黃土丘陵溝壑區(qū)羅玉溝流域水沙特性分析

安樂平，秦瑞杰，康廷祥，韓 冀

(黃河水利委員會(huì) 天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 天水 741000)

羅玉溝流域是黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)典型小流域，20世紀(jì)80年代中期開始，黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站(以下簡稱天水站)在該流域布設(shè)了雨量站、把口站，進(jìn)行了降雨、徑流、泥沙觀測，開展了小流域水土流失規(guī)律研究，積累了豐富的系列實(shí)測資料，為探索“丘三區(qū)”典型小流域水土流失規(guī)律提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，該流域土地利用發(fā)生了較大變化，特別是近10年來流域內(nèi)治理水平明顯提高，下墊面條件發(fā)生了較大變化，加之生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)增多，對流域產(chǎn)水產(chǎn)沙產(chǎn)生了較大影響。為了進(jìn)一步分析流域水沙變化情況，以羅玉溝流域1986—2010年系列資料為依據(jù)，在全面調(diào)查、廣泛收集資料的基礎(chǔ)上，對流域水沙特性及其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，研究結(jié)果對進(jìn)一步促進(jìn)“丘三區(qū)”乃至整個(gè)黃土高原地區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)快速、持續(xù)、健康發(fā)展意義重大。

1 流域概況及研究方法

羅玉溝是渭河支流耤河左岸的一條支溝，發(fā)源于天水市麥積區(qū)新陽鎮(zhèn)鳳凰山南麓[1]，由西向東在天水市秦州區(qū)東關(guān)注入耤河，主溝道長21.81 km，平均比降3.35%。流域面積72.79 km2，位于隴西黃土高原與隴南山地的過渡地帶。年降水量552.5 mm，年蒸發(fā)量1 293.3 mm，年均氣溫10.7 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫3 360 ℃，無霜期184 d。大致可分為土石山區(qū)、雜色土區(qū)、黃土區(qū)三個(gè)類型區(qū)[2]，根據(jù)土壤的形成過程、發(fā)育階段和發(fā)育程度，考慮到土壤侵蝕作用引起的肥力變化和演變，劃分為山地褐色土類(Ⅰ)、山地灰褐土類(Ⅱ)和沖積土類(Ⅲ)等3個(gè)土類[3]。據(jù)2009年遙感調(diào)查結(jié)果，流域內(nèi)植被覆蓋率為21.5%。

以羅玉溝流域25年來實(shí)測水文泥沙資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用線性回歸等統(tǒng)計(jì)分析方法，對流域降水、徑流、泥沙特征及其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

2 基本資料的獲取與整理

水文資料主要包括降水、徑流、泥沙觀測資料，資料系列為1986—2010年共25年。降水資料來源于天水站在羅玉溝流域內(nèi)布設(shè)的13個(gè)雨量站，徑流和泥沙資料來源于羅玉溝把口站左家場站觀測資料及整編成果[4]。

1986—2010年羅玉溝流域降水、徑流、泥沙資料來源清楚，數(shù)據(jù)可靠，保存完整，整編規(guī)范。經(jīng)考證，從建站開始觀測到2010年底，流域溝口站未發(fā)生站址變遷和斷面位置變化，個(gè)別雨量站曾遷址，但變遷后的站址與原站址相距不遠(yuǎn)，對雨量觀測影響甚微，因此認(rèn)為流域觀測資料系列具有較好的完整性和一致性。

3 流域水沙特征

3.1 降水特性

羅玉溝流域多年平均降水量552.5 mm。降水量年際變化大，最大年(2003年)降水量841.4 mm，最小年(1997年)降水量378.2 mm，最大值是最小值的2.2倍。降水在年內(nèi)分配不均，汛期(5—10月)降水量455.1 mm，占年降水量的82.4%，7—9月降水量260.5 mm，占年降水量的47.1%。年內(nèi)各月降水量分布極不均勻(表1)，最大月降水量出現(xiàn)在8月，占年降水量的16.5%；其次是7、6月，分別占年降水量的16.4%、14.5%；最小月降水量出現(xiàn)在12月，僅占年降水量的0.9%。結(jié)合流域內(nèi)各雨量站多年平均降水量和各站點(diǎn)高程發(fā)現(xiàn)，隨高程增加降水量也有所增加，降水量最大值出現(xiàn)在流域上游的石山下站，最小值出現(xiàn)在高程最低的溝口站。從多場單次降水空間分布來看，羅玉溝流域的暴雨中心位于石山下—廖家陷—馬周—吊溝門一帶[5]。

表1 羅玉溝流域降水量年內(nèi)分配情況

3.2 徑流、泥沙特性

據(jù)1986—2010年溝口站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，羅玉溝多年平均徑流量為201.33萬m3，徑流模數(shù)為27 659 m3/km2。徑流在年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期，汛期徑流量169.81萬m3，占年徑流量的84.34%；最大月徑流量出現(xiàn)在8月，占年徑流量的22.95%；其次為7、10月，分別占年徑流量的18.09%和12.55%；最小月徑流量2.48萬m3，出現(xiàn)在12月。徑流年際變化也很大，最大年(1988年)徑流量為682.24萬m3，最小年(2010年)徑流量為13.57萬m3，最大值是最小值的50.28倍。

羅玉溝流域多年平均輸沙量為33.831萬t，輸沙模數(shù)4 648 t/(km2·a)。沙量在年內(nèi)集中，年際差異較大。流域侵蝕產(chǎn)沙過程主要集中在汛期的6個(gè)月，而汛期的輸沙量又往往集中于幾場大暴雨洪水過程中。年汛期輸沙量高達(dá)31.323萬t，占年輸沙量的92.6%，尤其是6—8月輸沙量24.196萬t，占年輸沙量的71.52%。最大月(8月)輸沙量11.424萬t，占年輸沙量的33.77%；最小月(12月)輸沙量0.009萬t，僅占年輸沙量的0.03%。沙量年際變化也很大，羅玉溝溝口站實(shí)測最大年(1988年)輸沙量為162.38 萬t，最小年(2010年)輸沙量為0.59萬t，最大值與最小值之比為275.2。羅玉溝流域徑流、泥沙年內(nèi)分配情況見表2。

表2 羅玉溝流域徑流、泥沙年內(nèi)分配情況

4 水沙關(guān)系分析

4.1 降水產(chǎn)流關(guān)系

點(diǎn)繪羅玉溝流域1986—2010年降水量與徑流量過程線(圖1)，徑流量變化趨勢與降水量變化基本一致。點(diǎn)繪年降水量-年徑流量、汛期降水量-年徑流量、有效降水量-年徑流量、次降水量-次洪水徑流量散點(diǎn)圖，進(jìn)行回歸分析，建立它們之間關(guān)系，見表3。由表3可以看出，年降水量-年徑流量、汛期降水量-年徑流量、有效降水量-年徑流量之間為線性關(guān)系，次降水量-次洪水徑流量之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，尤其是年降水量-年徑流量具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.765 0。

4.2 降水產(chǎn)沙關(guān)系

4.2.1 年降水產(chǎn)沙關(guān)系

1986—2010年羅玉溝流域各年輸沙量和降水量過程見圖2。從圖2可看出，一般年降水量大則年輸沙量也大，反之亦然。其中1993—1997、2008—2010年輸沙量呈遞減趨勢，這與降水量減少的趨勢基本一致，但輸沙量的減少趨勢較降水量更為顯著。分別點(diǎn)繪年降水量-年輸沙量、汛期降水量-年輸沙量、有效降水量-年輸沙量、次降水量-次洪水輸沙量散點(diǎn)圖，進(jìn)行回歸分析，建立它們之間的關(guān)系，見表4。從表4可以看出，汛期降水量-年輸沙量有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R為0.706 7，說明汛期降水量對年輸沙量的影響比較顯著。

圖1 羅玉溝流域1986—2010年降水量與徑流量過程線

表3 羅玉溝流域降水產(chǎn)流關(guān)系

圖2 羅玉溝流域1986—2010年降水量與輸沙量過程線

表4 羅玉溝流域降水輸沙關(guān)系

4.2.2 次降水輸沙關(guān)系

為進(jìn)一步研究次降水與侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)系，對1986—2010年羅玉溝流域各年典型次降水特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表5。從表5可以看出，次降水量20～60 mm的降雨出現(xiàn)次數(shù)最多，有18次，占總次數(shù)(26次)的69%；80～100 mm降雨時(shí)平均洪水徑流量和輸沙量最大，為145.4萬m3和44.8萬t；40～60 mm降雨時(shí)平均含沙量最高，為394.67 kg/m3。對次平均降水量-次洪水徑流量、次平均降水量-次洪水輸沙量、次洪水徑流量-次洪水輸沙量進(jìn)行回歸分析[6](表6)，結(jié)果表明：次平均降水量與次洪水徑流量、次洪水輸沙量之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；次洪水徑流量與次洪水輸沙量之間呈線性相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.988 3。

表5 1986—2010年羅玉溝流域典型次降水特征值

表6 羅玉溝流域次降水徑流泥沙關(guān)系

4.2.3 典型暴雨產(chǎn)沙特性

選擇羅玉溝流域4場典型暴雨(1987年4月19日、1988年8月7日、1999年8月17日、2001年6月15日)分析典型降雨侵蝕產(chǎn)沙過程，以及流域侵蝕產(chǎn)沙的空間差異性。4場典型暴雨特征見表7，洪水特征見表8。根據(jù)羅玉溝流域25年實(shí)測洪水資料統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)由暴雨所形成的洪水一般都呈現(xiàn)峰高、量小、歷時(shí)短的特點(diǎn)，且陡漲陡落，多為單峰。洪峰流量最大的是19880807和20010615洪水，實(shí)測值分別為584和552 m3/s。次洪水總歷時(shí)26.3～72 h，上漲歷時(shí)平均35 min左右，最短10 min，最長達(dá)80 min[7]。次洪徑流系數(shù)一般大于20%，比較典型的如20010615洪水的徑流系數(shù)高達(dá)49%[8]。

據(jù)流域典型洪水輸沙資料的統(tǒng)計(jì)分析，一次洪水總量可占年徑流總量的30%～40%，這對流域年徑流量來講影響并不十分顯著，但從次洪水的輸沙量來看，一次洪水的輸沙總量能占到年輸沙總量的60%以上。如1987年4月19日和1988年8月07日兩次洪水的徑流量分別占年徑流量的33%和39%，而次洪輸沙量則分別占年輸沙量的64%和60%，可見洪水輸沙量對流域年輸沙量的影響十分明顯。

4.2.4 徑流泥沙關(guān)系

點(diǎn)繪年徑流量-年輸沙量、汛期徑流量-年輸沙量、汛期徑流量-汛期輸沙量散點(diǎn)圖，進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表9。由表9可以看出，徑流與輸沙具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R均在0.85以上。

表7 羅玉溝流域4場典型暴雨特征值

表8 羅玉溝流域典型暴雨洪水輸沙特征統(tǒng)計(jì)

表9 羅玉溝流域徑流泥沙關(guān)系

5 主要結(jié)論

(1)羅玉溝流域降水年際、年內(nèi)變化大，時(shí)空分布不均。從空間分布上來說，流域暴雨中心位于石山下—廖家陷—馬周—吊溝門一帶。

(2)流域徑流年內(nèi)分配不均，全年徑流量主要集中在汛期的幾次洪水過程中。徑流在年際間變化很大，最大年徑流量是最小年徑流量的50.28倍。

(3)流域輸沙量在年內(nèi)集中，年際間差異較大。流域侵蝕產(chǎn)沙過程主要集中在汛期，而汛期的輸沙量又往往集中于幾場大暴雨洪水過程中。

(4)水沙關(guān)系中，流域年降水量與年徑流量呈線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.765 0；汛期降水量與年輸沙量呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.706 7；次洪水徑流量和次洪水輸沙量呈顯著線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.988 3；年徑流量與年輸沙量相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.908 1。

(5)次暴雨產(chǎn)生的洪水總量對流域年徑流總量影響不明顯，但次洪水輸沙量對流域年輸沙量的影響十分顯著。

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