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user: 3. 修正水沙资料的方法与成果 3.1. 修正水沙资料的基本方法 修正水沙资料的理想方法是分别对比近期和早期各降雨地区下垫面的变化，把各种水土保持措施(梯田、淤地坝、植树种草等)的实施情况，降水特征与水沙量的变化建立定量关系，以便根据未来各时段水土保持工作的进展情况，计算出相应的水沙量。这需要做大量调查、测量、考证、搜集资料、分析计算和试验研究工作 [ 5 ] 。另一种比较简要概括的方法，是在确认水土保持工作逐步进展的基础上，直接利用降水量、径流量、输沙量等资料，分别计算出各时段汛期平均、非汛期平均的径流系数、产沙系数，用近期与早期各时段径流系数和产沙系数的比值，作为对早期各时段水沙量的初步修正系数，再考虑近期和早期各时段之间降水强度和降水地区差异的影响，选择一组暴雨地区系数，该系数与早期相应时段汛期初步修正系数的乘积，构成该时段汛期水沙量的修正系数。时段的长短，可以是一年、多年、也可以是一个汛期或一次洪峰，根据需要和资料情况确定。降水量是产生水沙径流的基本因素。径流系数是单位降水量所产生的径流量，即通过降水与下垫面的相互作用，降水量中除储存、下渗和蒸发以外的水量与降水量的比值，其实质是水体的转化。增加雨水在当地和流经地带的储存和下渗，径流系数就会减小。产沙系数是单位降水量所产生的输沙量，即降水量中接触地面水体的动能冲刷土壤并挟带走的泥沙量与降水量的比值，其实质是能量的转化。尽可能增加雨水接触地面前动能的消耗，使雨水与地面和缓相遇，并增强地面土壤的抗冲能力，减缓地表径流汇集的速度并途中拦沙，就可减小产沙系数。径流系数和产沙系数的减小，基本与流域下垫面的生态修复相对应，正是水土保持工作成效的反映。 3.2. 修正水沙资料河段选择 黄河是世界上输沙量最多的河流，河口镇(头道拐)至龙门是黄河产沙最多的河段(见图1)，流域面积13万km 2 ，占黄河流域面积17%，平均年产沙量8.29亿t，占潼关年输沙量13.79亿t的60%，平均年水量61亿m 3 ，占潼关年径流量414亿m 3 的15% (1950~1985年)。是黄河下游三大洪水来源区之一，龙门最大洪峰流量21，000 m 3 /s (1967年)，峰型高瘦。河龙段长735 km，落差608 m，比降8.3/万，有集水面积在1000 km 2 以上的一级支流窟野河、无定河、延河等21条。黄河从三湖河口东流至河口镇，前方受吕梁山脉阻挡折转南流，切开黄土高原，形成黄河最长的一段峡谷。基岩主要是砂页岩，由于坡陡流急，水势集中，河宽较小，大多为200~400 m，只有河曲、保德、府谷三处河谷较宽。两岸黄土岸壁陡峻，高出水面数十米至百余米。两岸支流深切黄土层，汛期遭遇暴雨冲击，水土大量流失，由地面汇入沟壑、支流、干流河道，形成高浓度挟沙水流。该河段流域有多处多沙粗沙区，因而是黄土高原水土保持治理的重点地区，也是治理成效最显著的地区，修正该河段的水沙(主要是泥沙)资料，对于黄河中下游的开发治理具有重要意义。 1949年新中国成立以后，黄土高原的水土保持工作受到重视，在当时的社会环境下，只是无规划的零星开展，一时轰动，一时冷落，有时还存在一边建设一边破坏的现象，20世纪70年代以后，才逐渐走上正轨，有计划的治理多沙粗沙区，并摸索出一套以小流域为单元，以淤地坝为主的综合治理措施。进入21世纪以后，有规划地开展退耕还林还草，并注重淤地坝的维修保护和改进，因而成效更好。 3.3. 修正水沙资料的初步成果 年径流量、年输沙量是反映河流水沙条件的基本物理量。为了修正黄河河口镇至龙门区间流域进入黄河的水沙量，利用文献 [ 6 ] 整理的水沙资料，计算出各个时段年平均、汛期平均、非汛期平均及汛期7、8、9、10月各月平均的径流系数、产沙系数如表1~表4。根据前述情况，认为1956~1969年时段为水土保持治理前的天然状态，其径流系数、产沙系数与以后各时段的比值，可粗略反映水土保持治理的成效(未考虑降水强度和降水地 图1. 河口镇(头道拐)–龙门河段示意图(引自黄河流域防洪规划) Table 1 Hokouzhen-Longmen variation of annual rainfall with runoff soil los 时段(年) 符号 降水量(mm) 径流量(亿m 3 ) 输沙量(亿t) 径流系数(万m 3 /mm) 产沙系数(万t/mm) 含沙量(kg/m 3 ) 1956~1969 A 477.2 69.3 10.25 1452.2 214.8 147.9 1970~1979 B 428.4 51.4 7.54 1199.8 176.0 146.7 1980~1989 C 416.8 37.1 3.72 890.1 89.3 100.3 1990~1999 D 403.1 42.9 4.7 1064.2 116.6 109.6 2000~2010 E 432.4 32.6 1.63 753.9 37.7 50 1956~1999 F 435.6 51.9 6.89 1191.4 158.2 132.8 1956~2010 G 434.96 48.04 5.838 1104.4 134.2 116.2 B/A 0.898 0.742 0.736 0.826 0.819 0.992 C/A 0.873 0.535 0.363 0.613 0.416 0.678 D/A 0.845 0.619 0.459 0.733 0.543 0.741 E/A 0.906 0.470 0.159 0.519 0.176 0.338 E/B 1.009 0.634 0.216 0.628 0.214 0.341 E/C 1.037 0.879 0.438 0.847 0.422 0.499 E/D 1.072 0.760 0.347 0.708 0.323 0.456 E/F 0.993 0.628 0.237 0.633 0.238 0.377 表1. 河龙间年降水量产流产沙量变化 Table 2 Hekouzhen-Longmen variation of flood season rainfall with runoff soil los 时段(年) 符号 降水量(mm) 径流量(亿m 3 ) 输沙量(亿t) 径流系数(万m 3 /mm) 产沙系数(万t/mm) 含沙量(kg/m 3 ) 1956~1969 A 335.4 39 9.38 1162.8 279.7 240.5 1970~1979 B 302.1 26.3 6.91 870.6 228.7 262.7 1980~1989 C 263.2 16.4 3.11 623.1 118.2 189.6 1990~1999 D 265.1 22.3 3.89 841.2 146.7 174.4 2000~2010 E 292.5 16.8 1.27 574.4 43.4 75.6 1956~1999 F 295.4 27.3 6.14 924.2 207.9 224.9 1956~2010 G 294.82 25.2 5.166 854. 8 175.2 195.0 B/A 0.901 0.674 0.737 0.749 0.818 1.092 C/A 0.785 0.421 0.332 0.536 0.423 0.788 D/A 0.790 0.572 0.415 0.723 0.525 0.725 E/A 0.872 0.431 0.135 0.494 0.155 0.314 E/B 0.968 0.639 0.184 0.660 0.190 0.288 E/C 1.111 1.024 0.408 0.922 0.367 0.399 E/D 1.103 0.753 0.326 0.683 0.296 0.433 E/F 0.990 0.615 0.207 0.621 0.209 0.336 表2. 河龙间汛期降水量产流产沙量变化 Table 3 Hokouzhen-Longmen variation of non-flood season rainfall with runoff soil los 时段(年) 符号 降水量(mm) 径流量(亿m 3 ) 输沙量(亿t) 径流系数(万m 3 /mm) 产沙系数(万t/mm) 含沙量(kg/m 3 ) 1956~1969 A 141.8 30.3 0.87 2136.8 61.3 28.7 1970~1979 B 126.3 25.1 0.63 1987.3 49.9 25.1 1980~1989 C 153.6 20.7 0.61 1347.7 39.7 29.5 1990~1999 D 138 20.6 0.81 1492.8 58.7 39.3 2000~2010 E 139.9 15.8 0.36 1129.4 25.7 22.7 1956~1999 F 140.2 24.6 0.75 1754.6 53.5 30.5 1956~2010 G 140.14 22.84 0.672 1629.8 48.0 28.9 B/A 0.891 0.828 0.724 0.930 0.813 0.874 C/A 1.083 0.683 0.701 0.631 0.647 1.026 D/A 0.973 0.680 0.931 0.699 0.957 1.369 E/A 0.987 0.521 0.414 0.529 0.419 0.794 E/B 1.108 0.629 0.571 0.568 0.516 0.908 E/C 0.911 0.763 0.590 0.838 0.648 0.773 E/D 1.014 0.767 0.444 0.757 0.438 0.579 E/F 0.998 0.642 0.48 0.644 0.481 0.747 表3. 河龙间非汛期降水量产流产沙量变化 Table 4 Hokouzhen-Longmen variation of monthly in flood season rainfall with runoff soil los 7月 8月 9月 10月 符号 时段 (年) 降水量 (mm) 径流系数 (万m 3 /mm) 产沙系数 (万t/mm) 降水量 (mm) 径流系数 (万m 3 /mm) 产沙系数 (万t/mm) 降水量 (mm) 径流系数 (万m 3 /mm) 产沙系数 (万t/mm) 降水量 (mm) 径流系数 (万m 3 /mm) 产沙系数 (万t/mm) A 1956~1969 110.3 830 340 122.4 1320 363 71.9 860 135 30.8 2400 84 B 1970~1979 102.1 680 230 111 970 334 62.8 940 107 26.2 1030 76 C 1980~1989 98.1 420 120 88.7 700 161 53.1 340 64 23.3 1850 60 D 1990~1999 103.3 540 140 92.5 810 200 44.3 1220 120 22.3 1610 27 E 2000~2010 79.3 430 54 103.4 440 54 80.6 600 29 29.2 1370 17 F 1950~1999 104.1 640 220 105.9 1020 284 59.3 840 111 26.1 1840 65 G 1950~2010 99.1 600 188 105.4 900 238 63.6 790 95 26.7 1750 56 B/A 0.926 0.81 0.678 0.907 0.735 0.921 0.873 1.09 0.791 0.851 0.429 0.904 C/A 0.889 0.501 0.364 0.725 0.528 0.444 0.739 0.393 0.475 0.756 0.768 0.712 D/A 0.937 0.65 0.403 0.778 0.611 0.55 0.616 1.416 0.887 0.724 0.672 0.319 E/A 0.719 0.514 0.161 0.845 0.336 0.149 1.121 0.691 0.212 0.948 0.57 0.203 E/B 0.777 0.634 0.238 0.932 0.457 0.162 1.283 0.634 0.267 1.115 1.329 0.224 E/C 0.808 1.026 0.443 1.166 0.636 0.336 1.518 1.757 0.446 1.253 0.742 0.285 E/D 0.768 0.791 0.4 1.086 0.55 0.271 1.819 0.489 0.239 1.309 0.849 0.636 E/F 0.762 0.666 0.245 0.976 0.436 0.191 1.359 0.706 0.256 1.119 0.745 0.263 表4. 河龙间汛期各月降水量产流产沙量变化 区差异的影响)。以2000~2010年时段代表近期的情况，分别以近期与此前各时段径流系数、产沙系数的比值，作为对此前各时段水沙资料的初步修正系数。表1为河龙区间不同时段年平均降水量及其产流产沙量变化。 从表1可知：1) 降水量在20世界后半个世纪呈递减势态，1990~1999年时段最小，只有1956~1969年时段的85%，进入21世界以后，降水量回升，2000~2010年时段降水量为1956~1969年时段的91%，并多于其他3个时段，与1956~1999年长时段接近；2) 径流量、输沙量、径流系数、产沙系数、含沙量都基本呈逐渐减少的趋势，只有1990~1999年时段大于1980~1989年时段；3) 2000~2010年时段与1956~1999年长时段的比值，降水量为0.99，输沙量和产沙系数均为0.24，径流量和径流系数均为0.63，含沙量为0.38。2000~2010年时段与其前各时段比值的变化范围，降水量为0.91~1.07，输沙量为0.16~0.44，产沙系数为0.18~0.42，径流量为0.47~0.88，径流系数为0.52~0.85，含沙量为0.34~0.50，输沙量和产沙系数的减少远多于径流量和径流系数的减少，表明已实施的水土保持措施对产沙的减少远大于对径流的减少。 表2为汛期平均降水量产流产沙量变化，与全年的变化趋势基本一致，2000~2010年时段与其前各时段比值的变化范围，降水量为0.87~1.11，输沙量为0.14~0.41，产沙系数为0.16~0.37，径流量为0.43~1.02，径流系数为0.49~0.92，含沙量为0.29~0.43。 表3为非汛期平均降水量产流产沙量变化：1) 在5个时段中，降水量呈波动变化，1980~1989年时段为153.6 mm，属最大，1970~1979年时段为126.3 mm，属最小；2) 径流量呈递减势态。径流系数基本呈递减趋势，只是1990~1999年时段大于1980~1989年时段。输沙量和产沙系数基本上都是递减，只有1990~1999年时段大于其前的两个时段；3) 2000~2010年时段与1956~1999年长时段的比值，降水量为1，输沙量和产沙系数均为0.48，径流量和径流系数均为0.64，含沙量为0.75。2000~2010年时段与其前各时段比值的变化范围，输沙量为0.41~0.59，产沙系数为0.42~0.65，径流量为0.52~0.77，径流系数为0.53~0.84，含沙量为0.58~0.91。 表4为汛期各月平均降水量产流产沙量变化：1) 各时段与1956~1969年时段相比，各月的降水量均呈波动减少的势态，只有2000~2010年时段9月的降水量超过1956~1969年时段，比值为1.12，相应径流系数的比值为0.69，产沙系数的比值为0.21，表明在雨量增多的情况下，径流系数，特别是产沙系数仍大幅度减少；2) 汛期各月的降水量和产沙系数都是8月最大，7月第2，10月，最小，径流系数10月最大，8月第2，7月最小；3) 2000~2010年时段与其前各时段比值的变化范围，径流系数，7月为0.51~1.02，8月0.34~0.64，9月为0.49~1.76，10月为0.57~1.33；产沙系数，7月为0.16~0.44，8月为0.15~0.34，9月为0.21~0.45，10月为0.20~0.64。以上分析表明，进入21世纪的10余年与20世纪后半个世纪各时段相比，汛期7、9、10月的径流系数有时加大，有时减小，8月都是减小，总的大约减小30%多，产沙系数都是减小，总的大约减小80%。 表5为水沙特征值汛期与非汛期比值。2000~2010年时段与1956~1969年时段比较，汛期与非汛降水量比值减小12%，径流系数比值减小6%，而产沙系数比值减小63%。表明水土保持治理后，径流系数汛期与非汛期的比值变化较小，而产沙系数汛期减少的幅度远大于非汛期，因而汛期与非汛期的差距缩小。再从表2、表3中可以看出，2000~2010年时段汛期的产沙系数43.24万t/mm，已经小于其前3个时段非汛期的产沙系数，即1956~1969年时段61.35万t/mm，1970~1979年时段49.88万t/mm，1990~1999年时段58.70万t/mm，相应于此3个时段非汛期的降水量分别为141.8 mm、126.3 mm，138.0 mm，远小于2000~2010年时段汛期降水量292.5 mm。 根据以上分析成果，粗略认为各时段之间降水强度、降水地区差异对汛期产沙的影响较大；对汛期产水量的影响尚不明显，暂不考虑。参考各时段汛期的洪水泥沙情况及有关研究成果 [ 6 ] - [ 10 ] ，初步选定各时段的水沙修正系数及暴雨地区系数如表6。 汛期径流量、非汛期径流量和输沙量的修正系数均直接采用2000~2010年时段与早期各时段径流系数、产沙系数的比值，只有汛期输沙量用该比值再乘以相应的暴雨地区系数作为修正系数。用此方法对龙门年输沙量大于16亿t的8个大沙年河龙区间的年径流量、年输沙量的修正成果如表7、表8。 Table 5 Ratio of flood seasons to non-flood seasons about characteristics of water sedimen 符号 时段 (年) 降水量 (mm) 径流系数 (万m 3 /mm) 产沙系数 (万t/mm) A 1956~1969 2.38 0.544 4.56 B 2000~2010 2.09 0.509 1.69 C 1956~2010 2.1 0.524 3.65 B/A 0.88 0.94 0.37 表5. 河龙间水沙特征值汛期与非汛期比值 Table 6 Revised coefficient of various times for quantities of water and sedimen 时段 径流量 输沙量 (年) 非汛期 汛期 非汛期 汛期 暴地系数 汛期(暴地) 1956~1969 0.53 0.49 0.42 0.16 2 0.32 1970~1979 0.57 0.66 0.52 0.19 1.6 0.3 1980~1989 0.84 0.92 0.65 0.37 1 0.37 1990~1999 0.76 0.68 0.44 0.3 1.2 0.36 表6. 河龙间各时段径流量输沙量修正系数 Table 7 Hokouzhen-Longmen revised results of runoff for excessive sediment year 年 河口镇 龙门 河龙间 河龙间(修正后) 汛期 非汛期 全年 汛期 非汛期 全年 汛期 非汛期 全年 汛期 非汛期 全年 1953 133.9 86.4 220.3 178.3 122.7 301 44.4 36.3 80.7 21.76 19.24 41 1954 160.1 123.5 283.6 220.7 160.5 381.2 60.6 37 97.6 29.69 19.61 49.3 1958 186.9 112.6 299.5 254.1 144 398.1 67.2 31.4 98.6 32.93 16.64 49.57 1959 147.5 58 205.5 220.8 89.3 310.1 73.3 31.3 104.6 35.92 16.59 52.51 1964 239.1 110.1 39.2 294.9 142.2 436.1 55.8 31.1 86.9 27.34 16.48 43.82 1966 178.9 142.9 321.8 215.8 167.9 383.7 36.9 25 61.9 18.08 13.25 31.33 1967 292.3 151.8 444.1 367.6 184.1 551.7 75.3 3.3 107.6 36.9 17.12 54.02 1977 85 76 161 132 103.8 235.8 47 27.8 74.8 31.02 15.85 46.87 表7. 河龙间大沙年径流量修正成果(亿m 3 )