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祖厉河流域水沙发展规律及原因

  摘要:应用祖厉河流域1956~2016年实测水文资料,采用水文统计法、差积曲线法、突变检验法等方法,分析了流域水沙时空分布规律及水沙关系。结果表明:祖厉河流域年降水量、年径流深从上游向下游减小;支流关川河巉口以上年输沙模数相对较小,中游会宁-郭城驿最大。4个代表站历年降水量、径流量、输沙量均呈显著减少趋势,降水量年内分配主要集中在5~9月,径流量和输沙量主要集中在6~9月;水沙变化的突变年份为1999年,基准期1956~1999到措施期2000~2016年多年平均年径流量和输沙量分别减少了39.6%、72.9%。流域降水量年均减少0.53~1.23mm,气温年均升高0.029~0.042℃/a,植被覆盖度年均增加0.85%/a,降水减少、水土保持措施面积增加和植被覆盖度大幅提高是流域水沙持续减少的主要原因。

  关键词:径流量;输沙量;水量还原;水沙关系;祖厉河

  1引言

  受全球气候变化和人类活动的影响,流域水文要素和下垫面条件发生了较大变化。除了降水量的减少和社会经济用水可直接引起河流水沙减少外,随着全球气温升高、气候向暖湿方向转变,流域植被覆盖度显著提高,加之大规模地推进水土保持措施,决定流域产汇流的下垫面条件发生了改变,从而使流域出口的水沙呈现显著减少趋势[1-4]。

  祖厉河是黄河的一级支流,1956~2016年多年平均含沙量400kg·m-3,实测最大含沙量达1120kg·m-3,是黄河潼关以上产沙量的主要贡献流域之一[5],因河流泥沙含量高而引起许多研究者关注。目前对祖厉河流域的水沙变化及其影响因子的相关研究较多,通过在祖厉河面上设立均匀的水文站点,陈剑霞等人建立了祖厉河流域年均径流泥沙预报模型,为水沙变化的研究提供了便利条件[6]。任东对祖厉河流域降水、径流等水文要素变化规律进行了分析研究[7],赵越在分析祖厉河流域水沙变化规律的同时,进一步对祖厉河流域水土保持生态效益进行了研究,结果表明水土保持措施的减水减沙效益分别达到37.93%与70.92%[8],然而研究大多基于实测径流、泥沙数据进行分析,很少考虑流域内社会经济用水和跨流域引水工程回归水的影响,且应用植被数据精度较低。

  因此,本文在分析流域实测水文要素的基础上,考虑社会经济用水耗水和跨流域引水工程回归水的影响,通过水量还原分析,得出祖厉河流域天然径流量,再以天然径流量、输沙量与降水量建立关系,从而准确找出水沙变化的突变年份及变化量,进一步分析水土保持措施和植被覆盖度的减水减沙作用,揭示气候变化和人类活动对流域径流和泥沙的影响规律,可为今后流域水资源管理、水土流失治理、生态环境保护提供科学依据。

  2流域概况

  祖厉河发源于会宁县南部的华家岭北麓,流经甘肃省通渭、陇西、会宁、安定、榆中、靖远六县﹙区﹚及宁夏的一部分,于靖远县红咀子汇入黄河。流域地处东经104°13′~105°35′、北纬35°16′~36°34′之间,流域面积

  10647km2,干流长度220km。流域属干旱半干旱气候区,多年平均年降水量347.8mm,年径流量1.041×108m3,年输沙4170×104t,年输沙模数3917t/(km2·a)。由于水土流失严重,中下游大部分河段为苦咸水,水资源开发利用程度较低,流域内既有社会经济用水和水土保持措施,又有跨流域调水工程,而且影响范围各有不同。祖厉河流域水系及站网分布见图1。

  式中:Xi为逐年某一水文要素;Xmean为某一水文要素的多年平均值,然后从起始年份开始向前逐年依次累加,得到某一水文要素的累积差积曲线C~t曲线。

  (2)为了避免单一方法识别突变点的主观性,本研究采用以下多种方法分析了水沙的演变趋势[10-12]。

  1)双累积相关曲线法是基于两个变量在直角坐标系中连续累积值的关系曲线,若关系曲线的斜率在某一点发生变化,则该点所对应的年份即为突变的时间。

  2)累积距平法是一种基于均值的检验方法,通过差积曲线可判断数据点离散程度,以及时间序列在长期内的变化趋势和突变时间。

  3数据资料及研究方法

  3.1数据资料

  采用的基础数据主要包括:(1)会宁、巉口、郭城驿、靖远4处水文站1956~2016年实测径流、泥沙资料,22处雨量站1956~2016年降水观测资料为甘肃省水文水资源局按照国家标准规范测验、整编数据;(2)会宁县、靖远县、安定区气象站1956~2016年平均气温资料,为各县区气象部门按照国家标准规范观测数据;(3)1956~2016年流域社会经济用水资料引用《甘肃水利年鉴》、《甘肃省水资源公报》、《甘肃省第三次水资源调查评价报告》数据,1973~2016年跨流域引水量措施面积来自历年《甘肃省水土保持公报》和2011年全国水利普查水土保持调查数据;(5)1987~2016流域植被覆盖度数据,由Landsat地表反射率数据计算。

  3.2研究方法

  (1)差积曲线是将水文序列与均值的差值累加后形成的新序列过程线[9],见公式(1):后验条件概率密度函数,使{f(τ/x1,x1,…,xn)}取得最大值的τ0,此即为最可能的突变点。

  (3)通过水文调查和水量平衡法还原计算天然径流量。

  式中:W天然、W实测分别为天然和实测河川径流量;W回归为跨流域引水工程回归水量;W农业、W工业、W生活、W生态分别为农业、工业、城镇生活、城市生态环境用水耗损量。以上变量单位均为108m3。

  (4)采用非线性相关法建立了水沙关系曲线[13],分基准期和措施期定性分析年径流量与年降水量、年输沙量与年降水量关系的变化规律。

  (5))植被覆盖度计算:对祖厉河流域范围内的1987~2016年所有的地表反射率影像进行去云、云阴影等处理,并根据式(7)为每一个影像添加NDVI波段:

  NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)(7)

  式中:NIR,RED分别为近红外和红外波段。其中Landsat5和7的近红外和红外波段分别对应波段4和波段3,Landsat8分别对应波段5和波段4;为了正确反映研究区植被水平,本文选择4~9月生长季最大NDVI作为植被指数。根据NDVI的累积频率直方图确定NDVImin与NDVImax对应的值,并带入式(8)计算植被覆盖度:

  上游大、下游小,上游会宁以上、巉口以上年降水量分别为433.5、426.2mm,年径流深分别为12.0、12.3mm,中游会宁-郭城驿和下游(巉口+郭城驿)-靖远区间年降水量分别为336.8、300.1mm,年径流深分别为9.1、8.9mm。支流关川河巉口以上年输沙模数相对较小,为

  0.2866×104t·km-2,干流会宁以上、下游(巉口+郭城驿)-靖远区间次之,分别为0.3650、0.3820×104t·km-2,中游会宁-郭城驿最大,为0.4445×104t·km-2。年径流系数一般是上游大于下游,下游(巉口+郭城驿)-靖远区间的年径流系数为0.030,均大于中上游,这是由于下游受跨流域引黄灌溉工程回归水加入的影响,径流明显偏大所致,下游区间的年平均含沙量小于中游区间也是受到回归水的加入影响。

  4.1.2年际变化

  分别绘制代表站历年实测降水量、径流量、输沙量过程线(见图2),4个代表站历年降水量、径流量、输沙量均呈减少趋势。年降水量会宁、郭城驿站减少较多,平均每年减少1.23、1.01mm,巉口站、靖远站减少相对较少,平均每年减少0.53、0.74mm;年径流量和年输沙量越到下游减少越多,年径流量由上游会宁、式中:FVC为植被覆盖度(FractionalVegetationCover);NDVImin与NDVImax分别为纯裸地土壤与纯植被对应的像元值。

  4结果与分析

  4.1水沙时空分布规律

  4.1.1空间分布

  根据流域内水文站分布及其实测资料情况,将全流域划分为会宁以上、巉口以上、会宁-郭城驿、(巉口+郭城驿)-靖远共4个区间(见图1)。统计分析各区间降水、径流、泥沙特征值见表1。祖厉河流域实测年降水量为347.8mm,年径流量为1.041×108m3,年输沙量为0.417×108t。在空间分布上,降水量、径流深表现为巉口站平均每年减少0.0035~0.0059×108m3,增加到下游靖远站的0.0175×108m3。年输沙量由上游会宁、巉口站平均每年减少0.0011-0.0016×108t,增加到下游靖远站的0.0112×108t。

  从图3可以看出,20世纪60年代以前降水量持续增加,70年代至90年代呈现丰平枯交替变化,2000年以后持续减少;70年代以前各站径流量、输沙量均呈递增趋势,80年代至90年代除会宁站径流量、输沙量持续减少外,其它站基本稳定,2000年以后各站径流量、输沙量持续减少。

  4.1.3年内变化

  统计汛期与非汛期数量占全年总量的百分数(见表2)。降水量主要集中在5~9月,占全年的78.5%~81.2%,7~8月占全年的40.5%~43.1%;径流量主要集中在6~9月,占全年的71.9%~77.0%,7~8月占全年的50.6%~57.4%;输沙量主要集中在6~9月,占全部门用水耗损量由1956年的0.041×108m3增加到2016年的0.4794×108m3(见图5a)。本次分析采用祖厉年的90.1%~94.0%,7~8月占全年的67.4%~74.6%。

  4.2水沙演变规律

  4.2.1水量还原计算

  根据甘肃省第三次水资源调查评价成果(《甘肃省第三次水资源调查评价报告》,2020年6月通过审查)。祖厉河流域工业、农业、生活、生态等国民经济各河跨流域引水工程灌溉回归水经验系数分析成果[6]和甘肃省水资源公报农田灌溉耗水系数,确定回归水系数0.315,计算得1973~2016年回归量(见图5b)。根据公式(6),分析计算的流域实测与天然径流量对照见图5c,1956~2016年还原后的天然年径流量为1.221×108m3,比实测值1.041×108m3增加0.179×108m3,增加了17.2%。与降水量变化相比较,还原后的天然径流量比实测径流量减少趋势更显著,主要是流域天然植被和水保措施等下垫面条件变化引起,这与黄河流域地表径流量的变化趋势一致[4]。

  4.2.2双累积曲线分析

  以还原后的天然径流量分析径流的演变规律,流域实测泥沙基本能够代表天然状况,为此泥沙分析采用实测值。分别点绘1956~2016年年径流量~年降水量、年输沙量~年降水量双累积曲线(见图6),可见年径流量、年输沙量在1999年前后发生了明显转折。

  4.2.3突变年份检验

  突变点检验方法结果表明年径流量突变点分别为1997年、1999年、1999年,年输沙量突变点分别为1997年、1964年、1964年(见表3)。其中1964年主要受当年暴雨的影响,对这种某一年特殊雨情导致的转折点不作为整体趋势分析的转折点选用,因此,确定径流和泥沙变化的突变年份为1999年。基准期径流量为1.372×108m3,相比于措施期减少了39.6%;基准期年输沙量0.529×108t,措施期减小到0.142×108t,减少了72.9%。水沙减少比例与冉大川等[3]研究的黄河中游1997~2006年比1950~1996年径流量减少48.3%、年输沙量减少70.8%的结果基本接近。

  4.3水沙关系分析

  基准期和措施期的关系点据分带明显、相对集中,其中基准期的相关关系较好,相关系数达到0.665-0.695;措施期的年径流量~年降水量、年输沙量~年降水量的相关系数虽然较小,但点据相对集中,而且反映出后期随水土保持措施和植被改善,降水量增加较多的情况下,流域出口的径流、泥沙增加不显著,水沙趋于稳定,说明流域产流产沙的下垫面条件。

作者:黄晨璐 单位:西北大学 城市与环境学院