水土保持措施对秃尾河径流的影响*

白桦,穆兴民,2,王双银

(1.西北农林科技大学,陕西杨凌712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100)

黄河河龙区间是我国水土流失最为严重的地区,对该区水土保持措施水文效应的评价不仅对指导水土流失治理和防洪减灾工作,而且对完善水土保持学科都具有理论和实践意义。水土保持措施的减水减沙效应是衡量水土保持生态效益的重要指标,其研究方法主要有水文模型法、水保法、水文法,三种方法均认为天然状态下径流序列的选取非常重要。人们通常采用数理统计或双累计曲线法确定径流序列突变点,以区分“天然”和“人为”两个阶段[1]。汪岗等分析了黄河主要支流近50 a径流序列突变点、趋势及驱动因素[2-7],指出在水土保持措施及降水减少两因素影响下,径流量已经表现出减少。但仍缺乏两因素水文效应定量评价及比较,对径流量的分析也未考虑年内降水极端事件的影响。通过计算降水波动引起的径流变化量,分离出水土保持措施对径流量的影响;划分相似降水组,比较组内年径流量突变点前后洪水要素及洪水过程的变化,以揭示水土保持措施对场次洪水的影响。

1 流域概况

秃尾河发源于陕西省神木县瑶镇乡宫泊海子,由西北向东南流经神木、榆林、佳县等3县16个乡(镇),于神木县的万镇河口岔汇入黄河。干流长139.6 km,平均比降3.12%,流域面积3 295 km2。秃尾河流域在1965年以前只有高家堡和高家川2处水文站,1966年以后雨量站陆续增设到6～10处。流域多年平均降水量417.4 mm(1956-2000年),主要集中在汛期。植被带为干旱草原与森林草原植被的过渡带。流域可分为4个地貌类型区:草滩区、流动风沙区、盖沙区、黄土丘陵区。流域内水土流失严重,年均输沙量0.22×108t,至1996年底,秃尾河流域水土流失治理面积占整个流域的35.1%,且主要以林地措施为主,其面积占整个流域的31.4%。流域内经济发展较快,分布有陕北能源重化工基地,蕴含煤炭、天然气、石油资源,出产丰富的农畜林产品,集中了一批重点企业。

2 研究资料与方法

2.1 研究数据

研究数据为黄河流域水文年鉴中秃尾河流域公草湾、高家堡、高家川站1956-2003年水文资料,包括降水、径流、暴雨、洪水资料,其中年际变化分析及双累计曲线采用流域1951-2008年水文资料。流域面降水量由泰森多边形法求得,缺少的年份降水依据榆林站延展。洪水资料从洪水过程线分割得到,对应暴雨资料参照分割出的洪水从降水量摘录表中划分而来。

2.2 研究方法

相似降水的确定标准:降水是产流的动力,降水量及其时空分布影响径流量及流量过程。考虑到黄河河龙区间降水多为暴雨,产流方式以超渗产流为主,相近年份下垫面变化小等原因,相似降水的确定主要考虑年份、降水量、降水历时、降水强度、最大时段降水量、雨峰历时、雨峰强度这些因素。

秃尾河流域暴雨中心区位于高家堡以上地区时,即使降水量较大,所产生的地表径流也很小[8],所以次降水要素的计算仅采用高家堡、高家川站降水资料,距离年径流量突变点一定的时间间隔,取突变点前后各约10 a的暴雨及洪水资料,分析次暴雨的降水量、降水历时、降水强度、最大时段降水量、雨峰历时、雨峰强度,并以两站在黄土丘陵区所占面积比例计算面上均值。根据统计出的降水量排序,并以各降水要素接近为原则划分相似降水组,对比分析相似降水组内突变点后洪水总量、洪峰流量及洪水过程相对于突变点前的变化,定量评价水土保持措施对次洪水的影响。

3 结果与分析

3.1 降水特征分析

对比流域内各站年降水量,结果表明:流域上游降水量较中下游小,高家堡站丰水年和平水年的设计年及汛期降水量较大,高家川站枯水年的设计年及汛期降水量较大。

3.1.1 降水量年内分配特征 对流域年平均降水量进行频率分析,得到25%、50%、75%频率下秃尾河设计年降水量分别为480 mm、380 mm及300 mm,见图1。降水量年内分配不均,主要集中在6-9月。3种设计年连续最大三个月降水量占年降水量比例分别达63.9%、67.6%、74.6%,实测多年平均汛期(7-9月)降水比例为64%,各年的月降水量变差系数变化为1～1.9。

图1 秃尾河流域不同频率设计降水量年内分配

3.1.2 降水量年际变化特征 由各水文站及流域逐年平均降水量过程线看出:各站年降水量变化趋势基本一致,流域最大、最小年降水量分别为714.4 mm(1967年)、119.9 mm(1965年),极值比是6.0,见图2。流域年平均降水量变差系数为0.28,各站汛期(6-9月)降水量极值比在12.2～16.9之间变化,说明流域年平均降水量年际变化大,汛期降水量年际变化更剧烈。

年降水量具有明显的阶段性变化特征,采用距平累积曲线方法分析降水量的阶段性变化特征[9]。年降水量距平累积变化曲线见图3,按照曲线至少连续出现5 a的变化趋势,可将整个年降水量序列分为如下时段:2个显著的枯水段,即1951-1957年、1971-1999年。2个显著的丰水段,即1958-1970 年、2000-2004年 。

图2 秃尾河及各测站年降水量过程线

图3 秃尾河流域年降水距平累计变化

3.2 径流特征分析

3.2.1 径流量年内分配特征 对流域把口站高家川站年平均流量进行频率分析得到25%、50%、75%频率的高家川站设计年平均流量分别为12.6 m3/s、10.6 m3/s、9.0 m3/s,见图4。径流分配具有双峰型的特点,峰值分别出现在3月和7月,最丰月出现在7-8月,最枯月出现在1月和5月,各设计年连续最大3个月径流量比例稳定在0.37左右。多年平均汛期径流量比例为0.31,各年的逐月径流量序列变差系数为0.15～0.89,反映出径流量年内分配不均。对比降水和径流,汛期径流量比例与各年的逐月径流量变差系数均小于降水对应值,说明虽然径流年内分配不均,但相对于降水波动较小,反映了降水年内分配的不均匀性受到了下垫面的调节。

图4 高家川站不同频率设计径流年内分配变化

3.2.2 径流量年际变化 高家堡、高家川站年平均流量过程线表明:两站年平均流量均呈现明显减小趋势,最大、最小年平均流量分别为 13.5 m3/s、6.1 m3/s;17.0 m3/s、6.2 m3/s,见图 5。两站年径流量变差系数均为0.24,年及汛期径流量极值比分别为2.2,4.5;2.7,6.2。结果表明:径流量年际变化大,汛期径流量年际变化更剧烈。M-K检验证实高家川站不同时段径流序列下降趋势显著。依据高家川站径流距平累积图(见图6)可将年径流量序列分为以下时段:1个明显丰水段为1956-1972年,1个明显平水段为1973-1980年,1个明显枯水段为1981-2003年。对比降水与径流,年径流量极值比、变差系数均小于降水对应值,说明径流量年际波动较小,体现出下垫面的调节作用。降水与径流序列丰枯基本同步,在70年代出现偏差,是由年内暴雨特性不同及下垫面变化导致。

图5 秃尾河研究水文测站流量过程线

图6 高家种站径流距平累积图

3.3 水土保持措施对径流的影响

3.3.1 水土保持措施对月、年径流量的影响 影响径流量的因素主要包括气候、地质地貌及人类活动。查阅资料可知秃尾河无大型水利工程,几十年内地质地貌基本没有变化,水土保持措施是人类活动中影响径流的主要因素[7]。根据双累积曲线理论和方法,从年或汛期降水量与径流量双累计曲线可以得出:年及汛期降水量分别在1977年和1971年后出现明显降低,根据产流系数α的定义,R=P×α,两边求导并以差分形式给出,即

式中:ΔP×α——降雨波动引起的径流量变化量;P×Δα——下垫面变化引起的径流量变化量。

由年径流量突变点,结合相似降水分析期确定原则,选取1962-1976年和1977-1989年两个研究时段,对1977-1989年多年平均情况下的年、各月、连续最大四个月(7-10月)及枯水期(11月-翌年6月)径流量利用ΔP×α进行修正。修正后,后期多年平均径流深为124.6 mm,年径流深序列变差系数为0.09,而前期年径流深为150.1 mm,径流深序列变差系数为0.16;两时段多年平均各月径流量见图7,1977年前后多年平均连续最大4个月径流量占年径流量比例由44%下降到40%,多年平均枯水期径流量比例由56%上升到60%。结果表明:水土保持措施使多年平均径流量减少,各月径流量均化,汛期径流量占年径流量比例减少,枯水期径流量比例增加,径流双峰型特征变为多峰型,径流量年际变化波动幅度减小。

3.3.2 暴雨洪水特性 黄土高原的土壤侵蚀及河流洪水往往是由几场明显的暴雨所产生,因此,分析暴雨洪水及其对水土保持措施的响应对指导区域防洪及水土流失治理具有重要意义[10-11]。统计1965-1975年(缺1971年)秃尾河及各测站暴雨洪水资料,结果表明:秃尾河流域暴雨次数少、总量小、历时短,且主要集中在7-8月,占全年降水量的55.9%。时程分布不均,例如高家川站670820号洪水对应暴雨历时26.5 h,暴雨量83.5 mm,其中19日20:04～4:20暴雨量为46.8 mm;空间分布不均,650727号洪水对应公草湾站降水量0.6 mm,高家川站降水量30.4 mm,高家堡站无降水。最大洪峰流量为3 101 m3/s,出现在660714号洪水中。大于 1 000 m3/s洪水8场,洪水历时较短,洪峰滞时差异大。

图7 秃尾河年平均流量序列转折点前后月径流分配变化

3.3.3 水土保持措施对场次洪水的影响 划分相似降水组,比较1977年前后洪水总量、洪峰流量变化,见表1。结果表明:各相似降水组中1977年后场次洪水的洪水总量及洪峰流量相对于1977年前衰减幅度为50%～97%和68%～90%,反映水土保持措施削减洪水总量及洪峰流量。对比分析相似降水组中次洪水过程线,见图8-12,结果表明水土保持措放使洪水过程均化。

表1 相似降水组下前后期洪水要素对照表

图8 相似降水下场次洪水对照图(1组)

图9 相似降水下场次洪水对照图(2组)

图10 相似降水下场次洪水对照图(3组)

图11 相似降水下场次洪水对照图(4组)

图12 相似降水下场次洪水对照图(5组)

4 结论

(1)流域降水量及河道径流量年际及季节分配不均。流域降水量季节分配不均,主要集中在6-9月,年际变化大。河道径流量季节分配不均,且具有双峰型特点,年际变化大,但波动均比降水小,因其受到了下垫面的调节,不同时段径流序列有显著下降趋势。降水径流丰枯时段在70年代不同步,是年内暴雨特性不同及下垫面变化导致的。

(2)水土保持措施使年径流量减小,季节分配均化,年际波动减弱。年径流量在1977年后出现减小趋势。水土保持措施使多年平均情况下年径流量减少,各月径流量均化,汛期径流量占年径流量比例减少,枯水期径流量比例增加,径流季节分配双峰型特征变为多峰型,年径流量序列变差系数减小。

(3)流域暴雨次数少、总量小、历时短,且主要集中在7-8月,时空分布不均。最大洪峰流量为3 101 m3/s,出现在660714号洪水中,大于1 000 m3/s洪水8场,洪水历时较短,洪峰滞时差异大。

(4)水土保持措施削减洪水总量及洪峰流量,并使洪水过程均化。相似降水条件下,年径流量突变点后的洪水总量及洪峰流量相对之前衰减幅度为50%～97%和68%～90%,场次洪水过程相对之前均化。

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