杭州市余杭区小流域场次降雨泥沙流失监测方法研究

2017-02-28顾妍平陆芳春

浙江水利科技 2017年1期

关键词：含沙量场次余杭区

顾妍平，李钢，陆芳春

（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 310020）

杭州市余杭区小流域场次降雨泥沙流失监测方法研究

顾妍平1，李钢2，陆芳春1

（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 310020）

以杭州市余杭区百丈溪小流域为研究对象，在流域出口设置卡口站，连续4 a （2012 — 2015年）对河道中的悬移质含沙量进行连续监测，在场次降雨过程中取样1次/h。结果表明，合理的采样时机获得的悬移质含沙量数据可以用来估算流域场次降雨泥沙流失量。

余杭区小流域；泥沙流失；监测

1 问题的提出

杭州市余杭区位于浙江省东北部，多年平均降水量1 390 mm，雨量丰沛。区域地势由西北向东南倾斜，西部为山地丘陵区，分布有多条小流域。小流域河道坡陡流急，由于流域河道坡陡流急，降雨强度大，一旦发生严重的水土流失，其径流携带的泥沙将会随径流汇入苕溪，进入平原河网，对下游地区的生态环境及经济发展造成较严重影响。为计算降雨时产生的泥沙流失量，在小流域出口设置监测断面，连续4 a（2012 — 2015年）对水体中的悬移质含沙量进行监测，并通过流域典型监测过程，估算流域全年泥沙流失量，可为流域泥沙流失程度分析和水土流失治理提供依据。

2 研究区概况

百丈溪小流域位于余杭区的西北部，发源于百丈镇北麓，由西北向东南流，与鸬鸟溪汇合后汇入黄湖溪，最终汇入北苕溪。百丈溪监测断面以上流域河长6.3 km，比降0.31‰，集雨面积17.29 km2，地貌以山区丘陵为主，山势较高，土壤以黄壤、红壤和水稻土为主，含沙量较高。流域内土地类型包括耕地、园地、林地等，林地以竹林为主。流域内人口密度为195人/ km2。

3 监测频次和方法

余杭区属于亚热带季风气候区，汛期是产生泥沙流失的主要时段，因此是监测的重点时段，在非汛期进行本底值采样用于对照分析。

浙江省的降雨以3日降雨为主，产汇流方式为蓄满产流，考虑到产流初损以及后损，参考浙江省水利河口研究院对钱塘江流域降雨侵蚀的研究成果[1]， 3日降雨量达到40 mm及以上时开展水土流失监测为宜。

根据余杭区境内余杭、百丈、横湖、瓶窑、塘栖和临平6个雨量站1979 — 2008年长系列降雨资料，统计分析6个雨量站的降雨区间分布（见表1）。

表1 余杭区降雨区间分布表

综合考虑流域降雨特性及监测结果的代表性，确定监测频次为3次/a。

百丈溪流域有百丈雨量站，降雨量直接采用百丈站雨量成果。水样采集为人工现场采样，根据天气预报，在降雨之前到达采样现场，采样1次/h。

4 结果与分析

4.1 悬移质含沙量变化情况

百丈溪小流域15场降雨产生的悬移质含沙量绘图分析见图1 ～ 2。

图1 悬移质含沙量和降雨关系示意图

图2 悬移质含沙量和降雨关系示意图

由图1 ～ 2可见，悬移质含沙量大致上随着降雨量的变化而变化，二者之间没有相关性。降雨初期，由于降雨对土壤的散溅和搬运作用，降雨量增大，大量泥沙随降雨入河，含沙量监测值会迅速变大；降雨中后期，降雨量增加，水体含沙量监测值趋于稳定，在一个相对稳定的范围内上下波动。通常情况下，水体含沙量的变化要滞后于降雨量变化，滞后时间的长短主要受降雨汇集到流域出口需要的汇流时间决定。

4.2 泥沙流失量计算与分析

根据流域内每场降雨的降雨过程和典型监测断面处的泥沙含量实测数据，计算典型流域场次降雨所产生的悬移质泥沙总量，计算公式如下：

式中：W为监测断面水土流失量，t；Ci为每个监测时段监测到的断面泥沙含量，mg/L；Qi为监测时刻通过断面的径流量，m3/s；i为第i个监测时段，时段长度为1 h；n为监测总时间，h；F为流域面积，km2；K为输移比系数，采用长江以南的泥沙输移比代替，取0.4。计算结果见表2。

表2 场次降雨流域泥沙流失量成果表

4.3 悬移质含沙量均值

流域的悬移质含沙量均值Ca可以在一定程度上表征场次降雨产生的泥沙流失量的大小，可以用于泥沙流失量计算。根据公式（2）进行计算：

式中：Ca为悬移质含沙量均值，mg/L；Ci为每个监测时段监测到的断面悬移质含沙量，mg/L；Qi为监测时刻通过断面的径流量，m3/s；i为第i个监测时段，时段长度为1 h；n为监测总时间，h；Q为场次降雨通过监测断面的径流总量，万m3。

表2给出了悬移质含沙量均值Ca的计算结果，对照图1 ～ 2可以发现：

4.3.1 出现时机多变

悬移质含沙量均值Ca在场次降雨过程中可能出现1次或者多次，出现的时机不固定，在整个监测过程的中间时刻出现的几率比较大。

4.3.2 受雨型影响明显

如果场次降雨过程比较集中，雨强较大，通常悬移质含沙量均值Ca会在一个较大的小时降雨后的几小时内出现；如果一场降雨的雨量分布比较均匀，通常悬移质含沙量均值Ca会在监测过程中多次出现，雨量分布越均匀，出现次数相对越多，出现的时间间隔相对比较稳定。

在实测过程中，为了得到相对准确的Ca值，可根据实际降雨情况，在一个过程中多次采样，重点是较大的小时降雨后和监测的中间时刻。

5 结语

（1）悬移质含沙量的监测结果大致随着降雨量的变化而变化。

（2）悬移质含沙量均值Ca值出现时机不固定且受雨型的影响，为了得到相对准确的Ca值，在一个过程中多次采样，重点是较大的小时降雨后和监测的中间时刻。

目前，全国范围内对小流域降雨和输沙特征值规律进行研究的类似原型监测较少，可供参考的经验少，在开展长期动态监测的基础上，将更有益于对悬移质含沙量均值的探索。

[1] 王先礼．水土保持学[M]．北京：中国林业出版社，1995．

[2] Wei W，Chen L D，Fu B J，et al．The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi - arid loess hilly area，china[J]．Journal of Hydrology，2007，335(3 / 4)：247 - 258．

[3] Hudson N W．Soil Conservation(Second Edition)[M]．New York ：Cornell Univ．Press，1981．