水土流失水文因子演變規(guī)律分析及輸沙量插補(bǔ)方法研究
——以湖北省浠水流域英山水文站為例

呂愛斌，張玉潔，黃清濤

(1.湖北省黃石市水文水資源勘測局，湖北 黃石 435002；2.湖北省黃岡市水文水資源勘測局，湖北 黃岡 438000；3.湖北省襄陽市水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441003)

水土流失是導(dǎo)致山區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因之一。嚴(yán)重的水土流失，直接破壞了土壤資源，流失的泥沙物質(zhì)進(jìn)入江河、湖泊和水庫，污染水環(huán)境，造成淤積。開展水土流失水文因子監(jiān)測和分析，研究其變化規(guī)律，對于水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，以及水土保持措施效益評估意義重大。我國系統(tǒng)地開展水文監(jiān)測始于新中國成立初期，監(jiān)測的水文要素主要有降水量、水位(江河湖庫)、徑流量、產(chǎn)沙量、蒸發(fā)量(水體、土壤)、溫濕度、風(fēng)速、氣壓、水質(zhì)等，早期設(shè)站的觀測資料系列長度已超過60年。然而，受各種條件的限制，僅在少數(shù)水文站開展了泥沙測驗(yàn)，有的站雖然開展了泥沙測驗(yàn)，但后期對泥沙項(xiàng)目多采用間測甚至出現(xiàn)停測，導(dǎo)致泥沙資料存在系列短、不連續(xù)的問題，需要尋求插補(bǔ)展延泥沙資料系列的方法，以提高泥沙資料的代表性，滿足涉水工程設(shè)計(jì)和水土保持科研要求。

基于上述研究目的，根據(jù)《中華人民共和國水文年鑒》(第6卷第5冊)(1953—2016年)數(shù)據(jù)資料，本研究以位于浠水流域的英山水文站為研究對象，通過分析水土流失主要水文因子的相關(guān)關(guān)系及其演變規(guī)律，分別建立年降水量、汛期降水量、年徑流量、汛期徑流量、鄰近站輸沙量等因子與懸移質(zhì)年輸沙量的關(guān)系模型，利用Excel工具精確率定模型參數(shù)，進(jìn)行插補(bǔ)方案評估，進(jìn)而采用優(yōu)選的模型插補(bǔ)懸移質(zhì)年輸沙量，達(dá)到插補(bǔ)展延泥沙資料系列長度的目的。

1 流域及站點(diǎn)概況

浠水位于湖北省東部，為長江中游下段干流左岸一級支流，源于鄂皖邊界大別山南麓英山縣，總長935 km，集水面積2 499 km2，平均海拔282 m，每年4—9月為汛期，具有降水量大、汛期暴雨洪水頻繁、水位暴漲暴落、含沙量高等特點(diǎn)。浠水流域水土流失嚴(yán)重，屬國家級水土流失重點(diǎn)防治區(qū)。1960年在浠水干流建成白蓮河大(1)型水庫，攔控面積1 800 km2，總庫容12.5億m3。英山水文站地處E115°41′、N30°45′，為國家二類精度基本站、浠水上游控制站、白蓮河水庫入庫站，水文站斷面以上集水面積670 km2，其降水量觀測始于1953年，于1958、1959年分別開始監(jiān)測徑流、懸移質(zhì)泥沙。英山站以上流域呈狹長帶狀，最高點(diǎn)雞籠尖海拔1 346 m，最低點(diǎn)英山站測流斷面海拔99 m。英山站以上流域內(nèi)設(shè)有桃花沖(海拔645 m)、草盤地(海拔238 m)、金華巖(海拔156 m)、陶家河(海拔542 m)等降水量站，站網(wǎng)密度達(dá)134 km2/站。距離英山站26、60 km的巴水、蘄水干流分別設(shè)立有羅田、西河驛水文站，于1962年開始與英山站同步監(jiān)測懸移質(zhì)泥沙。

2 水文因子演變規(guī)律分析

2.1 降水量時(shí)空分布及演變趨勢分析

根據(jù)歷史監(jiān)測資料，英山站以上流域多年平均降水量為1 455.6 mm，最大年降水量為2 799.3 mm(1991年桃花沖站)，最小年降水量為840.6 mm(2006年金華巖站)。對桃花沖等5個(gè)降水量站監(jiān)測資料進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果見表1。可見，流域降水量主要集中在汛期，汛期降水量占年降水量的75.5%，各降水量站年降水量隨海拔升高而增加。

表1 各降水量站月降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

點(diǎn)繪1953—2016年流域年降水量變化過程線并利用Excel工具進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見圖1。可見，1953—2016年流域年降水量無明顯增減趨勢。

圖1 英山站以上流域降水量年際變化趨勢

2.2 徑流泥沙時(shí)程分配及演變趨勢分析

英山站自1958年開始監(jiān)測徑流，歷年實(shí)測最大流量為4 250 m3/s(1969年7月14日)，調(diào)查歷史最大流量為4 470 m3/s(1896年)，多年平均流量為15.5 m3/s，多年平均徑流量為4.891億m3，多年平均徑流深為730.0 mm，最大年徑流量為13.02億m3(1991年)，最小年徑流量為1.842億m3(2001年)。英山站各月平均徑流量分配見表2。從表2知，徑流量主要集中在汛期，汛期徑流量占年徑流量的80.8%。

經(jīng)計(jì)算，英山站多年平均懸移質(zhì)輸沙量為16.6萬t，多年平均汛期懸移質(zhì)輸沙量占全年的95.4%，實(shí)測最大斷面含沙量為5.56 kg/m3(1981年)，實(shí)測最大日平均輸沙率為2 380 kg/s(1975年)，實(shí)測最大年懸移質(zhì)輸沙量為70.5萬t(1991年)，最大懸移質(zhì)年侵蝕模數(shù)達(dá)1 052 t/km2(1991年)。

表2 英山站各月平均徑流量分配

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，徑流量、輸沙量為縱坐標(biāo)點(diǎn)繪雙軸曲線，并利用Excel進(jìn)行趨勢分析(圖2)。徑流量、輸沙量年際變化過程線形態(tài)基本相似，即水大沙大、水小沙小，水沙變化基本同步。從擬合曲線方程及趨勢線可知年徑流量減小的趨勢不明顯，而輸沙量減小的趨勢則比較明顯。

圖2 英山站徑流量及輸沙量年際變化趨勢

2.3 徑流泥沙關(guān)系演變的階段性分析

采用雙累積曲線法分析徑流與泥沙關(guān)系變化。以年徑流量、年輸沙量兩個(gè)變量按同一時(shí)間步長(年)逐步累加，將累積年徑流量、累積懸移質(zhì)年輸沙量點(diǎn)繪在同一坐標(biāo)軸上(圖3)，如果水沙量雙累積曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，則說明水沙特性發(fā)生系統(tǒng)變化。從圖3可知，雙累積曲線在1992年出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線上部斜率明顯減小，即徑流泥沙關(guān)系以1992年為界分成兩個(gè)系列。

圖3 英山站徑流量、輸沙量累積曲線

3 泥沙插補(bǔ)模型率定與方案評定

3.1 模型率定

分別建立年降水量、汛期降水量、年徑流量、汛期徑流量、臨近站(羅田站及西河驛站)年輸沙量等因子與英山站懸移質(zhì)年輸沙量的關(guān)系模型，利用最小二乘法原理，使用Excel工具中的不同函數(shù)精確率定模型參數(shù)，優(yōu)選相關(guān)系數(shù)r較大的函數(shù)模型。由于1992年后水沙特性發(fā)生明顯改變，因此利用不同因子分2個(gè)階段建立模型。率定的模型方程表達(dá)方式及相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 利用不同因子推求英山站懸移質(zhì)年輸沙量模型及參數(shù)率定

選取汛期降水量因子，以1992年為界，分2個(gè)時(shí)段分別建立汛期(4—9月)降水量與懸移質(zhì)年輸沙量的相關(guān)關(guān)系曲線，見圖4、5，屬于高度相關(guān)。

圖4 1959—1991年汛期降水量與年輸沙量關(guān)系曲線

圖5 1992—2016年汛期降水量與年輸沙量關(guān)系曲線

3.2 誤差評定

從表3可知，選取年降水量、年徑流量及鄰近站(羅田站、西河驛站)年輸沙量與英山站懸移質(zhì)年輸沙量建立關(guān)系模型，相關(guān)系數(shù)一般在0.8以上，屬高度相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的機(jī)誤計(jì)算公式[1]為

式中：Er為相關(guān)系數(shù)的機(jī)誤；n為觀測次數(shù)；r為相關(guān)系數(shù)。

一般地，當(dāng)|r|>4Er時(shí)，認(rèn)為相關(guān)關(guān)系存在。計(jì)算結(jié)果表明，本研究各方案相關(guān)性均較好，即利用降水量、徑流量資料推求能獲得一定精度的年輸沙量資料。

通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用降水量資料推求年輸沙量時(shí)，汛期降水量與年輸沙量的相關(guān)關(guān)系好于年降水量與年輸沙量的相關(guān)關(guān)系，分段(年)關(guān)系好于全系列；當(dāng)采用徑流量資料推求年輸沙量時(shí)，汛期徑流量及年徑流量與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)差值很小。

以羅田站、西河驛站年輸沙量與英山站年輸沙量建立的二元線性回歸模型為例，用插補(bǔ)系列計(jì)算的輸沙量統(tǒng)計(jì)參數(shù)與實(shí)測值比較，其誤差見表4。從表4可知，用二元回歸模型插補(bǔ)求得的輸沙量系列資料與實(shí)測值統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)誤差很小，對一般工程設(shè)計(jì)和水土保持科研均不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性影響。

表4 二元回歸模型插補(bǔ)輸沙量與實(shí)測值統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較

4 結(jié) 語

通過對浠水流域水土流失主要水文因子相關(guān)性及其演變規(guī)律的分析，建立了基于不同要素的輸沙量插補(bǔ)模型并對各方案進(jìn)行了評估，得出以下結(jié)論：①利用主要水文因子建立模型推求年輸沙量，均可以獲得一定精度的插補(bǔ)資料，該方法可用于泥沙資料缺測和停測、間測期資料的插補(bǔ)展延，以滿足工程設(shè)計(jì)和水土保持科研要求。②近年來全球氣候顯著變化，但浠水流域上游降水量未發(fā)生明顯改變。③浠水流域自20世紀(jì)80年代后期加強(qiáng)了水土流失治理，特別是退耕還林和生態(tài)修復(fù)，增加了流域滲蓄和植物截流，河川徑流量有所減少，在1992年以后，水沙特性發(fā)生明顯變化，相同徑流條件下輸沙量銳減。④資料分析表明，在浠水流域建立的降水量-年輸沙量與徑流量-年輸沙量模型相關(guān)系數(shù)差異不大，插補(bǔ)獲得的資料屬于同一精度。在懸移質(zhì)輸沙量資料插補(bǔ)工作中，應(yīng)根據(jù)流域資料條件，建立不同的插補(bǔ)模型，優(yōu)選模型插補(bǔ)年輸沙量。