水土流失水文因子演變規律分析及輸沙量插補方法研究
——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)

水土流失是導致山區生態環境惡化的主要原因之一。嚴重的水土流失，直接破壞了土壤資源，流失的泥沙物質進入江河、湖泊和水庫，污染水環境，造成淤積。開展水土流失水文因子監測和分析，研究其變化規律，對于水利工程規劃設計和運行管理，以及水土保持措施效益評估意義重大。我國系統地開展水文監測始于新中國成立初期，監測的水文要素主要有降水量、水位(江河湖庫)、徑流量、產沙量、蒸發量(水體、土壤)、溫濕度、風速、氣壓、水質等，早期設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，僅在少數水文站開展了泥沙測驗，有的站雖然開展了泥沙測驗，但后期對泥沙項目多采用間測甚至出現停測，導致泥沙資料存在系列短、不連續的問題，需要尋求插補展延泥沙資料系列的方法，以提高泥沙資料的代表性，滿足涉水工程設計和水土保持科研要求。

基于上述研究目的，根據《中華人民共和國水文年鑒》(第6卷第5冊)(1953—2016年)數據資料，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關系及其演變規律，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年輸沙量的關系模型，利用Excel工具精確率定模型參數，進行插補方案評估，進而采用優選的模型插補懸移質年輸沙量，達到插補展延泥沙資料系列長度的目的。

1 流域及站點概況

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。浠水流域水土流失嚴重，屬國家級水土流失重點防治區。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年分別開始監測徑流、懸移質泥沙。英山站以上流域呈狹長帶狀，最高點雞籠尖海拔1 346 m，最低點英山站測流斷面海拔99 m。英山站以上流域內設有桃花沖(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，站網密度達134 km2/站。距離英山站26、60 km的巴水、蘄水干流分別設立有羅田、西河驛水文站，于1962年開始與英山站同步監測懸移質泥沙。

2 水文因子演變規律分析

2.1 降水量時空分布及演變趨勢分析

根據歷史監測資料，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個降水量站監測資料進行分析計算，結果見表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計結果

點繪1953—2016年流域年降水量變化過程線并利用Excel工具進行曲線擬合，結果見圖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 徑流泥沙時程分配及演變趨勢分析

英山站自1958年開始監測徑流，歷年實測最大流量為4 250 m3/s(1969年7月14日)，調查歷史最大流量為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%。

經計算，英山站多年平均懸移質輸沙量為16.6萬t，多年平均汛期懸移質輸沙量占全年的95.4%，實測最大斷面含沙量為5.56 kg/m3(1981年)，實測最大日平均輸沙率為2 380 kg/s(1975年)，實測最大年懸移質輸沙量為70.5萬t(1991年)，最大懸移質年侵蝕模數達1 052 t/km2(1991年)。

表2 英山站各月平均徑流量分配

以時間為橫坐標，徑流量、輸沙量為縱坐標點繪雙軸曲線，并利用Excel進行趨勢分析(圖2)。徑流量、輸沙量年際變化過程線形態基本相似，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系變化。以年徑流量、年輸沙量兩個變量按同一時間步長(年)逐步累加，將累積年徑流量、累積懸移質年輸沙量點繪在同一坐標軸上(圖3)，如果水沙量雙累積曲線出現明顯轉折，則說明水沙特性發生系統變化。從圖3可知，雙累積曲線在1992年出現拐點，曲線上部斜率明顯減小，即徑流泥沙關系以1992年為界分成兩個系列。

圖3 英山站徑流量、輸沙量累積曲線

3 泥沙插補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年輸沙量的關系模型，利用最小二乘法原理，使用Excel工具中的不同函數精確率定模型參數，優選相關系數r較大的函數模型。由于1992年后水沙特性發生明顯改變，因此利用不同因子分2個階段建立模型。率定的模型方程表達方式及相關系數見表3。

表3 利用不同因子推求英山站懸移質年輸沙量模型及參數率定

選取汛期降水量因子，以1992年為界，分2個時段分別建立汛期(4—9月)降水量與懸移質年輸沙量的相關關系曲線，見圖4、5，屬于高度相關。

圖4 1959—1991年汛期降水量與年輸沙量關系曲線

圖5 1992—2016年汛期降水量與年輸沙量關系曲線

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年輸沙量建立關系模型，相關系數一般在0.8以上，屬高度相關。相關系數的機誤計算公式[1]為

式中：Er為相關系數的機誤；n為觀測次數；r為相關系數。

一般地，當|r|>4Er時，認為相關關系存在。計算結果表明，本研究各方案相關性均較好，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。

通過數值分析發現，當采用降水量資料推求年輸沙量時，汛期降水量與年輸沙量的相關關系好于年降水量與年輸沙量的相關關系，分段(年)關系好于全系列；當采用徑流量資料推求年輸沙量時，汛期徑流量及年徑流量與年輸沙量的相關系數差值很小。

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，用插補系列計算的輸沙量統計參數與實測值比較，其誤差見表4。從表4可知，用二元回歸模型插補求得的輸沙量系列資料與實測值統計特征參數誤差很小，對一般工程設計和水土保持科研均不會造成實質性影響。

表4 二元回歸模型插補輸沙量與實測值統計參數比較

4 結 語

通過對浠水流域水土流失主要水文因子相關性及其演變規律的分析，建立了基于不同要素的輸沙量插補模型并對各方案進行了評估，得出以下結論：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、間測期資料的插補展延，以滿足工程設計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生明顯改變。③浠水流域自20世紀80年代后期加強了水土流失治理，特別是退耕還林和生態修復，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-年輸沙量模型相關系數差異不大，插補獲得的資料屬于同一精度。在懸移質輸沙量資料插補工作中，應根據流域資料條件，建立不同的插補模型，優選模型插補年輸沙量。