典型对比小流域降水特征及其对径流泥沙的影响<br/>——以南小河沟流域为例

典型对比小流域降水特征及其对径流泥沙的影响
——以南小河沟流域为例

2021-09-17郜文旺袁文博

中国水土保持 2021年9期

袁静，郜文旺，袁文博

(黄河水土保持西峰治理监督局，甘肃庆阳 745000)

流域水沙关系是流域降水与下垫面相互作用的结果，是一个复杂的物理过程[1-2]。在诸多影响水土流失的因素中，降水量是影响径流形成的重要因素，降水和径流二者时空特征的改变势必造成流域水沙关系的变化，但仅从降水量多少来判断是否产生侵蚀或者产生多少侵蚀是不可靠的，土地利用变化也是其中十分重要的方面[3]。本研究基于小流域平行对比观测法[4]，以南小河沟流域中杨家沟、董庄沟两条小流域为主要研究对象，研究黄土高塬沟壑区小流域高度治理对流域地表径流的作用和影响，从既典型又简易处着手，有利于深入了解水土保持对流域径流输沙的影响机理、特点及规律，希望能为转换到更大尺度开展类似研究奠定基础和提供借鉴。

1 研究区概况

杨家沟和董庄沟小流域位于甘肃省庆阳市西峰区后官寨乡境内(图1)，是黄土高塬沟壑区南小河沟流域内的两条小支沟。两条小流域多年平均降水量546.9 mm，5—9月降水量420.3 mm，占全年的76.9%；年均气温9.3 ℃，最高气温39.6 ℃，最低气温-22.6 ℃；年均无霜期155 d，年均蒸发量1 474.6 mm，干燥度1.6。其中：杨家沟小流域面积1.01 km2，自1952年开始，基本上是按照“全面规划、集中治理、连续治理、沟坡兼治、治坡为主”“工程措施与生物措施相结合”的方针，经过多年的综合治理，农林牧均有较大发展；董庄沟小流域面积1.12 km2，一直处于自然恢复状态。

图1 研究区位置示意

2 研究内容

(1)主要降水特征及其时空变化。分析2005—2018年流域降水量特征指标在年际、年内、月际、汛期等时间尺度上的分配与变化。

(2)降水及地表径流的年际变化特征。遴选与流域水沙变化关系密切的主要降水特征指标，分析不同时间尺度下流域产流产沙对典型降水特征指标的响应关系，明确不同降水条件下的流域产流产沙基本特征。

(3)典型降水过程洪水径流过程分析。结合流域下垫面情况，分析典型降水过程中两个对比流域径流特征值的变化。

3 研究方法

(1)基于两条流域2005—2018年3个雨量站的逐日降水观测资料，在计算不同降水特征指标的基础上，采用统计学方法确定不同降水特征指标的时空变化。

(2)基于两条流域2007—2018年的实测资料，根据不同时间尺度下两个对比流域降水、径流的相互关系，采用双累积曲线、统计模拟、综合归因等方法[5-6]，确定不同下垫面特征时段内降水对流域水沙变化的贡献及其作用机制。

(3)选取不同年份的典型降水过程，利用统计学原理，确定降水对两条流域洪水径流过程的影响。

4 结果与分析

4.1 流域降水特征分析

4.1.1 多年平均月降水特征

由图2可知，杨家沟、董庄沟两条小流域2005—2018年降水主要集中在5—9月，分别占两条流域年降水量的76.53%、77.28%。其中，杨家沟小流域7、8、9月平均降水量分别为109.8、93.9、90.2 mm，分别占全年降水量的20.71%、17.71%、17.02%；董庄沟小流域7、8、9月平均降水量分别为112.3、94.4、91.6 mm，分别占全年降水量的21.30%、17.90%、17.37%。这说明杨家沟和董庄沟两条小流域降水分布季节性均较为明显。

图2 两条小流域2005—2018年多年平均月降水量分布

4.1.2 年降水量和汛期降水量变化特征

杨家沟小流域年均降水量为530. 3 mm，年降水量最大值为657.2 mm(2011年)，最小值为426.8 mm(2009年)，汛期平均降水量为476.4 mm。董庄沟小流域年均降水量为527.3 mm，年降水量最大值为648.0 mm(2011年)，最小值为418.3 mm(2008年)，汛期平均降水量为475.7 mm。

两条小流域年降水量和汛期降水量年际变化见图3、4。由图3、4可知，2005—2018年两条流域历年降水量在年际间均存在一定波动，其中2011、2013、2017、2018年为丰水年，其他年份降水量相对偏少。同时，通过对比2005—2018年两条流域历年年降水量和汛期降水量可以看出，二者的变化趋势基本一致，其中年均降水量相差仅3.0 mm，汛期平均降水量相差仅0.7 mm。

图3 两条小流域年降水量年际变化

图4 两条小流域汛期降水量年际变化

4.1.3 年产流降水量的变化

以杨家沟和董庄沟小流域的降水观测数据进行对比，详见图5。杨家沟小流域年平均产流降水量为211.0 mm，董庄沟小流域为268.6 mm，杨家沟比董庄沟少21.4%，尤其2017年相差最多，达到208.7 mm。在观测的14年中，杨家沟小流域有9年的年产流降水量小于董庄沟，占全部观测年份的64.3%，可见大部分年份，杨家沟小流域的年产流降水量明显少于董庄沟。

图5 两条小流域产流降水量年际变化

4.2 径流输沙特征变化及其与降水的关系

4.2.1 年径流量和年输沙量特征

根据董庄沟、杨家沟小流域的实测资料统计，在降水量基本相同的情况下，杨家沟的多年平均径流量为0.126万m3，多年平均径流模数为0.124 m3/km2，多年平均输沙量为120.0 t，多年平均侵蚀模数为138.61 t/(km2·a)；董庄沟的多年平均径流量为0.935万m3，多年平均径流模数为0.834 m3/km2，多年平均输沙量为1 620 t，多年平均侵蚀模数为1 428.36 t/(km2·a)。

4.2.2 年产流次数的变化

根据两条小流域2007—2018年的观测资料进行对比分析(图6)，可以看出二者的降雨产流次数具有明显的差别。在年均降水量差别不大的情况下,杨家沟小流域多年平均产流5.0次,董庄沟小流域多年平均产流7.0次，杨家沟比董庄沟少28.6%。

图6 两条小流域产流次数年际变化

4.2.3 年产流量、输沙量的变化

根据实测资料统计，在降水量基本相同的情况下，治理后杨家沟比董庄沟蓄水量增加0.680 m3/km2，泥沙量减少1 289.75 t/km2，杨家沟水土保持措施的蓄水效益为60.0%，拦沙效益达到66.7%。与董庄沟相比，杨家沟径流模数与输沙模数均较小，在年降水量及汛期降水量变差系数相差不大的情况下，杨家沟的径流模数和输沙模数的变差系数分别为0.960和1.903，而董庄沟则分别为0.926和1.249。这说明，小流域经过治理后，其径流和泥沙的年际变化及年际差异增大，水土流失综合治理对输沙量影响显著。由图7可以看出，杨家沟、董庄沟小流域尽管同为南小河沟流域的子流域，地理位置接近，降雨量基本一致，但径流模数差异却较大，董庄沟小流域的径流模数在部分年份达到了杨家沟小流域的118倍。由图8可以看出，两流域的输沙模数与径流模数成正相关，径流模数基本决定输沙模数的变化。但是，在径流高位运行的情况下，没有经过人工治理的董庄沟小流域输沙模数偏高，平均输沙模数是杨家沟的13.5倍，且董庄沟输沙模数曲线波动较杨家沟大。径流模数及输沙模数等水文数据能直接反映水土流失情况，说明不进行水土流失治理的小流域蓄水保土效益明显较治理小流域差。

注：两条小流域汛期降水量相近，以杨家沟小流域汛期降水量制图，下同图7 两条小流域汛期降水量及径流模数年际变化

图8 两条小流域汛期降水量及侵蚀模数年际变化

4.2.4 流域径流、输沙与降水的关系

点绘2007—2018年累计汛期降水量-累计径流量、累计汛期降水量-累计输沙量的散点图(图9、图10)，进行回归分析，建立它们之间关系，结果见表1。由表1可以看出，累计汛期降水量-累计径流量、累计汛期降水量-累计输沙量之间为幂函数关系，尤其是董庄沟累计汛期降水量-累计径流量具有较好的相关性，判定系数为0.961。

图9 汛期降水量-年径流量双累计曲线

图10 汛期降水量-年输沙量双累计曲线

表1 两条小流域降水与径流、泥沙关系

4.3 典型降水过程小流域洪水径流特征

选取杨家沟和董庄沟小流域2007—2018年9次典型降水过程洪水径流特征进行分析(表2)，结果表明：杨家沟小流域拦蓄暴雨效益提高了9.96%～99.58%，平均为62.80%，经过治理的杨家沟流域拦蓄暴雨的能力明显高于自然状态的董庄沟流域；从径流系数看，未治理的董庄沟平均径流系数为杨家沟的7.8倍，杨家沟平均能拦蓄典型次降水量的99.21%(变化于95.10%～99.97%)，而董庄沟流域能拦蓄93.83%(变化于80.76%～99.93%)；在相近降水条件下，杨家沟次径流量变化明显大于董庄沟，杨家沟次径流模数的变异系数为2.28，是董庄沟的1.68倍，这表明水土流失治理使地表径流变化剧烈；杨家沟、董庄沟平均洪水历时分别为14.62、35.65 h，这表明水土流失治理可以缩短小流域洪水历时，减轻水土流失灾害。