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横断山区典型流域次降水事件水沙特征分析.pdf
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1、摇第 22 卷摇 第 1 期2024 年 2 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.22摇 No.1Feb.2024DOI:10.16843/j.sswc.2022208横断山区典型流域次降水事件水沙特征分析郭乾坤1,黄婷婷2,单志杰1覮,秦摇 伟1,宁堆虎1(1.中国水利水电科学研究院,100048,北京;2.水利部水土保持监测中心,100053,北京)摘要:横断山区干热河谷高温低湿,植被稀疏,水土流失现象较为严重,是金沙江、澜沧江和怒江等大江大河泥沙的主要源区。干热河谷地区水土流失多由次强降水事件造成,因此在该区
2、域基于次降水事件尺度开展水沙特征研究,对于评价降雨和下垫面对流域产流产沙的相对贡献、指导未来水土保持实践具有重要意义。基于金沙江一级支流龙川江流域小黄瓜园水文站 19662018 年实测水沙数据,运用 Mann鄄Kendall 方法划分基准期和变化期,并基于 2 期次降水事件,对比分析降雨等级相同、暴雨覆盖面积比例等级相同、降雨量和降雨空间分布相似等 3 种情况下,2 期水沙特征及变化原因。结果表明:1)小黄瓜园19662018 年径流量和输沙量呈现明显下降趋势,其中2008年为突变年份;2)水土保持措施主导下的下垫面变化是变化期径流输沙减少的主要原因。长期以来龙川江流域实施的水土保持工程有效
3、地改变下垫面的情况,减流减沙效果明显。应进一步加强横断山区等地形复杂地区次降水事件尺度水沙变化研究,更好地指导水土保持优化配置与管理。关键词:次降水事件;水土保持措施;下垫面;水沙特征;干热河谷;龙川江流域中图分类号:S157郾 2文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2024)01鄄0027鄄08引用格式:郭乾坤,黄婷婷,单志杰,等.横断山区典型流域次降水事件水沙特征分析J.中国水土保持科学,2024,22(1):27-34.GUO Qiankun,HUANG Tingting,SHAN Zhijie,et al.Analysis on characteristics in runof
4、f and sedi鄄ment under rainfall events in a typical watershed in the Hengduan Mountain RegionJ.Science of Soil and Water Conservation,2024,22(1):27-34.收稿日期:2022 10 20摇 修回日期:2023 10 27项目名称:国家自然科学基金“极端降水对干热河谷坡面和流域尺度水沙关系的影响及其驱动机制冶(42007068)第一作者简介:郭乾坤(1987),男,博士,高级工程师。主要研究方向:水沙变化分析评价,土壤侵蚀模型应用。E鄄mail:guo鄄
5、qiankun 覮 通信作者简介:单志杰(1980),男,博士,正高级工程师。主要研究方向:水土流失风险与水土保持生态效益评价。E鄄mail:shanzhj Analysis on characteristics in runoff and sediment under rainfall eventsin a typical watershed in the Hengduan Mountain RegionGUO Qiankun1,HUANG Tingting2,SHAN Zhijie1,QIN Wei1,NING Duihu1(1.China Institute of Water Resou
6、rces and Hydropower Research,100048,Beijing,China;2.The Center of Soil and Water Conservation Monitoring,Ministry of Water Resources,100053,Beijing,China)Abstract:Background The dry鄄hot valleys in the Hengduan Mountain Region has the uniquecharacteristics of high temperature,low humidity and sparse
7、vegetation,resulting in severe soil erosion,which was mainly contributed by several rainstorms.Currently studies on dynamics in runoff and sedimentin the watersheds in the dry鄄valley region,especially on the rainfall event scale,are large lacking,bringingdifficulties for analyzing the impacts of cha
8、nges in rainfall and underlying surfaces on changes in runoff andsediment,assessing the relative contributions of different influencing factors and guiding the future practicalworks on soil and water conservation.Methods Based on the measured runoff and sediment data from摇中国水土保持科学2024 年1966 to 2018
9、in the Xiaohuangguayuan hydrometric station in the Longchuanjiang watershed,a first鄄ordertributary of the Jinsha River,two periods have been distinguished based on the temporal changes in annualrunoff and sediment using the Mann鄄Kendall method:The baseline period(1966-2008)and the responseperiod(200
10、9-2018).For both periods,the average annual runoff and sediment under the same rainfallgrade,and the same area proportion grades for torrential rainfall(the percentage of area covered by thetorrential rainfall(50 mm in the rainfall)to the area covered by the rainfall event)were analyzed andcompared.
11、The annual runoff and sediment for some similar rainfall events across the two periods were alsoanalyzed to detect the variations between the two periods.Results 1)Substantial decreases of bothrunoff and sediment in the Xiaohuangguayuan hydrometric station have been found from the baseline periodto
12、the response period with the mutation year of 2008.2)For the rainfall events with same rainfall grade,the average runoff and sediment in the response period were about 48郾 72%and 29郾 06%of the baselineperiod,respectively;for the rainfall events with the same area proportion grade of torrential rainf
13、all,theaverage runoff and sediment in the response period were about 48郾 77%and 28郾 97%of the baselineperiod.3)For the similar rainfall events,the average runoff and sediment in the response period wereabout 74郾 16%and 33郾 12%of the baseline period.4)The comparisons of both runoff and sedimentbetwee
14、n the two periods all indicated that the changes in underlying surface that dominant by theimplication of the soil and water conservation measures were probably the primary reasons for changes inrunoff and sediment since the rainfall amount,the covering area of torrential rainfall and the rainfallch
15、aracteristics of the rainfall events that used for comparison between the two periods were similar.Conclusions This study highlights the contribution of soil and water conservation on changes incharacteristics in runoff and sediment in the Longchuanjiang watershed,which may provide guidance foroptim
16、al deployment and management of soil and water conservation measures.Keywords:rainfall event;soil and conservation measures;underlying surface;characteristics in runoffand sediment;dry鄄hot valley;the Longchuanjiang watershed摇 摇我国水土流失一般由几次大雨或 暴 雨 造成1 4。较大场次降雨事件对径流泥沙动态过程的影响及其机制研究成为近年来的研究热点之一5。近年来相关研究主
17、要集中在黄土高原地区6 7,如延河8、大理河9和无定河10等流域。这些研究明确黄土高原次降雨事件降雨特征的变化及其对水沙变化的影响,为科学评价水土保持措施效益、科学认识极端降雨情境下产洪产沙规律、科学配置水土流失防治措施等提供重要依据;然而,与黄土高原较为丰富的研究相比,我国其他地区,特别是西南横断山区次降雨事件对水沙变化的研究还相对缺乏。我国西南横断山区山高谷深,形成大量空间散布的狭长干热河谷,具有高温低湿、植被稀疏、生态环境较为脆弱等特征,加之人为活动频繁,易造成较为严重的水土流失。近年来,不少学者选择干热河谷所在的典型流域开展水沙特征变化与归因分析,定量评价降雨和人为活动对水沙变化的影响
18、,其中以龙川江流域的研究11 15最为丰富。然而,这些研究多在年尺度开展,且多以年降雨量表征降雨指标,不能充分反映次降雨事件中降雨强度、降雨历时等关键降雨指标对产流产沙的影响,且研究采用的降雨点较少,不能准确反映横断山区复杂地形条件下的降雨空间分异特征。近年来,干热河谷次降雨事件的研究多集中于坡面尺度,以径流小区定位观测试验为主16 19,缺少流域尺度上降雨特征对水沙变化的影响研究。总之,干热河谷地区次降雨事件对流域尺度水沙特征的影响还少见报告,一定程度上影响对次降雨事件水土流失规律的准确认识,也影响水土保持措施的精准配置。基于上述情况,笔者选取位于横断山区的金沙江一级支流龙川江作为研究区。该
19、流域下游的元谋盆地为典型干热河谷地区,流域在整个横断山区具有代表性。笔者基于流域内各降雨站点长序列实测资料和流域出口小黄瓜园水文站水文泥沙测验资料,分析不同时期次降水条件下水沙变化特征,评价水土保持措施对水沙变化的影响,以期为后续水土流失治理提供科学参考。82摇摇 第 1 期郭乾坤等:横断山区典型流域次降水事件水沙特征分析1摇 研究区概况龙川江为长江上游金沙江南岸的一级支流,位于云南省楚雄彝族自治州境内,流域面积 9 255 km2(图 1)。龙川江干流小黄瓜园水文站控制的集水区面积 5 560 km2。流域上中游是山地丘陵区,属亚热带季风气候,下游元谋盆地为干热河谷,属干热气候。流域多年平均
20、年降水量约 900 mm,其中干热河谷区约 600 mm。干热河谷区由于高温低湿,植被缺少,历来水土流失较为严重20 22。自 1990 年以来,包括龙川江流域在内的金沙江流域先后启动长江防护林工程、“长治冶工程、天然林资源保护保护工程、退耕还林工程和生态恢复工程等项目23,同时开展坡改梯、水库建设和水窖等小型水利设施建设项目24,流域下垫面发生明显变化,生态环境得到明显改善。图 1摇 龙川江流域的位置及雨量站、水文站分布Fig.1摇Location of the Longchuanjiang watershed and thedistribution of hydrometric stati
21、ons and rainfall gau鄄ges2摇 研究方法2郾 1摇 典型次降雨事件筛选基于中华人民共和国水文年鉴资料,摘录得到19662018 年龙川江流域 30 个雨量站逐日降雨量、小黄瓜园水文站逐日径流量和输沙量等数据,并据此计算得到小黄瓜园站 19662018 年均径流量和输沙量(图 2)。可见,19662018 年年均径流量和输沙量均呈下降趋势,运用 Mann鄄Kendall 趋势分析方法研究发现径流输沙均在 2008 年发生趋势性突变,因此将径流输沙序列划分为 19662008 和20092018 年 2 个时段,即基准期和变化期。图 2摇 龙川江流域小黄瓜园水文站逐年径流泥沙
22、变化Fig.2摇 Variations of annual runoffs and sediments in theXiaohuaguayuan hydrometric station基于已获取的降雨和径流泥资料,筛选典型次降雨事件,并根据同一降雨事件中各雨量站实测降雨数据,通过反距离加权空间插值得到该次事件平均降雨量。为有效筛选能引起产流产沙的降雨事件,笔者规定:当流域内至少 1 个雨量站的日降雨量25 mm 时,即流域内产生气象学意义上的大雨及以上级别降雨时,方计算次降水事件平均降雨量。同时考虑到同一次降水事件受降雨时段、站点位置、径流流速和输沙距离等因素的影响,水文站观测的径流输沙过程往
23、往滞后于降雨过程,因此在筛选次降水事件时,适当参考水文年鉴中降水要素摘录表中各雨量站降雨强度较大时段的洪水过程资料,对降雨和径流输沙过程进行时间上的对应和匹配。筛选后共得到次降水事件 158 场,其中基准期 128 场,变化期 30 场(图 3)。2郾 2摇 相同降雨量和暴雨覆盖面积比例等级 2 期对比分析基于 158 场次降雨事件平均降雨量,划分不同降雨量等级,分别为一级(20 mm)、二级(逸20 30 mm)、三 级(逸 30 40 mm)、四 级(逸 40 50 mm)、五 级(逸 50 70 mm)、六 级(逸 70 100 mm)和七级(逸100 mm),统计分析 2 期各降雨量等
24、级的平均降雨量、径流量和输沙量,对比分析92摇中国水土保持科学2024 年图 3摇 小黄瓜园水文站筛选得到的逐年次降雨事件数量Fig.3摇Number of rainfall events in each year in the Xiao鄄huangguayuan hydrometric station2 期同一降雨量等级下径流量和输沙量的差异。2期各降雨量等级基本统计信息见表 1。针对每一场次降水事件,统计流域内不同降雨量等级的覆盖面积。根据国家标准 GB/T 285922012降水量等级,日降雨量在 50 99郾 9 mm 即为暴雨等级,因此选择四级以上降雨覆盖面积比例这一指标以表征每场次
25、降雨中暴雨覆盖面积比例情况。根据次降雨事件暴雨覆盖面积比例的差异,划分 6 个不同等级(表 1)。统计分析 2 期暴雨覆盖面积比例各等级的平均降雨量、径流量和输沙量等,以对比分析流域发生较大场次降雨时 2 期同一覆盖面积比例等级下径流量和输沙量的差异。表 1摇 各降雨量等级和暴雨覆盖面积比例等级 2 期降雨事件数量Tab.1摇 Number of rainfall events for rainfall grades and area proportion grades for torrential rainfall in both periods降雨量等级Rainfallgrade/mm总数
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