寧夏紅柳溝流域水沙變化及產(chǎn)沙分析

岳志春， 宋天華， 金曉勇

（1．寧夏水旱災(zāi)害防御中心，寧夏 銀川 750001；2．清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

黃河上游龍劉水庫(kù)建成使用以來(lái)，黃河干流寧夏段來(lái)水、來(lái)沙過(guò)程發(fā)生了變化。黃河寧夏段較大的入黃支流有清水河、紅柳溝、苦水河、都思兔河（界河），清水河是黃河寧夏段最大支流，苦水河、紅柳溝均為黃河重要的一級(jí)支流。紅柳溝流域人為干擾較少，基本屬于天然河道，研究紅柳溝流域水沙變化問(wèn)題和區(qū)間產(chǎn)沙機(jī)制可進(jìn)一步分析降水和人類活動(dòng)對(duì)徑流、泥沙及水沙關(guān)系的影響。本文利用1954—2015 年紅柳溝流域水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料，研究紅柳溝流域各時(shí)期水沙變化規(guī)律及其趨勢(shì)，旨在揭示黃河寧夏段水沙變化的成因。

1 基本情況

紅柳溝為寧夏河流直接入黃的第三支流，集水面積1 064 km2，河長(zhǎng)107 km，發(fā)源于同心羅山，流經(jīng)同心、中寧，由中寧鳴沙洲匯入黃河（表1）。該河流具有干旱、徑流少、泥沙大等特點(diǎn)。區(qū)域平均年降水量265 mm，總量2．82 億m3。年輸沙量239 萬(wàn)t，平均含沙量為385 kg/m3。

表1 主要入黃水沙來(lái)源區(qū)水文特征

2 水沙量變化特點(diǎn)

2.1 年均水沙量變化特點(diǎn)

由于缺少紅柳溝鳴沙洲站1970—1979 年實(shí)測(cè)資料[1]，本文在分析紅柳溝不同時(shí)期水沙量變化時(shí)，將研究時(shí)期劃分成1969 年以前、1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2015 年4 個(gè)時(shí)期（表2）。鳴沙洲站多年平均水、沙量分別為0．133 億m3和0．027 2 億t。與長(zhǎng)時(shí)期年均相比，水量偏多的時(shí)期為1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2015 年，水量增長(zhǎng)0．7%～19．5%；而1958—1969 年水量偏少，減少29．3%。年均沙量只有在1990—1999 年偏多，增長(zhǎng)62．5%，其他幾個(gè)時(shí)期年均沙量均偏少，減少10．8%～23．3%。

表2 鳴沙洲水文站不同時(shí)期水、沙量變化

2.2 年際間水沙量變化

紅柳溝鳴沙洲站多年平均含沙量為204 kg/m3，含沙量相對(duì)較高[2-3]。年際間水沙量變化起伏較大，豐枯懸殊。紅柳溝鳴沙洲水文站最大水、沙量分別為0．274 億m3和0．109 億t，分別發(fā)生在1985 年和1996 年；最小水、沙量分別為0．03 億m3和0．001 億t，均發(fā)生在1963 年，水、沙量最大、最小量分別相差9．1 倍和109 倍（表3）。可見(jiàn)，紅柳溝各時(shí)期的最大水量沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，在各時(shí)期均有大有小，而沙量最大值出現(xiàn)在1990—1999 年，2000—2015 年有所減小。

表3 紅柳溝鳴沙洲站不同時(shí)期最大和最小水、沙量

2.3 水沙量年內(nèi)分配特點(diǎn)

2.3.1水沙量年內(nèi)分配比例 紅柳溝鳴沙洲站在不同時(shí)期的水沙量年內(nèi)分配情況見(jiàn)表4。1958—1969年汛期水量占年水量比例為84．1%，1980—1989 年、1990—1999 年這2 個(gè)時(shí)期汛期水量占年水量比例為63．9%～69．4%，2000—2015 年汛期水量占年水量比例為51．8%。紅柳溝鳴沙洲水文站各時(shí)期汛期沙量占年沙量的比例較高，除2000—2015 年為85．1%外，在其他3 個(gè)時(shí)期達(dá)到了91．6%～94．7%。

表4 不同時(shí)期紅柳溝鳴沙洲站水、沙量年內(nèi)分配

2.3.2汛期水沙量 紅柳溝鳴沙洲站不同時(shí)期汛期和非汛期水、沙量特征參數(shù)見(jiàn)表5。鳴沙洲站汛期水量為0.076～0.111 億m3，沙量為0.017 8～0.040 1 億t，水量和沙量在1990—1999 年出現(xiàn)最大值。水量在各時(shí)期內(nèi)的變化起伏不定，沙量總體上呈減小趨勢(shì)。平均流量為0.71～1.04 m3/s，平均含沙量為235.6～362.3 kg/m3，均在1990—1999 年這一時(shí)期內(nèi)最大。

表5 紅柳溝鳴沙洲站不同時(shí)期汛期和非汛期水、沙量特征值

2.3.3非汛期平均流量 紅柳溝鳴沙洲站非汛期的平均流量小，且變化幅度不大，平均流量0.07～0.34 m3/s，呈明顯增大的趨勢(shì)，在2000—2015 年最大[4-5]。

3 降水變化特征與趨勢(shì)分析

紅柳溝流域降水值見(jiàn)表6—表8。1959—2015年年雨量、汛期雨量、主汛期雨量的多年平均值分別為287、196、120 mm，汛期雨量和主汛期雨量分別占年雨量的68%、42%。1959—2015 年＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm 雨量多年平均值分別為165、56、14 mm，＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量分別占＞10 mm 雨量的34%、8%；1959—2015 年最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量的多年平均值分別為38、48、57、76 mm。

表6 紅柳溝流域各時(shí)期年雨量、汛期雨量、主汛期雨量統(tǒng)計(jì)

表7 紅柳溝流域各時(shí)期＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量統(tǒng)計(jì)

表8 紅柳溝流域最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量統(tǒng)計(jì)

3.1 紅柳溝流域各點(diǎn)降水特征

紅柳溝流域年雨量基本不變，汛期雨量總體呈增大趨勢(shì)，主汛期雨量呈減小趨勢(shì)。就不同強(qiáng)度雨量值而言，＞25 mm雨量呈略微增大趨勢(shì)，＞10 mm、＞50 mm 雨量呈略微減小趨勢(shì)，＞10 mm 雨量的減少幅度大于＞50 mm 雨量。上述分析結(jié)果表明，在1959—2015 年，紅柳溝流域的降水總量基本不變，其年內(nèi)分配可能發(fā)生了一定變化，即7、8 月份降水量減小，6、9 月份降水量增加；在＞10 mm 雨量整體呈略微減小趨勢(shì)的情況下，＞50 mm 雨量的變化趨勢(shì)與＞10 mm 雨量基本一致，＞25 mm 雨量的變化趨勢(shì)與二者相反。這表明不同量級(jí)的降水比例可能發(fā)生了變化，即25～50 mm 雨量的比例增大。

1959—2015 年，紅柳溝流域最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量的Cv值變化無(wú)明顯規(guī)律；其間各時(shí)期的最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量Cv值總體波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律；就1959—2015 年長(zhǎng)系列而言，Cv值由小到大依次為最大7 日、最大3 日、最大15 日、最大1 日雨量。從1959—2015年整體看，上述降水特征值的離散程度由小到大依次為最大7 日、最大3 日、最大15 日、最大1 日雨量，即變化劇烈程度逐個(gè)增大；從1959—2015 年間的各時(shí)期看，最大1 日、最大3 日、最大7日、最大15 日雨量變化的劇烈程度波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律。

3.2 紅柳溝流域各降水特征值累計(jì)距平值

紅柳溝流域年雨量在1961—1979 年有一個(gè)豐水過(guò)程，在1985—2006 年有一個(gè)枯水過(guò)程；汛期雨量、主汛期雨量累計(jì)距平值總體呈波動(dòng)狀態(tài)，無(wú)明顯趨勢(shì)。2000 年以來(lái)，流域年雨量、汛期雨量累計(jì)距平值呈先減小后增大趨勢(shì)，2006 年以前雨量偏枯，2011 年以后雨量偏豐；主汛期雨量累計(jì)距平值呈持續(xù)減小趨勢(shì)，這表明主汛期雨量持續(xù)偏枯。

紅柳溝流域1959—2015 年長(zhǎng)時(shí)期＞10 mm、＞25 mm 雨量累計(jì)距平值均波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律，未出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)段持續(xù)豐水或枯水過(guò)程；＞50 mm 雨量呈一定的周期性變化，但振幅有隨時(shí)間減弱趨勢(shì)。2000年以來(lái)，＞10 mm、＞25 mm 雨量累計(jì)距平值在2002—2006 年呈減小趨勢(shì)，在2011—2014 年呈增大趨勢(shì)，這表明2002—2006 年雨量偏枯，2011—2014 年雨量偏豐；＞50 mm 雨量表現(xiàn)為2 個(gè)周期，且振幅逐次降低，單個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)縮短，這表明其出現(xiàn)頻率增高。

3.3 紅柳溝流域各降水特征值在不同時(shí)段的差異系數(shù)

紅柳溝流域1959—2015 年年雨量、汛期雨量、主汛期雨量差異系數(shù)（Cv值）由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量；其間各時(shí)期的Cv值變化過(guò)程總體呈波動(dòng)變化無(wú)明顯規(guī)律；就1959—2015 年長(zhǎng)系列而言，Cv值由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量。從1959—2015 年總體和其間某一時(shí)期分別看，上述降雨特征值的離散程度由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量，即變化劇烈程度逐個(gè)增大；不同時(shí)期的年雨量、汛期雨量、主汛期雨量變化的劇烈程度波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律，其中在1980—1989年這一時(shí)期波動(dòng)最為劇烈[6-7]。

紅柳溝流域1959—2015 年雨量Cv值由小到大依次為＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm 雨量；不同時(shí)期Cv值的變化特點(diǎn)為＞10 mm、＞50 mm、＞25 mm 雨量總體波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律；就1959—2015 年長(zhǎng)系列而言，Cv值由小到大依次為＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm雨量。可見(jiàn)，對(duì)于1959—2015 年整體情況和其間某一時(shí)期而言，上述降雨特征值的離散程度由小到大依次為＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量，即變化劇烈程度逐個(gè)增大；對(duì)于各時(shí)期而言，＞10 mm、＞50 mm、＞25 mm 雨量變化的劇烈程度波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律。

紅柳溝流域1959—2015 年的最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量Cv值的變化無(wú)明顯規(guī)律；其間不同時(shí)期Cv值的變化呈現(xiàn)為最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量總體波動(dòng)，無(wú)明顯規(guī)律；就1959—2015 年長(zhǎng)系列而言，Cv值由小到大依次為最大1 日、最大3 日、最大15 日、最大7 日雨量。這表明，在1959—2015 年上述降雨特征值的離散程度由小到大依次為最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大15 日雨量、最大7 日雨量，即變化劇烈程度逐個(gè)增大；其間各時(shí)期最大1 日、最大3日、最大7 日、最大15 日雨量變化的劇烈程度波動(dòng)變化，無(wú)明顯規(guī)律[8]。

3.4 紅柳溝流域1959—2015 年的各降雨特征值

如表9—表11 所示，各降雨特征值均無(wú)顯著變化趨勢(shì)（顯著性水平α=0.05，│Z0.05│=1.64）。年雨量、汛期雨量的Z值與β 值均為正值，二者均呈增大趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不顯著。汛期雨量的增大速率大于年雨量；主汛期雨量的Z值與β 值均為負(fù)值，這表明其呈減小趨勢(shì)，趨勢(shì)亦不顯著。

表9 紅柳溝年雨量、汛期雨量、主汛期雨量Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)

表11 紅柳溝最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)

＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量的Z值與β 值均為正值，三者均呈增大趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)并不顯著，增大速率由大到小依次為＞25 mm 雨量、＞10 mm 雨量、＞50 mm 雨量。最大1 日、最大3日、最大7 日、最大15 日雨量的Z值與β 值均為負(fù)值，四者均呈減小趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著，減小速率由大到小依次為最大7 日雨量、最大15 日雨量、最大3 日雨量、最大1 日雨量。

表10 紅柳溝大于10 mm、大于25 mm、大于50 mm 雨量Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)

4 降水—徑流—輸沙關(guān)系分析

為闡明紅柳溝流域降水與徑流、降水與輸沙的關(guān)系，以鳴沙洲站作為流域出口控制站，使用雙累積曲線、對(duì)比分析法等方法，分析鳴沙洲的年降雨量與鳴沙洲站實(shí)測(cè)年徑流量、輸沙量的關(guān)系及其在不同時(shí)期的變化過(guò)程。

4.1 降水—徑流關(guān)系分析

鳴沙洲站不同時(shí)期年降雨量與年徑流量見(jiàn)表12。以1960—1969 年這一時(shí)期作為基準(zhǔn)期，對(duì)比不同時(shí)期降雨量與徑流量的變化：自1980 年起，各時(shí)期的徑流量減少量均為負(fù)值，這表明流域徑流量增大，各時(shí)期的徑流量增大幅度與降水增幅呈正相關(guān)關(guān)系，其中2000—2015 年的降雨量與徑流量增幅最大，分別增加20.4%、71.5%。

表12 鳴沙洲站不同時(shí)期降雨量與年徑流量

4.2 降水—輸沙關(guān)系分析

鳴沙洲站不同時(shí)段年降雨量與年輸沙量見(jiàn)表13。流域年輸沙量—年降雨量關(guān)系變化過(guò)程大致可劃分為3 個(gè)時(shí)期：1959—1988 年、1989—2002年、2003—2015 年，1959—1988 年這一時(shí)期可作為基準(zhǔn)對(duì)比時(shí)期，該時(shí)期實(shí)測(cè)年輸沙量與降雨量的變化幅度基本一致；1989—2002 年這一時(shí)期流域增沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降水增幅，這表明該時(shí)期生產(chǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)規(guī)模較大，人為的新增水土流失量較多；2003—2015 年，流域輸沙量較前一時(shí)期大幅降低，尤其是2010—2015 年年降雨量較基準(zhǔn)對(duì)比時(shí)期增大20.4%，為各時(shí)期中的最大值，而實(shí)測(cè)年輸沙量較基準(zhǔn)對(duì)比時(shí)期減小7.0%。這表明隨著該流域水土流失治理力度加大，尤其是進(jìn)一步實(shí)施退耕還林還草工程與淤地壩亮點(diǎn)工程[7-8]，水土保持治理成效逐漸顯現(xiàn)。流域長(zhǎng)系列累計(jì)輸沙量與累計(jì)降雨量關(guān)系的斜率先增大后減小，這表明紅柳溝流域年降雨量與年輸沙量的關(guān)系發(fā)生了較為明顯的變化[9]。

表13 鳴沙洲站不同時(shí)段年降雨量與年輸沙量統(tǒng)計(jì)

紅柳溝流域的減沙量與降水較少量的一致性較好，這表明紅柳溝下墊面條件整體受人類活動(dòng)影響較少，侵蝕產(chǎn)沙環(huán)境與輸沙條件變化不大。僅在2003 年以后逐漸受到各項(xiàng)水土流失治理措施的影響，下墊面條件有所改變。

5 討論與結(jié)論

1）紅柳溝鳴沙洲站多年平均水、沙量分別為0．133 億m3、0．027 2 億t，各時(shí)期水、沙量沒(méi)有明顯的規(guī)律性變化。1969 年以前是水量最少的時(shí)期，減幅達(dá)到29．3%；1990—1999 年是水、沙量最多時(shí)期，增幅分別為19．5%和62．5%。2000—2015 年是沙量減少最多的時(shí)期，減少23．3%。同時(shí)紅柳溝水沙量變幅除在個(gè)別時(shí)期外，基本呈減少趨勢(shì)。

2）紅柳溝流域長(zhǎng)時(shí)期水、沙量主要集中在汛期，汛期水、沙量占全年的比例分別為64．7%和90．3%。但是隨著時(shí)間推移，大部分站點(diǎn)汛期水、沙量站全年的比例逐漸降低，至2000—2015 年鳴沙洲汛期水、沙量的占比只有51．8%和85．1%。

3）1959—2015 年，紅柳溝流域年雨量、汛期雨量、主汛期雨量、＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量、最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量的多年平均值分別為287、196、120、165、56、14、38、48、57、76 mm。根據(jù)1958—2015 年各降水特征值的擬合趨勢(shì)線，除年雨量、汛期雨量、＞25 mm 雨量呈略微增大趨勢(shì)外，其余均呈略微減小趨勢(shì)，但是變化趨勢(shì)均不顯著。2000 年以來(lái)，年雨量、汛期雨量、＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量累計(jì)距平值表明，2002—2006 年雨量偏枯、2011—2014 年雨量偏豐。就1958—2015 年的Cv值而言，不同系列特征值變化的劇烈程度分別由小到大依次為年雨量、汛期雨量、主汛期雨量，＞10 mm雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量，最大7 日雨量、最大3 日雨量、最大15 日雨量、最大1 日雨量。就不同時(shí)期的Cv值而言，各降雨特征值無(wú)明顯變化趨勢(shì)。Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)表明，1958—2015 年各降雨特征值均無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

4）1959—2015 年紅柳溝流域年徑流量—年降雨量關(guān)系基本保持一致，僅在2002 年后斜率略微減小。根據(jù)紅柳溝流域年降雨量—年輸沙量關(guān)系的變化過(guò)程可劃分為1959—1988 年、1989—2002 年、2003—2015 年3 個(gè)時(shí)期，年輸沙量累積值隨年降雨量累積值的增速先增大再減小，流域年輸沙量—年降雨量關(guān)系發(fā)生了明顯變化。以1959—1988 年作為基準(zhǔn)對(duì)比時(shí)段，1989—2002 年這一時(shí)期流域增沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降水增幅，這表明在該時(shí)期人為的新增水土流失量較多；2003—2015 年，流域輸沙量較前一時(shí)期大幅降低，尤其是2010—2015 年年降雨量較基準(zhǔn)對(duì)比時(shí)期增大20．4%，而實(shí)測(cè)年輸沙量較基準(zhǔn)對(duì)比時(shí)段減小7．0%，這表明水土保持治理成效逐漸顯現(xiàn)。