孤山川流域1980s以来次降雨-产流-产沙变化

罗 娅, 杨胜天, 刘晓燕, 周 旭,4, 金双彦, 张亦弛, 陈 珂

(1.北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 遥感科学国家重点实验室, 环境遥感与数字城市北京市

重点实验室, 北京100875; 2.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001; 3.黄河水利委员会,

河南 郑州 450003; 4.西华师范大学 国土资源学院, 四川 南充 637009; 5.黄河水利委员会 水文局, 河南 郑州450004)



孤山川流域1980s以来次降雨-产流-产沙变化

罗 娅1,2, 杨胜天1, 刘晓燕3, 周 旭1,4, 金双彦5, 张亦弛1, 陈 珂1

(1.北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 遥感科学国家重点实验室, 环境遥感与数字城市北京市

重点实验室, 北京100875; 2.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001; 3.黄河水利委员会,

河南 郑州 450003; 4.西华师范大学 国土资源学院, 四川 南充 637009; 5.黄河水利委员会 水文局, 河南 郑州450004)

摘要：[目的] 研究入黄支流降雨—径流—产沙变化规律,揭示黄河水沙变化成因。[方法] 获取孤山川流域1985—2010年115场降雨事件数据,运用径流系数、产沙系数和弹性系数指标,分析孤山川流域近30年降雨—产流—产沙变化。[结果] (1) 与1980s相比,1990s的降雨多为短历时、弱雨强类型,2000s的降雨多为长历时、中雨强类型;2000s的降雨—产流能力和降雨—产沙能力减小最为突出,其平均径流系数、平均产沙系数分别约为1980s的50%和23%。(2) 1980s—1990s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为0.13，4.21；1980s—2000s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为1.73，6.19。(3) 径流系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.662 3,-0.911 4,-0.801 0和-0.821 4,产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.887 7,-0.998 5,-0.962 9和-0.971 7。[结论] 1980s以来,孤山川流域的降雨—产流能力和降雨—产沙能力发生明显变化,尤其2000年后的变化最为突出;降雨—产沙能力比降雨—产流能力对雨强变化更为敏感;植被盖度变化是下垫面因素中影响孤山川流域产流产沙能力变化的主要原因。

关键词：降雨—径流—产沙关系; 次降雨; 孤山川

黄河的水沙变化规律是制定治黄方略的重要参考依据，受到中国水资源管理部门的高度重视。自1970s以来，黄河实测径流量和输沙量逐渐减少[1-2]。以位于黄河中游的河口镇—龙门区间(简称河龙区间)为例，与1950—1969年平均值相比，20世纪70年代、80年代、90年代(1990—1996年)、近期(1997—2006年)河龙区间年均径流量分别减少了1.935×109，3.615×109，1.515×109，4.360×109m3；年均输沙量分别减少了2.40×108，6.23×108，4.77×108，7.77×108t[3]。研究入黄支流的降雨—径流—产沙变化规律，对于揭示黄河水沙变化成因，优化治黄方略有着重要意义。

黄土高原的水土流失主要由少数几场暴雨产生[4-5]。气候变化会引起雨强、降雨历时等降雨特征的变化，从而成为黄河水沙变化的原因之一[6-7]。了解气候变化导致的次降雨特征(降雨历时、雨强等)变化，进而分析降雨变化对流域产流产沙的影响，是研究气候变化对黄河水沙变化贡献度的重要途径和切入点。

近年关于黄河流域降雨—径流—产沙关系变化的研究，主要从两方面开展：一是通过统计坡面尺度的次降雨—径流事件,研究坡面尺度水沙随降雨历时和雨强的变化[8-11]；二是分析流域尺度或区域范围的日(月、年)降雨—径流—产沙长时间序列数据，获知流域尺度或区域范围的水沙随降雨的变化规律[12-15]。可看出，前者能较好地阐释坡面尺度降雨特征对水沙变化的影响，但由于尺度效应的存在，难以揭示大中空间尺度水沙变化对降雨变化的响应机制；后者能较好地反映出流域(或区域)尺度水沙与降雨的多年变化规律，但由于基础数据的时间步长多为日(月、年)，难以精细刻画降雨历时、雨强等降雨特征变化对流域单元产流产沙的影响。通常情况下，黄土高原的一场降雨通常在数小时甚至更短时间内就可完成。因此，要分析降雨变化对流域产流产沙的影响，有必要对流域单元长时间序列次降雨事件中的降雨、产流、产沙观测数据开展深入研究。

本文整理分析孤山川流域1985—2010年的次降雨资料，以期达到如下目标：针对雨量站和水文站数据记录时间精度不一的问题，通过数据重采样，将降雨摘录数据和洪水水文要素数据统一为小时时间步长；基于时间步长一致的降雨摘录和洪水水文要素数据，分析1980s，1990s和2000s这3个时期的次降雨变化及其对产流产沙的影响，从而为揭示气候变化与人类活动对黄河水沙变化的贡献率提供参考。

1研究区概况

孤山川位于黄河中游多沙粗沙区，东经110°31′—111°04′，北纬39°0′—39°27′，沟壑密度为5.58 km/km2[16]。流域面积1 263 km2(高石崖水文站以上)，海拔796 m～1 402 m。年均降雨量410 mm，约75%的径流量和99%的产沙量产生于雨季[17]。流域90%以上的地区被黄土所覆盖，水土流失严重。自1970s以来，孤山川径流量和输沙量持续减少：1970—1979年，年均来水9.794×107m3，年均来沙2.969×107t；1980—1989年，年均来水5.515×107m3，年均来沙1.279×107t；1990—1999年，年均来水5.234×107m3，年均来沙1.130×107t；2000—2010年，年均来水1.771×107m3，年均来沙2.01×106t。孤山川流域的水沙变化代表着黄河中游的水沙变化情况，研究其次降雨的降雨—径流—产沙关系，将有助于厘清黄河水沙变化成因。

2方法与数据

2.1　降雨摘录与洪水水文要素数据重采样

由于各时期的雨量站和水文站数据记录时间精度不一，时间间隔不同，为保证降雨记录与洪水水文要素记录在时间上能匹配对应，分别对降雨摘录数据和洪水水文要素数据进行时间重采样，生成时间步长为1小时的降雨和水文要素数据，从而为后期降雨—径流—产沙变化分析提供数据基础。

2.1.1降雨摘录数据时间重采样通过式(1)和(2)，对降雨摘录数据进行时间重采样：

(1)

式中：R5mini,j——某降雨记录5 min内降雨量平均值；Rx1-x2——某降雨记录内降雨总量(mm)；x1,x2——某时段降雨记录起止时间(min)。下同。

(2)

式中：Ri——重采样后第i小时内的降雨总量(mm)。

2.1.2洪水水文要素数据时间重采样通过式(3)和(4)，对洪水水文要素数据中的流量和含沙量2个数据进行时间重采样：

(3)

式中：Rti——重采样后ti时刻瞬时观测流量(m3/s)或含沙量(kg/m3)； t1,tn——相邻两条数据的观测记录时刻； Rt1，Rtn——t1,tn这2个时刻对应的瞬时流量或含沙量观测数据。

(4)

式中：Ri——第i小时内的平均流量或含沙量(m3/s)；R6mini,j——第i小时内，第j个6 min内的平均流量或含沙量(m3/s)。

2.2　降雨-径流(产沙)事件遴选

由于记录误差的存在，常会出现降雨、径流(产沙)观测数据在时间上不匹配的现象，从而影响降雨—径流—产沙关系的有效分析。为保证所选降雨、径流(产沙)观测数据的有效性，所选降雨—产流(产沙)事件有如下规定。

(1) 降雨事件规定。只要流域内任意雨量站有降雨记录，则认为流域有降雨事件发生。

(2) 降雨—产流事件历时。降雨起始时刻至洪水退却时刻所经历的时间。以1990年9月4日的降雨—径流事件为例(图1)：降雨起始时刻为9月4日06:00，洪水退却时刻为9月5日09:00，则该降雨—产流事件历时为27 h。

图1　孤山川1990年9月4日至5日降雨-产流过程

2.3　降雨-径流-产沙特征指标

将重采样后的降雨数据与洪水水文要素数据按时间先后排列，获取流域各场降雨的雨量、流量、输沙量等数据，为分析流域降雨—径流—产沙关系提供基础。

2.3.1降雨特征雨量、降雨历时和降雨强度是次降雨的最基本特征。由于雨量本身就是降雨历时和降雨强度的乘积，为避免重复，直接选用降雨历时和降雨强度两个指标表示流域的降雨特征。其中，降雨历时是指流域一次降雨的持续时间，即流域内任意雨量站有降雨到所有雨量站降雨停止所经历的时间(h)。降雨强度指流域在单位时间内的面降雨量(mm/h)。

面降雨量可用算术平均法[18]和反距离加权空间插值法[19]计算。通过随机抽样14场降雨，将2种方法计算的面雨量加以对比，结果显示R2为0.986，可看出2种方法的计算结果基本相同(图2)。考虑到所选次降雨事件较多，本研究选用较简单的算术平均法计算流域面雨量。

图2　两种方法计算流域面雨量的结果对比

2.3.2降雨—产流能力选取径流系数表示流域的降雨产流能力，用以反映不同时期的降雨—产流关系。径流系数指降雨—径流事件历时内的径流深(mm)与降雨量(mm)的比值，单位为%。公式为：

(5)

式中：RCi——第i场降雨的径流系数(%)；TRi——第i场降雨的径流量深(mm)；Pi——第i场降雨的面雨量(mm)。RCi越大，次降雨的产流能力越强。下同。

2.3.3降雨—产沙能力借鉴刘晓燕[20]等提出的产沙系数概念，并对其进行修正，作为表示流域降雨产沙能力的指标，用以反映不同时期的降雨产沙关系。次降雨产沙系数可通过式(6)获取：

(6)

式中：SCi——第i场降雨的产沙系数〔t/(km2·mm)〕；sedi——第i场降雨的总产沙量(由于研究区梯田、水库、淤地坝等拦截的沙量较少，在此用实测输沙量代替(t)；A——流域面积(km2)； 越大，次降雨的产沙能力越强。

2.4　数据来源

选取水利部门监测发布的1985—2010年雨量站降雨摘录数据与水文站洪水水文要素数据作为次降雨—产流—产沙变化分析的数据源。其中，降雨数据来源于孤山川流域及其周边14个雨量站的降雨摘录数据，流量和含沙量等径流产沙数据来源于高石崖水文站洪水水文要素数据。

将符合降雨—径流(产沙)事件遴选条件的115场降雨作为研究孤山川流域1980s以来降雨—径流—产沙变化的基础资料，并将其分为1980s(1985—1989)，1990s(1990—1999)，2000s(2000—2010)这3个时期加以统计分析(表1)。其中，1980s收集到5年22场降雨资料，1990s收集到10年54场降雨资料，2000s收集到11年39场降雨资料。

3结果分析

3.1　次降雨特征变化

统计每场降雨的降雨日期、起讫时间、面雨量，计算出每场降雨的降雨历时与雨强，进而运用算术平均方法，获取孤山川流域每年次降雨的平均历时与雨强等降雨特征(图3)，用以反映次降雨的变化。

由图3可看出，1980s,1990s,2000s孤山川流域次降雨的平均降雨历时为23, 21, 25 h，平均雨强分别为1.26, 1.04, 1.1 mm/h。结果表明，与1980s

相比，1990s的降雨多为短历时、弱雨强类型，而2000s的降雨多为长历时、中雨强类型。

表1　孤山川流域降雨-产流-产沙事件统计

图3　孤山川流域次降雨特征变化(平均历时和平均雨强)

3.2　次降雨-产流能力变化

统计每场降雨的降雨量和总径流量，通过式(5)，计算出每场降雨的径流系数，进而通过算术平均方法，获取孤山川流域每年次降雨的平均径流系数(图4)，用以反映次降雨的产流能力变化。

由图4可看出，1980s，1990s，2000s孤山川流域次降雨的平均径流系数分别为19.34%，18.89%，9.24%。结果表明，与1980s相比，1990s的降雨—产流能力未发生明显变化，而2000s的降雨—产流能力减小较为明显，其平均径流系数仅约为1980s的50%。

图4　孤山川流域次降雨-产流能力变化

3.3　次降雨-产沙能力变化

统计每场降雨的降雨量和总输沙量，通过式(6)，计算出每场降雨的产沙系数，进而通过算术平均方法，获取孤山川流域每年次降雨的平均径流产沙数(图5)，用以揭示次降雨的产沙能力变化。

图5　孤山川流域次降雨-产沙能力变化

由图5可看出，1980s，1990s，2000s孤山川流域次降雨的平均产沙系数分别为78.43，54.37，18.19。结果表明，与1980s相比，1990s，2000s的降雨—产沙能力均有不同程度的减小，其中，尤以2000s减小最为明显，其平均产沙系数仅为1980s的23.19%。

3.4　降雨-产流(产沙)能力对雨强变化的敏感性

在下垫面一致的条件下，雨强是影响次降雨产流产沙能力的主要因素之一，但其对产流产沙的控制能力却有所差异[8]。为讨论雨强对产流产沙的影响，选用弹性系数方法[21]，分别计算1990s，2000s较1980s时段内产流系数与产沙系数对雨强变化的弹性，以检验1980s以来孤山川流域产流与产沙对雨强变化的敏感性。弹性系数计算公式为：

(7)

式中：b——弹性系数(无量纲)；K——平均径流系数(%)或平均产沙系数；X——平均雨强(mm/h)。|b|值越大，表明产流(或产沙)对雨强变化的敏感性越大。

图6展示了1980s以来降雨—产流(或产沙)的弹性系数变化情况，从中可看出，1980s—1990s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为0.13和4.21，1980s—2000s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为1.73和6.19。结果表明，1980s以来，孤山川流域的产沙比产流对雨强变化更为敏感。

图6　孤山川流域1980s以来降雨-产流(产沙)弹性系数

3.5　下垫面变化对产流产沙能力的影响

下垫面变化是影响流域产流产沙的重要因素。1980s以来，伴随产流产沙的变化，孤山川流域的下垫面状况也发生明显变化。获取孤山川流域1980，1998，2010的林草面积、植被盖度、梯田面积、骨干坝控制面积等数据，分别代表1980s，1990s和2000s的下垫面状况(表2)，分析径流系数、产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关性(表3—4)，揭示下垫面变化对孤山川流域产流产沙能力的影响。

从表2可看出，1980s以来，孤山川流域的林草面积、植被盖度、梯田面积和骨干坝控制面积有不同程度的增加或提升，其中，植被盖度增加最快，1990s，2000s的植被盖度分别是1980s的2.27倍和3.83倍。从表3可看出，径流系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.662 3，-0.911 4，-0.801 0和-0.821 4。从表4可看出产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.887 7，-0.998 5，-0.962 9和-0.971 7。结果显示，径流系数、产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比呈现明显的负相关关系，径流系数、产沙系数与植被盖度的相关系数均大于径流系数、产沙系数与其它下垫面指标间的相关系数，表明植被盖度变化是下垫面因素中影响孤山川流域产流产沙能力变化的主要原因。

表2孤山川流域不同年代的下垫面状况

%

注：①数据来源于黄河上中游管理局调查数据。

表3　径流系数与下垫面状况的相关性

注：显著性水平α=0.05。

表4　产沙系数与下垫面状况的相关性

注：显著性水平α=0.05。

4结论与讨论

(1) 1980s以来，孤山川流域的降雨—产流—产沙关系发生了明显变化。与1980s相比，1990s的降雨多为短历时、弱雨强类型，而2000s的降雨多为长历时、中雨强类型；2000s的降雨产流能力和降雨产沙能力减小最为显著，其平均径流系数、平均产沙系数分别约为1980s的50%，23%。

(2) 计算1980s—1990s，1980s—2000s的降雨—产流(产沙)弹性系数，分析降雨—产流(产沙)能力对雨强变化的敏感性，发现孤山川流域的降雨—产沙能力比降雨—产流能力对雨强变化更为敏感。分析1980s—1990s和1980s—2000s的降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数，结果显示，1980s—1990s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为0.13和4.21，1980s—2000s降雨—产流弹性系数和降雨—产沙弹性系数分别为1.73和6.19。可看出，1980s以来，孤山川流域的降雨—产沙能力比降雨—产流能力对雨强变化更为敏感。

(3) 分析下垫面变化对产流产沙的影响，发现植被盖度变化是下垫面因素中影响孤山川流域产流产沙能力变化的主要原因。分析径流系数、产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关性，结果显示，径流系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.662 3，-0.911 4，-0.801 0和-0.821 4，产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比的相关系数分别为-0.887 7，-0.998 5，-0.962 9和-0.971 7。可看出，径流系数、产沙系数与林草面积比、植被盖度、梯田面积比和骨干坝控制面积比呈现明显的负相关关系，径流系数、产沙系数与植被盖度的相关系数均大于径流系数、产沙系数与其它下垫面指标间的相关系数，植被盖度变化是下垫面因素中影响孤山川流域产流产沙能力变化的主要原因。

综上，本研究成果可为黄河流域水保工程设计和水沙变化成因分析提供一定的参考。

致谢：感谢王志伟、管亚兵、倪超三位同学在数据收集整理工作中提供的大力帮助！

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Variations of Rainfall, Runoff and Sediment Yield in Gushanchuan River Basin Since 1980s

LUO Ya1,2, YANG Shengtian1, LIU Xiaoyan3, ZHOU Xu1,4, JIN Shuangyan5, ZHANG Yichi1, CHEN Ke1

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,BeijingKeyLaboratoryforRemoteSensingofEnvironmentandDigitalCities,Beijing100875,China; 2.SchoolofGeographicandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 3.YellowRiverConservancyCommission,Zhengzhou,He’nan450003,China; 4.SchoolofLandandResource,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong,Sichuan637009,China; 5.HydrologyBureau,YRCC,Zhengzhou,He’nan450004,China)

Abstract：[Objective] To research the rainfall—runoff—sediment change in the tributary of the Yellow river for revealing the causes of Yellow River’s water and sediment variation. [Methods] Based on the data of 115 rainfall events during 1985—2010 in Gushanchuan river basin, the temporal variations of rainfall—runoff—sediment relationships was analyzed by using the runoff coefficient, sediment coefficient and elasticity coefficient. [Results] (1) The short-duration, low-intensity and long-duration, moderate-intensity rainfall events were the primary types in 1990s and 2000s compared to 1980s, respectively. Specially, the capacities of rainfall producing runoff and sediment reduced obviously in 2000s, the runoff coefficient and sediment coefficient in 2000s were accounting for about 50% and 23% of that in 1980s. (2) The rainfall—runoff elasticity coefficient and rainfall—sediment elasticity coefficient were 0.13 and 4.21 during the period from 1980s to 1990s, and were 1.73 and 6.19 during the period from 1980s to 2000s, respectively. (3) The correlation between runoff coefficient and the proportion of forest and grass, vegetation coverage, proportion of terrace, proportion of key dam controlling area was -0.662 3, -0.911 4,-0.801 0,-0.821 4, respectively, meanwhile, the correlation between sediment coefficient and the proportion of forest and grass, vegetation coverage, proportion of terrace, proportion of key dam controlling area was -0.887 7, -0.998 5, -0.962 9, -0.971 7, respectively. [Conclusion] The rainfall—runoff—sediment relationship has been changed significantly since 1980s, especially after the year 2000, the influence of rainfall intensity on capacity of rainfall producing sediment is more sensitive than that on capacity of rainfall producing runoff, and the vegetation coverage variation is the major factor which affects the capacities of rainfall producing runoff and sediment in Gushanchuan river basin.

Keywords:rainfall-runoff-sediment relationships; rainfall events; Gushanchuan river basin

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0023-07

中图分类号：S157.1

通信作者：杨胜天(1965—),男(彝族),博士,教授、博士生导师,主要从事水资源与水环境遥感研究。E-mail:yangshengtian@bnu.edu.cn。

收稿日期：2015-01-05修回日期：2015-01-20

资助项目：国家“十二五”科技支撑计划课题“黄河中游产沙环境演变及其水沙调控效应分析”(2012BAB02B05-05); 水利部公益项目“中印东段争议区生态资源遥感监测与评价研究”(201101037); 中央高校基本科研业务费专项联合资助

第一作者：罗娅(1979—),女(汉族),博士,副教授。主要从事土地利用与水土流失治理研究。E-mail:luoya2002@163.com。