孫倩,李占斌,2,于坤霞?,魯克新,湯珊珊

(1.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,712100,陜西楊凌)

變化環(huán)境下黃土丘陵溝壑區(qū)次暴雨輸沙模型參數(shù)

孫倩1,李占斌1,2,于坤霞1?,魯克新1,湯珊珊1

(1.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710048,西安;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,712100,陜西楊凌)

氣候變化和人類活動(dòng)加劇了水資源時(shí)空分布的變化,使流域暴雨洪水規(guī)律更為復(fù)雜,因此開(kāi)展變化環(huán)境下的次暴雨計(jì)算產(chǎn)流輸沙規(guī)律研究十分必要。本文以黃土丘陵溝壑區(qū)6個(gè)典型流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用徑流侵蝕功率、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)法分析6個(gè)典型流域1984—2014年的次暴雨資料的變化特征。結(jié)果表明:6個(gè)典型流域次洪流量和輸沙量總體呈減少趨勢(shì);洪峰、沙峰、洪量以及輸沙量突變年份集中在1998和2003年;徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)之間滿足冪函數(shù)分布,冪指數(shù)參數(shù)b能夠表征降雨和下墊面因素對(duì)流域產(chǎn)沙和輸沙的影響,參數(shù)b受氣候變化和人類活動(dòng)影響較大。突變前后徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)關(guān)系顯示:突變前參數(shù)b傾向于0.60,突變后參數(shù)b傾向于0.85;因此次暴雨輸沙模型中參數(shù)b可以作為水土保持防治以及改善水土流失區(qū)域生態(tài)環(huán)境的參考指標(biāo)。

徑流侵蝕功率;輸沙模數(shù);次暴雨;Mann-Kendall檢驗(yàn);Pettitt檢驗(yàn)

土壤侵蝕造成土壤肥力下降,生態(tài)環(huán)境惡化以及河床淤積加劇了洪澇災(zāi)害。近年來(lái),極端天氣增多[1],全球氣溫升高,降水格局發(fā)生變化[2 3],冰山以及常年積雪融化等,使得地質(zhì)地貌遭受破壞,導(dǎo)致土壤侵蝕和流失更加容易發(fā)生。人類濫砍濫伐、過(guò)度放牧、開(kāi)礦等也是造成水土流失的主要原因。由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,降雨徑流關(guān)系發(fā)生改變,土壤侵蝕、水土流失等現(xiàn)象日益嚴(yán)重,黃土高原地區(qū)因?yàn)橥临|(zhì)疏松,地面破碎平地少,人類濫砍濫伐開(kāi)礦等原因使得黃土高原地區(qū)侵蝕和水土流失尤其顯著;因此,選取黃土高原地區(qū)對(duì)變化環(huán)境下流域次暴雨侵蝕產(chǎn)沙進(jìn)行研究具有重要的意義。

次暴雨侵蝕產(chǎn)沙研究一般采用徑流總量(或徑流深)和洪峰流量的組合因子計(jì)算流域的產(chǎn)沙量[49],魯克新等[9]通過(guò)大量的研究,提出徑流侵蝕功率,用于表征降雨和地表徑流對(duì)產(chǎn)沙輸沙的影響,通過(guò)比較試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和利用單位徑流功率理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者有良好的線性關(guān)系,得出徑流侵蝕功率可以較好地應(yīng)用于坡面單寬徑流侵蝕產(chǎn)沙量的計(jì)算,以及黃土高原流域高強(qiáng)度暴雨地區(qū)。以往的研究旨在建立徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)的關(guān)系,以及次暴雨輸沙模型適用的地區(qū),并沒(méi)有對(duì)在變化環(huán)境下次暴雨輸沙模型參數(shù)變化原因進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

徑流侵蝕功率模型簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)易獲得,但是以往的研究主要集中于一致性序列,沒(méi)有對(duì)變化環(huán)境下徑流侵蝕功率與輸沙模型的關(guān)系進(jìn)行研究;因此對(duì)于次暴雨輸沙模型在非一致性系列的應(yīng)用需要進(jìn)一步研究。筆者是在徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)呈冪函數(shù)基礎(chǔ)上[10],對(duì)次暴雨輸沙模型參數(shù)研究,揭示變化環(huán)境下次暴雨輸沙模型參數(shù)的規(guī)律。本文選取寧夏中南部的6個(gè)流域(原州、黃家河、隆德、彭陽(yáng)、夏寨和賀堡)為典型研究區(qū),首先研究這6個(gè)水文站年近30年的次洪徑流和含沙量序列在變化環(huán)境下是否滿足一致性,在此基礎(chǔ)上分析變化環(huán)境下徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)一步揭示徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)函數(shù)關(guān)系中參數(shù)的影響因子,為變化環(huán)境下寧夏南部地區(qū)徑流侵蝕預(yù)測(cè)提供一種新的思路。

1 研究區(qū)概況

選取寧夏中南部的6個(gè)流域(圖1),即原州、黃家河、隆德、彭陽(yáng)、夏寨和賀堡為研究區(qū),控制面積分別為106.53、20.26、26.41、1 472.30、89.93和 184.82 km2。地貌整體的趨勢(shì)是南部高北部低,以六盤山脈為界,分別向東、西、北逐漸傾斜。根據(jù)地貌特征[11],分別在六盤山東、西、北部各選取2個(gè)流域作為典型流域,東為黃家河和彭陽(yáng)流域,西為夏寨和隆德流域,北為原州區(qū)和賀堡流域。

圖1 寧夏典型流域圖Fig.1 Typical watershed map of Ningxia

所選取的6個(gè)流域地處暖溫帶半干旱區(qū),氣候變化差異大,年平均溫度5.3～9.9℃[12],年降水量350～650 mm,降水量年內(nèi)分配極不均勻,主要集中在6—10月,蒸發(fā)量大,自然災(zāi)害頻繁,成災(zāi)面積較廣,中部地區(qū)缺水現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。土質(zhì)顆粒以粗粉沙為主,侵蝕形式主要有溝蝕、面蝕、重力侵蝕[13]。原州和賀堡流域并聯(lián)于同一水系,而黃家河流域?qū)儆谂黻?yáng)流域,彭陽(yáng)和隆德流域也串聯(lián)于同一水系。

如表1所示,本文選取固原市、彭陽(yáng)縣、隆德縣、西吉縣和海原縣進(jìn)行土地利用變化分析,主要土地類型以耕地和草地為主。1980—2000年耕地面積增加,2005—2013年耕地面積減少,林地面積持續(xù)增加,草地面積在1980—2000年間有所減少,在2005—2013年間有所增加?？傮w而言耕地、林地、建設(shè)用地以及未利用土地的面積增加,草地面積減少,且耕地、建設(shè)用地以及未利用土地面積增加較大,使得研究區(qū)流域的下墊面條件發(fā)生變化。所選的6個(gè)流域分別代表不同的流域尺度和流域的不同鑲嵌,賀堡和夏寨代表耕地比較多的流域,原州、黃家河、隆德、彭陽(yáng)代表草地比較多的流域;但黃家河和彭陽(yáng)又代表不同尺度的流域,為土壤侵蝕功率在不同尺度的應(yīng)用提供了有利的依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

筆者所選數(shù)據(jù)來(lái)源于寧夏水文局,涉及原州、賀堡、黃家河、隆德、彭陽(yáng)和夏寨的次洪流量和含沙量。數(shù)據(jù)起止年限分別為:1984—2014年(原州、黃家河以及彭陽(yáng)),1984—2003年,2005—2014年(賀堡);1984—1997年,1999—2014年(隆德); 1984—2004年,2007—2014年(夏寨),所涉及的流量、含沙量等的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)分析嚴(yán)格按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行。根據(jù)水文監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15],本文以徑流深＞0.05 mm,洪峰流量＞0.1 m3/s,歷時(shí)超過(guò)150 min的汛期徑流事件為一次洪水事件[16]。通過(guò)ArcGIS和Arcswat提取流域水系,計(jì)算各個(gè)水文站控制的流域面積。

研究方法主要包括徑流侵蝕功率[8]、Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)法[17]以及Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)[18]。

表1 典型流域土地利用變化趨勢(shì)Tab.1 Trend of land use change in typical watershed

3 結(jié)果分析

3.1 Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)和Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)

對(duì)6個(gè)流域洪峰、沙峰、洪量及輸沙量進(jìn)行MK趨勢(shì)檢驗(yàn)和Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn),分析同一流域水沙資料的一致性,具體結(jié)果如表2～表5所示。

由對(duì)洪峰、沙峰、洪量以及輸沙量的一致性綜合分析可知:賀堡一致性較好(p＞0.05),其他5個(gè)典型流域水沙資料均有減小的趨勢(shì);原因是耕地、林地、建設(shè)用地以及未利用土地的面積增加,草地面積減少,且耕地、建設(shè)用地以及未利用土地面積增加較大,使得研究區(qū)流域的下墊面條件發(fā)生變化。故不需要對(duì)賀堡進(jìn)行突變點(diǎn)分析,僅對(duì)原州區(qū)、黃家河、隆德、彭陽(yáng)以及夏寨5個(gè)典型流域進(jìn)行突變點(diǎn)分析。

Pettitt突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析,從土地利用變化分析可知耕地,林地以及草地的面積在2000年附近均發(fā)生變化。這主要是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)(1998年國(guó)家提出“退耕還林還草”政策和水利部在2003年3大“亮點(diǎn)工程”之一的淤地壩建設(shè)政策)的影響。

3.2 徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)關(guān)系分析

3.2.1 全時(shí)段徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)關(guān)系 采用對(duì)數(shù)坐標(biāo),分別建立原州、賀堡、黃家河、隆德、彭陽(yáng)以及夏寨徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)之間的關(guān)系(圖2(a)～圖2(f)),得出徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系,且擬合效果較好(R2＞0.70)。

表2 寧夏典型流域洪峰Mann-Kendall檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)Tab.2 Calculated results of typical Ningxia basin flood by Mann-Kendall test and Pettitt test

表3 寧夏典型流域沙峰Mann-Kendall檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)Tab.3 Calculated results of typical Ningxia sand peak by Mann-Kendall test and Pettitt test

表4 寧夏典型流域洪量Mann-Kendall檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)Tab.4 The calculation results of typical Ningxia flood volume Mann-Kendall test and Pettitt test

表5 寧夏典型流域輸沙量Mann-Kendall檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)Tab.5 Calculated results of typical Ningxia sediment transport volume by Mann-Kendall test and Pettitt test

由所建立的各場(chǎng)次暴雨洪水的徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)之間的回歸方程可知,徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)之間關(guān)系存在極顯著的冪函數(shù)關(guān)系[19],因此可以用徑流侵蝕功率反映水蝕過(guò)程中降雨和地表徑流在水蝕過(guò)程中的產(chǎn)輸沙能力。

式中:Ms為次暴雨侵蝕模數(shù),t/km2;P為徑流侵蝕功率,m4/(s·km2);a為水文下墊面[20]各因素對(duì)流域產(chǎn)輸沙的影響;b為降雨和地表徑流等因素對(duì)流域產(chǎn)輸沙的影響。

如表6所示,原州和賀堡、黃家河和彭陽(yáng)、夏寨和隆德分別屬于同一流域。夏寨的b值最小,為0.54,隆德的b值最大,為0.92,夏寨和隆德屬同一流域,但在寧夏地區(qū)并未匯入同一流域;原州區(qū)和賀堡的b值相差不大,分別為0.76和0.78;黃家河是彭陽(yáng)的上游站,b值相差較大分別為0.66和0.76。3.2.2 突變前徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)關(guān)系 通過(guò)Pettitt檢驗(yàn)得出突變點(diǎn)主要分布在實(shí)行退耕還林還草的1998年和淤地壩工程建設(shè)的2003年附近,主要是人類活動(dòng)引起的。因?yàn)楹樗湍嗌车牟灰恢滦?突變前后同一徑流侵蝕功率對(duì)應(yīng)的輸沙模數(shù)減小,因此突變前和突變后需要分別進(jìn)行分析。

圖2 1984—2014年各研究區(qū)次洪徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between sediment transport modulus and runoff erosion power

表6 徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)表達(dá)式Tab.6 Expression of runoff erosion power and sediment transport modulus

對(duì)寧夏5個(gè)典型流域突變年份前建立徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)的關(guān)系,如表7所示,寧夏5個(gè)典型流域都有顯著的突變年份。徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)有較好的冪函數(shù)關(guān)系,突變前模擬輸沙模數(shù)和實(shí)測(cè)輸沙模數(shù)之間的確定性系數(shù)均大于全時(shí)段,說(shuō)明突變前輸沙模數(shù)和徑流侵蝕關(guān)系更為緊密。突變年份前原州、黃家河、隆德以及彭陽(yáng)的b值大概集中在0.60 左右。夏寨b值為0.50,略小于0.60,這是因?yàn)橄恼畮?kù)防洪能力低,供水量少,水庫(kù)淤積嚴(yán)重[21],所以相同的來(lái)水量,夏寨攜帶的泥沙量相對(duì)別的水文站較少。

表7 突變年份前徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)表達(dá)式Tab.7 Expression of runoff erosion power and sediment modulus before the change point year

3.2.3 突變后徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)關(guān)系 與突變前相比,突變后模擬輸沙模數(shù)和實(shí)測(cè)輸沙模數(shù)之間的確定性系數(shù)減小,說(shuō)明突變后輸沙模數(shù)不僅和徑流侵蝕有關(guān),還受其他參數(shù)的影響。從表7和表8可知,參數(shù)b較突變年份前總體增加。原州、隆德及彭陽(yáng)地區(qū)參數(shù)b變化較大。隆德地區(qū)徑流相對(duì)集中,突變年份后徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)減小趨勢(shì)較大,因此隆德在突變年份后b值變化較大;黃家河和夏寨水沙資料有減小趨勢(shì),但不明顯,2個(gè)站點(diǎn)水沙資料監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔短,計(jì)算誤差較小,故b值與突變前相差不大,即b值為0.60。

綜上所述:黃家河、夏寨在突變前后徑流侵蝕功率與輸沙模數(shù)有較好的關(guān)系。原州、彭陽(yáng)和隆德突變年份以后建立的徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)關(guān)系較差,主要是由于受人類活動(dòng)影響(圖2)。對(duì)突變前、突變后以及全時(shí)段結(jié)果對(duì)比分析,得出對(duì)于非一致性序列必須進(jìn)行時(shí)間的劃分。

表8 突變年份后徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)表達(dá)式Tab.8 Expression of runoff erosion power and sediment modulus after the change point year

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)寧夏典型流域次洪資料的水沙關(guān)系分析可知:1)徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)之間滿足冪函數(shù)關(guān)系,說(shuō)明輸沙模數(shù)隨著徑流侵蝕功率的增加而增大。參數(shù)b與水文站是否在同一個(gè)流域以及同一流域內(nèi)水文站的串并聯(lián)關(guān)系有關(guān)。同一流域內(nèi)并聯(lián)的兩個(gè)水文站的參數(shù)b相近,串聯(lián)的水文站參數(shù)b相差略大。因?yàn)榇?lián)水文站反映的是區(qū)域尺度,而并聯(lián)水文站之間反映的是區(qū)域的差異。2)寧夏中南部典型流域,徑流侵蝕功率和輸沙模數(shù)關(guān)系與次暴雨的洪峰、沙峰、洪量以及輸沙量的一致性有著密切的關(guān)系。突變前后相同的徑流侵蝕功率,突變后的輸沙模數(shù)明顯減小。這主要與近幾年氣候變化以及人類活動(dòng),造成“大水小沙”的結(jié)果有關(guān)。3)受氣候變化和人類活動(dòng)的顯著影響,在氣候變化和人類活動(dòng)影響前或者影響較小時(shí),參數(shù)b大約為0.60;氣候變化和人類活動(dòng)變化有較大影響時(shí),參數(shù)b更接近于0.85。造成參數(shù)b增加的原因有2個(gè):一是氣候變化。最近幾十年黃土高原地區(qū)氣溫明顯升高,降雨量減少[22],導(dǎo)致徑流量減小,含沙量相同時(shí),參數(shù)b增大;二是人類活動(dòng)影響。氣候變化雖導(dǎo)致徑流量減小,但人類活動(dòng)對(duì)下墊面影響(淤地壩、水庫(kù)等)使輸沙量減少更多[2324],突變后徑流侵蝕功率總體小于1,根據(jù)冪函數(shù)性質(zhì),因此在輸沙量減少時(shí),參數(shù)b增加,這與李慶云等[23]和信忠保等[24]人在黃土高原地區(qū)得出的結(jié)論一致。4)對(duì)突變前,突變后以及全時(shí)段結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可知:對(duì)于非一致性序列必須要進(jìn)行時(shí)間段的劃分。寧夏南部地區(qū)在已知洪峰、流量條件下可以很好的對(duì)流域的輸沙量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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Parameters of sediment transport model for individual rainstorm in the Loess Hilly and Gully Region under changing environment

Sun Qian1,Li Zhanbin1,2,Yu Kunxia1,Lu Kexin1,Tang Shanshan1

(1.Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology of MOE,Xi’an University of Technology,710048,Xi’an,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS and Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China)

[Background]Climate change and human activities have intensified the spatial-temporal distribution of water and soil resources,resulting in the laws of watershed runoff-producing and sediment yield more complex,thus the study of the relationship between runoff and sediment transport at individual rainstorm in the changing environment is of great importance.Six watersheds in the Ningxia Hui Autonomous Region(Yuanzhou,Hebao,Huangjiahe,Longde,Pengyang,and Xiazhai),located in the Loess Hilly and Gully Region,were selected as study targets.[Methods]The data of flood peak,the sediment peak,the flood volume and the sediment load were firstly calculated from the rainstorm data of Year 19842014.The runoff erosion power,the Mann-Kendall trend test and the Pettitt change point test were then used to analyze the characteristics of these hydrological variables in the six typical watersheds.The runoff erosion power was applied to predict the sediment transport modulus.The Mann-Kendall test was mainly applied on the analysis of the trend of flood peak,sediment peak,flood volume and sediment load series,and the Pettitt test was used to analyze the jump year of these series.[Results]1)All the flood peak,sediment peak,flood volume and sediment load series of the six typical watersheds in Ningxia presented significant decreasing trends,except for the Hebao watershed.2)The change points of the flood peak,sediment peak,flood volume and sediment load were all around 1998 and 2003.3)The relationship between runoff erosion power and sediment transport model was plotted using logarithmic coordinates,and the relationship was well fitted by the power function,indicating that the sediment concentration was predicted by the runoff erosion power.4)The relationships between the runoff erosion power and the sediment transport modulus were quite different before the change-point and after the change-point.[Conclusions]In the same basin,the power parameter b of the power function in the two parallel hydrological stations are similar,but parameter b of two series-wound hydrological stations are of slightly larger difference.The power parameter b is also influenced by both climate change and human activities,b is 0.6 before the change-point,and it tends to be 0.85 after the change-point.The runoff erosion power is less than 1 after the change-point,thus the increase of parameter b indicate that the sediment transport modulus decrease under the same runoff erosion power.There are two reasons for the increase of the parameter b after the change-point.One is that climate change leads to the decrease of runoff,and the other reason is human activities have changed the underlying surface of the basin,making the sediment yield decreased more significantly.Therefore,the power parameters b of the rainstorm sediment transport model can be used as a reference index for soil and water conservation and the improvement of regional ecological environment of soil and water loss.

runoff erosion power;sediment transport modulus;individual rainstorm;Mann-Kendall test; Pettitt test

S157

A

1672-3007(2016)06-0001-09

10.16843/j.sswc.2016.06.001

2016 11 03

2016 11 05

項(xiàng)目名稱:國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“黃河流域水沙變化趨勢(shì)集合評(píng)估”(2016YFC0402407);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)水文過(guò)程響應(yīng)機(jī)理研究”(41330858);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于能量過(guò)程的坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程調(diào)控與模擬”(41471226);國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“基于藤Copula的黃河寧蒙河段冰凌概率預(yù)報(bào)模型研究”(51509203);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“溝道工程對(duì)流域水沙變化影響及其貢獻(xiàn)率”(2016YFC0402404)

孫倩(1991—),女,碩士研究生。主要研究方向:水文與雨洪侵蝕。E-mail:sunqz911@163.com

?通信作者簡(jiǎn)介:于坤霞(1989—),女,博士,講師。主要研究方向:水文學(xué)及水資源。E-mail:yukunxia@126.com