黃河中游典型流域降雨輸沙變化及可能來沙量

肖千璐，李小平，王方圓，陳真

（黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003）

0 引言

黃河中游流經(jīng)黃土高原，是黃河流域最嚴(yán)重的水土流失與生態(tài)脆弱區(qū)，也是黃河泥沙、粗沙集中來源區(qū)，來沙量占全河的90%以上［1］。經(jīng)過60 多年的水土流失治理，中游地區(qū)下墊面發(fā)生深刻變化，對(duì)暴雨洪水產(chǎn)沙過程產(chǎn)生了較大影響，入黃沙量顯著減少［2，3］。降雨是影響黃土高原地區(qū)河流產(chǎn)輸沙的主要因素之一，降雨輸沙特征的變化直接關(guān)系到水沙變化驅(qū)動(dòng)因素分析，也是評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)流域徑流泥沙未來演變趨勢(shì)的重要依據(jù)［4，5］。研究黃河中游流域降雨輸沙變化特征和可能來沙量對(duì)水土保持規(guī)劃、水沙資源配置及流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)都具有重要意義。

諸多學(xué)者針對(duì)20世紀(jì)50至60年代以來黃河中游降雨輸沙變化開展了研究，發(fā)現(xiàn)黃土高原區(qū)域平均降雨量整體呈下降趨勢(shì)［6-8］，侵蝕產(chǎn)沙的降雨量變化趨勢(shì)與年降雨量一致且變幅更大［9］。也有學(xué)者分析了不同支流降雨汛期雨量、大雨量等的變化特征，認(rèn)為特征降雨指標(biāo)未表現(xiàn)出顯著增大或減小趨勢(shì)［10］。在降雨變化對(duì)流域產(chǎn)輸沙影響方面，研究表明不同時(shí)期降雨量變化對(duì)徑流泥沙減少的作用權(quán)重有所差異，支流降雨產(chǎn)沙能力發(fā)生明顯變化［11］，自2000 年以來，支流降雨輸沙能力減小較為突出［12］，單位降雨力的產(chǎn)沙量有所降低［13］。也有學(xué)者認(rèn)為部分支流現(xiàn)狀階段降雨洪水泥沙關(guān)系的函數(shù)形式未發(fā)生明顯變化，降雨量明顯減少的同時(shí)，支流輸沙量也同時(shí)減少［14］。已有研究較多地分析了降雨總量對(duì)于侵蝕產(chǎn)沙的影響，大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，黃土高原地區(qū)的泥沙往往決定于汛期的幾場(chǎng)強(qiáng)降雨過程［3］，較小量級(jí)的降雨并不產(chǎn)沙產(chǎn)流，針對(duì)有效降雨量的產(chǎn)沙作用變化關(guān)注較少。尤其是2010 年以來，河龍區(qū)間及涇河、渭河上游大部分區(qū)域降雨量偏豐，部分支流汛期出現(xiàn)連續(xù)暴雨洪水，強(qiáng)降雨及極端降雨條件下徑流輸沙變化引起較多關(guān)注。有學(xué)者分析了大雨量、最大1 日降雨量及最大5 日降雨量等對(duì)河流輸沙量的影響［15］，發(fā)現(xiàn)大雨量對(duì)河潼區(qū)間輸沙量貢獻(xiàn)較大，而未分析支流具體變化及降雨輸沙關(guān)系；針對(duì)佳蘆河不同降雨條件下徑流和泥沙關(guān)系的研究表明［16］，與基準(zhǔn)期相比，治理后流域降雨量大于50 mm、降雨強(qiáng)度大于4 mm/h 或歷時(shí)大于3 h 的降雨的對(duì)產(chǎn)沙起主要作用，而強(qiáng)降雨的影響程度及其變化特征尚未明晰。當(dāng)前研究多聚焦于特征雨量或不同強(qiáng)降雨事件降雨和水沙變化特征對(duì)比分析［17-19］，有必要對(duì)分級(jí)降雨量尤其是較大雨量級(jí)降雨對(duì)輸沙的影響以及流域來沙量變化趨勢(shì)開展進(jìn)一步深入研究。論文選取佳蘆河、延河、湫水河和馬蓮河流域，基于長系列水文數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)期流域降雨輸沙關(guān)系變化特征進(jìn)行分析，依據(jù)設(shè)定的極端降雨情景，研究現(xiàn)狀下墊面條件下各流域可能來沙量，以期為評(píng)估未來入黃泥沙情勢(shì)和制定防治水土流失措施提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

考慮到黃河中游近期主要降雨分布、地貌類型、水土保持治理情況等因素，選取佳蘆河、延河、湫水河及馬蓮河四個(gè)流域作為典型流域開展研究（圖1）。佳蘆河、延河、湫水河及馬蓮河流域面積分別為1 134、7 725、1 989 和19 086 km2，干流長分別為93、287、122 和375 km，均位于黃河主要產(chǎn)沙區(qū)。其中，佳蘆河和延河分別位于河龍區(qū)間右岸的上段和下段，屬黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失較為嚴(yán)重的流域；湫水河流域?yàn)樽蟀吨饕獊砩澈恿髦唬饔蚯治g強(qiáng)度大，洪水含沙量高；馬蓮河是涇河最大支流，其上游位于黃土丘陵第五副區(qū)集中分布的易產(chǎn)沙地區(qū)，也是目前黃土高原植被覆蓋度較低的地區(qū)之一［20］。隨著黃河中游近幾十年的大規(guī)模水土保持治理措施的實(shí)施，流域下墊面發(fā)生了顯著變化。截止到2010 年，佳蘆河、延河和湫水河流域水土保持措施累計(jì)治理面積分別占水文站以上流域面積的58.3%、62.9%和50.3%［21］，有效降低了流域徑流量和泥沙量；馬蓮河由于封禁較晚，流域水土保持治理面積仍不足30%［22］。上述流域近期均發(fā)生了強(qiáng)降雨事件（佳蘆河20120727，延河20130712，湫水河20160823，馬蓮河20130708）。各流域基本特征見表1。

圖1 研究區(qū)典型支流地理位置Fig.1 Location of the study watersheds

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用的流域降雨和泥沙數(shù)據(jù)均來自黃河水利委員會(huì)刊印的黃河水文年鑒，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)核對(duì)，滿足水文數(shù)據(jù)質(zhì)量控制要求。降雨量數(shù)據(jù)選用佳蘆河流域6 個(gè)雨量站、延河流域13個(gè)雨量站、湫水河流域8個(gè)雨量站和馬蓮河流域65個(gè)雨量站多年逐日降雨量實(shí)測(cè)值，依據(jù)篩選的降雨參數(shù)逐年統(tǒng)計(jì)得到各雨量站參數(shù)值，并根據(jù)雨量站控制面積進(jìn)行加權(quán)平均作為流域面平均降雨量。輸沙量數(shù)據(jù)選用各流域控制站對(duì)應(yīng)年份水文要素實(shí)測(cè)值。各流域數(shù)據(jù)系列年份見表1。

表1 研究流域基本特征Tab.1 Essential characteristics of the study watersheds

2.2 研究方法

采用雙累積曲線法檢驗(yàn)流域水沙量一致性及其變化，確定河流輸沙量突變點(diǎn)，并結(jié)合各流域水土保持治理措施的實(shí)施程度，劃分各流域水沙變化階段。采用水文分析法建立流域基準(zhǔn)年和現(xiàn)狀時(shí)期輸沙量和降雨參數(shù)關(guān)系，研究不同量級(jí)降雨量的產(chǎn)沙能力及其變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)分析現(xiàn)狀時(shí)期在極端降雨條件下的可能來沙量。鑒于黃土高原可引起侵蝕的日降雨量對(duì)產(chǎn)沙的敏感性，本文重點(diǎn)關(guān)注各雨量站日降雨大于等于25、50和100 mm的年降雨總量，分別采用P25、P50和P100表示。參照劉曉燕等［3］的研究成果，采用P25作為侵蝕產(chǎn)沙的有效降雨量。同時(shí)，參照國標(biāo)降雨量等級(jí)［23］，將各雨量站日降雨量按照10 mm ≤P<25 mm、25 mm ≤P<50 mm、50 mm ≤P<100 mm、和P≥100 mm 進(jìn)行分級(jí)，分別采用P10-25、P25-50、P50-100和P100表示各分級(jí)雨量年累計(jì)值。本文分別采用P25和4 個(gè)分級(jí)雨量作為降雨參數(shù)，建立各流域年輸沙量與降雨量關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 有效降雨量和輸沙量變化特征

4 個(gè)流域年輸沙量隨時(shí)間變化總體表現(xiàn)出減少趨勢(shì)，且具有階段性變化特征。各流域控制站實(shí)測(cè)輸沙量與年有效降雨量雙累積曲線如圖2所示?？梢钥闯?，佳蘆河在1972年和2002年存在突變點(diǎn)，在2012年輸沙量急劇增加，點(diǎn)據(jù)明顯跳躍，這是由于2012年“7·27”特大暴雨導(dǎo)致部分淤地壩損毀所致；延河和湫水河曲線斜率分別在1996年、2006年和1979年、2001年發(fā)生變化。上述3 個(gè)流域隨著年份推移不同時(shí)期的斜率逐漸減小，說明整個(gè)時(shí)間段輸沙量逐漸減少，延河減少幅度最大，本世紀(jì)以來時(shí)段年均輸沙量較20 世紀(jì)60-70 年代時(shí)段減少92.2%，佳蘆河和湫水河分別減少91.5%和87.4%。馬蓮河上游位于黃土高塬區(qū)，水沙變化特點(diǎn)與黃土丘陵溝壑區(qū)流域有所不同。2003年前其曲線斜率變化不大，年輸沙量呈波動(dòng)變化，2003 年以來斜率有所減小，輸沙量呈減小趨勢(shì)，2003 年之后平均輸沙量較之前時(shí)段減少49.6%。采用Pettitt 檢驗(yàn)法對(duì)馬蓮河流域雨落坪站輸沙量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明未發(fā)生突變年份。

圖2 有效降雨量-年輸沙量雙累積曲線Fig.2 Double mass curve analysis of annual effective rainfall and annual sediment discharge

年有效降雨量的時(shí)段劃分與輸沙量保持一致。河龍區(qū)間佳蘆河、湫水河和延河流域年有效降雨量的變化先減少后增加，最近時(shí)段年有效降雨量與多年平均值相比均有所偏大，偏大幅度右岸的湫水河大于左岸的佳蘆河和延河，佳蘆河大于延河，依次為35.8%、26.3%和16.1%。馬蓮河多年平均有效降雨量小于河龍區(qū)間3 個(gè)流域，隨著年份推移不同時(shí)段年有效降雨量逐漸增加，2003-2018 年均有效降雨量為前兩階段的1.20～1.35倍，較多年均值偏大17.2%。

3.2 降雨輸沙關(guān)系分析

3.2.1 有效降雨量與輸沙量關(guān)系變化

降雨作為引起土壤侵蝕的動(dòng)力條件，其雨量大小及強(qiáng)度與產(chǎn)輸沙量密切相關(guān)。為研究各流域降雨-輸沙關(guān)系變化規(guī)律，基于上節(jié)分析，將佳蘆河、延河和湫水河20 世紀(jì)70 年代之前的階段作為基準(zhǔn)期，本世紀(jì)初以來的階段作為治理措施顯效后的現(xiàn)狀時(shí)期開展研究。考慮到1994 年馬蓮河流域世行貸款項(xiàng)目開始實(shí)施，此后取得了明顯的水土保持效益，可將1966-1993年作為基準(zhǔn)期，世行一期項(xiàng)目結(jié)束后的2003年至今作為現(xiàn)狀期進(jìn)行分析。由于各流域治理程度及資料系列的差異，具體代表時(shí)段有所不同。

點(diǎn)繪各流域基準(zhǔn)期和現(xiàn)狀下墊面的有效降雨量和輸沙量關(guān)系，對(duì)各時(shí)期有效降雨量和輸沙量擬合如圖3 所示。為反映降雨對(duì)流域控制站沙量的影響，擬合時(shí)剔除了輸沙量小于10-3億t的年份。可以看出，4個(gè)流域現(xiàn)狀時(shí)期和基準(zhǔn)期點(diǎn)群整體均呈兩個(gè)趨勢(shì)帶，一定降雨條件下現(xiàn)狀時(shí)期輸沙量小于基準(zhǔn)期，兩時(shí)期均存在輸沙量隨有效降雨量增加而增加的趨勢(shì)，且現(xiàn)狀期輸沙量增幅明顯減小。其中，佳蘆河、延河和湫水河流域不同時(shí)期趨勢(shì)帶較明顯，有效降雨-輸沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。佳蘆河和湫水河均與20 世紀(jì)70 年代初開始大規(guī)模的流域綜合治理，70 年代末水土保持措施發(fā)揮明顯效益，在此之前的基準(zhǔn)期下墊面條件較穩(wěn)定，流域輸沙量與有效降雨量呈正相關(guān)，R2分別為0.688 和0.630；現(xiàn)狀時(shí)期佳蘆河和湫水河一定降雨條件下近期輸沙量大幅減少，由于該時(shí)期內(nèi)兩個(gè)流域水土保持面積仍持續(xù)增加，徑流泥沙攔蓄作用顯著，輸沙量與有效降雨量點(diǎn)據(jù)相對(duì)分散。延河于1966-1979年實(shí)施了以農(nóng)田和壩庫工程為主的治理，對(duì)泥沙進(jìn)行了有效攔截，輸沙量與有效降雨量相關(guān)關(guān)系較差。2006年以后延河退耕還林面積基本穩(wěn)定［22］，平均植被蓋度為63%，土壤侵蝕減少，攔沙作用相應(yīng)削弱，2006-2018 年延河輸沙量與有效降雨量呈正相關(guān)，R2為0.822，特別是有效降雨量小于100 mm的情況下輸沙量差異更大。

圖3 年輸沙量與有效降雨量關(guān)系Fig.3 Lannual effective rainfall and sediment discharge relation

馬蓮河現(xiàn)狀期點(diǎn)群整體位于基準(zhǔn)期下方，兩時(shí)期輸沙量隨有效降雨量增加而增加，相同降雨條件下近期輸沙量有所減少，減沙程度小于河龍區(qū)間3 個(gè)流域，減沙特征也有所不同，相同下墊面和降雨情況下的產(chǎn)沙強(qiáng)度更高。受到氣候條件和立地條件的影響，馬蓮河多年有效降雨量偏小，輸沙量顯著偏大，由于馬蓮河流域植被蓋度相對(duì)較低，且流域泥沙來源更為復(fù)雜，河溝或河岸侵蝕崩塌或滑坡造成的河道侵蝕可能占流域泥沙的30%以上［20］，在現(xiàn)狀期隨著梯田建設(shè)和林草植被建成改善，與受雨水直接沖刷的坡面侵蝕逐步減小，而河（溝）道產(chǎn)沙占流域沙量的比例將更高，有效降雨量與輸沙量的相關(guān)程度下降。

上述分析表明，除個(gè)別年份來沙較少（如佳蘆河2009-2011年）或暴雨造成部分水保工程水毀引起沙量增大等情況，現(xiàn)狀條件下輸沙量與有效降雨量呈正相關(guān)。考慮到輸沙量與有效降雨量擬合關(guān)系為殘差之和最小的平均情況，為盡可能考慮現(xiàn)狀時(shí)期在復(fù)雜不利條件下如淤地壩損毀等的未來可能來沙量，選取現(xiàn)狀時(shí)期年有效降雨量和輸沙量關(guān)系圖中上邊緣點(diǎn)據(jù)，點(diǎn)繪各流域上包絡(luò)線并進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系式見表2。

表2 現(xiàn)狀條件下降雨-輸沙上包絡(luò)線Tab.2 Upper envelope model of the annual effective rainfall and sediment discharge relation during current period

3.2.2 分級(jí)降雨量與輸沙量關(guān)系變化

不同量級(jí)降雨量對(duì)徑流輸沙的影響有所不同，對(duì)基準(zhǔn)期和現(xiàn)狀期分級(jí)降雨量對(duì)輸沙的影響及其變化規(guī)律進(jìn)行分析。為反映分級(jí)降雨量的差異，建立年輸沙量與降雨參數(shù)P10-25、P25-50、P50-100和P100的關(guān)系式如下：

式中：Ws為控制站年輸沙量，億t；Ki（i=1～4）為分級(jí)降雨量輸沙影響系數(shù)。

利用偏最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)輸沙量和分級(jí)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各分級(jí)雨量的輸沙影響系數(shù)（表3）?？梢钥闯觯煌瑫r(shí)期分級(jí)降雨量與輸沙量均表現(xiàn)出一定相關(guān)性，基準(zhǔn)期R2為0.661～0.793，現(xiàn)狀期R2為0.706～0.764。與河龍區(qū)間3 個(gè)流域有所不同，馬蓮河現(xiàn)狀時(shí)期輸沙量與降雨參數(shù)相關(guān)性較基準(zhǔn)期有所降低，這與上文分析的在現(xiàn)狀下墊面有所恢復(fù)的條件下，河（溝）道產(chǎn)沙對(duì)流域沙量影響可能有所增大有關(guān)。隨著降雨量級(jí)的增大，基準(zhǔn)期和現(xiàn)狀期對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)均呈增大趨勢(shì)，說明雨量級(jí)較大的降雨對(duì)輸沙的貢獻(xiàn)較大。與基準(zhǔn)期相比，現(xiàn)狀期不同雨量級(jí)降雨對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)均有所下降。其中，佳蘆河和湫水河流域現(xiàn)狀期P10-25對(duì)輸沙影響極小，而強(qiáng)降雨和高強(qiáng)降雨仍是輸沙的主要?jiǎng)恿?，這與連秋晗、董貞凱等人［16，24］的分析結(jié)果相一致。馬蓮河分級(jí)降雨量對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)大于河龍區(qū)間3個(gè)流域，輸沙影響系數(shù)減小幅度最小，反映出馬蓮河易產(chǎn)沙區(qū)強(qiáng)侵蝕特征和多重產(chǎn)沙機(jī)制。根據(jù)變量權(quán)重系數(shù)結(jié)果，基準(zhǔn)期P50-100和P100的變量權(quán)重系數(shù)分別為0.98～1.31 和1.06～1.49，現(xiàn)狀期P50-100和P100的變量權(quán)重系數(shù)分別為1.14～1.43 和1.16～1.94，進(jìn)一步說明現(xiàn)狀期強(qiáng)降雨輸沙對(duì)總輸沙量的貢獻(xiàn)有所增大，而各流域現(xiàn)狀期P10-25的變量權(quán)重系數(shù)均小于1，P10-25對(duì)總輸沙量的貢獻(xiàn)顯著下降甚至基本消失。根據(jù)不同時(shí)期輸沙影響系數(shù)對(duì)流域分級(jí)降雨輸沙量比重進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析，得出佳蘆河、湫水河和延河P50-100和P100降雨輸沙占總輸沙量的比重由基準(zhǔn)期的38%～46%增大至現(xiàn)狀期68%以上，馬蓮河由基準(zhǔn)期的31%增大至現(xiàn)狀期56%，強(qiáng)降雨、高強(qiáng)降雨輸沙在總輸沙中的比重顯著增加?？梢钥闯?，黃土高原水土保持措施的實(shí)施引起下墊面特征變化，降雨導(dǎo)致的侵蝕產(chǎn)沙作用降低、入黃泥沙大幅減少的同時(shí)，強(qiáng)降雨、高強(qiáng)降雨的降雨侵蝕風(fēng)險(xiǎn)仍不容忽視。

表3 不同時(shí)期分級(jí)降雨量與輸沙量關(guān)系輸沙影響系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Sediment transport impact factors fitted by the graded rainfalland sediment discharge relation during various periods

3.3 極端降雨條件下可能來沙量分析

3.3.1 極端降雨條件設(shè)定

采用水文頻率分析法和歷史實(shí)測(cè)極端降雨組合法對(duì)極端降雨條件進(jìn)行分析。采用按P-Ⅲ型曲線進(jìn)行頻率分析，計(jì)算得到各流域百年一遇有效降雨量和分級(jí)降雨量?？紤]到各級(jí)降雨量之和不能大于總降雨量，優(yōu)先確定對(duì)輸沙影響較大的50 mm 以上降雨量，再依據(jù)多年實(shí)測(cè)50 mm 以下分級(jí)雨量占總降雨量比例均值確定考慮降雨量出現(xiàn)頻率的極端降雨條件。歷史實(shí)測(cè)極端降雨組合法參考劉曉燕等［4］的方法，選取研究系列年內(nèi)四個(gè)流域年降雨量及分級(jí)降雨量最大年份進(jìn)行組合，得到基于實(shí)測(cè)降雨量的極端降雨條件，如表4 所示。實(shí)測(cè)強(qiáng)降雨組合中，河龍區(qū)間3個(gè)流域除佳蘆河日降雨量10 mm≤P<25 mm 和50 mm≤P<100 mm 的年累計(jì)降雨量分別對(duì)應(yīng)1964 年和1995 年以外，其余降雨參數(shù)均為2010年以來年份。馬蓮河由實(shí)測(cè)強(qiáng)降雨組合的極端降雨條件降雨參數(shù)對(duì)應(yīng)年份為2003 年和2013年。

表4 極端降雨條件降雨參數(shù)設(shè)定Tab.4 Parameters of the extreme rainfall conditions

3.3.2 極端降雨條件下可能來沙量

采用設(shè)定的極端降雨參數(shù)，利用上述現(xiàn)狀時(shí)期有效降雨量和分級(jí)降雨量與輸沙量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得到現(xiàn)狀下墊面在極端降雨條件下的可能來沙量，結(jié)果見表5?？梢钥闯觯捎貌煌?jì)算方法得到現(xiàn)狀下墊面在極端降雨條件下，佳蘆河、湫水河和延河可能來沙量分別為0.12～0.27 億、0.13～0.25 億、0.17～0.30億t，馬蓮河未來來沙量可達(dá)1.5 億t 以上，最大可達(dá)2.09 億t。若將設(shè)定的極端降雨參數(shù)代入各流域基準(zhǔn)期對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到佳蘆河、湫水河、延河和馬蓮河的可能來沙量最大值分別為1.88億、1.50 億、2.60 億和4.19 億t。其中，河龍區(qū)間3個(gè)支流減沙比為83%～91%，延河減沙比最大；馬蓮河減沙比為48%?？梢钥闯?，與基準(zhǔn)期相比，現(xiàn)狀時(shí)期河龍區(qū)間的3個(gè)流域下墊面已明顯改善，極端降雨條件下輸沙量明顯減少。近年來，延河流域水土保持累計(jì)治理面積比已近70%，佳蘆河和湫水河水土保持累計(jì)治理面積比約為62%和56%，水土保持實(shí)施面積越大，減沙效果越顯著。馬蓮河由于地形地貌影響及治理措施有限，現(xiàn)狀時(shí)期輸沙強(qiáng)度與河龍區(qū)間流域相比仍較大，在對(duì)輸沙強(qiáng)度影響較大雨量級(jí)P50低于其他3 個(gè)流域P50平均值46%的情況下，最大可能來沙量為其他3個(gè)流域最大可能來沙量的7～9倍。

表5 現(xiàn)狀時(shí)期極端降雨條件下可能來沙量Tab.5 Possible incoming sediment discharge of current underlying surface

4 討論

2010以來，黃河中游地區(qū)暴雨較多年均值偏多，雨量偏大，是1966 年以來雨量最豐的時(shí)段，河龍區(qū)間及涇河、渭河部分流域都發(fā)生了極端降雨事件，這也為研究極端降雨條件下的入黃沙量提供了樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)劉曉燕等人的研究成果［5］，采用中游主要產(chǎn)沙區(qū)各支流現(xiàn)狀下墊面和高強(qiáng)度降雨情況下的產(chǎn)沙指數(shù)及1956 年以來實(shí)測(cè)最大年有效降雨量、易侵蝕區(qū)面積，可計(jì)算得到各流域發(fā)生1956 年以來實(shí)測(cè)最大面平均雨量的年沙量。本文選取的四個(gè)典型流域佳蘆河、湫水河、延河和馬蓮河慶陽以上現(xiàn)狀下墊面產(chǎn)沙指數(shù)分別為44.55、9.04、7.34 和47.78 t/（km2·mm），由此得到現(xiàn)狀下墊面在上述極端降雨條件下的年輸沙量分別為0.17 億、0.11 億、0.25 億和1.72 億t。表5 中，佳蘆河、延河和馬蓮河可能來沙量平均值與上述成果基本一致，湫水河計(jì)算結(jié)果較上述成果偏大，這可能與2016年湫水河發(fā)生強(qiáng)降雨過程，流域輸沙量偏大導(dǎo)致擬合曲線計(jì)算值偏大有關(guān)。

黃河中游水沙變化是降雨和人類活動(dòng)共同影響的結(jié)果。水土保持措施等人類活動(dòng)對(duì)河龍區(qū)間大部分流域在調(diào)水減沙方面發(fā)揮了重要作用，而馬蓮河等丘五區(qū)流域水土保持工程措施較少，植被覆蓋度不高，減沙幅度與河龍區(qū)間相比仍處于較低水平，對(duì)該區(qū)水土流失研究和治理力度需進(jìn)一步加大。本文采用的極端降雨條件是以近60 年實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)根據(jù)頻率分布和實(shí)測(cè)極端降雨為基礎(chǔ)設(shè)定，近期在西北地區(qū)降水趨勢(shì)明顯增長、極端降水事件多發(fā)的氣候背景下，基于多種極端降雨情景和更廣泛流域的黃河中游可能來沙量變化還需深入研究。

5 結(jié)論

論文選取黃河中游佳蘆河、延河、湫水河和馬蓮河流域，基于長系列水文數(shù)據(jù)對(duì)不同時(shí)期有效降雨量輸沙變化和分級(jí)降雨量對(duì)輸沙量的影響特征進(jìn)行分析，設(shè)定極端降雨情景并計(jì)算了現(xiàn)狀下墊面條件下各流域可能來沙量，主要結(jié)論如下。

（1）近60 年來，4 個(gè)流域年有效降雨量呈階段性變化特征，河龍區(qū)間佳蘆河、湫水河和延河流域表現(xiàn)為先減少后增加，馬蓮河呈逐階段增加趨勢(shì)，近期有效降雨量較多年均值均有所偏大。與基準(zhǔn)期相比，現(xiàn)狀期河龍區(qū)間3 個(gè)流域有效降雨量與輸沙量關(guān)系發(fā)生明顯變化，產(chǎn)沙能力顯著降低；馬蓮河一定降雨條件下輸沙量有所減小，降雨侵蝕強(qiáng)度仍較高。

（2）建立了輸沙量與分級(jí)降雨量關(guān)系式，可以反映不同時(shí)期不同量級(jí)降雨對(duì)輸沙量的影響特征。現(xiàn)狀期各雨量級(jí)降雨對(duì)產(chǎn)輸沙的影響較基準(zhǔn)期均大幅下降，P50以上降雨仍是輸沙的主要?jiǎng)恿ΑｑR蓮河分級(jí)降雨量對(duì)應(yīng)輸沙影響系數(shù)減小幅度最小，反映出馬蓮河易產(chǎn)沙區(qū)強(qiáng)侵蝕特征。佳蘆河、湫水河和延河P50-100和P100降雨輸沙占總輸沙量的比重由基準(zhǔn)期的38%～46%增大至現(xiàn)狀期68%以上，馬蓮河由基準(zhǔn)期的31%增大至現(xiàn)狀期56%，強(qiáng)降雨、高強(qiáng)降雨輸沙在總輸沙中的比重顯著增加，P10-25對(duì)總輸沙量的貢獻(xiàn)顯著下降甚至基本消失。

（3）基于水文頻率分析和歷史實(shí)測(cè)極端降雨組合設(shè)計(jì)極端降雨，采用有效降雨和分級(jí)降雨與輸沙量擬合關(guān)系，計(jì)算得到現(xiàn)狀下墊面下佳蘆河、湫水河和延河和馬蓮河未來最大可能來沙量分別為0.27 億、0.25 億、0.30 億t，與基準(zhǔn)期相比減沙比為83%～91%；黃土高塬區(qū)馬蓮河由于溝道崩塌或滑坡產(chǎn)沙占比增高及治理措施有限，極端降雨條件下現(xiàn)狀期可能來沙量仍達(dá)1.5億t以上。