基于環(huán)境變化的河流泥沙資料系列修正方法探討

井 涌

（陜西省水文水資源勘測(cè)局,陜西 西安 710068）

1 引言

陜西省黃河流域在2000 年后河流年輸入黃河的泥沙量較1979 年前，年均減少約2.5 億t[1～2]。實(shí)際工作及愈來(lái)愈多的研究發(fā)現(xiàn)：河流年輸沙量大量持續(xù)減少的原因是流域水沙產(chǎn)匯流環(huán)境條件已發(fā)生很大變化，降水等自然條件，尤其是其與大規(guī)模長(zhǎng)期持續(xù)的水土保持工程建設(shè)等人類活動(dòng)交互影響累積效應(yīng)，已改變了早期流域下墊面“原生態(tài)”高產(chǎn)水產(chǎn)沙的狀況，近期“現(xiàn)狀下墊面”低產(chǎn)水產(chǎn)沙的流域下墊面狀態(tài)已不可逆轉(zhuǎn)到其“原生態(tài)”狀況，早期“原生態(tài)”狀況下監(jiān)測(cè)的水沙數(shù)據(jù)資料，不再具有在近期“現(xiàn)狀下墊面”重現(xiàn)的基礎(chǔ)，應(yīng)將早期“原生態(tài)下墊面”監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)修正到近期“現(xiàn)狀下墊面”監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，才能使預(yù)測(cè)期的水沙數(shù)據(jù)在預(yù)測(cè)期下墊面狀況下“真實(shí)重現(xiàn)”，也才具有實(shí)際工作中的應(yīng)用價(jià)值[3～13]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于泥沙資料系列修正方法仍處于初步探討階段。彭瑞善2012 年提出,進(jìn)入河流泥沙減少的趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的，必須根據(jù)下墊面的變化情況進(jìn)行修正,才能作為河流治理規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)和管理運(yùn)用的依據(jù)[14～16]。2016 年彭瑞善提出采用不同時(shí)段徑流系數(shù)、產(chǎn)沙系數(shù)的比值作為修正系數(shù)，并對(duì)汛期沙量的修正系數(shù)乘以暴雨地區(qū)參數(shù)，來(lái)修正大沙年的水沙量[15]；毛世民等試用“年遞減因數(shù)”修正含沙量與徑流量乘冪相關(guān)的模式，取得含沙量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好的效果[16]。存在的問(wèn)題是產(chǎn)沙系數(shù)（是指時(shí)段單位降水量所產(chǎn)生的輸沙量）中的降水量，不能反映相同或相似降水（或同量級(jí)降水）在不同時(shí)段相應(yīng)下墊面狀況下的產(chǎn)輸沙情況，只是對(duì)各時(shí)段平均降水量所產(chǎn)生的平均輸沙量的修正，沒(méi)有直接與各時(shí)段下墊面狀況關(guān)聯(lián)；理論上講，含沙量與徑流量并無(wú)很緊密的物理成因關(guān)系，因而建立的乘冪相關(guān)公式，或者與實(shí)際不符，或者因所需數(shù)據(jù)量大而難于取得等問(wèn)題，過(guò)于繁瑣不便在實(shí)際工作中應(yīng)用。本文分析選取反映降水和人類活動(dòng)影響產(chǎn)沙下墊面綜合特征的一個(gè)綜合指標(biāo)“年輸沙模數(shù)”，提出年輸沙模數(shù)修正系數(shù)法的“下墊面一致性還現(xiàn)”修正操作方法，采用同量級(jí)降水在各時(shí)段不同下墊面狀況下輸沙模數(shù)的衰減系數(shù)來(lái)計(jì)算大水年份的輸沙量修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了泥沙資料系列保持較好的產(chǎn)匯沙量機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律的現(xiàn)狀下墊面“一致性”，以其為實(shí)際工作中的簡(jiǎn)化操作提供參考。

2 修正期分析

河流懸移質(zhì)泥沙年輸沙量資料序列的一致性綜合反映降水等氣候條件，及其與人類活動(dòng)交互影響流域下墊面水沙產(chǎn)匯流環(huán)境條件的變化。分析選取修正期就是尋找長(zhǎng)系列資料是否存在早期“原生態(tài)下墊面”監(jiān)測(cè)的高產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)據(jù)短系列，本文采用點(diǎn)繪懸移質(zhì)泥沙年輸沙模數(shù)、年輸沙量單累積曲線，及它們分別與年降水量雙累積曲線的方法，分析判斷早期高產(chǎn)水沙“原生態(tài)下墊面”與近期低產(chǎn)水沙“現(xiàn)狀下墊面”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（年），并將早期高產(chǎn)水沙“原生態(tài)下墊面”選為“下墊面需修正”的修正期。覆蓋陜西全境河流選用140 個(gè)1956 年～2012 年實(shí)測(cè)泥沙資料在20 年以上的水文站來(lái)綜合歸納分析[7]。

2.1 實(shí)測(cè)年輸沙量系列的還原計(jì)算

在對(duì)水沙系列資料進(jìn)行“下墊面一致性”修正之前，首先應(yīng)考慮人類活動(dòng)直接間接截留、消耗流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量，以確保水文站斷面當(dāng)年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如數(shù)反映流域產(chǎn)匯流實(shí)況不失真，則需要把這些量加給水文站斷面的實(shí)測(cè)值，即“還原”到水文站監(jiān)測(cè)斷面以上當(dāng)年“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)量的“真實(shí)”情況。這就需要首先逐年進(jìn)行當(dāng)年人類活動(dòng)直接間接截留、消耗流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量的計(jì)算，其次再分析確定是否需要進(jìn)行資料系列保持“現(xiàn)狀下墊面”狀況一致性的“下墊面一致性還現(xiàn)”修正。

河川徑流與泥沙的產(chǎn)生都是獨(dú)立的隨機(jī)事件，雖然兩者都受人類活動(dòng)影響，但相對(duì)而言泥沙受人類活動(dòng)時(shí)空分布的不確定性和不均勻性干擾更重一些。人類社會(huì)直接間接消耗的河水量除了一小部分又回歸到河道內(nèi)，大部分通過(guò)蒸騰蒸發(fā)，產(chǎn)品帶走等消耗不再存留在產(chǎn)水流域體內(nèi)，然而不論是流域內(nèi)興建的水利工程、水保工程及土地開(kāi)發(fā)利用工程等建設(shè)活動(dòng)，直接間接引水引沙、截留、攔蓄泥沙，還是開(kāi)礦、修路和城市化建設(shè)棄土棄渣等人為增加河道輸沙，淤積在流域內(nèi)的泥沙，都將在一定時(shí)期內(nèi)滯留流域，等到突發(fā)某種情況（如：一場(chǎng)特大暴雨洪水）又分一次或多次匯入輸入河流，輸出水文監(jiān)測(cè)斷面，即泥沙事件的發(fā)生在其天然規(guī)律之上又疊加了人類造成的可能的“零存整取”或“整存整取”事件。人類活動(dòng)造成泥沙產(chǎn)生的這種時(shí)空分布上的不均勻性和不確定性，使流域天然獨(dú)立的產(chǎn)沙機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律發(fā)生了改變，從這個(gè)角度講，一般不宜對(duì)水文站實(shí)測(cè)泥沙資料系列中缺測(cè)的年份進(jìn)行插補(bǔ)或延長(zhǎng)。

現(xiàn)有的資料條件，尤其對(duì)水保措施，很難分類逐項(xiàng)將人類活動(dòng)造成流域產(chǎn)匯沙量的時(shí)程分布，進(jìn)行定量的當(dāng)年還原分析計(jì)算。應(yīng)該將有監(jiān)測(cè)資料的河道引水引沙、庫(kù)壩等人類工程直接截留、攔蓄的沙量，河道淤積沙量等，按時(shí)程分布還原計(jì)算到相應(yīng)的水文監(jiān)測(cè)斷面，必須最大可能分析還原計(jì)算水文站監(jiān)測(cè)斷面以上當(dāng)年“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)沙數(shù)量的“真實(shí)”情況。對(duì)于梯田、造林、種草等水保工程，以及前述當(dāng)年“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)沙數(shù)量“真實(shí)”還原計(jì)算不足及缺失的部分，因?yàn)樗羞@些人類活動(dòng)的影響已在水文站實(shí)測(cè)泥沙數(shù)據(jù)中得到了綜合反映，水文站沒(méi)有測(cè)到的當(dāng)年流域產(chǎn)泥沙量，仍然滯留在流域內(nèi)累積造就流域下墊面的漸次改變，這種累積效應(yīng)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)，漸次累積到一定程度就會(huì)對(duì)流域產(chǎn)匯泥沙系列產(chǎn)生顯著影響，這樣就可以一并通過(guò)“下墊面一致性還現(xiàn)”修正來(lái)解決。

本文將收集到有監(jiān)測(cè)資料的直接攔截或引水引沙減少了相應(yīng)水文監(jiān)測(cè)斷面以上流域產(chǎn)沙量的154 個(gè)大中型水庫(kù)淤積量和3 條渠道引水引沙量，按發(fā)生時(shí)段逐年分析還原計(jì)算給相應(yīng)140 個(gè)水文站當(dāng)年實(shí)測(cè)泥沙值，形成逐年逐月還原人類社會(huì)當(dāng)年截留滯蓄流域泥沙后的“當(dāng)年天然泥沙資料系列”數(shù)據(jù)，并對(duì)此數(shù)據(jù)系列進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，進(jìn)一步分析下墊面等環(huán)境因素是否對(duì)其系列產(chǎn)生了影響。

2.2 泥沙資料序列一致性檢驗(yàn)及修正期選取

點(diǎn)繪140 個(gè)水文站各站懸移質(zhì)泥沙年輸沙模數(shù)、年輸沙量的單雙累積曲線結(jié)果：140 個(gè)站全部發(fā)生了早期高產(chǎn)沙“原生態(tài)下墊面”與近期低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（年），長(zhǎng)江、黃河流域分別多發(fā)生在1982 年和1970 年前后，其中黃土高原區(qū)43 站中有40 年以上實(shí)測(cè)資料系列的25 站發(fā)生在1970 年前后，與其它相關(guān)研究成果基本一致[9～12]。以黃土高原區(qū)橫山站為例見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 橫山站年輸沙量累積曲線圖

圖2 橫山站年輸沙模數(shù)累積曲線圖

累積曲線圖顯示：橫山站在1971 年發(fā)生了早期人類活動(dòng)影響微弱的“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期，向近期人類活動(dòng)不斷加劇等環(huán)境變化造成的低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”的轉(zhuǎn)折，1971 年后又發(fā)生了1984 和1997 年2 次累積曲線斜率的明顯變化，其中1984 年～1997 年又出現(xiàn)了一個(gè)“現(xiàn)狀下墊面”下的相對(duì)小高產(chǎn)沙期。因此，選取1956 年～1970 年為早期“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙修正期，1984 年～1997 年為“現(xiàn)狀下墊面”需向更近期的1998 年～2012 年更低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”修正的修正期。橫山站是一個(gè)復(fù)雜的例子，其它站出現(xiàn)的情況或只有一個(gè)“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期，而有一個(gè)“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期加1 個(gè)或多個(gè)更近期低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”期的情況都是可能的，需具體分析選擇需要修正的修正期。

3 輸沙模數(shù)系數(shù)修正法與成果檢驗(yàn)

3.1 早期“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙修正

圖1、圖2 顯示1971 年轉(zhuǎn)折前后兩個(gè)系列明顯系統(tǒng)性偏大偏小，調(diào)查確認(rèn)在轉(zhuǎn)折年前后流域內(nèi)有持續(xù)大規(guī)模水保等強(qiáng)人類活動(dòng)擾動(dòng)下墊面的物理成因，采用輸沙模數(shù)系數(shù)修正法將轉(zhuǎn)折前1956 年～1971 年高產(chǎn)沙年修正到1972 年～1983年“現(xiàn)狀下墊面”低產(chǎn)沙狀況。其操作步驟[6～13]：點(diǎn)繪轉(zhuǎn)折年前后年降水量與年輸沙模數(shù)關(guān)系曲線于同一張圖上（圖3）；選定一個(gè)年降水量值，在兩條曲線上分別查出“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期的年輸沙模數(shù)Ms1，和“現(xiàn)狀下墊面”低產(chǎn)沙期的年輸沙模數(shù)Ms2，用公式α=（Ms1-Ms2）/Ms1·100%和β=Ms2/Ms1計(jì)算年輸沙模數(shù)衰減率α和修正系數(shù)β；制作年降水量P-年輸沙模數(shù)衰減率α-修正系數(shù)β表1；繪制P-β關(guān)系曲線圖4；按需修正年份的年降水量，查取P-β關(guān)系曲線上修正系數(shù)，乘以需修正年份的當(dāng)年“天然”年輸沙模數(shù)，即可求得相應(yīng)年修正后的年輸沙模數(shù)。

圖3 橫山站年降水量與年輸沙模數(shù)關(guān)系曲線圖

表1 橫山站年降水量-年輸沙模數(shù)衰減率-修正系數(shù)表

圖4 橫山站年降水量與年輸沙模數(shù)修正系數(shù)β關(guān)系曲線圖

3.2 “現(xiàn)狀下墊面”向更近期“現(xiàn)狀下墊面”修正

1984 年～1997 年“現(xiàn)狀下墊面”向更近期的1998 年～2012 年更低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”的修正，用1998 年～2012 年更低產(chǎn)沙期的年降水與年輸沙模數(shù)曲線擬合關(guān)系修正。若有多個(gè)此種情況，以此類推。

需注意，不是將所有修正期的數(shù)據(jù)都修正，原則上只修正那些大水大沙年份的數(shù)據(jù)。修正是一個(gè)試算過(guò)程，需同時(shí)兼顧修正后單雙累積曲線的斜率順直程度，以及修正后年降水量與年輸沙模數(shù)的相關(guān)系數(shù)提高情況，也不能片面追求相關(guān)系數(shù)很高，事實(shí)上年輸沙模數(shù)與年降水量的相關(guān)關(guān)系客觀上受過(guò)多復(fù)雜因子影響并不良好。

3.3 成果檢驗(yàn)

點(diǎn)繪修正后1956 年～2012 年系列年降水輸沙模數(shù)雙累積曲線和年輸沙模數(shù)單累積曲線圖（圖1～圖2），修正前后系列年降水與年輸沙模數(shù)關(guān)系曲線對(duì)照?qǐng)D5。從累積線變成近直線、相關(guān)系數(shù)由0.06到0.24的較大提高，均可說(shuō)明修正后序列保持了較好的一致性。修正前后長(zhǎng)短系列年輸沙模數(shù)均值變化對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 橫山站修正前后長(zhǎng)短系列年輸沙模數(shù)均值變化對(duì)比表 單位：t/km2

圖5 橫山站年降水與年輸沙模數(shù)修正前后關(guān)系曲線對(duì)照?qǐng)D

4 結(jié)論

建立在年輸沙模數(shù)修正系數(shù)基礎(chǔ)上的修正方法，初步探討了實(shí)現(xiàn)早期高產(chǎn)水沙“原生態(tài)下墊面”向低產(chǎn)水沙的“現(xiàn)狀下墊面”狀態(tài)的“重現(xiàn)”轉(zhuǎn)換，使修正后的泥沙資料系列保持較好的“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)匯沙量機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律的一致性。如果有資料將各類人類活動(dòng)措施定量化，并與其同步的輸沙模數(shù)與降水特征建立關(guān)聯(lián)，就可參考用于預(yù)測(cè)未來(lái)流域人類活動(dòng)，尤其是生態(tài)環(huán)境治理措施的治理效果。