窟野河暴雨洪水泥沙特征分析

袁水龍，謝天明

窟野河地處干旱半干旱地區(qū)，是黃河河口鎮(zhèn)至龍門段右岸一條較大支流，流域內(nèi)植被稀少，長期受到干旱的威脅，加之人類活動的影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，水土流失異常嚴(yán)重[1]。為遏制嚴(yán)重的水土流失，從建國初尤其是20世紀(jì)70年代開始，開展了大規(guī)模的水土流失綜合治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。同時，流域范圍內(nèi)蘊藏著豐富的煤炭資源，人類活動頻繁[2]。大面積水土保持措施的實施和煤炭的開采，極大地改變了流域下墊面條件，產(chǎn)生了巨大的水文效應(yīng)。近年來，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，流域水資源供需矛盾日益突出，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷流現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到流域的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3]。本研究通過對窟野河降水、洪水及泥沙數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，揭示了窟野河流域暴雨洪水泥沙特征，以期為流域水土保持綜合治理、黃河下游河道治理以及神府煤田的優(yōu)化開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

窟野河流域現(xiàn)有王道恒塔、神木、溫家川3個基本水文站，其中溫家川水文站為流域的控制站，控制流域面積8645 km2，各水文站基本情況見表1。本研究以溫家川站、神木站、王道恒塔站資料為主，同時選用了溫家川站控制的太和寨、石角塔、楊家坪、大路灣、解家堡雨量站1966～2010年降水資料，神木站控制的蘆草溝雨量站1966～2010年資料，王道恒塔站控制的王道恒塔、張家村、孫家岔、劉家溝、中雞、大柳塔雨量站1977～2010年資料。收集到的數(shù)據(jù)主要有溫家川、神木、王道恒塔3個水文站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，次降水與次洪流量過程數(shù)據(jù)，逐日流量過程數(shù)據(jù)等。

表1 窟野河流域水文站一覽表

2 暴雨洪水泥沙特性分析

2.1 降水量年際變化與年內(nèi)分配

窟野河流域年平均降水量為387.0mm。發(fā)生大暴雨的概率大，且暴雨主要集中在24h以內(nèi)。窟野河流域降水量年際變化較大，年最大點降水量為710.8 mm（1987年蘆草溝），年最小點降水量為45.5 mm（1997年劉家溝）。流域年降水量隨時間變化如圖2所示，根據(jù)其趨勢線可以看出，窟野河流域年降水量呈遞減趨勢。其趨勢線公式為:

窟野河降水量年內(nèi)分配也極不均勻，汛期（6～9月）降水量占全年降水量的百分比為：王道恒塔站為77.6%、神木站為77%、溫家川站為76%。而主汛期（7～8月）降水量占年平均降水量的比例為：王道恒塔站為54%、神木站為53%、溫家川站為50.9%（圖 3）。

圖2 窟野河流域年降水量時程變化

圖3 窟野河流域多年平均降水量年內(nèi)分配圖

2.2 徑流年際變化與年內(nèi)分配

窟野河溫家川站多年平均徑流量為5.44×108m3，占河龍區(qū)間徑流量的11.7%，占黃河龍門站徑流量的2.1%，洪水則多發(fā)生于7、8、9月份，占到全年徑流量的77%以上。窟野河溫家川站最大年徑流量為13.69×108m3，最小年徑流量為1.26×108m3，最大年徑流量是最小年徑流量的8.2倍。20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初平均年徑流量分別為7.36×108、7.22×108、5.16×108、4.91×108、1.96×108m3，徑流量有逐漸減小的趨勢（表2）。窟野河流域三個水文站的年徑流量總體呈下降趨勢，且下降嚴(yán)重（圖4），從上中下游各站的年徑流量時程變化趨勢線來看，以溫家川站的減小趨勢最為明顯，這說明整個窟野河流域中游至下游區(qū)間徑流量減少嚴(yán)重，一方面由于近年來降水量減少有關(guān)，另一方面也是因為中下游地區(qū)的神木縣城發(fā)展迅速，需水量日益增加，導(dǎo)致下游徑流量嚴(yán)重減少甚至出現(xiàn)了斷流的現(xiàn)象

圖4 窟野河流域水文站年徑流量變化過程

表2 窟野河流域個水文站不同年代多年平均徑流量

圖5 窟野河流域各水文站多年平均徑流量年內(nèi)分配

圖5 為窟野河流域各水文站多年平均徑流量年內(nèi)分配，由圖可以看出，窟野河流域的水量年內(nèi)分配不均且有兩個汛期，即3、4月的凌汛和7、8月的夏汛。窟野河把口站溫家川站的汛期徑流量為3.695×108m3，占全年徑流量的58.2%，最大為78.3%（1959年），最小只有 17.8%（1965年）；7～8月徑流量占年徑流量的46.1%，最大可達(dá)69.9%（1959年），最小只有9.8%（1965年），7～8月徑流量占汛期徑流量的79.2%；非汛期徑流量僅占全年徑流量的41.8%。平均最大月徑流量出現(xiàn)在8月，占年徑流量的26.6%；平均最小月徑流量出現(xiàn)在1月，占年徑流量的2.0%。

2.3 泥沙年際變化與年內(nèi)分配

窟野河是黃河多沙粗沙的最主要來源區(qū)之一，多年平均來沙量為1.025×108t，泥沙平均粒徑達(dá)0.112 mm。流域多年平均輸沙模數(shù)為1.19×104t/km2，該流域土壤侵蝕屬“異常強烈”區(qū)。多年平均含沙量為162 kg/m3，而汛期平均含沙量高達(dá)281 kg/m3。實測含沙量全國乃至全球范圍河流之冠，就發(fā)生在窟野河流域。

表3 窟野河各站輸沙量特征值統(tǒng)計表 單位：104 t

窟野河流域輸沙量年際變化較大。溫家川站最大年輸沙量是1959 年的 3.03×108t，最小年輸沙量是 1999 年的 0.034×108t，最大輸沙量是最小的89.1倍。最豐年輸沙量是多年平均輸沙量的3.0倍，最枯年輸沙量是多年平均輸沙量的3.3%。年輸沙量變差系數(shù)為0.81。窟野河泥沙年內(nèi)分配極不均勻，6～9月產(chǎn)沙一般占全年的96%以上（表3）。

3 暴雨洪水泥沙關(guān)系分析

黃土高原地區(qū)河流的泥沙往往是由汛期的幾場短歷時高強度暴雨形成的[4]。圖6為次暴雨洪水和次輸沙的關(guān)系，可以看出：王道恒塔站含沙量變化過程線與流量過程線高度一致，說明該斷面含沙量主要是由洪水沖刷而來，來沙量與洪峰密切相關(guān)；神木站洪水含沙量峰值略遲于洪水洪峰，但整個變化過程也是基本與洪水變化過程密切相關(guān)，說明神木斷面泥沙與洪峰大小較為密切但洪峰不是泥沙的主要影響因素；溫家川站洪水過程與含沙量變化過程相關(guān)性較差，含沙量峰值出現(xiàn)時間明顯早于洪峰出現(xiàn)時間，這可能是由于神木至溫家川區(qū)間下游為黃土丘陵溝壑區(qū)，墚峁起伏，溝壑縱橫，加之區(qū)間內(nèi)煤礦開發(fā)活動較多，使表面黃土松散裸露，缺乏植被覆蓋，極易受到暴雨沖刷從而帶給溫家川斷面大量泥沙，導(dǎo)致溫家川斷面洪水峰值與含沙量峰值的不同步。

圖6 窟野河流域各站典型洪水過程及其含沙量變化過程線

4 流域來水來沙量變化趨勢及其原因分析

窟野河流域暴雨、洪水、泥沙均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，且下降非常明顯，從表4可以看出，窟野河流域自二十世紀(jì)90年代以來再沒有發(fā)生過4000 m3/s以上的大洪水。近年來窟野河流域汛期洪水總量也在逐年下降，汛期洪水總量的減少也直接導(dǎo)致了整年來水量的下降。從趨勢線的變化來看，溫家川站汛期洪水總量遞5.5%，王道恒塔站和神木站分別遞減1.74%、3.63%，可見溫家川斷面以上汛期洪水遞減最明顯。窟野河流域泥沙主要來自于土壤侵蝕屬“異常強烈”的神木-溫家川區(qū)間，且主要來自于汛期暴雨洪水沖刷，自二十世紀(jì)八十年代以來，窟野河流域暴雨總量、汛期（7、8月）暴雨量、汛期洪水總量均呈明顯的下降趨勢，暴雨量的減少直接導(dǎo)致雨水對地表的沖刷能力減弱，從而使洪水含沙量下降。洪水總量和流域輸沙量減小的另一個重要因素是人類活動的影響，如各種水利水保措施的實施。

表4 窟野河（4000 m3/s～8000 m3/s）洪水頻次統(tǒng)計

圖7 窟野河各站汛期（7、8月）洪水總量變化趨勢線

5 結(jié)論

通過對窟野河暴雨、洪水、泥沙數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，研究了暴雨、洪水以及泥沙特征，并得到以下主要結(jié)論：

（1）窟野河流域年降水量呈遞減趨勢，多年平均降水量387.0 mm，且年內(nèi)分配也極不均勻，汛期（6～9月）降水量占全年降水量70%以上；窟野河溫家川站多年平均徑流量為5.44×108m3，三個水文站的年徑流量總體呈下降趨勢，且溫家川站的減小趨勢最為明顯；窟野河流域輸沙量年際變化較大，且年內(nèi)分配極不均勻，6～9月產(chǎn)沙一般占全年的96%以上。

（2）窟野河泥沙在流域內(nèi)空間分配不均且來源各有不同，其中王道恒塔站以上區(qū)域主要來自于汛期洪水沖刷且多為粗砂，來沙量大小主要決定于洪峰大小，該區(qū)間來沙占全流域總來沙量的比例較小；神木站洪水含沙量峰值略遲于洪水洪峰，但整個變化過程也是基本與洪水變化過程密切相關(guān)；溫家川站洪水過程與含沙量變化過程相關(guān)性較差，含沙量峰值出現(xiàn)時間明顯早于洪峰出現(xiàn)時間。

（3）窟野河流域來沙量呈遞減趨勢，一方面是由于窟野河泥沙主要來自于暴雨、洪水沖刷，因此汛期暴雨洪水的減少，直接導(dǎo)致了窟野河流域年輸沙量的減少；另一方面窟野河流域人類活動頻繁，水利水保措施大量實施，導(dǎo)致流域來水來沙減少。

[1]趙曉坤,王隨繼,范小黎.1954-1993年間窟野河徑流量變化趨勢及其影響因素分析[J].水資源與水工程學(xué)報,2010,21(05):32-36.

[2]蔣曉輝,谷曉偉,何宏謀.窟野河流域煤炭開采對水循環(huán)的影響研究[J].自然資源學(xué)報,2010,25(2):300-307.

[3]王小軍,蔡煥杰,張鑫,等.窟野河季節(jié)性斷流及其成因分析[J].資源科學(xué),2008,30(03):75-480.

[4]魏霞,李占斌,沈冰,等.陜北子洲縣典型淤地壩淤積過程和降水關(guān)系的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(9):80-84.