黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域水沙特性分析

2014-04-03安乐平秦瑞杰康廷祥

中国水土保持 2014年12期

安乐平，秦瑞杰，康廷祥，韩冀

(黄河水利委员会天水水土保持科学试验站，甘肃天水 741000)

罗玉沟流域是黄土丘陵沟壑区第三副区典型小流域，20世纪80年代中期开始，黄河水利委员会天水水土保持科学试验站(以下简称天水站)在该流域布设了雨量站、把口站，进行了降雨、径流、泥沙观测，开展了小流域水土流失规律研究，积累了丰富的系列实测资料，为探索“丘三区”典型小流域水土流失规律提供了基础数据支持。随着经济社会的快速发展，该流域土地利用发生了较大变化，特别是近10年来流域内治理水平明显提高，下垫面条件发生了较大变化，加之生产建设活动增多，对流域产水产沙产生了较大影响。为了进一步分析流域水沙变化情况，以罗玉沟流域1986—2010年系列资料为依据，在全面调查、广泛收集资料的基础上，对流域水沙特性及其相关关系进行了分析，研究结果对进一步促进“丘三区”乃至整个黄土高原地区水土保持生态建设快速、持续、健康发展意义重大。

1 流域概况及研究方法

罗玉沟是渭河支流耤河左岸的一条支沟，发源于天水市麦积区新阳镇凤凰山南麓[1]，由西向东在天水市秦州区东关注入耤河，主沟道长21.81 km，平均比降3.35%。流域面积72.79 km2，位于陇西黄土高原与陇南山地的过渡地带。年降水量552.5 mm，年蒸发量1 293.3 mm，年均气温10.7 ℃，≥10 ℃活动积温3 360 ℃，无霜期184 d。大致可分为土石山区、杂色土区、黄土区三个类型区[2]，根据土壤的形成过程、发育阶段和发育程度，考虑到土壤侵蚀作用引起的肥力变化和演变，划分为山地褐色土类(Ⅰ)、山地灰褐土类(Ⅱ)和冲积土类(Ⅲ)等3个土类[3]。据2009年遥感调查结果，流域内植被覆盖率为21.5%。

以罗玉沟流域25年来实测水文泥沙资料为基础数据，采用线性回归等统计分析方法，对流域降水、径流、泥沙特征及其相关关系进行分析。

2 基本资料的获取与整理

水文资料主要包括降水、径流、泥沙观测资料，资料系列为1986—2010年共25年。降水资料来源于天水站在罗玉沟流域内布设的13个雨量站，径流和泥沙资料来源于罗玉沟把口站左家场站观测资料及整编成果[4]。

1986—2010年罗玉沟流域降水、径流、泥沙资料来源清楚，数据可靠，保存完整，整编规范。经考证，从建站开始观测到2010年底，流域沟口站未发生站址变迁和断面位置变化，个别雨量站曾迁址，但变迁后的站址与原站址相距不远，对雨量观测影响甚微，因此认为流域观测资料系列具有较好的完整性和一致性。

3 流域水沙特征

3.1 降水特性

罗玉沟流域多年平均降水量552.5 mm。降水量年际变化大，最大年(2003年)降水量841.4 mm，最小年(1997年)降水量378.2 mm，最大值是最小值的2.2倍。降水在年内分配不均，汛期(5—10月)降水量455.1 mm，占年降水量的82.4%，7—9月降水量260.5 mm，占年降水量的47.1%。年内各月降水量分布极不均匀(表1)，最大月降水量出现在8月，占年降水量的16.5%；其次是7、6月，分别占年降水量的16.4%、14.5%；最小月降水量出现在12月，仅占年降水量的0.9%。结合流域内各雨量站多年平均降水量和各站点高程发现，随高程增加降水量也有所增加，降水量最大值出现在流域上游的石山下站，最小值出现在高程最低的沟口站。从多场单次降水空间分布来看，罗玉沟流域的暴雨中心位于石山下—廖家陷—马周—吊沟门一带[5]。

表1 罗玉沟流域降水量年内分配情况

3.2 径流、泥沙特性

据1986—2010年沟口站实测资料统计，罗玉沟多年平均径流量为201.33万m3，径流模数为27 659 m3/km2。径流在年内分配不均，主要集中在汛期，汛期径流量169.81万m3，占年径流量的84.34%；最大月径流量出现在8月，占年径流量的22.95%；其次为7、10月，分别占年径流量的18.09%和12.55%；最小月径流量2.48万m3，出现在12月。径流年际变化也很大，最大年(1988年)径流量为682.24万m3，最小年(2010年)径流量为13.57万m3，最大值是最小值的50.28倍。

罗玉沟流域多年平均输沙量为33.831万t，输沙模数4 648 t/(km2·a)。沙量在年内集中，年际差异较大。流域侵蚀产沙过程主要集中在汛期的6个月，而汛期的输沙量又往往集中于几场大暴雨洪水过程中。年汛期输沙量高达31.323万t，占年输沙量的92.6%，尤其是6—8月输沙量24.196万t，占年输沙量的71.52%。最大月(8月)输沙量11.424万t，占年输沙量的33.77%；最小月(12月)输沙量0.009万t，仅占年输沙量的0.03%。沙量年际变化也很大，罗玉沟沟口站实测最大年(1988年)输沙量为162.38 万t，最小年(2010年)输沙量为0.59万t，最大值与最小值之比为275.2。罗玉沟流域径流、泥沙年内分配情况见表2。

表2 罗玉沟流域径流、泥沙年内分配情况

4 水沙关系分析

4.1 降水产流关系

点绘罗玉沟流域1986—2010年降水量与径流量过程线(图1)，径流量变化趋势与降水量变化基本一致。点绘年降水量-年径流量、汛期降水量-年径流量、有效降水量-年径流量、次降水量-次洪水径流量散点图，进行回归分析，建立它们之间关系，见表3。由表3可以看出，年降水量-年径流量、汛期降水量-年径流量、有效降水量-年径流量之间为线性关系，次降水量-次洪水径流量之间为指数函数关系，尤其是年降水量-年径流量具有较好的相关性，相关系数为0.765 0。

4.2 降水产沙关系

4.2.1 年降水产沙关系

1986—2010年罗玉沟流域各年输沙量和降水量过程见图2。从图2可看出，一般年降水量大则年输沙量也大，反之亦然。其中1993—1997、2008—2010年输沙量呈递减趋势，这与降水量减少的趋势基本一致，但输沙量的减少趋势较降水量更为显著。分别点绘年降水量-年输沙量、汛期降水量-年输沙量、有效降水量-年输沙量、次降水量-次洪水输沙量散点图，进行回归分析，建立它们之间的关系，见表4。从表4可以看出，汛期降水量-年输沙量有较好的相关性，相关系数R为0.706 7，说明汛期降水量对年输沙量的影响比较显著。

图1 罗玉沟流域1986—2010年降水量与径流量过程线

表3 罗玉沟流域降水产流关系

图2 罗玉沟流域1986—2010年降水量与输沙量过程线

表4 罗玉沟流域降水输沙关系

4.2.2 次降水输沙关系

为进一步研究次降水与侵蚀产沙的关系，对1986—2010年罗玉沟流域各年典型次降水特征进行了统计，见表5。从表5可以看出，次降水量20～60 mm的降雨出现次数最多，有18次，占总次数(26次)的69%；80～100 mm降雨时平均洪水径流量和输沙量最大，为145.4万m3和44.8万t；40～60 mm降雨时平均含沙量最高，为394.67 kg/m3。对次平均降水量-次洪水径流量、次平均降水量-次洪水输沙量、次洪水径流量-次洪水输沙量进行回归分析[6](表6)，结果表明：次平均降水量与次洪水径流量、次洪水输沙量之间呈指数函数关系；次洪水径流量与次洪水输沙量之间呈线性相关关系，且相关性显著，相关系数为0.988 3。

表5 1986—2010年罗玉沟流域典型次降水特征值

表6 罗玉沟流域次降水径流泥沙关系

4.2.3 典型暴雨产沙特性

选择罗玉沟流域4场典型暴雨(1987年4月19日、1988年8月7日、1999年8月17日、2001年6月15日)分析典型降雨侵蚀产沙过程，以及流域侵蚀产沙的空间差异性。4场典型暴雨特征见表7，洪水特征见表8。根据罗玉沟流域25年实测洪水资料统计，流域内由暴雨所形成的洪水一般都呈现峰高、量小、历时短的特点，且陡涨陡落，多为单峰。洪峰流量最大的是19880807和20010615洪水，实测值分别为584和552 m3/s。次洪水总历时26.3～72 h，上涨历时平均35 min左右，最短10 min，最长达80 min[7]。次洪径流系数一般大于20%，比较典型的如20010615洪水的径流系数高达49%[8]。

据流域典型洪水输沙资料的统计分析，一次洪水总量可占年径流总量的30%～40%，这对流域年径流量来讲影响并不十分显著，但从次洪水的输沙量来看，一次洪水的输沙总量能占到年输沙总量的60%以上。如1987年4月19日和1988年8月07日两次洪水的径流量分别占年径流量的33%和39%，而次洪输沙量则分别占年输沙量的64%和60%，可见洪水输沙量对流域年输沙量的影响十分明显。

4.2.4 径流泥沙关系

点绘年径流量-年输沙量、汛期径流量-年输沙量、汛期径流量-汛期输沙量散点图，进行回归分析，结果见表9。由表9可以看出，径流与输沙具有显著相关性，相关系数R均在0.85以上。