典型對比小流域降水特征及其對徑流泥沙的影響
——以南小河溝流域為例

袁 靜，郜文旺，袁文博

(黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局，甘肅 慶陽 745000)

流域水沙關(guān)系是流域降水與下墊面相互作用的結(jié)果，是一個復(fù)雜的物理過程[1-2]。在諸多影響水土流失的因素中，降水量是影響徑流形成的重要因素，降水和徑流二者時空特征的改變勢必造成流域水沙關(guān)系的變化，但僅從降水量多少來判斷是否產(chǎn)生侵蝕或者產(chǎn)生多少侵蝕是不可靠的，土地利用變化也是其中十分重要的方面[3]。本研究基于小流域平行對比觀測法[4]，以南小河溝流域中楊家溝、董莊溝兩條小流域為主要研究對象，研究黃土高塬溝壑區(qū)小流域高度治理對流域地表徑流的作用和影響，從既典型又簡易處著手，有利于深入了解水土保持對流域徑流輸沙的影響機理、特點及規(guī)律，希望能為轉(zhuǎn)換到更大尺度開展類似研究奠定基礎(chǔ)和提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

楊家溝和董莊溝小流域位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)境內(nèi)(圖1)，是黃土高塬溝壑區(qū)南小河溝流域內(nèi)的兩條小支溝。兩條小流域多年平均降水量546.9 mm，5—9月降水量420.3 mm，占全年的76.9%；年均氣溫9.3 ℃，最高氣溫39.6 ℃，最低氣溫-22.6 ℃；年均無霜期155 d，年均蒸發(fā)量1 474.6 mm，干燥度1.6。其中：楊家溝小流域面積1.01 km2，自1952年開始，基本上是按照“全面規(guī)劃、集中治理、連續(xù)治理、溝坡兼治、治坡為主”“工程措施與生物措施相結(jié)合”的方針，經(jīng)過多年的綜合治理，農(nóng)林牧均有較大發(fā)展；董莊溝小流域面積1.12 km2，一直處于自然恢復(fù)狀態(tài)。

圖1 研究區(qū)位置示意

2 研究內(nèi)容

(1)主要降水特征及其時空變化。分析2005—2018年流域降水量特征指標(biāo)在年際、年內(nèi)、月際、汛期等時間尺度上的分配與變化。

(2)降水及地表徑流的年際變化特征。遴選與流域水沙變化關(guān)系密切的主要降水特征指標(biāo)，分析不同時間尺度下流域產(chǎn)流產(chǎn)沙對典型降水特征指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系，明確不同降水條件下的流域產(chǎn)流產(chǎn)沙基本特征。

(3)典型降水過程洪水徑流過程分析。結(jié)合流域下墊面情況，分析典型降水過程中兩個對比流域徑流特征值的變化。

3 研究方法

(1)基于兩條流域2005—2018年3個雨量站的逐日降水觀測資料，在計算不同降水特征指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計學(xué)方法確定不同降水特征指標(biāo)的時空變化。

(2)基于兩條流域2007—2018年的實測資料，根據(jù)不同時間尺度下兩個對比流域降水、徑流的相互關(guān)系，采用雙累積曲線、統(tǒng)計模擬、綜合歸因等方法[5-6]，確定不同下墊面特征時段內(nèi)降水對流域水沙變化的貢獻(xiàn)及其作用機制。

(3)選取不同年份的典型降水過程，利用統(tǒng)計學(xué)原理，確定降水對兩條流域洪水徑流過程的影響。

4 結(jié)果與分析

4.1 流域降水特征分析

4.1.1 多年平均月降水特征

由圖2可知，楊家溝、董莊溝兩條小流域2005—2018年降水主要集中在5—9月，分別占兩條流域年降水量的76.53%、77.28%。其中，楊家溝小流域7、8、9月平均降水量分別為109.8、93.9、90.2 mm，分別占全年降水量的20.71%、17.71%、17.02%；董莊溝小流域7、8、9月平均降水量分別為112.3、94.4、91.6 mm，分別占全年降水量的21.30%、17.90%、17.37%。這說明楊家溝和董莊溝兩條小流域降水分布季節(jié)性均較為明顯。

圖2 兩條小流域2005—2018年多年平均月降水量分布

4.1.2 年降水量和汛期降水量變化特征

楊家溝小流域年均降水量為530. 3 mm，年降水量最大值為657.2 mm(2011年)，最小值為426.8 mm(2009年)，汛期平均降水量為476.4 mm。董莊溝小流域年均降水量為527.3 mm，年降水量最大值為648.0 mm(2011年)，最小值為418.3 mm(2008年)，汛期平均降水量為475.7 mm。

兩條小流域年降水量和汛期降水量年際變化見圖3、4。由圖3、4可知，2005—2018年兩條流域歷年降水量在年際間均存在一定波動，其中2011、2013、2017、2018年為豐水年，其他年份降水量相對偏少。同時，通過對比2005—2018年兩條流域歷年年降水量和汛期降水量可以看出，二者的變化趨勢基本一致，其中年均降水量相差僅3.0 mm，汛期平均降水量相差僅0.7 mm。

圖3 兩條小流域年降水量年際變化

圖4 兩條小流域汛期降水量年際變化

4.1.3 年產(chǎn)流降水量的變化

以楊家溝和董莊溝小流域的降水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，詳見圖5。楊家溝小流域年平均產(chǎn)流降水量為211.0 mm，董莊溝小流域為268.6 mm，楊家溝比董莊溝少21.4%，尤其2017年相差最多，達(dá)到208.7 mm。在觀測的14年中，楊家溝小流域有9年的年產(chǎn)流降水量小于董莊溝，占全部觀測年份的64.3%，可見大部分年份，楊家溝小流域的年產(chǎn)流降水量明顯少于董莊溝。

圖5 兩條小流域產(chǎn)流降水量年際變化

4.2 徑流輸沙特征變化及其與降水的關(guān)系

4.2.1 年徑流量和年輸沙量特征

根據(jù)董莊溝、楊家溝小流域的實測資料統(tǒng)計，在降水量基本相同的情況下，楊家溝的多年平均徑流量為0.126萬m3，多年平均徑流模數(shù)為0.124 m3/km2，多年平均輸沙量為120.0 t，多年平均侵蝕模數(shù)為138.61 t/(km2·a)；董莊溝的多年平均徑流量為0.935萬m3，多年平均徑流模數(shù)為0.834 m3/km2，多年平均輸沙量為1 620 t，多年平均侵蝕模數(shù)為1 428.36 t/(km2·a)。

4.2.2 年產(chǎn)流次數(shù)的變化

根據(jù)兩條小流域2007—2018年的觀測資料進(jìn)行對比分析(圖6)，可以看出二者的降雨產(chǎn)流次數(shù)具有明顯的差別。在年均降水量差別不大的情況下,楊家溝小流域多年平均產(chǎn)流5.0次,董莊溝小流域多年平均產(chǎn)流7.0次，楊家溝比董莊溝少28.6%。

圖6 兩條小流域產(chǎn)流次數(shù)年際變化

4.2.3 年產(chǎn)流量、輸沙量的變化

根據(jù)實測資料統(tǒng)計，在降水量基本相同的情況下，治理后楊家溝比董莊溝蓄水量增加0.680 m3/km2，泥沙量減少1 289.75 t/km2，楊家溝水土保持措施的蓄水效益為60.0%，攔沙效益達(dá)到66.7%。與董莊溝相比，楊家溝徑流模數(shù)與輸沙模數(shù)均較小，在年降水量及汛期降水量變差系數(shù)相差不大的情況下，楊家溝的徑流模數(shù)和輸沙模數(shù)的變差系數(shù)分別為0.960和1.903，而董莊溝則分別為0.926和1.249。這說明，小流域經(jīng)過治理后，其徑流和泥沙的年際變化及年際差異增大，水土流失綜合治理對輸沙量影響顯著。由圖7可以看出，楊家溝、董莊溝小流域盡管同為南小河溝流域的子流域，地理位置接近，降雨量基本一致，但徑流模數(shù)差異卻較大，董莊溝小流域的徑流模數(shù)在部分年份達(dá)到了楊家溝小流域的118倍。由圖8可以看出，兩流域的輸沙模數(shù)與徑流模數(shù)成正相關(guān)，徑流模數(shù)基本決定輸沙模數(shù)的變化。但是，在徑流高位運行的情況下，沒有經(jīng)過人工治理的董莊溝小流域輸沙模數(shù)偏高，平均輸沙模數(shù)是楊家溝的13.5倍，且董莊溝輸沙模數(shù)曲線波動較楊家溝大。徑流模數(shù)及輸沙模數(shù)等水文數(shù)據(jù)能直接反映水土流失情況，說明不進(jìn)行水土流失治理的小流域蓄水保土效益明顯較治理小流域差。

注：兩條小流域汛期降水量相近，以楊家溝小流域汛期降水量制圖，下同圖7 兩條小流域汛期降水量及徑流模數(shù)年際變化

圖8 兩條小流域汛期降水量及侵蝕模數(shù)年際變化

4.2.4 流域徑流、輸沙與降水的關(guān)系

點繪2007—2018年累計汛期降水量-累計徑流量、累計汛期降水量-累計輸沙量的散點圖(圖9、圖10)，進(jìn)行回歸分析，建立它們之間關(guān)系，結(jié)果見表1。由表1可以看出，累計汛期降水量-累計徑流量、累計汛期降水量-累計輸沙量之間為冪函數(shù)關(guān)系，尤其是董莊溝累計汛期降水量-累計徑流量具有較好的相關(guān)性，判定系數(shù)為0.961。

圖9 汛期降水量-年徑流量雙累計曲線

圖10 汛期降水量-年輸沙量雙累計曲線

表1 兩條小流域降水與徑流、泥沙關(guān)系

4.3 典型降水過程小流域洪水徑流特征

選取楊家溝和董莊溝小流域2007—2018年9次典型降水過程洪水徑流特征進(jìn)行分析(表2)，結(jié)果表明：楊家溝小流域攔蓄暴雨效益提高了9.96%～99.58%，平均為62.80%，經(jīng)過治理的楊家溝流域攔蓄暴雨的能力明顯高于自然狀態(tài)的董莊溝流域；從徑流系數(shù)看，未治理的董莊溝平均徑流系數(shù)為楊家溝的7.8倍，楊家溝平均能攔蓄典型次降水量的99.21%(變化于95.10%～99.97%)，而董莊溝流域能攔蓄93.83%(變化于80.76%～99.93%)；在相近降水條件下，楊家溝次徑流量變化明顯大于董莊溝，楊家溝次徑流模數(shù)的變異系數(shù)為2.28，是董莊溝的1.68倍，這表明水土流失治理使地表徑流變化劇烈；楊家溝、董莊溝平均洪水歷時分別為14.62、35.65 h，這表明水土流失治理可以縮短小流域洪水歷時，減輕水土流失災(zāi)害。

表2 典型降水過程小流域洪水徑流特征

5 結(jié)論與討論

依據(jù)南小河溝流域中兩條對比小流域楊家溝小流域(治理)及董莊溝小流域(未治理)2005—2018年的實測降水資料及2007—2018年的實測徑流泥沙資料，進(jìn)行了統(tǒng)計及對比分析，研究表明：

(1)兩流域的降水分布季節(jié)性較為明顯，都集中在7—9月份，降水量變化趨勢基本一致，年均降水量僅相差3.0 mm，汛期平均降水量僅相差0.7 mm，但在不同降雨年份，經(jīng)過水土流失治理的楊家溝的年產(chǎn)流降水量明顯少于處于自然恢復(fù)狀態(tài)的董莊溝。

(2)楊家溝小流域與董莊溝小流域相比年產(chǎn)流次數(shù)、泥沙量均明顯減少，蓄水量顯著增加，這些都表明經(jīng)過治理的楊家溝小流域的保水保土效果增強。

(3)兩流域累計汛期降水量-累計徑流量、累計汛期降水量-累計輸沙量之間為冪函數(shù)關(guān)系，尤其是董莊溝累計汛期降水量-累計徑流量具有較好的相關(guān)性，R2為0.961。

(4)分析典型降水過程洪水徑流特征，楊家溝次徑流模數(shù)的變異系數(shù)明顯大于董莊溝，說明治理使地表徑流變化劇烈，同時治理流域比未治理流域平均洪水歷時縮短了21.03 h，說明經(jīng)過治理可以縮短小流域洪水歷時，減輕水土流失災(zāi)害。

通過上述結(jié)論可以看出，在黃土高塬溝壑區(qū)，水土流失作為一個多因素形成的結(jié)果，很難完全依靠自然修復(fù)，工程措施、植物措施等多手段治理方法是黃土高原地區(qū)水土流失治理、小流域生態(tài)修復(fù)取得最大蓄水保土效益的必然選擇。