洮河泥沙分布及变化分析

2010-03-19凡炳文李计生

地下水 2010年3期

凡炳文,陈文,2,李计生

(1.甘肃省水文水资源勘测局,甘肃兰州 730000;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州 730000)

0 引言

河流泥沙输移是河流中重要的水文现象,它对于河流的变迁有重大的影响。泥沙的多少主要与流域的气候因素、下垫面因素和人类活动有关,时空分布变化与流域内自然因素与人类活动的交互作用密切相关[1～5]。泥沙产生的危害是多种多样和广泛的,泥沙产生危害的形式取决于泥沙的数量和特性,河道中泥沙含量的淤积和冲刷,对防汛、航运、灌溉等带来很多严重的问题。洮河是一条高含沙河流,带来的泥沙占到了刘家峡水库来沙量的 30%以上,对刘家峡电站正常运行和水库综合效益的发挥造成了非常严重的影响。水库内的泥沙淤积一方面减少了水库库容,降低了水电站的蓄水和防洪等效益,影响本河段的工农业设施,另一方面由于坝区的泥沙淤积也将对电站的引水防沙构成威胁,从而影响电站的引水发电效益[6]。因而,开展洮河泥沙方面的分析研究显得很有必要。

1 分析方法

以洮河红旗站 1956～2005年水文监测泥沙资料为依据,统计分析泥沙分布规律;采用非参数 Mann-Kendall趋势分析检验法[7-8]、累积曲线法来分析径流的趋势变化;采用文献[9]中泥沙含量年内不均匀系数、集中度(期)以及变化幅度等不同指标的计算方法,从不同角度分析泥沙年内分布规律;并统计分析洪峰沙峰之间的对应关系,探讨水沙匹配情况。

2 泥沙来源及特征

2.1 泥沙特征

洮河是一条高含沙河流,以多沙著称。从红旗站 1956～2005年 50 a泥沙资料系列来看,多年平均年输沙量2 430×104t,年输沙模数 973 t/km2;实测最大断面平均含沙量 620 kg/m3,最大年输沙量6590×104t。洮河泥沙高度集中,主要产生于主汛期的 6～9月,占到了年输沙总量的 89.6%,其他月份之和仅占全年的 10%左右。

2.2 产沙区基本情况

洮河泥沙主要来源于李家村水文站以下区域。该区域处于甘肃中部干旱黄土山丘区,除河谷地段外,地形破碎,土石裸露,植被很差,水土流失特别严重。汛期暴雨洪水夹杂着大量泥沙泻入河流,使得干流泥沙含量成百倍增长。李家村以下的较大支流进入汛期的第一、二场洪水,或久旱以后的洪水,水流浑浊,泥沙含量很大,常常达到 500 kg/m3以上,成为洮河的主要产沙区域,年输沙量占洮河总输沙量的 78%以上。

在这些高含沙的支流上,从东峪沟临洮站(流域面积 582 km2)近 40a监测资料来看,实测最大断面平均含沙量为 963 kg/m3,多年平均年输沙量 305×104t,占洮河总输沙量的12.6%,年输沙模数5240 t/km2,是洮河流域平均水平的5.4倍,水土流失极为严重。从广通河三甲集站(流域面积1 523 km2)近 40 a监测资料来看,实测最大断面平均含沙量1 260 kg/m3,多年平均年输沙量 265×104t,占洮河总输沙量的10.9%,年输沙模数1 740 t/km2,是洮河流域平均水平的1.8倍,水土流失特别严重。东峪沟和广通河年输沙总量占到了洮河总量的近 25%。

3 泥沙的年际变化

3.1 年际变化分析

根据红旗站 1956～2005年实测泥沙资料,分析计算年平均含沙量和年输沙量特征值,列于表 1。

表1 红旗站泥沙特征值

红旗站多年平均含沙量为 5.14 kg/m3,Cv值为 0.53,最大年份是最小年份的 6.6倍;多年平均年输沙量为2 430×104t,Cv值为 0.71,最大年份是最小年份的 4.6倍。年平均输沙量在 10%、20%、50%、75%和 90%条件下数值分别为4 750×104t、3 710×104t、2 120 ×104t、1 160 ×104t和 500×104t。与径流的年际变化相比,泥沙的变化更为剧烈,年际间波动幅度很大,大小年份交替出现,呈不规则性变化。

3.2 年际变化趋势分析

用 M-K趋势分析 1956～2005年泥沙序列,年平均含沙量系列统计参数为 -0.109,但未通过 90%的置信度检验,说明含沙量年际间减小趋势不明显;年输沙量系列统计参数为-0.232＊,通过 90%置信度检验,说明年输沙量存在减小的趋势,主要与年径流减小有关。

从图 1年平均含沙量差积累计曲线反映出,1985年以前呈锯齿状,没有明显的周期变化,1985～1995年呈上升趋势,1996～2005年呈下降趋势,主要是由于不同时期流域内工程建设增沙和水利水电工程拦沙的结果。

图1 红旗站年平均含沙量差积曲线

3.3 不同时段变化分析

将红旗站 1956～2005年 50 a泥沙资料划分为 5个时段,统计分析各时段与长系列比较、近10a与其它时段比较的变化情况,其结果列于表 2。

表2 红旗站不同时段年平均含沙量比较

从表 2看出,1956～1965年及 1976～1985年基本接近多年情况;1966～1975年及 1986～1995年大于多年均值,尤其 1986～1995年 10a中,含沙量增加较多,高出多年均值35%;1996～2005年较小幅度较大,低于多年均值 32.1%。最近10a比其他各时段含沙量都小,减小的比率在 30%以上,特别是最近10a比相邻的前10a相对减小了近一半。不同时段最大值是最小值的 2倍,充分说明洮河泥沙含量的阶段性变化很大。

3.4 阶段性变化成因分析

洮河泥沙年际变化上虽然不太明显,但不同年代阶段性变化突出。就以十年计的短时间尺度而言,气候的变化是有限的,不可能对流域的水沙关系产生重大影响[10]。近二十年来,洮河流域人类活动通过改变流域下垫面特征使流域自然环境和水文过程发生了较大的改变,植被破坏与恢复,水土流失治理,水利工程拦沙和工程建设增沙,其中人类农业生产活动造成的水土流失和为了防洪、灌溉、发电等需要而建设的水利工程成为最主要的影响因素[11]。

上世纪 80年代以后,随着人口的不断增加和社会经济发展迅速,人类活动对流域下垫面的改变不断加剧。由于采用不合理的耕作制度和方式,盲目地砍伐森林,无计划地开发土地,植被遭到破坏,使地表侵蚀加剧,水土流失严重,河流含沙量显著增大。同时,各行各业工程建设不断增加,施工裸地面积增加,扰动和破坏了原地貌自然侵蚀状态下的系统,植被受到一定破坏,加剧了水土流失,在降雨和人为因素的作用下,使泥沙直接汇入下游的沟道,泥沙含量进一步增加。除在干流河道内大量采沙外,几乎所有的支流上都存在乱采、乱挖、乱建、乱倒现象,盲目开采沙石料,整个河床的自然状态遭到了严重破坏,如遇暴雨,大量泥沙涌入河道,使得泥沙含量成倍增加。

近几年来,洮河流域加大了对水能资源的梯级开发力度,大量泥沙被拦截是导致近十年输沙量减少的主要原因。截至目前,洮河干流上已建成和正在兴建的水电站多达二十余座,修坝建库拦截了水库上游的大量泥沙,导致通过河道进入下游的泥沙减少。同时,近年来,各级政府高度重视流域水土流失的治理,退耕还林,种草植树,调整土地利用方式,在水土保持方面取得了显著的成效,水土流失面积减小,这对洮河含沙量的减小有一定作用。

4 泥沙的年内变化

4.1 不均匀性分析

红旗站不同时段泥沙年内分配不均匀系数 Sv列于表 3。可以看出不同时段含沙量年内分配不均匀系数较大,反映出泥沙在各个时期年内的变化较为剧烈,说明洮河泥沙在年内分配极不均匀。从不同时段相比较来看,1956～1965年年内变化最为剧烈,近 30 a内变化不均匀程度基本一致。

表3 红旗站不同时段泥沙年内分配不均匀系数

4.2 集中程度分析

红旗站不同时段泥沙年内分配集中度 Sd和集中期 D列于表 4。可以看出,一年中最大月泥沙含量不同时段出现在6月下旬或 7月上旬,高度集中在15d左右,集中期的泥沙值占到年总值的 70%以上,近 30 a来占到了 76%以上。说明洮河泥沙含量呈现高度集中的特点,同时也反映出洮河中下游地区春季干旱,夏初少雨,6月底进入雷阵雨多发期的气候特征。

表4 红旗站泥沙年内分配的集中度及集中期

4.3 变化幅度分析

用最大月泥沙含量与最小月泥沙含量之比 Sr和最大与最小月泥沙含量之差 Sa来分析泥沙年内分配变化情况,不同时段泥沙年内分配变化 Sr和Sa计算结果列于表 5。

表5 红旗站泥沙年内分配变化幅度

从计算结果看出,不同时期年内最大与最小月泥沙含量的相对、绝对变化幅度很大。1986～1995年相对幅度最小,绝对幅度最大,1996～2005年绝对幅度最小。这也从另一方面反映出不同时期人类活动对泥沙年内分配的影响。1986～1995期间,由于工程建设增沙的影响,各月含沙量相对较大,使得相对变化幅度减小,而绝对幅度变大;1996～2005年期间,由于水利工程拦沙的影响,各月含沙量相对较小,使得相对变化幅度增大,而绝对变化幅度减小。

4.4 月分配分析

经对红旗站不同时段逐月输沙量分析,月分配比例基本相近,表现出年内分布高度集中,极不均衡的特点。就多年平均情况而言,11～3月的枯水时期,河水清澈,径流较小,输沙量仅占年输沙量的 0.86%;4月份由于冰雪消融,产生春汛,含沙量有所增大,占年总数的 1.42%;5月份由于局部降水的影响,河流泥沙含量增加,占到年总数的 5.81%;6～9月的暴雨季节,大量泥沙随水流进入河道,为输沙量最大的时期,占到了年总数的 89%以上,其中 8月份占的比重最大,为全年的 35.1%;10月份随着强对流天气的结束和径流的逐渐消退,含沙量减小,月输沙量只占年总数的 2.29%。

5 水沙匹配分析

5.1 水沙分布情况

洮河流域地跨两大地貌单元,水沙异源特别明显。岷县以上控制面积占全流域的 60%,产水量占全流域的 70%以上,产沙量仅占 10%,是洮河的主要产水区;李家村以下区间面积占全流域的 21%,产水量占全流域的 13%,而产沙量占78%以上,是洮河的主要产沙区。产水区和产沙区的分布非常明显。

5.2 水沙匹配分析

洮河由于水沙异源的特性,决定了年洪峰流量和年最大含沙量之间对应关系很弱,在 50 a系列中,14 a沙峰在洪峰之前出现,36 a沙峰和洪峰处在不同的洪水场次中。洮河水沙的空间分布不均衡及水沙异源的特性,造成下游的沙峰与洪峰在量级上和时间上关系甚微且不同步。

就同场洪水沙峰与洪峰来说,洪峰与沙峰的相对关系一般可分为三种情况:(1)洪峰在前沙峰在后。在 1956～2005年的 50场年最大洪水中,有 8场是洪峰先于沙峰到达红旗断面,占总数的 16%。这种情况下,洪水在传播过程中,沙峰的传播时间稍大于洪峰的传播时间,沙峰滞后约 1～3 h。(2)沙峰在前洪峰在后。据所统计的洪水中沙峰先于洪峰到达红旗断面的有 39场,占 78%。沙峰提前的时间远近不等,一般情况下,如果是中上游产生的洪峰,则往往提前 1d以上,如果是中下游支流产生的洪峰,通常提前 0.5～4h左右。(3)沙峰与洪峰完全同步,在本次统计中仅有 3场洪水的沙峰与洪峰同时到达红旗站,仅占 6%。

5.3 不同步原因分析

洪峰与沙峰出现时间不一致的原因是多方面的,从理论上讲,河道洪水的流动属于不稳定流,洪峰是以波的形式传播,而泥沙运动则与水流平均流速有关,泥沙沿程传播的规律受水沙特性和河道边界条件共同作用,其规律极为复杂[12]。

洮河沙峰与洪峰不同步除理论上的原因外,主要是由于下游地区产流产沙本身的规律和沙峰洪峰来自不同的区域所决定的。洮河较大的沙峰过程来自下游的支流,受暴雨局部性的影响,若一条支流发生洪水,则在红旗产生一个沙峰过程,若多条支流发生洪水,则在红旗站生成复式沙峰过程,其大小取决于各支流泥沙相互叠加的情况,关系甚为复杂。来自中上游的洪峰过程本身与下游的沙峰过程没有多大关系,由于演进距离的不同,下游沙峰要先于中上游洪峰到达红旗断面,提前时间随不同情况而异;下游区间某一条支流很难在红旗站产生较大洪峰过程,年最大洪峰通常是由多条支流共同作用的结果,沙峰主要由产生最大含沙的支流决定,通常提前或滞后,但与洪峰相距很近;下游区间未发生洪水,洪峰与沙峰全部由中上游生成,含沙量较小,一般情况下红旗站沙峰与洪峰同步出现或沙峰稍有滞后。随着中游水电站的建设,水电站的泄洪冲沙将对红旗站的沙峰与洪峰的匹配关系产生较大的改变。