黃河粗泥沙集中來源區(qū)洪水泥沙階段變化研究

高亞軍，徐十鋒，呂文星，徐建華

(黃河水文水資源科學(xué)研究院，河南 鄭州 450004)

黃河之患，患在泥沙；泥沙之禍，根在粗沙。減少黃河泥沙，特別是減少黃河中游1.88萬km2粗泥沙集中來源區(qū)中的粗泥沙，是維持黃河健康生命、實現(xiàn)黃河長治久安的治本之策。經(jīng)多年研究，黃河粗泥沙集中來源區(qū)是控制入黃粗泥沙的重點區(qū)域。自徐建華等[1]提出黃河粗泥沙集中來源區(qū)以來，大量學(xué)者針對該區(qū)進行了研究，比如：趙力毅等[2]對該區(qū)產(chǎn)沙規(guī)律進行了綜述；郭玉濤等[3]基于WebGIS技術(shù)對該區(qū)進行了電子地圖系統(tǒng)研究，高云飛等[4]對該區(qū)地形因子進行了研究；趙幫元等[5]基于數(shù)字高程模型、衛(wèi)星影像、電子地圖及有關(guān)研究成果，分析了該區(qū)支流內(nèi)上中下游、左右岸在坡度、溝壑密度、治理措施、土壤抗蝕性等方面的差異；鄭新民[6]和王俊峰[7]分別進行了該區(qū)治理問題和工程規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究；汪麗娜等[8]根據(jù)1960—1999年徑流和輸沙資料分析了該區(qū)水沙變化特征及趨勢性。考慮到從暴雨洪水的角度對該區(qū)洪水泥沙進行階段分析還未見報道，本研究通過Pettitt檢定法將各支流劃分為早期、中期和近期三個時段，通過分析各時段場次降雨洪水輸沙關(guān)系，定量評價了中期和近期的減洪和減沙量，為進一步定量評價下墊面水利水保措施的作用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)治理提供了技術(shù)支撐。

1 黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)基本情況

黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)是指泥沙粒徑≥0.10 mm且粗泥沙輸沙模數(shù)≥1 400 t/(km2·a)的區(qū)域，其面積為1.88萬km2，占黃河中游多沙粗沙區(qū)面積7.86萬km2的23.9%，但產(chǎn)生的粒徑大于0.05和0.10 mm的粗泥沙量分別占多沙粗沙區(qū)相應(yīng)粒級產(chǎn)沙量的47.6%和68.5%，占黃土高原地區(qū)相應(yīng)粒級產(chǎn)沙量的34.5%和54.0%。

黃河中游粗泥沙集中來源區(qū)是名副其實的產(chǎn)粗泥沙“大戶”，也是當(dāng)前黃河粗泥沙“源頭”治理的重中之重。該區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)和第二副區(qū)，在黃河中游呈“品”字形分布，涉三大片，一片分布在皇甫川至佳蘆河區(qū)間，一片分布在無定河支流的蘆河、大理河、延河和清澗河上游一帶，還有一片分布在無定河下游，共涉及11條支流[1]。該區(qū)面積大且連續(xù)部分面積逾1 000 km2的主要水系有皇甫川、孤山川、窟野河、禿尾河和佳蘆河。

2 研究資料與方法

2.1 降雨洪水泥沙資料的處理

降水洪水泥沙資料采用水文年鑒中的年降水量、年輸沙量、年徑流量、降水要素摘錄表、洪水要素摘錄表等水文氣象資料。

(1)整理各支流入黃控制站建站至2016年洪水水文要素摘錄表資料。由于洪水水文要素中含沙量資料明顯少于流量資料，因此按線性內(nèi)插方法插補含沙量，使每一個流量都有對應(yīng)的含沙量；將相同時刻的流量和含沙量相乘，即可得到相同時刻的輸沙率。

(2)根據(jù)整理好的洪水水文要素資料按照一定標準挑選洪水。判斷每場洪水的起訖時間，繪制洪水過程線。

(3)統(tǒng)計次洪洪峰流量、峰現(xiàn)時間、起漲時間、退水時間等。

(4)采用面積包圍法計算各場次洪水的徑流量、輸沙量等特征值。

(5)降水量的獲取是按照洪水發(fā)生時間選擇單站對應(yīng)的場次暴雨量，各支流面平均雨量的獲取是采用繪制等值線圖(按5、10、25、50、100、150 mm等不同等級間隔)的方法進行量算獲取。

2.2 Pettitt檢定法

Pettitt檢定法是在1979年提出的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[9]。它是根據(jù)時間序列資料找出突變點，檢定該點前后段資料之累計分布函數(shù)是否有顯著的差異，其核心是通過統(tǒng)計的方法檢驗時間序列要素均值發(fā)生跳躍性變化的確切時間，本質(zhì)是檢驗兩個樣本是否屬于同一總體[9]。假設(shè)T為序列資料長度，先假設(shè)序列中最可能的變化點為t時刻，因此考慮將該序列資料分成X1，X2，…，Xt和Xt + 1，Xt+ 2，…，XT前后兩部分[9]。Pettitt定義一指標為[9]

(1)

可由|Ut|的最大值來確定可能發(fā)生突變的累計幾率P[9]為

(2)

當(dāng)累計幾率P<0.95時，表示未發(fā)生突變現(xiàn)象；當(dāng)P≥0.95時，表示存在顯著突變點；當(dāng)P≥0.99時，表示存在極顯著突變點[9]。

3 結(jié)果分析

3.1 支流篩選

本次重點支流的選擇標準：一是考慮粗泥沙集中來源區(qū)涉及的支流，二是具有水文站控制的較大支流，三是能夠代表不同地貌單元和下墊面植被類型的支流。粗泥沙集中來源區(qū)共涉及11條支流，其中有水文站控制的有皇甫川、窟野河、禿尾河、佳蘆河、大理河、孤山川、清澗河和延河8條支流，考慮到清澗河支流在粗泥沙集中來源區(qū)中所占面積相對較小，本次支流分析沒有入選，最終確定了本次研究的典型支流包括位于產(chǎn)沙劇烈變化區(qū)域的皇甫川、窟野河、孤山川、禿尾河、佳蘆河、大理河(均為丘一區(qū))及位于植被恢復(fù)顯著區(qū)域的延河(丘二區(qū))共7條支流，基本能夠代表粗泥沙集中來源區(qū)。

3.2 時段劃分

為了消除降雨因素的影響，選取年徑流系數(shù)(年徑流量/年降雨量)和年產(chǎn)沙模數(shù)(年輸沙量/年降雨量)為判定因子，以年徑流系數(shù)和年產(chǎn)沙模數(shù)最早發(fā)生突變的年份作為早期突變點，在早期突變點之后，將再次判定出的突變點作為近期突變點，據(jù)此把每條支流分別劃分為早期、中期和近期三個時段。以皇甫川為例，判定過程見圖1、2。其他支流也按此方法進行檢定劃分。

圖1 皇甫川年徑流系數(shù)變化趨勢的Pettitt檢定

圖2 皇甫川年產(chǎn)沙模數(shù)變化趨勢的Pettitt檢定

按照支流突變點辨析結(jié)果，確定了各支流的中期及近期時段。從近期時段來說，幾條支流多發(fā)生在1999年黃土高原各地陸續(xù)實施退耕還林還草和封山禁牧政策后，退耕后的土地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸?，水土保持效果顯著。近期突變點發(fā)生最早的是禿尾河(1998年)，最晚的是延河(2005年)。各典型支流年代劃分結(jié)果見表1。

表1 各典型支流年代劃分

3.3 場次洪水選取

以某支流入黃控制站建站以來年最大一場洪峰流量多年平均值為標準，各年大于均值的洪水全部入選，小于均值年每年選最大一場洪水入選，即保證每年至少有一場洪水入選。經(jīng)初步統(tǒng)計，選取各支流總計486場洪水，其中早期、中期和近期分別為232、157和97場。各典型支流洪水入選場次結(jié)果見表2。

表2 各典型支流洪水入選場次

3.4 洪水變化特征分析

以皇甫川為例，通過建立支流控制站不同時段次洪徑流量與次洪降雨量、次洪輸沙量與次洪降雨量關(guān)系曲線(見圖3、4)，以斜率的變化反映不同時段相同降雨量對應(yīng)的產(chǎn)洪和產(chǎn)沙量。其余支流分析方法同皇甫川。

圖3 皇甫站次洪徑流量與次洪降雨量關(guān)系

圖4 皇甫站次洪輸沙量與次洪降雨量關(guān)系

在所分析的皇甫川等支流中，同早期下墊面相比，總體相同的次洪面雨量產(chǎn)生的次洪徑流量有所減少，中期和近期分別平均減少了32.0%和77.2%；相同的次洪面雨量產(chǎn)生的次洪輸沙量也有所減少，中期和近期分別平均減少了40.5%和91.5%。從圖5、6可以看出，與早期下墊面相比，中期相同降雨產(chǎn)生的次洪徑流量減少比例為24.1%～59.2%，減少最多的是佳蘆河流域，最少的是皇甫川流域；近期相同降雨產(chǎn)生的次洪徑流量減少比例為48.2%～84.3%，減少最多的是窟野河流域，最少的是大理河流域；中期相同降雨產(chǎn)生的次洪輸沙量減少比例為35.1%～69.0%，減少最多的是佳蘆河流域，最少的是皇甫川流域；近期相同降雨產(chǎn)生的次洪輸沙量減少比例為64.2%～97.5%，減少最多的是窟野河流域，最少的是大理河流域。

圖5 各支流不同時段相同降雨次洪徑流量變化

圖6 各支流不同時段相同降雨次洪輸沙量變化

從上述圖表還可以看出，與早期下墊面相比，除了佳蘆河支流，其他支流在相同降雨條件下的次洪徑流量減少比例均為近期大于中期；除了禿尾河和佳蘆河中期徑流量減少比例達到40%以上，其余支流均在30%左右；近期徑流量減少比例窟野河和孤山川高達80%以上，皇甫川、禿尾河和延河達到65%以上，佳蘆河和大理河在50%左右。在研究的支流中，與早期下墊面相比，相同降雨條件下的次洪輸沙量減少比例均為近期大于中期，且中期輸沙量減少比例孤山川、禿尾河和佳蘆河均達到50%以上，其余支流在40%左右；除大理河、佳蘆河以外，其余支流近期輸沙量減少比例均在80%以上，部分支流達到90%以上。

從研究區(qū)來看，與早期下墊面相比，由于各支流下墊面條件不一致，因此中期和近期所表現(xiàn)出來的減水減沙比例不盡相同?？傮w上，次洪徑流量中期減少1/3，近期減少3/4；次洪輸沙量中期減少2/5、近期減少9/10以上。

4 結(jié) 語

(1)利用Pettitt檢定法，為進一步消除降雨因素對不同時段劃定的影響，選取年徑流系數(shù)和年產(chǎn)沙模數(shù)為判定因子，可以較唯一地反映出研究區(qū)各支流早中近期不同時段的轉(zhuǎn)折點，這一時段的劃分與各支流下墊面治理程度關(guān)系密切。

(2)各支流按照其建站以來最大一場洪峰流量多年平均值為標準，每年至少選取一場洪水，既保證了大洪水事件入選，同時也照顧到了個別年份小洪水入選，保證了系列資料年份的連續(xù)性。從早中近期三個時段入選的場次洪水?dāng)?shù)量來看，洪水發(fā)生次數(shù)表象似乎有所減少，但個別支流發(fā)生大洪水的現(xiàn)象依然存在。

(3)從研究區(qū)總體來看，隨著流域下墊面的進一步治理，與早期下墊面相比，中期和近期減沙幅度大于減洪幅度，近期減幅大于中期減幅，減洪幅度從中期的1/3增加到近期的3/4，減沙幅度從中期的2/5增加到近期的9/10以上。但是我們在看到中期、近期減洪減沙效果顯著的同時，也發(fā)現(xiàn)了流域在遇到短歷時高強度大暴雨時水利水保措施攔蓄能力的脆弱性，如遇到近年來發(fā)生的“7·26”無定河大暴雨和佳蘆河流域“7·27”高強度暴雨，減水減沙作用仍有限[10-11]。