北洛河流域水沙特性与变化原因

鲁俊 朱信华 崔振华 王鹏 陈翠霞

摘要：在整理分析北洛河流域20世纪50年代以来至2012年降雨、径流、泥沙观测资料和水土保持资料的基础上，研究了北洛河流域的水沙特性和水沙变化情况，从定性和定量两个方面剖析了2000年以后水沙变化的原因。结果表明：北洛河流域水流含沙量大，水沙量年际变化大、年内分配不均，水沙异源，泥沙主要产自上游，径流主要产自中下游；2000年以来北洛河来水量大幅减小，来沙量减小更为显著，主要是降雨尤其是下垫面条件改善以及暴雨偏少导致的；与1959-1969年相比，2000-2012年北洛河流域来沙量减小8554.0万t，其中受人类活动影响的减沙量占63.1%～69.2%，受降雨影响的减沙量占30.8%～36.9%。

关键词：下垫面；降雨；水沙变化；水沙特性；北洛河流域

中图分类号：P333；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.005

北洛河位于黄河中游，是黄河的二级支流，渭河的第二大支流，发源于陕西省榆林定边县白于山，在大荔县韦林镇的仓西村汇入渭河。北洛河流域面积2.69万km2，河道全长680km。北洛河流域具有典型的丘陵沟壑地貌，流域土壤尤其是上游地区土壤侵蚀强度大，水土流失严重，是黄河粗泥沙的主要来源区之一。研究北洛河水沙变化可为流域治理乃至黄河治理提供基础支撑。前人有过一些专门针对北洛河流域水沙特性和水沙变化的研究[1-4]，但从研究成果看，对2000年以来水沙变化与变化原因的研究尚不充分，笔者在剖析流域水沙特性的基础上，重点对2000年以来的水沙特性和变化原因进行了研究。

1 水沙特性

北洛河刘家河、交口河和洑头水文站可分别作为上游、中游及下游的径流泥沙代表站，以其实测水沙量来分析北洛河流域水沙特点及其变化。流域水沙有以下几个特点：

（1）含沙量大。1959-2012年刘家河、交口河和洑头三站的年均含沙量分别为273.87、152.25、100.09kg/m3；洪水期（7-8月）含沙量更大，1959-2012年三站7月平均含沙量分别为508.89、348.46、269.26kg/m3；1959-2012年三站洪水期实测最大日均含沙量分别为765.63、666.96、690.72kg/m3。

（2）水沙异源。北洛河泥沙主要产自上游地区，刘家河站1959-2012年来沙量为6318.60万t，占同时期洑头站来沙量的89.4%；北洛河径流主要产自中下游地区.1959-2012年刘家河—洑头来水量约为5.89亿m3，占同时期（氵+状）头站来水总量的71.9%，而沙量仅为747.46万t，占同时期（氵+状）头站来沙总量的10.6%。

（3）水沙量年内分配不均。北洛河径流泥沙主要产自汛期（7-10月，下同），尤其是7-8月，刘家河、（氵+状）头两站7-8月的沙量分别占全年沙量的84.7%、81.7%；7-8月的水量分别占全年水量的46.3%，32.6%，沙量的集中程度大于水量的。北洛河刘家河、交口河和（氵+状）头三站1959-2012年多年平均月水沙量见图1。

（4）水沙量年际变化大。以（氵+状）头站为例，最大年水量为18.15亿m3（1964年），是最小年水量2.44亿m3（2009年）的7.4倍；最大年沙量为26308万t（1994年），是最小年沙量82万t（2008年）的320.8倍。袱头站历年水量、沙量变化过程见图20

2 水沙变化

2.1 水沙量变化

统计北洛河刘家河、交口河和（氵+状）头三站不同时期水沙量，见表1。

（1）刘家河不同时期水沙量变化。刘家河1959年7月—1970年6月、1970年7月—1980年6月、1980年7月—1990年6月、1990年7月—2000年6月、2000年7月—2012年6月的年均水量分别为2.698亿、2.492亿、2.182亿、2.799亿、1.564亿m3，年均沙量分别为0.997亿、0.755亿、0.459亿、0.854亿、0.198亿t。

2000年7月—2012年6月刘家河来水来沙量明显减小，与1959年7月—1970年6月相比，年水量减少1.134亿m3，减少42.0%，其中汛期水量减少0.997亿m3，减少55.5%，非汛期水量减少0.137亿m3，减少15.2%；年沙量减少0.799亿t，减少80.1%，其中汛期沙量减少0.711亿t，减少80.4%，非汛期沙量减少0.089亿t，减少78.0%。可见，刘家河站水沙量的减少主要集中在汛期。

（2）（氵+状）头站不同时期水沙量变化。（氵+状）头站1959年7月—1970年6月、1970年7月—1980年6月、1980年7月—1990年6月、1990年7月—2000年6月、2000年7月—2012年6月的年均水量分别为8.534亿、5.750亿、7.473亿、6.886亿、4.624亿m3，年均沙量分别为1.041亿、0.799亿、0.476亿、0.896亿、0.195亿t。

2000年7月—2012年6月（氵+状）头站来水来沙量明显减少，与1959年7月—1970年6月相比，年水量减少3.909亿m3，减少45.8%，其中汛期水量减少 1.902亿m3，减少38.5%，非汛期水量减小2.008亿m3，减少55.9%；年沙量减少0.846亿t，减少81.3%，其中汛期沙量减少0.782亿t，减少81.1%，非汛期沙量减少0.064亿t，減少82.6%。可见，（氵+状）头站水量减少不同于刘家河站，汛期、非汛期基本各占—半，而沙量减少仍然集中在汛期。

2.2 水沙组成变化

北洛河流域水沙量主要来自于汛期，故本文主要分析汛期的水沙组成变化。

（1）刘家河站汛期不同时期水沙组成变化。刘家河站汛期不同时期不同流量级平均水沙量变化见图301959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年刘家河站汛期0～100m3/s流量级出现的平均天数分别为118.7、119.4、121.7、119.4、122.2d，相应水量分别为0.917亿、0.883亿、0.935亿、0.880亿、0.646亿m3，相应沙量分别为0.254亿、0.214亿、0.220亿、0.185亿、0.077亿t。可以看出，该流量级下刘家河站除2000-2012年来水来沙量偏小外，其他时期来水来沙量变化不大，来水量在0.9亿m3左右，来沙量在0.2亿t左右。

1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年刘家河站汛期100m3/s以上流量级出现的平均天数分别为4.3、3.1、1.3、3.6、0.8d，占汛期天数的比例分别为3.5%、2.5%、1.1%、2.9%、0.7%；相应水量分别为0.878亿、0.694亿、0.222亿、0.942亿、0.138亿m3，占汛期水量的比例分别为48.9%、44.6%、19.2%、51.6%、17.6%；相应沙量分别为0.631亿、0.483亿、0.141亿、0.616亿、0.089亿t，占汛期沙量的比例分别为71.3%、69.3%、39.0%、76.9%、53.6%。可以看出，大流量天数及相应水沙量比例明显减小。

对比刘家河站100m3/s以下流量级和100m3/s以上流量级的水量可知，除1990-1999年100m3/s以上流量级水量略偏大外，其他时期100m3/s以上流量级的水量均小于100m3/s以下流量级的。沙量对比表现不同，除1980-1989年、2000-2012年两个来沙较少时段外，其他时期100m3/s以上流量级的沙量明显大于100m3/s以下流量级的。

（2）（氵+状）头站汛期不同时期水沙组成变化。（氵+状）头站汛期不同时期不同流量级水沙量变化见图4。1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年（氵+状）头站汛期0～100m3/s流量级出现的天数分别为108.5、114.9、113.0、116.4、118.2d，相应水量分别为2.782亿、2.322亿、2.966亿、2.552亿、2.226亿m3，相应沙量分别为0.260亿、0.214亿、0.142亿、0.188亿、0.065亿t。可以看出，该流量级下除2000-2012年来水来沙量偏小外，其他时期来水来沙量相差不大。

1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年（氵+状）头站汛期100m3/s以上流量级出现的平均天数分别为14.5、8.1、10.0、6.6、4.8d，相应水量分别为2.200亿、1.687亿、1.375亿、1.377亿、0.785亿m3，相应沙量分别为0.660亿、0.561亿、0.254亿、0.658亿、0.104亿t。可以看出，该流量级下2000-2012年来水量偏小，1980-1989年和2000-2012年来沙量偏小。

对比（氵+状）头站100m3/s以下流量级和100m3/s以上流量级的水量可知，100m3/s以下流量级的水量明显大于100m3/s以上流量级的，而100m3/s以上流量级的沙量明显大于100m3/s以下流量级的。分析表明，2000年以来北洛河来水量大幅减少，来沙量减少更为显著，汛期来沙尤其是流量级100m3/s以上的来沙量大幅减少。

3 水沙变化原因

影响流域水沙变化的原因可以概括为两个方面，一是降雨等自然条件变化的影响，二是产水产沙下垫面条件变化的影响。

3.1 定性分析

（1）降雨条件变化。影响流域产水尤其是产沙的降雨条件变化包括降雨量大小、降雨落区及其笼罩面积等，由表2可以看出，北洛河流域1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年多年平均降雨量分别为559.4、504.2、512.3、460.5，522.5mm，与1969年以前相比，2000-2012年的多年平均降雨量减小6.6%。主要产沙区刘家河站以上1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年多年平均降雨量分别为459.8、412.7、384.0、347.8、391.3 mm，与1969年以前相比，2000-2012年多年平均降雨量减小14.9%，主汛期7-8月降雨量减少21.1%，25mm以上降雨量减少20.1%，相应笼罩面积减少26.7%。数据表明，2000年以来流域降雨量尤其是主要产沙地区刘家河站以上的降雨量、暴雨量和相应笼罩面积减小，必然在一定程度上减少流域产水量尤其是产沙量。

（2）下垫面条件变化。下垫面条件变化受人类活动影响，20世纪50年代以来，北洛河流域持续开展了水土流失治理，尤其是20世纪90年代末以后加大了水土流失治理力度，同时实施退耕还林、封禁治理等措施。这些措施大大改变了流域下垫面条件。由表3可以看出，北洛河流域1959年、1969年、1979年、1989年、1996年、2011年梯田、林草、坝地等水土保持措施核实面积分别为1.25万、4.72万、9.04万、17.92万、27.32万、123.66万hm2。与1996年相比，2011年北洛河流域各项水保措施面积成倍增长（坝地除外），植被恢复效果显著[5-6]。流域下垫面条件的变化尤其是植被条件的改善必然会减少流域产水量尤其是产沙量。

对比1985年8月15日和2010年8月11日的两场典型暴雨（见表4），两场典型暴雨的面均雨量接近、25mm以上降雨量及其笼罩面积后者略大，但后者暴雨所产生的洪峰流量仅为前者的42.0%，洪量和沙量分别为前者的42.3%、33.0%。由此可见，得益于近期下垫面条件的改善，流域主要产沙区刘家河站以上相同降雨条件下的暴雨洪量、产沙量均明显减小。

3.2 定量分析

分析降雨条件变化和下垫面条件变化对流域产水产沙的影响，有水文分析法和成因分析法（水保法）等方法。水文法是指采用人类活动对流域下垫面影响较小的近似为天然情况下的降雨及產水产沙资料，建立流域的降雨—产流—产沙模型，将有人类活动影响后的降雨资料代入模型，计算近似天然情况下的产水量和产沙量，此水量和沙量与实测水量和沙量之差，即认为是人类活动影响的减水量和减沙量。水保法是根据流域内水利水保措施的数量及其蓄水保土效益指标，分别计算各项措施的减水减沙量再予以汇总。本文利用降雨指标法、双累积曲线法和水保法等方法[7-9]，根据降雨资料、水利水保资料对降雨条件变化和下垫面条件变化影响的产沙量进行计算，结果见表5。由表5可以看出，与1959-1969年（氵+状）头站多年平均来沙量10436.6万t相比，2000-2012年北洛河多年平均来沙量减少8554.0万t，其中受人类活动影响的减沙量为5398.8万～5 923.1万t，占减沙总量的63.1%～69.2%，受降雨影响的减沙量为2630.9万～3155.2万t，占减沙总量的30.8%一36.9%。减沙量主要集中在上游刘家河站以上，2000-2012年刘家河站年来沙量减少了8016.1万t，占（氵+状）头站减沙量的93.7%。

2000-2012年北洛河流域受人类活动影响的减沙量占减沙总量的63.1%～69.2%，與表4中选取1985年、2010年两场基本相同暴雨进行分析的减沙量67.0%基本相符。与其他时期的研究成果也有一定可比性：文献[2]中估算2001-2006年相比1956-1970年吴旗、志丹两站人类活动影响的减沙量分别为61.7%、71.0%；文献[4]中计算1997-2006年相比1959-1969年北洛河流域的减沙主要发生在刘家河站以上，其中人类活动影响的减沙量约占60%。以上研究成果表明，水利水保等人类活动影响是北洛河流域近期来沙量减小的主要原因。

4 结论

（1）北洛河流域水流含沙量大、水沙异源，泥沙主要来自上游地区，而径流则主要来自中下游地区；流域水沙量年际变化大、年内分布不均，水沙量主要集中在汛期，汛期水量约占60%，沙量约占90%，汛期水沙组成上，泥沙主要集中在洪水期100m3/s以上流量级。

（2）2000年以来北洛河水沙量大幅减小，（氵+状）头站2000年7月—2012年6月与1959年7月—1970年6月相比，年水量减小45.8%，年沙量减小81.3%，汛期沙量尤其是100m3/s以上流量级的沙量减少尤为突出。

（3）北洛河流域近期水沙量减少的影响因素包括降雨偏少和人类活动对下垫面条件的改善两个方面。与1959-1969年相比，2000-2012年北洛河流域来沙量减小8554.0万t，其中受降雨影响的减沙量占30.8%～36.9%，受人类活动影响的减沙量占63.1%-69.2%，人类活动影响是北洛河流域近期来沙量减小的主要原因。

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