長豐河流域徑流量和輸沙量相關(guān)性及變化規(guī)律分析

周文慶

(甘肅省隴南水文站,甘肅 成縣 742500)

1 流域概況

長豐河又名青泥河,是嘉陵江一級(jí)支流。長豐河流域地處甘肅省隴南市東北部,流域面積1 842 km2,發(fā)源于甘肅省天水市南部的蘇成鄉(xiāng)馬坊一帶,干流縱貫北、南秦嶺山地,中穿徽成盆地,總長144 km,落差660 m;河床大部分為裸露巖石,流經(jīng)盆地的河段多為卵石砂層覆蓋。流域內(nèi)溝壑縱橫、支流較多,大致呈對(duì)稱性羽狀分布,主要支流有發(fā)源于成縣的南河和發(fā)源于徽縣的麻沿河。上游至下游地形依次為中高山、丘陵、川壩,自成縣縣城東南又進(jìn)入山區(qū),地勢(shì)西北高,東南低,海拔750～2 377 m之間。青泥河及其他支流切割形成的谷地貫穿其中,形成特殊的地形地貌。成縣縣城以上亦稱東河,位于嘉陵江西岸,是嘉陵江中游在隴南境內(nèi)僅次于白龍江和西漢水的第三大支流。流域?qū)儆诟睙釒Ъ撅L(fēng)氣候,屬南北過渡性暖溫帶半濕潤氣候區(qū),四季分明,雨水充沛,氣溫較高。年平均氣溫11.9℃,最熱7月平均氣溫23.3℃,最冷1月平均氣溫-0.8℃,極端最高氣溫37.3℃,極端最低氣溫-15.0℃。平均無霜期210 d,年日照時(shí)數(shù)1 795 h,日照百分率為41%,最多可達(dá)1 976 h。年均降雨量680 mm,年均蒸發(fā)量610 mm,相對(duì)濕度75%,盛行東南風(fēng)。

2 數(shù)據(jù)來源

長豐河設(shè)有成縣水文站,是該流域唯一的水文站,也是進(jìn)入嘉陵江的控制站,距陜西省略陽縣的嘉陵江河口57 km,集水面積1 502 km2。始建于1958年10月,屬省級(jí)重要站、中央報(bào)汛站、區(qū)域代表站。所以可以依據(jù)成縣水文站建站以來近60多年的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù),分析長豐河流域徑流量和輸沙量的相關(guān)性以及演變規(guī)律。

3 徑流量和輸沙量的年內(nèi)變化

3.1 徑流量和輸沙量的年內(nèi)分配特點(diǎn)

徑流量的年內(nèi)變化跟降水的年內(nèi)時(shí)空變化、上游前期土壤含水量以及人類的生產(chǎn)活動(dòng)等有緊密的關(guān)系,在汛期,降雨對(duì)徑流起著決定作用,在枯季,徑流主要來自流域蓄水。依據(jù)成縣水文站1959-2021年的徑流量數(shù)據(jù)計(jì)算逐月多年平均徑流量,如表1所示。

表1 長豐河逐月多年平均徑流量表 108m3

泥沙的運(yùn)動(dòng)和沉積是河流中重要的水文現(xiàn)象之一,主要決定于地面徑流對(duì)流域表面的沖刷作用及巖石的風(fēng)化程度;降雨強(qiáng)度和降雨量的大小對(duì)泥沙也有很大影響,特別是久晴無雨時(shí)期,土壤干燥,粘力小,較易沖刷,暴雨可以是徑流挾帶大量泥沙,還有人類的活動(dòng),在多數(shù)情況下,主要以前者為主。成縣水文站1964年前沒有實(shí)測(cè)泥沙數(shù)據(jù),所以依據(jù)1964-2021年的輸沙量數(shù)據(jù)計(jì)算逐月多年平均輸沙量,如表2所示,同時(shí)繪制逐月多年平均徑流量和逐月多年平均輸沙量對(duì)比圖,如圖1所示。

圖1 逐月多年平均徑流量和逐月多年平均輸沙量對(duì)比圖

表2 長豐河逐月多年平均輸沙量表 104t

分析表1、表2、圖1可以看出,徑流量和輸沙量主要集中在汛期5-10月,尤其集中在主汛期7-9月,徑流量占比49.2%,將近全年徑流量的一半;輸沙量占比85.9%,比全年輸沙量的3/4還多,這和降雨的時(shí)空分布是一致的,全年的降雨主要也在7-9月份,占全年降雨的54.6%,而且成縣是暴雨多發(fā)區(qū)域,上游黃渚鎮(zhèn)是甘肅省著名的暴雨中心,有記錄以來歷年全省最大各時(shí)段降雨均發(fā)生在黃渚鎮(zhèn),發(fā)生時(shí)間是2010年8月。說明長豐河流域的泥沙主要來源還是強(qiáng)降雨對(duì)坡面土壤的沖刷造成的。

3.2 年內(nèi)徑流量和輸沙量相關(guān)性

依據(jù)成縣水文站1964-2021年數(shù)據(jù),用Pearson、Correl、Rsq相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,見表3。

表3 徑流量和輸沙量不同時(shí)期相關(guān)系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)

相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大,相關(guān)性越強(qiáng),相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1,相關(guān)度越強(qiáng),相關(guān)系數(shù)越接近于0,相關(guān)度越弱。從表3可以看出,徑流量和輸沙量的日最大值以及全年相關(guān)性最強(qiáng),Pearson、Correl都達(dá)到0.825和0.730,精度也最高,排第三位的主汛期相關(guān)度較強(qiáng),Pearson、Correl都達(dá)到-0.710,相關(guān)度最弱的是汛期,Pearson、Correl都只有0.515。只有主汛期為負(fù)相關(guān),表明徑流量越大,輸沙量越小。

4 徑流量和輸沙量的年際變化

依據(jù)成縣水文站1964-2021年數(shù)據(jù),分析計(jì)算徑流量和輸沙量的多年逐月變差系數(shù)(Cv)和多年變差系數(shù)(Cv),如表4所示,并繪制徑流量和輸沙量多年變化過程線圖,如圖2所示。

圖2 長豐河流域徑流量和輸沙量多年變化過程線圖

表4 徑流量和輸沙量變差系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

通過表4分析發(fā)現(xiàn),徑流量變差系數(shù)在汛期(5-10月)變差系數(shù)大(0.85～1.16),尤其是8月份最大(1.16);非汛期(11-4月)變差系數(shù)小(0.40～0.73),說明徑流量在汛期的變化不穩(wěn)定,在非汛期比較穩(wěn)定;這和汛期長豐河流域徑流主要是降雨補(bǔ)給,而降雨在汛期的時(shí)空變化很大,從而導(dǎo)致徑流量在汛期波動(dòng)很大;在非汛期徑流主要是流域前期土壤蓄水補(bǔ)給,因而變化較小。而輸沙量變差系數(shù)正好和徑流量的情況相反,在汛期(5-10月)變差系數(shù)小(1.92～2.84),尤其是9月份最小(1.92),在非汛期(11-4月)變差系數(shù)非常大(2.85～7.26),說明輸沙量在非汛期變化極不穩(wěn)定。輸沙量的變差系數(shù)在全年的各個(gè)月份都比徑流量的變差系數(shù)大,說明輸沙量的年內(nèi)變化要比徑流量變化大,很不穩(wěn)定。輸沙量的年Cv(1.35)是徑流量的年Cv(0.63)的兩倍還多,在年際變化上,輸沙量和徑流量的年際變化都比年內(nèi)變化穩(wěn)定,但徑流量的年際變化比輸沙量的年際變化更加穩(wěn)定。

通過圖2可以發(fā)現(xiàn),輸沙量和徑流量的多年變化過程基本相應(yīng),水大沙大,水小沙小;回歸方程的斜率都是負(fù)值,說明年徑流量和年輸沙量都有減小的趨勢(shì),但輸沙量的斜率是徑流量斜率的144.6倍,非常大,所以輸沙量的減小趨勢(shì)更加顯著。

查閱歷史文獻(xiàn),長豐河流域最大洪水發(fā)生在1934年8月24日,最大流量2 500 m3/s。建站以來最大年徑流量是6.809×108m3,發(fā)生日期1967年;最大實(shí)測(cè)流量1 300 m3/s,發(fā)生日期1964年7月21日。最大年輸沙量563×104t,發(fā)生日期1984年。2010年8月12日,這天在長豐河流域發(fā)生了大范圍強(qiáng)降雨過程,尤其是成縣黃渚鎮(zhèn)發(fā)生了歷史上有降水記錄以來的最大暴雨,再加上2010年前后,成縣大搞基建,對(duì)河道大規(guī)模無節(jié)制的過度開挖采砂,使河床結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性造到嚴(yán)重破壞,遇到特大暴雨時(shí)會(huì)對(duì)河道造成非常嚴(yán)重的沖刷,因而2010年雖然年徑流不是最大的,只有3.476×108m3,但是日平均輸沙率是建站以來最大的,達(dá)到40 100 kg/s。

5 徑流量和輸沙量的突變點(diǎn)分析

5.1 突變點(diǎn)分析

依據(jù)成縣水文站1964-2021年年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)計(jì)算累積距平值,并繪制累積距平過程線,如圖3所示。

圖3 徑流量和輸沙量累積距平過程線

從圖3可以看出, 1968年、1993年、2009年是徑流量主要的三個(gè)突變點(diǎn),1968年和1993年是徑流量波動(dòng)上升變?yōu)椴▌?dòng)下降的分界點(diǎn);尤其是1993年是一個(gè)重要的徑流量變化趨勢(shì)分界點(diǎn),1993年之前,徑流量總體上處于波動(dòng)上升趨勢(shì),1993年之后總體上處于非常明顯的下降趨勢(shì),其中1993-2008年這16年徑流量斷崖式下降,減少非常厲害。2009年是徑流量波動(dòng)下降變?yōu)椴▌?dòng)上升的分界點(diǎn)。1985年是輸沙量的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),但沒有發(fā)生突變,2009年發(fā)生了突變。1985年之前輸沙量波動(dòng)上升,之后波動(dòng)下降,尤其是1998-2009年這12年輸沙量成斷崖式下降,原因是流域進(jìn)行退耕還林,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,防止水土流失產(chǎn)生了積極的效果。

5.2 突變點(diǎn)檢驗(yàn)

用Yamamoto法進(jìn)行檢驗(yàn),取M=5,連續(xù)設(shè)置基準(zhǔn)年,計(jì)算S/N(信噪比)的時(shí)間序列,當(dāng)S/N>1時(shí),發(fā)生突變,當(dāng)S/N>2時(shí),發(fā)生強(qiáng)突變。通過計(jì)算徑流量的S/N,1968年S/N=1.00,處于突變臨界點(diǎn),1993年S/N=1.06,發(fā)生了突變,2009年S/N=2.43,發(fā)生了強(qiáng)突變;通過計(jì)算輸沙量的S/N,只有2009年S/N>1, S/N=1.01,發(fā)生了突變。

6 豐平枯水特征年劃分

依據(jù)成縣水文站1964-2021年年徑流量數(shù)據(jù),用距平百分率劃分豐平枯水年,在以上范圍內(nèi),找出相應(yīng)特征的徑流模比系數(shù)值,在通過模比系數(shù)值劃分各特征年,并用連續(xù)2年以上為標(biāo)準(zhǔn)找出連豐水年、連枯水年以及連平水年,計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 特征年份劃分計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

表6 連豐枯平水年年份統(tǒng)計(jì)表

從表5可以看出,豐水年(特、偏豐水年)占比31.7%,枯水年(特、偏枯水年)占比47.6%,平水年占比20.6%,枯水年是豐水年的1.5倍,這和前面分析的徑流量年際變化趨勢(shì)減小的結(jié)論是一致的,也從一個(gè)側(cè)面反映出流域地所在政府施行退耕還林、保持水土流失的措施取得積極效果。從表6可以看出,連豐水年和連枯水年出現(xiàn)次數(shù)一樣,都是6次,連豐水年最長只有3年,出現(xiàn)1次,連枯水年最長只有4年,出現(xiàn)3次,連平水年只出現(xiàn)了1次。

7 結(jié)語

(1)徑流量和輸沙量的年內(nèi)變化不穩(wěn)定,主要集中在汛期5-10月,尤其集中在主汛期7-9月。徑流量和輸沙量的日最大值以及全年相關(guān)性最強(qiáng),精度也最高,排第三位的主汛期相關(guān)度較強(qiáng),相關(guān)度最弱的是汛期,只有主汛期為負(fù)相關(guān),表明徑流量越大,輸沙量越小。

(2)輸沙量和徑流量的年際變化都比年內(nèi)變化穩(wěn)定,但徑流量的年際變化比輸沙量的年際變化更加穩(wěn)定,年徑流量和年輸沙量都有減小的趨勢(shì),年輸沙量的減小趨勢(shì)更加顯著。

(3)1968年、1993年、2009年是徑流量的三個(gè)突變點(diǎn),尤其是2009年發(fā)生了強(qiáng)突變;2009年是輸沙量的突變點(diǎn)。

(4) 豐水年占比31.7%,枯水年占比47.6%,平水年占比20.6%,枯水年是豐水年的1.5倍,連豐水年和連枯水年出現(xiàn)次數(shù)一樣,都是6次,連平水年只出現(xiàn)了1次。

(5)徑流量和輸沙量的運(yùn)動(dòng)變化是非常復(fù)雜的,受到很多因素的影響,但人類活動(dòng)是其中的重要影響因素之一。