宁夏红柳沟流域水沙变化及产沙分析

岳志春， 宋天华， 金晓勇

（1．宁夏水旱灾害防御中心，宁夏 银川 750001；2．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

黄河上游龙刘水库建成使用以来，黄河干流宁夏段来水、来沙过程发生了变化。黄河宁夏段较大的入黄支流有清水河、红柳沟、苦水河、都思兔河（界河），清水河是黄河宁夏段最大支流，苦水河、红柳沟均为黄河重要的一级支流。红柳沟流域人为干扰较少，基本属于天然河道，研究红柳沟流域水沙变化问题和区间产沙机制可进一步分析降水和人类活动对径流、泥沙及水沙关系的影响。本文利用1954—2015 年红柳沟流域水文站点实测资料，研究红柳沟流域各时期水沙变化规律及其趋势，旨在揭示黄河宁夏段水沙变化的成因。

1 基本情况

红柳沟为宁夏河流直接入黄的第三支流，集水面积1 064 km2，河长107 km，发源于同心罗山，流经同心、中宁，由中宁鸣沙洲汇入黄河（表1）。该河流具有干旱、径流少、泥沙大等特点。区域平均年降水量265 mm，总量2．82 亿m3。年输沙量239 万t，平均含沙量为385 kg/m3。

表1 主要入黄水沙来源区水文特征

2 水沙量变化特点

2.1 年均水沙量变化特点

由于缺少红柳沟鸣沙洲站1970—1979 年实测资料[1]，本文在分析红柳沟不同时期水沙量变化时，将研究时期划分成1969 年以前、1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2015 年4 个时期（表2）。鸣沙洲站多年平均水、沙量分别为0．133 亿m3和0．027 2 亿t。与长时期年均相比，水量偏多的时期为1980—1989 年、1990—1999 年、2000—2015 年，水量增长0．7%～19．5%；而1958—1969 年水量偏少，减少29．3%。年均沙量只有在1990—1999 年偏多，增长62．5%，其他几个时期年均沙量均偏少，减少10．8%～23．3%。

表2 鸣沙洲水文站不同时期水、沙量变化

2.2 年际间水沙量变化

红柳沟鸣沙洲站多年平均含沙量为204 kg/m3，含沙量相对较高[2-3]。年际间水沙量变化起伏较大，丰枯悬殊。红柳沟鸣沙洲水文站最大水、沙量分别为0．274 亿m3和0．109 亿t，分别发生在1985 年和1996 年；最小水、沙量分别为0．03 亿m3和0．001 亿t，均发生在1963 年，水、沙量最大、最小量分别相差9．1 倍和109 倍（表3）。可见，红柳沟各时期的最大水量没有明显的变化趋势，在各时期均有大有小，而沙量最大值出现在1990—1999 年，2000—2015 年有所减小。

表3 红柳沟鸣沙洲站不同时期最大和最小水、沙量

2.3 水沙量年内分配特点

2.3.1水沙量年内分配比例 红柳沟鸣沙洲站在不同时期的水沙量年内分配情况见表4。1958—1969年汛期水量占年水量比例为84．1%，1980—1989 年、1990—1999 年这2 个时期汛期水量占年水量比例为63．9%～69．4%，2000—2015 年汛期水量占年水量比例为51．8%。红柳沟鸣沙洲水文站各时期汛期沙量占年沙量的比例较高，除2000—2015 年为85．1%外，在其他3 个时期达到了91．6%～94．7%。

表4 不同时期红柳沟鸣沙洲站水、沙量年内分配

2.3.2汛期水沙量 红柳沟鸣沙洲站不同时期汛期和非汛期水、沙量特征参数见表5。鸣沙洲站汛期水量为0.076～0.111 亿m3，沙量为0.017 8～0.040 1 亿t，水量和沙量在1990—1999 年出现最大值。水量在各时期内的变化起伏不定，沙量总体上呈减小趋势。平均流量为0.71～1.04 m3/s，平均含沙量为235.6～362.3 kg/m3，均在1990—1999 年这一时期内最大。

表5 红柳沟鸣沙洲站不同时期汛期和非汛期水、沙量特征值

2.3.3非汛期平均流量 红柳沟鸣沙洲站非汛期的平均流量小，且变化幅度不大，平均流量0.07～0.34 m3/s，呈明显增大的趋势，在2000—2015 年最大[4-5]。

3 降水变化特征与趋势分析

红柳沟流域降水值见表6—表8。1959—2015年年雨量、汛期雨量、主汛期雨量的多年平均值分别为287、196、120 mm，汛期雨量和主汛期雨量分别占年雨量的68%、42%。1959—2015 年＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm 雨量多年平均值分别为165、56、14 mm，＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量分别占＞10 mm 雨量的34%、8%；1959—2015 年最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量的多年平均值分别为38、48、57、76 mm。

表6 红柳沟流域各时期年雨量、汛期雨量、主汛期雨量统计

表7 红柳沟流域各时期＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量统计

表8 红柳沟流域最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量统计

3.1 红柳沟流域各点降水特征

红柳沟流域年雨量基本不变，汛期雨量总体呈增大趋势，主汛期雨量呈减小趋势。就不同强度雨量值而言，＞25 mm雨量呈略微增大趋势，＞10 mm、＞50 mm 雨量呈略微减小趋势，＞10 mm 雨量的减少幅度大于＞50 mm 雨量。上述分析结果表明，在1959—2015 年，红柳沟流域的降水总量基本不变，其年内分配可能发生了一定变化，即7、8 月份降水量减小，6、9 月份降水量增加；在＞10 mm 雨量整体呈略微减小趋势的情况下，＞50 mm 雨量的变化趋势与＞10 mm 雨量基本一致，＞25 mm 雨量的变化趋势与二者相反。这表明不同量级的降水比例可能发生了变化，即25～50 mm 雨量的比例增大。

1959—2015 年，红柳沟流域最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量的Cv值变化无明显规律；其间各时期的最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量Cv值总体波动变化，无明显规律；就1959—2015 年长系列而言，Cv值由小到大依次为最大7 日、最大3 日、最大15 日、最大1 日雨量。从1959—2015年整体看，上述降水特征值的离散程度由小到大依次为最大7 日、最大3 日、最大15 日、最大1 日雨量，即变化剧烈程度逐个增大；从1959—2015 年间的各时期看，最大1 日、最大3 日、最大7日、最大15 日雨量变化的剧烈程度波动变化，无明显规律。

3.2 红柳沟流域各降水特征值累计距平值

红柳沟流域年雨量在1961—1979 年有一个丰水过程，在1985—2006 年有一个枯水过程；汛期雨量、主汛期雨量累计距平值总体呈波动状态，无明显趋势。2000 年以来，流域年雨量、汛期雨量累计距平值呈先减小后增大趋势，2006 年以前雨量偏枯，2011 年以后雨量偏丰；主汛期雨量累计距平值呈持续减小趋势，这表明主汛期雨量持续偏枯。

红柳沟流域1959—2015 年长时期＞10 mm、＞25 mm 雨量累计距平值均波动变化，无明显规律，未出现长时段持续丰水或枯水过程；＞50 mm 雨量呈一定的周期性变化，但振幅有随时间减弱趋势。2000年以来，＞10 mm、＞25 mm 雨量累计距平值在2002—2006 年呈减小趋势，在2011—2014 年呈增大趋势，这表明2002—2006 年雨量偏枯，2011—2014 年雨量偏丰；＞50 mm 雨量表现为2 个周期，且振幅逐次降低，单个周期时长缩短，这表明其出现频率增高。

3.3 红柳沟流域各降水特征值在不同时段的差异系数

红柳沟流域1959—2015 年年雨量、汛期雨量、主汛期雨量差异系数（Cv值）由小到大依次为年雨量、汛期雨量、主汛期雨量；其间各时期的Cv值变化过程总体呈波动变化无明显规律；就1959—2015 年长系列而言，Cv值由小到大依次为年雨量、汛期雨量、主汛期雨量。从1959—2015 年总体和其间某一时期分别看，上述降雨特征值的离散程度由小到大依次为年雨量、汛期雨量、主汛期雨量，即变化剧烈程度逐个增大；不同时期的年雨量、汛期雨量、主汛期雨量变化的剧烈程度波动变化，无明显规律，其中在1980—1989年这一时期波动最为剧烈[6-7]。

红柳沟流域1959—2015 年雨量Cv值由小到大依次为＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm 雨量；不同时期Cv值的变化特点为＞10 mm、＞50 mm、＞25 mm 雨量总体波动变化，无明显规律；就1959—2015 年长系列而言，Cv值由小到大依次为＞10 mm、＞25 mm、＞50 mm雨量。可见，对于1959—2015 年整体情况和其间某一时期而言，上述降雨特征值的离散程度由小到大依次为＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量，即变化剧烈程度逐个增大；对于各时期而言，＞10 mm、＞50 mm、＞25 mm 雨量变化的剧烈程度波动变化，无明显规律。

红柳沟流域1959—2015 年的最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量Cv值的变化无明显规律；其间不同时期Cv值的变化呈现为最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量总体波动，无明显规律；就1959—2015 年长系列而言，Cv值由小到大依次为最大1 日、最大3 日、最大15 日、最大7 日雨量。这表明，在1959—2015 年上述降雨特征值的离散程度由小到大依次为最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大15 日雨量、最大7 日雨量，即变化剧烈程度逐个增大；其间各时期最大1 日、最大3日、最大7 日、最大15 日雨量变化的剧烈程度波动变化，无明显规律[8]。

3.4 红柳沟流域1959—2015 年的各降雨特征值

如表9—表11 所示，各降雨特征值均无显著变化趋势（显著性水平α=0.05，│Z0.05│=1.64）。年雨量、汛期雨量的Z值与β 值均为正值，二者均呈增大趋势，但趋势并不显著。汛期雨量的增大速率大于年雨量；主汛期雨量的Z值与β 值均为负值，这表明其呈减小趋势，趋势亦不显著。

表9 红柳沟年雨量、汛期雨量、主汛期雨量Mann-Kendall 趋势检验

表11 红柳沟最大1 日、最大3 日、最大7 日、最大15 日雨量Mann-Kendall 趋势检验

＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量的Z值与β 值均为正值，三者均呈增大趋势，但变化趋势并不显著，增大速率由大到小依次为＞25 mm 雨量、＞10 mm 雨量、＞50 mm 雨量。最大1 日、最大3日、最大7 日、最大15 日雨量的Z值与β 值均为负值，四者均呈减小趋势，但变化趋势不显著，减小速率由大到小依次为最大7 日雨量、最大15 日雨量、最大3 日雨量、最大1 日雨量。

表10 红柳沟大于10 mm、大于25 mm、大于50 mm 雨量Mann-Kendall 趋势检验

4 降水—径流—输沙关系分析

为阐明红柳沟流域降水与径流、降水与输沙的关系，以鸣沙洲站作为流域出口控制站，使用双累积曲线、对比分析法等方法，分析鸣沙洲的年降雨量与鸣沙洲站实测年径流量、输沙量的关系及其在不同时期的变化过程。

4.1 降水—径流关系分析

鸣沙洲站不同时期年降雨量与年径流量见表12。以1960—1969 年这一时期作为基准期，对比不同时期降雨量与径流量的变化：自1980 年起，各时期的径流量减少量均为负值，这表明流域径流量增大，各时期的径流量增大幅度与降水增幅呈正相关关系，其中2000—2015 年的降雨量与径流量增幅最大，分别增加20.4%、71.5%。

表12 鸣沙洲站不同时期降雨量与年径流量

4.2 降水—输沙关系分析

鸣沙洲站不同时段年降雨量与年输沙量见表13。流域年输沙量—年降雨量关系变化过程大致可划分为3 个时期：1959—1988 年、1989—2002年、2003—2015 年，1959—1988 年这一时期可作为基准对比时期，该时期实测年输沙量与降雨量的变化幅度基本一致；1989—2002 年这一时期流域增沙量远远高于降水增幅，这表明该时期生产开发建设规模较大，人为的新增水土流失量较多；2003—2015 年，流域输沙量较前一时期大幅降低，尤其是2010—2015 年年降雨量较基准对比时期增大20.4%，为各时期中的最大值，而实测年输沙量较基准对比时期减小7.0%。这表明随着该流域水土流失治理力度加大，尤其是进一步实施退耕还林还草工程与淤地坝亮点工程[7-8]，水土保持治理成效逐渐显现。流域长系列累计输沙量与累计降雨量关系的斜率先增大后减小，这表明红柳沟流域年降雨量与年输沙量的关系发生了较为明显的变化[9]。

表13 鸣沙洲站不同时段年降雨量与年输沙量统计

红柳沟流域的减沙量与降水较少量的一致性较好，这表明红柳沟下垫面条件整体受人类活动影响较少，侵蚀产沙环境与输沙条件变化不大。仅在2003 年以后逐渐受到各项水土流失治理措施的影响，下垫面条件有所改变。

5 讨论与结论

1）红柳沟鸣沙洲站多年平均水、沙量分别为0．133 亿m3、0．027 2 亿t，各时期水、沙量没有明显的规律性变化。1969 年以前是水量最少的时期，减幅达到29．3%；1990—1999 年是水、沙量最多时期，增幅分别为19．5%和62．5%。2000—2015 年是沙量减少最多的时期，减少23．3%。同时红柳沟水沙量变幅除在个别时期外，基本呈减少趋势。

2）红柳沟流域长时期水、沙量主要集中在汛期，汛期水、沙量占全年的比例分别为64．7%和90．3%。但是随着时间推移，大部分站点汛期水、沙量站全年的比例逐渐降低，至2000—2015 年鸣沙洲汛期水、沙量的占比只有51．8%和85．1%。

3）1959—2015 年，红柳沟流域年雨量、汛期雨量、主汛期雨量、＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量、最大1 日雨量、最大3 日雨量、最大7 日雨量、最大15 日雨量的多年平均值分别为287、196、120、165、56、14、38、48、57、76 mm。根据1958—2015 年各降水特征值的拟合趋势线，除年雨量、汛期雨量、＞25 mm 雨量呈略微增大趋势外，其余均呈略微减小趋势，但是变化趋势均不显著。2000 年以来，年雨量、汛期雨量、＞10 mm 雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm雨量累计距平值表明，2002—2006 年雨量偏枯、2011—2014 年雨量偏丰。就1958—2015 年的Cv值而言，不同系列特征值变化的剧烈程度分别由小到大依次为年雨量、汛期雨量、主汛期雨量，＞10 mm雨量、＞25 mm 雨量、＞50 mm 雨量，最大7 日雨量、最大3 日雨量、最大15 日雨量、最大1 日雨量。就不同时期的Cv值而言，各降雨特征值无明显变化趋势。Mann-Kendall 趋势检验表明，1958—2015 年各降雨特征值均无显著变化趋势。

4）1959—2015 年红柳沟流域年径流量—年降雨量关系基本保持一致，仅在2002 年后斜率略微减小。根据红柳沟流域年降雨量—年输沙量关系的变化过程可划分为1959—1988 年、1989—2002 年、2003—2015 年3 个时期，年输沙量累积值随年降雨量累积值的增速先增大再减小，流域年输沙量—年降雨量关系发生了明显变化。以1959—1988 年作为基准对比时段，1989—2002 年这一时期流域增沙量远远高于降水增幅，这表明在该时期人为的新增水土流失量较多；2003—2015 年，流域输沙量较前一时期大幅降低，尤其是2010—2015 年年降雨量较基准对比时期增大20．4%，而实测年输沙量较基准对比时段减小7．0%，这表明水土保持治理成效逐渐显现。