短歷時(shí)大降雨條件下河道輸沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/h1>
2021-06-29 10:46:00侯文娟
水利科技與經(jīng)濟(jì) 2021年6期 關(guān)鍵詞：模型
侯文娟
(新疆伊犁昭蘇縣水利局，新疆 伊犁 835600)
1 概 述
我國長江、黃河、遼河等流域在夏季常遭遇歷史短、強(qiáng)度高的暴雨，在暴雨和洪水的侵蝕作用下，地表沙土嚴(yán)重流失。因此，深入研究短強(qiáng)降雨影響下河道輸沙，對(duì)于防治區(qū)域水土流失至關(guān)重要[1-4]。
目前，為有效抑制流域水土流失問題，學(xué)者們對(duì)降雨條件下河道輸沙現(xiàn)象展開了深入研究。姚文藝等[5]基于近百年黃河降雨、徑流及泥沙定位等方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)揭示了黃河流域徑流-泥沙之間的關(guān)系，并提出了合理認(rèn)識(shí)與防范黃河水沙變化的內(nèi)在機(jī)理。連秋晗等[6]對(duì)降雨影響下佳蘆河流域流沙現(xiàn)象展開了深入研究，并基于水文方法深入分析了流域綜合治理前后徑流-輸沙之間的關(guān)系及變化特征。和繼軍等[7]對(duì)黃土緩坡片蝕過程中的影響因素展開了深入探討與研究，并基于室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)驗(yàn)證了含沙量作為表征參量判定片蝕過程侵蝕限制條件的可行性。馮家豪等[8]基于黃河中游干流多水文站點(diǎn)、多年的實(shí)測降雨輸沙資料，系統(tǒng)研究了黃河中游區(qū)間輸沙時(shí)空變化特性，并指出近年來黃河中游干流年輸沙量顯著降低，證明該區(qū)域水土保持治理效益顯著。
綜上所述，上述研究多是針對(duì)不同年份降雨條件下區(qū)域水土流失機(jī)理及防治措施的研究，而缺乏強(qiáng)降雨條件對(duì)區(qū)域產(chǎn)沙特征的影響研究。因此，本文基于M-K分析法、累積雙曲線法及M-W-P法，建立伊犁河流域短歷時(shí)大降雨條件下河道輸沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，供流域水土流失治理工作參考與借鑒。
2 模型構(gòu)建
2.1 區(qū)域強(qiáng)降雨總量計(jì)算方法
擬研究區(qū)域位于新疆伊犁河流域，屬于超滲產(chǎn)流地區(qū)，其河道輸沙量與降雨之間具有密不可分的關(guān)聯(lián)。首先通過調(diào)查獲得區(qū)域歷史降雨量大數(shù)據(jù)，再基于泰森多邊形法[9-10]計(jì)算各雨量站的控制面積并合理篩選強(qiáng)降雨數(shù)據(jù)記錄，棘突計(jì)算方法如下：
(1)
2.2 區(qū)域降雨量變化趨勢分析
區(qū)域降雨量變化趨勢分析采用經(jīng)典Mann-Kendall檢驗(yàn)法展開深入研究，M-K法屬于非參數(shù)型分析方法，具有不受噪點(diǎn)數(shù)據(jù)干擾、不許數(shù)據(jù)服從某定常分布等特殊優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于氣溫、徑流和降雨等資料序列變化趨勢探討分析中?；贛-K法展開統(tǒng)計(jì)量Z的檢驗(yàn)方法，公式如下：
(2)
基于M-K區(qū)域降雨量變化趨勢分析法對(duì)區(qū)域降雨總量進(jìn)行檢驗(yàn)，得到結(jié)果見表1。由表1可知，該流域統(tǒng)計(jì)量Z的絕對(duì)值低于1.28，由此可知Z低于0.10的置信水平。由此可見，該流域3種降雨總量隨時(shí)間變化不明顯。
表1 流域3種降雨雨強(qiáng)的降雨總量變化趨勢檢驗(yàn)結(jié)果
2.3 水沙序列分析
本次研究以該流域?yàn)槔诮涤陱搅髂嗌畴p累積曲線法[11]和M-W-P法[12]獲取流域水-沙序列突變點(diǎn)，以識(shí)別水沙序列變化規(guī)律，得到的統(tǒng)計(jì)量為：
(3)
式中：Ut為河道輸沙統(tǒng)計(jì)量。
圖1為該流域某雨量站監(jiān)測所得累計(jì)輸沙量-累計(jì)降雨量曲線。由圖1可知，隨著累積降雨量的增大，累積輸沙量也不斷增大。進(jìn)一步觀察曲線可知，累計(jì)輸沙量在1971和2002年分別產(chǎn)生了一定的突變，突變的主要表現(xiàn)是累計(jì)輸沙量隨累計(jì)降雨量變化曲線的斜率產(chǎn)生了明顯的降低。
圖1 流域累計(jì)輸沙量隨累計(jì)降雨量變化趨勢(1955-2014年數(shù)據(jù))
綜上，可以基于降雨歷史摘錄數(shù)據(jù)與日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到降雨指標(biāo)，并建立輸沙量與強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量之間的函數(shù)關(guān)系，從而構(gòu)建短歷時(shí)大降雨條件下河道輸沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯俊?/p>
3 模型驗(yàn)證
3.1 基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型
圖2為基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型曲線結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖2可知，不同雨強(qiáng)條件下的強(qiáng)降雨累積量下累積年輸沙量表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型符合線性函數(shù)關(guān)系。隨著強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量的增加，河道輸沙累積量呈線性增大趨勢。此外，由3種不同雨強(qiáng)(大于10 mm、大于25 mm和大于35 mm)的擬合結(jié)果可知，日降雨大于25 mm下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.774 4；而降雨大于10 mm和35 mm條件下，相關(guān)系數(shù)分別為0.718 0和0.762 7。由此可見，年輸沙量與日降雨大于25 mm的降雨相關(guān)性最強(qiáng)。則有日降雨大于25 mm條件下的基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型的基本表達(dá)式如下：
圖2 基于日降雨數(shù)據(jù)的模型擬合結(jié)果
Ws=0.071P25+0.17，R2=0.774 4
(4)
式中：Ws為累積輸沙量，108t，P25為日降雨大于25 mm的降雨總量，108m3。
3.2 基于歷史摘錄降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型
圖3為基于歷史摘錄降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型曲線結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖3可知，不同雨強(qiáng)條件下的強(qiáng)降雨累積量下累積年輸沙量表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量的增加，河道輸沙累積量呈線性增大趨勢，且增長速率不斷變大。此外，由3種不同雨強(qiáng)(大于0.1 mm/5 min、0.4 mm/5 min和大于0.5 mm/5 min)的擬合結(jié)果可知，雨強(qiáng)大于0.4 mm/min條件下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.812 0；而雨強(qiáng)大于0.1 mm/5 min和0.5 mm/5 min條件下相關(guān)系數(shù)分別為0.808 5和0.808 27。由此可見，年輸沙量與雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min的降雨相關(guān)性最強(qiáng)。則有雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min條件下的基于歷史摘錄降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型的基本表達(dá)式如下：
圖3 基于歷史降雨數(shù)據(jù)的模型擬合結(jié)果
(5)
式中：Ws為累積輸沙量，108t；W0.4為雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min的降雨總量，108m3。
3.3 模型擬合結(jié)果對(duì)比
圖4為不同降雨輸沙模型擬合結(jié)果對(duì)比。由圖4可知，基于歷史降雨摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型和基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型所得結(jié)果相差不大，誤差均在10%以內(nèi)。但是，結(jié)合3.1和3.2節(jié)中擬合結(jié)果可知，基于歷史降雨摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型擬合結(jié)果相關(guān)性要更好。分析認(rèn)為，這是由于歷史摘錄數(shù)據(jù)降雨更能夠反映出區(qū)域在某個(gè)時(shí)間段降雨的強(qiáng)度，因此能更好體現(xiàn)區(qū)域在短歷時(shí)強(qiáng)降雨影響下的產(chǎn)沙特性。
圖4 不同降雨輸沙模型擬合結(jié)果對(duì)比
4 結(jié) 論
為研究短歷時(shí)大降雨條件下流域河道輸沙變化趨勢特征，本文基于M-K分析法、累積雙曲線法及M-W-P法建立了流域短歷時(shí)大降雨條件下河道輸沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要結(jié)論如下：
1)基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型反映出流域累計(jì)輸沙量與累計(jì)降雨量之間符合線性函數(shù)關(guān)系，且在日降雨大于25 mm下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.774 4。
2)基于降雨歷史摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型反映出流域累計(jì)輸沙量與累計(jì)降雨量之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且在雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min條件下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.812 0，基于歷史降雨摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型擬合效果更佳。
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侯文娟
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(2)
基于M-K區(qū)域降雨量變化趨勢分析法對(duì)區(qū)域降雨總量進(jìn)行檢驗(yàn)，得到結(jié)果見表1。由表1可知，該流域統(tǒng)計(jì)量Z的絕對(duì)值低于1.28，由此可知Z低于0.10的置信水平。由此可見，該流域3種降雨總量隨時(shí)間變化不明顯。
表1 流域3種降雨雨強(qiáng)的降雨總量變化趨勢檢驗(yàn)結(jié)果
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(3)
式中：Ut為河道輸沙統(tǒng)計(jì)量。
圖1為該流域某雨量站監(jiān)測所得累計(jì)輸沙量-累計(jì)降雨量曲線。由圖1可知，隨著累積降雨量的增大，累積輸沙量也不斷增大。進(jìn)一步觀察曲線可知，累計(jì)輸沙量在1971和2002年分別產(chǎn)生了一定的突變，突變的主要表現(xiàn)是累計(jì)輸沙量隨累計(jì)降雨量變化曲線的斜率產(chǎn)生了明顯的降低。
圖1 流域累計(jì)輸沙量隨累計(jì)降雨量變化趨勢(1955-2014年數(shù)據(jù))
綜上，可以基于降雨歷史摘錄數(shù)據(jù)與日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得到降雨指標(biāo)，并建立輸沙量與強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量之間的函數(shù)關(guān)系，從而構(gòu)建短歷時(shí)大降雨條件下河道輸沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯俊?/p>
3 模型驗(yàn)證
3.1 基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型
圖2為基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型曲線結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖2可知，不同雨強(qiáng)條件下的強(qiáng)降雨累積量下累積年輸沙量表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型符合線性函數(shù)關(guān)系。隨著強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量的增加，河道輸沙累積量呈線性增大趨勢。此外，由3種不同雨強(qiáng)(大于10 mm、大于25 mm和大于35 mm)的擬合結(jié)果可知，日降雨大于25 mm下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.774 4；而降雨大于10 mm和35 mm條件下，相關(guān)系數(shù)分別為0.718 0和0.762 7。由此可見，年輸沙量與日降雨大于25 mm的降雨相關(guān)性最強(qiáng)。則有日降雨大于25 mm條件下的基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型的基本表達(dá)式如下：
圖2 基于日降雨數(shù)據(jù)的模型擬合結(jié)果
Ws=0.071P25+0.17，R2=0.774 4
(4)
式中：Ws為累積輸沙量，108t，P25為日降雨大于25 mm的降雨總量，108m3。
3.2 基于歷史摘錄降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型
圖3為基于歷史摘錄降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型曲線結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖3可知，不同雨強(qiáng)條件下的強(qiáng)降雨累積量下累積年輸沙量表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。隨著強(qiáng)降雨累計(jì)降雨量的增加，河道輸沙累積量呈線性增大趨勢，且增長速率不斷變大。此外，由3種不同雨強(qiáng)(大于0.1 mm/5 min、0.4 mm/5 min和大于0.5 mm/5 min)的擬合結(jié)果可知，雨強(qiáng)大于0.4 mm/min條件下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.812 0；而雨強(qiáng)大于0.1 mm/5 min和0.5 mm/5 min條件下相關(guān)系數(shù)分別為0.808 5和0.808 27。由此可見，年輸沙量與雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min的降雨相關(guān)性最強(qiáng)。則有雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min條件下的基于歷史摘錄降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型的基本表達(dá)式如下：
圖3 基于歷史降雨數(shù)據(jù)的模型擬合結(jié)果
(5)
式中：Ws為累積輸沙量，108t；W0.4為雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min的降雨總量，108m3。
3.3 模型擬合結(jié)果對(duì)比
圖4為不同降雨輸沙模型擬合結(jié)果對(duì)比。由圖4可知，基于歷史降雨摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型和基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型所得結(jié)果相差不大，誤差均在10%以內(nèi)。但是，結(jié)合3.1和3.2節(jié)中擬合結(jié)果可知，基于歷史降雨摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型擬合結(jié)果相關(guān)性要更好。分析認(rèn)為，這是由于歷史摘錄數(shù)據(jù)降雨更能夠反映出區(qū)域在某個(gè)時(shí)間段降雨的強(qiáng)度，因此能更好體現(xiàn)區(qū)域在短歷時(shí)強(qiáng)降雨影響下的產(chǎn)沙特性。
圖4 不同降雨輸沙模型擬合結(jié)果對(duì)比
4 結(jié) 論
為研究短歷時(shí)大降雨條件下流域河道輸沙變化趨勢特征，本文基于M-K分析法、累積雙曲線法及M-W-P法建立了流域短歷時(shí)大降雨條件下河道輸沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要結(jié)論如下：
1)基于日降雨數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型反映出流域累計(jì)輸沙量與累計(jì)降雨量之間符合線性函數(shù)關(guān)系，且在日降雨大于25 mm下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.774 4。
2)基于降雨歷史摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型反映出流域累計(jì)輸沙量與累計(jì)降雨量之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且在雨強(qiáng)大于0.4 mm/5 min條件下基于數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到R2=0.812 0，基于歷史降雨摘錄數(shù)據(jù)的降雨輸沙模型擬合效果更佳。
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