水土保持措施對禿尾河徑流的影響*

白樺,穆興民,2,王雙銀

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

黃河河龍區(qū)間是我國水土流失最為嚴重的地區(qū),對該區(qū)水土保持措施水文效應的評價不僅對指導水土流失治理和防洪減災工作,而且對完善水土保持學科都具有理論和實踐意義。水土保持措施的減水減沙效應是衡量水土保持生態(tài)效益的重要指標,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)計或雙累計曲線法確定徑流序列突變點,以區(qū)分“天然”和“人為”兩個階段[1]。汪崗等分析了黃河主要支流近50 a徑流序列突變點、趨勢及驅(qū)動因素[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定量評價及比較,對徑流量的分析也未考慮年內(nèi)降水極端事件的影響。通過計算降水波動引起的徑流變化量,分離出水土保持措施對徑流量的影響;劃分相似降水組,比較組內(nèi)年徑流量突變點前后洪水要素及洪水過程的變化,以揭示水土保持措施對場次洪水的影響。

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個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),于神木縣的萬鎮(zhèn)河口岔匯入黃河。干流長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個地貌類型區(qū):草灘區(qū)、流動風沙區(qū)、蓋沙區(qū)、黃土丘陵區(qū)。流域內(nèi)水土流失嚴重,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流域的35.1%,且主要以林地措施為主,其面積占整個流域的31.4%。流域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展較快,分布有陜北能源重化工基地,蘊含煤炭、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,對應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

相似降水的確定標準:降水是產(chǎn)流的動力,降水量及其時空分布影響徑流量及流量過程?？紤]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、降水強度、最大時段降水量、雨峰歷時、雨峰強度這些因素。

禿尾河流域暴雨中心區(qū)位于高家堡以上地區(qū)時,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算僅采用高家堡、高家川站降水資料,距離年徑流量突變點一定的時間間隔,取突變點前后各約10 a的暴雨及洪水資料,分析次暴雨的降水量、降水歷時、降水強度、最大時段降水量、雨峰歷時、雨峰強度,并以兩站在黃土丘陵區(qū)所占面積比例計算面上均值。根據(jù)統(tǒng)計出的降水量排序,并以各降水要素接近為原則劃分相似降水組,對比分析相似降水組內(nèi)突變點后洪水總量、洪峰流量及洪水過程相對于突變點前的變化,定量評價水土保持措施對次洪水的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水特征分析

對比流域內(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計年及汛期降水量較大,高家川站枯水年的設計年及汛期降水量較大。

3.1.1 降水量年內(nèi)分配特征 對流域年平均降水量進行頻率分析,得到25%、50%、75%頻率下禿尾河設計年降水量分別為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種設計年連續(xù)最大三個月降水量占年降水量比例分別達63.9%、67.6%、74.6%,實測多年平均汛期(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計降水量年內(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,可將整個年降水量序列分為如下時段:2個顯著的枯水段,即1951-1957年、1971-1999年。2個顯著的豐水段,即1958-1970 年、2000-2004年 。

圖2 禿尾河及各測站年降水量過程線

圖3 禿尾河流域年降水距平累計變化

3.2 徑流特征分析

3.2.1 徑流量年內(nèi)分配特征 對流域把口站高家川站年平均流量進行頻率分析得到25%、50%、75%頻率的高家川站設計年平均流量分別為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,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,各設計年連續(xù)最大3個月徑流量比例穩(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)均小于降水對應值,說明雖然徑流年內(nèi)分配不均,但相對于降水波動較小,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計徑流年內(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,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檢驗證實高家川站不同時段徑流序列下降趨勢顯著。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段:1個明顯豐水段為1956-1972年,1個明顯平水段為1973-1980年,1個明顯枯水段為1981-2003年。對比降水與徑流,年徑流量極值比、變差系數(shù)均小于降水對應值,說明徑流量年際波動較小,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致。

圖5 禿尾河研究水文測站流量過程線

圖6 高家種站徑流距平累積圖

3.3 水土保持措施對徑流的影響

3.3.1 水土保持措施對月、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。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,兩邊求導并以差分形式給出,即

式中:ΔP×α——降雨波動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,結(jié)合相似降水分析期確定原則,選取1962-1976年和1977-1989年兩個研究時段,對1977-1989年多年平均情況下的年、各月、連續(xù)最大四個月(7-10月)及枯水期(11月-翌年6月)徑流量利用ΔP×α進行修正。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明顯的暴雨所產(chǎn)生,因此,分析暴雨洪水及其對水土保持措施的響應對指導區(qū)域防洪及水土流失治理具有重要意義[10-11]。統(tǒng)計1965-1975年(缺1971年)禿尾河及各測站暴雨洪水資料,結(jié)果表明:禿尾河流域暴雨次數(shù)少、總量小、歷時短,且主要集中在7-8月,占全年降水量的55.9%。時程分布不均,例如高家川站670820號洪水對應暴雨歷時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號洪水對應公草灣站降水量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號洪水中。大于 1 000 m3/s洪水8場,洪水歷時較短,洪峰滯時差異大。

圖7 禿尾河年平均流量序列轉(zhuǎn)折點前后月徑流分配變化

3.3.3 水土保持措施對場次洪水的影響 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年后場次洪水的洪水總量及洪峰流量相對于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照表

圖8 相似降水下場次洪水對照圖(1組)

圖9 相似降水下場次洪水對照圖(2組)

圖10 相似降水下場次洪水對照圖(3組)

圖11 相似降水下場次洪水對照圖(4組)

圖12 相似降水下場次洪水對照圖(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,年際變化大,但波動均比降水小,因其受到了下墊面的調(diào)節(jié),不同時段徑流序列有顯著下降趨勢。降水徑流豐枯時段在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,年際波動減弱。年徑流量在1977年后出現(xiàn)減小趨勢。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、歷時短,且主要集中在7-8月,時空分布不均。最大洪峰流量為3 101 m3/s,出現(xiàn)在660714號洪水中,大于1 000 m3/s洪水8場,洪水歷時較短,洪峰滯時差異大。

(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,年徑流量突變點后的洪水總量及洪峰流量相對之前衰減幅度為50%～97%和68%～90%,場次洪水過程相對之前均化。

[1] 朱恒峰,趙文武,康慕宜,等.水土保持地區(qū)人類活動對汛期徑流影響的估算[J].水科學進展,2008,19(3):400-405.

[2] 汪崗,范昭.黃河水沙變化研究[M].(2卷).鄭州:黃河水利出版社,2002.

[3] 姚文藝,李占斌,康玲玲.黃土高原土壤侵蝕治理的生態(tài)環(huán)境效應[M].北京:科學出版社,2005.

[4] 冉大川,柳林旺,趙力儀,等.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水土保持與水沙變化[M].鄭州:黃河水利出版社,2000.

[5] 李勇,董雪娜,張曉華,等.黃河水沙特性變化研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2004.

[6] 許炯心.黃河中游多沙粗沙區(qū)水土保持減沙的近期趨勢及其成因[J].泥沙研究,2004(2):5-10.

[7] 穆興民.黃土高原水土保持對河川徑流及土壤水文的影響[D].陜西楊陵:西北農(nóng)林科技大學,2001.

[8] 李占斌,符素華,魯克新.禿尾河流域暴雨洪水產(chǎn)沙特性的研究[J].水土保持學報,2001,15(2):88-91.

[9] 穆興民,李靖.黃河天然徑流量年際變化過程分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2003,17(2):1-5.

[10] 穆興民.黃土高塬溝壑區(qū)水土保持對小流域地表徑流的影響[J].水利學報,1999,(2):71-75.

[11] 穆興民,陳霽巍,王文龍,等.水利水保工程對佳蘆河流域暴雨洪水的影響分析[J].水土保持通報,2000,20(7):24-27.