基于環境變化的河流泥沙資料系列修正方法探討

井 涌

（陜西省水文水資源勘測局,陜西 西安 710068）

1 引言

陜西省黃河流域在2000 年后河流年輸入黃河的泥沙量較1979 年前，年均減少約2.5 億t[1～2]。實際工作及愈來愈多的研究發現：河流年輸沙量大量持續減少的原因是流域水沙產匯流環境條件已發生很大變化，降水等自然條件，尤其是其與大規模長期持續的水土保持工程建設等人類活動交互影響累積效應，已改變了早期流域下墊面“原生態”高產水產沙的狀況，近期“現狀下墊面”低產水產沙的流域下墊面狀態已不可逆轉到其“原生態”狀況，早期“原生態”狀況下監測的水沙數據資料，不再具有在近期“現狀下墊面”重現的基礎，應將早期“原生態下墊面”監測的數據修正到近期“現狀下墊面”監測數據的狀態，才能使預測期的水沙數據在預測期下墊面狀況下“真實重現”，也才具有實際工作中的應用價值[3～13]。

國內關于泥沙資料系列修正方法仍處于初步探討階段。彭瑞善2012 年提出,進入河流泥沙減少的趨勢是不可逆轉的，必須根據下墊面的變化情況進行修正,才能作為河流治理規劃、工程設計和管理運用的依據[14～16]。2016 年彭瑞善提出采用不同時段徑流系數、產沙系數的比值作為修正系數，并對汛期沙量的修正系數乘以暴雨地區參數，來修正大沙年的水沙量[15]；毛世民等試用“年遞減因數”修正含沙量與徑流量乘冪相關的模式，取得含沙量的計算值與實測值符合較好的效果[16]。存在的問題是產沙系數（是指時段單位降水量所產生的輸沙量）中的降水量，不能反映相同或相似降水（或同量級降水）在不同時段相應下墊面狀況下的產輸沙情況，只是對各時段平均降水量所產生的平均輸沙量的修正，沒有直接與各時段下墊面狀況關聯；理論上講，含沙量與徑流量并無很緊密的物理成因關系，因而建立的乘冪相關公式，或者與實際不符，或者因所需數據量大而難于取得等問題，過于繁瑣不便在實際工作中應用。本文分析選取反映降水和人類活動影響產沙下墊面綜合特征的一個綜合指標“年輸沙模數”，提出年輸沙模數修正系數法的“下墊面一致性還現”修正操作方法，采用同量級降水在各時段不同下墊面狀況下輸沙模數的衰減系數來計算大水年份的輸沙量修正系數，實現了泥沙資料系列保持較好的產匯沙量機理和運移規律的現狀下墊面“一致性”，以其為實際工作中的簡化操作提供參考。

2 修正期分析

河流懸移質泥沙年輸沙量資料序列的一致性綜合反映降水等氣候條件，及其與人類活動交互影響流域下墊面水沙產匯流環境條件的變化。分析選取修正期就是尋找長系列資料是否存在早期“原生態下墊面”監測的高產水產沙數據短系列，本文采用點繪懸移質泥沙年輸沙模數、年輸沙量單累積曲線，及它們分別與年降水量雙累積曲線的方法，分析判斷早期高產水沙“原生態下墊面”與近期低產水沙“現狀下墊面”的轉折點（年），并將早期高產水沙“原生態下墊面”選為“下墊面需修正”的修正期。覆蓋陜西全境河流選用140 個1956 年～2012 年實測泥沙資料在20 年以上的水文站來綜合歸納分析[7]。

2.1 實測年輸沙量系列的還原計算

在對水沙系列資料進行“下墊面一致性”修正之前，首先應考慮人類活動直接間接截留、消耗流域的產水產沙量，以確保水文站斷面當年實測數據如數反映流域產匯流實況不失真，則需要把這些量加給水文站斷面的實測值，即“還原”到水文站監測斷面以上當年“現狀下墊面”產水產沙數量的“真實”情況。這就需要首先逐年進行當年人類活動直接間接截留、消耗流域的產水產沙量的計算，其次再分析確定是否需要進行資料系列保持“現狀下墊面”狀況一致性的“下墊面一致性還現”修正。

河川徑流與泥沙的產生都是獨立的隨機事件，雖然兩者都受人類活動影響，但相對而言泥沙受人類活動時空分布的不確定性和不均勻性干擾更重一些。人類社會直接間接消耗的河水量除了一小部分又回歸到河道內，大部分通過蒸騰蒸發，產品帶走等消耗不再存留在產水流域體內，然而不論是流域內興建的水利工程、水保工程及土地開發利用工程等建設活動，直接間接引水引沙、截留、攔蓄泥沙，還是開礦、修路和城市化建設棄土棄渣等人為增加河道輸沙，淤積在流域內的泥沙，都將在一定時期內滯留流域，等到突發某種情況（如：一場特大暴雨洪水）又分一次或多次匯入輸入河流，輸出水文監測斷面，即泥沙事件的發生在其天然規律之上又疊加了人類造成的可能的“零存整取”或“整存整取”事件。人類活動造成泥沙產生的這種時空分布上的不均勻性和不確定性，使流域天然獨立的產沙機理和運移規律發生了改變，從這個角度講，一般不宜對水文站實測泥沙資料系列中缺測的年份進行插補或延長。

現有的資料條件，尤其對水保措施，很難分類逐項將人類活動造成流域產匯沙量的時程分布，進行定量的當年還原分析計算。應該將有監測資料的河道引水引沙、庫壩等人類工程直接截留、攔蓄的沙量，河道淤積沙量等，按時程分布還原計算到相應的水文監測斷面，必須最大可能分析還原計算水文站監測斷面以上當年“現狀下墊面”產沙數量的“真實”情況。對于梯田、造林、種草等水保工程，以及前述當年“現狀下墊面”產沙數量“真實”還原計算不足及缺失的部分，因為所有這些人類活動的影響已在水文站實測泥沙數據中得到了綜合反映，水文站沒有測到的當年流域產泥沙量，仍然滯留在流域內累積造就流域下墊面的漸次改變，這種累積效應經過漫長，漸次累積到一定程度就會對流域產匯泥沙系列產生顯著影響，這樣就可以一并通過“下墊面一致性還現”修正來解決。

本文將收集到有監測資料的直接攔截或引水引沙減少了相應水文監測斷面以上流域產沙量的154 個大中型水庫淤積量和3 條渠道引水引沙量，按發生時段逐年分析還原計算給相應140 個水文站當年實測泥沙值，形成逐年逐月還原人類社會當年截留滯蓄流域泥沙后的“當年天然泥沙資料系列”數據，并對此數據系列進行一致性檢驗，進一步分析下墊面等環境因素是否對其系列產生了影響。

2.2 泥沙資料序列一致性檢驗及修正期選取

點繪140 個水文站各站懸移質泥沙年輸沙模數、年輸沙量的單雙累積曲線結果：140 個站全部發生了早期高產沙“原生態下墊面”與近期低產沙“現狀下墊面”的轉折點（年），長江、黃河流域分別多發生在1982 年和1970 年前后，其中黃土高原區43 站中有40 年以上實測資料系列的25 站發生在1970 年前后，與其它相關研究成果基本一致[9～12]。以黃土高原區橫山站為例見圖1、圖2。

圖1 橫山站年輸沙量累積曲線圖

圖2 橫山站年輸沙模數累積曲線圖

累積曲線圖顯示：橫山站在1971 年發生了早期人類活動影響微弱的“原生態下墊面”高產沙期，向近期人類活動不斷加劇等環境變化造成的低產沙“現狀下墊面”的轉折，1971 年后又發生了1984 和1997 年2 次累積曲線斜率的明顯變化，其中1984 年～1997 年又出現了一個“現狀下墊面”下的相對小高產沙期。因此，選取1956 年～1970 年為早期“原生態下墊面”高產沙修正期，1984 年～1997 年為“現狀下墊面”需向更近期的1998 年～2012 年更低產沙“現狀下墊面”修正的修正期。橫山站是一個復雜的例子，其它站出現的情況或只有一個“原生態下墊面”高產沙期，而有一個“原生態下墊面”高產沙期加1 個或多個更近期低產沙“現狀下墊面”期的情況都是可能的，需具體分析選擇需要修正的修正期。

3 輸沙模數系數修正法與成果檢驗

3.1 早期“原生態下墊面”高產沙修正

圖1、圖2 顯示1971 年轉折前后兩個系列明顯系統性偏大偏小，調查確認在轉折年前后流域內有持續大規模水保等強人類活動擾動下墊面的物理成因，采用輸沙模數系數修正法將轉折前1956 年～1971 年高產沙年修正到1972 年～1983年“現狀下墊面”低產沙狀況。其操作步驟[6～13]：點繪轉折年前后年降水量與年輸沙模數關系曲線于同一張圖上（圖3）；選定一個年降水量值，在兩條曲線上分別查出“原生態下墊面”高產沙期的年輸沙模數Ms1，和“現狀下墊面”低產沙期的年輸沙模數Ms2，用公式α=（Ms1-Ms2）/Ms1·100%和β=Ms2/Ms1計算年輸沙模數衰減率α和修正系數β；制作年降水量P-年輸沙模數衰減率α-修正系數β表1；繪制P-β關系曲線圖4；按需修正年份的年降水量，查取P-β關系曲線上修正系數，乘以需修正年份的當年“天然”年輸沙模數，即可求得相應年修正后的年輸沙模數。

圖3 橫山站年降水量與年輸沙模數關系曲線圖

表1 橫山站年降水量-年輸沙模數衰減率-修正系數表

圖4 橫山站年降水量與年輸沙模數修正系數β關系曲線圖

3.2 “現狀下墊面”向更近期“現狀下墊面”修正

1984 年～1997 年“現狀下墊面”向更近期的1998 年～2012 年更低產沙“現狀下墊面”的修正，用1998 年～2012 年更低產沙期的年降水與年輸沙模數曲線擬合關系修正。若有多個此種情況，以此類推。

需注意，不是將所有修正期的數據都修正，原則上只修正那些大水大沙年份的數據。修正是一個試算過程，需同時兼顧修正后單雙累積曲線的斜率順直程度，以及修正后年降水量與年輸沙模數的相關系數提高情況，也不能片面追求相關系數很高，事實上年輸沙模數與年降水量的相關關系客觀上受過多復雜因子影響并不良好。

3.3 成果檢驗

點繪修正后1956 年～2012 年系列年降水輸沙模數雙累積曲線和年輸沙模數單累積曲線圖（圖1～圖2），修正前后系列年降水與年輸沙模數關系曲線對照圖5。從累積線變成近直線、相關系數由0.06到0.24的較大提高，均可說明修正后序列保持了較好的一致性。修正前后長短系列年輸沙模數均值變化對比見表2。

表2 橫山站修正前后長短系列年輸沙模數均值變化對比表 單位：t/km2

圖5 橫山站年降水與年輸沙模數修正前后關系曲線對照圖

4 結論

建立在年輸沙模數修正系數基礎上的修正方法，初步探討了實現早期高產水沙“原生態下墊面”向低產水沙的“現狀下墊面”狀態的“重現”轉換，使修正后的泥沙資料系列保持較好的“現狀下墊面”產匯沙量機理和運移規律的一致性。如果有資料將各類人類活動措施定量化，并與其同步的輸沙模數與降水特征建立關聯，就可參考用于預測未來流域人類活動，尤其是生態環境治理措施的治理效果。