基于环境变化的河流泥沙资料系列修正方法探讨

井 涌

（陕西省水文水资源勘测局,陕西 西安 710068）

1 引言

陕西省黄河流域在2000 年后河流年输入黄河的泥沙量较1979 年前，年均减少约2.5 亿t[1～2]。实际工作及愈来愈多的研究发现：河流年输沙量大量持续减少的原因是流域水沙产汇流环境条件已发生很大变化，降水等自然条件，尤其是其与大规模长期持续的水土保持工程建设等人类活动交互影响累积效应，已改变了早期流域下垫面“原生态”高产水产沙的状况，近期“现状下垫面”低产水产沙的流域下垫面状态已不可逆转到其“原生态”状况，早期“原生态”状况下监测的水沙数据资料，不再具有在近期“现状下垫面”重现的基础，应将早期“原生态下垫面”监测的数据修正到近期“现状下垫面”监测数据的状态，才能使预测期的水沙数据在预测期下垫面状况下“真实重现”，也才具有实际工作中的应用价值[3～13]。

国内关于泥沙资料系列修正方法仍处于初步探讨阶段。彭瑞善2012 年提出,进入河流泥沙减少的趋势是不可逆转的，必须根据下垫面的变化情况进行修正,才能作为河流治理规划、工程设计和管理运用的依据[14～16]。2016 年彭瑞善提出采用不同时段径流系数、产沙系数的比值作为修正系数，并对汛期沙量的修正系数乘以暴雨地区参数，来修正大沙年的水沙量[15]；毛世民等试用“年递减因数”修正含沙量与径流量乘幂相关的模式，取得含沙量的计算值与实测值符合较好的效果[16]。存在的问题是产沙系数（是指时段单位降水量所产生的输沙量）中的降水量，不能反映相同或相似降水（或同量级降水）在不同时段相应下垫面状况下的产输沙情况，只是对各时段平均降水量所产生的平均输沙量的修正，没有直接与各时段下垫面状况关联；理论上讲，含沙量与径流量并无很紧密的物理成因关系，因而建立的乘幂相关公式，或者与实际不符，或者因所需数据量大而难于取得等问题，过于繁琐不便在实际工作中应用。本文分析选取反映降水和人类活动影响产沙下垫面综合特征的一个综合指标“年输沙模数”，提出年输沙模数修正系数法的“下垫面一致性还现”修正操作方法，采用同量级降水在各时段不同下垫面状况下输沙模数的衰减系数来计算大水年份的输沙量修正系数，实现了泥沙资料系列保持较好的产汇沙量机理和运移规律的现状下垫面“一致性”，以其为实际工作中的简化操作提供参考。

2 修正期分析

河流悬移质泥沙年输沙量资料序列的一致性综合反映降水等气候条件，及其与人类活动交互影响流域下垫面水沙产汇流环境条件的变化。分析选取修正期就是寻找长系列资料是否存在早期“原生态下垫面”监测的高产水产沙数据短系列，本文采用点绘悬移质泥沙年输沙模数、年输沙量单累积曲线，及它们分别与年降水量双累积曲线的方法，分析判断早期高产水沙“原生态下垫面”与近期低产水沙“现状下垫面”的转折点（年），并将早期高产水沙“原生态下垫面”选为“下垫面需修正”的修正期。覆盖陕西全境河流选用140 个1956 年～2012 年实测泥沙资料在20 年以上的水文站来综合归纳分析[7]。

2.1 实测年输沙量系列的还原计算

在对水沙系列资料进行“下垫面一致性”修正之前，首先应考虑人类活动直接间接截留、消耗流域的产水产沙量，以确保水文站断面当年实测数据如数反映流域产汇流实况不失真，则需要把这些量加给水文站断面的实测值，即“还原”到水文站监测断面以上当年“现状下垫面”产水产沙数量的“真实”情况。这就需要首先逐年进行当年人类活动直接间接截留、消耗流域的产水产沙量的计算，其次再分析确定是否需要进行资料系列保持“现状下垫面”状况一致性的“下垫面一致性还现”修正。

河川径流与泥沙的产生都是独立的随机事件，虽然两者都受人类活动影响，但相对而言泥沙受人类活动时空分布的不确定性和不均匀性干扰更重一些。人类社会直接间接消耗的河水量除了一小部分又回归到河道内，大部分通过蒸腾蒸发，产品带走等消耗不再存留在产水流域体内，然而不论是流域内兴建的水利工程、水保工程及土地开发利用工程等建设活动，直接间接引水引沙、截留、拦蓄泥沙，还是开矿、修路和城市化建设弃土弃渣等人为增加河道输沙，淤积在流域内的泥沙，都将在一定时期内滞留流域，等到突发某种情况（如：一场特大暴雨洪水）又分一次或多次汇入输入河流，输出水文监测断面，即泥沙事件的发生在其天然规律之上又叠加了人类造成的可能的“零存整取”或“整存整取”事件。人类活动造成泥沙产生的这种时空分布上的不均匀性和不确定性，使流域天然独立的产沙机理和运移规律发生了改变，从这个角度讲，一般不宜对水文站实测泥沙资料系列中缺测的年份进行插补或延长。

现有的资料条件，尤其对水保措施，很难分类逐项将人类活动造成流域产汇沙量的时程分布，进行定量的当年还原分析计算。应该将有监测资料的河道引水引沙、库坝等人类工程直接截留、拦蓄的沙量，河道淤积沙量等，按时程分布还原计算到相应的水文监测断面，必须最大可能分析还原计算水文站监测断面以上当年“现状下垫面”产沙数量的“真实”情况。对于梯田、造林、种草等水保工程，以及前述当年“现状下垫面”产沙数量“真实”还原计算不足及缺失的部分，因为所有这些人类活动的影响已在水文站实测泥沙数据中得到了综合反映，水文站没有测到的当年流域产泥沙量，仍然滞留在流域内累积造就流域下垫面的渐次改变，这种累积效应经过漫长，渐次累积到一定程度就会对流域产汇泥沙系列产生显著影响，这样就可以一并通过“下垫面一致性还现”修正来解决。

本文将收集到有监测资料的直接拦截或引水引沙减少了相应水文监测断面以上流域产沙量的154 个大中型水库淤积量和3 条渠道引水引沙量，按发生时段逐年分析还原计算给相应140 个水文站当年实测泥沙值，形成逐年逐月还原人类社会当年截留滞蓄流域泥沙后的“当年天然泥沙资料系列”数据，并对此数据系列进行一致性检验，进一步分析下垫面等环境因素是否对其系列产生了影响。

2.2 泥沙资料序列一致性检验及修正期选取

点绘140 个水文站各站悬移质泥沙年输沙模数、年输沙量的单双累积曲线结果：140 个站全部发生了早期高产沙“原生态下垫面”与近期低产沙“现状下垫面”的转折点（年），长江、黄河流域分别多发生在1982 年和1970 年前后，其中黄土高原区43 站中有40 年以上实测资料系列的25 站发生在1970 年前后，与其它相关研究成果基本一致[9～12]。以黄土高原区横山站为例见图1、图2。

图1 横山站年输沙量累积曲线图

图2 横山站年输沙模数累积曲线图

累积曲线图显示：横山站在1971 年发生了早期人类活动影响微弱的“原生态下垫面”高产沙期，向近期人类活动不断加剧等环境变化造成的低产沙“现状下垫面”的转折，1971 年后又发生了1984 和1997 年2 次累积曲线斜率的明显变化，其中1984 年～1997 年又出现了一个“现状下垫面”下的相对小高产沙期。因此，选取1956 年～1970 年为早期“原生态下垫面”高产沙修正期，1984 年～1997 年为“现状下垫面”需向更近期的1998 年～2012 年更低产沙“现状下垫面”修正的修正期。横山站是一个复杂的例子，其它站出现的情况或只有一个“原生态下垫面”高产沙期，而有一个“原生态下垫面”高产沙期加1 个或多个更近期低产沙“现状下垫面”期的情况都是可能的，需具体分析选择需要修正的修正期。

3 输沙模数系数修正法与成果检验

3.1 早期“原生态下垫面”高产沙修正

图1、图2 显示1971 年转折前后两个系列明显系统性偏大偏小，调查确认在转折年前后流域内有持续大规模水保等强人类活动扰动下垫面的物理成因，采用输沙模数系数修正法将转折前1956 年～1971 年高产沙年修正到1972 年～1983年“现状下垫面”低产沙状况。其操作步骤[6～13]：点绘转折年前后年降水量与年输沙模数关系曲线于同一张图上（图3）；选定一个年降水量值，在两条曲线上分别查出“原生态下垫面”高产沙期的年输沙模数Ms1，和“现状下垫面”低产沙期的年输沙模数Ms2，用公式α=（Ms1-Ms2）/Ms1·100%和β=Ms2/Ms1计算年输沙模数衰减率α和修正系数β；制作年降水量P-年输沙模数衰减率α-修正系数β表1；绘制P-β关系曲线图4；按需修正年份的年降水量，查取P-β关系曲线上修正系数，乘以需修正年份的当年“天然”年输沙模数，即可求得相应年修正后的年输沙模数。

图3 横山站年降水量与年输沙模数关系曲线图

表1 横山站年降水量-年输沙模数衰减率-修正系数表

图4 横山站年降水量与年输沙模数修正系数β关系曲线图

3.2 “现状下垫面”向更近期“现状下垫面”修正

1984 年～1997 年“现状下垫面”向更近期的1998 年～2012 年更低产沙“现状下垫面”的修正，用1998 年～2012 年更低产沙期的年降水与年输沙模数曲线拟合关系修正。若有多个此种情况，以此类推。

需注意，不是将所有修正期的数据都修正，原则上只修正那些大水大沙年份的数据。修正是一个试算过程，需同时兼顾修正后单双累积曲线的斜率顺直程度，以及修正后年降水量与年输沙模数的相关系数提高情况，也不能片面追求相关系数很高，事实上年输沙模数与年降水量的相关关系客观上受过多复杂因子影响并不良好。

3.3 成果检验

点绘修正后1956 年～2012 年系列年降水输沙模数双累积曲线和年输沙模数单累积曲线图（图1～图2），修正前后系列年降水与年输沙模数关系曲线对照图5。从累积线变成近直线、相关系数由0.06到0.24的较大提高，均可说明修正后序列保持了较好的一致性。修正前后长短系列年输沙模数均值变化对比见表2。

表2 横山站修正前后长短系列年输沙模数均值变化对比表 单位：t/km2

图5 横山站年降水与年输沙模数修正前后关系曲线对照图

4 结论

建立在年输沙模数修正系数基础上的修正方法，初步探讨了实现早期高产水沙“原生态下垫面”向低产水沙的“现状下垫面”状态的“重现”转换，使修正后的泥沙资料系列保持较好的“现状下垫面”产汇沙量机理和运移规律的一致性。如果有资料将各类人类活动措施定量化，并与其同步的输沙模数与降水特征建立关联，就可参考用于预测未来流域人类活动，尤其是生态环境治理措施的治理效果。