北洛河流域水沙特性與變化原因

魯俊 朱信華 崔振華 王鵬 陳翠霞

摘要：在整理分析北洛河流域20世紀50年代以來至2012年降雨、徑流、泥沙觀測資料和水土保持資料的基礎上，研究了北洛河流域的水沙特性和水沙變化情況，從定性和定量兩個方面剖析了2000年以后水沙變化的原因。結果表明：北洛河流域水流含沙量大，水沙量年際變化大、年內分配不均，水沙異源，泥沙主要產自上游，徑流主要產自中下游；2000年以來北洛河來水量大幅減小，來沙量減小更為顯著，主要是降雨尤其是下墊面條件改善以及暴雨偏少導致的；與1959-1969年相比，2000-2012年北洛河流域來沙量減小8554.0萬t，其中受人類活動影響的減沙量占63.1%～69.2%，受降雨影響的減沙量占30.8%～36.9%。

關鍵詞：下墊面；降雨；水沙變化；水沙特性；北洛河流域

中圖分類號：P333；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.005

北洛河位于黃河中游，是黃河的二級支流，渭河的第二大支流，發源于陜西省榆林定邊縣白于山，在大荔縣韋林鎮的倉西村匯入渭河。北洛河流域面積2.69萬km2，河道全長680km。北洛河流域具有典型的丘陵溝壑地貌，流域土壤尤其是上游地區土壤侵蝕強度大，水土流失嚴重，是黃河粗泥沙的主要來源區之一。研究北洛河水沙變化可為流域治理乃至黃河治理提供基礎支撐。前人有過一些專門針對北洛河流域水沙特性和水沙變化的研究[1-4]，但從研究成果看，對2000年以來水沙變化與變化原因的研究尚不充分，筆者在剖析流域水沙特性的基礎上，重點對2000年以來的水沙特性和變化原因進行了研究。

1 水沙特性

北洛河劉家河、交口河和洑頭水文站可分別作為上游、中游及下游的徑流泥沙代表站，以其實測水沙量來分析北洛河流域水沙特點及其變化。流域水沙有以下幾個特點：

（1）含沙量大。1959-2012年劉家河、交口河和洑頭三站的年均含沙量分別為273.87、152.25、100.09kg/m3；洪水期（7-8月）含沙量更大，1959-2012年三站7月平均含沙量分別為508.89、348.46、269.26kg/m3；1959-2012年三站洪水期實測最大日均含沙量分別為765.63、666.96、690.72kg/m3。

（2）水沙異源。北洛河泥沙主要產自上游地區，劉家河站1959-2012年來沙量為6318.60萬t，占同時期洑頭站來沙量的89.4%；北洛河徑流主要產自中下游地區.1959-2012年劉家河—洑頭來水量約為5.89億m3，占同時期（氵+狀）頭站來水總量的71.9%，而沙量僅為747.46萬t，占同時期（氵+狀）頭站來沙總量的10.6%。

（3）水沙量年內分配不均。北洛河徑流泥沙主要產自汛期（7-10月，下同），尤其是7-8月，劉家河、（氵+狀）頭兩站7-8月的沙量分別占全年沙量的84.7%、81.7%；7-8月的水量分別占全年水量的46.3%，32.6%，沙量的集中程度大于水量的。北洛河劉家河、交口河和（氵+狀）頭三站1959-2012年多年平均月水沙量見圖1。

（4）水沙量年際變化大。以（氵+狀）頭站為例，最大年水量為18.15億m3（1964年），是最小年水量2.44億m3（2009年）的7.4倍；最大年沙量為26308萬t（1994年），是最小年沙量82萬t（2008年）的320.8倍。袱頭站歷年水量、沙量變化過程見圖20

2 水沙變化

2.1 水沙量變化

統計北洛河劉家河、交口河和（氵+狀）頭三站不同時期水沙量，見表1。

（1）劉家河不同時期水沙量變化。劉家河1959年7月—1970年6月、1970年7月—1980年6月、1980年7月—1990年6月、1990年7月—2000年6月、2000年7月—2012年6月的年均水量分別為2.698億、2.492億、2.182億、2.799億、1.564億m3，年均沙量分別為0.997億、0.755億、0.459億、0.854億、0.198億t。

2000年7月—2012年6月劉家河來水來沙量明顯減小，與1959年7月—1970年6月相比，年水量減少1.134億m3，減少42.0%，其中汛期水量減少0.997億m3，減少55.5%，非汛期水量減少0.137億m3，減少15.2%；年沙量減少0.799億t，減少80.1%，其中汛期沙量減少0.711億t，減少80.4%，非汛期沙量減少0.089億t，減少78.0%。可見，劉家河站水沙量的減少主要集中在汛期。

（2）（氵+狀）頭站不同時期水沙量變化。（氵+狀）頭站1959年7月—1970年6月、1970年7月—1980年6月、1980年7月—1990年6月、1990年7月—2000年6月、2000年7月—2012年6月的年均水量分別為8.534億、5.750億、7.473億、6.886億、4.624億m3，年均沙量分別為1.041億、0.799億、0.476億、0.896億、0.195億t。

2000年7月—2012年6月（氵+狀）頭站來水來沙量明顯減少，與1959年7月—1970年6月相比，年水量減少3.909億m3，減少45.8%，其中汛期水量減少 1.902億m3，減少38.5%，非汛期水量減小2.008億m3，減少55.9%；年沙量減少0.846億t，減少81.3%，其中汛期沙量減少0.782億t，減少81.1%，非汛期沙量減少0.064億t，減少82.6%。可見，（氵+狀）頭站水量減少不同于劉家河站，汛期、非汛期基本各占—半，而沙量減少仍然集中在汛期。

2.2 水沙組成變化

北洛河流域水沙量主要來自于汛期，故本文主要分析汛期的水沙組成變化。

（1）劉家河站汛期不同時期水沙組成變化。劉家河站汛期不同時期不同流量級平均水沙量變化見圖301959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年劉家河站汛期0～100m3/s流量級出現的平均天數分別為118.7、119.4、121.7、119.4、122.2d，相應水量分別為0.917億、0.883億、0.935億、0.880億、0.646億m3，相應沙量分別為0.254億、0.214億、0.220億、0.185億、0.077億t。可以看出，該流量級下劉家河站除2000-2012年來水來沙量偏小外，其他時期來水來沙量變化不大，來水量在0.9億m3左右，來沙量在0.2億t左右。

1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年劉家河站汛期100m3/s以上流量級出現的平均天數分別為4.3、3.1、1.3、3.6、0.8d，占汛期天數的比例分別為3.5%、2.5%、1.1%、2.9%、0.7%；相應水量分別為0.878億、0.694億、0.222億、0.942億、0.138億m3，占汛期水量的比例分別為48.9%、44.6%、19.2%、51.6%、17.6%；相應沙量分別為0.631億、0.483億、0.141億、0.616億、0.089億t，占汛期沙量的比例分別為71.3%、69.3%、39.0%、76.9%、53.6%。可以看出，大流量天數及相應水沙量比例明顯減小。

對比劉家河站100m3/s以下流量級和100m3/s以上流量級的水量可知，除1990-1999年100m3/s以上流量級水量略偏大外，其他時期100m3/s以上流量級的水量均小于100m3/s以下流量級的。沙量對比表現不同，除1980-1989年、2000-2012年兩個來沙較少時段外，其他時期100m3/s以上流量級的沙量明顯大于100m3/s以下流量級的。

（2）（氵+狀）頭站汛期不同時期水沙組成變化。（氵+狀）頭站汛期不同時期不同流量級水沙量變化見圖4。1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年（氵+狀）頭站汛期0～100m3/s流量級出現的天數分別為108.5、114.9、113.0、116.4、118.2d，相應水量分別為2.782億、2.322億、2.966億、2.552億、2.226億m3，相應沙量分別為0.260億、0.214億、0.142億、0.188億、0.065億t。可以看出，該流量級下除2000-2012年來水來沙量偏小外，其他時期來水來沙量相差不大。

1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年（氵+狀）頭站汛期100m3/s以上流量級出現的平均天數分別為14.5、8.1、10.0、6.6、4.8d，相應水量分別為2.200億、1.687億、1.375億、1.377億、0.785億m3，相應沙量分別為0.660億、0.561億、0.254億、0.658億、0.104億t。可以看出，該流量級下2000-2012年來水量偏小，1980-1989年和2000-2012年來沙量偏小。

對比（氵+狀）頭站100m3/s以下流量級和100m3/s以上流量級的水量可知，100m3/s以下流量級的水量明顯大于100m3/s以上流量級的，而100m3/s以上流量級的沙量明顯大于100m3/s以下流量級的。分析表明，2000年以來北洛河來水量大幅減少，來沙量減少更為顯著，汛期來沙尤其是流量級100m3/s以上的來沙量大幅減少。

3 水沙變化原因

影響流域水沙變化的原因可以概括為兩個方面，一是降雨等自然條件變化的影響，二是產水產沙下墊面條件變化的影響。

3.1 定性分析

（1）降雨條件變化。影響流域產水尤其是產沙的降雨條件變化包括降雨量大小、降雨落區及其籠罩面積等，由表2可以看出，北洛河流域1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年多年平均降雨量分別為559.4、504.2、512.3、460.5，522.5mm，與1969年以前相比，2000-2012年的多年平均降雨量減小6.6%。主要產沙區劉家河站以上1959-1969年、1970-1979年、1980-1989年、1990-1999年、2000-2012年多年平均降雨量分別為459.8、412.7、384.0、347.8、391.3 mm，與1969年以前相比，2000-2012年多年平均降雨量減小14.9%，主汛期7-8月降雨量減少21.1%，25mm以上降雨量減少20.1%，相應籠罩面積減少26.7%。數據表明，2000年以來流域降雨量尤其是主要產沙地區劉家河站以上的降雨量、暴雨量和相應籠罩面積減小，必然在一定程度上減少流域產水量尤其是產沙量。

（2）下墊面條件變化。下墊面條件變化受人類活動影響，20世紀50年代以來，北洛河流域持續開展了水土流失治理，尤其是20世紀90年代末以后加大了水土流失治理力度，同時實施退耕還林、封禁治理等措施。這些措施大大改變了流域下墊面條件。由表3可以看出，北洛河流域1959年、1969年、1979年、1989年、1996年、2011年梯田、林草、壩地等水土保持措施核實面積分別為1.25萬、4.72萬、9.04萬、17.92萬、27.32萬、123.66萬hm2。與1996年相比，2011年北洛河流域各項水保措施面積成倍增長（壩地除外），植被恢復效果顯著[5-6]。流域下墊面條件的變化尤其是植被條件的改善必然會減少流域產水量尤其是產沙量。

對比1985年8月15日和2010年8月11日的兩場典型暴雨（見表4），兩場典型暴雨的面均雨量接近、25mm以上降雨量及其籠罩面積后者略大，但后者暴雨所產生的洪峰流量僅為前者的42.0%，洪量和沙量分別為前者的42.3%、33.0%。由此可見，得益于近期下墊面條件的改善，流域主要產沙區劉家河站以上相同降雨條件下的暴雨洪量、產沙量均明顯減小。

3.2 定量分析

分析降雨條件變化和下墊面條件變化對流域產水產沙的影響，有水文分析法和成因分析法（水保法）等方法。水文法是指采用人類活動對流域下墊面影響較小的近似為天然情況下的降雨及產水產沙資料，建立流域的降雨—產流—產沙模型，將有人類活動影響后的降雨資料代入模型，計算近似天然情況下的產水量和產沙量，此水量和沙量與實測水量和沙量之差，即認為是人類活動影響的減水量和減沙量。水保法是根據流域內水利水保措施的數量及其蓄水保土效益指標，分別計算各項措施的減水減沙量再予以匯總。本文利用降雨指標法、雙累積曲線法和水保法等方法[7-9]，根據降雨資料、水利水保資料對降雨條件變化和下墊面條件變化影響的產沙量進行計算，結果見表5。由表5可以看出，與1959-1969年（氵+狀）頭站多年平均來沙量10436.6萬t相比，2000-2012年北洛河多年平均來沙量減少8554.0萬t，其中受人類活動影響的減沙量為5398.8萬～5 923.1萬t，占減沙總量的63.1%～69.2%，受降雨影響的減沙量為2630.9萬～3155.2萬t，占減沙總量的30.8%一36.9%。減沙量主要集中在上游劉家河站以上，2000-2012年劉家河站年來沙量減少了8016.1萬t，占（氵+狀）頭站減沙量的93.7%。

2000-2012年北洛河流域受人類活動影響的減沙量占減沙總量的63.1%～69.2%，與表4中選取1985年、2010年兩場基本相同暴雨進行分析的減沙量67.0%基本相符。與其他時期的研究成果也有一定可比性：文獻[2]中估算2001-2006年相比1956-1970年吳旗、志丹兩站人類活動影響的減沙量分別為61.7%、71.0%；文獻[4]中計算1997-2006年相比1959-1969年北洛河流域的減沙主要發生在劉家河站以上，其中人類活動影響的減沙量約占60%。以上研究成果表明，水利水保等人類活動影響是北洛河流域近期來沙量減小的主要原因。

4 結論

（1）北洛河流域水流含沙量大、水沙異源，泥沙主要來自上游地區，而徑流則主要來自中下游地區；流域水沙量年際變化大、年內分布不均，水沙量主要集中在汛期，汛期水量約占60%，沙量約占90%，汛期水沙組成上，泥沙主要集中在洪水期100m3/s以上流量級。

（2）2000年以來北洛河水沙量大幅減小，（氵+狀）頭站2000年7月—2012年6月與1959年7月—1970年6月相比，年水量減小45.8%，年沙量減小81.3%，汛期沙量尤其是100m3/s以上流量級的沙量減少尤為突出。

（3）北洛河流域近期水沙量減少的影響因素包括降雨偏少和人類活動對下墊面條件的改善兩個方面。與1959-1969年相比，2000-2012年北洛河流域來沙量減小8554.0萬t，其中受降雨影響的減沙量占30.8%～36.9%，受人類活動影響的減沙量占63.1%-69.2%，人類活動影響是北洛河流域近期來沙量減小的主要原因。

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