极端降水条件下延河水沙特征对比分析及其影响因素

陈瑞东,温永福,高　鹏,穆兴民,赵广举,孙文义

1 西北农林科技大学水利与建筑工程学院,杨凌　712100 2 西北农林科技大学土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌　712100 3 中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌　712100

降水是影响河流水沙量变化的主要因素之一,黄土高原河流的径流和泥沙主要来源于几次大的暴雨过程[1- 2]。当前,黄土高原水土保持工程对流域水沙特征影响的研究往往聚焦于长年系列的降水量与水沙关系的变化趋势。穆兴民等人[3]通过对黄河河口至龙门区间1952—2000年降水、径流和泥沙量的分析表明水土保持措施起到了很好的减水减沙作用。杨丽红等[4]分析了延河流域1956—2010年水沙特征变化情况,指出近50年来降水量、径流量和输沙量都呈现逐渐减小的正相关关系,说明水土保持措施是延河流域水沙特征变化的主要原因。韩鹏等[5]分析了黄河流域河口至龙门区间近30年实测泥沙资料,指出河流泥沙有明显细化趋势,说明这一改变与大规模的水土保持措施有关。而针对极端降水条件下水沙特征变化情况的研究相对缺乏。因此,开展相关的研究十分必要。延河流域在1977年7月和2013年7月发生了两次极端降水事件,而洪水过程及水沙特征表现差异甚大[6]。本文通过比较分析延河流域两次极端降水条件下的水沙特征,讨论不同时期洪水水沙特征对暴雨的响应特征,为黄土高原地区应对极端降水引发的洪灾和防治水土流失提供可靠的科学理论依据。

1　研究流域概况

延河发源于靖边县天赐湾高峁山,流经安塞县、宝塔区,于延长凉水岸注入黄河,全长 287km,境内流域面积7321km2,占全市总面积的20%,多年平均径流总量2.93亿m3,平均比降3.26%,总落差860m。安塞站以上上游多年平均径流深大于45mm,中游地区介于30—45mm之间,甘谷驿站以下下游低于30mm,径流主要来源于上游。延河水系结构呈树枝状,主要有坪桥、杏子河、西川河、南川河、蟠龙川等支流。流域地貌为黄土丘陵沟壑,地势从西北到东南逐渐降低(图1)。流域内植被覆盖度低,农业耕作活动频繁,加之不合理的土地利用,导致流域水土流失严重,多年平均输沙量达3124万t。从1990年代开始,随着大规模高水平的水土保持以及退耕还林草工程的开展,显著改变了流域土地利用方式,对延河流域水沙情势产生了重要的影响。

图1　延河流域站点图Fig.1　Sites of Yanhe River basin

2　数据和方法

2.1　数据

降雨量数据选用延河流域30个气象站1977年和2013年7月份逐日降雨量、时段最大降雨量实测值。径流、输沙量数据选用延河流域延安、甘谷驿2个水文站1977年和2013年7月份的水文要素实测值。泥沙资料选用延河流域1977年和2013年甘谷驿站颗粒级配实测年值。以上资料均来源于水利部黄河水利委员会《黄河流域水文资料年鉴》。

2.2　方法

本研究采用统计学方法对延河流域1977年和2013年7月降水、径流和输沙资料以及1977年和2013年泥沙颗粒级配资料进行统计并对特征值作简单比较。采用Kring空间要素插值法绘制等值线图,对比1977年和2013年7月日降雨量和日平均降雨强度的大小和空间分布特征[7- 8]。根据中国气象局标准将50、100mm作为暴雨和大暴雨的阈值,比较1977年和2013年7月暴雨和大暴雨发生的频率特征[9-10]和时段最大降雨量特征。根据径流泥沙资料分别绘制1977年和2013年7月的洪水过程线和洪水输沙过程线,计算洪水过程中径流量、洪水历时等特征值,并对比分析其变化情况[11]。根据1977年和2013年泥沙颗粒级配实测年值,绘制泥沙粒径累计频率曲线进行对比分析。

3　结果与分析

3.1　降水特征分析

3.1.1累计降雨量和降雨强度的大小和空间分布特征对比分析

延河流域在1977年和2013年7月份发生了罕见的极端降雨事件。1977年7月份强降雨主要集中在延河流域中上游的康岔、招安一带,日平均降雨强度的空间分布与累计降水量具有一致性,该地区7月累计降雨量在290mm以上,降雨强度在35mm/d以上,累计降雨量和降雨强度的值沿康岔、招安一带向西北和东南都呈阶梯式逐渐减小的趋势。2013年7月份强降雨主要集中在延河流域下游龙寺、三十里铺一带,日平均降雨强度的空间分布与累计降水量的空间分布大致相同,降雨强度维持在30mm/d左右,整个流域各站点7月份累计降雨量值异常偏大,维持在510—660mm之间,普遍高于1977年同期的降雨量,是历年同期的3.8—5.5倍,累计降雨量大值分布在下游甘谷驿、三十里铺、张川河一带,维持在600mm以上,累计降雨量的值从西北到东南呈逐渐增大的趋势[12-13]。

延河流域1977年7月份降水空间分布极不均匀,降雨强度的值从上游的大路沟、五里湾、张渠一线到暴雨中心的招安、康岔一线由10—42mm/d陡增,从暴雨中心的招安、康岔一线到下游的张川河、大村、斗咀村一线由42—10mm/d陡降,枣园一带降雨强度仅6mm/d。2013年7月份降水空间分布相对均匀,累计降雨量的值从中上游的杏河、康岔、招安一线到下游白家川、大村、斗咀村一线都维持在500—600mm之间,流域各站点降水强度的值大致维持在20—30mm/d(图2)。

3.1.2极端降水频次特征对比分析

1977年7月份延河流域30个站点中有五里湾、洛平川、龙寺、三十里铺、张川河、大村、斗咀村7个站点无暴雨日,仅招安站有2个暴雨日,占月降雨量的比例为76.5%,其余各站点仅有一个暴雨日,均占月降雨量的比例为50%—60%。2013年7月份延河流域30个站点均有暴雨日,暴雨发生的频率远高于1977年7月份,其中仅大路沟、五里湾、镰刀湾3个站点有一个暴雨日,均占月降雨量20%左右,杏河、谭家营、金盆湾、安塞、寺沟、洛平川、蟠龙、周家湾8个站点有两个暴雨日,占月降雨量的比例为30%—40%,其余19个站点均有3—6个暴雨日,占月降雨量的比例为50%—70%。1977年7月份大暴雨发生频率、大暴雨雨量峰值和大暴雨雨量平均值均显著高于2013年7月份,1977年7月份延河流域的化子坪、招安、康岔、金盆湾、砖窑湾、安塞和寺沟7个站点都发生1日的大暴雨,占月降雨量的比例约为55%,雨量峰值和平均值分别为168.1和136.7；2013年7月份仅杏河、三十里铺和庙岸3个站点发生1日的大暴雨,占月降雨量的比例约为20%,雨量峰值和平均值分别为109.7和106(表1)。

3.1.3时段最大降雨量特征对比分析

2013年7月份延河流域各时段最大降水强度平均值显著高于1977年7月份,是1977年7月份的2.7—3.2倍。其中延安站2013年7月份各时段最大降水强度略高于1977年7月份,仅为1977年7月份的1.2—1.7倍。甘谷驿站2013年7月份各时段最大降水强度则远高于1977年7月份,是1977年7月3倍左右(表2)。

图2　延河流域1977年和2013年7月份累计降水量、日平均降水强度空间分布Fig.2　The distribution of accumulative precipitation and daily rainfall intensity on July 1977 and 2013

时间Time暴雨Rainstorm(≥50mm/d)暴雨Downpour(≥100mm/d)发生日数Occurringdays/d站点个数Numberofsites降雨量/月总降雨量Stormprecipitation/Monthtotalprecipitation/%发生日数OccurringDays/d站点个数Numberofsites大暴雨降雨量/月总降雨量Downpourprecipitation/Monthtotalprecipitation/%雨量峰值Rainfallpeak/mm雨量平均值Theaverageprecipitaton/mm1977年7月07023168.1136.7July,197712250—6017552176.520≥30302013年7月00027109.7106July,1977132013202830—402≥3(3—6)1950—703

2013年7月份延河流域各时段最大降水强度平均值同样高于1977年7月份,是1977年7月份的1.2—1.4倍。1977年7月份除降水集中区的化子坪、安塞、大路沟、张渠、康岔、招安、金盆湾、周家湾和砖窑湾9个站点的时段最大降水强度高于2013年7月份外,其余各站点时段最大降水强度普遍低于2013年7月份,其中谭家营、杏河、三十里铺、五里湾、甘谷驿、吊沟、张川河、大村、白家川、斗咀村10个站点的时段最大降水强度不足2013年7月份的50%(表3)。

表2　延河流域7月份各站点不同时段降水量

表3　延河流域7月份各站点不同时段降水量

3.2　洪水特征对比分析

3.2.1洪峰流量对比分析

根据甘谷驿站1955—1980年最大流量资料及1917、1933年洪水流量调查资料,进行最大流量频率计算得知：洪水流量均值为1250m3/s,200年一遇的最大流量为9200m3/s,1977年7月6日甘谷驿站实测最大洪峰流量为9050m3/s,远远超过了1917年和1933年8月7日历史大洪水的洪峰流量6300m3/s,故1977年延河大洪水为200年一遇[10]。1977年7月5日至6日的洪水大致表现为两个大洪峰,其中7月5日安塞、杏河两站均无大洪峰出现,甘谷驿、延安两站出现了较大洪峰,略高于1000m3/s,枣园洪峰流量偏小,仅320 m3/s。7月6日各站点均出现了大洪峰,甘谷驿、延安两站出现了特大洪峰,洪峰流量分别高达9050m3/s和7200m3/s,杏河、安塞、枣园的洪峰流量也都接近或超过了该站点的历史大洪水的洪峰流量。2013年7月12日至13日的洪水表现为无峰或小峰,仅甘谷驿、延安两站12日出现了较大的洪峰,分别为604m3/s和516m3/s,远低于各站点历史大洪水的洪峰流量,其余各站点均未出现较大洪峰(表4)。

表4　1977年和2013年7月洪水洪峰流量与历史大洪水比较

其中历史大洪水洪峰资料来源于文献10

3.2.2洪水水沙特征对比分析

在2013年7月降水量远大于1977年7月的条件下,2013年7月各站点的洪峰流量、洪峰含沙量等特征值比1977年7月显著减小,各站点洪峰流量约减小66%—90%,洪峰含沙量仅枣园增加了0.7%,延安、甘谷驿减小了55%—80%。最大3h洪量相比1977年7月减小了55%—96%,主峰3h输沙量减小至不足1977年7月的10%。可见相比2013年7月,1977年7月洪水水文特征值大大减小,较小洪水的削减程度远大于较大洪水,随着洪水洪峰流量值增大,洪峰流量、洪峰含沙量、3h洪量和主峰3h输沙量的削弱程度逐渐减小(表5)。

3.2.3洪水过程线对比分析

1977年7月各站点洪水具有陡涨陡落、洪水历时短的特点,2013年7月各站点洪水表现为缓涨缓落以及洪水历时变长的特点。与1977年7月相比,2013年7月各站点洪水总历时和洪水总径流量发生了显著地变化。洪水总历时平均延长了2683min,洪水总径流量平均减少了3388万m3,可知2013年7月洪水的集流时间长而水量少。与1977年7月相比,2013年7月洪水涨洪历时和退洪历时占洪水总历时的比例、峰前径流量和峰后径流量占洪水总径流量的比例发生了显著地变化。涨洪历时占洪水总历时的比例平均缩短了5.4%,退洪历时占洪水总历时的比例延长了5.4%。峰前径流量占洪水总径流量的比例减小了1.1%,峰后径流量占洪水总径流量的比例相应增加了1.1%。洪水输沙量与洪水径流量大致呈正相关关系,随着洪水总径流量的减小,2013年7月洪水输沙量显著减小(图3—图6,表6)。

表5　1977年和2013年7月洪水水沙特征值统计表

图3　延安站1977年和2013年7月份洪水过程线Fig.3　Flood process happened on July in 1977 and 2013 of Yan′an station

图4　甘谷驿站1977年和2013年7月份洪水过程线Fig.4　Flood process happened on July in 1977 and 2013 of Ganguyi station

图5　延安站1977年和2013年7月份洪水输沙过程线Fig.5　Flood sediment process happened on July in 1977 and 2013 of Yan′an station

图6　甘谷驿站1977年和2013年7月份洪水输沙过程线Fig.6　Flood sediment process happened on July in 1977 and 2013 of Ganguyi station

时间Time站点SitesT/mint1/T/%t2/T/%Q/(104m3)q1/Q/%q2/Q/%1977年7月延安99812.287.8727229.770.3July,1977甘谷驿94225.574.51188032.767.3枣园54027.872.2112329.770.3平均Average82721.878.2675830.769.32013年7月延安267017.182.9229729.270.8July,2013甘谷驿396019.780.3329028.881.2枣园390012.387.7452230.869.2平均Average351016.483.6337029.673.4

T:洪水总历时The flood total duration/min,tl:涨洪历时Flood rising duration/min,t2:退洪历时Flood falling duration/min；Q:洪水总径流量The total runoff/104m3,ql:峰前径流量Runoff before the peak/104m3,q2:峰后径流量Runoff after the peak/104m3

3.4　泥沙特性对比分析

2013年延河流域泥沙较1977年有明显变细的趋势,1977年粒径小于0.01mm的泥沙重量仅占总重量的15%,而2013年粒径小于0.01mm的泥沙重量占总重量的比例接近40%。1977年粒径大于0.1mm的泥沙重量占总重量的14%,而2013年粒径大于0.1mm的泥沙重量占总重量的比例不足10%[14-15](图7)。

图7　延河流域1977年和2013年颗粒级配累计频率曲线　Fig.7　Sediment grading curve in 1977 and 2013 of Yanhe River basin

4　讨论

延河流域2013年7月降水总量、时段降雨量、暴雨频率远超1977年7月,日降雨强度也与1977年7月相当,但2013年7月却未发生较大规模的洪水,且径流量、输沙量等特征值也远小于1977年7月,这种差异的出现应归因于1990年代以来大规模水土保持活动改变了延河流域的土地利用方式、植被覆盖度等下垫面要素[16-17]。

4.1　水土保持工程措施对延河流域径流量的影响

大规模水土保持活动实施的第一阶段(1972—1996)流域内主要以修建梯田、淤地坝等水土保持工程为主,梯田和淤地坝治理面积在1996年分别达到275.60km2和41.67km2(表7)。根据相关研究表明：大量增加的梯田工程对减少降雨径流量、增强降雨入渗及拦蓄降雨、径流起到了很大的作用。从2006年到2011年,延安站、甘谷驿站以上流域6—9月地表径流减少量分别达 427.5、657万m3,而壤中流和基流总增加量达77.5、118.6万m3。流域梯田措施在汛期6—9月减少河道径流的主要原因在于梯田拦蓄了地表径流[20]；大量修筑的淤地坝起到了显著的拦沙效果,是导致2013年7月极端降水条件下洪水输沙量减小的主要原因之一[21- 22]。

表7　延河流域水土保持措施累计治理面积[18- 19]

比例:各时期流域治理措施面积与同期总治理面积的比；总比例:流域治理措施总面积与流域水文站以上控制面积的比；*:占同期；**:占整个控制流域面积

4.1　植被恢复工程对延河流域水沙特征的影响

大规模水土保持活动实施的第二阶段(1997—2010)流域内主要以退耕还林(草)等植被恢复工程为主,林地、草地的面积迅速增加,在2005年分别达到2128.80km2和234.50km2(表7)。延河流域植被覆盖度变化对2013年7月极端降水条件下流域产水产沙量产生了巨大的影响[23]。2000年以前流域植被覆盖度呈波动性变化,无明显的增加趋势,产水量表现为大致不变,产沙量表现为先增后减再增。2000年以后植被覆盖度与径流深和输沙模数之间存在一定的线性负相关关系,这也是导致2013年7月洪水径流量、输沙量大大减小的主要原因之一(图8)。

图8　植被覆盖度与径流深及输沙模数的变化趋势Fig.8　The trends between runoff, sediment and vegetation coverage

5　结论

1)延河流域30个气象站的资料统计结果显示,2013年7月份降雨量显著高于历史同期降雨量,降雨集中区降雨强度与1977年7月同期相当,暴雨频率、时段降雨量等特征值显著大于1977年7月。

2)延河流域3个水文站洪水资料统计结果显示,1977年7月洪水洪峰流量等特征值都达到了有记载历史的最大值,为200年一遇,洪水过程线表现为陡涨陡落。2013年7月洪水洪峰流量、洪水总径流量、洪峰含沙量等特征值较1977年7月显著减小,洪水输沙量随径流量的减小而减小,而洪水总历时较1977年7月延长,退洪历时占洪水总历时比例增加,洪水过程线表现为缓涨缓落。

3)延河流域1977年和2013年甘谷驿站泥沙颗粒级配资料统计结果显示,2013年小粒径泥沙重量占总重量的比例增加,泥沙颗粒明显细化。

4)研究表明1990年代以来水土保持工程措施和退耕还林草植被恢复工程是导致1977年和2013年7月极端降水条件下的水沙特征表现迥异的主要原因。

致谢：感谢穆兴民、赵广举和孙文义老师的帮助。

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