小理河流域下垫面变化对产洪产沙的影响分析

狄艳艳 许坷艳 刘龙庆

摘要：分析了小理河李家河站1980年以來次洪水量、次洪沙量、径流系数等要素的变化，并采用次洪对比分析法和统计法，对“20170726”与“19940810”两场暴雨洪水以及历史暴雨洪水进行了对比分析。结果表明：小理河流域经过多年的治理，下垫面条件改善，流域调蓄能力增强，在一般降雨条件下，减水减沙效果明显;若遇类似2017年“7·26”那样的大范围强降雨，虽然削峰减沙作用明显，但是仍可能产生较大洪水。

关键词：暴雨洪水;流域调蓄;减水减沙;下垫面;小理河流域

中图分类号：S157.1 文献标志码：A

1 流域概况

小理河发源于陕西省横山县艾好峁村，由西向东流经高镇、水地湾、殿市等乡镇，在陕西省子洲县殿市镇李家河村汇入大理河，属山溪性河流[1]。小理河全长69km，河道平均比降为0.55%，流域面积820.8km²，河网密度为0.116km/km²，流域不均匀系数为0.053，流域形状系数为0.00312[2]。该流域属大陆性季风气候区，冬春干寒、雨量稀少，夏季炎热、雨量较多且多为短历时暴雨[3]。

小理河控制水文站为李家河站，控制面积为807km²，本文采用雨量资料涉及6个雨量站，分别为艾好峁、大路峁台、高镇、李家坬、石窑沟、李孝河，平均权重面积为134.5km²。站网分布见图1。

2 历史洪水分析

1980-2016年，李家河站洪峰流量大于200m³/s的洪水共有19场，20世纪80年代洪水最少（仅1989年发生一次，洪峰流量只有208m³/s）;90年代发生洪水9次，占洪水总次数的47%;2000-2010年发生洪水7次，占洪水总次数的37%。

2.1 次洪水量和次洪沙量变化情况

按照面积包围法计算次洪水量和沙量，19场洪水平均次洪水量为483万m³，次洪沙量为348万t。图2和图3分别为李家河站次洪水量、次洪沙量历年变化情况，可以看出次洪水量和次洪沙量减少趋势明显，特别是2007年以来发生的5场洪水（编号为15～19），平均次洪水量和次洪沙量分别仅为231万m³、150万t。

2.2 径流系数

径流系数是指某一流域任意时段内的径流深度（或径流总量）与同时段内的降水深度（或降水总量）的比值。径流系数反映在降水量中有多少水变成了径流，也综合反映流域内自然地理要素对径流的影响，此外在一定程度上也可反映水利水保措施的有效拦蓄能力。径流系数年际和年代的变化在一定程度上可反映水利水保措施在减洪减沙方面的作用。

李家河站19场洪水中，次洪径流系数变化范围为0.04～0.30，平均为0.16，其中1995年洪水最大，为0.30，而2009年洪水最小，仅为0.04（见图4）。从洪水分期来看，1980-1999年10次洪水的次洪径流系数平均为0.18，2000年以来9次洪水的次洪径流系数平均为0.12。

从以上分析可以看出，次洪水量、次洪沙量以及径流系数的年代和年际变化均呈减小趋势，说明小理河流域经过多年的治理，下垫面产流产沙条件发生了较大改变，特别是一般降雨情况下的减水减沙效果更为明显。

3 洪水对比分析

通过次洪对比分析法，对次洪过程中降雨量、降雨强度、暴雨中心位置以及洪峰流量、次洪水量、最大含沙量、次洪输沙量、次洪产流系数等要素的对比分析，也可发现下垫面变化及对刁、理河流域暴雨产洪产沙的影响。

3.1 “20170726”洪水与“19940810”洪水

2017年7月25-26日，小理河流域发生大范围强降雨。受暴雨影响，李家河站发生洪峰流量为997m³/s的洪水，称为“20170726”暴雨洪水，为1994年以来最大洪水。1994年8月10日，该流域也发生过一次暴雨洪水，称为“19940810”暴雨洪水，洪峰流量为1310m³/s，为1980年以来最大洪水。

3.1.1 降雨方面

“20170726”暴雨的暴雨中心位于流域下游，降雨量大于100mm的笼罩面积约为450km²o其中李家河站累计降雨218.9mm、李家坬站218.4mm、李孝河站179.8mm，流域面平均降雨量118.0mm。主雨时段在26日0-2时，历时2h，降雨强度达30mm/h。

“19940810”暴雨的暴雨中心位于流域中上游，降雨量大于100mm的笼罩面积约400km²，其中李家圾站累计降雨143.2mm、艾好峁站累计降雨139.3mm、高镇站累计降雨116.3mm，流域面平均降雨量93.2mm。主雨历时6h，降雨强度为10mm/h左右（见表1和图5）。

总体来讲，“20170726”暴雨与“19940810”暴雨相比，降雨量偏大约47.5%，暴雨强度更大，暴雨中心更靠近下游，在下垫面不变的情况下，更利于产洪产沙。

3.1.2 洪水方面

根据现有资料统计计算，“20170726”洪水和“19940810”洪水的特征值见表2。

从表2可以看出，“20170726”洪水与"19940810"洪水相比，洪峰流量减小了23.9%，次洪水量增加了25%，最大含沙量减小了70.3%，次洪沙量减少了76.1%，产流系数略偏小。

从两次雨洪过程线（见图6）来看，“20170726”洪水和“19940810"洪水相比，虽然前者较后者降雨强度明显偏大，而后者洪水过程线却更为尖瘦，说明流域下垫面条件的变化影响了流域的调蓄作用。

通过对以上两次洪水的降雨、降雨强度以及洪峰流量、次洪水量、最大含沙量、次洪沙量等特征值的对比分析不难发现，经过长期的流域治理，小理河流域下垫面条件发生了很大变化，流域调蓄能力增强，减沙效果明显，降雨的侵蚀能力减弱。在“20170726”暴雨这种强降雨情况下，虽然减水效果不甚明显，却削减了洪峰，特别是大大减少了次洪产沙量。

3.2 “20170726”洪水与与历史洪水相比

应用统计法对“20170726”洪水与1980年以来19场洪峰流量大于200m³/s的洪水进行比较，结果同样显示次洪最大含沙量显著减小，次洪产沙量明显减少。

3.2.1 次洪最大含沙量变化情况

根据历史资料统计，1980年以来的19次暴雨洪水过程中，李家河站最大含沙量一般都在400kg/m³以上，有的甚至超过800kg/m³，平均为732kg/m³。而“20170726”洪水中最大含沙量却仅为260kg/m³，较历次洪水平均最大含沙量偏小64.5%，明显偏离平均情况（见图7），说明流域产沙能力显著降低。

3.2.2 次洪沙量变化情况

1980-2016年，李家河站历次洪水的次洪水量与次洪沙量具有较好的正相关关系，相关系数为0.95。按此计算，“20170726”洪水次洪沙量应在1400万t左右，而实际仅为366万t，偏少70%以上（见图8）。

从以上分析可以看出，小理河流域经过多年的治理，下垫面产流产沙条件有很大变化，即便在“20170726”暴雨这种强降雨情况下，由暴雨引起的产沙量也大幅减少，流域内土壤侵蚀程度明显减轻。

4 结论

通过对小理河李家河站1980年以来次洪水量、次洪沙量、径流系数等要素变化情况的分析，并将“20170726”暴雨洪水与“19940810”暴雨洪水以及历史暴雨洪水对比分析，认为小理河流域经过多年的治理，下垫面条件改善，流域调蓄能力增强，在一般降雨条件下，减水减沙效果明显。但是，若遇类似2017年“7·26”那样的大范围强降雨，则虽然削峰减沙作用明显，但是仍可能产生较大洪水。建议进一步加强对黄河流域黄土高原地区下垫面变化条件下暴雨产洪产沙规律的分析。

参考文献：

[1]許珂艳，王秀兰.赵书华，等.小理河流域产汇流特征变化[J].水资源与水工程学报，2004，15（3）：24-27.

[2]赵卫民，王庆斋，刘晓伟，等.黄河流域典型水文分区产流研究[M].郑州：黄河水利出版社，2006：77-78.

[3]史辅成，易元俊，高治定.黄河流域暴雨与洪水[M].郑州：黄河水利出版社，1997：3-6.