十大孔兑暴雨洪水产输沙关系初探

第18卷第3期2007年6月水资源与水工程学报Jou rnal of W ater R esou rces &W ater EngineeringV o l.18N o .3Jun .,2007收稿日期:2007203205;　修稿日期:2007204210基金项目:科学技术部科研院所社会公益研究专项(2005D I B 3J 070)支持作者简介:刘韬(19812),男(汉族),江苏大丰人,硕士研究生。

从事水文水资源和水沙耦合模拟方向研究。

十大孔兑暴雨洪水产输沙关系初探——以西柳沟为例刘韬1,2,张士锋1,刘苏峡1(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.中国科学院研究生院,北京100049)摘　要:黄河上游十大孔兑暴雨洪水引发的水土流失及洪涝泥沙灾害是当地的主要环境问题。

利用实测水沙资料,建立该地区洪水过程产沙量与降雨径流指标、流量与含沙量的经验关系,并探讨了这些关系的成因。

结果表明:一次洪水过程的产沙量可以表示为降雨强度或径流深的幂函数,幂指数大于1;一次洪水过程流量和含沙量呈逆时针绳套曲线关系,含沙量可以表示为流量的幂函数,幂指数小于1。

掌握该地区的水沙关系和规律,可为模拟该地区降雨径流产输沙过程,控制和预防流域水土流失和洪水泥沙灾害提供一定的基础。

关键词:十大孔兑;暴雨洪水;产沙;水沙关系中图分类号:P 333.2 文献标识码:A 文章编号:16722643X (2007)0320018204Pr i m ary ana lysis of the rela tion sh ip between storm runoffand sed i m en t y ield i n Ten -wa tershed ——A Case Study in X iliu B rookL IU Tao 1,2,ZHANG Sh i -feng 1,L IU Su -x i a1(1.Institu te of Geog rap h ic S ciences and N a tu ra l R esou rces R esea rch ,CA S ,B eij ing 100101,Ch ina ;2.G rad ua te U n iversity of Ch inese A cad e m y of S ciences ,B eij ing 100049,Ch ina )Abstract :So il and w ater ero si on ,flood and sedi m en t disasters cau sed by sto rm runoff T en 2w atershed located on up stream of Yellow R iver are the m ain environm en tal p rob lem s.U sing the ob served data ,have estab lished the em p irical relati on sh i p s betw een the sedi m en t yield and rain 2runoff index ,as w ell as the discharge and silt con ten t ,and discu ssed the reason of these relati on sh i p s .T he resu lts show n that the relati on sh i p of sedi m en t yield by one flood p rocess cou ld be p resen ted as pow er functi on of rainfall in ten sity o r runoff dep th w ith the exponen t larger than 1.T he resu lt also show n that relati on cu rve of silt con ten t w ith one flood p rocess as a coun ter 2clockw ise loop ,the silt con ten t can be rep resen ted as the pow er functi on of the discharge w ith the exponen t s m aller than 1.So m aster the relati on sh i p of w ater and silt and the regu larity ,can si m u late the p rocess of rain 2runoff w ith sedi m en t yield and tran spo rtati on ,these can be supp lied a foundati on fo r con tro lling and p recau ti on of so il w ater ero si on ,flood and sedi m en t disasters.Key words :T en 2W atershed ;sto rm runoff ;sedi m en t yield ;relati on sh i p of w ater and silt 黄河是我国第二大河及世界上含沙量最大的河流之一,弄清黄河水沙变化特征是黄河治理开发的前提。

关于黄河流域水循环过程[1]和泥沙问题[2]的研究已取得了丰硕的成果,然而对其中个别地区水沙关系的研究相对薄弱。

十大孔兑(孔兑为蒙语“山洪沟”的音译)为黄河上游巴彦高勒至河口区间南岸的十条一级支流。

十条支流自然条件相似,汛期常常爆发规模各异的洪水,暴雨洪水侵蚀地表产生大量泥沙。

偕同泥沙产生洪涝和泥沙灾害。

两种灾害作用相互促进:洪水侵蚀搬运泥沙淤积于下游和黄河干流河道,抬升阻塞河床,进而提升洪水泛滥风险。

控制和预防这两种灾害的前提需要探明当地显著的暴雨洪水产输沙过程的内在关联和规律。

目前对十大孔兑水沙问题的研究包括对其水资源量的分析[3],对水沙年际变化特点[4]和单场洪水水沙现象的描述[5]。

本文以十大孔兑之一的西柳沟为例,对实测资料进行统计分析,建立水沙指标间的定量关系,探求该地区暴雨洪水产输沙过程的基本规律。

1　流域概况1.1　水文与侵蚀特征西柳沟发源于鄂尔多斯高原北缘丘陵沟壑区,向北穿过库布其沙漠后流入黄河,龙头拐站以上集水面积1165km2,主河道长75km2。

年降水量240～360mm,年蒸发量2200mm左右,流域年内水沙分配不均,汛期(6～9月)降雨量、径流量和输沙量分别占全年的90%、60%和98%,而汛期的来水来沙往往集中于数场暴雨洪水中,暴雨洪水的产水产沙在该地区年来水来沙中占据重要地位。

西柳沟流域内包含两种主要地貌形态:丘陵沟壑区和风沙区(图1)。

丘陵沟壑区位于流域中游上游大部分地区,形态为起伏的峁状丘陵,风沙区位于流域北部中下游地区,为库布其沙漠的一部分,属于风积沙丘地貌。

冬春季节,风沙活动携带风成沙堆积于河道内,汛期风沙被洪水水流携带冲走进入下游和黄河干流。

洪水中泥沙主要来自降雨径流对丘陵沟壑区地表物质的侵蚀以及部分堆积于流域内的风成沙,侵蚀方式呈现水蚀风蚀复合的特点。

1963～1990年多年平均输沙模数为4030t (km2・a),最大年输沙模数发生于1989年,达41500t (km2・a),最小年输沙模数发生于1986年,为21.5t (km2・a),年输沙模数变差系数达1.8,年际间侵蚀规模相差较大。

1.2　洪水过程特征西柳沟的洪水流量过程具有显著的陡涨陡落的特点,洪水历时一般在一日以内,流域汇流时间根据降雨强度和降雨量的不同在2～8h之间。

洪峰流量常常超过100m3 s,最高达到6490m3 s(1989年7月21日),而无降雨情况下的稳定河道流量一般在1 m3 s之下,短时间内巨大的流量运行于河道内,成为沟道侵蚀和风沙搬运的巨大驱动力。

含沙量变化过程与流量同步,随同洪峰达到最大值。

一次洪水最大含沙量往往很大,现有水文资料记录有数场洪水最大含沙量超过1000kg m3,最大一次高达1380 kg m3(1966年8月13日)。

洪水在洪峰流量及附近时段易形成高含沙水流(悬移质含沙量大于400kg m3[6]),选取若干场洪水作为样本,将各场洪水最大断面平均含沙量从大到小排列计算其累积频率值,洪水出现高含沙水流的频率为40%。

2　暴雨洪水产输沙关系2.1　分析内容与数据分别考察产沙与降雨径流、含沙量与流量之间的关系。

降雨径流是产输沙的主导影响因素,含沙量值反映对应流量的水量在流域内的侵蚀成果,这些特征值控制了流域的主要水沙特征,数据获取方便。

从西柳沟1963～1990年共28年的水文资料系列中,选取水沙资料完善的61场洪水作为分析样本。

用产沙量作为产沙特征指标,产沙量用次洪产沙模数M s(t km2)表示,根据流域特点,不考虑场次洪水的泥沙冲淤,认为泥沙输移比等于1[7],则次洪产沙模数等于输沙模数。

分别用降雨量和降雨强度作为降雨特征指标。

降雨量指标用流域面降雨量P表示。

降雨强度指标用洪峰流量模数M Q m ax(m3 s・km2)来表示。

其原因是:当地实测水文资料缺乏详细的雨量过程记录因而无法取得足够精度的降雨强度过程信息,需寻求某种经济的替代指标;当地暴雨产流以超渗地面径流为主,洪水坦化现象不明显,洪峰理论上与雨峰即最大降雨强度的相关性较好,这一相关性可从实际多场降雨洪水过程线上反映出,各场洪水的洪峰流量信息比较容易获得,故用洪峰流量模数作为指示流域降雨强度的指标。

2.2　产沙与降雨的关系在双对数坐标系上分别作61场洪水产沙模数与面降雨量及洪峰流量模数(降雨强度)的散点图并拟合点群(图2,图3),得到产沙模数与面降雨量及洪峰流量模数的一元幂函数关系(式1、式2)。

产沙模数与面降雨量关系的点群较散,拟合相关系数为0.42,与洪峰流量模数关系的点群相对紧密,拟合相关系数为0.84,这说明西柳沟流域产沙与降雨强度的关系比较密切。

M S=0.74P1.94,r2=0.42(1)M S=4729.63M Q1.46m ax,r2=0.84(2)选择两场实测洪水进一步说明降雨量和降雨强度对产沙影响作用的差异。

660724与700818两场洪水均为流域前期干燥的单峰洪水,降雨总量相差不多,年代接近,可认为流域下垫面条件是一致的。

两场洪水的水沙特征值及降雨过程见表1和表2。