黄土高原粗泥沙集中来源区水沙时空分布特征研究

【摘要】： 本文以黄土高原粗泥沙集中来源区为对象,以流域为单元,采用野外调查与室内分析、定量与定性分析相结合的方法,系统研究了1960-1999年间黄土高原粗泥沙集中来源区皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河和佳芦河5条流域河川径流、输沙量的时空变化,取得如下主要结论: 分析了流域径流量和输沙量年际变化的基本特征。各流域年均径流量及变差系数,皇甫川为1.41×108 m3和0.65,孤山川为0.76×108 m3和0.63,窟野河为6.08×108 m3和0.40,秃尾河为3.51×108 m3和0.21,佳芦河为0.63×108 m3和0.56。各流域年均输沙量及变差系数,皇甫川为4525.98×104 t和0.82,孤山川为1967.31×104 t和0.63,窟野河为9750.14×104 t和0.81,秃尾河为2103.01×104 t和0.92,佳芦河为1344.98×104 t和0.67。根据径流量、输沙量的极值比和径流量、输沙量变差系数,得出粗泥沙集中来源区5条流域的河川径流量、输沙量年际变化都比较大;5条流域最小径流量出现的年份均为1999年;皇甫川、孤山川和窟野河流域最小输沙量出现的年份均为1999年,秃尾河、佳芦河流域的输沙量最少年份分别为1969、1983年;各流域最大径流量、输沙量出现年份均在1980年以前。 采用距平累积法、Mann-Kendall法及Pettit法系统分析了5条流域径流量和输沙量年际变化过程及其趋势。指出:(1)与各流域多年平均值相比,5条流域径流量都经历了明显的增加期、减少期和稳定期三个阶段;(2)5条流域的年径流量、输沙量变化从上世纪70年代末以来表现出明显的减少趋势,皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河和佳芦河流域径流量显现趋势性减少的突变年份分别为1976年、1979年、1979年、1979年和1976年。秃尾河和佳芦河流域输沙量发生趋势性减少的临界年份为1978年;皇甫川、孤山川、窟野河流域输沙量也表现出趋势性减少,但没有通过0.05信度检验水平。 采用不均匀系数等方法分析了流域径流量和输沙量年内分配特征。结果表明:(1)按日历年,各流域月平均径流量年内变化具有“双峰型”变化特征;皇甫川、窟野河和秃尾河流域月平均输沙量年内分配呈现双峰型趋势,孤山川和佳芦河流域输沙量则呈现“单峰型”。(2)分析了5条流域径流量、输沙量的集中度和集中期,除秃尾河流域径流量的集中期为7月份外,其余4条流域径流量的集中期均为8月份;皇甫川流域的径流量集中度最大,秃尾河流域的径流量集中度最小。5条流域输沙量集中期均为8月份;皇甫川和孤山川流域的输沙量集中度最大,秃尾河流域的输沙量集中度最小。(3)以连续最大4个月(6-9月)径流量占年径流量百分比(ξr)、月最大与最小径流量差值(Δr)反映各流域径流量年内分配极不均匀性,从1960-1999年径流量年内分配不均匀性的变化幅度有减少的趋势。以河流输沙量的相对变化幅度( )和河流输沙量的绝对变化幅度( )衡量各流域输沙量的年内分配变化幅度较为激烈,但5条流域输沙量年内变化幅度的激烈程度有缓和的趋势。 分析了粗泥沙集中来源区内的流域水沙协同关系。利用数学理论推导和各流域逐年径流量、逐年输沙量累积关系曲线,进一步论证了除皇甫川流域外,其余4条流域水沙协同关系呈弱化趋势的主要原因是径流量、输沙量年际减少量的非同步性。皇甫川和佳芦河流域的洪峰和沙峰出现的月份基本上吻合,而孤山川、窟野河和秃尾河流域的输沙量最大的月份同时或滞后于径流量最大的月份。皇甫川、窟野河、秃尾河和佳芦河流域的径流量与含沙量间呈正相关关系,而孤山川流域的水沙异源使得该流域的水沙关系较差。在同一时段中,皇甫川流域的降雨损失量最大,形成径流深度最小,径流模数数值最小;而秃尾河流域的降雨损失量最小,形成径流深度最大,径流模数数值最大。 分析了粗泥沙集中来源区内各流域径流量和输沙量的空间变化特征。除佳芦河流域外多年平均径流系数表现为由北向南增加的趋势;多年平均径流量、多年平均输沙量、多年平均输沙率和多年平均输沙模数在空间上并未呈现任何变化趋势。以流域地貌作为径流、输沙的再分配因子,选取水土保持人类活动影响相对较小的1959-1969年期间的水文泥沙资料,建立了包含粗泥沙集中来源区5条流域在内的黄河中游20多条支流水沙与流域地貌因素的定量关系。结果表明:在研究区内,研究的地貌参数与流域径流量或输沙量之间表现出类似的变化趋势,即年均输沙量或径流量与集水区面积或河道干流长呈显著的正相关关系,与河道平均坡降呈幂函数减少关系,而与流域相对高差未表现出某种趋势性变化特征。年均径流系数与地貌参数之间均没有表现出明显的趋势性变化。