

6.6 時(shí)間的集中性

洮河泥沙主要由入汛后的 2～3場(chǎng)高強(qiáng)度降水或久旱后的降水產(chǎn)生,時(shí)間短,沙量大,約占年總量的 50%以上。就多年平均輸沙量而言,輸沙量較大年份,日輸沙量大于 10×104t集中在 1～2個(gè)月內(nèi),輸沙量較小年份,集中在20d左右。洮河泥沙時(shí)間上高度集中的特點(diǎn)非常明顯。

6.7 水沙異源突出

洮河流域上中下游產(chǎn)水產(chǎn)沙效應(yīng)有很大差異,使得水沙情勢(shì)相吻合的年份極少。水量主要來(lái)自中上游,占洮河總水量的 70%以上,是洮河的主要產(chǎn)水區(qū)。泥沙主要產(chǎn)生于下游,占洮河輸沙總量的 78%以上,是洮河的主要產(chǎn)沙區(qū)。水沙來(lái)自不同的區(qū)域,水沙異源特性突出,不同步現(xiàn)象明顯。

6.8 人類活動(dòng)影響明顯

由于受人類活動(dòng)的影響,近 20a來(lái)呈現(xiàn)階段性變化,1986～1995年工程建設(shè)的增沙和 1996～2005年水利工程的攔沙作用明顯。隨著九甸峽水利樞紐工程的建成,這種影響將會(huì)不斷加劇。

6.9 產(chǎn)沙機(jī)制發(fā)生了變化

水利工程建設(shè)的攔沙一方面是進(jìn)入下游河道的泥沙減少,另一方面破壞了原有的水沙輸移規(guī)律,攔沙淤積的結(jié)果必然進(jìn)行排沙沖沙,使得水沙規(guī)律發(fā)生了改變。據(jù)李家村水文站泥沙資料顯示,近10a的最大泥沙過(guò)程均系上游三甲電站沖沙所致,原有的水沙規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)制發(fā)生了較大變化。

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