黄河粗泥沙集中来源区洪水泥沙阶段变化研究

高亚军，徐十锋，吕文星，徐建华

(黄河水文水资源科学研究院，河南 郑州 450004)

黄河之患，患在泥沙；泥沙之祸，根在粗沙。减少黄河泥沙，特别是减少黄河中游1.88万km2粗泥沙集中来源区中的粗泥沙，是维持黄河健康生命、实现黄河长治久安的治本之策。经多年研究，黄河粗泥沙集中来源区是控制入黄粗泥沙的重点区域。自徐建华等[1]提出黄河粗泥沙集中来源区以来，大量学者针对该区进行了研究，比如：赵力毅等[2]对该区产沙规律进行了综述；郭玉涛等[3]基于WebGIS技术对该区进行了电子地图系统研究，高云飞等[4]对该区地形因子进行了研究；赵帮元等[5]基于数字高程模型、卫星影像、电子地图及有关研究成果，分析了该区支流内上中下游、左右岸在坡度、沟壑密度、治理措施、土壤抗蚀性等方面的差异；郑新民[6]和王俊峰[7]分别进行了该区治理问题和工程规划关键技术研究；汪丽娜等[8]根据1960—1999年径流和输沙资料分析了该区水沙变化特征及趋势性。考虑到从暴雨洪水的角度对该区洪水泥沙进行阶段分析还未见报道，本研究通过Pettitt检定法将各支流划分为早期、中期和近期三个时段，通过分析各时段场次降雨洪水输沙关系，定量评价了中期和近期的减洪和减沙量，为进一步定量评价下垫面水利水保措施的作用提供了基础数据，为黄河中游粗泥沙集中来源区治理提供了技术支撑。

1 黄河中游粗泥沙集中来源区基本情况

黄河中游粗泥沙集中来源区是指泥沙粒径≥0.10 mm且粗泥沙输沙模数≥1 400 t/(km2·a)的区域，其面积为1.88万km2，占黄河中游多沙粗沙区面积7.86万km2的23.9%，但产生的粒径大于0.05和0.10 mm的粗泥沙量分别占多沙粗沙区相应粒级产沙量的47.6%和68.5%，占黄土高原地区相应粒级产沙量的34.5%和54.0%。

黄河中游粗泥沙集中来源区是名副其实的产粗泥沙“大户”，也是当前黄河粗泥沙“源头”治理的重中之重。该区位于黄土丘陵沟壑区第一副区和第二副区，在黄河中游呈“品”字形分布，涉三大片，一片分布在皇甫川至佳芦河区间，一片分布在无定河支流的芦河、大理河、延河和清涧河上游一带，还有一片分布在无定河下游，共涉及11条支流[1]。该区面积大且连续部分面积逾1 000 km2的主要水系有皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河和佳芦河。

2 研究资料与方法

2.1 降雨洪水泥沙资料的处理

降水洪水泥沙资料采用水文年鉴中的年降水量、年输沙量、年径流量、降水要素摘录表、洪水要素摘录表等水文气象资料。

(1)整理各支流入黄控制站建站至2016年洪水水文要素摘录表资料。由于洪水水文要素中含沙量资料明显少于流量资料，因此按线性内插方法插补含沙量，使每一个流量都有对应的含沙量；将相同时刻的流量和含沙量相乘，即可得到相同时刻的输沙率。

(2)根据整理好的洪水水文要素资料按照一定标准挑选洪水。判断每场洪水的起讫时间，绘制洪水过程线。

(3)统计次洪洪峰流量、峰现时间、起涨时间、退水时间等。

(4)采用面积包围法计算各场次洪水的径流量、输沙量等特征值。

(5)降水量的获取是按照洪水发生时间选择单站对应的场次暴雨量，各支流面平均雨量的获取是采用绘制等值线图(按5、10、25、50、100、150 mm等不同等级间隔)的方法进行量算获取。

2.2 Pettitt检定法

Pettitt检定法是在1979年提出的一种非参数统计检验方法[9]。它是根据时间序列资料找出突变点，检定该点前后段资料之累计分布函数是否有显著的差异，其核心是通过统计的方法检验时间序列要素均值发生跳跃性变化的确切时间，本质是检验两个样本是否属于同一总体[9]。假设T为序列资料长度，先假设序列中最可能的变化点为t时刻，因此考虑将该序列资料分成X1，X2，…，Xt和Xt + 1，Xt+ 2，…，XT前后两部分[9]。Pettitt定义一指标为[9]

(1)

可由|Ut|的最大值来确定可能发生突变的累计几率P[9]为

(2)

当累计几率P<0.95时，表示未发生突变现象；当P≥0.95时，表示存在显著突变点；当P≥0.99时，表示存在极显著突变点[9]。

3 结果分析

3.1 支流筛选

本次重点支流的选择标准：一是考虑粗泥沙集中来源区涉及的支流，二是具有水文站控制的较大支流，三是能够代表不同地貌单元和下垫面植被类型的支流。粗泥沙集中来源区共涉及11条支流，其中有水文站控制的有皇甫川、窟野河、秃尾河、佳芦河、大理河、孤山川、清涧河和延河8条支流，考虑到清涧河支流在粗泥沙集中来源区中所占面积相对较小，本次支流分析没有入选，最终确定了本次研究的典型支流包括位于产沙剧烈变化区域的皇甫川、窟野河、孤山川、秃尾河、佳芦河、大理河(均为丘一区)及位于植被恢复显著区域的延河(丘二区)共7条支流，基本能够代表粗泥沙集中来源区。

3.2 时段划分

为了消除降雨因素的影响，选取年径流系数(年径流量/年降雨量)和年产沙模数(年输沙量/年降雨量)为判定因子，以年径流系数和年产沙模数最早发生突变的年份作为早期突变点，在早期突变点之后，将再次判定出的突变点作为近期突变点，据此把每条支流分别划分为早期、中期和近期三个时段。以皇甫川为例，判定过程见图1、2。其他支流也按此方法进行检定划分。

图1 皇甫川年径流系数变化趋势的Pettitt检定

图2 皇甫川年产沙模数变化趋势的Pettitt检定

按照支流突变点辨析结果，确定了各支流的中期及近期时段。从近期时段来说，几条支流多发生在1999年黄土高原各地陆续实施退耕还林还草和封山禁牧政策后，退耕后的土地主要转变为林草地，水土保持效果显著。近期突变点发生最早的是秃尾河(1998年)，最晚的是延河(2005年)。各典型支流年代划分结果见表1。

表1 各典型支流年代划分

3.3 场次洪水选取

以某支流入黄控制站建站以来年最大一场洪峰流量多年平均值为标准，各年大于均值的洪水全部入选，小于均值年每年选最大一场洪水入选，即保证每年至少有一场洪水入选。经初步统计，选取各支流总计486场洪水，其中早期、中期和近期分别为232、157和97场。各典型支流洪水入选场次结果见表2。

表2 各典型支流洪水入选场次

3.4 洪水变化特征分析

以皇甫川为例，通过建立支流控制站不同时段次洪径流量与次洪降雨量、次洪输沙量与次洪降雨量关系曲线(见图3、4)，以斜率的变化反映不同时段相同降雨量对应的产洪和产沙量。其余支流分析方法同皇甫川。

图3 皇甫站次洪径流量与次洪降雨量关系

图4 皇甫站次洪输沙量与次洪降雨量关系

在所分析的皇甫川等支流中，同早期下垫面相比，总体相同的次洪面雨量产生的次洪径流量有所减少，中期和近期分别平均减少了32.0%和77.2%；相同的次洪面雨量产生的次洪输沙量也有所减少，中期和近期分别平均减少了40.5%和91.5%。从图5、6可以看出，与早期下垫面相比，中期相同降雨产生的次洪径流量减少比例为24.1%～59.2%，减少最多的是佳芦河流域，最少的是皇甫川流域；近期相同降雨产生的次洪径流量减少比例为48.2%～84.3%，减少最多的是窟野河流域，最少的是大理河流域；中期相同降雨产生的次洪输沙量减少比例为35.1%～69.0%，减少最多的是佳芦河流域，最少的是皇甫川流域；近期相同降雨产生的次洪输沙量减少比例为64.2%～97.5%，减少最多的是窟野河流域，最少的是大理河流域。

图5 各支流不同时段相同降雨次洪径流量变化

图6 各支流不同时段相同降雨次洪输沙量变化

从上述图表还可以看出，与早期下垫面相比，除了佳芦河支流，其他支流在相同降雨条件下的次洪径流量减少比例均为近期大于中期；除了秃尾河和佳芦河中期径流量减少比例达到40%以上，其余支流均在30%左右；近期径流量减少比例窟野河和孤山川高达80%以上，皇甫川、秃尾河和延河达到65%以上，佳芦河和大理河在50%左右。在研究的支流中，与早期下垫面相比，相同降雨条件下的次洪输沙量减少比例均为近期大于中期，且中期输沙量减少比例孤山川、秃尾河和佳芦河均达到50%以上，其余支流在40%左右；除大理河、佳芦河以外，其余支流近期输沙量减少比例均在80%以上，部分支流达到90%以上。

从研究区来看，与早期下垫面相比，由于各支流下垫面条件不一致，因此中期和近期所表现出来的减水减沙比例不尽相同。总体上，次洪径流量中期减少1/3，近期减少3/4；次洪输沙量中期减少2/5、近期减少9/10以上。

4 结 语

(1)利用Pettitt检定法，为进一步消除降雨因素对不同时段划定的影响，选取年径流系数和年产沙模数为判定因子，可以较唯一地反映出研究区各支流早中近期不同时段的转折点，这一时段的划分与各支流下垫面治理程度关系密切。

(2)各支流按照其建站以来最大一场洪峰流量多年平均值为标准，每年至少选取一场洪水，既保证了大洪水事件入选，同时也照顾到了个别年份小洪水入选，保证了系列资料年份的连续性。从早中近期三个时段入选的场次洪水数量来看，洪水发生次数表象似乎有所减少，但个别支流发生大洪水的现象依然存在。

(3)从研究区总体来看，随着流域下垫面的进一步治理，与早期下垫面相比，中期和近期减沙幅度大于减洪幅度，近期减幅大于中期减幅，减洪幅度从中期的1/3增加到近期的3/4，减沙幅度从中期的2/5增加到近期的9/10以上。但是我们在看到中期、近期减洪减沙效果显著的同时，也发现了流域在遇到短历时高强度大暴雨时水利水保措施拦蓄能力的脆弱性，如遇到近年来发生的“7·26”无定河大暴雨和佳芦河流域“7·27”高强度暴雨，减水减沙作用仍有限[10-11]。