洮河泥沙分布及變化分析

凡炳文,陳 文,2,李計生

(1.甘肅省水文水資源勘測局,甘肅蘭州 730000;2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

河流泥沙輸移是河流中重要的水文現象,它對于河流的變遷有重大的影響。泥沙的多少主要與流域的氣候因素、下墊面因素和人類活動有關,時空分布變化與流域內自然因素與人類活動的交互作用密切相關[1～5]。泥沙產生的危害是多種多樣和廣泛的,泥沙產生危害的形式取決于泥沙的數量和特性,河道中泥沙含量的淤積和沖刷,對防汛、航運、灌溉等帶來很多嚴重的問題。洮河是一條高含沙河流,帶來的泥沙占到了劉家峽水庫來沙量的 30%以上,對劉家峽電站正常運行和水庫綜合效益的發揮造成了非常嚴重的影響。水庫內的泥沙淤積一方面減少了水庫庫容,降低了水電站的蓄水和防洪等效益,影響本河段的工農業設施,另一方面由于壩區的泥沙淤積也將對電站的引水防沙構成威脅,從而影響電站的引水發電效益[6]。因而,開展洮河泥沙方面的分析研究顯得很有必要。

1 分析方法

以洮河紅旗站 1956～2005年水文監測泥沙資料為依據,統計分析泥沙分布規律;采用非參數 Mann-Kendall趨勢分析檢驗法[7-8]、累積曲線法來分析徑流的趨勢變化;采用文獻[9]中泥沙含量年內不均勻系數、集中度(期)以及變化幅度等不同指標的計算方法,從不同角度分析泥沙年內分布規律;并統計分析洪峰沙峰之間的對應關系,探討水沙匹配情況。

2 泥沙來源及特征

2.1 泥沙特征

洮河是一條高含沙河流,以多沙著稱。從紅旗站 1956～2005年 50 a泥沙資料系列來看,多年平均年輸沙量2 430×104t,年輸沙模數 973 t/km2;實測最大斷面平均含沙量 620 kg/m3,最大年輸沙量6590×104t。洮河泥沙高度集中,主要產生于主汛期的 6～9月,占到了年輸沙總量的 89.6%,其他月份之和僅占全年的 10%左右。

2.2 產沙區基本情況

洮河泥沙主要來源于李家村水文站以下區域。該區域處于甘肅中部干旱黃土山丘區,除河谷地段外,地形破碎,土石裸露,植被很差,水土流失特別嚴重。汛期暴雨洪水夾雜著大量泥沙瀉入河流,使得干流泥沙含量成百倍增長。李家村以下的較大支流進入汛期的第一、二場洪水,或久旱以后的洪水,水流渾濁,泥沙含量很大,常常達到 500 kg/m3以上,成為洮河的主要產沙區域,年輸沙量占洮河總輸沙量的 78%以上。

在這些高含沙的支流上,從東峪溝臨洮站(流域面積 582 km2)近 40a監測資料來看,實測最大斷面平均含沙量為 963 kg/m3,多年平均年輸沙量 305×104t,占洮河總輸沙量的12.6%,年輸沙模數5240 t/km2,是洮河流域平均水平的5.4倍,水土流失極為嚴重。從廣通河三甲集站(流域面積1 523 km2)近 40 a監測資料來看,實測最大斷面平均含沙量1 260 kg/m3,多年平均年輸沙量 265×104t,占洮河總輸沙量的10.9%,年輸沙模數1 740 t/km2,是洮河流域平均水平的1.8倍,水土流失特別嚴重。東峪溝和廣通河年輸沙總量占到了洮河總量的近 25%。

3 泥沙的年際變化

3.1 年際變化分析

根據紅旗站 1956～2005年實測泥沙資料,分析計算年平均含沙量和年輸沙量特征值,列于表 1。

表1 紅旗站泥沙特征值

紅旗站多年平均含沙量為 5.14 kg/m3,Cv值為 0.53,最大年份是最小年份的 6.6倍;多年平均年輸沙量為2 430×104t,Cv值為 0.71,最大年份是最小年份的 4.6倍。年平均輸沙量在 10%、20%、50%、75%和 90%條件下數值分別為4 750×104t、3 710×104t、2 120 ×104t、1 160 ×104t和 500×104t。與徑流的年際變化相比,泥沙的變化更為劇烈,年際間波動幅度很大,大小年份交替出現,呈不規則性變化。

3.2 年際變化趨勢分析

用 M-K趨勢分析 1956～2005年泥沙序列,年平均含沙量系列統計參數為 -0.109,但未通過 90%的置信度檢驗,說明含沙量年際間減小趨勢不明顯;年輸沙量系列統計參數為-0.232＊,通過 90%置信度檢驗,說明年輸沙量存在減小的趨勢,主要與年徑流減小有關。

從圖 1年平均含沙量差積累計曲線反映出,1985年以前呈鋸齒狀,沒有明顯的周期變化,1985～1995年呈上升趨勢,1996～2005年呈下降趨勢,主要是由于不同時期流域內工程建設增沙和水利水電工程攔沙的結果。

圖1 紅旗站年平均含沙量差積曲線

3.3 不同時段變化分析

將紅旗站 1956～2005年 50 a泥沙資料劃分為 5個時段,統計分析各時段與長系列比較、近10a與其它時段比較的變化情況,其結果列于表 2。

表2 紅旗站不同時段年平均含沙量比較

從表 2看出,1956～1965年及 1976～1985年基本接近多年情況;1966～1975年及 1986～1995年大于多年均值,尤其 1986～1995年 10a中,含沙量增加較多,高出多年均值35%;1996～2005年較小幅度較大,低于多年均值 32.1%。最近10a比其他各時段含沙量都小,減小的比率在 30%以上,特別是最近10a比相鄰的前10a相對減小了近一半。不同時段最大值是最小值的 2倍,充分說明洮河泥沙含量的階段性變化很大。

3.4 階段性變化成因分析

洮河泥沙年際變化上雖然不太明顯,但不同年代階段性變化突出。就以十年計的短時間尺度而言,氣候的變化是有限的,不可能對流域的水沙關系產生重大影響[10]。近二十年來,洮河流域人類活動通過改變流域下墊面特征使流域自然環境和水文過程發生了較大的改變,植被破壞與恢復,水土流失治理,水利工程攔沙和工程建設增沙,其中人類農業生產活動造成的水土流失和為了防洪、灌溉、發電等需要而建設的水利工程成為最主要的影響因素[11]。

上世紀 80年代以后,隨著人口的不斷增加和社會經濟發展迅速,人類活動對流域下墊面的改變不斷加劇。由于采用不合理的耕作制度和方式,盲目地砍伐森林,無計劃地開發土地,植被遭到破壞,使地表侵蝕加劇,水土流失嚴重,河流含沙量顯著增大。同時,各行各業工程建設不斷增加,施工裸地面積增加,擾動和破壞了原地貌自然侵蝕狀態下的系統,植被受到一定破壞,加劇了水土流失,在降雨和人為因素的作用下,使泥沙直接匯入下游的溝道,泥沙含量進一步增加。除在干流河道內大量采沙外,幾乎所有的支流上都存在亂采、亂挖、亂建、亂倒現象,盲目開采沙石料,整個河床的自然狀態遭到了嚴重破壞,如遇暴雨,大量泥沙涌入河道,使得泥沙含量成倍增加。

近幾年來,洮河流域加大了對水能資源的梯級開發力度,大量泥沙被攔截是導致近十年輸沙量減少的主要原因。截至目前,洮河干流上已建成和正在興建的水電站多達二十余座,修壩建庫攔截了水庫上游的大量泥沙,導致通過河道進入下游的泥沙減少。同時,近年來,各級政府高度重視流域水土流失的治理,退耕還林,種草植樹,調整土地利用方式,在水土保持方面取得了顯著的成效,水土流失面積減小,這對洮河含沙量的減小有一定作用。

4 泥沙的年內變化

4.1 不均勻性分析

紅旗站不同時段泥沙年內分配不均勻系數 Sv列于表 3。可以看出不同時段含沙量年內分配不均勻系數較大,反映出泥沙在各個時期年內的變化較為劇烈,說明洮河泥沙在年內分配極不均勻。從不同時段相比較來看,1956～1965年年內變化最為劇烈,近 30 a內變化不均勻程度基本一致。

表3 紅旗站不同時段泥沙年內分配不均勻系數

4.2 集中程度分析

紅旗站不同時段泥沙年內分配集中度 Sd和集中期 D列于表 4?？梢钥闯?一年中最大月泥沙含量不同時段出現在6月下旬或 7月上旬,高度集中在15d左右,集中期的泥沙值占到年總值的 70%以上,近 30 a來占到了 76%以上。說明洮河泥沙含量呈現高度集中的特點,同時也反映出洮河中下游地區春季干旱,夏初少雨,6月底進入雷陣雨多發期的氣候特征。

表4 紅旗站泥沙年內分配的集中度及集中期

4.3 變化幅度分析

用最大月泥沙含量與最小月泥沙含量之比 Sr和最大與最小月泥沙含量之差 Sa來分析泥沙年內分配變化情況,不同時段泥沙年內分配變化 Sr和Sa計算結果列于表 5。

表5 紅旗站泥沙年內分配變化幅度

從計算結果看出,不同時期年內最大與最小月泥沙含量的相對、絕對變化幅度很大。1986～1995年相對幅度最小,絕對幅度最大,1996～2005年絕對幅度最小。這也從另一方面反映出不同時期人類活動對泥沙年內分配的影響。1986～1995期間,由于工程建設增沙的影響,各月含沙量相對較大,使得相對變化幅度減小,而絕對幅度變大;1996～2005年期間,由于水利工程攔沙的影響,各月含沙量相對較小,使得相對變化幅度增大,而絕對變化幅度減小。

4.4 月分配分析

經對紅旗站不同時段逐月輸沙量分析,月分配比例基本相近,表現出年內分布高度集中,極不均衡的特點。就多年平均情況而言,11～3月的枯水時期,河水清澈,徑流較小,輸沙量僅占年輸沙量的 0.86%;4月份由于冰雪消融,產生春汛,含沙量有所增大,占年總數的 1.42%;5月份由于局部降水的影響,河流泥沙含量增加,占到年總數的 5.81%;6～9月的暴雨季節,大量泥沙隨水流進入河道,為輸沙量最大的時期,占到了年總數的 89%以上,其中 8月份占的比重最大,為全年的 35.1%;10月份隨著強對流天氣的結束和徑流的逐漸消退,含沙量減小,月輸沙量只占年總數的 2.29%。

5 水沙匹配分析

5.1 水沙分布情況

洮河流域地跨兩大地貌單元,水沙異源特別明顯。岷縣以上控制面積占全流域的 60%,產水量占全流域的 70%以上,產沙量僅占 10%,是洮河的主要產水區;李家村以下區間面積占全流域的 21%,產水量占全流域的 13%,而產沙量占78%以上,是洮河的主要產沙區。產水區和產沙區的分布非常明顯。

5.2 水沙匹配分析

洮河由于水沙異源的特性,決定了年洪峰流量和年最大含沙量之間對應關系很弱,在 50 a系列中,14 a沙峰在洪峰之前出現,36 a沙峰和洪峰處在不同的洪水場次中。洮河水沙的空間分布不均衡及水沙異源的特性,造成下游的沙峰與洪峰在量級上和時間上關系甚微且不同步。

就同場洪水沙峰與洪峰來說,洪峰與沙峰的相對關系一般可分為三種情況:(1)洪峰在前沙峰在后。在 1956～2005年的 50場年最大洪水中,有 8場是洪峰先于沙峰到達紅旗斷面,占總數的 16%。這種情況下,洪水在傳播過程中,沙峰的傳播時間稍大于洪峰的傳播時間,沙峰滯后約 1～3 h。(2)沙峰在前洪峰在后。據所統計的洪水中沙峰先于洪峰到達紅旗斷面的有 39場,占 78%。沙峰提前的時間遠近不等,一般情況下,如果是中上游產生的洪峰,則往往提前 1d以上,如果是中下游支流產生的洪峰,通常提前 0.5～4h左右。(3)沙峰與洪峰完全同步,在本次統計中僅有 3場洪水的沙峰與洪峰同時到達紅旗站,僅占 6%。

5.3 不同步原因分析

洪峰與沙峰出現時間不一致的原因是多方面的,從理論上講,河道洪水的流動屬于不穩定流,洪峰是以波的形式傳播,而泥沙運動則與水流平均流速有關,泥沙沿程傳播的規律受水沙特性和河道邊界條件共同作用,其規律極為復雜[12]。

洮河沙峰與洪峰不同步除理論上的原因外,主要是由于下游地區產流產沙本身的規律和沙峰洪峰來自不同的區域所決定的。洮河較大的沙峰過程來自下游的支流,受暴雨局部性的影響,若一條支流發生洪水,則在紅旗產生一個沙峰過程,若多條支流發生洪水,則在紅旗站生成復式沙峰過程,其大小取決于各支流泥沙相互疊加的情況,關系甚為復雜。來自中上游的洪峰過程本身與下游的沙峰過程沒有多大關系,由于演進距離的不同,下游沙峰要先于中上游洪峰到達紅旗斷面,提前時間隨不同情況而異;下游區間某一條支流很難在紅旗站產生較大洪峰過程,年最大洪峰通常是由多條支流共同作用的結果,沙峰主要由產生最大含沙的支流決定,通常提前或滯后,但與洪峰相距很近;下游區間未發生洪水,洪峰與沙峰全部由中上游生成,含沙量較小,一般情況下紅旗站沙峰與洪峰同步出現或沙峰稍有滯后。隨著中游水電站的建設,水電站的泄洪沖沙將對紅旗站的沙峰與洪峰的匹配關系產生較大的改變。

6 結語

通過以上分析得出,洮河泥沙具有含量高、輸沙總量大、產沙的區域性、年際的波動性、年內的不均勻性和時間的集中性六大特點。

6.1 含沙量高

紅旗站有觀測資料以來,實測最大含沙量高達 620 kg/m3,最小的年份也達到了 132 kg/m3,多年平均含沙量為5.14 kg/m3。這種高含沙的特性主要是由河流中下游的自然地理條件和降水特性決定的。

6.2 輸沙總量大

紅旗站多年平均年輸沙量達到了2 430×104t,最大年輸沙量高達6590×104t,平均年侵蝕模數 973 t/km2。下游地區水土流失十分嚴重,大部分區域年侵蝕模數高達2 000 t/km2以上,使得洮河表現出輸沙總量很大的特點。

6.3 產沙的區域性

洮河流域自然地理特性決定了下游地區成為主要產沙區,李家村站以下,面積僅占全流域的 21%,而輸沙量占洮河的 78%以上,區域性表現得非常明顯。

6.4 年際的波動性

受降水的局部性和降水類型的影響,年際間變化很大,年平均含沙量極值比達到 6.6,年輸沙量極值比達到 4.6。表現為年際間呈不規則性變化,幅度很大,波動性很強。

6.5 年內的不均勻性

受降水時空分布不均的影響,洮河泥沙在空間上表現得極不均勻,紅旗站 6～9月占全年的 89%以上,11～4月僅占全年的不到 3%。這充分說明了洮河泥沙年內分布極不均衡的特點。

6.6 時間的集中性

洮河泥沙主要由入汛后的 2～3場高強度降水或久旱后的降水產生,時間短,沙量大,約占年總量的 50%以上。就多年平均輸沙量而言,輸沙量較大年份,日輸沙量大于 10×104t集中在 1～2個月內,輸沙量較小年份,集中在20d左右。洮河泥沙時間上高度集中的特點非常明顯。

6.7 水沙異源突出

洮河流域上中下游產水產沙效應有很大差異,使得水沙情勢相吻合的年份極少。水量主要來自中上游,占洮河總水量的 70%以上,是洮河的主要產水區。泥沙主要產生于下游,占洮河輸沙總量的 78%以上,是洮河的主要產沙區。水沙來自不同的區域,水沙異源特性突出,不同步現象明顯。

6.8 人類活動影響明顯

由于受人類活動的影響,近 20a來呈現階段性變化,1986～1995年工程建設的增沙和 1996～2005年水利工程的攔沙作用明顯。隨著九甸峽水利樞紐工程的建成,這種影響將會不斷加劇。

6.9 產沙機制發生了變化

水利工程建設的攔沙一方面是進入下游河道的泥沙減少,另一方面破壞了原有的水沙輸移規律,攔沙淤積的結果必然進行排沙沖沙,使得水沙規律發生了改變。據李家村水文站泥沙資料顯示,近10a的最大泥沙過程均系上游三甲電站沖沙所致,原有的水沙規律和產生機制發生了較大變化。

[1]黃錫荃,李惠明,金伯欣,等.水文學[M].北京:高等教育出版社,1993.

[2]錢寧,張仁,周志德.河床演變學[M].北京:科學出版社,1987.

[3]Lu X X,HiggittD L.Sedimentdelivery to the Three Gorges(2):local response.Geomorphology,2001,41:157-169.

[4]李義天,孫昭華,鄧金運,等.泥沙輸移變化與長江中游水患[J].泥沙研究,2004,(2):33-39.

[5]劉邵權,陳治諫,陳國階,等.金沙江流域水土流失現狀與河道泥沙分析[J].長江流域資源與環境,1999,8(4):423-428.

[6]梁志勇,徐永年,羅福安,等.引水防沙與河床演變[M].北京:中國建材工業出版社,2000.

[7]秦年秀,姜彤,原峰.1990s長江下游干流徑流量演變趨勢[J].湖泊科學,2003,15(12):138-146.[8]Claudia Libiseller.Multivariate and partial Mann-Kendall test.2002.

[9]傅開道,何大明,陳武,等.電站建設對瀾滄江 -湄公河泥沙年內分配的影響[J].地理學報,2007,62(1):14-21.

[10]張信寶,文安邦.長江上游干流和支流河流泥沙近期變化及其原因[J].水利學報,2004,(4):56-59.

[11]謝小平.人類活動對河流泥沙及長江河口潮灘濕地生態環境的影響[A].水旱災害風險管理(中國水利學會 2005學術年會論文集[C]),北京:中國水利水電出版社,2005.

[12]江恩惠,董其華,張清,等.黃河下游洪水期沙峰滯后特性研究[J].人民黃河,2006,28(3):21-22.