砚瓦川流域降雨径流泥沙变化研究

摘要    本文通过黄土高塬沟壑区砚瓦川中尺度流域降雨径流泥沙资料分析其特征，结果表明，硯瓦川流域处于半干旱地区，年降雨量主要集中在雨季，枯水期的降雨量非常少，因而年降雨量与汛期降雨量有非常相似的变化趋势和特征。砚瓦川流域降雨量年内分配不均，降水主要在集中在7—8月，汛期降雨量占全年降雨量的77.4%。年际变化较小，趋势不明显。砚瓦川流域径流量、泥沙量的变化与降雨量密切相关，具有基本相同的规律和特点。径流量和泥沙量呈逐年减小的变化趋势。

关键词    砚瓦川流域;降雨;径流;泥沙;相关关系

中图分类号    S157.1        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）11-0194-02                   开放科学（资源服务）标识码（OSID）

1    区域概况与资料来源

1.1    研究区域概况

砚瓦川流域地处甘肃省庆阳市西峰区、宁县境内，系泾河二级支流，位于东经107°37′32″～107°55′00″、北纬35°30′17″～35°44′14″之间，流域总面积376.69 km2，集水区长度35 km，沟道比降1.29%，涉及西峰区、宁县的8个乡镇。砚瓦川流域具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征，地质构造较为单一，地表基本为黄土所覆盖。流域属暖温带森林草原地带植被类型，天然草原植被以铁杆蒿群落和白羊草加本氏针茅群落为主。区域多年平均降雨量为544.9 mm，年际变率大，其相对年变率为19.0%;春季年变率为29.2%，夏季年变率为29.4%，秋季年变率为34.2%，冬季年变率为50.7%。降水的季节分布不均，主要集中在7—9月，约占全年降水量的68%左右，并且多以暴雨形式出现。

1976年，为探讨较大流域水土保持综合治理效益，黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站在砚瓦川流域出口设立径流泥沙测站进行观测，该站控制流域面积329.0 km2。测流设施为抛物线型量水堰，主要观测降雨、水位、流量、泥沙（含沙量、输沙率）、蒸发等[1-3]。在砚瓦川流域内先后布设砚瓦川、永丰、秦霸岭、司家老户等23处雨量站。随着时间的变化，雨量站点有增减，2007年开始逐步恢复调整有24处雨量站进行雨量观测至今，流域内站网密度为13.7 km2/站。

1.2    资料来源

以砚瓦川流域24个雨量站1976—2017年逐日降雨量作为基本数据，雨量站位置分布见图1。

2    结果与分析

2.1    降雨变化特征

2.1.1    降雨量年际变化。根据砚瓦川流域所布设的24个雨量站的实测降雨资料统计（图2），流域多年平均（1976—2017年）降雨量为523.4 mm，其中降雨量最大值814.1 mm（2003年），最小值297.2 mm（1995年），极值比为2.7∶1.0。其中年降雨量≥600 mm的年份，共出现了10年，占总年数的23.8%，年降雨量≥400mm而<600 mm的有28年，占总年数的66.7%，有4年年降雨量<400 mm，占总年数的9.5%。

2.1.2    降雨量年内变化。砚瓦川流域降水量年内分配高度集中，季节分配很不均匀。1976—2017年5—9月汛期降雨量为405.1 mm，占全年降雨量的77.4%。其中，7—8月降雨量为212.9 mm，占全年降雨量40.7%，占汛期降雨量的52.6%;有效降雨量338.5 mm，占全年降雨量64.7%。

2.1.3    降雨量的空间分布。从砚瓦川流域来看，流域各站的降雨量均值存在一定差异。选择1978—2017年砚瓦川流域10个站汛期降雨量资料进行分析，流域汛期平均降雨量为407.89 mm。均值最大为秦霸岭雨量站，汛期降雨量418 mm，较流域均值大2.42%;均值最小为元马雨量站，较流域均值小4.83%。各测站汛期降雨量自北向南略有减小。

2.2    径流泥沙变化

从砚瓦川流域各年代径流量的变化（图3）来看，1976—1979年年均径流量为854.25万m3，年均洪水径流量为370.14万m3;2010—2017年年均径流量为686.69万m3，年均洪水径流量为275.11万m3，较20世纪70年代年均径流量增加了19.59%，洪水径流量减少了25.67%。

砚瓦川流域1976—2017年的多年平均年输沙量大约为62.57万t，其中汛期输沙量为61.16万t，占全年输沙量的97.75%，7—8月输沙量44.39万t，占全年输沙量的70.94%，占汛期输沙量72.58%;多年平均洪水输沙量60.7万t，占全年输沙量的97.01%;最大年输沙量为396.88万t（1984年），最小年输沙量为0.99万t（2008年）。砚瓦川流域多年平均输沙模数为1 901.72 t/km2。

从图2、3可以看出，砚瓦川流域降雨量增加，径流量和泥沙量增加;降雨量减小，径流量和泥沙量减小。因此，降雨量与径流量、泥沙量成正比。

2.3    径流泥沙与降雨因子回归分析

点绘砚瓦川流域单因子降雨指标汛期降雨量、7—8月降雨量、有效降雨量、最大1 d降雨量、最大3 d降雨量、最大7 d降雨量、最大15 d降雨量、最大30 d降雨量与洪水、洪沙关系相关图，各方程见表1。洪水径流量与降雨因子的回归分析表明，汛期降雨量与洪水径流量相关性相对较高，5种模型中多项式模型相关系数最高（图4）。

砚瓦川流域洪水径流量与输沙量的回归分析表明，5种模型中多项式模型相关系数最高（图5）。

3    结论

砚瓦川流域处于半干旱地区，年降雨量主要集中在雨季，枯水期的降雨量非常少，因而年降雨量与汛期降雨量有非常相似的变化趋势和特征[4-5]。砚瓦川流域降雨量年内分配不均，降水主要集中在7—8月，汛期降雨量占全年降雨量的77.4%。年际变化较小，趋势不明显。

砚瓦川流域径流量、泥沙量变化与降雨量密切相关，具有基本相同的规律和特点[6]。径流量和泥沙量呈逐年减小的变化趋势。降雨因子中汛期降雨量与洪水径流量多项式模型相关性相对较高，洪水径流量与输沙量有多项式相关关系。

4    参考文献

[1] 刘泉，李鹏，李占斌，等.模拟降雨条件下坡地径流泥沙特征研究[J].水土保持研究，2015，22（3）：1-5.

[2] 展小云，曹晓萍，郭明航，等.径流泥沙监测方法研究现状与展望[J].中国水土保持，2017（6）：13-17.

[3] 曾赟，魏琳.土地利用和气候变化对四川省紫色丘陵区径流泥沙变化的影响研究[J].水土保持通报，2013，33（3）：1-6.

[4] 郭爱军，畅建霞，王义民，等.近50年泾河流域降雨-径流关系变化及驱动因素定量分析[J].农业工程学报，2015，31（14）：165-171.

[5] 毛德华，曹艳敏，李锦慧，等.洞庭湖入出湖径流泥沙年内变化规律及成因分析[J].水资源与水工程学报，2017，28（1）：32-39.

[6] 蒋德麒，赵诚信，陈章霖.黃河中游小流域径流泥沙来源初步分析[J].地理学报，1966（1）：20-36.

基金项目   中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金项目“黄土高塬沟壑区典型流域径流输沙对降雨的变化响应”（IWHR-SKL-KF201808）。

作者简介   许小梅（1979-），女，甘肃镇原人，高级工程师，从事水土流失动态监测与水土保持科学研究工作。

收稿日期   2020-02-26