黄土丘陵沟壑区罗玉沟流域降水径流泥沙特征分析

2022-02-01 07:06康廷祥张海强

中国水土保持 2022年12期

刘晓，康廷祥，张海强

[黄河]水土保持天水治理监督局(黄河水利委员会天水水土保持科学试验站)，甘肃天水 741000]

1 概况

罗玉沟地处甘肃省天水市秦州区北郊，是渭河支流藉河左岸的一级支沟。流域面积72.79 km2，水系呈羽毛状，主沟道长21.81 km，沟道比降3.35%，沟壑密度3.54 km/km2。流域西北高东南低，最高处凤凰山海拔1 895.3 m，最低处沟口测流断面沟底海拔1 190.0 m，相对高差705.3 m。流域自上游到下游可分为土石山区、杂色土区、黄土区三个类型区。流域属暖温带大陆性季风气候区，冬春干旱少雨，夏秋降水集中，多年(1986—2020年)平均降水量568.2 mm，多年平均蒸发量1 293.3 mm，多年平均气温10.7 ℃，≥10 ℃多年平均活动积温3 360 ℃，多年平均无霜期184 d，多年平均风速1.3 m/s。

2 降水时空分布特征

2.1 降水年际变化特征

罗玉沟流域降水年际分配很不均衡，图1为罗玉沟流域1986—2020年降水量年际变化曲线，由图1和计算可知，流域多年平均降水量568.2 mm，变差系数0.22，最大年降水量为2003年的850.4 mm，最小为1997年的367.3 mm，极值比2.32。

图1 罗玉沟流域1986—2020年降水量年际变化曲线

利用皮尔逊Ⅲ型曲线拟合[1-4]，通过绘制罗玉沟流域年降水量频率曲线可以得出不同保证率下的降水量以及代表年份(见表1)。罗玉沟流域枯水年降水量小于445 mm，丰水年降水量大于670 mm。

表1 罗玉沟流域不同保证率下的降水量及代表年份

2.2 降水年内变化特征

罗玉沟流域年内降水分配不均(见图2)，多年平均汛期(5—10月)降水量466.1 mm，占全年降水量的82.03%，其中主汛期(7—9月)降水量占全年降水量的 48.02%，而每年11月至次年2月的降水量仅占全年降水量的6.66%；按季节分，罗玉沟流域降水主要集中在夏季，占全年的46.77%，其次是秋季，占全年的26.04%，春季降水占全年的23.05%，冬季仅仅占全年的4.14%。

图2 罗玉沟流域月平均降水量分配情况

2.3 降水空间变化特征

受地形影响，罗玉沟流域各雨量站降水量在空间上均呈现明显的差异性。由罗玉沟流域各雨量站年均降水量与其高程的对照图(见图3)可知，流域内各雨量站年均降水量与其高程变化呈一致性。罗玉沟流域降水量总体上呈现出西北高东南低的趋势，年降水量最大值出现在流域内最高的石山下站，最小值出现在最低点罗玉沟口站。

图3 罗玉沟流域雨量站年均降水量与高程对照

3 径流变化特征

3.1 径流年际变化特征

罗玉沟流域多年平均径流量188.6万m3，径流量年际变化较大(见图4)。最大年径流量为681.5万m3(1988年)，最小年径流量为13.58万m3(2010年)，极值比达50.18。罗玉沟流域径流量年际变化特征见表2。

图4 罗玉沟流域年径流量变化曲线

表2 罗玉沟流域径流量年际变化特征值

用距平百分率P划分径流丰枯情况[5-7]，公式为

(1)

式中：Q年为当年流量值，m3；μ为多年流量平均值，m3。

当P>20%为丰水年，10%

通过年径流量序列对径流年际变化特性进行分析，得到年径流量序列柱状图及5 a平均滑动过程(见图5)，由图5可以看出，罗玉沟流域年径流量随着时间的推移总体呈逐渐减小的趋势。1998年以前年径流量呈减小趋势，到1998年达最低点，1998年以后年径流量呈波动变化趋势。

图5 罗玉沟流域年径流量及5 a平均滑动过程

3.2 径流年内变化特征

罗玉沟流域径流主要依靠降水补给，径流过程与降雨过程基本对应，由罗玉沟流域径流月分配情况(见表3)可以看出，罗玉沟流域年内径流也主要集中在汛期，汛期径流量占全年径流量的88.02%，特别是主汛期(7—9月)，占全年径流量的59.90%。最大月径流量出现在7月，占全年径流量的23.32%，最小月径流量仅占全年径流量的0.94%，出现在12月。在季节分配上，罗玉沟流域夏季(6—8月)径流量最大，占全年的55.85%，其次为秋季(9—11月)，占全年的27.68%，春季径流量高于冬季，冬季常出现枯水。

表3 罗玉沟流域径流月分配情况

径流不均匀系数反映了径流年内分配的丰枯差别变化幅度，其值一般采用各月径流量大于月均值的月份所超出月均值量值的总和除以年径流总量求得。经计算，罗玉沟流域径流不均匀系数为0.40。

4 泥沙变化特征

4.1 泥沙年际变化特征

表4为罗玉沟流域年输沙量特征值，由表4可知，罗玉沟流域输沙量年际变化较大，多年平均输沙量29.28万t，多年平均含沙量156 kg/m3，多年平均输沙模数4 030 t/(km2·a)，最大年输沙量为162.3万t(1988年)，最小年输沙量仅为0.054万t(2017年)，年输沙量极值比为3 005.6。

表4 罗玉沟流域年输沙量特征值

利用年输沙量模比系数差积曲线[8-9]对流域丰、枯沙时段进行了分析(见图6)，可以看出罗玉沟流域输沙总体呈下降趋势，1986—1991年为枯沙期，1991—1999年为丰沙期，1999—2008年为枯沙期，2008—2020年为快速上升的丰沙期。

图6 罗玉沟流域年输沙量模比系数差积曲线

4.2 泥沙年内变化特征

表5、表6分别为罗玉沟流域含沙量、输沙量年内分配情况。由表5、表6可知，罗玉沟流域输沙主要集中在汛期，汛期输沙量占全年输沙量的92.38%，其中主汛期输沙量占全年的63.42%，6—9月连续4个月输沙量可达全年的80.32%，年内最大输沙量出现在8月(10.58万t)，最小输沙量出现在12月(0.01万t)，最大月平均含沙量发生在4月(277.0 kg/m3)，最小月平均含沙量发生在1月(4.6 kg/m3)，最大断面含沙量1 200 kg/m3(1995年7月1日)。

表5 罗玉沟流域含沙量年内分配统计 kg/m3

表6 罗玉沟流域输沙量年内分配情况

5 流域降水量、径流量、泥沙量的关系

5.1 径流量与降水量的关系

罗玉沟流域年降水量与年径流量过程线见图7，可以看出罗玉沟流域的径流量与降水量的变化趋势基本一致。对罗玉沟流域典型暴雨洪水数据进行统计，得到10次暴雨条件下典型洪水特征值，见表7。通过分别点绘罗玉沟流域全年、汛期和典型暴雨等不同条件下的径流量—降水量散点图，构建径流量与降水量关系的数学模型，见图8—图10。可以发现罗玉沟流域径流量与降水量呈幂函数关系，特别典型暴雨径流量与典型暴雨降水量间具有较好的相关性，相关系数R达到0.904 1。

图7 罗玉沟流域年降水量与年径流量过程线

表7 罗玉沟流域典型暴雨洪水特征值

图8 罗玉沟流域年径流量与年降水量关系

5.2 输沙量与降水量的关系

图11为罗玉沟流域年降水量与年输沙量过程线。由图11可知，年输沙量与年降水量的变化趋势基本一致，多数年份降水量大时输沙量也较大，反之则小，但个别年份降水量较大而输沙量较小。分别点绘罗玉沟流域全年、汛期和典型暴雨等不同条件下的输沙量—降水量散点图并进行回归分析，发现罗玉沟流域输沙量与降水量呈幂函数关系，见图12—图14。受降水强度、降水时空分布、下垫面变化等因素的影响，输沙量与降水量间存在较大的不确定性，导致年(汛期)输沙量与年(汛期)降水量的相关系数不高，相关性不强。