孤山川流域1980s以來次降雨-產流-產沙變化

羅 婭, 楊勝天, 劉曉燕, 周 旭,4, 金雙彥, 張亦弛, 陳 珂

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院, 遙感科學國家重點實驗室, 環境遙感與數字城市北京市

重點實驗室, 北京100875; 2.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 3.黃河水利委員會,

河南 鄭州 450003; 4.西華師范大學 國土資源學院, 四川 南充 637009; 5.黃河水利委員會 水文局, 河南 鄭州450004)

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孤山川流域1980s以來次降雨-產流-產沙變化

羅 婭1,2, 楊勝天1, 劉曉燕3, 周 旭1,4, 金雙彥5, 張亦弛1, 陳 珂1

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院, 遙感科學國家重點實驗室, 環境遙感與數字城市北京市

重點實驗室, 北京100875; 2.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 3.黃河水利委員會,

河南 鄭州 450003; 4.西華師范大學 國土資源學院, 四川 南充 637009; 5.黃河水利委員會 水文局, 河南 鄭州450004)

摘要：[目的] 研究入黃支流降雨—徑流—產沙變化規律,揭示黃河水沙變化成因。[方法] 獲取孤山川流域1985—2010年115場降雨事件數據,運用徑流系數、產沙系數和彈性系數指標,分析孤山川流域近30年降雨—產流—產沙變化。[結果] (1) 與1980s相比,1990s的降雨多為短歷時、弱雨強類型,2000s的降雨多為長歷時、中雨強類型;2000s的降雨—產流能力和降雨—產沙能力減小最為突出,其平均徑流系數、平均產沙系數分別約為1980s的50%和23%。(2) 1980s—1990s降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數分別為0.13，4.21；1980s—2000s降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數分別為1.73，6.19。(3) 徑流系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關系數分別為-0.662 3,-0.911 4,-0.801 0和-0.821 4,產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關系數分別為-0.887 7,-0.998 5,-0.962 9和-0.971 7。[結論] 1980s以來,孤山川流域的降雨—產流能力和降雨—產沙能力發生明顯變化,尤其2000年后的變化最為突出;降雨—產沙能力比降雨—產流能力對雨強變化更為敏感;植被蓋度變化是下墊面因素中影響孤山川流域產流產沙能力變化的主要原因。

關鍵詞：降雨—徑流—產沙關系; 次降雨; 孤山川

黃河的水沙變化規律是制定治黃方略的重要參考依據，受到中國水資源管理部門的高度重視。自1970s以來，黃河實測徑流量和輸沙量逐漸減少[1-2]。以位于黃河中游的河口鎮—龍門區間(簡稱河龍區間)為例，與1950—1969年平均值相比，20世紀70年代、80年代、90年代(1990—1996年)、近期(1997—2006年)河龍區間年均徑流量分別減少了1.935×109，3.615×109，1.515×109，4.360×109m3；年均輸沙量分別減少了2.40×108，6.23×108，4.77×108，7.77×108t[3]。研究入黃支流的降雨—徑流—產沙變化規律，對于揭示黃河水沙變化成因，優化治黃方略有著重要意義。

黃土高原的水土流失主要由少數幾場暴雨產生[4-5]。氣候變化會引起雨強、降雨歷時等降雨特征的變化，從而成為黃河水沙變化的原因之一[6-7]。了解氣候變化導致的次降雨特征(降雨歷時、雨強等)變化，進而分析降雨變化對流域產流產沙的影響，是研究氣候變化對黃河水沙變化貢獻度的重要途徑和切入點。

近年關于黃河流域降雨—徑流—產沙關系變化的研究，主要從兩方面開展：一是通過統計坡面尺度的次降雨—徑流事件,研究坡面尺度水沙隨降雨歷時和雨強的變化[8-11]；二是分析流域尺度或區域范圍的日(月、年)降雨—徑流—產沙長時間序列數據，獲知流域尺度或區域范圍的水沙隨降雨的變化規律[12-15]。可看出，前者能較好地闡釋坡面尺度降雨特征對水沙變化的影響，但由于尺度效應的存在，難以揭示大中空間尺度水沙變化對降雨變化的響應機制；后者能較好地反映出流域(或區域)尺度水沙與降雨的多年變化規律，但由于基礎數據的時間步長多為日(月、年)，難以精細刻畫降雨歷時、雨強等降雨特征變化對流域單元產流產沙的影響。通常情況下，黃土高原的一場降雨通常在數小時甚至更短時間內就可完成。因此，要分析降雨變化對流域產流產沙的影響，有必要對流域單元長時間序列次降雨事件中的降雨、產流、產沙觀測數據開展深入研究。

本文整理分析孤山川流域1985—2010年的次降雨資料，以期達到如下目標：針對雨量站和水文站數據記錄時間精度不一的問題，通過數據重采樣，將降雨摘錄數據和洪水水文要素數據統一為小時時間步長；基于時間步長一致的降雨摘錄和洪水水文要素數據，分析1980s，1990s和2000s這3個時期的次降雨變化及其對產流產沙的影響，從而為揭示氣候變化與人類活動對黃河水沙變化的貢獻率提供參考。

1研究區概況

孤山川位于黃河中游多沙粗沙區，東經110°31′—111°04′，北緯39°0′—39°27′，溝壑密度為5.58 km/km2[16]。流域面積1 263 km2(高石崖水文站以上)，海拔796 m～1 402 m。年均降雨量410 mm，約75%的徑流量和99%的產沙量產生于雨季[17]。流域90%以上的地區被黃土所覆蓋，水土流失嚴重。自1970s以來，孤山川徑流量和輸沙量持續減少：1970—1979年，年均來水9.794×107m3，年均來沙2.969×107t；1980—1989年，年均來水5.515×107m3，年均來沙1.279×107t；1990—1999年，年均來水5.234×107m3，年均來沙1.130×107t；2000—2010年，年均來水1.771×107m3，年均來沙2.01×106t。孤山川流域的水沙變化代表著黃河中游的水沙變化情況，研究其次降雨的降雨—徑流—產沙關系，將有助于厘清黃河水沙變化成因。

2方法與數據

2.1　降雨摘錄與洪水水文要素數據重采樣

由于各時期的雨量站和水文站數據記錄時間精度不一，時間間隔不同，為保證降雨記錄與洪水水文要素記錄在時間上能匹配對應，分別對降雨摘錄數據和洪水水文要素數據進行時間重采樣，生成時間步長為1小時的降雨和水文要素數據，從而為后期降雨—徑流—產沙變化分析提供數據基礎。

2.1.1降雨摘錄數據時間重采樣通過式(1)和(2)，對降雨摘錄數據進行時間重采樣：

(1)

式中：R5mini,j——某降雨記錄5 min內降雨量平均值；Rx1-x2——某降雨記錄內降雨總量(mm)；x1,x2——某時段降雨記錄起止時間(min)。下同。

(2)

式中：Ri——重采樣后第i小時內的降雨總量(mm)。

2.1.2洪水水文要素數據時間重采樣通過式(3)和(4)，對洪水水文要素數據中的流量和含沙量2個數據進行時間重采樣：

(3)

式中：Rti——重采樣后ti時刻瞬時觀測流量(m3/s)或含沙量(kg/m3)； t1,tn——相鄰兩條數據的觀測記錄時刻； Rt1，Rtn——t1,tn這2個時刻對應的瞬時流量或含沙量觀測數據。

(4)

式中：Ri——第i小時內的平均流量或含沙量(m3/s)；R6mini,j——第i小時內，第j個6 min內的平均流量或含沙量(m3/s)。

2.2　降雨-徑流(產沙)事件遴選

由于記錄誤差的存在，常會出現降雨、徑流(產沙)觀測數據在時間上不匹配的現象，從而影響降雨—徑流—產沙關系的有效分析。為保證所選降雨、徑流(產沙)觀測數據的有效性，所選降雨—產流(產沙)事件有如下規定。

(1) 降雨事件規定。只要流域內任意雨量站有降雨記錄，則認為流域有降雨事件發生。

(2) 降雨—產流事件歷時。降雨起始時刻至洪水退卻時刻所經歷的時間。以1990年9月4日的降雨—徑流事件為例(圖1)：降雨起始時刻為9月4日06:00，洪水退卻時刻為9月5日09:00，則該降雨—產流事件歷時為27 h。

圖1　孤山川1990年9月4日至5日降雨-產流過程

2.3　降雨-徑流-產沙特征指標

將重采樣后的降雨數據與洪水水文要素數據按時間先后排列，獲取流域各場降雨的雨量、流量、輸沙量等數據，為分析流域降雨—徑流—產沙關系提供基礎。

2.3.1降雨特征雨量、降雨歷時和降雨強度是次降雨的最基本特征。由于雨量本身就是降雨歷時和降雨強度的乘積，為避免重復，直接選用降雨歷時和降雨強度兩個指標表示流域的降雨特征。其中，降雨歷時是指流域一次降雨的持續時間，即流域內任意雨量站有降雨到所有雨量站降雨停止所經歷的時間(h)。降雨強度指流域在單位時間內的面降雨量(mm/h)。

面降雨量可用算術平均法[18]和反距離加權空間插值法[19]計算。通過隨機抽樣14場降雨，將2種方法計算的面雨量加以對比，結果顯示R2為0.986，可看出2種方法的計算結果基本相同(圖2)。考慮到所選次降雨事件較多，本研究選用較簡單的算術平均法計算流域面雨量。

圖2　兩種方法計算流域面雨量的結果對比

2.3.2降雨—產流能力選取徑流系數表示流域的降雨產流能力，用以反映不同時期的降雨—產流關系。徑流系數指降雨—徑流事件歷時內的徑流深(mm)與降雨量(mm)的比值，單位為%。公式為：

(5)

式中：RCi——第i場降雨的徑流系數(%)；TRi——第i場降雨的徑流量深(mm)；Pi——第i場降雨的面雨量(mm)。RCi越大，次降雨的產流能力越強。下同。

2.3.3降雨—產沙能力借鑒劉曉燕[20]等提出的產沙系數概念，并對其進行修正，作為表示流域降雨產沙能力的指標，用以反映不同時期的降雨產沙關系。次降雨產沙系數可通過式(6)獲取：

(6)

式中：SCi——第i場降雨的產沙系數〔t/(km2·mm)〕；sedi——第i場降雨的總產沙量(由于研究區梯田、水庫、淤地壩等攔截的沙量較少，在此用實測輸沙量代替(t)；A——流域面積(km2)； 越大，次降雨的產沙能力越強。

2.4　數據來源

選取水利部門監測發布的1985—2010年雨量站降雨摘錄數據與水文站洪水水文要素數據作為次降雨—產流—產沙變化分析的數據源。其中，降雨數據來源于孤山川流域及其周邊14個雨量站的降雨摘錄數據，流量和含沙量等徑流產沙數據來源于高石崖水文站洪水水文要素數據。

將符合降雨—徑流(產沙)事件遴選條件的115場降雨作為研究孤山川流域1980s以來降雨—徑流—產沙變化的基礎資料，并將其分為1980s(1985—1989)，1990s(1990—1999)，2000s(2000—2010)這3個時期加以統計分析(表1)。其中，1980s收集到5年22場降雨資料，1990s收集到10年54場降雨資料，2000s收集到11年39場降雨資料。

3結果分析

3.1　次降雨特征變化

統計每場降雨的降雨日期、起訖時間、面雨量，計算出每場降雨的降雨歷時與雨強，進而運用算術平均方法，獲取孤山川流域每年次降雨的平均歷時與雨強等降雨特征(圖3)，用以反映次降雨的變化。

由圖3可看出，1980s,1990s,2000s孤山川流域次降雨的平均降雨歷時為23, 21, 25 h，平均雨強分別為1.26, 1.04, 1.1 mm/h。結果表明，與1980s

相比，1990s的降雨多為短歷時、弱雨強類型，而2000s的降雨多為長歷時、中雨強類型。

表1　孤山川流域降雨-產流-產沙事件統計

圖3　孤山川流域次降雨特征變化(平均歷時和平均雨強)

3.2　次降雨-產流能力變化

統計每場降雨的降雨量和總徑流量，通過式(5)，計算出每場降雨的徑流系數，進而通過算術平均方法，獲取孤山川流域每年次降雨的平均徑流系數(圖4)，用以反映次降雨的產流能力變化。

由圖4可看出，1980s，1990s，2000s孤山川流域次降雨的平均徑流系數分別為19.34%，18.89%，9.24%。結果表明，與1980s相比，1990s的降雨—產流能力未發生明顯變化，而2000s的降雨—產流能力減小較為明顯，其平均徑流系數僅約為1980s的50%。

圖4　孤山川流域次降雨-產流能力變化

3.3　次降雨-產沙能力變化

統計每場降雨的降雨量和總輸沙量，通過式(6)，計算出每場降雨的產沙系數，進而通過算術平均方法，獲取孤山川流域每年次降雨的平均徑流產沙數(圖5)，用以揭示次降雨的產沙能力變化。

圖5　孤山川流域次降雨-產沙能力變化

由圖5可看出，1980s，1990s，2000s孤山川流域次降雨的平均產沙系數分別為78.43，54.37，18.19。結果表明，與1980s相比，1990s，2000s的降雨—產沙能力均有不同程度的減小，其中，尤以2000s減小最為明顯，其平均產沙系數僅為1980s的23.19%。

3.4　降雨-產流(產沙)能力對雨強變化的敏感性

在下墊面一致的條件下，雨強是影響次降雨產流產沙能力的主要因素之一，但其對產流產沙的控制能力卻有所差異[8]。為討論雨強對產流產沙的影響，選用彈性系數方法[21]，分別計算1990s，2000s較1980s時段內產流系數與產沙系數對雨強變化的彈性，以檢驗1980s以來孤山川流域產流與產沙對雨強變化的敏感性。彈性系數計算公式為：

(7)

式中：b——彈性系數(無量綱)；K——平均徑流系數(%)或平均產沙系數；X——平均雨強(mm/h)。|b|值越大，表明產流(或產沙)對雨強變化的敏感性越大。

圖6展示了1980s以來降雨—產流(或產沙)的彈性系數變化情況，從中可看出，1980s—1990s降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數分別為0.13和4.21，1980s—2000s降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數分別為1.73和6.19。結果表明，1980s以來，孤山川流域的產沙比產流對雨強變化更為敏感。

圖6　孤山川流域1980s以來降雨-產流(產沙)彈性系數

3.5　下墊面變化對產流產沙能力的影響

下墊面變化是影響流域產流產沙的重要因素。1980s以來，伴隨產流產沙的變化，孤山川流域的下墊面狀況也發生明顯變化。獲取孤山川流域1980，1998，2010的林草面積、植被蓋度、梯田面積、骨干壩控制面積等數據，分別代表1980s，1990s和2000s的下墊面狀況(表2)，分析徑流系數、產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關性(表3—4)，揭示下墊面變化對孤山川流域產流產沙能力的影響。

從表2可看出，1980s以來，孤山川流域的林草面積、植被蓋度、梯田面積和骨干壩控制面積有不同程度的增加或提升，其中，植被蓋度增加最快，1990s，2000s的植被蓋度分別是1980s的2.27倍和3.83倍。從表3可看出，徑流系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關系數分別為-0.662 3，-0.911 4，-0.801 0和-0.821 4。從表4可看出產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關系數分別為-0.887 7，-0.998 5，-0.962 9和-0.971 7。結果顯示，徑流系數、產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比呈現明顯的負相關關系，徑流系數、產沙系數與植被蓋度的相關系數均大于徑流系數、產沙系數與其它下墊面指標間的相關系數，表明植被蓋度變化是下墊面因素中影響孤山川流域產流產沙能力變化的主要原因。

表2孤山川流域不同年代的下墊面狀況

%

注：①數據來源于黃河上中游管理局調查數據。

表3　徑流系數與下墊面狀況的相關性

注：顯著性水平α=0.05。

表4　產沙系數與下墊面狀況的相關性

注：顯著性水平α=0.05。

4結論與討論

(1) 1980s以來，孤山川流域的降雨—產流—產沙關系發生了明顯變化。與1980s相比，1990s的降雨多為短歷時、弱雨強類型，而2000s的降雨多為長歷時、中雨強類型；2000s的降雨產流能力和降雨產沙能力減小最為顯著，其平均徑流系數、平均產沙系數分別約為1980s的50%，23%。

(2) 計算1980s—1990s，1980s—2000s的降雨—產流(產沙)彈性系數，分析降雨—產流(產沙)能力對雨強變化的敏感性，發現孤山川流域的降雨—產沙能力比降雨—產流能力對雨強變化更為敏感。分析1980s—1990s和1980s—2000s的降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數，結果顯示，1980s—1990s降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數分別為0.13和4.21，1980s—2000s降雨—產流彈性系數和降雨—產沙彈性系數分別為1.73和6.19。可看出，1980s以來，孤山川流域的降雨—產沙能力比降雨—產流能力對雨強變化更為敏感。

(3) 分析下墊面變化對產流產沙的影響，發現植被蓋度變化是下墊面因素中影響孤山川流域產流產沙能力變化的主要原因。分析徑流系數、產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關性，結果顯示，徑流系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關系數分別為-0.662 3，-0.911 4，-0.801 0和-0.821 4，產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比的相關系數分別為-0.887 7，-0.998 5，-0.962 9和-0.971 7。可看出，徑流系數、產沙系數與林草面積比、植被蓋度、梯田面積比和骨干壩控制面積比呈現明顯的負相關關系，徑流系數、產沙系數與植被蓋度的相關系數均大于徑流系數、產沙系數與其它下墊面指標間的相關系數，植被蓋度變化是下墊面因素中影響孤山川流域產流產沙能力變化的主要原因。

綜上，本研究成果可為黃河流域水保工程設計和水沙變化成因分析提供一定的參考。

致謝：感謝王志偉、管亞兵、倪超三位同學在數據收集整理工作中提供的大力幫助！

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LUO Ya1,2, YANG Shengtian1, LIU Xiaoyan3, ZHOU Xu1,4, JIN Shuangyan5, ZHANG Yichi1, CHEN Ke1

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,BeijingKeyLaboratoryforRemoteSensingofEnvironmentandDigitalCities,Beijing100875,China; 2.SchoolofGeographicandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 3.YellowRiverConservancyCommission,Zhengzhou,He’nan450003,China; 4.SchoolofLandandResource,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong,Sichuan637009,China; 5.HydrologyBureau,YRCC,Zhengzhou,He’nan450004,China)

Abstract：[Objective] To research the rainfall—runoff—sediment change in the tributary of the Yellow river for revealing the causes of Yellow River’s water and sediment variation. [Methods] Based on the data of 115 rainfall events during 1985—2010 in Gushanchuan river basin, the temporal variations of rainfall—runoff—sediment relationships was analyzed by using the runoff coefficient, sediment coefficient and elasticity coefficient. [Results] (1) The short-duration, low-intensity and long-duration, moderate-intensity rainfall events were the primary types in 1990s and 2000s compared to 1980s, respectively. Specially, the capacities of rainfall producing runoff and sediment reduced obviously in 2000s, the runoff coefficient and sediment coefficient in 2000s were accounting for about 50% and 23% of that in 1980s. (2) The rainfall—runoff elasticity coefficient and rainfall—sediment elasticity coefficient were 0.13 and 4.21 during the period from 1980s to 1990s, and were 1.73 and 6.19 during the period from 1980s to 2000s, respectively. (3) The correlation between runoff coefficient and the proportion of forest and grass, vegetation coverage, proportion of terrace, proportion of key dam controlling area was -0.662 3, -0.911 4,-0.801 0,-0.821 4, respectively, meanwhile, the correlation between sediment coefficient and the proportion of forest and grass, vegetation coverage, proportion of terrace, proportion of key dam controlling area was -0.887 7, -0.998 5, -0.962 9, -0.971 7, respectively. [Conclusion] The rainfall—runoff—sediment relationship has been changed significantly since 1980s, especially after the year 2000, the influence of rainfall intensity on capacity of rainfall producing sediment is more sensitive than that on capacity of rainfall producing runoff, and the vegetation coverage variation is the major factor which affects the capacities of rainfall producing runoff and sediment in Gushanchuan river basin.

Keywords:rainfall-runoff-sediment relationships; rainfall events; Gushanchuan river basin

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0023-07

中圖分類號：S157.1

通信作者：楊勝天(1965—),男(彝族),博士,教授、博士生導師,主要從事水資源與水環境遙感研究。E-mail:yangshengtian@bnu.edu.cn。

收稿日期：2015-01-05修回日期：2015-01-20

資助項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題“黃河中游產沙環境演變及其水沙調控效應分析”(2012BAB02B05-05); 水利部公益項目“中印東段爭議區生態資源遙感監測與評價研究”(201101037); 中央高校基本科研業務費專項聯合資助

第一作者：羅婭(1979—),女(漢族),博士,副教授。主要從事土地利用與水土流失治理研究。E-mail:luoya2002@163.com。