窟野河暴雨洪水泥沙特征分析

袁水龙，谢天明

窟野河地处干旱半干旱地区，是黄河河口镇至龙门段右岸一条较大支流，流域内植被稀少，长期受到干旱的威胁，加之人类活动的影响，生态环境十分脆弱，水土流失异常严重[1]。为遏制严重的水土流失，从建国初尤其是20世纪70年代开始，开展了大规模的水土流失综合治理和生态环境建设。同时，流域范围内蕴藏着丰富的煤炭资源，人类活动频繁[2]。大面积水土保持措施的实施和煤炭的开采，极大地改变了流域下垫面条件，产生了巨大的水文效应。近年来，随着流域内经济的迅速发展，流域水资源供需矛盾日益突出，甚至出现了严重的断流现象，严重威胁到流域的生态环境与经济的可持续发展[3]。本研究通过对窟野河降水、洪水及泥沙数据统计分析，揭示了窟野河流域暴雨洪水泥沙特征，以期为流域水土保持综合治理、黄河下游河道治理以及神府煤田的优化开发提供参考依据。

1 数据来源

窟野河流域现有王道恒塔、神木、温家川3个基本水文站，其中温家川水文站为流域的控制站，控制流域面积8645 km2，各水文站基本情况见表1。本研究以温家川站、神木站、王道恒塔站资料为主，同时选用了温家川站控制的太和寨、石角塔、杨家坪、大路湾、解家堡雨量站1966～2010年降水资料，神木站控制的芦草沟雨量站1966～2010年资料，王道恒塔站控制的王道恒塔、张家村、孙家岔、刘家沟、中鸡、大柳塔雨量站1977～2010年资料。收集到的数据主要有温家川、神木、王道恒塔3个水文站的逐日降水数据，次降水与次洪流量过程数据，逐日流量过程数据等。

表1 窟野河流域水文站一览表

2 暴雨洪水泥沙特性分析

2.1 降水量年际变化与年内分配

窟野河流域年平均降水量为387.0mm。发生大暴雨的概率大，且暴雨主要集中在24h以内。窟野河流域降水量年际变化较大，年最大点降水量为710.8 mm（1987年芦草沟），年最小点降水量为45.5 mm（1997年刘家沟）。流域年降水量随时间变化如图2所示，根据其趋势线可以看出，窟野河流域年降水量呈递减趋势。其趋势线公式为:

窟野河降水量年内分配也极不均匀，汛期（6～9月）降水量占全年降水量的百分比为：王道恒塔站为77.6%、神木站为77%、温家川站为76%。而主汛期（7～8月）降水量占年平均降水量的比例为：王道恒塔站为54%、神木站为53%、温家川站为50.9%（图 3）。

图2 窟野河流域年降水量时程变化

图3 窟野河流域多年平均降水量年内分配图

2.2 径流年际变化与年内分配

窟野河温家川站多年平均径流量为5.44×108m3，占河龙区间径流量的11.7%，占黄河龙门站径流量的2.1%，洪水则多发生于7、8、9月份，占到全年径流量的77%以上。窟野河温家川站最大年径流量为13.69×108m3，最小年径流量为1.26×108m3，最大年径流量是最小年径流量的8.2倍。20世纪60年代至21世纪初平均年径流量分别为7.36×108、7.22×108、5.16×108、4.91×108、1.96×108m3，径流量有逐渐减小的趋势（表2）。窟野河流域三个水文站的年径流量总体呈下降趋势，且下降严重（图4），从上中下游各站的年径流量时程变化趋势线来看，以温家川站的减小趋势最为明显，这说明整个窟野河流域中游至下游区间径流量减少严重，一方面由于近年来降水量减少有关，另一方面也是因为中下游地区的神木县城发展迅速，需水量日益增加，导致下游径流量严重减少甚至出现了断流的现象

图4 窟野河流域水文站年径流量变化过程

表2 窟野河流域个水文站不同年代多年平均径流量

图5 窟野河流域各水文站多年平均径流量年内分配

图5 为窟野河流域各水文站多年平均径流量年内分配，由图可以看出，窟野河流域的水量年内分配不均且有两个汛期，即3、4月的凌汛和7、8月的夏汛。窟野河把口站温家川站的汛期径流量为3.695×108m3，占全年径流量的58.2%，最大为78.3%（1959年），最小只有 17.8%（1965年）；7～8月径流量占年径流量的46.1%，最大可达69.9%（1959年），最小只有9.8%（1965年），7～8月径流量占汛期径流量的79.2%；非汛期径流量仅占全年径流量的41.8%。平均最大月径流量出现在8月，占年径流量的26.6%；平均最小月径流量出现在1月，占年径流量的2.0%。

2.3 泥沙年际变化与年内分配

窟野河是黄河多沙粗沙的最主要来源区之一，多年平均来沙量为1.025×108t，泥沙平均粒径达0.112 mm。流域多年平均输沙模数为1.19×104t/km2，该流域土壤侵蚀属“异常强烈”区。多年平均含沙量为162 kg/m3，而汛期平均含沙量高达281 kg/m3。实测含沙量全国乃至全球范围河流之冠，就发生在窟野河流域。

表3 窟野河各站输沙量特征值统计表 单位：104 t

窟野河流域输沙量年际变化较大。温家川站最大年输沙量是1959 年的 3.03×108t，最小年输沙量是 1999 年的 0.034×108t，最大输沙量是最小的89.1倍。最丰年输沙量是多年平均输沙量的3.0倍，最枯年输沙量是多年平均输沙量的3.3%。年输沙量变差系数为0.81。窟野河泥沙年内分配极不均匀，6～9月产沙一般占全年的96%以上（表3）。

3 暴雨洪水泥沙关系分析

黄土高原地区河流的泥沙往往是由汛期的几场短历时高强度暴雨形成的[4]。图6为次暴雨洪水和次输沙的关系，可以看出：王道恒塔站含沙量变化过程线与流量过程线高度一致，说明该断面含沙量主要是由洪水冲刷而来，来沙量与洪峰密切相关；神木站洪水含沙量峰值略迟于洪水洪峰，但整个变化过程也是基本与洪水变化过程密切相关，说明神木断面泥沙与洪峰大小较为密切但洪峰不是泥沙的主要影响因素；温家川站洪水过程与含沙量变化过程相关性较差，含沙量峰值出现时间明显早于洪峰出现时间，这可能是由于神木至温家川区间下游为黄土丘陵沟壑区，墚峁起伏，沟壑纵横，加之区间内煤矿开发活动较多，使表面黄土松散裸露，缺乏植被覆盖，极易受到暴雨冲刷从而带给温家川断面大量泥沙，导致温家川断面洪水峰值与含沙量峰值的不同步。

图6 窟野河流域各站典型洪水过程及其含沙量变化过程线

4 流域来水来沙量变化趋势及其原因分析

窟野河流域暴雨、洪水、泥沙均呈现不同程度的下降趋势，且下降非常明显，从表4可以看出，窟野河流域自二十世纪90年代以来再没有发生过4000 m3/s以上的大洪水。近年来窟野河流域汛期洪水总量也在逐年下降，汛期洪水总量的减少也直接导致了整年来水量的下降。从趋势线的变化来看，温家川站汛期洪水总量递5.5%，王道恒塔站和神木站分别递减1.74%、3.63%，可见温家川断面以上汛期洪水递减最明显。窟野河流域泥沙主要来自于土壤侵蚀属“异常强烈”的神木-温家川区间，且主要来自于汛期暴雨洪水冲刷，自二十世纪八十年代以来，窟野河流域暴雨总量、汛期（7、8月）暴雨量、汛期洪水总量均呈明显的下降趋势，暴雨量的减少直接导致雨水对地表的冲刷能力减弱，从而使洪水含沙量下降。洪水总量和流域输沙量减小的另一个重要因素是人类活动的影响，如各种水利水保措施的实施。

表4 窟野河（4000 m3/s～8000 m3/s）洪水频次统计

图7 窟野河各站汛期（7、8月）洪水总量变化趋势线

5 结论

通过对窟野河暴雨、洪水、泥沙数据统计分析，研究了暴雨、洪水以及泥沙特征，并得到以下主要结论：

（1）窟野河流域年降水量呈递减趋势，多年平均降水量387.0 mm，且年内分配也极不均匀，汛期（6～9月）降水量占全年降水量70%以上；窟野河温家川站多年平均径流量为5.44×108m3，三个水文站的年径流量总体呈下降趋势，且温家川站的减小趋势最为明显；窟野河流域输沙量年际变化较大，且年内分配极不均匀，6～9月产沙一般占全年的96%以上。

（2）窟野河泥沙在流域内空间分配不均且来源各有不同，其中王道恒塔站以上区域主要来自于汛期洪水冲刷且多为粗砂，来沙量大小主要决定于洪峰大小，该区间来沙占全流域总来沙量的比例较小；神木站洪水含沙量峰值略迟于洪水洪峰，但整个变化过程也是基本与洪水变化过程密切相关；温家川站洪水过程与含沙量变化过程相关性较差，含沙量峰值出现时间明显早于洪峰出现时间。

（3）窟野河流域来沙量呈递减趋势，一方面是由于窟野河泥沙主要来自于暴雨、洪水冲刷，因此汛期暴雨洪水的减少，直接导致了窟野河流域年输沙量的减少；另一方面窟野河流域人类活动频繁，水利水保措施大量实施，导致流域来水来沙减少。

[1]赵晓坤,王随继,范小黎.1954-1993年间窟野河径流量变化趋势及其影响因素分析[J].水资源与水工程学报,2010,21(05):32-36.

[2]蒋晓辉,谷晓伟,何宏谋.窟野河流域煤炭开采对水循环的影响研究[J].自然资源学报,2010,25(2):300-307.

[3]王小军,蔡焕杰,张鑫,等.窟野河季节性断流及其成因分析[J].资源科学,2008,30(03):75-480.

[4]魏霞,李占斌,沈冰,等.陕北子洲县典型淤地坝淤积过程和降水关系的研究[J].农业工程学报,2006,22(9):80-84.