水土流失水文因子演变规律分析及输沙量插补方法研究——以湖北省浠水流域英山水文站为例

吕爱斌，张玉洁，黄清涛

(1.湖北省黄石市水文水资源勘测局，湖北 黄石 435002；2.湖北省黄冈市水文水资源勘测局，湖北 黄冈 438000；3.湖北省襄阳市水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441003)

水土流失是导致山区生态环境恶化的主要原因之一。严重的水土流失，直接破坏了土壤资源，流失的泥沙物质进入江河、湖泊和水库，污染水环境，造成淤积。开展水土流失水文因子监测和分析，研究其变化规律，对于水利工程规划设计和运行管理，以及水土保持措施效益评估意义重大。我国系统地开展水文监测始于新中国成立初期，监测的水文要素主要有降水量、水位(江河湖库)、径流量、产沙量、蒸发量(水体、土壤)、温湿度、风速、气压、水质等，早期设站的观测资料系列长度已超过60年。然而，受各种条件的限制，仅在少数水文站开展了泥沙测验，有的站虽然开展了泥沙测验，但后期对泥沙项目多采用间测甚至出现停测，导致泥沙资料存在系列短、不连续的问题，需要寻求插补展延泥沙资料系列的方法，以提高泥沙资料的代表性，满足涉水工程设计和水土保持科研要求。

基于上述研究目的，根据《中华人民共和国水文年鉴》(第6卷第5册)(1953—2016年)数据资料，本研究以位于浠水流域的英山水文站为研究对象，通过分析水土流失主要水文因子的相关关系及其演变规律，分别建立年降水量、汛期降水量、年径流量、汛期径流量、邻近站输沙量等因子与悬移质年输沙量的关系模型，利用Excel工具精确率定模型参数，进行插补方案评估，进而采用优选的模型插补悬移质年输沙量，达到插补展延泥沙资料系列长度的目的。

1 流域及站点概况

浠水位于湖北省东部，为长江中游下段干流左岸一级支流，源于鄂皖边界大别山南麓英山县，总长935 km，集水面积2 499 km2，平均海拔282 m，每年4—9月为汛期，具有降水量大、汛期暴雨洪水频繁、水位暴涨暴落、含沙量高等特点。浠水流域水土流失严重，属国家级水土流失重点防治区。1960年在浠水干流建成白莲河大(1)型水库，拦控面积1 800 km2，总库容12.5亿m3。英山水文站地处E115°41′、N30°45′，为国家二类精度基本站、浠水上游控制站、白莲河水库入库站，水文站断面以上集水面积670 km2，其降水量观测始于1953年，于1958、1959年分别开始监测径流、悬移质泥沙。英山站以上流域呈狭长带状，最高点鸡笼尖海拔1 346 m，最低点英山站测流断面海拔99 m。英山站以上流域内设有桃花冲(海拔645 m)、草盘地(海拔238 m)、金华岩(海拔156 m)、陶家河(海拔542 m)等降水量站，站网密度达134 km2/站。距离英山站26、60 km的巴水、蕲水干流分别设立有罗田、西河驿水文站，于1962年开始与英山站同步监测悬移质泥沙。

2 水文因子演变规律分析

2.1 降水量时空分布及演变趋势分析

根据历史监测资料，英山站以上流域多年平均降水量为1 455.6 mm，最大年降水量为2 799.3 mm(1991年桃花冲站)，最小年降水量为840.6 mm(2006年金华岩站)。对桃花冲等5个降水量站监测资料进行分析计算，结果见表1。可见，流域降水量主要集中在汛期，汛期降水量占年降水量的75.5%，各降水量站年降水量随海拔升高而增加。

表1 各降水量站月降水量统计结果

点绘1953—2016年流域年降水量变化过程线并利用Excel工具进行曲线拟合，结果见图1。可见，1953—2016年流域年降水量无明显增减趋势。

图1 英山站以上流域降水量年际变化趋势

2.2 径流泥沙时程分配及演变趋势分析

英山站自1958年开始监测径流，历年实测最大流量为4 250 m3/s(1969年7月14日)，调查历史最大流量为4 470 m3/s(1896年)，多年平均流量为15.5 m3/s，多年平均径流量为4.891亿m3，多年平均径流深为730.0 mm，最大年径流量为13.02亿m3(1991年)，最小年径流量为1.842亿m3(2001年)。英山站各月平均径流量分配见表2。从表2知，径流量主要集中在汛期，汛期径流量占年径流量的80.8%。

经计算，英山站多年平均悬移质输沙量为16.6万t，多年平均汛期悬移质输沙量占全年的95.4%，实测最大断面含沙量为5.56 kg/m3(1981年)，实测最大日平均输沙率为2 380 kg/s(1975年)，实测最大年悬移质输沙量为70.5万t(1991年)，最大悬移质年侵蚀模数达1 052 t/km2(1991年)。

表2 英山站各月平均径流量分配

以时间为横坐标，径流量、输沙量为纵坐标点绘双轴曲线，并利用Excel进行趋势分析(图2)。径流量、输沙量年际变化过程线形态基本相似，即水大沙大、水小沙小，水沙变化基本同步。从拟合曲线方程及趋势线可知年径流量减小的趋势不明显，而输沙量减小的趋势则比较明显。

图2 英山站径流量及输沙量年际变化趋势

2.3 径流泥沙关系演变的阶段性分析

采用双累积曲线法分析径流与泥沙关系变化。以年径流量、年输沙量两个变量按同一时间步长(年)逐步累加，将累积年径流量、累积悬移质年输沙量点绘在同一坐标轴上(图3)，如果水沙量双累积曲线出现明显转折，则说明水沙特性发生系统变化。从图3可知，双累积曲线在1992年出现拐点，曲线上部斜率明显减小，即径流泥沙关系以1992年为界分成两个系列。

图3 英山站径流量、输沙量累积曲线

3 泥沙插补模型率定与方案评定

3.1 模型率定

分别建立年降水量、汛期降水量、年径流量、汛期径流量、临近站(罗田站及西河驿站)年输沙量等因子与英山站悬移质年输沙量的关系模型，利用最小二乘法原理，使用Excel工具中的不同函数精确率定模型参数，优选相关系数r较大的函数模型。由于1992年后水沙特性发生明显改变，因此利用不同因子分2个阶段建立模型。率定的模型方程表达方式及相关系数见表3。

表3 利用不同因子推求英山站悬移质年输沙量模型及参数率定

选取汛期降水量因子，以1992年为界，分2个时段分别建立汛期(4—9月)降水量与悬移质年输沙量的相关关系曲线，见图4、5，属于高度相关。

图4 1959—1991年汛期降水量与年输沙量关系曲线

图5 1992—2016年汛期降水量与年输沙量关系曲线

3.2 误差评定

从表3可知，选取年降水量、年径流量及邻近站(罗田站、西河驿站)年输沙量与英山站悬移质年输沙量建立关系模型，相关系数一般在0.8以上，属高度相关。相关系数的机误计算公式[1]为

式中：Er为相关系数的机误；n为观测次数；r为相关系数。

一般地，当|r|>4Er时，认为相关关系存在。计算结果表明，本研究各方案相关性均较好，即利用降水量、径流量资料推求能获得一定精度的年输沙量资料。

通过数值分析发现，当采用降水量资料推求年输沙量时，汛期降水量与年输沙量的相关关系好于年降水量与年输沙量的相关关系，分段(年)关系好于全系列；当采用径流量资料推求年输沙量时，汛期径流量及年径流量与年输沙量的相关系数差值很小。

以罗田站、西河驿站年输沙量与英山站年输沙量建立的二元线性回归模型为例，用插补系列计算的输沙量统计参数与实测值比较，其误差见表4。从表4可知，用二元回归模型插补求得的输沙量系列资料与实测值统计特征参数误差很小，对一般工程设计和水土保持科研均不会造成实质性影响。

表4 二元回归模型插补输沙量与实测值统计参数比较

4 结 语

通过对浠水流域水土流失主要水文因子相关性及其演变规律的分析，建立了基于不同要素的输沙量插补模型并对各方案进行了评估，得出以下结论：①利用主要水文因子建立模型推求年输沙量，均可以获得一定精度的插补资料，该方法可用于泥沙资料缺测和停测、间测期资料的插补展延，以满足工程设计和水土保持科研要求。②近年来全球气候显著变化，但浠水流域上游降水量未发生明显改变。③浠水流域自20世纪80年代后期加强了水土流失治理，特别是退耕还林和生态修复，增加了流域渗蓄和植物截流，河川径流量有所减少，在1992年以后，水沙特性发生明显变化，相同径流条件下输沙量锐减。④资料分析表明，在浠水流域建立的降水量-年输沙量与径流量-年输沙量模型相关系数差异不大，插补获得的资料属于同一精度。在悬移质输沙量资料插补工作中，应根据流域资料条件，建立不同的插补模型，优选模型插补年输沙量。