长丰河流域径流量和输沙量相关性及变化规律分析

2024-03-08周文庆

地下水 2024年1期

周文庆

(甘肃省陇南水文站,甘肃成县 742500)

1 流域概况

长丰河又名青泥河,是嘉陵江一级支流。长丰河流域地处甘肃省陇南市东北部,流域面积1 842 km2,发源于甘肃省天水市南部的苏成乡马坊一带,干流纵贯北、南秦岭山地,中穿徽成盆地,总长144 km,落差660 m;河床大部分为裸露岩石,流经盆地的河段多为卵石砂层覆盖。流域内沟壑纵横、支流较多,大致呈对称性羽状分布,主要支流有发源于成县的南河和发源于徽县的麻沿河。上游至下游地形依次为中高山、丘陵、川坝,自成县县城东南又进入山区,地势西北高,东南低,海拔750～2 377 m之间。青泥河及其他支流切割形成的谷地贯穿其中,形成特殊的地形地貌。成县县城以上亦称东河,位于嘉陵江西岸,是嘉陵江中游在陇南境内仅次于白龙江和西汉水的第三大支流。流域属于副热带季风气候,属南北过渡性暖温带半湿润气候区,四季分明,雨水充沛,气温较高。年平均气温11.9℃,最热7月平均气温23.3℃,最冷1月平均气温-0.8℃,极端最高气温37.3℃,极端最低气温-15.0℃。平均无霜期210 d,年日照时数1 795 h,日照百分率为41%,最多可达1 976 h。年均降雨量680 mm,年均蒸发量610 mm,相对湿度75%,盛行东南风。

2 数据来源

长丰河设有成县水文站,是该流域唯一的水文站,也是进入嘉陵江的控制站,距陕西省略阳县的嘉陵江河口57 km,集水面积1 502 km2。始建于1958年10月,属省级重要站、中央报汛站、区域代表站。所以可以依据成县水文站建站以来近60多年的径流量和输沙量数据,分析长丰河流域径流量和输沙量的相关性以及演变规律。

3 径流量和输沙量的年内变化

3.1 径流量和输沙量的年内分配特点

径流量的年内变化跟降水的年内时空变化、上游前期土壤含水量以及人类的生产活动等有紧密的关系,在汛期,降雨对径流起着决定作用,在枯季,径流主要来自流域蓄水。依据成县水文站1959-2021年的径流量数据计算逐月多年平均径流量,如表1所示。

表1 长丰河逐月多年平均径流量表 108m3

泥沙的运动和沉积是河流中重要的水文现象之一,主要决定于地面径流对流域表面的冲刷作用及岩石的风化程度;降雨强度和降雨量的大小对泥沙也有很大影响,特别是久晴无雨时期,土壤干燥,粘力小,较易冲刷,暴雨可以是径流挟带大量泥沙,还有人类的活动,在多数情况下,主要以前者为主。成县水文站1964年前没有实测泥沙数据,所以依据1964-2021年的输沙量数据计算逐月多年平均输沙量,如表2所示,同时绘制逐月多年平均径流量和逐月多年平均输沙量对比图,如图1所示。

图1 逐月多年平均径流量和逐月多年平均输沙量对比图

表2 长丰河逐月多年平均输沙量表 104t

分析表1、表2、图1可以看出,径流量和输沙量主要集中在汛期5-10月,尤其集中在主汛期7-9月,径流量占比49.2%,将近全年径流量的一半;输沙量占比85.9%,比全年输沙量的3/4还多,这和降雨的时空分布是一致的,全年的降雨主要也在7-9月份,占全年降雨的54.6%,而且成县是暴雨多发区域,上游黄渚镇是甘肃省著名的暴雨中心,有记录以来历年全省最大各时段降雨均发生在黄渚镇,发生时间是2010年8月。说明长丰河流域的泥沙主要来源还是强降雨对坡面土壤的冲刷造成的。

3.2 年内径流量和输沙量相关性

依据成县水文站1964-2021年数据,用Pearson、Correl、Rsq相关系数统计分析,见表3。

表3 径流量和输沙量不同时期相关系数计算统计

相关系数的绝对值越大,相关性越强,相关系数越接近于1或-1,相关度越强,相关系数越接近于0,相关度越弱。从表3可以看出,径流量和输沙量的日最大值以及全年相关性最强,Pearson、Correl都达到0.825和0.730,精度也最高,排第三位的主汛期相关度较强,Pearson、Correl都达到-0.710,相关度最弱的是汛期,Pearson、Correl都只有0.515。只有主汛期为负相关,表明径流量越大,输沙量越小。

4 径流量和输沙量的年际变化

依据成县水文站1964-2021年数据,分析计算径流量和输沙量的多年逐月变差系数(Cv)和多年变差系数(Cv),如表4所示,并绘制径流量和输沙量多年变化过程线图,如图2所示。

图2 长丰河流域径流量和输沙量多年变化过程线图

表4 径流量和输沙量变差系数计算统计表

通过表4分析发现,径流量变差系数在汛期(5-10月)变差系数大(0.85～1.16),尤其是8月份最大(1.16);非汛期(11-4月)变差系数小(0.40～0.73),说明径流量在汛期的变化不稳定,在非汛期比较稳定;这和汛期长丰河流域径流主要是降雨补给,而降雨在汛期的时空变化很大,从而导致径流量在汛期波动很大;在非汛期径流主要是流域前期土壤蓄水补给,因而变化较小。而输沙量变差系数正好和径流量的情况相反,在汛期(5-10月)变差系数小(1.92～2.84),尤其是9月份最小(1.92),在非汛期(11-4月)变差系数非常大(2.85～7.26),说明输沙量在非汛期变化极不稳定。输沙量的变差系数在全年的各个月份都比径流量的变差系数大,说明输沙量的年内变化要比径流量变化大,很不稳定。输沙量的年Cv(1.35)是径流量的年Cv(0.63)的两倍还多,在年际变化上,输沙量和径流量的年际变化都比年内变化稳定,但径流量的年际变化比输沙量的年际变化更加稳定。

通过图2可以发现,输沙量和径流量的多年变化过程基本相应,水大沙大,水小沙小;回归方程的斜率都是负值,说明年径流量和年输沙量都有减小的趋势,但输沙量的斜率是径流量斜率的144.6倍,非常大,所以输沙量的减小趋势更加显著。

查阅历史文献,长丰河流域最大洪水发生在1934年8月24日,最大流量2 500 m3/s。建站以来最大年径流量是6.809×108m3,发生日期1967年;最大实测流量1 300 m3/s,发生日期1964年7月21日。最大年输沙量563×104t,发生日期1984年。2010年8月12日,这天在长丰河流域发生了大范围强降雨过程,尤其是成县黄渚镇发生了历史上有降水记录以来的最大暴雨,再加上2010年前后,成县大搞基建,对河道大规模无节制的过度开挖采砂,使河床结构性和稳定性造到严重破坏,遇到特大暴雨时会对河道造成非常严重的冲刷,因而2010年虽然年径流不是最大的,只有3.476×108m3,但是日平均输沙率是建站以来最大的,达到40 100 kg/s。

5 径流量和输沙量的突变点分析

5.1 突变点分析

依据成县水文站1964-2021年年径流量和年输沙量数据,统计计算累积距平值,并绘制累积距平过程线,如图3所示。

图3 径流量和输沙量累积距平过程线

从图3可以看出, 1968年、1993年、2009年是径流量主要的三个突变点,1968年和1993年是径流量波动上升变为波动下降的分界点;尤其是1993年是一个重要的径流量变化趋势分界点,1993年之前,径流量总体上处于波动上升趋势,1993年之后总体上处于非常明显的下降趋势,其中1993-2008年这16年径流量断崖式下降,减少非常厉害。2009年是径流量波动下降变为波动上升的分界点。1985年是输沙量的重要转折点,但没有发生突变,2009年发生了突变。1985年之前输沙量波动上升,之后波动下降,尤其是1998-2009年这12年输沙量成断崖式下降,原因是流域进行退耕还林,保护生态环境,防止水土流失产生了积极的效果。

5.2 突变点检验

用Yamamoto法进行检验,取M=5,连续设置基准年,计算S/N(信噪比)的时间序列,当S/N>1时,发生突变,当S/N>2时,发生强突变。通过计算径流量的S/N,1968年S/N=1.00,处于突变临界点,1993年S/N=1.06,发生了突变,2009年S/N=2.43,发生了强突变;通过计算输沙量的S/N,只有2009年S/N>1, S/N=1.01,发生了突变。

6 丰平枯水特征年划分

依据成县水文站1964-2021年年径流量数据,用距平百分率划分丰平枯水年,在以上范围内,找出相应特征的径流模比系数值,在通过模比系数值划分各特征年,并用连续2年以上为标准找出连丰水年、连枯水年以及连平水年,计算统计结果如表5、表6所示。

表5 特征年份划分计算统计表

表6 连丰枯平水年年份统计表

从表5可以看出,丰水年(特、偏丰水年)占比31.7%,枯水年(特、偏枯水年)占比47.6%,平水年占比20.6%,枯水年是丰水年的1.5倍,这和前面分析的径流量年际变化趋势减小的结论是一致的,也从一个侧面反映出流域地所在政府施行退耕还林、保持水土流失的措施取得积极效果。从表6可以看出,连丰水年和连枯水年出现次数一样,都是6次,连丰水年最长只有3年,出现1次,连枯水年最长只有4年,出现3次,连平水年只出现了1次。