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(fā)現(xiàn)：河流年輸沙量大量持續(xù)減少的原因是流域水沙產(chǎn)匯流環(huán)境條件已發(fā)生很大變化，降水等自然條件，尤其是其與大規(guī)模長期持續(xù)的水土保持工程建設(shè)等人類活動交互影響累積效應(yīng)，已改變了早期流域下墊面“原生態(tài)”高產(chǎn)水產(chǎn)沙的狀況，近期“現(xiàn)狀下墊面”低產(chǎn)水產(chǎn)沙的流域下墊面狀態(tài)已不可逆轉(zhuǎn)到其“原生態(tài)”狀況，早期“原生態(tài)”狀況下監(jiān)測的水沙數(shù)據(jù)資料，不再具有在近期“現(xiàn)狀下墊面”重現(xiàn)的基礎(chǔ)，應(yīng)將早期“原生態(tài)下墊面”監(jiān)測的數(shù)據(jù)修正到近期“現(xiàn)狀下墊面”監(jiān)測數(shù)據(jù)的狀態(tài)，才能使預(yù)測期的水沙數(shù)據(jù)在預(yù)測期下墊面狀況下“真實重現(xiàn)”，也才具有實際工作中的應(yīng)用價值[3～13]。

國內(nèi)關(guān)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(jìn)入河流泥沙減少的趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的，必須根據(jù)下墊面的變化情況進(jìn)行修正,才能作為河流治理規(guī)劃、工程設(shè)計和管理運(yùn)用的依據(jù)[14～16]。2016 年彭瑞善提出采用不同時段徑流系數(shù)、產(chǎn)沙系數(shù)的比值作為修正系數(shù)，并對汛期沙量的修正系數(shù)乘以暴雨地區(qū)參數(shù)，來修正大沙年的水沙量[15]；毛世民等試用“年遞減因數(shù)”修正含沙量與徑流量乘冪相關(guān)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(chǎn)沙系數(shù)（是指時段單位降水量所產(chǎn)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(yīng)下墊面狀況下的產(chǎn)輸沙情況，只是對各時段平均降水量所產(chǎn)生的平均輸沙量的修正，沒有直接與各時段下墊面狀況關(guān)聯(lián)；理論上講，含沙量與徑流量并無很緊密的物理成因關(guān)系，因而建立的乘冪相關(guān)公式，或者與實際不符，或者因所需數(shù)據(jù)量大而難于取得等問題，過于繁瑣不便在實際工作中應(yīng)用。本文分析選取反映降水和人類活動影響產(chǎn)沙下墊面綜合特征的一個綜合指標(biāo)“年輸沙模數(shù)”，提出年輸沙模數(shù)修正系數(shù)法的“下墊面一致性還現(xiàn)”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(shù)的衰減系數(shù)來計算大水年份的輸沙量修正系數(shù)，實現(xiàn)了泥沙資料系列保持較好的產(chǎn)匯沙量機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律的現(xiàn)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(zhì)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(chǎn)匯流環(huán)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(tài)下墊面”監(jiān)測的高產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)據(jù)短系列，本文采用點繪懸移質(zhì)泥沙年輸沙模數(shù)、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(chǎn)水沙“原生態(tài)下墊面”與近期低產(chǎn)水沙“現(xiàn)狀下墊面”的轉(zhuǎn)折點（年），并將早期高產(chǎn)水沙“原生態(tài)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(jìn)行“下墊面一致性”修正之前，首先應(yīng)考慮人類活動直接間接截留、消耗流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量，以確保水文站斷面當(dāng)年實測數(shù)據(jù)如數(shù)反映流域產(chǎn)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(jiān)測斷面以上當(dāng)年“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)水產(chǎn)沙數(shù)量的“真實”情況。這就需要首先逐年進(jìn)行當(dāng)年人類活動直接間接截留、消耗流域的產(chǎn)水產(chǎn)沙量的計算，其次再分析確定是否需要進(jìn)行資料系列保持“現(xiàn)狀下墊面”狀況一致性的“下墊面一致性還現(xiàn)”修正。

河川徑流與泥沙的產(chǎn)生都是獨立的隨機(jī)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(nèi)，大部分通過蒸騰蒸發(fā)，產(chǎn)品帶走等消耗不再存留在產(chǎn)水流域體內(nèi)，然而不論是流域內(nèi)興建的水利工程、水保工程及土地開發(fā)利用工程等建設(shè)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(shè)棄土棄渣等人為增加河道輸沙，淤積在流域內(nèi)的泥沙，都將在一定時期內(nèi)滯留流域，等到突發(fā)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(jiān)測斷面，即泥沙事件的發(fā)生在其天然規(guī)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(chǎn)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(chǎn)沙機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律發(fā)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(jìn)行插補(bǔ)或延長。

現(xiàn)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(chǎn)匯沙量的時程分布，進(jìn)行定量的當(dāng)年還原分析計算。應(yīng)該將有監(jiān)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(yīng)的水文監(jiān)測斷面，必須最大可能分析還原計算水文站監(jiān)測斷面以上當(dāng)年“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)沙數(shù)量的“真實”情況。對于梯田、造林、種草等水保工程，以及前述當(dāng)年“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)沙數(shù)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(shù)據(jù)中得到了綜合反映，水文站沒有測到的當(dāng)年流域產(chǎn)泥沙量，仍然滯留在流域內(nèi)累積造就流域下墊面的漸次改變，這種累積效應(yīng)經(jīng)過漫長，漸次累積到一定程度就會對流域產(chǎn)匯泥沙系列產(chǎn)生顯著影響，這樣就可以一并通過“下墊面一致性還現(xiàn)”修正來解決。

本文將收集到有監(jiān)測資料的直接攔截或引水引沙減少了相應(yīng)水文監(jiān)測斷面以上流域產(chǎn)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(fā)生時段逐年分析還原計算給相應(yīng)140 個水文站當(dāng)年實測泥沙值，形成逐年逐月還原人類社會當(dāng)年截留滯蓄流域泥沙后的“當(dāng)年天然泥沙資料系列”數(shù)據(jù)，并對此數(shù)據(jù)系列進(jìn)行一致性檢驗，進(jìn)一步分析下墊面等環(huán)境因素是否對其系列產(chǎn)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(zhì)泥沙年輸沙模數(shù)、年輸沙量的單雙累積曲線結(jié)果：140 個站全部發(fā)生了早期高產(chǎn)沙“原生態(tài)下墊面”與近期低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”的轉(zhuǎn)折點（年），長江、黃河流域分別多發(fā)生在1982 年和1970 年前后，其中黃土高原區(qū)43 站中有40 年以上實測資料系列的25 站發(fā)生在1970 年前后，與其它相關(guān)研究成果基本一致[9～12]。以黃土高原區(qū)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(shù)累積曲線圖

累積曲線圖顯示：橫山站在1971 年發(fā)生了早期人類活動影響微弱的“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期，向近期人類活動不斷加劇等環(huán)境變化造成的低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”的轉(zhuǎn)折，1971 年后又發(fā)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(xiàn)了一個“現(xiàn)狀下墊面”下的相對小高產(chǎn)沙期。因此，選取1956 年～1970 年為早期“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙修正期，1984 年～1997 年為“現(xiàn)狀下墊面”需向更近期的1998 年～2012 年更低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”修正的修正期。橫山站是一個復(fù)雜的例子，其它站出現(xiàn)的情況或只有一個“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期，而有一個“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期加1 個或多個更近期低產(chǎn)沙“現(xiàn)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(shù)系數(shù)修正法與成果檢驗

3.1 早期“原生態(tài)下墊面”高產(chǎn)沙修正

圖1、圖2 顯示1971 年轉(zhuǎn)折前后兩個系列明顯系統(tǒng)性偏大偏小，調(diào)查確認(rèn)在轉(zhuǎn)折年前后流域內(nèi)有持續(xù)大規(guī)模水保等強(qiáng)人類活動擾動下墊面的物理成因，采用輸沙模數(shù)系數(shù)修正法將轉(zhuǎn)折前1956 年～1971 年高產(chǎn)沙年修正到1972 年～1983年“現(xiàn)狀下墊面”低產(chǎn)沙狀況。其操作步驟[6～13]：點繪轉(zhuǎn)折年前后年降水量與年輸沙模數(shù)關(guān)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(tài)下墊面”高產(chǎn)沙期的年輸沙模數(shù)Ms1，和“現(xiàn)狀下墊面”低產(chǎn)沙期的年輸沙模數(shù)Ms2，用公式α=（Ms1-Ms2）/Ms1·100%和β=Ms2/Ms1計算年輸沙模數(shù)衰減率α和修正系數(shù)β；制作年降水量P-年輸沙模數(shù)衰減率α-修正系數(shù)β表1；繪制P-β關(guān)系曲線圖4；按需修正年份的年降水量，查取P-β關(guān)系曲線上修正系數(shù)，乘以需修正年份的當(dāng)年“天然”年輸沙模數(shù)，即可求得相應(yīng)年修正后的年輸沙模數(shù)。

圖3 橫山站年降水量與年輸沙模數(shù)關(guān)系曲線圖

表1 橫山站年降水量-年輸沙模數(shù)衰減率-修正系數(shù)表

圖4 橫山站年降水量與年輸沙模數(shù)修正系數(shù)β關(guān)系曲線圖

3.2 “現(xiàn)狀下墊面”向更近期“現(xiàn)狀下墊面”修正

1984 年～1997 年“現(xiàn)狀下墊面”向更近期的1998 年～2012 年更低產(chǎn)沙“現(xiàn)狀下墊面”的修正，用1998 年～2012 年更低產(chǎn)沙期的年降水與年輸沙模數(shù)曲線擬合關(guān)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(shù)據(jù)都修正，原則上只修正那些大水大沙年份的數(shù)據(jù)。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(shù)的相關(guān)系數(shù)提高情況，也不能片面追求相關(guān)系數(shù)很高，事實上年輸沙模數(shù)與年降水量的相關(guān)關(guān)系客觀上受過多復(fù)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(shù)雙累積曲線和年輸沙模數(shù)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(shù)關(guān)系曲線對照圖5。從累積線變成近直線、相關(guān)系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)修正前后關(guān)系曲線對照圖

4 結(jié)論

建立在年輸沙模數(shù)修正系數(shù)基礎(chǔ)上的修正方法，初步探討了實現(xiàn)早期高產(chǎn)水沙“原生態(tài)下墊面”向低產(chǎn)水沙的“現(xiàn)狀下墊面”狀態(tài)的“重現(xiàn)”轉(zhuǎn)換，使修正后的泥沙資料系列保持較好的“現(xiàn)狀下墊面”產(chǎn)匯沙量機(jī)理和運(yùn)移規(guī)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(shù)與降水特征建立關(guān)聯(lián)，就可參考用于預(yù)測未來流域人類活動，尤其是生態(tài)環(huán)境治理措施的治理效果。